DE102011007812B4

DE102011007812B4 - Anzeigevorrichtung

Info

Publication number: DE102011007812B4
Application number: DE102011007812.6A
Authority: DE
Inventors: Hans-Jürgen Dobschal; Günter Rudolph; Karsten Lindig
Original assignee: Carl Zeiss Smart Optics GmbH
Current assignee: Tooz Technologies GmbH
Priority date: 2011-04-20
Filing date: 2011-04-20
Publication date: 2018-02-15
Anticipated expiration: 2031-04-21
Also published as: DE102011007812A1

Abstract

Anzeigevorrichtung mit einer auf dem Kopf eines Benutzers aufsetzbaren Haltevorrichtung (2), einem an der Haltevorrichtung (2) befestigten Bildgeber (5) zur Erzeugung eines Bildes, einer Steuereinheit zur Steuerung des Bildgebers (5) und einem an der Haltevorrichtung (2) befestigten Multifunktionsglas (3, 4), das einen Einkoppelbereich (11) und einen Auskoppelbereich (12) aufweist, wobei das erzeugte Bild über den Einkoppelbereich (11) in das Multifunktionsglas (3) eingekoppelt, im Multifunktionsglas (3) bis zum Auskoppelbereich (12) geführt und über den Auskoppelbereich (12) so ausgekoppelt wird, daß es der Benutzer im auf dem Kopf aufgesetzten Zustand der Haltevorrichtung (2) in Überlagerung mit der Umgebung wahrnehmen kann, wobei die Anzeigevorrichtung ein Brillenglas (6) zur Fehlsichtigkeitskorrektur, das an der Haltevorrichtung (2) befestigt ist und im auf dem Kopf aufgesetzten Zustand zwischen dem Auge des Benutzers und dem Multifunktionsglas (3, 4) positioniert ist, und eine Fassung (10) für das Multifunktionsglas (3, 4), in der auch das Brillenglas (6) sitzt, aufweist, und wobei das Brillenglas (6) vom Multifunktionsglas (3, 4) beabstandet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anzeigevorrichtung mit einer auf dem Kopf eines Benutzers aufsetzbaren Haltevorrichtung, einem an der Haltevorrichtung befestigten Bildgeber zur Erzeugung eines Bildes, einer Steuereinheit zur Steuerung des Bildgebers und einem an der Haltevorrichtung befestigten Multifunktionsglas, das einen Einkoppelbereich und einen Auskoppelbereich aufweist, wobei das erzeugte Bild über den Einkoppelbereich in das Multifunktionsglas eingekoppelt, im Multifunktionsglas bis zum Auskoppelbereich geführt und über den Auskoppelbereich so ausgekoppelt wird, daß es der Benutzer im auf dem Kopf aufgesetzten Zustand der Haltevorrichtung wahrnehmen kann.
Solche Anzeigevorrichtungen sind in der Regel für einen Beobachter ohne Fehlsichtigkeit ausgelegt. Wird ein Fehlsichtigkeitsausgleich gefordert, treten in Abhängigkeit der Ausbildung des Multifunktionsglases Schwierigkeiten auf.
Wenn das Multifunktionsglas als planparallele Platte ausgebildet ist, ist ein Dioptrienausgleich prinzipiell nicht möglich.
Wenn das Multifunktionsglas eine gekrümmte Vorderseite und eine gekrümmte Rückseite aufweist, kann der Dioptrienausgleich durch geeignete Wahl der Krümmungsradien erzielt werden. Dies beeinflußt jedoch die Führung des Bildes vom Einkoppelbereich bis zum Auskoppelbereich, was durch die Ausbildung des Einkoppel- und/oder Auskoppelbereiches zu kompensieren wäre. Dies stellt jedoch einen extrem hohen Aufwand dar, da für jede Fehlsichtigkeit ein speziell ausgelegter Einkoppel- und/oder Auskoppelbereich bestimmt werden und dann auch noch gefertigt werden muß. Dies ist wirtschaftlich nicht sinnvoll.
Die DE 103 11 972 A1 beschreibt eine HMD-Vorrichtung, an deren Gestell ein Brillenglas ohne eigenes Gestell mittels einer lösbaren Verbindung zu einer etwaigen Fehlsichtigkeitskorrektur des Benutzers der HMD-Vorrichtung befestigt werden kann.
Die DE 102 31 427 A1 beschreibt als Anzeigevorrichtung die Kombination einer herkömmlichen Brille zur Fehlsichtigkeitskorrektur mit einer Anzeigeeinheit, die mittels einer lösbaren Verbindung an die Brille optisch und mechanisch angeschlossen werden kann.
Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der Erfindung, eine Anzeigevorrichtung bereit zu stellen, mit der eine Fehlsichtigkeitsanpassung für den Benutzer in wirtschaftlich sinnvoller Weise möglich ist.
Die Aufgabe wird durch eine Anzeigevorrichtung mit einer auf den Kopf eines Benutzers aufsetzbaren Haltevorrichtung, einem an der Haltevorrichtung befestigten Bildgeber zur Erzeugung eines Bildes, einer Steuereinheit zur Steuerung des Bildgebers und einem an der Haltevorrichtung befestigten Multifunktionsglas, das einen Einkoppelbereich und einen Auskoppelbereich aufweist, gelöst, wobei das erzeugte Bild über den Einkoppelbereich in das Multifunktionsglas eingekoppelt, im Multifunktionsglas bis zum Auskoppelbereich geführt und über den Auskoppelbereich so ausgekoppelt wird, daß es der Benutzer im auf dem Kopf aufgesetzten Zustand der Haltevorrichtung in Überlagerung mit der Umgebung wahrnehmen kann, wobei ein Brillenglas zur Fehlsichtigkeitskorrektur, das an der Haltevorrichtung befestigt ist und im auf dem Kopf aufgesetzten Zustand zwischen dem Auge des Benutzers und dem Multifunktionsglas positioniert ist, und eine Fassung für das Multifunktionsglas, in der auch das Brillenglas sitzt, vorgesehen sind, und wobei das Brillenglas vom Multifunktionsglas beabstandet ist.
