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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brillenglas für eine auf den Kopf eines Benutzers aufsetzbare und ein Bild erzeugende Anzeigevorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruches 1 sowie eine Anzeigevorrichtung mit einem solchen Brillenglas.
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Bei einem solchen Brillenglas kann Falschlicht so auf den Auskoppelabschnitt treffen, dass es zusammen mit den Lichtbündeln ausgekoppelt wird, wodurch ein optisch schlechteres Ergebnis erzielt wird.
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Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der Erfindung, ein Brillenglas der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass es verbesserte Abbildungseigenschaften bereitstellen kann.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei einem Brillenglas der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass eine Teilfläche des Brillenglases, die im Falschlichtpfad liegt, als Falschlicht-Sperrfläche ausgebildet ist.
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Dadurch wird das Falschlicht effektiv blockiert und gelangt nicht zum Auskoppelabschnitt, so dass es auch nicht über den Auskoppelabschnitt zusammen mit den Lichtbündeln ausgekoppelt wird. Dies führt in vorteilhafter Weise zu besseren optischen Eigenschaften des erfindungsgemäßen Brillenglases.
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Insbesondere kann die Falschlicht-Sperrfläche das Falschlicht absorbieren. Damit wird sichergestellt, dass eine effektive Falschlichtunterdrückung durchgeführt ist.
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Das Brillenglas kann mehrere Falschlichtpfade aufweisen, wobei die Falschlicht-Sperrfläche in dem Falschlichtpfad liegt, durch den mehr Energie transportiert wird als durch zumindest einen der anderen Falschlichtpfade. Insbesondere kann die Sperrfläche in dem Falschlichtpfad liegen, durch den die meiste Energie transportiert wird. Damit wird eine deutliche Verbesserung im Vergleich zu einem Brillenglas ohne Falschlicht-Sperrfläche erreicht.
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Insbesondere kann die Falschlicht-Sperrfläche an einer äußeren Grenzfläche des Brillenglases ausgebildet sein. Dies vereinfacht die Herstellung des erfindungsgemäßen Brillenglases.
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Natürlich kann das erfindungsgemäße Brillenglas mehrere Falschlicht-Sperrflächen aufweisen, die das Falschlicht mehrerer Falschlichtpfade blockiert.
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Die Lichtbündel der Pixel des erzeugten Bildes weisen einen vorbestimmten Öffnungswinkel auf. Dieser hängt z. B. von der Art der Erzeugung des Bildes ab. Beispielsweise kann das Bild mittels eines flächigen Bildgebers, wie z. B. ein LCD-Modul, ein LCoS-Modul, ein OLED-Modul oder eine Kippspiegelmatrix, erzeugt werden. Von den Lichtstrahlen des Lichtbündels werden jedoch in der Regel nur Lichtstrahlen eines kleineren Öffnungswinkelbereichs für die Bilddarstellung genutzt. Die restlichen Lichtstrahlen mit größeren Winkeln sind nicht vermeidbar und werden als Falschlicht in das Brillenglas eingekoppelt. Im Brillenglas werden sie dann auch in unerwünschter Weise geführt und können auf den Auskoppelabschnitt treffen. Die entsprechenden Pfade des Falschlichtes sind Falschlichtpfade, wobei das Brillenglas bevorzugt zumindest einen Falschlichtpfad aufweist.
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Des Weiteren kann der Auskoppelabschnitt bei dem erfindungsgemäßen Brillenglas mehrere nebeneinander angeordnete reflektive Umlenkflächen aufweisen. Die reflektiven Umlenkflächen des Auskoppelabschnitts können auch als reflektive Facetten bezeichnet werden. Die reflektiven Facetten können zueinander versetzt in Art einer Zick-Zack-Linie oder eine Sägezahnlinie angeordnet sein. Insbesondere kann die zumindest eine reflektive Umlenkfläche als vergrabene Umlenkfläche sowohl von der Vorderseite als auch von der Rückseite des Brillenglases beabstandet sein.
