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EP0803756B1

Viewing device for head mounted display

Abstract

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EP0803756B1, drawing sheet 1
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Expired 24 April 2017, 9.4 years ago.

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16 claims: 16 independent, 0 dependent

  1. 1
    An optical device having a first polarizer plate (32) disposed at an incident side and a second polarizer plate (37, 137) disposed at an outgoing side, the two polarizers having their respective transmission axes arranged orthogonally relative to each other, between which a half mirror-coated reflecting-refracting magnification means (33, 133), a first quarter-wave plate (34, 134), a half-mirror (35), and a second quarter-wave plate (36, 136) are disposed, wherein the optical axes of the two quarter-wave plates (34, 36;134, 136) are tilted at + or - 45° with respect to the corresponding optical axes of the two polarizer plates, and characterised in that said first and second quarter-wave plates each satisfy the condition nx>nz>ny, where nz is the refractive index in the thickness direction, and nx, ny are the refractive indexes in orthogonal surface plane directions of the respective quarter-wave plate, so as to cooperatively suppress a variation in retardation of light with respect to the incidence angle of light passing obliquely through said quarter-wave plates. Dispositif optique comportant une première lame polarisante (32) disposée au niveau d'un côté d'incidence et une seconde lame polarisante (37, 137) disposée au niveau d'un côté de sortie, les axes de transmission respectifs des deux lames polarisantes étant disposés perpendiculairement l'un à l'autre, lames entre lesquelles sont disposés des moyens d'agrandissement à réflexion - réfraction revêtus d'un semi-miroir (33, 133), une première lame quart d'onde (34, 134), un semi-miroir (35), et une seconde lame quart d'onde (36, 136), dans lequel les axes optiques des deux lames quart d'onde (34, 36 ;134, 136) sont inclinés suivant un angle de + ou - 45° par rapport aux axes optiques correspondants des deux lames polarisantes, et caractérisé en ce que lesdites première et seconde lames quart d'onde satisfont chacune la condition nx > nz > ny, condition dans laquelle nz est l'indice de réfraction dans le sens de l'épaisseur, et nx, ny sont les indices de réfraction dans les directions de plan de surface orthogonales des lames quart d'onde respectives, de manière à supprimer en coopération une variation du retard de la lumière, par rapport à l'angle d'incidence de la lumière, traversant obliquement lesdites lames quart d'onde. Optisches Bauteil mit einer ersten Polarisationsplatte (32), die auf einer Eintrittsseite angeordnet ist, und einer zweiten Polarisationsplatte (37, 137), die auf einer Austrittsseite angeordnet ist, wobei die jeweiligen Transmissionsachsen der zwei Polarisatoren rechtwinklig zueinander angeordnet sind, zwischen denen eine als Halbspiegel beschichtete reflektierende, brechende Vergrößerungseinrichtung (33, 133), eine erste Viertelwellenplatte (34, 134), ein Halbspiegel (35) und eine zweite Viertelwellenplatte (36, 136) angeordnet sind, wobei die optischen Achsen der zwei Viertelwellenplatten (34, 36;134, 136) um + oder um -45° in Bezug auf die entsprechenden optischen Achsen der zwei Polarisationsplatten verkippt sind, und dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Viertelwellenplatte jeweils die Bedingung nx > nz > ny erfüllen, wobei nz der Brechungsindex in der Dickenrichtung ist und nx, ny die Brechungsindizes in Richtungen rechtwinklig zur Oberflächenebene der jeweiligen Viertelwellenplatten sind, um zusammenwirkend eine Nacheilungsvariation von Licht, das schräg durch die Viertelwellenplatten läuft, abhängig vom Einfallswinkel des Lichts zu unterdrücken.
  2. 2
    An optical device according to claim 1, wherein the first quarter-wave plate (34, 134) and the second quarter-wave plate (36, 136) are disposed with their optic axes being normal to each other so as to cooperatively reduce a wavelength-dependent variation in retardation of light passing through said quarter-wave plates. Dispositif optique selon la revendication 1, dans lequel la première lame quart d'onde (34, 134) et la seconde lame quart d'onde (36, 136) sont disposées de manière à ce que leurs axes optiques soient perpendiculaires l'un à l'autre de façon à réduire en coopération une variation, dépendante de la longueur d'onde, du retard de la lumière traversant lesdites lames quart d'onde. Optisches Bauteil nach Anspruch 1, bei dem die erste Viertelwellenplatte (34, 134) und die zweite Viertelwellenplatte (36, 136) so angeordnet sind, dass ihre optischen Achsen rechtwinklig zueinander verlaufen, um gemeinsam eine wellenlängenabhängige Nacheilungsvariation des durch die Viertelwellenplatten laufenden Lichts zu verringern.
