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Die
vorliegenden Erfindung betrifft eine HMD-Vorrichtung (Head-Mounted-Display-Vorrichtung)
mit einer auf den Kopf eines Benutzers aufsetzbaren Halteeinrichtung,
einer ersten Anzeigeeinheit, um einem ersten Auge des Benutzers
ein Bild anzuzeigen, und einer Koppeleinrichtung, über die
die erste Anzeigeeinheit mechanisch mit der Halteeinrichtung verbunden
ist. Bei solchen HMD-Vorrichtungen ist es häufig gewünscht, die Anzeigeeinheit,
die die Erzeugung des virtuellen Bildes bewirkt, zu verstellen oder
auf den individuellen Benutzer einstellen zu können. Dabei wird auch ein Verschwenken
der Anzeigeeinheiten um den Augendrehpunkt benötigt. Das Vorsehen einer Schwenkachse
führt aber
zu einer sehr aufwendigen und schweren Konstruktion, da die Schwenkachse
seitlich von den Augen vorgesehen werden müßte.
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Ausgehend
hiervon ist Aufgabe der Erfindung, eine HMD-Vorrichtung der eingangs
genannten Art so weiter zu bilden, daß ein Verschwenken der Anzeigeeinheit
um den Augendrehpunkt mit einfachen konstruktiven Mitteln ermöglicht wird.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe gelöst durch
eine HMD-Vorrichtung der eingangs genannten Art, bei der die Koppeleinrichtung
ein Verschieben der ersten Anzeigeeinheit entlang einer vorgegebenen
Bahnkurve ermöglicht,
die so gewählt
ist, daß das
Verschieben der ersten Anzeigeeinheit einem Schwenken der ersten
Anzeigeeinheit um den Drehpunkt des ersten Auges des Benutzers bei
aufgesetzter Halteeinrichtung entspricht.
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Da
das Verschwenken durch eine Verschiebung entlang der vorgegebenen
Bahnkurve durchgeführt
wird, kann dies leicht mechanisch umgesetzt werden. Es muß beispielsweise
nur eine entsprechend gekrümmt
ausgebildete Führung
vorgesehen werden, entlang der das Verschieben der Anzeigeeinheit
möglich
ist.
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Unter
Augendrehpunkt wird hier der Punkt im Auge verstanden, der sich
bei Blickbewegungen am wenigsten verlagert.
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Bei
der HMD-Vorrichtung kann die optische Achse der ersten Anzeigeeinheit
bei aufgesetzter Halteeinrichtung durch den Drehpunkt des ersten
Auges verlaufen. Dies führt
zu dem Vorteil, daß selbst bei
dem Verschieben der ersten Anzeigeeinheit, was ein Verschwenken
um den Augendrehpunkt entspricht, die Austrittspupille der ersten
Anzeigeeinheit sich in ihrer Ausrichtung und Lage nicht ändert. Wenn die
Austrittspupille der ersten Anzeigeeinheit mit der Eintrittspupille
des Auges zusammenfällt,
bleibt somit immer eine optimale Ausrichtung der ersten Anzeigeeinheit
für den
Benutzer bestehen, so daß unerwünschte Bildfeldabschneidungen
nicht auftreten.
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Die
ersten Anzeigeeinheit kann an verschiedenen Orten der Bahnkurve
arretierbar sein. Dies kann beispielsweise durch ein Verklemmen
oder Verrasten erfolgen.
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Ferner
kann die HMD-Vorrichtung eine zweite Anzeigeeinheit, um einem zweiten
Auge des Benutzers ein Bild anzuzeigen, aufweisen, die über die Koppeleinrichtung
mechanisch mit der Halteeinrichtung verbunden ist, wobei die Koppeleinrichtung
ein Verschieben der zweiten Anzeigeeinheit entlang der Bahnkurve
oder einer weiteren vorgegebenen Bahnkurve ermöglicht, die so gewählt ist,
daß das
Verschieben der zweiten Anzeigeeinheit einem Schwenken der zweiten
Anzeigeeinheit um den Drehpunkt des zweiten Auges des Benutzers
bei aufgesetzter Halteeinrichtung entspricht. Damit ist die HMD-Vorrichtung
für einen
binokularen Einblick geeignet und kann beispielsweise für stereoskopische
Darstellung genutzt werden.