Damit werden herstellungstechnisch die Darstellung des mittels des Bildgebers erzeugten Bildes und die Fehlsichtigkeitskorrektur entkoppelt. Die Darstellung des Bildes erfolgt über das Multifunktionsglas, was unabhängig von der jeweiligen Fehlsichtigkeitskorrektur hergestellt werden kann. Die Fehlsichtigkeitskorrektur erfolgt durch ein speziell angepaßtes Brillenglas, das ein gängiges Produkt ist. Dieses Brillenglas wird in der beschriebenen Art an der Haltevorrichtung befestigt, so daß eine an den jeweiligen Benutzer angepaßte Anzeigevorrichtung vorliegt.
Durch das Vorsehen der Fassung für das Multifunktionsglas, in der auch das Brillenglas sitzt, wird eine kompakte Ausbildung der Anzeigevorrichtung möglich.
Zur beabstandeten Anordnung von Brillenglas und Multifunktionsglas kann ein Abstandshalter vorgesehen sein.
Das Brillenglas kann nicht lösbar mit der Haltevorrichtung verbunden sein. In gleicher Weise kann das Multifunktionsglas nicht lösbar mit der Haltevorrichtung verbunden sein. Unter einer nicht lösbaren Verbindung wird hier insbesondere verstanden, daß der Benutzer selbst das Brillenglas bzw. das Multifunktionsglas nicht auswechseln oder austauschen kann. Dazu bedarf es spezielles Werkzeug bzw. einen Optiker. Es ist auch möglich, daß ein Auswechseln ohne Zerstörung der Haltevorrichtung grundsätzlich nicht möglich ist.
Das Multifunktionsglas ist bevorzugt neutral bezüglich einer Fehlsichtigkeitskorrektur ausgebildet. Damit wird sichergestellt, daß die Fehlsichtigkeitskorrektur allein durch das Brillenglas bewirkt werden kann.
Um das Multifunktionsglas neutral bezüglich einer Fehlsichtigkeitskorrektur auszubilden, kann es beispielsweise als planparallele Platte oder sphärisch-konzentrisch ausgebildet sein, und zwar zumindest in dem vom Benutzer optisch erfaßbaren Nutzbereich. Der Nutzbereich ist bevorzugt der Bereich des Multifunktionsglases, auf den der Benutzer blicken kann, wenn er die Anzeigevorrichtung auf dem Kopf trägt. Unter einer sphärisch-konzentrischen Ausbildung wird hier insbesondere verstanden, daß beide Seiten des Brillenglases sphärisch gekrümmt sind und die Krümmungsradien der beiden Seiten zusammenfallen. Damit weist das Brillenglas eine konstante Dicke auf.
Die Anzeigevorrichtung kann so ausgebildet sein, daß das erzeugte Bild mittels des Einkoppel- und Auskoppelbereiches ohne Zwischenabbildung in die Austrittspupille der Anzeigevorrichtung abgebildet wird. Alternativ ist es möglich, daß das erzeugte Bild mittels des Einkoppelbereiches in eine zwischen dem Einkoppel- und Auskoppelbereich liegende Zwischenbildebene im Multifunktionsglas abgebildet wird. In diesem Fall sind bevorzugt der Einkoppelbereich und der Auskoppelbereich so ausgebildet, daß jeweils eine Strahlengangfaltung und eine Abbildung bewirkt werden. Durch diese Ausbildung bzw. durch diese Zwischenabbildung kann die Dicke des Multifunktionsglases reduziert werden, wobei immer noch eine sehr gute Abbildungsqualität sichergestellt werden kann.
Insbesondere kann die Anzeigevorrichtung das erzeugte Bild für den Benutzer so abbilden, daß er es als virtuelles Bild wahrnehmen kann, wenn er die Haltevorrichtung auf dem Kopf aufgesetzt hat.
Der Einkoppelbereich und/oder der Auskoppelbereich können an einer der Materialgrenzfläche des Multifunktionsglases ausgebildet sein.
Ferner kann der Einkoppelbereich und/oder der Auskoppelbereich als Fresnel-Struktur, insbesondere als nicht-zusammenhängende Fresnel-Struktur, ausgebildet sein.
Die jeweilige Fresnel-Struktur kann mehrere Fresnel-Segmente aufweisen, wobei die optisch wirksamen Facetten der Fresnel-Segmente optisch eine gedachte optische Wirkfläche nachahmen. Die optische Wirkfläche ist insbesondere gekrümmt. Ferner kann sie keine Spiegelsymmetrie, keine Rotationssymmetrie und/oder keine Translationssymmetrie aufweisen.
Die maximale Höhe jeder Facette ist bei der Fresnel-Struktur bevorzugt gleich groß. Sie liegt im Bereich von 5–50 μm, insbesondere von 0,01–0,1 mm. Besonders bevorzugt ist ein Bereich von 200–300 μm sowie ein Bereich von 0,05–0,3 mm.
