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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anzeigevorrichtung, die auf den Kopf eines Benutzers aufsetzbar ist und ihm über ein Brillenglas ein virtuelles Bild anbietet.
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Bei solchen Anzeigevorrichtungen besteht die Problematik, dass verschiedene Benutzer verschiedene Schläfen-Augen-Abstände haben, so dass bezogen auf die Schläfe des Benutzers die Position für das virtuelle Bild in lateraler Richtung von Benutzer zu Benutzer unterschiedlich sein kann.
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Ausgehend hiervon ist es daher Aufgabe der Erfindung, eine Anzeigevorrichtung bereitzustellen, mit der eine einfache Anpassung an unterschiedliche Schläfen-Augen-Abstände möglich ist.
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Die Erfindung ist im unabhängigen Anspruch 1 definiert. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Da erfindungsgemäß über die Position der Einkoppelstelle des erzeugten Bildes die Position der Austrittspupille in der ersten Richtung festgelegt ist, kann in dieser Art und Weise leicht eine Anpassung an unterschiedliche Schläfen-Augen-Abstände durchgeführt werden.
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Wenn eine Zwischenabbildung des Bildes innerhalb des Brillenglases zwischen Einkoppelabschnitt und Auskoppelabschnitt vorliegt, kann das Brillenglas sehr kompakt ausgebildet werden. Ferner ist es möglich, durch die dann vorliegende größere optische Weglänge beispielsweise ein oder zwei zusätzliche Korrekturspiegel einzubringen. Dadurch lässt sich das System leichter und flexibler korrigieren, wobei eine bessere Verzeichnung und Spotgröße erreicht werden kann.
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Das erfindungsgemäße Brillenglas realisiert alleine (oder mit einer Zusatzoptik, die zwischen Bildgeber und Eintrittsfläche des Brillenglases angeordnet sein kann) eine Abbildungsoptik, die das erzeugte Bild des Bildgebers so abbildet, dass der Benutzer es als virtuelles Bild wahrnehmen kann. Dabei ist die Abbildungsoptik so ausgebildet, dass die Einkoppelstelle der Eintrittsfläche, an der das erzeugte Bild eingekoppelt wird, die Auskoppelrichtung des Auskoppelabschnitts und somit die Position der Austrittspupille in der ersten Richtung festlegt.
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Ferner kann die Abbildungsoptik beispielsweise bildgeberseitig telezentrisch realisiert werden. Dann kann mittels einer z-Verschiebung des Bildgebers (bzw. Änderung des Abstands zwischen Bildgeber und Brillenglas) die virtuelle Lage ebenfalls in z-Richtung verschoben werden, ohne dass das Sichtfeld verändert wird.
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Das Brillenglas kann aus Kunststoff oder Glas hergestellt sein. Insbesondere kann das Brillenglas ein- oder mehrteilig ausgebildet sein.
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Die Umlenkstruktur kann als eine einzige durchgehende Spiegelfläche ausgebildet sein. Die Spiegelfläche kann teilreflektiv sein. Es ist jedoch auch möglich, dass sie eine möglichst hohe Reflektivität von nahezu 100% aufweist.
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Ferner kann die Umlenkstruktur mehrere zueinander versetzte Spiegelflächen aufweisen und insbesondere als reflektive oder teilreflektive Fresnel-Struktur ausgebildet sein.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, die ebenfalls erfindungswesentliche Merkmale offenbaren, noch näher erläutert. Diese Ausführungsbeispiele dienen lediglich der Veranschaulichung und sind nicht als einschränkend auszulegen. Beispielsweise ist eine Beschreibung eines Ausführungsbeispiels mit einer Vielzahl von Elementen oder Komponenten nicht dahingehend auszulegen, dass alle diese Elemente oder Komponenten zur Implementierung notwendig sind. Vielmehr können andere Ausführungsbeispiele auch alternative Elemente und Komponenten, weniger Elemente oder Komponenten oder zusätzliche Elemente oder Komponenten enthalten. Elemente oder Komponenten verschiedener Ausführungsbespiele können miteinander kombiniert werden, sofern nichts anderes angegeben ist. Modifikationen und Abwandlungen, welche für eines der Ausführungsbeispiele beschrieben werden, können auch auf andere Ausführungsbeispiele anwendbar sein. Zur Vermeidung von Wiederholungen werden gleiche oder einander entsprechende Elemente in verschiedenen Figuren mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet und nicht mehrmals erläutert. Von den Figuren zeigen:
- 1 eine schematische perspektivische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anzeigevorrichtung;
- 2 eine vergrößerte Teilschnittansicht des ersten Brillenglases einschließlich einer schematischen Darstellung des Bilderzeugungsmoduls;
- 3 eine Darstellung gemäß 2;
- 4 eine Darstellung gemäß 2;
- 5 eine Darstellung gemäß 2 einer weiteren Ausführungsform
- 6 eine Darstellung gemäß 2 einer weiteren Ausführungsform, und
- 7 eine Darstellung gemäß 2 einer weiteren Ausführungsform.