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Die
optische Achse der zweiten Anzeigeeinheit kann bevorzugt durch den
Augendrehpunkt des zweiten Auges verlaufen.
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Die
beiden Anzeigeeinheiten können
jeweils um eine Achse senkrecht zu ihrer optischen Achse drehbar
sein, um eine gewünschte
Vergenzstellung einzustellen. Damit kann insbesondere die Vergenzstellung
eingestellt werden, die dem Abstand des mittels der Anzeigeeinheiten
virtuell dargestellten Bildes entspricht, so daß der Benutzer das virtuelle
Bild entspannt wahrnehmen kann.
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Ferner
kann der Abstand der beiden Anzeigeeinheiten zueinander verstellbar
sein. Damit ist es möglich,
die Anzeigeeinheiten an den Augenabstand des jeweiligen Benutzers
anpassen zu können.
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Die
Anzeigeeinheiten können
ferner so ausgebildet sein, daß der
Abstand, in dem das virtuelle Bild erzeugt wird, veränderbar
ist.
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Die
Anzeigeeinheiten umfassen insbesondere ein bilderzeugendes Element,
wie z. B. ein OLED-Modul, LCD-Modul oder ein LCoS-Modul, und eine
Abbildungsoptik. Das bilderzeugende Element wird über eine
Steuereinheit, die auch an der Halteeinrichtung befestigt sein kann,
anhand von vorgegebenen Bilddaten angesteuert. Ferner sind noch
weitere Mittel, sofern nötig,
vorgesehen, um mit der HMD-Vorrichtung die Bilder in der gewünschten
Art und Weise anzuzeigen. Solche Mittel sind dem Fachmann bekannt.
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Die
Erfindung wird nachfolgend beispielshalber anhand der beigefügten Zeichnungen
noch näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
schematische Seitenansicht einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen HMD-Vorrichtung;
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2 eine
Draufsicht der HMD-Vorrichtung von 1;
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3 eine
vergrößerte Darstellung
des Details A aus 2;
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4 eine
Seitenansicht der HMD-Vorrichtung von 1, bei der
die Position der Anzeigeeinheit verändert ist;
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5 eine
Draufsicht einer Weiterbildung der HMD-Vorrichtung von 1 und,
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6 eine
Vorderansicht einer Weiterbildung der HMD-Vorrichtung von 1.
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Die
HMD-Vorrichtung gemäß der beschriebenen
Ausführungsform
umfaßt,
wie am besten aus 1 und 2 ersichtlich
ist, eine auf den Kopf eines Benutzers aufsetzbare Halteeinrichtung 1 in Form
eines Brillengestells, eine erste und zweite Anzeigeeinheit 2, 3 für das rechte
Auge R und das linke Auge L des Benutzers, wobei in 1 zur
Vereinfachung der Darstellung vom Benutzer lediglich das rechte
Auge R schematisch dargestellt ist.
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Die
beiden Anzeigeeinheiten 2 und 3 sind über eine
Koppeleinrichtung 4 mechanisch mit der Halteeinrichtung 1 verbunden.
Dazu umfaßt
die Koppeleinrichtung 4 für jede Anzeigeeinheit eine
gebogene Führung 5, 6.