Die Facettenform kann eine Näherung, insbesondere eine lineare Näherung der Form des entsprechenden Flächenabschnittes der gedachten Wirkfläche sein. Insbesondere können die Facetten im Schnitt konkav, konvex oder linear sein.
Die Fresnel-Segmente können direkt benachbart sein, wie dies bei einer „klassischen” Fresnel-Struktur ist. Es ist jedoch möglich, daß die Fresnel-Segmente voneinander beabstandet sind, wobei zwischen ihnen dann bevorzugt der normale Verlauf der Materialgrenzfläche vorliegt. In diesem Fall wird die Fresnel-Struktur als nicht-zusammenhängende Fresnel-Struktur bezeichnet.
Das Multifunktionsglas kann eine Außenseite und eine Innenseite aufweisen, wobei zur Führung des Bildes im Multifunktionsglas Umlenkungen nur an der Außenseite und der Innenseite stattfinden.
Bevorzugt ist die Dicke des Multifunktionsglases im Bereich der Bildführung (also vom Einkoppelbereich bis zum Auskoppelbereich) im wesentlichen konstant.
Die Anzeigevorrichtung kann insbesondere in Art einer Brille ausgebildet sein. In diesem Fall kann die Haltevorrichtung als Brillengestell ausgestaltet sein. Bevorzugt ist die Anzeigevorrichtung als Informationsbrille ausgebildet.
Der Einkoppelbereich kann transmissiv oder reflektiv ausgebildet sein. Das gleiche gilt für den Auskoppelbereich.
Sowohl der Einkoppelbereich als auch der Auskoppelbereich sind bevorzugt an der im auf dem Kopf aufgesetzten Zustand der Haltevorrichtung dem Benutzer abgewandten Seite des Multifunktionsglases ausgebildet.
Das Bild im Multifunktionsglas kann beispielsweise durch innere Totalreflexion geführt werden.
Die erfindungsgemäße Anzeigevorrichtung kann, muß aber nicht, ein zweites Multifunktionsglas mit einem zweiten Brillenglas sowie einem zweiten Bildgeber aufweisen. Das zweite Multifunktionsglas ist bevorzugt in gleicher bzw. entsprechender Weise ausgebildet wie das erste Multifunktionsglas. Insbesondere kann es spiegelsymmetrisch zum ersten Multifunktionsglas ausgebildet sein. Das zweite Brillenglas dient zur Fehlsichtigkeitskorrektur des entsprechenden Auges des Benutzers. Falls für dieses Auge keine Fehlsichtigkeitskorrektur notwendig ist, kann das zweite Brillenglas weggelassen werden.
Mit den beiden Multifunktionsgläsern kann beispielsweise eine dreidimensionale Bilddarstellung durchgeführt werden. Der zweite Bildgeber kann durch die Steuereinheit der Anzeigevorrichtung angesteuert werden.
Der Einkoppelbereich und/oder Auskoppelbereich können nicht nur als Fresnel-Struktur, sondern auch in anderer Art und Weise ausgebildet werden, wie z. B. als Gitter.
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.
Nachfolgend wird die Erfindung beispielsweise anhand der beigefügten Zeichnungen, die auch erfindungswesentliche Merkmale offenbaren, noch näher erläutert. Es zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anzeigevorrichtung;
2 eine vergrößerte Schnittdarstellung des ersten Multifunktionsglases;
3 eine perspektivische Ansicht eines Teils der ersten Fresnel-Struktur des Multifunktionsglases der Anzeigevorrichtung von 1;
4 den Verlauf der optischen Wirkfläche, der mit der ersten Fresnel-Struktur gemäß 3 nachgebildet ist;
5 eine Draufsicht der ersten Fresnel-Struktur gemäß 3;
6 einen xz-Schnitt der Wirkfläche 108;
7 eine vergrößerte Darstellung des Details CC von 6;
8–11 verschiedene Profilformen der Fresnel-Struktur 11 der erfindungsgemäßen Anzeigevorrichtung;
12 eine Darstellung einer optischen Wirkfläche, die auf einer gekrümmten Grundfläche optisch gleichwirkend als Fresnel-Struktur umgesetzt wird;
13–14 Schnittansichten der ersten Fresnel-Struktur an der gekrümmten Vorderseite des Multifunktionsglases;
15 eine Schnittansicht einer kompletten Facette 105 der Fresnel-Struktur 11 des Multifunktionsglases 3 von 1;
16 eine Abwandlung der Facette 105 von 15;
17 eine weitere Abwandlung der Facette 105 von 15;
18 eine Schnittansicht einer weiteren Ausbildung der ersten Fresnel-Struktur;
19 eine Schnittansicht der Ausbildung der Fresnel-Struktur als nicht zusammenhängende Fresnel-Struktur;
20 eine Schnittansicht der zweiten Fresnel-Struktur 12, und
21 eine schematische Draufsicht auf die zweite Fresnel-Struktur 12.
Bei der in 1 gezeigten Ausführungsform umfaßt die erfindungsgemäße Anzeigevorrichtung 1 eine auf dem Kopf eines Benutzers aufsetzbare Haltevorrichtung 2, die z. B. in Art einer herkömmlichen Brille ausgebildet sein kann, sowie ein erstes und ein zweites Multifunktionsglas 3, 4, die an der Haltevorrichtung 2 befestigt sind. Die äußere Form der Multifunktionsgläser 3, 4 kann der üblicher Brillengläser entsprechen.
