DE202005021014U1

DE202005021014U1 - Head mounted display unit is in form of spectacle frame with optical arrangements including a diffractive element

Info

Publication number: DE202005021014U1
Application number: DE202005021014U
Authority: DE
Original assignee: Carl Zeiss AG
Current assignee: Carl Zeiss AG
Priority date: 2005-11-14
Filing date: 2005-11-14
Publication date: 2006-12-21
Anticipated expiration: 2015-11-15

Abstract

The head mounted visual display unit is worn on the head and has optical units [3] mounted on a spectacle frame [2]. Each optical unit has an optical lens arrangement [5] that focuses the image [4] onto the pupils [P] of the eyes [A]. The lens arrangement includes a diffractive element that eliminates colour errors.

Description

Die Erfindung betrifft eine HMD-Vorrichtung (Head Mounted Display-Vorrichtung) mit einem Bildelement zum Erzeugen eines Bildes und einer Abbildungsoptik, die das Bild so abbildet, daß es von einem die HMD-Vorrichtung tragenden Benutzer erfaßbar ist, wobei die Abbildungsoptik ein diffraktives Element und mindestens zwei Linsen aufweist.The The invention relates to an HMD device (Head Mounted Display Device) with a picture element for generating an image and an imaging optic, which maps the picture so that it is detectable by a user carrying the HMD device, wherein the imaging optics is a diffractive element and at least has two lenses.

Eine solche HMD-Vorrichtung ist beispielsweise aus der EP 1 513 000 A1 bekannt. Dies HMD-Vorrichtung weist jedoch mindestens drei Linsen und ein Umlenkelement auf. Ferner sind die Linsen aus unterschiedlichen Materialien hergestellt, so daß ein gewisser Herstellungsaufwand und eine gewisse Mindestbaugröße nicht unterschritten werden kann.Such HMD device is for example from the EP 1 513 000 A1 known. However, this HMD device has at least three lenses and a deflecting element. Furthermore, the lenses are made of different materials, so that a certain production cost and a certain minimum size can not be undershot.

Eine HMD-Vorrichtung der eingangs genannten Art ist ferner auch aus der US 6,349,004 B1 bekannt. Bei dieser HMD-Vorrichtung sind drei Linsen aus drei unterschiedlichen Materialien vorgesehen. Ferner ist eine asphärisch gekrümmte Fläche von einer der Linsen mit einem diffraktiven Element versehen. Somit ist auch bei der HMD-Vorrichtung der US 6,349,004 B1 ein gewisser Mindestaufwand für die Herstellung gegeben.An HMD device of the aforementioned type is also known from US 6,349,004 B1 known. In this HMD device, three lenses of three different materials are provided. Further, an aspherically curved surface of one of the lenses is provided with a diffractive element. Thus, also in the HMD device of US 6,349,004 B1 given a certain minimum cost for the production.

Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der Erfindung, eine HMD-Vorrichtung der eingangs genannten Art so weiter zu bilden, daß möglichst ohne Verschlechterung der optischen Abbildung der Herstellungsaufwand verringert werden kann.outgoing It is an object of the invention to provide an HMD device of the initially so-called type so that possible without deterioration the optical image of the manufacturing costs are reduced can.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei einer HMD-Vorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß alle Linsen der Abbildungsoptik aus dem gleichen Material gebildet sind und daß Farbfehler der Abbildungsoptik ausschließlich mittels dem diffraktiven Element korrigiert sind.According to the invention Task with an HMD device of the type mentioned solved in that all the lenses the imaging optics are formed from the same material and that color error the imaging optics exclusively corrected by means of the diffractive element.

Da alle Linsen der Abbildungsoptik aus dem gleichen Material hergestellt sind, ist der Herstellungsaufwand geringer im Vergleich zu bekannten HMD-Vorrichtungen, da nur ein Material bearbeitet werden muß. Die gleichbleibende Abbildungsqualität hinsichtlich der Farbfehlerkorrektur (z.B. Farblängs- und Farbquerfehler) wird mittels dem diffraktiven Element realisiert.There all lenses of the imaging optics made of the same material are, the production cost is lower compared to known HMD devices, since only one material has to be processed. The consistent one picture quality in terms of color aberration correction (e.g., longitudinal and lateral color aberrations) realized by means of the diffractive element.