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Bei der in 1 gezeigten Ausführungsform umfasst die erfindungsgemäße Anzeigevorrichtung 1 eine auf den Kopf eines Benutzers aufsetzbare Haltevorrichtung 2, die z.B. in Art eines herkömmlichen Brillengestells ausgebildet sein kann, sowie ein erstes und ein zweites Brillenglas 3, 4, die an der Haltevorrichtung 2 befestigt sind. Die Haltevorrichtung 2 mit den Brillengläsern 3, 4 kann z.B. als Sportbrille, Sonnenbrille und/oder Brille zur Korrektur einer Fehlsichtigkeit ausgebildet sein, wobei dem Benutzer über das erste Brillenglas 3 ein virtuelles Bild in sein Gesichtsfeld eingespiegelt werden kann, wie nachfolgend beschrieben wird.
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Dazu umfasst die Anzeigevorrichtung 1 ein Bilderzeugungsmodul 5, das im Bereich des rechten Brillenbügels der Haltevorrichtung 2 angeordnet sein kann, wie in 1 schematisch dargestellt ist. Das Bilderzeugungsmodul 5 kann ein flächiges Bilderzeugungselement 6 (2), wie z.B. einen OLED-, einen LCD- oder ein LCoS-Chip oder eine Kippspiegelmatrix, mit einer Vielzahl von z.B. in Zeilen und Spalten angeordneten Pixeln aufweisen.
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Wie am besten aus der vergrößerten, schematischen Teilschnittansicht in 2 ersichtlich ist, weist das erste Brillenglas 3 eine Rückseite 7 und eine Vorderseite 8 auf. Die Rückseite 7 und die Vorderseite 8 sind hier als plane Flächen gezeigt. Es ist jedoch auch möglich, dass die Rückseite 7 und/oder die Vorderseite 8 gekrümmt ausgebildet sind. Beispielsweise kann eine sphärische Krümmung oder eine asphärische Krümmung vorliegen.
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Seitlich weist das Brillenglas 3 einen Einkoppelabschnitt 9 mit einer Eintrittsfläche 10, die plan oder gekrümmt ausgebildet sein kann, und eine Umlenkfläche 11, die ebenfalls plan oder gekrümmt ausgebildet sein kann, auf. Die Umlenkfläche 11 kann insbesondere als reflektive Fläche ausgebildet sein. Die Umlenkung kann aber auch durch innere Totalreflexion bewirkt werden.
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Ferner weist das erste Brillenglas 3 einen Auskoppelabschnitt 12 mit einer Umlenkstruktur 13 auf. Der Auskoppelabschnitt 12 ist vom Einkoppelabschnitt 9 entlang einer ersten Richtung (hier die y-Richtung) beabstandet. Die Umlenkstruktur 13 kann als Spiegelfläche 13 ausgebildet sein, die entlang der ersten Richtung eine vorbestimmte Ausdehnung aufweist. Die Spiegelfläche 13 kann plan ausgebildet sein. Je nach Anwendung kann sie teiltransparent sein. In diesem Fall kann der Benutzer das erzeugte virtuelle Bild in Überlagerung mit der Umgebung wahrnehmen. Es ist jedoch auch möglich, dass die Spiegelfläche 13 eine möglichst hohe Reflektivität aufweist. Dies ist insbesondere für Anwendungen von Vorteil, bei denen der Benutzer nur das virtuelle Bild und nicht die Umgebung wahrnehmen soll.