Wie am besten aus der vergrößerten Schnittansicht des ersten Multifunktionsglases 3 in 2 (wobei der brillenbügelartige Teil der Haltevorrichtung 2 nicht dargestellt ist) ersichtlich ist, umfaßt die Anzeigevorrichtung 1 ferner einen Bildgeber 5, der von einer nicht gezeigten Steuereinheit zur Bilderzeugung angesteuert wird.
Wie 2 ferner zu entnehmen ist, enthält die Anzeigevorrichtung 1 ein Brillenglas 6 zur Fehlsichtigkeitskorrektur für den Benutzer der Anzeigevorrichtung 1, wobei in das Brillenglas 6 vom Multifunktionsglas 3 beabstandet angeordnet ist. Dazu ist zwischen dem Multifunktionsglas 3 und dem Brillenglas 6 ein Abstandshalter 7 vorgesehen.
Das Multifunktionsglas 3 selbst ist so ausgebildet, daß es neutral bezüglich einer Fehlsichtigkeitskorrektur ist. Dazu ist sowohl die Außenseite 8 als auch die Innenseite 9 jeweils sphärisch gekrümmt, wobei die beiden Krümmungsradien zusammenfallen, so daß das Brillenglas als sphärisch-konzentrisch bezeichnet werden kann. Eine andere Art der optisch neutralen Ausbildung bezüglich einer Fehlsichtigkeitskorrektur wäre beispielsweise die Ausbildung des Multifunktionsglases als planparallele Platte.
Die Haltevorrichtung 2 weist eine gemeinsame Fassung 10 auf, in der das Multifunktionsglas 3, der Abstandshalter 7 sowie das Brillenglas 6 gefaßt sind. Dabei können bekannte Fassungstechnologien eingesetzt werden, wie sie üblicherweise bei Brillen zur Korrektur von Fehlsichtigkeiten eingesetzt werden.
Das Multifunktionsglas 3 weist auf seiner Vorderseite 8 eine erste Fresnel-Struktur 11 sowie seitlich davon beabstandet eine zweite Fresnel-Struktur 12 auf. Die erste Fresnel-Struktur 11 dient zum Einkoppeln des vom Bildgeber 5 kommenden Lichtes (in 3 sind stellvertretend drei Lichtbündel B1, B2 und B3 gezeigt) in das Multifunktionsglas 3 und kann daher auch als Einkoppelbereich bezeichnet werden. Die zweite Fresnel-Struktur 12 dient zum Auskoppeln des von der ersten Fresnel-Struktur 11 in das Multifunktionsglas 3 eingekoppelten und in diesem zur zweiten Fresnel-Struktur 12 geführten Lichtes, so daß die zweite Fresnel-Struktur 12 auch als Auskoppelbereich bezeichnet werden kann.
Der Bildgeber 5 wird im Betrieb der Anzeigevorrichtung 1 von einer (nicht gezeigten) Steuereinheit angesteuert, um ein gewünschtes Bild zu erzeugen. Das Licht vom Bildgeber 5 tritt über die Innenseite 9 in das Multifunktionsglas 3 ein und wird dann von der ersten Fresnel-Struktur 11 so umgelenkt, daß es durch Reflexion an der Innen- und Außenseite 9, 8 bis zur zweiten Fresnel-Struktur 12 geführt wird, von der es dann so zur Innenseite 9 hin reflektiert wird, daß es über die Innenseite 9 aus dem Multifunktionsglas 3 austritt, durch das Brillenglas 6 hindurchlauft und an der Austrittspupille 13 der Anzeigevorrichtung 1 als virtuelles Bild durch den Benutzer, der die Haltevorrichtung auf dem Kopf trägt, wahrnehmbar ist. Wenn der Benutzer die Haltevorrichtung 2 auf dem Kopf trägt, ist sein Auge im Bereich der Austrittspupille 13 positioniert.
Mit diesem Aufbau ist es möglich, in einfachster Art und Weise eine individuelle Anpassung der Anzeigevorrichtung 1 an Benutzer mit unterschiedlicher Fehlsichtigkeit durchzuführen. Das Multifunktionsglas 3 ist dabei bevorzugt für einen Benutzer ohne Fehlsichtigkeit ausgelegt. Die Fehlsichtigkeits-Dioptrienkorrektur erfolgt durch das Brillenglas 6, dessen Krümmung der Außen- und Innenseite 14, 15 des Brillenglases 6 zur Fehlsichtigkeitskorrektur entsprechend gewählt ist.
Die Fassung 10 ist insbesondere so ausgebildet, daß sowohl das Multifunktionsglas 3 als auch das Brillenglas 6 nicht lösbar mit der Fassung verbunden sind. Darunter wird hier insbesondere verstanden, daß der Benutzer weder das Multifunktionsglas 3 noch das Brillenglas 6 selbst austauschen kann. Dazu wären z. B. besondere Werkzeuge notwendig.
Die Anzeigevorrichtung 1 ist insbesondere so ausgebildet, daß der Benutzer das vom Bildgeber 5 erzeugte Bild in Überlagerung mit der Umgebung wahrnehmen kann, wie durch den Pfeil P1 angedeutet ist.
Das zweite Multifunktionsglas 4 kann in gleicher Weise wie das Multifunktionsglas 3 ausgebildet sein. Insbesondere kann auch vor dem zweiten Multifunktionsglas 4 (also zwischen dem Multifunktionsglas 4 und dem Auge des Benutzers) im aufgesetzten Zustand der Haltevorrichtung 2 ein Brillenglas zur Fehlsichtigkeitskorrektur vorgesehen sein. Dazu kann insbesondere der Fassungsbereich für das zweite Multifunktionsglas 4 in gleicher Weise ausgebildet sein, wie in Verbindung mit 2 für das erste Multifunktionsglas 3 beschrieben wurde.