Insbesondere kann bei allen Linsen der Abbildungsoptik mindestens eine Seite asphärisch gekrümmt sein. Damit wird eine ausgezeichnete optische Abbildungsqualität realisiert. Von besonderem Vorteil ist es, wenn alle Linsen jeweils eine asphärische und jeweils eine sphärische Seite aufweisen. Dies läßt sich besonders einfach und kostengünstig mit der notwendigen Genauigkeit herstellen. Insbesondere sind die Kosten von Spritzgußformen zur Herstellung der Linsen in diesem Fall geringer im Vergleich zu einem Fall, bei dem die Linsen zwei asphärische Flächen aufweisen.Especially can be at least one page for all lenses of the imaging optics aspherical be curved. This achieves an excellent optical imaging quality. It is particularly advantageous if all lenses each have an aspherical and each a spherical one Side have. This can be particularly easy and inexpensive produce with the necessary accuracy. In particular, the Cost of injection molds for making the lenses in this case lower by comparison to a case where the lenses have two aspheric surfaces.

Das diffraktive Element kann als diffraktive Fläche auf eine der Linsen ausgebildet sein. Damit wird die Anzahl der Elemente weiter verringert. Bevorzugt ist das diffraktive Element als diffraktive Fläche auf einer sphärischen Seite einer der Linsen ausgebildet. Dies vereinfacht die Herstellung der diffraktiven Fläche.The diffractive element may be formed as a diffractive surface on one of the lenses be. This further reduces the number of elements. Prefers is the diffractive element as a diffractive surface on a spherical Side of one of the lenses formed. This simplifies the production the diffractive surface.

Die diffraktive Fläche ist insbesondere auf einer einer anderen Linse der Abbildungsoptik zugewandten Seite einer der Linsen ausgebildet. Somit ist die diffraktive Fläche auf einer inneren Seite der Abbildungsoptik, also auf einer Seite, die nicht die erste oder letzte Seite der Abbildungsoptik darstellt, ausgebildet. Daher ist die diffraktive Fläche besser gegen äußere Einflüsse geschützt.The diffractive surface is in particular on a different lens of the imaging optics facing side of one of the lenses. Thus, the diffractive area on an inner side of the imaging optics, ie on one side, which is not the first or last page of the imaging optics, educated. Therefore, the diffractive surface is better protected against external influences.

Der Strahlengang vom Bildelement, durch die Abbildungsoptik hindurch und bis zum Benutzer ist bevorzugt nicht gefaltet. Dies führt zu einem sehr kompaktem Aufbau, da kein Umlenkelement notwendig ist, das einerseits die Größe der Abbildungsoptik erhöht und andererseits nachteilig noch die Anzahl der Elemente in der Abbildungsoptik erhöht. Die Bildebene des Bildelementes ist vorzugsweise plan. Aufgrund der guten Abbildungseigenschaften der Abbildungsoptik werden hervorragende Abbildungseigenschaften auch bei einer planen Bildebene erreicht, so daß herkömmliche Bildelemente verwendet werden können.Of the Beam path from the picture element, through the imaging optics and up to the user is preferably not folded. This leads to a very compact design, since no deflection is necessary, on the one hand the size of the imaging optics elevated and on the other disadvantageous nor the number of elements in the Imaging optics increased. The image plane of the picture element is preferably flat. by virtue of The good imaging characteristics of the imaging optics become outstanding Image properties achieved even at a flat image plane, so that conventional Picture elements can be used.

Die HMD-Vorrichtung kann ein Gehäuse mit Fassungen für die Linsen aufweisen, wobei das Gehäuse und die Fassungen aus dem gleichen Material wie die Linsen hergestellt sind. Damit werden vorteilhaft unterschiedliche thermische Ausdehnungen bei Temperaturänderungen verhindert, da alles aus dem gleichen Material hergestellt ist.The HMD device can be a housing with versions for having the lenses, wherein the housing and the sockets of the same material as the lenses are made. With that advantageously different thermal expansions with temperature changes prevented, because everything is made of the same material.

Die Abbildungsoptik kann insbesondere so ausgebildet sein, daß die Austrittspupille der Abbildungsoptik mindestens 15 mm nach dem letzten Linsenscheitel liegt und bevorzugt einen Durchmesser von mindestens 6 mm aufweist. Insbesondere kann der Abstand der Austrittspupille in einem Bereich von 15–20 mm liegen und kann der Durchmesser der Austrittspupille 6–12 mm betragen. Ferner kann die Abbildungsoptik einen Gesichtsfeldwinkel von 30°–50° bereitstellen und eine Brennweite von 15–30 mm aufweisen.The imaging optics can in particular be designed so that the exit pupil of the image optics is at least 15 mm after the last lens vertex and preferably has a diameter of at least 6 mm. In particular, the distance of the exit pupil may be in a range of 15-20 mm and the diameter of the exit pupil may be 6-12 mm. Further, the imaging optics can provide a field of view angle of 30 ° -50 ° and have a focal length of 15-30 mm.