  3. 3
    An optical device according to claim 1 or claim 2, wherein the first polarizer plate (32), the reflecting-refracting magnification means (33, 133), the first quarter-wave plate (34, 134), the half-mirror (35), the second quarter-wave plate (36, 136) and the second polarizer plate (37, 137) are disposed in said order from the incident side. Dispositif optique selon la revendication 1 ou la revendication 2, dans lequel la première lame polarisante (32), les moyens d'agrandissement à réflexion - réfraction (33, 133), la première lame quart d'onde (34, 134), le semi-miroir (35), la seconde lame quart d'onde (36, 136) et la seconde lame polarisante (37, 137) sont disposés, dans ledit ordre, à partir du côté d'incidence. Optisches Bauteil nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem die erste Polarisationsplatte (32), die reflektierende, brechende Vergrößerungseinrichtung (33, 133), die erste Viertelwellenplatte (34, 134), der Halbspiegel (35), die zweite Viertelwellenplatte (36, 136) und die zweite Polarisationsplatte (37, 137) in dieser Reihenfolge von der Eintrittsseite her angeordnet sind.
  4. 4
    An optical device according to claim 1 or claim 2, wherein the first polarizer plate (32), the first quarter-wave plate (34, 134), the reflecting-refracting magnification means (33, 133), the second quarter-wave plate (36, 136), the half-mirror (35) and the second polarizer plate (37, 137) are disposed in said order from the incident side. Dispositif optique selon la revendication 1 ou la revendication 2, dans lequel la première lame polarisante (32), la première lame quart d'onde (34, 134), les moyens d'agrandissement à réflexion - réfraction (33, 133), la seconde lame quart d'onde (36, 136), le semi-miroir (35) et la seconde lame polarisante (37, 137) sont disposés, dans ledit ordre, à partir du côté d'incidence. Optisches Bauteil nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem die erste Polarisationsplatte (32), die erste Viertelwellenplatte (34, 134), die reflektierende, brechende Vergrößerungseinrichtung (33, 133), die zweite Viertelwellenplatte (36, 136), der Halbspiegel (35) und die zweite Polarisationsplatte (37, 137) in dieser Reihenfolge von der Eintrittsseite her angeordnet sind.
  5. 5
    An optical device having a first polarizer plate (32) disposed at an incident side and a second polarizer plate (37, 137) disposed at an outgoing side, the two polarizers having their respective transmission axes arranged orthogonally relative to each other, between which a half-mirror-coated reflecting-refracting magnification means (33, 133), a first retardation plate (234), a half-mirror (35), and a second retardation plate (236) are disposed, characterised in that each of the first and second retardation plates (234, 236) is a respective wide-band wave plate formed from a quarter-wave plate (212) and a half-wave plate (211) bonded together with their optical axes intersecting so that they convert light into substantially circularly-polarized light irrespective of the wavelength of the light, and in that the quarter-wave plate (212) and the half-wave plate (211) are made of the same kind of material and at least either one of the wave-plates satisfies the condition nx>nz>ny where nz is the refractive index in the thickness direction, and nx and ny are the refractive indexes in orthogonal surface plane directions of the wave-plates so as to cooperatively reduce a variation in retardation of light with respect to the incidence angle of light passing obliquely through said wide-band wave plates. Dispositif optique comportant une première lame polarisante (32) disposée au niveau d'un côté d'incidence et une seconde lame polarisante (37, 137) disposée au niveau d'un côté de sortie, les axes de transmission respectifs des deux lames polarisantes étant disposés perpendiculairement l'un à l'autre, lames entre lesquelles sont disposés des moyens d'agrandissement à réflexion - réfraction revêtus d'un semi-miroir (33, 133), une première lame à retard (234), un semi-miroir (35), et une seconde lame à retard (236), caractérisé en ce que chacune desdites lames à retard (234, 236) est une lame onde à large bande respective formée à partir d'une lame quart d'onde (212) et d'une lame demi-onde (211) qui sont unies l'une à l'autre et dont les axes optiques se croisent de manière à ce qu'elles convertissent la lumière en une lumière à polarisation sensiblement circulaire quelle que soit la longueur d'onde de la lumière, et en ce que la lame quart d'onde (212) et la lame demi-onde (211) sont faites de la même sorte de matériau et au moins l'une ou l'autre des lames onde satisfait la condition nx > nz > ny, condition dans laquelle nz est l'indice de réfraction dans le sens de l'épaisseur, et nx, ny sont les indices de réfraction