Die Führung 5 ist,
wie insbesondere aus der vergrößerten Darstellung
des Details A in 3 ersichtlich ist, mit der Halteeinrichtung 1 verbunden
und wird von einem Verbindungselement 7, das seinerseits
mit der ersten Anzeigeeinheit 2 verbunden ist, so umgriffen,
daß das
Verbindungselement 7 und somit die erste Anzeigeeinheit 2 entlang der
Führung 5 verschiebbar
ist. Die Biegung der Führung 5 ist
so gewählt,
daß eine
Verschiebung des Verbindungselements 7 und somit der zweiten
Anzeigeeinheit relativ zur Führung 5 einem
Schwenken der zweiten Anzeigeeinheit 3 um den Drehpunkt
DR des rechten Auges R entspricht. Dies ist schematisch in 4 dargestellt.
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Die
zweite Anzeigeeinheit 3 ist bezüglich der Verbindung über die
Koppeleinrichtung 4 symmetrisch zur ersten Anzeigeeinheit 2 ausgebildet.
Die zweite Anzeigeeinheit 3 umfaßt ein Verbindungselement 8,
das mit der zweiten Anzeigeeinheit 3 verbunden ist und
das die Führung 6 umgreift.
Die Führung 6 ist
so gekrümmt,
daß ein
Verschieben des Verbindungselementes 8 und somit der zweiten
Anzeigeeinheit 3 relativ zur Führung 6 zu einem Schwenken der
zweiten Anzeigeeinheit 3 um den Drehpunkt DL des linken
Auges L entspricht.
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Wie
in 3 noch angedeutet ist, enthält die erste Anzeigeeinheit 2 ein
bildgebendes Element 9, wie z. B. ein OLED-Modul, LCD-Modul
oder ein LCoS-Modul, sowie eine Abbildungsoptik 10, die
so ausgebildet ist, daß das
mittels dem bildgebenden Element 9 erzeugt Bild den Benutzer
bei aufgesetzter Halteeinrichtung 1 als virtuelles Bild
dargeboten wird. In der zweiten Anzeigeeinheit ist in gleicher Weise ein
bildgebendes Element und eine Abbildungsoptik angeordnet, die jedoch
zur Vereinfachung der Darstellung nicht eingezeichnet sind.
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Die
Anzeigeeinheiten 2 und 3 sind so angeordnet, daß bei aufgesetzter
Halteeinrichtung 1 die optischen Achsen OA1 und OA2 durch
den entsprechenden Drehpunkt DL und DR der beiden Augen L und R
verlaufen. Damit wird vorteilhaft erreicht, daß die Austrittspupille der
Anzeigeeinheiten 2 und 3 stets mit der Eintrittspupille
der Augen R und L zusammenfallen, unabhängig von der Position in den Anzeigeeinheiten 2 und 3 an
den Führungen 5 und 6. Der
Benutzer kann somit die HMD-Vorrichtung als normale HMD-Vorrichtung
benutzen, wie in 1 dargestellt ist, oder die Anzeigeeinheiten 2 und 3 in die
in 4 gezeigten Position bringen, wobei er, wenn er
geradeaus blickt, die Umgebung wahrnehmen kann, und wenn er nach
oben blickt, die Bilddarstellung der Anzeigeeinheiten 2 und 3 wahrnehmen kann.
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Die
Koppeleinrichtung 4 ist bevorzugt so ausgebildet, daß die Anzeigeeinheiten 2 und 3 an verschiedenen
Stellen der Führungen 5, 6 fixiert
bzw. arretiert werden können.
Insbesondere kann dies durch Reibschluß verwirklicht werden. Es ist
auch möglich,
an vorbestimmten Stellen der Führung 5 und 6 ein
Verrasten zwischen den Verbindungselementen 7 und 8 und
den Führungen 5 und 6 zu
bewirken. Es kann auch jede andere Art der lösbaren Arretierung gewählt werden.
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Die
Führungen 5 und 6 geben
die Bahnkurven für
die mögliche
Verschiebung der Anzeigeeinheiten 2 und 3 vor,
die einem Schwenken der Anzeigeeinheiten 2 und 3 um
die Augendrehpunkte DR und DL entsprechen. Die Länge der Führungen 5 und 6 kann
natürlich
so gewählt
sein, daß die
oberste Position (4) außerhalb des normalen Blickfeldes des
Betrachters liegt, so daß die
HMD-Vorrichtung teilweise oder vollständig aus dem Blickfeld des
Betrachters entfernt werden kann. Wenn sie teilweise aus dem Blickfeld
entfernt ist, kann der Betrachter das mittels der HMD-Vorrichtung
dargestellte Bild oder die Umgebung wahrnehmen, je nach Blickrichtung.