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Von jedem Pixel des Bildgebers 6 kann ein Lichtbündel 14 ausgehen. Durch eine entsprechende Ansteuerung der Pixel des Bildgebers 6 mittels einer Steuereinheit 15, die einen Prozessor 19 aufweist und die Teil des Bilderzeugungsmoduls 5 sein kann, kann das gewünschte Bild erzeugt werden. In 2 ist stellvertretend für die Lichtbündel 14 der Strahlengang eines Lichtbündels 14 eingezeichnet.
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Das vom Bildgeber 6 ausgehende Lichtbündel 14 tritt über die Eintrittsfläche 10 in das Brillenglas 3 ein und wird von der Umlenkfläche 11 so umgelenkt, dass eine Reflexion an der Rückseite 7 (z.B. innere Totalreflexion) stattfindet und dadurch das Lichtbündel 14 auf die Spiegelfläche 13 trifft, die eine Umlenkung in Richtung zur Rückseite 7 derart bewirkt, dass das Lichtbündel 14 über die Rückseite 7 aus dem ersten Brillenglas 3 austritt. Die Umlenkung wird dabei so bewirkt, dass die Auskoppelrichtung, entlang der das Lichtbündel 14 über die Rückseite 7 austritt, der -z-Richtung entspricht.
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Wie ferner in der schematischen Darstellung in 2 angedeutet ist, ist das erste Brillenglas 3 hier so ausgebildet, dass innerhalb des Brillenglases 3 zwischen Einkoppelabschnitt 9 und Auskoppelabschnitt 12 eine Zwischenabbildung des mittels des Bildgebers 6 erzeugten Bildes vorliegt. Jedoch ist eine solche Zwischenabbildung nicht zwingend notwendig.
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Wie in 2 gezeigt ist, ist die Ausdehnung des Bildgebers 6 in der ersten Richtung (y-Richtung) kleiner als die entsprechende Ausdehnung der Eintrittsfläche 10 und ist der Bildgeber 6 mittig vor der Eintrittsfläche 10 bezogen auf die erste Richtung angeordnet. In diesem Fall liegt die Austrittspupille 16 der Anzeigevorrichtung 1 an der durch die Pfeil P1 gekennzeichneten Position, so dass ein Benutzer, der die Anzeigevorrichtung auf dem Kopf trägt und sein Auge A an dieser Position P1 positioniert hat, ein virtuelles Bild vor der Vorderseite 8 wahrnehmen kann, wie in 2 schematisch dargestellt ist. Das entsprechende Sehfeld (field of view) ist mit dem Doppelpfeil K1 angedeutet. Somit kann ein Benutzer bei der Augenposition gemäß 2 und Geradeausblick (Blickrichtung 18 in 2) das virtuelle Bild 17 wahrnehmen.
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Bei der erfindungsgemäßen Anzeigevorrichtung kann der Bildgeber 6 mittels einer Positioniereinheit 20 unter Steuerung der Steuereinheitt 15 entlang der ersten Richtung (y-Richtung) verschoben werden, so dass verschiedene Einkoppelstellen eingestellt werden können. Die Einkoppelstelle kann sich auf einen vorbestimmten Punkt des Bildgebers 6 beziehen (beispielsweise die Mitte des Bildgebers 6 oder der obere oder der untere Rand in y-Richtung).
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Wenn der Bildgeber 6 so positioniert ist, wie in 3 gezeigt ist, führt die Abbildung der Anzeigevorrichtung dazu, dass die Auskoppelrichtung nun nicht mehr entlang der -z-Richtung verläuft, sondern dazu geneigt ist. Dies führt zu einer lateralen (in y-Richtung) Verschiebung der Austrittspupille 16, so dass das Auge A des Benutzers an der Position P2 positioniert sein muss, um das virtuelle Bild wahrnehmen zu können (Doppelpfeil K2). Die Blickrichtung 18 des Benutzers ist ebenfalls geneigt im Vergleich zu 2.