Die Abbildungsoptik kann auch mindestens drei Linsen aufweisen. Bevorzugt weist sie genau drei Linsen auf, die insbesondere jeweils eine sphärische und eine asphärische Seite umfassen.The Imaging optics can also have at least three lenses. Prefers it has exactly three lenses, each in particular a spherical and an aspherical one Include page.

Wenn die Abbildungsoptik genau drei Linsen aufweist, die jeweils eine sphärische und eine asphärische Seite umfassen, dient bevorzugt die mittlere Linse zur Korrektur der Bildfeldwölbung und dienen alle asphärische Seiten zusammen zur Korrektur von Astigmatismus und Verzeichnung. Ferner dienen bevorzugt die asphärische Seite der mittleren Linse zusammen mit der asphärischen Seite der vom Bildelement am weitesten entfernten Linse zur Korrektur von Öffnungsfehler und Koma.If the imaging optics has exactly three lenses, each one spherical and an aspherical one Side, the middle lens is preferably used for correction the field curvature and serve all aspherical Pages together to correct astigmatism and distortion. Furthermore, the aspherical are preferably used Side of the middle lens together with the aspherical side of the picture element most distant lens for correction of aperture defects and coma.

Der Abstand zwischen dem Bildelement und der Abbildungsoptik kann verstellbar sein, um für den Benutzer die scheinbare Entfernung des mittels der Abbildungsoptik abgebildeten Bildes zu verändern. Die Abstandsänderung kann manuell oder mittels einem Aktuator durchgeführt werden. Insbesondere kann sie auch automatisch gesteuert sein. Bei dem abgebildetem Bild handelt es sich bevorzugt um ein virtuelles Bild.Of the Distance between the picture element and the imaging optics can be adjusted be for the user the apparent distance of the imaging optics to change the image. The distance change can be done manually or by means of an actuator. In particular, it can also be controlled automatically. In the illustrated The image is preferably a virtual image.

Die HMD-Vorrichtung kann natürlich noch eine Ansteuereinheit zur Ansteuerung des Bildelementes anhand vorgegebener Bilddaten enthalten, wobei das Bildelement entweder ein selbstleuchtendes Bildelement, wie z.B. ein OLED (organisches LED), oder ein nichtselbstleuchtendes Bildelement sein kann, das reflektiv oder transmissiv ausgebildet sein kann (z.B. LCD-Modul, Kippspiegelmatrix).The HMD device can of course nor a drive unit for controlling the picture element based predetermined image data, wherein the pixel either a self-luminous picture element, e.g. an OLED (organic LED), or may be a non-self-luminous picture element, the may be reflective or transmissive (e.g., LCD module, Tilting mirror).

Die Bildebene, in der das Bild erzeugt wird, kann durch das Bildelement selbst gegeben sein oder vom Bildelement beabstandet sein. Im letzteren Fall kann sogar eine Zwischenabbildungsoptik zwischen dem Bildelement und der Bildebene angeordnet sein.The Image plane in which the image is created, by the picture element itself or be spaced from the picture element. In the latter Case may even have intermediate imaging optics between the pixel and the image plane.

Weiter kann die HMD-Vorrichtung noch eine geeignete Haltevorrichtung bzw. ein geeignetes Gestell aufweisen, mit dem sie auf den Kopf des Benutzers aufgesetzt werden kann. Dieses Gestell kann ähnlich zu einem Brillengestell ausgebildet sein. Natürlich kann die HMD- Vorrichtung sowohl zur Bilddarstellung für ein Auge als auch für beide Augen ausgebildet werden und das Bildelement kann einfarbig oder mehrfarbige Bilder erzeugen. Bei einer Bilddarstellung für beide Augen kann ein Bildelement für beide Augen vorgesehen sein. Bevorzugt sind jedoch für jedes Auge ein Bildelement und eine Abbildungsoptik vorgesehen.Further the HMD device can still have a suitable holding device or have a suitable frame, with which they on the head of the user can be put on. This frame may be similar to a glasses frame be educated. Naturally can the HMD device both for image representation for an eye as well for Both eyes are formed and the picture element can be monochrome or create multicolored images. In an image representation for both Eyes can be a picture element for Both eyes should be provided. However, preferred are for each Eye a picture element and an imaging optics provided.