Natürlich ist es auch möglich, daß statt des zweiten Multifunktionsglases 4 nur ein Brillenglas zur Fehlsichtigkeitskorrektur vorgesehen ist, sofern dies notwendig ist. Sollte kein Brillenglas notwendig sein, kann das zweite Multifunktionsglas 4 als optisch neutrales Glas (beispielsweise als planparallele Platte oder als sphärisch-konzentrisches Glas) ausgebildet sein.
Die beiden Fresnel-Strukturen 11 und 12 können so ausgebildet sein, daß das Bild des Bildgebers 5 ohne Zwischenabbildung in die Austrittspupille 13 abgebildet wird. In diesem Fall erfolgt eine Abbildung des erzeugten Bildes in Art einer Lupe.
Alternativ ist es möglich, daß die beiden Fresnel-Strukturen 11 und 12 so ausgebildet sind, daß eine Zwischenabbildung des vom Bildgeber 5 erzeugten Bildes in eine Zwischenbildebene im Multifunktionsglas erfolgt, die zwischen beiden Fresnel-Strukturen 11, 12 liegt. In diesem Fall ist die Art der Abbildung einer Mikroskopabbildung ähnlich. Dies führt in vorteilhafter Weise dazu, daß die Dicke des Multifunktionsglases 3 leichter bei gleichen optischen Eigenschaften reduziert werden kann. Für den Fall der Zwischenabbildung sind die beiden Fresnel-Strukturen 11 und 12 bevorzugt so ausgebildet, daß sie sowohl eine Strahlumlenkung bewirken als auch eine abbildende Eigenschaft aufweisen.
Die Reflexion an der Innen- und Außenseite 9, 8 des Multifunktionsglases 3 zur Führung des Lichtes von der ersten Fresnel-Struktur 11 bis zur zweiten Fresnel-Struktur 12 ist bevorzugt eine innere Totalreflexion. Es kann jedoch auch eine Verspiegelung vorgesehen sein, sofern dies notwendig ist. Dies ist bei der in 2 gezeigten Ausführungsform in dem Bereich notwendig, in dem die Fassung 10 oder der Abstandshalter 7 an der Außenseite 8 bzw. Innenseite 9 des Multifunktionsglases 3 anliegen und in dem eine Strahlumlenkung durchzuführen ist.
Nachfolgend wird ein Beispiel der Ausbildung der ersten Fresnel-Struktur 11 beschrieben. Die zweite Fresnel-Struktur 12 kann in gleicher Weise ausgebildet werden, wobei aber nachfolgend im wesentlichen nur auf die erste Fresnel-Struktur 11 Bezug genommen wird. In 3 ist eine vergrößerte Darstellung der Außen- bzw. Vorderseite 8 im Bereich der ersten Fresnel-Struktur 11 gezeigt. Die erste Fresnel-Struktur 11 weist auf der Vorderseite 8 mehrere Fresnel-Segmente 104 auf.
Jedes Fresnel-Segment 104 weist eine optisch wirksame Facette 105 auf, die hier verspiegelt sind. Um die in 3 gezeigte Stufenform zu erzielen, umfaßt in der Regel jedes Fresnel-Segment 105 noch eine Flanke 106.
Die gemeinsame optische Wirkung der Facetten 105 entspricht einer gedachten optischen Wirkfläche 108, wie sie in 4 gezeigt ist, wobei die optische Wirkfläche 108 hier gekrümmt ist. Sie kann ferner, muß aber nicht, keine Spiegel- und/oder keine Rotationssymmetrie aufweisen. Wie aus dem Vergleich der 3 und 4 leicht ersichtlich ist, ist die Darstellung in 4 um 90° um die z-Achse gegenüber der Darstellung in 3 gedreht. Die gedachte optische Wirkfläche 108 kann wie folgt als erste Fresnel-Struktur 11 gemäß 3 umgesetzt werden.
Die Wirkfläche 108 wird in z-Richtung in Abschnitte gleicher Höhe Δh geteilt. Dadurch ergeben sich Schnittlinien 109, die auch als Höhenlinien bezeichnet werden können und die jeweils einen Flächenabschnitt 110 der Wirkfläche 108 begrenzen. Die Flächenabschnitte 110 werden in z-Richtung alle so zueinander verschoben, daß jeweils die untere Schnittlinie (die mit dem geringeren z-Wert) und somit der untere Rand der Facette 105 auf gleicher Höhe (in z-Richtung) liegen. Von der jeweiligen oberen Schnittlinie der Flächenabschnitte 110 und somit dem oberen Rand der Facette 105 wird dann die senkrechte Flanke 106 bis zur unteren Schnittlinie des direkt benachbarten Flächenabschnittes 110 geführt, um zu der gestuften Ausbildung der Fresnel-Struktur 11 gemäß 3 zu gelangen. In der Draufsicht in 5 der ersten Fresnel-Struktur 11 von 3 sind die oberen Ränder zu sehen.
Die durchzuführenden Schritte, um von der gedachten optischen Wirkfläche 108, die gekrümmt ist und beispielsweise keine Spiegel- und/oder keine Rotationssymmetrie aufweist, zu der gewünschten ersten Fresnel-Struktur 11 zu gelangen, werden nachfolgend in Verbindung mit 6 im Detail erläutert, in der ein xz-Schnitt der Wirkfläche 108 gezeigt ist, die verschieden ist zur Wirkfläche 108 von 4, aber gekrümmt ist und keine Spiegel- und/oder keine Rotationssymmetrie aufweist. Die Aufteilung in Flächenabschnitte 110 (in der Schnittdarstellung von 6 sind diese Flächenabschnitte natürlich Linienabschnitte) gleicher Höhe ist durch die gestrichelten Schnittlinien in 6 dargestellt.