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Bei der Position des Bildgebers 6 gemäß 4 ändert sich wiederum die Auskoppelrichtung, so dass die Austrittspupille 16 lateral verschoben ist. Das Auge A des Benutzers muss an der entsprechenden Stelle (Pfeil P3) positioniert sein, um das virtuelle Bild wahrnehmen zu können (Doppelpfeil K3). Die Blickrichtung 18 des Benutzers ist ebenfalls geneigt im Vergleich zu 2.
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Wie aus 2 bis 4 erkennbar ist, ist durch die Wahl der Einkoppelstelle des Bildgebers 6 vor der Eintrittsfläche 10 die laterale Position der Austrittspupille 16 (entlang der y-Richtung) einstellbar, so dass die Anzeigevorrichtung 1 auf unterschiedliche Schläfen-Augen-Abstände der individuellen Benutzer leicht einstellbar ist.
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Der Bereich 21 der möglichen Pupillenpositionen führt zu einem Winkelbereich 22 der zugeordneten Blickrichtung 18.
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In einer Abwandlung (5) ist die Ausdehnung des Bildgebers 6 in der ersten Richtung (y-Richtung) genau so groß oder größer wie die entsprechende Ausdehnung der Eintrittsfläche 10, so dass der Bildgeber 6 selbst nicht verschoben werden muss, um unterschiedliche Einkoppelstellen für das erzeugte Bild zu erzeugen. Es wird lediglich der entsprechende Bereich auf dem Bildgeber 6 angesteuert, um das Bild zu erzeugen, so dass die Einkoppelstelle für das erzeugte Bild in y-Richtung variieren kann. In diesem Fall kann die Positioniereinheit 20 entfallen.
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Bei den beschriebenen Ausführungsformen ist das Brillenglas 3 für das Bild des Bildgebers 6 als Abbildungsoptik ausgebildet, die das mittels des Bildgebers 6 erzeugte Bild so abbildet, dass er der Benutzer als virtuelles Bild wahrnehmen kann. Wie bereits erwähnt, kann die Abbildungsoptik so ausgebildet sein, dass innerhalb des Brillenglases 3 eine Zwischenabbildung und somit ein Zwischenbild vorliegt. Dadurch kann der Querschnitt des Brillenglases 3 reduziert werden, so dass eine kompakte Bauweise realisiert werden kann. Ferner wird durch das Zwischenbild die optische Weglänge größer, in die dann beispielsweise ein oder zwei zusätzliche Korrekturspiegel eingebracht werden können. Dadurch lässt sich die Abbildungsoptik leichter und flexibler korrigieren und es kann eine bessere Verzeichnung und Spotgröße erreicht werden.
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Wie in dem Ausführungsbeispiel von 6 gezeigt ist, kann zwischen dem Bildgeber 6 und der Eintrittsfläche 10 eine weitere Optik (hier schematisch als Linse 23 dargestellt) vorgesehen sein. Dadurch kann wiederum eine leichtere und flexiblere Korrektur mit besserer Verzeichnung und Spotgröße erreicht werden. Die Ausführungsform von 6 ist eine Abwandlung der Ausführungsform von 5. Natürlich kann diese in Verbindung mit 6 beschriebene Abwandlung auch bei der Ausführungsform gemäß 2 bis 4 vorgesehen sein.
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In 7 ist eine Abwandlung der Ausführungsform gemäß 2 dargestellt.
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Einerseits ist bei dieser Ausführungsform der Bildgeber 6 von der Eintrittsfläche 10 beabstandet. Dabei kann insbesondere kein weiteres optisches Element zwischen dem Bildgeber 6 und der Eintrittsfläche 10 vorliegen. Eine solche Beabstandung des Bildgebers 6 von der Eintrittsfläche kann auch bei den Ausführungsformen gemäß 2 bis 5 vorgesehen sein.