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Mindestens eine der reflektierenden Umlenkflächen kann plan ausgebildet sein. Zusätzlich oder alternativ kann mindestens eine der reflektiven Umlenkflächen gekrümmt ausgebildet sein.
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Bei dem erfindungsgemäßen Brillenglas kann die Vorderseite und/oder die Rückseite gekrümmt ausgebildet sein. Insbesondere ist die Vorder- und/oder Rückseite als glatte, durchgehende Fläche ausgebildet.
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Das Brillenglas kann aus einem Kunststoffmaterial gebildet sein. Es ist auch möglich, dass das Brillenglas aus einem Glasmaterial gebildet ist.
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Insbesondere kann der Auskoppelabschnitt (bevorzugt aufgrund der reflektiven Umlenkflächen) eine strahlumlenkende und/oder eine abbildende Eigenschaft aufweisen.
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Mindestens eine der reflektiven Umlenkflächen kann eine reflektive Beschichtung aufweisen. Dabei kann die Reflektivität von nahezu 100 % erreicht werden. Es ist jedoch auch möglich, eine geringere Reflektivität bereitzustellen, so dass die reflektive Fläche als teilreflektive Fläche eingesetzt werden kann.
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Des Weiteren ist es möglich, mindestens eine der reflektiven Umlenkflächen durch interne Totalreflexion zu verwirklichen.
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Die Lichtführung im Lichtführungskanal kann beispielsweise durch Reflexion an Vorder- und Rückseite des Brillenglases erfolgen. Dabei kann es sich um eine innere Totalreflexion oder um eine Reflexion aufgrund einer entsprechenden teilreflektiven oder reflektiven Beschichtung handeln. Es ist jedoch auch möglich, dass die Führung mittels einer reflektiven Schicht oder teilreflektiven Schicht innerhalb des Brillenglases bewirkt wird. Dabei kann eine reflektive oder teilreflektive Schicht vorgesehen sein, so dass die Vorder- oder Rückseite als weitere reflektive Fläche dient. Es können jedoch auch zwei voneinander beabstandete reflektive Schichten (von denen zumindest eine als teilreflektive Schicht ausgebildet sein kann) vorgesehen sein.
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Das erfindungsgemäße Brillenglas kann, in Draufsicht gesehen, eine L-Form aufweisen. Dazu kann das erfindungsgemäße Brillenglas am Rand oder in einem Bereich außerhalb der Mitte des Brillenglases den optischen Ansatz aufweisen. Der optische Ansatz kann direkt mit dem Brillenglas verbunden sein (z. B. verkittet oder verklebt). Alternativ kann der optische Ansatz zusammen mit dem restlichen Brillenglas einstückig ausgebildet sein.
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Der Lichtführungskanal erstreckt sich durch das gesamte Brillenglas und somit bevorzugt auch durch den optischen Ansatz. Der Einkoppelabschnitt kann am Ansatz ausgebildet sein.
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Bei dem Einkoppelabschnitt kann es sich um eine Eintrittsfläche handeln. Diese kann plan oder gekrümmt sein.
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Das erfindungsgemäße Brillenglas weist für die Lichtbündel der Pixel bevorzugt eine abbildende Eigenschaft auf. Insbesondere führt das erfindungsgemäße Brillenglas eine virtuelle Abbildung durch. Die optische Wirkung des erfindungsgemäßen Brillenglases kann der einer Lupe entsprechen.
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Es wird ferner eine Anzeigevorrichtung mit einer auf den Kopf eines Benutzers aufsetzbaren Haltevorrichtung, einem an der Haltevorrichtung befestigten Bilderzeugungsmoduls, das ein Bild erzeugt, und einer an der Haltevorrichtung befestigten Abbildungsoptik, die ein erfindungsgemäßes Brillenglas aufweist und dieses Bild im auf dem Kopf des Benutzers aufgesetzten Zustand der Haltevorrichtung so abbildet, dass es der Benutzer als virtuelles Bild wahrnehmen kann, bereitgestellt.
