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Die
Erfindung betrifft eine Anzeigevorrichtung zur stereoskopischen
Darstellung eines Bildes, mit einer auf den Kopf eines Benutzers
aufsetzbaren Bilderzeugungseinrichtung, die für einen einstellbaren Fixierabstand
des Bildes eine linke und eine rechte Bildansicht für das linke
und rechte Auge des Benutzers erzeugt.
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Bei
solchen Anzeigevorrichtungen, die häufig als HMD-Vorrichtungen
(Head Mounted Display-Vorrichtungen)
bezeichnet werden, tritt das Problem auf, daß der Benutzer leicht ermüdet, wenn
ihm das Bild unabhängig
vom Fixierabstand unter einem fest eingestellten Stereo-Betrachtungswinkel
dargeboten wird. Zwar kann man versuchen, den fest eingestellten
Stereo-Betrachtungswinkel
so zu wählen, daß er für einen
möglichst
großen
Fixierabstandsbereich nahe an dem natürlichen Stereo-Betrachtungswinkel,
unter dem man bei natürlicher
Sicht ein Objekt mit beiden Augen wahrnimmt, liegt. Es hat sich jedoch
herausgestellt, daß auch
in diesem Fall der Benutzer leicht ermüdet, da die Abweichung des
gewohnten Stereo-Betrachtungswinkels
bei Fixierabständen
von einigen 10 cm bis zu einigen Metern zu dem fest eingestellten
Stereo-Betrachtungswinkel der Anzeigevorrichtung zu groß ist.
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Ausgehend
hiervon ist es Aufgabe der Erfindung, eine Anzeigevorrichtung zur
stereoskopischen Darstellung eines Bildes bereitzustellen, bei der
Ermüdungserscheinungen
für einen
Benutzer aufgrund unterschiedlich entfernt dargestellter Objekte
möglichst
minimiert werden.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe gelöst durch
eine Anzeigevorrichtung zur stereoskopischen Darstellung eines Bildes,
mit einer auf den Kopf eines Benutzers aufsetzbaren Bilderzeugungseinrichtung, die
für einen
einstellbaren Fixierabstand des Bildes eine linke und eine rechte
Bildansicht für
das linke und rechte Auge des Benutzers erzeugt, und mit einem Stereomodul,
das bei aufgesetzter Bilderzeugungseinrichtung den Stereo-Betrachtungwinkel,
unter dem die beiden Bildansichten dem Benutzer dargeboten sind,
verändern
kann und in Abhängigkeit des
eingestellten Fixierabstandes einstellt.
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Mit
dieser Anzeigevorrichtung kann man den Stereo-Betrachtungswinkel
während
der Benutzung an den jeweiligen Fixierabstand anpassen und somit eine
vollständig
an die natürlichen
Sehgewohnheiten angepaßte
stereoskopische Bilderzeugung realisieren. Damit werden die unerwünschten
Ermüdungserscheinungen
minimiert.
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Die
linke und die rechte Bildansicht werden bei der Anzeigevorrichtung
dem Benutzer bevorzugt als virtuelle Bilder dargeboten. Insbesondere
umfaßt die
Bilderzeugungseinrichtung eine linke und eine rechte Anzeige, mittels
denen die beiden Bildansichten erzeugt werden. Bei den Anzeigen
kann es sich um selbstleuchtende oder nicht selbstleuchtende Anzeigen
handeln. Insbesondere können
LCD-Module oder OLED-Module als Anzeigen eingesetzt werden.
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Die
Einstellung des Stereo-Betrachtungswinkels kann beispielsweise dadurch
erfolgen, daß das Stereomodul
eine Verschiebung der Bildansichten auf den Anzeigen bewirkt. Dies
läßt sich
rein elektronisch durchführen,
so daß keinerlei
mechanische Bewegungen notwendig sind, um den gewünschten Stereo-Betrachtungswinkel
einzustellen.