Die Erfindung wird beispielshalber nachfolgend anhand der beigefügten Figuren noch näher erläutert. Von den Figuren zeigen:The The invention will be described by way of example below with reference to the accompanying drawings even closer explained. From show the figures:

1 eine schematische Darstellung der HMD-Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform, und 1 a schematic representation of the HMD device according to an embodiment, and

2 ein Linsenschnitt der Abbildungsoptik der HMD-Vorrichtung von 1 2 a lens section of the imaging optics of the HMD device of 1

In 1 ist in einer schematischen Ansicht von oben eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen HMD-Vorrichtung gezeigt, wobei die HMD-Vorrichtung 1 von einem Benutzer auf dem Kopf getragen wird. Dazu weist die HMD-Vorrichtung 1 ein brillenartiges Gestell 2 auf, das sich auf der Nase des Benutzers sowie an beiden Ohren (nicht gezeigt) abstützt. Vor jedem Auge A1, A2 des Benutzers ist jeweils eine Bilderzeugungseinrichtung 3 am Gestellt 2 befestigt. Die Bilderzeugungseinrichtung 3 umfaßt, wie in 1 nur für das linke Auge A1 gezeigt ist, ein Bildelement 4, das hier eine selbstleuchtende Anzeige ist, sowie eine Abbildungsoptik 5, die das mittels dem Bildelement 4 erzeugte Bild so als virtuelles Bild abbildet, daß es der Benutzer scheinbar in einem vorbestimmten Abstand vor dem Auge A1 erfassen und wahrnehmen kann. Dazu liegt die Austrittspupille P der Abbildungsoptik 5 in der Ebene der Pupille des Auges A1. Wie nachfolgend noch detailliert beschrieben wird, kann mittels der Bilderzeugungseinrichtung 3 der scheinbare Abstand des für den Benutzer wahrnehmbaren Bildes in einem Bereich von 0,5 m bis unendlich liegen. Eine Ansteuerungseinheit zur Ansteuerung des Bildelementes 4 anhand vorgegebener Bilddaten, um ein gewünschtes Bild bzw. gewünschte Bilder (insbesondere Filme) mit dem Bildelement 4 zu erzeugen, ist zur Vereinfachung der Darstellung nicht eingezeichnet.In 1 is a schematic view from above of an embodiment of the HMD device according to the invention shown, wherein the HMD device 1 worn by a user on the head. For this purpose, the HMD device 1 a spectacle-like frame 2 on, which is supported on the nose of the user and on both ears (not shown). In front of each eye A1, A2 of the user is an image generating device 3 on the shelf 2 attached. The image forming device 3 includes, as in 1 only for the left eye A1, a picture element 4 , which is a self-luminous display here, as well as an imaging optics 5 that by means of the picture element 4 image formed so as a virtual image that the user can apparently detect and perceive at a predetermined distance in front of the eye A1. For this purpose, the exit pupil P of the imaging optics is located 5 in the plane of the pupil of the eye A1. As will be described in detail below, by means of the image generating device 3 the apparent distance of the user-perceivable image is within a range of 0.5m to infinity. A drive unit for driving the picture element 4 on the basis of predetermined image data, a desired image or desired images (in particular films) with the pixel 4 is not shown to simplify the illustration.

In 2 ist ein Linsenschnitt der Abbildungsoptik 5 zusammen mit dem Bildelement 4 dargestellt. Ferner ist auch noch ein optional vorhandenes Brillenglas 6 eingezeichnet. Dies betrifft den Fall, wenn an dem brillenartigen Gestell 2 auch noch Brillengläser für den Benutzer befestigt sind. Das Brillenglas 6 ist jedoch nicht für die HMD-Vorrichtung notwendig und kann auch weggelassen werden.In 2 is a lens cut of the imaging optics 5 together with the picture element 4 shown. Furthermore, there is also an optional eyeglass lens 6 located. This applies to the case when attached to the glasses-like frame 2 even lenses are attached to the user. The spectacle lens 6 but it is not necessary for the HMD device and may be omitted.

In 2 ist von dem Bildelement 4 lediglich das abschließende Deckglas 7 dargestellt, dem die Abbildungsoptik 5 nachgeordnet ist, die in dem beschriebenen Ausführungsbeispiel drei Linsen 8, 9 und 10 aufweist.In 2 is from the picture element 4 only the final coverslip 7 represented, the imaging optics 5 is downstream, the three lenses in the described embodiment 8th . 9 and 10 having.