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Die Abbildungsoptik kann das Brillenglas als einziges optisches Element aufweisen. Es ist jedoch auch möglich, dass die Abbildungsoptik neben dem Brillenglas noch zumindest ein weiteres optisches Element umfasst, das bevorzugt zwischen dem Brillenglas und dem Bilderzeugungsmodul angeordnet ist. Das weitere optische Element kann vom Brillenglas beabstandet sein oder mit ihm in direktem optischen Kontakt stehen (z. B. durch Verkitten oder Verkleben).
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Die Anzeigevorrichtung kann eine Steuereinheit aufweisen, die das Bilderzeugungsmodul ansteuert.
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Das Bilderzeugungsmodul kann insbesondere einen flächigen Bildgeber aufweisen, wie z. B. ein LCD-Modul, ein LCoS-Modul, ein OLED-Modul oder eine Kippspiegelmatrix. Der Bildgeber kann eine Mehrzahl von Pixeln aufweisen, die z. B. in Zeilen und Spalten angeordnet sein können. Der Bildgeber kann selbstleuchtend oder nicht selbstleuchtend sein.
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Das Bilderzeugungsmodul kann insbesondere so ausgebildet sein, dass es ein monochromatisches oder ein mehrfarbiges Bild erzeugt.
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Die erfindungsgemäße Anzeigevorrichtung kann weitere, dem Fachmann bekannte Elemente aufweisen, die zu ihrem Betrieb notwendig sind.
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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 beispielsweise anhand der beigefügten Zeichnungen, die auch erfindungswesentliche Merkmale offenbaren, noch näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische perspektivische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anzeigevorrichtung;
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2 eine vergrößerte perspektivische Ansicht des ersten Brillenglases einschließlich einer schematischen Darstellung des Bilderzeugungselementes;
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3 eine Draufsicht auf die Darstellung von 2;
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4 eine vergrößerte perspektivische Ansicht gemäß 2, wobei nur Lichtstrahlen eingezeichnet sind, die bestimmungsgemäß zur Bilderzeugung beitragen;
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5 eine Draufsicht auf die Darstellung von 4;
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6 eine vergrößerte perspektivische Ansicht gemäß 2, wobei neben fünf Lichtstrahlen 9, die bestimmungsgemäß zur Bilderzeugung beitragen, noch Falschlicht 9‘ eingezeichnet ist;
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7 eine Draufsicht auf die Darstellung von 6;
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8 eine Darstellung gemäß 2 zur Erläuterung des störenden Einflusses des Falschlichts bei einem nicht erfindungsgemäßen Brillenglas;
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9 eine Draufsicht auf die Ansicht gemäß 8;
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10 eine perspektivische Ansicht gemäß 8 eines nicht erfindungsgemäßen Brillenglases, bei dem mehrere Falschlichtpfade dargestellt sind, und
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11 eine Draufsicht auf die Darstellung gemäß 10.
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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 (z. B. 2 und 4), wie z. B. einen OLED-, einen LCD- oder einen LCoS-Chip oder eine Kippspiegelmatrix, mit einer Vielzahl von z. B. in Zeilen und Spalten angeordneten Pixeln aufweisen.
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In 2 ist das erste Brillenglas in einer perspektivischen Darstellung vergrößert gezeigt, wobei das Bilderzeugungselement 6 ebenfalls gezeigt ist. In 3 ist das Brillenglas 3 samt Bilderzeugungselement in einer Ansicht von oben dargestellt.
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Die Brillengläser 3 und 4 und insbesondere das erste Brillenglas 3 sind nur beispielshalber zusammen mit der erfindungsgemäßen Anzeigevorrichtung 1 beschrieben. Die Brillengläser 3, 4 bzw. zumindest das erste Brillenglas 3 sind jeweils für sich als erfindungsgemäßes Brillenglas 3, 4 oder als erfindungsgemäßes optisches Element ausgebildet. Das erfindungsgemäße optische Element kann auch in anderem Zusammenhang als mit der hier beschriebenen Anzeigevorrichtung 1 eingesetzt werden. Daher kann das optische Element, wenn es als Brillenglas ausgebildet ist, natürlich auch als zweites Brillenglas 4 ausgebildet sein.