In der vergrößerten Darstellung des Details CC in 7 ist ersichtlich, daß der gezeigte Flächenabschnitt 110 aufgrund des vorgegebenen Abstandes Δh eindeutig definiert und dann auf die Höhe z₀ abgesenkt wird, wie durch den Pfeil P101 schematisch dargestellt ist. Ferner wird noch auf der linken Seite des Flächenelementes 110 die Flanke 106 hinzugefügt, die sich senkrecht zur Höhe z₀ erstreckt. Auf der Höhe z₀ liegt somit eine ebene Grundfläche 111, auf der die erste Fresnel-Struktur 11 ausgebildet ist. Die Grundfläche 111 kann jedoch auch gekrümmt sein.
Für die erste Fresnel-Struktur 11 läßt sich somit die nachfolgende Formel 1 aufstellen, wobei z_F die Fresnel-Struktur 11, z_Grundfläche die Flächenform der Grundfläche 111 (hier eine Ebene), auf der die Fresnel-Struktur 11 aufgebracht ist, und z_Facette die Fresnel-Facetten 105 relativ zur Grundfläche beschreibt: z_F = z_Grundfläche + z_Facette (1)
Die Fläche z_Facette der Facetten, die auch als ”gefresnelte” Freiformfläche bezeichnet werden kann, berechnet sich nach der folgenden Formel 2 z_Facette = modulo(z_Wirkfläche, Δh) (2), wobei die Wirkfläche 108 durch die nachfolgende Flächenformel z_Wirkfläche beschrieben ist
bei der K1 den konischen Term in x-Richtung und K2 den konischen Term in y-Richtung, wie nachfolgend angegeben ist, bezeichnen
Durch die Anwendung der Modulo-Funktion auf die Wirkfläche 108 wird die Wirkfläche 108 in z-Richtung in Abständen mit gleicher Höhe Δh geteilt. Somit ist die maximale Höhe der Facetten 105 jeweils Δh. Die verwendete Modulo-Funktion ist nachfolgend angegeben modulo(a, m) = a – [ a / m]·m (6), wobei die Gaußklammer [ a / m ] die größte ganze Zahl bezeichnet, die kleiner oder gleich der Zahl in der Gaußklammer ist, also das Ergebnis der Division a/m ohne den Rest der Division. Damit ergibt sich für die Facettenflächen die nachfolgende Formel
Gemäß dem oben beschriebenen Vorgehen kann basierend auf einer gewünschten optischen Wirkfläche 108, die entsprechende Fresnel-Struktur 11 abgeleitet werden, die die entsprechende optische Wirkung bereitstellt. Aufgrund der Stufenform kann zwar mit der Fresnel-Struktur 11 nicht exakt dieselbe optische Wirkung erreicht werden, die eine Grenzfläche hätte, die gemäß der Freiformfläche 108 ausgebildet ist, jedoch wird eine vergleichbare optische Wirkung erreicht.
Wie den Darstellungen in 6 und 7 zu entnehmen ist, weisen die Facetten 105 die durch die Freiformfläche 108 im Höhenbereich Δh vorgegebenen Krümmungen auf. Um die Herstellung der Fresnel-Struktur 11 zu vereinfachen, ist es möglich, den Verlauf der einzelnen Facetten 105 an die entsprechende Flächenform der Freiformflächen anzunähern. Im einfachsten Falle kann der Verlauf linearisiert werden, wie in der Schnittansicht von 8 schematisch dargestellt ist. Es ist jedoch auch möglich, die Facetten mit einer konvexen Krümmung (9) oder einer konkaven Krümmung (10) zu versehen. Auch eine Näherung durch einen anderen Krümmungsverlauf ist möglich, wie dies beispielsweise in 11 angedeutet ist.
In 12 ist ein Beispiel gezeigt, bei der die mittels der Fresnel-Struktur 11 nachzustellende optische Wirkfläche 108 gegenüber der sphärisch gekrümmten Vorderseite 8 stark gekippt ist. Auch in diesem Fall ist es keine Problem, die Wirkfläche 108 als Fresnel-Struktur 11 auf der Vorderseite 8 auszubilden, ohne daß die makroskopische Form der Vorderseite 8 verändert werden muß. Die Höhe Δh kann hier wie auch bei allen anderen Ausführungsformen im Bereich von 5–500 μm, insbesondere im Bereich von 0,01–0,1 mm und besonders bevorzugt im Bereich von 0,05 bis 0,3 mm liegen. Ferner muß die Höhe Δh nicht konstant sein, sondern kann hier wie auch bei allen anderen Ausführungsformen variieren. So kann z. B. Δh mit zunehmendem z-Wert selbst zu- oder abnehmen.
In 13 ist eine Schnittansicht der Fresnel-Struktur 11 an der gekrümmten Vorderseite 8 gezeigt, bei der die Facetten 105 jeweils linear ausgebildet sind. Die einzelnen Flanken 106 sind zueinander parallel ausgerichtet, wobei der ursprüngliche Verlauf der Vorderseite 8 noch schematisch eingezeichnet ist. Bei dieser Ausführungsform wurde in Abwandlung von Formel 1 die Facettenfunktion z_Facette von der Grundflächenfunktion z_Grundfläche abgezogen, so daß die Fresnel-Struktur 10 wie folgt beschreibbar ist: z_F = z_Grundfläche – z_Facette (12).