Die Linsen 8, 9 und 10 sind alle aus dem gleichen Material hergestellt und weisen jeweils eine asphärisch und eine sphärisch gekrümmte Seite auf. Bei der ersten Linse 8 ist die Seite F4, bei der zweiten Linse 9 ist die Seite F5 und bei der dritten Linse 10 ist die Seite F8 asphärisch gekrümmt. Ferner ist die Seite F7 der dritten Linse 10 als diffraktive Fläche mit Kinoform-Profil ausgebildet. Im Detail umfaßt die diffraktive Fläche konzentrische Ringe mit dem Linsenscheitel der Fläche F7 als Mittelpunkt. Jeder Ring hat einen inneren und einen äußeren Radius. Der innere Radius des ersten Ringes ist 0. Der äußere Radius des m-ten Rings ist der innere Radius des m+1-ten Rings. Die Breite der Ringe wird von der Mitte zum Rand der Linse kontinuierlich kleiner. Die Furchentiefe am inneren Radius ist 0, am äußeren Radius beträgt sie d. Beim Übergang vom m-ten Ring auf den m+1-ten Ring ist somit eine Stufe der Höhe d vorhanden. Die diffraktive Ausbildung der Fläche kann mit der nachfolgenden Phasenprofilfunktion φ geschrieben werden:

dabei steht λ₀ für die Referenzwellenlänge und C_n sind die Koeffizienten des Phasenpolynoms. Der Radius r des m-ten Ringes berechnet sich aus

es gibt maximal N Ringe, wobei

dabei steht r_max für den halben Linsendurchmesser.The lenses 8th . 9 and 10 are all made of the same material and each have an aspherical and a spherically curved side. At the first lens 8th is the side F4, at the second lens 9 is the side F5 and at the third lens 10 the side F8 is aspherically curved. Further, the side F7 is the third lens 10 designed as a diffractive surface with kinoform profile. In detail, the diffractive surface comprises concentric rings with the lens vertex of the surface F7 as the center. Each ring has an inner and an outer radius. The inner radius of the first ring is 0. The outer radius of the mth ring is the inner radius of the m + 1th ring. The width of the rings becomes continuously smaller from the center to the edge of the lens. The groove depth at the inner radius is 0, at the outer radius it is d. In the transition from the mth ring to the m + 1th ring, there is thus a step of height d. The diffractive design of the surface can be written with the following phase profile function φ:

where λ _{0 is} the reference wavelength and C _n are the coefficients of the phase polynomial. The radius r of the mth ring is calculated

there are a maximum of N rings, where

where r _max stands for half the lens diameter.

Die Furchentiefe d an jedem Ring beträgt

wobei n₀ der Brechungsindex des Materials für λ₀ ist. Bei der hier beschriebenen Ausführungsform hat sich gezeigt, daß es ausreichend war, die diffraktive Fläche mit dem Koeffizienten C₁ zu beschreiben. Dieser ist in der nachfolgenden Tabelle 3 angegeben.The groove depth d at each ring is

where n _{0 is} the refractive index of the material for λ ₀ . In the embodiment described here, it has been found that it was sufficient to describe the diffractive surface with the coefficient C ₁ . This is given in Table 3 below.

Die asphärischen Flächen werden mit der nachfolgenden Formel (Pfeilhöhenformel) beschrieben

z: Pfeilhöhe
K: Exzentrizität
ρ: Scheitelkrümmung
h: Höhe
A,B, C, D, E, F, G, H: Koeffizienten für Terme höherer Ordnung.

The aspherical surfaces are described by the following formula (arrow height formula)

z: sagitta
K: eccentricity
ρ: vertex curvature
H: height
A, B, C, D, E, F, G, H: Coefficients for higher-order terms.

Der genaue optische Aufbau der Abbildungsoptik 5 läßt sich den nachfolgenden Tabellen 1 bis 4 entnehmen. Die Tabelle 1 beschreibt die Linsen 8, 9 und 10 sowie die Abstände der einzelnen Flächen F1 bis F8, wobei in der Spalte Abstand immer der Abstand der Fläche der entsprechenden Zeile zur nächsten Fläche angegeben ist. Der Eintrag von 0,50 mm in der Zeile mit der Fläche F1 bedeutet z.B., daß die Fläche F1 von der Fläche F2 einen Abstand von 0,50 mm aufweist. In der Tabelle 2 sind die asphärischen Flächen gemäß der oben angegebenen Pfeilhöhenformel und in der Tabelle 3 ist die diffraktive Fläche genauer angegeben. In der Tabelle 4 sind mögliche Materialien mit ihren optischen Parameter aufgeführt, wobei der Kurzname von Tabelle 4 in der entsprechenden Spalte mit der Überschrift Material von Tabelle 1 verwendet wurde. Das Material des Deckglases (Flächen F1 und F2) ist durch die Wahl des Bildelements 4 in der Regel vorgegeben.The exact optical structure of the imaging optics 5 can be found in Tables 1 to 4 below. Table 1 describes the lenses 8th . 9 and 10 and the distances of the individual surfaces F1 to F8, wherein in the column distance is always the distance of the surface of the corresponding line to the next surface specified. The entry of 0.50 mm in the row with the area F1 means, for example, that the area F1 of the area F2 has a spacing of 0.50 mm. In Table 2, the aspherical surfaces are according to the above-mentioned arrowhead formula, and in Table 3, the diffractive surface is specified. Table 4 lists possible materials with their optical parameters, using the nickname of Table 4 in the corresponding column headed Material in Table 1. The material of the Coverslips (areas F1 and F2) is determined by the choice of picture element 4 usually given.