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Andererseits ist die Umlenkfläche 11 in der Art und Weise kippbar gestaltet, dass ein Luftraum zwischen dem Brillenglas 3 und der Umlenkfläche 11 vorliegt. Das Lichtbündel 14 tritt daher über die Fläche 11' aus dem Brillenglas 3 aus, trifft auf die Umlenkfläche 11, wird an dieser reflektiert und tritt wiederum über die Fläche 11' in das Brillenglas 3 ein. Die Wahl des Kippwinkels der Umlenkfläche 11 kann zusätzlich zur Position des Bildgebers 6 entlang der y-Richtung genutzt werden, um die beschriebene Verschiebung der Austrittpupille 16 in der y-Richtung zu bewirken. Alternativ ist es möglich, die erfindungsgemäße Anzeigevorrichtung so auszubilden, dass nur über die Wahl des Kippwinkels der Umlenkfläche 11 die beschriebene Verschiebung der Austrittspupille 16 entlang der y-Richtung erfolgt.
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Die beiden beschriebenen Merkmale des Abstands zwischen dem Bildgeber 6 und der Eintrittsfläche 10 sowie der kippbaren Anordnung der Umlenkfläche 11 können einzeln oder zusammen bei sämtlichen beschriebenen Ausführungsformen vorgesehen werden.
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Ferner ist das erfindungsgemäße Brillenglas fertigungsfreundlich, da die Eintrittsfläche 10 sowie angrenzende Flächen sich auf relativ ähnlichen Positionen in z-Richtung befinden, wobei diese jedoch zueinander einen ausreichenden Abstand haben. Es handelt sich hierbei bevorzugt um optisch genutzte Flächen, wie die Eintrittsfläche 10, die Umlenkfläche 11 sowie Vorder- und Rückseite 8, 7. Damit ist es möglich, ein Spritzgusswerkzeug zur Herstellung des Brillenglases 3 mit gut entformbarem Übergang zwischen den Flächen bereitzustellen.
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Die Abbildungsoptik kann bildgeberseitig telezentrisch realisiert werden. Damit wird der Vorteil erreicht, dass eine z-Verschiebung des Bildgebers 6 zu einer Verschiebung der virtuellen Bildlage entlang der z-Richtung führt, ohne dass dabei das Sehfeld für den Benutzer und somit die Lage der Austrittspupille 16, die auch als Eyebox bezeichnet werden kann, verändert wird. Zur Verschiebung des Bildgebers 6 entlang der z-Richtung kann beispielsweise die Positioniereinheit 20 entsprechend ausgebildet sein und dann über die Steuereinheit 15 angesteuert werden.
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Die Darstellung in den 2 bis 6 ist sehr schematisch. Bevorzugt erfolgt nach der Umlenkung an der Umlenkfläche 11 eine Reflexion an der Vorderseite 8 gefolgt von einer Reflexion an der Rückseite und der Umlenkung an der Spiegelfläche 13.
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Bei der erfindungsgemäßen Anzeigevorrichtung 1 erfolgt die Einspiegelung des virtuellen Bildes in das Gesichtsfeld des Benutzers über das erste Brillenglas 3. Natürlich ist auch eine Einspiegelung über das zweite Brillenglas 4 möglich. Des Weiteren kann die Anzeigevorrichtung 1 so ausgebildet sein, dass Informationen bzw. virtuelle Bilder über beide Brillengläser 3, 4 eingespiegelt werden. Dabei kann die Einspiegelung so erfolgen, dass ein dreidimensionaler Bildeindruck entsteht. Dies ist jedoch nicht zwingend notwendig.
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Die Brillengläser 3, 4 können eine Brechkraft von Null oder eine von Null verschiedene Brechkraft (insbesondere zur Korrektur einer Fehlsichtigkeit) aufweisen. Insbesondere kann sowohl die Vorderseite 8 als auch die Rückseite 7 gekrümmt ausgebildet sein. Die Vorderseite ist insbesondere sphärisch gekrümmt. Wenn das Brillenglas 3, 4 eine von Null verschiedene Brechkraft aufweist, um eine Fehlsichtigkeit zu korrigieren, ist in der Regel die Krümmung der Rückseite 7 entsprechend gewählt, um die entsprechende Korrektur zu erreichen. Die Rückseite 7 kann eine von der sphärischen Form abweichende Krümmung aufweisen.
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Die Haltevorrichtung 2 muss nicht als brillenartige Haltevorrichtung ausgebildet sein. Es ist auch jede andere Art der Haltevorrichtung möglich, mit der ein Aufsetzen und Tragen der Anzeigevorrichtung 1 auf dem Kopf erfolgen kann.