dans les directions de plan de surface orthogonales des lames onde, de manière à supprimer en coopération une variation du retard de la lumière, par rapport à l'angle d'incidence de la lumière, traversant obliquement lesdites lames onde à large bande. Optisches Bauteil mit einer ersten Polarisationsplatte (32), die auf einer Eintrittsseite angeordnet ist, und einer zweiten Polarisationsplatte (37, 137), die auf einer Austrittsseite angeordnet ist, wobei die jeweiligen Transmissionsachsen der zwei Polarisatoren rechtwinklig zueinander angeordnet sind, zwischen denen eine als Halbspiegel beschichtete reflektierende, brechende Vergrößerungseinrichtung (33, 133), eine erste Nacheilungsplatte (234), ein Halbspiegel (35) und eine zweite Nacheilungsplatte (236) angeordnet sind, wobei die optischen Achsen der zwei Nacheilungsplatten (34, 36;134, 136) um + oder um -45° in Bezug auf die entsprechenden optischen Achsen der zwei Polarisationsplatten verkippt sind, und dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die erste als auch die zweite Nacheilungsplatte (234, 236) eine jeweilige breitbandige Wellenplatte aus einer Viertelwellenplatte (212) und einer Halbwellenplatte (211) ist, die so miteinander verbunden sind, dass ihre optischen Achsen einander so schneiden, dass sie Licht unabhängig von der Wellenlänge desselben in im Wesentlichen zirkular polarisiertes Licht umwandeln, und dass die Viertelwellenplatte (212) und die Halbwellenplatte (211) aus derselben Art von Material bestehen und mindestens eine der Wellenplatten die Bedingung nx > nz > ny erfüllt, wobei nz der Brechungsindex in der Dickenrichtung ist und nx, ny die Brechungsindizes in Richtungen rechtwinklig zur Oberflächenebene der jeweiligen Nacheilungsplatten sind, um zusammenwirkend eine Nacheilungsvariation von Licht, das schräg durch die Nacheilungsplatten läuft, abhängig vom Einfallswinkel des Lichts zu unterdrücken.
  6. 6
    An optical device according to claim 5, wherein an angle "p" formed between the optical axes of the quarter-wave plate (212) and the half-wave plate (211) is larger than 50 degrees and smaller than 70 degrees. Dispositif optique selon la revendication 5, dans lequel un angle « p » formé entre les axes optiques de la plaque quart d'onde (212) et de la plaque demi-onde (211) est supérieur à 50 degrés et inférieur à 70 degrés. Optisches Bauteil nach Anspruch 5, bei dem ein zwischen den optischen Achsen der Viertelwellenplatte die erste Viertelwellenplatte (212) und der Halbwellenplatte (211) gebildeter Winkel "p" größer als 50° und kleiner als 70° ist.
  7. 7
    An optical device according to claim 5 or claim 6, wherein the first polarizer plate (32), the reflecting-refracting magnification means (33, 133), the first wide-band-wave plate (234), the half-mirror (35), the second wide-band-wave plate (236) and the second polarizer plate (37, 137) are disposed in said order from the incident side. Dispositif optique selon la revendication 5 ou la revendication 6, dans lequel la première lame polarisante (32), les moyens d'agrandissement à réflexion - réfraction (33, 133), la première lame onde à large bande (234), le semi-miroir (35), la seconde lame onde à large bande (236) et la seconde lame polarisante (37, 137) sont disposés, dans ledit ordre, à partir du côté d'incidence. Optisches Bauteil nach Anspruch 5 oder Anspruch 6, bei dem die erste Polarisationsplatte (32), die reflektierende, brechende Vergrößerungseinrichtung (33, 133), die erste breitbandige Wellenplatte (234), der Halbspiegel (35), die zweite breitbandige Wellenplatte (236) und die zweite Polarisationsplatte (37, 137) in dieser Reihenfolge von der Eintrittsseite her angeordnet sind.
  8. 8
    An optical device according to claim 5 or claim 6, wherein the first polarizer plate (32), the first wide-band-wave plate (234), the reflecting-refracting magnification means (33, 133), the second wide-band-wave plate (236), the half-mirror (35) and the second polarizer plate (37, 137) are disposed in said order from the incident side. Dispositif optique selon la revendication 5 ou la revendication 6, dans lequel la première lame polarisante (32), la première lame onde à large bande (234), les moyens d'agrandissement à réflexion - réfraction (33, 133), la seconde lame onde à large bande (236), le semi-miroir (35) et la seconde lame polarisante (37, 137) sont disposés, dans ledit ordre, à partir du côté d'incidence. Optisches Bauteil nach Anspruch 5 oder Anspruch 6, bei dem die erste Polarisationsplatte (32), die erste breitbandige Wellenplatte (234), die reflektierende, brechende Vergrößerungseinrichtung (33, 133), die zweite breitbandige Wellenplatte (236), der Halbspiegel (35) und die zweite Polarisationsplatte (37, 137) in dieser Reihenfolge von der Eintrittsseite her angeordnet sind.