Tabelle 1:

Table 1:

Tabelle 2:

Table 2:

Tabelle 3:

Table 3:

Tabelle 4:

Table 4:

In Tabelle 4 bezeichnet n_d die Brechzahl für 587,56 nm und ist v_d die entsprechende Abbesche Zahl.In Table 4, n _d denotes the refractive index for 587.56 nm, and v _{d is} the corresponding Abbe number.

Bei der in 2 gezeigten Ausführungsform wurde als Kunststoff-Material für die drei Linsen 8, 9 und 10 das Material ZEONEX E48R gewählt.At the in 2 embodiment shown was as a plastic material for the three lenses 8th . 9 and 10 the material ZEONEX E48R was chosen.

Wie der Tabelle 1 entnommen werden kann, beträgt der Abstand zwischen dem letzten Linsenscheitel und der Abbildungsoptik 5 (also dem Linsenscheitel der Fläche F8) und der Austrittspupille P der Abbildungsoptik 5 mehr als 15 mm, hier 16,50 mm. Dies führt zu dem Vorteil, daß die Bilderzeugungseinrichtung 3 vor dem Brillenglas 6 der Brille des Benutzers angebracht werden kann. In diesem Fall kann die Bilderzeugungseinrichtung 3 beispielsweise auf das Brillengestell von oben eingehängt werden. Es ist auch jede, andere Art der Befestigung am Brillengestell möglich. Der Durchmesser der Austrittspupille P beträgt hier 8 mm und die Diagonale des Bildelements 4 sieht der Benutzer unter einem Gesichtsfeldwinkel von 40°. Insbesondere kann mit der HMD-Vorrichtung 1 ein Gesichtsfeldwinkel von 30°–50° realisiert werden.As can be seen from Table 1, the distance between the last lens vertex and the imaging optics is 5 (ie the lens vertex of the surface F8) and the exit pupil P of the imaging optics 5 more than 15 mm, here 16.50 mm. This leads to the advantage that the image forming device 3 in front of the lens 6 the user's glasses can be attached. In this case, the image forming device 3 For example, be mounted on the glasses frame from above. It is also possible any other type of attachment to the glasses frame. The diameter of the exit pupil P here is 8 mm and the diagonal of the picture element 4 the user sees at a visual field angle of 40 °. In particular, with the HMD device 1 a visual field angle of 30 ° -50 ° can be realized.

Das Bildelement 4 ist bevorzugt entlang der optischen Achse der Abbildungsoptik 5 verschiebbar angeordnet. Wenn der Abstand zwischen Bildelement 4 und der Abbildungsoptik 5 vergrößert wird, wird auch die scheinbare Entfernung für den Benutzer erhöht. Umgekehrt wird bei einer Verringerung des Abstandes zwischen dem Bildelement 4 und der Abbildungsoptik 5 auch die scheinbare Entfernung verringert. In der nachfolgenden Tabelle 5 ist der Abstand für die Fläche F2 und somit der Abstand zwischen der Fläche F2 und F3 und daher den Abstand zwischen Bildelement 4 und Abbildungsoptik 5 sowie die jeweilige zugeordnete scheinbare Entfernung angegeben.The picture element 4 is preferred along the optical axis of the imaging optics 5 slidably arranged. When the distance between picture element 4 and the imaging optics 5 is increased, the apparent distance for the user is also increased. Conversely, when there is a reduction in the distance between the picture element 4 and the imaging optics 5 also reduces the apparent distance. In the following Table 5, the distance for the surface F2 and thus the distance between the surface F2 and F3 and therefore the distance between picture element 4 and imaging optics 5 and the associated apparent apparent distance.