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Das
Stereomodul kann eine Verstelleinrichtung umfassen, die zur Einstellung
des Sereo-Betrachtungswinkels
die beiden Anzeigen verschiebt und/oder dreht. Damit läßt sich
eine sehr genaue Einstellung des Stereo-Betrachtungswinkels realisieren.
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Insbesondere
kann jeder Anzeige zumindest ein abbildendes Optikelement nachgeordnet
sein, das zusammen mit den Anzeigen verschoben und/oder gedreht
wird. Damit kann erreicht werden, daß die Austrittspupille jeder
Abbildungsoptik, die das zumindest eine Optikelement umfaßt, mit
der Eintrittspupille des Auges des Benutzers unabhängig vom
eingestellten Stereo-Betrachtungswinkel
zusammenfällt.
Damit kann die Abbildungsoptik klein ausgebildet werden, da die
Austrittspupillen bei der Verschiebung und/oder Drehung der Anzeigen
selbst nicht bewegt werden.
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Um
dies möglichst
gut zu erreichen, ist die Anzeigevorrichtung so ausgebildet, daß bei aufgesetzter
Bilderzeugungseinrichtung das Drehzentrum der mittels der Verstelleinrichtung
durchgeführten Drehung
der rechten Anzeige mit dem Drehzentrum des rechten Auges zusammenfällt und
das Drehzentrum der mittels der Verstelleinrichtung bedingten Drehung
der linken Anzeige mit dem Drehzentrum des linken Auges zusammenfällt.
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Die
Einstellung des Stereo-Betrachtungswinkels kann mittels des Stereomoduls
auch dadurch bewirkt werden, daß zumindest
ein optisches Element, das jeder Anzeige nachgeordnet ist (also
zwischen Anzeige und Auge liegt), in seiner Position, Lage und/oder
seiner optischen Eigenschaft verändert
wird. Das optische Element kann beispielsweise ein Keil sein, der
gedreht wird.
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Das
Stereomodul der Anzeigevorrichtung stellt insbesondere bei Änderung
des Fixierabstandes den Stereo-Betrachtungswinkel in Abhängigkeit des
geänderten
Fixierabstandes ein. Damit kann stets der optimale (den natürlichen
Sehgewohnheiten entsprechende) Stereo-Betrachtungswinkel eingestellt werden.
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Die
Anzeigevorrichtung kann so ausgebildet werden, daß dem Benutzer
nur das stereoskopische Bild dargeboten wird. Alternativ ist es
möglich,
die Anzeigevorrichtung so auszubilden, daß dem Benutzer das stereoskopische
Bild in Überlagerung
mit der realen Umgebung dargeboten wird. Eine solche Darstellung
wird häufig
als augmentierte Darstellung bezeichnet. Dazu umfaßt die Anzeigevorrichtung
eine Überlagerungseinheit,
die bei aufgesetzter Bilderzeugungseinrichtung für den Benutzer die Überlagerung
des stereoskopischen Bildes mit der realen Umgebung bewirkt. Die Überlagerungseinheit
kann als optische Einheit ausgebildet sein (beispielsweise ein Strahlteiler).
Ferner ist es möglich,
daß die Überlagerungseinheit
elektronisch in der Art ausgebildet ist, daß die reale Umgebung mittels
Bildaufnahmeeinrichtungen aufgenommen wird und diese Aufnahmen elektronisch
mit dem darzustellenden Bild überlagert werden
und dann als Überlagerung
mittels der Anzeigen dem Benutzer dargeboten werden.
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Ferner
kann die Anzeigevorrichtung eine Autofokussiereinheit aufweisen,
die den Fixierabstand des darzustellenden Bildes in Abhängigkeit
des Abstandes der betrachteten realen Umgebung einstellt. Damit
wird erreicht, daß das
stereoskopisch dargestellte Bild für den Benutzer immer in dem
Abstand erscheint, in dem er die reale Umgebung gerade wahrnimmt.