  9. 9
    An optical device according to any one of claims 1 to 8, wherein the optical components are each coated at either one side thereof with an anti-reflection coat. Dispositif optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel les composants optiques comportent chacun sur l'une ou l'autre de leur face un revêtement anti-réfléchissant. Optisches Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem die optischen Komponenten alle auf jeder Seite mit einer Antireflexionsbeschichtung beschichtet sind.
  10. 10
    An optical device according to any one of claims 1 to 8, wherein any one pair of the optical components is bonded to each other with adhesive for optics. Dispositif optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel les deux composants optiques d'une paire quelconque de composants optiques sont unis l'un à l'autre à l'aide d'un adhésif pour surfaces optiques. Optisches Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem jedes Paar optischer Komponenten durch Kleber für Optiken miteinander verbunden ist.
  11. 11
    An optical device according to any one of claims 1 to 10, wherein the reflecting-refracting magnification means (33, 133) is prepared from copolymer of high-molecular compounds having positive and negative photoelastic coefficients in respect to an inner stress so as to eliminate double refraction therein. Dispositif optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, dans lequel les moyens d'agrandissement à réflexion - réfraction (33, 133) sont élaborés à partir de copolymère de composés à haut poids moléculaire ayant des coefficients de photoélasticité positifs et négatifs par rapport à des tensions internes de façon à éliminer une double réfraction à l'intérieur. Optisches Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem die reflektierende, brechende Vergrößerungseinrichtung (33, 133) aus einem Copolymer hochmolekularer Verbindungen mit positivem und negativem fotoelastischem Koeffizienten hinsichtlich interner Spannungen besteht, um Doppelbrechung in diesen zu beseitigen.
  12. 12
    A head-mounted display device which comprises an optical device according to any one of claims 1 to 11, a back light (12, 112) and a liquid crystal display (31). Am Kopf anzubringende Anzeigevorrichtung mit einem optischen Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 11, einer Hintergrundbeleuchtung (12, 112) und einem Flüssigkristalldisplay (31). Visiocasque qui comprend un dispositif optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, un dispositif de rétroéclairage (12, 112) et un afficheur à cristaux liquides (31).
  13. 13
    A head-mounted display device according to claim 12, wherein a black-matrix contained in the liquid crystal display (31) is provided with anti-reflection means. Am Kopf anzubringende Anzeigevorrichtung nach Anspruch 12, bei der eine im Flüssigkristalldisplay (31) vorhandene Schwarzmatrix mit einer Antireflexionseinrichtung versehen ist. Visiocasque selon la revendication 12, dans lequel une matrice à fond noir contenue dans l'afficheur à cristaux liquides (31) est dotée de moyens anti-réfléchissants.
  14. 14
    A head-mounted display device according to claim 12 or claim 13, wherein the back light (112) has a substrate (401) provided thereon with a light-emitting diode chip (402) with an electrode and a fluorescent material (403) applied on the substrate (401). Am Kopf anzubringende Anzeigevorrichtung nach Anspruch 12 oder Anspruch 13, bei der auf der Hintergrundbeleuchtung (112) ein Substrat (401) mit einem Lichtemissionsdiode-Chip (402) mit einer Elektrode und einem auf das Substrat (401) aufgetragenen Fluoreszenzmaterial (403) vorhanden ist. Visiocasque selon la revendication 12 ou la revendication 13, dans lequel le dispositif de rétroéclairage (112) comporte un substrat (401) sur lequel est prévue une puce à diodes électroluminescentes (402), une électrode et un matériau fluorescent (403) étant appliqués sur le substrat (401).
  15. 15
    A head-mounted display device which comprises an optical device according to any one of claims 1 to 11 and an electroluminescent display. Am Kopf anzubringende Anzeigevorrichtung mit einem optischen Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 11 und einem Elektrolumineszenzdisplay. Visiocasque qui comprend un dispositif optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 11 et un afficheur électroluminescent.
  16. 16
    A head-mounted display device according to claim 15, wherein a black-matrix contained in the electroluminescent display is provided with anti-reflection means. Am Kopf anzubringende Anzeigevorrichtung nach Anspruch 15, bei der eine im Elektrolumineszenzdisplay enthaltene Schwarzmatrix mit einer Antireflexionseinrichtung versehen ist. Visiocasque selon la revendication 15, dans lequel une matrice à fond noir contenue dans l'afficheur électroluminescent est dotée de moyens anti-réfléchissants.
Independent claims16