Tabelle 5:

Table 5:

Die Verschiebung des Bildelements 4 entlang der optischen Achse kann entweder manuell oder mittels eines (nicht gezeigten) Aktuators erfolgen. Insbesondere kann sie auch automatisch durchgeführt werden.The shift of the picture element 4 along the optical axis can be done either manually or by means of an actuator (not shown). In particular, it can also be carried out automatically.

Die diffraktive Fläche dient zur Farbkorrektur. Nachdem alle Linsen 8, 9 und 10 der Abbildungsoptik 5 aus dem gleichen Material gebildet sind, ist mit diesen Linsen eine Farbkorrektur nicht möglich. Daher wird bei der HMD-Vorrichtung 1 der Farbfehler der Abbildungsoptik 5 ausschließlich mittels der diffraktiven Fläche F7 durchgeführt. Für die Wahl der Fläche der Linsen, die als diffraktive Fläche ausgebildet werden soll, können insbesondere folgende Kriterien verwendet werden.The diffractive surface is used for color correction. After all lenses 8th . 9 and 10 the imaging optics 5 are made of the same material, a color correction is not possible with these lenses. Therefore, in the HMD device 1 the color aberration of the imaging optics 5 exclusively by means of the diffractive surface F7. For the choice of the area of the lenses to be formed as a diffractive surface, the following criteria can be used in particular.

Die Position der diffraktiven Fläche in der Abbildungsoptik soll eine möglichst gute Farbfehlerkorrektur ermöglichen. Die diffraktive Fläche soll an einer Fläche ausgebildet werden, die einen möglichst flachen Radius aufweist, so daß das Furchenprofil einfach ausgebildet werden kann. Insbesondere wird die diffraktive Fläche auf einer sphärischen Fläche ausgebildet. Die diffraktive Fläche soll so liegen, daß die Einfallswinkel der Strahlbüschel des Lichtes vom Bildelement 4 möglichst klein sind, so daß eine sehr gute und hohe Beugungseffizienz erreicht werden kann. Ferner soll die diffraktive Fläche möglichst an einer inneren Fläche der Abbildungsoptik 5 ausgebildet werden, so daß sie durch die anderen Linsen 8, 9 vor Verschmutzungen und Zerstörungen geschützt ist.The position of the diffractive surface in the imaging optics should allow the best possible color error correction. The diffractive surface should be formed on a surface having a flat radius as possible, so that the groove profile can be easily formed. In particular, the diffractive surface is formed on a spherical surface. The diffractive surface should be such that the angles of incidence of the pencils of light from the picture element 4 are as small as possible, so that a very good and high diffraction efficiency can be achieved. Furthermore, the diffractive surface is intended to be located on an inner surface of the imaging optics 5 be formed so that they pass through the other lenses 8th . 9 protected against contamination and destruction.

Das Material, aus dem alle Linsen 8 bis 10 der Abbildungsoptik hergestellt werden, wird bevorzugt gemäß den folgenden Kriterien ausgewählt. Es soll eine hohe Transmission im relevanten visuellen Spektralbereich aufweisen. Die Dichte sowie die Wasseraufnahme des Materials soll möglichst gering sein. Das Material ist bevorzugt spritzgußtechnisch gut verarbeitbar, so daß hohe Stückzahl realisiert werden können. Ferner soll das Material für mechanisch spanende Verarbeitungen (insbesondere Drehen und Fräsen) gut geeignet sein.The material from which all lenses 8th to 10 of the imaging optics are preferably selected according to the following criteria. It should have a high transmission in the relevant visual spectral range. The density and water absorption of the material should be as low as possible. The material is preferably easy to process by injection molding, so that high quantities can be realized. Furthermore, the material should be well suited for mechanical machining operations (especially turning and milling).

Von Vorteil ist es ferner, wenn es gut beschichtbar ist, um beispielsweise Antireflexionsschichten aufbringen zu können. In der obigen Tabelle 4 sind Beispiele von bevorzugten Materialien angegeben.From It is also advantageous if it can be coated well, for example To be able to apply antireflection coatings. In the above table 4, examples of preferred materials are given.