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Die
Aufgabe wird ferner gelöst
durch eine Anzeigevorrichtung zur stereoskopischen Darstellung eines
Bildes, das der Benutzer in Überlagerung mit
der realen Umgebung erfassen kann, mit einer auf den Kopf eines
Benutzers aufsetzbaren Bilderzeugungseinrichtung, die für einen
(bevorzugt einstellbaren) Fixierabstand des Bildes eine linke und eine
rechte Bildansicht für
das linke und. für
das rechte Auge des Benutzers erzeugt, mit einer Überlagerungseinheit,
die bei aufgesetzter Bilderzeugungseinrichtung für den Benutzer eine Überlagerung
des stereoskopisch dargestellten Bildes mit der realen Umgebung
bewirkt, und mit einem Stereomodul, das bei aufgesetzter Bilderzeugungseinrichtung
den Stereo-Betrachtungswinkel, unter dem der Benutzer die reale
Umgebung wahrnimmt, und den Stereo-Betrachtungswinkel, mit dem dem
Benutzer die beiden Bildansichten dargeboten sind, in Übereinstimmung bringt
sowie den Fixierabstand der realen Umgebung und den Fixierabstand
des dargebotenen stereoskopischen Bildes in Übereinstimmung bringt, wobei
der Stereo-Betrachtungswinkel in Abhängigkeit des Fixierabstandes
eingestellt ist.
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Mit
dieser Anzeigevorrichtung kann man beispielsweise den Fixierabstand
des stereoskopisch dargestellten Bildes fest einstellen und den
Fixierabstand der zu erfassenden realen Umgebung daran anpassen.
Dies bringt den Vorteil mit sich, daß für den Benutzer alle Bildinformationen
immer im gleichen Bildabstand dargeboten sind.
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Natürlich ist
es auch möglich,
den Fixierabstand des stereoskopisch dargestellten Bildes an den Fixierabstand
der realen Umgebung anzupassen.
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Ferner
ist es möglich,
sowohl den Fixierabstand des stereoskopisch dargestellten Bildes
als auch den Fixierabstand der realen Umgebung zu ändern und
dadurch in Übereinstimmung
zu bringen.
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Bevorzugt
ist das Stereomodul so ausgebildet, daß bei Änderung des Fixierabstandes
der realen Umgebung die Übereinstimmung
der Fixierabstände
und der Stereo-Betrachtungswinkel beibehalten werden. Damit wird
eine Anzeigevorrichtung bereitgestellt, bei der die Ermüdungserscheinungen
für den
Benutzer minimiert werden können.
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Die
Anzeigevorrichtung zur stereoskopischen Darstellung eines Bildes
in Überlagerung
mit der Umgebung kann in gleicher Weise weitergebildet werden wie
die zuerst beschriebene Anzeigevorrichtung.
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Die
Erfindung wird nachfolgend beispielhalber anhand der Figuren noch
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
schematische Ansicht einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anzeigevorrichtung;
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2 eine
schematische Ansicht der ersten Ausführungsform mit geändertem
Fixierabstand;
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3 eine
schematische Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Anzeigevorrichtung gemäß der zweiten
Ausführungsform;
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4 eine
schematische Seitenansicht einer Anzeigevorrichtung gemäß einer
dritten Ausführungsform,
und
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5 eine
schematische Ansicht einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anzeigevorrichtung.
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In 1 und 2 ist
eine Ausführungsform der
Anzeigevorrichtung zur stereoskopischen Darstellung eines Bildes
gezeigt, die eine auf den Kopf eines Benutzers (für den stellvertretend
schematisch nur die beiden Augen RA und LA gezeigt sind) aufsetzbare
Bilderzeugungseinrichtung 1 umfaßt.