Diese Art der Berechnung von z_F ist natürlich auch bei allen bereits beschriebenen Ausführungsformen sowie bei allen noch nachfolgenden Ausführungsformen möglich.
In 14 ist eine Abwandlung des Profils von 13 gezeigt, das sich im wesentlichen darin unterscheidet, daß die Flanken 106 im Schnitt nicht mehr zueinander parallel orientiert sind, sondern radial zum nicht gezeigten Mittelpunkt der Vorderseite 8.
In 15 ist eine Schnittansicht einer kompletten Facette 105 der Fresnel-Struktur 11 gezeigt. Wie aus der Darstellung ersichtlich ist, weist die Facette 105 eine Verspiegelung V auf, damit die gewünschte Strahlenumlenkung der Lichtstrahlen des Bildgebers 5 stattfindet.
In 16 ist eine Abwandlung gezeigt, bei der freie Bereiche, der aufgrund der Neigung der Facette 105 relativ zur Vorderseite 8 des Multifunktionsglases 3 gebildet ist, mit Material 134 bis zur Vorderseite 8 aufgefüllt ist. Die Auffüllung ist bevorzugt so durchgeführt, daß eine glatte, durchgehende Vorderseite 8 gebildet ist. Als Material 134 kann insbesondere das gleiche Material wie für das Multifunktionsglas 3 selbst verwendet werden.
Es ist jedoch auch möglich, die Fresnel-Struktur 11 so auszulegen, daß die Umlenkung der Lichtstrahlen des Bildgebers 5 durch innere Totalreflexion erfolgt, so daß eine Verspiegelung nicht mehr notwendig ist, wie in 17 angedeutet ist.
In 18 ist eine Schnittansicht einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Fresnel-Struktur 11 gezeigt. Bei dieser Fresnel-Struktur 11 erstrecken sich die Flanken 106 nicht wie bei den meisten bisher beschriebenen Ausführungsformen senkrecht (also hier in z-Richtung), sondern sind ebenfalls etwas geneigt. Dies vereinfacht die Fertigung der Fresnel-Struktur 11. Jedoch ist es bevorzugt, wenn der Neigungswinkel der Flanken 106 möglichst klein ist, so daß sie quasi senkrecht verlaufen.
Alle bisher beschriebenen Fresnel-Strukturen 11 waren zusammenhängende Fresnel-Strukturen. Darunter wird hier verstanden, daß die einzelnen Fresnel-Facetten 105 stets durch die Flanken 106 miteinander verbunden sind. Es ist jedoch auch möglich, die Fresnel-Facetten 105 voneinander beabstandet vorzusehen und zwischen den einzelnen Fresnel-Facetten 105 Abschnitte 123 einzufügen, die beispielsweise Abschnitte 123 der Vorderseite 8 sein können. Dies kann einfach dadurch realisiert werden, daß von der ermittelten Fresnel-Fläche z_F Bereiche bzw. Abschnitte durch den Verlauf der Grundfläche z_Grundfläche in diesen Abschnitten ersetzt werden. Ein Profil einer solchen Fresnel-Struktur 11 ist in 19 schematisch angedeutet.
Wenn man die Fresnel-Facetten 105 verspiegelt, kann auf diese Art beispielsweise die zweite Fresnel-Struktur 12 bereitgestellt werden, wie in der vergrößerten Schnittansicht in 20 dargestellt ist. Mit der zweiten Fresnel-Struktur 12 kann das vom Bildgeber 5 kommende Strahlenbündel BS mit einem zweiten Strahlenbündel US zu einem gemeinsamen Strahlenbündel GS überlagert werden. Wie der Darstellung in 20 entnommen werden kann, sind die Fresnel-Facetten 105 gegenüber der Normalen der Vorderseite 8 so gekippt, daß der Teil des ersten Strahlenbündels BS (auch als Bildstrahlenbündel BS bezeichnet), der auf die jeweilige Fresnel-Facette 105 trifft, nach rechts als Bildteilstrahl BS' umgelenkt wird. Der restliche Teil des Bildstrahlenbündels BS, der nicht auf die Fresnel-Facetten 105 trifft, wird an der Vorderseite 8 so reflektiert und/oder transmittiert, daß er nicht Teil des gemeinsamen Strahlenbündels GS wird.
Der Teil des Umgebungsstrahlenbündels US, der (in 20 von links) auf die Rückseite der Fresnel-Facetten 105 trifft, wird von den Fresnel-Facetten 105 so abgeschattet, daß er nicht Teil des gemeinsamen Strahlenbündels GS wird. Daher ist dieser Teil des Umgebungsstrahlenbündels US schraffiert eingezeichnet. Der restliche Teil des Umgebungsstrahlenbündels US tritt als Umgebungsteilstrahlen US' durch die transmissiven Bereiche 123 zwischen den Fresnel-Facetten 105 hindurch.
Die nicht zusammenhängende Fresnel-Struktur 12 gemäß 19 bewirkt somit eine Überlagerung des durch die transmissiven Bereiche 123 hindurchtretenden Teils US' des Umgebungsstrahlenbündels US mit dem an den Fresnel-Facetten 105 reflektierten Teil BS' des Bildstrahlenbündels BS zu einem gemeinsamen Strahlenbündel GS.