Ferner können bei der HMD-Vorrichtung beispielsweise auch die Fassungen (nicht gezeigt) der Linsen 8, 9 und 10 aus dem gleichen Material wie die Linsen selbst gebildet sein. Auch das Gehäuse, in dem die Linsen 8 bis 10 und ihre Fassungen angeordnet sind, können aus dem gleichen Material wie die Linsen gebildet sein. Es ist jedoch möglich, daß das Material für die Gehäuse beispielsweise eingefärbt ist. Auch sonstige mechanische Teile der HMD-Vorrichtung können aus dem gleichen Material wie das Material für die Linsen gebildet sein. Damit werden insbesondere unerwünschte unterschiedliche Ausdehnungen bei Temperaturschwankungen in einfacher Art und Weise verhindert.Further, in the HMD device, for example, the sockets (not shown) of the lenses 8th . 9 and 10 be made of the same material as the lenses themselves. Also the case in which the lenses 8th to 10 and their sockets are arranged, may be formed of the same material as the lenses. However, it is possible that the material for the housing is colored, for example. Also other mechanical parts of the HMD device may be formed of the same material as the material for the lenses. In particular unwanted different expansions with temperature fluctuations are thus prevented in a simple manner.

Die in 1 und 2 gezeigte HMD-Vorrichtung 1 kann insbesondere so ausgebildet werden, daß die Brennweite der Abbildungsoptik im Bereich von 15–30 mm liegt, daß die Lage der Austrittspupille 15–20 mm nach dem letzten Linsenscheitel (nach der Fläche F8) liegt, daß der Durchmesser der Austrittspupille P im Bereich von 6–12 mm liegt und daß der Gesichtsfeldwinkel im Bereich von 30°–50° liegt. Ein weiterer Vorteil der Abbildungsoptik von 5 besteht darin, daß die Baulänge des Systems von dem Bildelement 4 bis zur Linsenfläche F8 äußerst kurz ist, da größere Luftabstände zwischen den Linsen 8–10 vermieden werden konnten.In the 1 and 2 shown HMD device 1 can be formed in particular so that the focal length of the imaging optics in the range of 15-30 mm is that the position of the exit pupil 15-20 mm after the last lens vertex (after the surface F8) is that the diameter of the exit pupil P in the range of 6-12 mm and that the field of view angle is in the range of 30 ° -50 °. Another advantage of the imaging optics of 5 is that the length of the system of the picture element 4 up to the lens surface F8 is extremely short, as greater air gaps between the lenses 8th - 10 could be avoided.

Claims

HMD device ( 1 ) with a picture element ( 4 ) for generating an image and an imaging optic ( 5 ) which maps the image so that it is from a HMD device ( 1 ) carrying user is detectable, wherein the imaging optics ( 5 ) a diffractive element (F7) and at least two lenses ( 8th . 9 . 10 ), characterized in that all lenses ( 8th - 10 ) of the imaging optics ( 5 ) are formed from the same material and color aberrations of the imaging optics ( 5 ) are corrected exclusively by means of the diffractive element (F7).

HMD device according to claim 1, characterized in that in all lenses ( 8th - 10 ) of the imaging optics ( 5 ) at least one side is aspherical curved.

HMD device according to one of the preceding claims, characterized in that the diffractive element (F7) acts as a diffractive surface (F7) on one of the lenses ( 8th - 10 ) is trained.

HMD device according to Claim 3, characterized in that the diffractive surface (F7) is formed on a spherical side of one of the lenses ( 8th - 10 ) is trained.

HMD device according to claim 3 or 4, characterized in that the diffractive surface on one another lens ( 18 ) of the imaging optics ( 5 ) facing side (F7) of one of the lenses ( 10 ) is trained.

HMD device according to one of the above claims, characterized in that the beam path from the picture element ( 4 ) through the imaging optics ( 5 ) and is not folded to the user's eye.

HMD device according to one of the above claims, characterized in that all the lenses ( 8th - 10 ) are formed from the same plastic material.

HMD device according to one of the preceding claims, characterized in that the HMD device has a housing with sockets for the lenses ( 8th - 10 ), wherein the housing and the sockets are made of the same material as the lenses.

HMD device according to one of the above claims, characterized in that the imaging optics ( 5 ) exactly three lenses ( 8th - 10 ) each having a spherical and an aspherical side.

HMD device according to claim 9, characterized in that the middle lens ( 9 ) is used to correct field curvature and all aspheric sides (F4, F5, F8) together serve to correct for astigmatism and distortion.

HMD device according to claim 9 or 10, characterized in that the aspheric side (F5) of the middle lens ( 9 ) together with the aspherical side (F8) of the pixel ( 4 ) farthest lens ( 10 ) to correct for opening errors and coma.

HMD device according to one of the preceding claims, characterized in that the distance between the picture element ( 4 ) and the imaging optics ( 5 ) is adjustable to the user for the apparent Ent distance of by means of the imaging optics ( 5 ) picture.