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Wie am besten aus der vergrößerten, perspektivischen Darstellung in 2 ersichtlich ist, weist das erste Brillenglas 3 einen optischen Ansatz 7 auf, der mit dem ersten Brillenglas 3 verbunden ist (z. B. verkittet) und der dem Bilderzeugungselement 6 bzw. dem Bildgeber 6 nachgeordnet ist. Der optische Ansatz 7 ist somit Teil des ersten Brillenglases 3.
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Von jedem Pixel des Bildgebers 6 kann ein Lichtbündel 9 ausgehen. Durch eine entsprechende individuelle Ansteuerung der Pixel des Bildgebers 6 mittels einer Steuereinheit (nicht gezeigt), die Teil des Bilderzeugungsmoduls 5 sein kann, kann das gewünschte Bild erzeugt werden. In 4 und 5 sind die Lichtstrahlen der Lichtbündel 9 eingezeichnet, die erfindungsgemäß zur Bilderzeugung beitragen sollen, und in 6 und 7 ist stellvertretend für die Lichtbündel 9 der Strahlengang von fünf Lichtstrahlen 9 (bevorzugt der Hauptstrahlen) eingezeichnet, so dass nachfolgend auch vom Lichtstrahl 9 die Rede ist. Die Darstellungen von 4 und 5 sowie 6 und 7 entsprechen jeweils denen von 2 und 3, wobei jedoch zusätzlich die Lichtstrahlen 9 eingezeichnet sind.
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Die vom Bildgeber 6 ausgehenden Lichtstrahlen 9 treten über einen Einkoppelabschnitt 11 am optischen Ansatz 7 in das erste Brillenglas 3 ein und werden in diesem entlang eines Lichtführungskanals 12 bis zu einem Auskoppelabschnitt 13 geführt. Dazu finden Reflexionen an den Flächen F1, F2 und F3 sowie an Vorderseite 18 und Rückseite 15 des ersten Brillenglases 3 statt. Der Auskoppelabschnitt 13 weist mehrere reflektive Umlenkflächen 14 auf, an denen eine Reflexion der Lichtstrahlen 9 in Richtung zur Rückseite 15 des ersten Brillenglases 3 stattfindet, so dass die Lichtstrahlen 9 über die Rückseite 15 aus dem ersten Brillenglas 3 austreten.
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Somit kann ein Benutzer, wenn er die erfindungsgemäße Anzeigevorrichtung 1 bestimmungsgemäß auf dem Kopf trägt, das mittels des Bildgebers 6 erzeugte Bild als virtuelles Bild wahrnehmen, wenn er auf den Auskoppelabschnitt 13 blickt. In 5 und 7 ist zur Verdeutlichung der Drehpunkt 16 des Auges des Benutzers sowie die Eyebox 17 bzw. die Austrittspupille 17 des ersten Brillenglases 3 für die virtuelle Abbildung des mittels des Bildgebers 6 erzeugten Bildes eingezeichnet. Die Eyebox 17 ist der Bereich, der durch die Anzeigevorrichtung 1 bereitgestellt und in dem sich das Auge des Benutzers bewegen kann und er stets noch das erzeugte Bild als virtuelles Bild wahrnehmen kann.
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Wie in den schematischen Darstellungen von 2 bis 7 gezeigt ist, ist sowohl die Rückseite 15 als auch die Vorderseite 18 des ersten Brillenglases 3 gekrümmt ausgebildet.