Bevorzugt kann die zweite Fresnel-Struktur 12 mehrere voneinander beabstandete Fresnel-Abschnitte 140 aufweisen, die gemäß 20 oder auch in gleicher Weise wie die erste Fresnel-Struktur 11 ausgebildet sind. Die Fresnel-Abschnitte 140 können, wie in der schematischen Draufsicht in 21 auf den beispielsweise rechteckigen Überlagerungsbereich 129 gezeigt ist, beliebig verteilt sein. In den Bereichen dazwischen bleibt das Multifunktionsglas 3 erhalten, so daß diese Bereiche normale Lichtdurchtrittsbereiche darstellen.
Um eine regelmäßige Anordnung bzw. Struktur der Fresnel-Abschnitte 140 zu verhindern, können diese z. B. wie folgt angeordnet werden. Es werden kreisförmige Bereich festgelegt, deren Durchmesser wie folgt bestimmt werden kann D = √(100 – T)/100/π·2·APX/N
Wobei T die geforderte Transmission für das Umgebungslicht in Prozent, N die Anzahl der Kreise in x-Richtung und APX die Aperturbreite in x-Richtung ist. Die Kreise werden zunächst in einem festen Raster mit Rasterabstand APX/N in x und y äquidistant angeordnet. Danach werden die Kreismittelpunktslagen leicht modifiziert, indem die Richtung und Länge der Mittelpunktverschiebung ausgewürfelt werden. Die Länge wird hier so gewählt, daß kein Überlappungseffekt zwischen benachbarten Kreisen auftritt.
Als Statistikfunktionen für Länge und Winkel können folgende Formeln angewendet werden.
Statistische Verschiebungslänge: r = (APX/N/2 – D/2)·randf
Statistische Verschiebungsrichtung: w = 360·randf
Wobei randf einen Zufallswert zwischen 0 und 1 liefert. Die modifizierte Position der Kreise 140 ergibt sich dann gemäß den nachfolgenden Formeln: x = (i/N)·APX + r·cos(w) y = (j/N)·APX + r·sin(w) M = round(APY/APX)
Wobei die Funktion round das Argument (APY/APX) auf ganze Zahlen rundet.
Natürlich kann auch jede andere Art der Verteilung der Fresnel-Abschnitte 140 gewählt werden, wobei bevorzugt eine nicht regelmäßige Anordnung gewählt wird.

Claims

Anzeigevorrichtung mit einer auf dem Kopf eines Benutzers aufsetzbaren Haltevorrichtung (2), einem an der Haltevorrichtung (2) befestigten Bildgeber (5) zur Erzeugung eines Bildes, einer Steuereinheit zur Steuerung des Bildgebers (5) und einem an der Haltevorrichtung (2) befestigten Multifunktionsglas (3, 4), das einen Einkoppelbereich (11) und einen Auskoppelbereich (12) aufweist, wobei das erzeugte Bild über den Einkoppelbereich (11) in das Multifunktionsglas (3) eingekoppelt, im Multifunktionsglas (3) bis zum Auskoppelbereich (12) geführt und über den Auskoppelbereich (12) so ausgekoppelt wird, daß es der Benutzer im auf dem Kopf aufgesetzten Zustand der Haltevorrichtung (2) in Überlagerung mit der Umgebung wahrnehmen kann, wobei die Anzeigevorrichtung ein Brillenglas (6) zur Fehlsichtigkeitskorrektur, das an der Haltevorrichtung (2) befestigt ist und im auf dem Kopf aufgesetzten Zustand zwischen dem Auge des Benutzers und dem Multifunktionsglas (3, 4) positioniert ist, und eine Fassung (10) für das Multifunktionsglas (3, 4), in der auch das Brillenglas (6) sitzt, aufweist, und wobei das Brillenglas (6) vom Multifunktionsglas (3, 4) beabstandet ist.
Anzeigevorrichtung nach Anspruch 1, wobei zwischen dem Brillenglas (6) und dem Multifunktionsglas (3, 4) ein Abstandshalter (7) angeordnet ist.
Anzeigevorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, wobei das Brillenglas (6) nicht lösbar mit der Haltevorrichtung (2) verbunden ist.
Anzeigevorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, wobei das Multifunktionsglas (3, 4) nicht lösbar mit der Haltevorrichtung (2) verbunden ist.
Anzeigevorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, wobei das Multifunktionsglas (3, 4) neutral bezüglich einer Fehlsichtigkeitskorrektur ist.
Anzeigevorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, wobei das Multifunktionsglas (3, 4) im auf dem Kopf aufgesetzten Zustand für den Benutzer einen optisch erfaßbaren Nutzbereich aufweist, wobei das Multifunktionsglas (3, 4) zumindest im Nutzbereich als planparallele Platte oder sphärisch-konzentrisch ausgebildet ist.
Anzeigevorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, wobei sowohl der Einkoppelbereich (11) als auch der Auskoppelbereich (12) umlenken und abbilden, wobei der Einkoppelbereich (11) das erzeugte Bild als Zwischenbild in eine im Multifunktionsglas (3) liegende Zwischenbildebene abbildet.
Anzeigevorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, wobei der Einkoppelbereich (11) und/oder der Auskoppelbereich (12) als Fresnel-Struktur, insbesondere als nicht-zusammenhängende Fresnel-Struktur, ausgebildet sind/ist.
Anzeigevorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, wobei das Multifunktionsglas eine Vorderseite (8) und eine Rückseite (9) aufweist, wobei zur Führung des Bildes im Multifunktionsglas (3) Umlenkungen nur an der Vorder- und Rückseite (8, 9) stattfinden.