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Die
Bilderzeugungseinrichtung 1 enthält für jedes Auge RA, LA eine Anzeige 2, 3,
die hier als LCD-Anzeige ausgebildet ist, sowie eine Abbildungsoptik 4, 5,
die zwischen der Anzeige 2, 3 und dem Auge RA,
LA angeordnet ist und das mittels der Anzeige 2, 3 erzeugte
Bild so abbildet, daß es
der die Bilderzeugungseinrichtung tragende Benutzer im Abstand d1
(Fixierabstand) schart wahrnehmen kann. Die Abbildungsoptiken 4, 5 umfassen
bevorzugt mehrere Optikelemente.
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Die
Anzeigevorrichtung umfaßt
ferner eine Steuereinrichtung 6, die die beiden Anzeigen 2, 3 auf der
Basis vorgegebener Bilddaten ansteuert, damit die Anzeigen 2, 3 die
entsprechenden Bildansichten des stereoskopisch darzustellenden
Bildes erzeugen. Da die Bilderzeugungseinrichtung einen binokularen
Einblick aufweist, wird das Bild der Anzeige 2 nur dem
rechten Auge RA des Benutzers und das Bild der linken Anzeige 3 nur
dem linken Auge LA des Benutzers zugeführt, so daß der gewünschte drei-dimensionale Bildeindruck
entsteht.
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Die
Anzeigevorrichtung enthält
ferner ein Stereomodul 7, das von der Steuereinrichtung 6 den Fixierabstand
d1 mitgeteilt bekommt und in Abhängigkeit
dieses Fixierabstandes die Drehstellung der beiden Anzeigen 2 und 3,
die drehbar gelagert sind, einstellt. Die Drehstellung wird dabei
so eingestellt, daß für den Benutzer
die beiden Bildansichten unter dem Stereo-Betrachtungswinkel (bzw. Konvergenzwinkel) α1 erscheinen,
der der Konvergenzstellung der beiden Augen RA und LA bei der Betrachtung
eines realen Gegenstandes im Abstand d1 entspricht.
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Somit
wird dem Benutzer das stereoskopisch darzustellende Bild entsprechend
den natürlichen
Sehgewohnheiten dargeboten, so daß unerwünschte Ermüdungserscheinungen vermieden
werden können,
die dann auftreten, wenn der Stereo-Betrachtungswinkel α1 fest eingestellt
und nicht an den Fixierabstand anpaßbar ist.
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In 2 ist
die Drehstellung der Anzeigen 2 und 3 für einen
Fixierabstand d2 gezeigt, der größer ist
als der Fixierabstand d1 von 1. Aufgrund
des größeren Abstandes
d2 sind die beiden Anzeigen weniger nach innen gedreht (im Vergleich
zu 1), so daß die
Blickrichtung der beiden Augen (wie auch in 1) senkrecht
auf die Anzeigen 2, 3 trifft. Damit werden dem
Benutzer die beiden Bildansichten, die mittels der Anzeigen 2, 3 erzeugt
werden, in dem an den Abstand d2 angepaßten Stereo-Betrachtungswinkel α2 dargeboten.
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Wenn
man den Drehwinkel der Anzeige 2 relativ zu einer Parallelen
zur Verbindungslinie (nicht gezeigt) der beiden Augen LA, RA betrachtet,
erkennt man, daß der
Winkel β1
(in 1) größer ist als
der Winkel β2
(in 2). Mit zunehmendem Fixierabstand α wird der
Drehwinkel β somit
kleiner.
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Die
Drehung der beiden Anzeigen 2, 3 erfolgt immer
entgegengesetzt. Die Drehung kann z.B. mittels geeigneter Stellelemente,
insbesondere Piezo-Stellelemente, erfolgen.
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Natürlich können, falls
gewünscht,
die Abbildungsoptiken 4, 5 als ganzes oder Teile
davon zusammen mit den Anzeigen 2, 3 gedreht werden.
Dies ist bei der Ausführungsform
von 1 und 2 jedoch nicht vorgesehen.
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Bei
der hier beschriebenen Ausführungsform von 1 und 2 fällt der
Drehpunkt für
die rechte Anzeige 2 mit dem Drehpunkt für das rechte
Auge RA zusammen. In gleicher Weise fällt der Drehpunkt für die linke
Anzeige 3 mit dem Drehpunkt für das linke Auge LA zusammen.