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Die Führung der Lichtbündel 9 im Lichtführungskanal 12 kann z. B. durch innere Totalreflexion an den Flächen F1–F3, der Vorderseite 18 und der Rückseite 15 erfolgen. Es ist auch möglich, dass die Flächen F1–F3, die Vorderseite 18 und/oder die Rückseite 15 im Bereich des Lichtführungskanals 12 eine reflektierende oder teilreflektierende Beschichtung aufweisen, um die gewünschte Lichtführung zu bewirken.
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Wie in 2 bis 7 schraffiert dargestellt ist, ist eine Teilfläche F4 des optischen Ansatzes 7 (hier der Fläche F3) als Sperrfläche ausgebildet, die für vom Bildgeber 6 kommendes Falschlicht 9‘ absorbierend ist. Das Falschlicht tritt auf, da das vom Bildgeber 6 bzw. von jedem Pixel des Bildgebers 6 erzeugte und zum Teil eingekoppelte Winkelspektrum der ausgesendeten Lichtstrahlen deutlich größer ist als das zur Bilderzeugung benötigte Winkelspektrum. Aufgrund der Geometrie des ersten Brillenglases 3 (einschließlich des optischen Ansatzes 7) ergeben sich neben dem Nutzlichtpfad für die Lichtstrahlen 9 verschiedene unerwünschte Lichtwege bzw. Falschlichtpfade für die Lichtstrahlen 9‘ aus dem nicht benötigten Winkelspektrum, die dazu führen, dass die Lichtstrahlen 9‘ als unerwünschtes Störlicht in Überlagerung mit den Lichtstrahlen 9 für einen Benutzer bei aufgesetzter Anzeigevorrichtung 1 wahrnehmbar sind. Dies ist in 6 und 7 für die Lichtstrahlen 9‘ gezeigt, die mit der Falschlicht-Sperrfläche F4 gemäß 2 bis 5 blockiert werden.
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In 8 und 9 ist als Vergleich bei einem nicht erfindungsgemäßen Brillenglas 3‘ die Falschlicht-Sperrfläche F4 nicht vorgesehen, so dass auch die Falschlicht-Lichtstrahlen 9‘ zur Austrittspupille 17‘ des Brillenglases 3‘ gelangen.
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Somit führt das erfindungsgemäße Vorsehen der Falschlicht-Sperrfläche F4 dazu, dass das Falschlicht 9‘ gemäß 8 und 9 für den Benutzer nicht mehr wahrnehmbar ist.
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Bei dem in 6 bis 9 gezeigten Falschlichtpfad handelt es sich um einen Falschlichtpfad, der mehr Energie transportiert als andere Falschlichtpfade. In 10 und 11 sind alle Falschlichtpfade bei einem nicht erfindungsgemäßen Brillenglas 3‘ (das sich im Wesentlichen von einem erfindungsgemäßen Brillenglas 3 nur dadurch unterscheidet, dass keine Falschlicht-Sperrfläche vorgesehen ist) eingezeichnet. Daraus ist ersichtlich, dass eine Vielzahl von Falschlichtpfaden vorliegen. Wie bereits dargelegt wurde, ist jedoch der in 6 und 7 gezeigte Falschlichtpfad der störendste, da in diesem die meiste Energie transportiert wird. Aufgrund der Sperrfläche F4 wird dieser Falschlichtpfad effektiv gesperrt bzw. blockiert, so dass der Bildeindruck für den Benutzer deutlich besser ist im Vergleich zu dem Fall, bei dem die Sperrfläche F4 nicht vorhanden ist.
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Bei der hier beschriebenen Ausführungsform kann beispielsweise die Dicke des Brillenglases 3 4 mm betragen. Die Strukturtiefe einer einzelnen Umlenkfläche kann z. B. im Bereich von 0,45 mm liegen.
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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 von Fehlsichtigkeit) aufweisen. Wie in den Figuren gezeigt ist, sind sowohl die Vorderseite 18 als auch die Rückseite 15 gekrümmt ausgebildet. Die Vorderseite 18 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 15 entsprechend gewählt, um die entsprechende Korrektur zu erreichen. Die Rückseite 15 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 auf dem Kopf erfolgen kann.