Dies bringt den Vorteil mit sich, daß die Eintrittspupille der
entsprechenden Augen RA, LA bei jeder eingestellten Drehstellung
der Anzeigen 2, 3 mit der Austrittspupille der
Abbildungsoptik 4, 5 zusammenfällt (insbesondere wenn die
Abbildungsoptiken 4 und 5 mitgedreht werden).
Damit wird eine optimale Einblickposition sichergestellt.
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Zur
Einstellung der unterschiedlichen Fixierabstände d1, d2 können die
Anzeigen 2, 3 in Blickrichtung verschoben werden,
können
die Abbildungsoptiken 4, 5, die jeweils mehrere
optische Elemente aufweisen können,
zumindest teilweise in Blickrichtung verschoben werden und/oder
kann beispielsweise die Brechkraft der Abbildungsoptiken in 4, 5 verändert werden.
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Neben
der Drehung der Anzeigen 2, 3 ist es möglich, die
Anzeigen 2, 3 lateral zu verschieben, um den gewünschten
Stereo-Betrachtungswinkel α1, α2 einzustellen.
Auch hier kann die Bilderzeugungseinrichtung so ausgebildet sein,
daß die
Ausbildungsoptiken (zumindest Teile davon) mitbewegt werden.
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Ferner
kann man beispielsweise das auf den Anzeigen 2, 3 erzeugte
Bild elektronisch (lateral) verschieben, so daß keinerlei mechanische Bewegung notwendig
ist. Damit wird zwar die Auflösung
etwas geringer, da nicht der gesamte Anzeigebereich der Anzeigen 2, 3 für die Bilddarstellung
genutzt werden kann, aber der mechanische Aufwand wird stark vermindert.
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Bei
den in 1 und 2 gezeigten Ausführungsformen
wird dem Benutzer nur das mittels der Anzeigen 2, 3 erzeugte
Stereobild dargeboten. Die Anzeigevorrichtung kann in eine alternative
Ausführungsform
so weitergebildet werden, daß der
Benutzer das mittels der Anzeigen 2, 3 erzeugte
Stereobild in Überlagerung
mit der realen Umgebung erfassen kann. Dazu kann für jedes
Auge RA und LA ein Überlagerungselement 8,
wie in 3 gezeigt, so vorgesehen werden, daß der Benutzer
die Umgebung, z.B. ein reales Objekt 10, in Überlagerung
mit der Bildansicht der Anzeige 2 wahrnimmt. In 3 ist zur
Vereinfachung der Darstellung der schematische Aufbau nur für das rechte
Auge RA gezeigt.
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Bevorzugt
weist in diesem Fall die Anzeigevorrichtung noch eine Autofokussiereinheit 11 auf, die
den Fixationsabstand d3 (der Abstand zwischen dem Auge des Benutzers
und dem fokussiertem Objekt 10) erfaßt und den Fixierabstand für die stereoskopische
Darstellung des Bildes auf den Abstand d3 einstellt. Das Steuermodul 7 stellt
den Stereo-Betrachtungswinkel entsprechend diesem Fixationsabstand
d3 ein. Damit wird wiederum der Vorteil erreicht, daß dem Benutzer
das mittels der Anzeigen 2, 3 erzeugte Stereobild,
das er in Überlagerung
mit dem realen Objekt 10 wahrnimmt, mit dem gewohnten Stereo-Betrachtungswinkel
dargeboten wird.
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Die
Autofokussiereinheit 11 kann beispielsweise so ausgebildet
sein, wie sie aus Foto- und Videokameras bekannt ist. Die Autofokussiereinheit 11 mißt z.B.
die Entfernung zu dem Objekt 10, das auf einer Senkrechten
zur Verbindungslinie zwischen beiden Augen liegt. Dabei wird vorausgesetzt,
daß der
Benutzer gerade nach vorne blickt.
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Die
Genauigkeit der Autofokussiereinheit kann dadurch erhöht werden,
daß zusätzlich eine Einrichtung
(nicht gezeigt) vorgesehen ist, die die momentane Blickrichtung
ermittelt, so daß der
Abstand äußerst genau
ermittelt werden kann, auch wenn der Beobachter zur Seite blickt.
Eine solche Einrichtung zur Ermittlung der Blickrichtung wird häufig „eye-tracker" genannt.
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In 4 ist
eine alternative Ausführungsform zu 3 gezeigt,
die sich darin unterscheidet, daß der Fixierabstand d4, in
dem das Bild der Anzeigen 2 und 3 dem Benutzer
dargeboten wird, und der Stereo-Betrachtungswinkel der beiden Bilder
der Anzeigen 2, 3 fest eingestellt ist. Vor der Überlagerungseinheit 8 ist
eine Fokussieroptik 12 angeordnet, die bewirkt, daß für den Benutzer
das betrachtete Objekt 10 in dem festgelegten Fixierabstand
d4 erscheint. In gleicher Weise wird der Stereo-Betrachtungswinkel mittels
der Fokussieroptik 12 so eingestellt, daß er dem
Betrachtungswinkel für
den Fixierabstand d4 entspricht. Somit wird die reale Szene an die künstliche
Szene (Bildansichten der Anzeigen 2 und 3) angepaßt. Daher
muß der
Benutzer vorteilhaft seine Augen nur auf eine feste Entfernung einstellen
und nicht ändern.
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Natürlich ist
es auch möglich,
die Anzeigevorrichtung so auszubilden, daß sie eine Mischung der Ausführungsformen
von 3 und 4 darstellt.
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Neben
der Möglichkeit
der optischen Überlagerung
(die in 3 und 4 gezeigt
ist) besteht noch die Möglichkeit
der elektronischen Überlagerung,
bei der, wie in 5 angedeutet ist, zwei Bildaufnahmeeinheiten 13, 14 vorgesehen
sind, die die reale Umgebung aufnehmen. Diese Aufnahmen werden der
Steuereinrichtung 6 zugeleitet, die dann elektronisch die Überlagerung
bewirkt, so daß mit
den Anzeigen 2 und 3 schon die überlagerten
Bilder dargestellt werden. Bevorzugt werden die Bilder mit den Bildaufnahmevorrichtungen
so aufgenommen, daß sie
mit einem vom Fixierabstand abhängigen
Stereo-Betrachtungswinkel vorliegen. Das kann beispielsweise dadurch
erfolgen, daß die
Drehstellung der Bildaufnahmevorrichtungen in Abhängigkeit
des Fixierabstandes geändert
werden. Andererseits ist auch eine elektronische Kompensation beispielsweise
durch eine laterale Bildverschiebung der aufgenommenen Bilder möglich.
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Wenn
der Abstand der Bildaufnahmeeinheiten 13, 14 dem
Abstand der Augen RA, LA entspricht, können die Aufnahmen mit dem
korrekten Stereo-Betrachtungswinkel aufgenommen werden.
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Die
Bildaufnahmevorrichtungen 13, 14 sowie die Bilderzeugungseinrichtung 1 sind
bevorzugt an einer Halteeinrichtung (nicht gezeigt) befestigt, die auf
den Kopf des Benutzers aufsetzbar ist. An der Halteeinrichtung ist
bevorzugt auch das Stereomodul 7 angebracht. Die Steuereinrichtung 6 kann
an der Halteeinrichtung oder auch von dieser beabstandet vorgesehen
sein. Insbesondere können
die elektronischen Verbindungen von der Steuereinrichtung 6 zu den
Anzeigen 2, 3 und auch zu den Bildaufnahmevorrichtungen 13, 14 drahtgebunden
oder drahtlos ausgebildet sein.
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Die
Anzeigevorrichtung kann noch weitere Elemente aufweisen, wie z.B.
eine eigene Stromversorgung und ähnliches.