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Die
HMD-Vorrichtung kann auch so ausgebildet sein, daß die Koppeleinrichtung 4 nur
eine einzige, gebogene Führung
(nicht gezeigt) aufweist. In diesem Fall ist die Führung in
der Mitte M (1 im Nasenbereich zwischen beiden
Augen) mit der Halteeinrichtung verbunden. Die einzige Führung für beide Anzeigeeinheiten 2, 3 gibt
dieselbe Bahnkurve vor, die wiederum so gewählt ist, daß ein Verschieben entlang der
einzigen Führung
einem Schwenken der Anzeigeeinheiten 2, 3 um die
Augendrehpunkte DR, DL entspricht. Die Verschiebung der Anzeigeeinheit 2 entspricht
einem Schwenken um den Augendrehpunkt DR und die Verschiebung der
Anzeigeeinheit 3 entspricht einem Verschieben um den Augendrehpunkt
DL.
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Neben
der Verschiebung der Anzeigeeinheiten 2 und 3 entlang
der Führungen 5 und 6 ist
es ferner möglich,
daß die
Anzeigeeinheiten 2, 3 um eine Achse senkrecht
zu den optischen Achsen OA1, OA2 drehbar sind (5).
In diesem Fall ist es möglich, eine
gewünschte
Vergenzstellung einzustellen, die bevorzugt insbesondere an die
Entfernung des mittels der Anzeigeeinheiten 2 und 3 virtuell
dargestellten Bildes so angepaßt
ist, daß ein
entspanntes Betrachten möglich
ist.
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Die
Einstellung der Vergenzstellung kann mit einer Einstellung der Entfernung
der mittels der Anzeigeeinheiten 2, 3 erzeugten
virtuellen Bilder gekoppelt sein, so daß der Benutzer, wenn er die
Bildentfernung verstellt, gleichzeitig die Vergenzstellung der Anzeigeeinheiten 2, 3 so ändert, daß sie an
die neue Bildentfernung angepaßt
ist. Damit ist für
den Benutzer ein entspanntes räumliches
Wahrnehmen des stereoskopisch dargestellten Bildes möglich. Neben dem
Schwenken der Anzeigeinheiten 2, 3 zur Einstellung
der Vergenz ist. z. B. auch eine Änderung des Abstandes zwischen
beiden Anzeigeeinheiten 2, 3, ein Verschieben
der auf den bildgebenden Elementen 9 dargestellten Bilder
für das
linke und rechte Auge und/oder ein Verschieben und/oder Schwenken
zumindest eines Elementes der Abbildungsoptik 10 möglich. Alternativ
ist es möglich,
eine Einstellmöglichkeit
der Vergenzstellung vorzusehen. Wenn der Benutzer die Vergenzstellung ändert, wird
automatisch die Bildentfernung entsprechend geändert.
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Die
Kopplung zwischen Bildentfernung und Vergenzstellung kann insbesondere
individuell für den
jeweiligen Benutzer eingestellt werden. Bevorzugt wird sie gemäß dem sogenannten
ACA-Quotienten eingestellt,
der das Verhältnis
von akkommodativer Konvergenz (gemessen in cm/m) zur Akkommodation
(gemessen in dpt, 1dpt = 1m) auf die Objektentfernung ist und dessen
Einheit cm ist. Es wird heute davon ausgegangen, daß der ACA-Quotient einer
Person auf Lebenszeit oder wenigstens über Jahre konstant bleibt.
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Ferner
kann die HMD-Vorrichtung noch so ausgebildet sein, daß die Anzeigeeinheiten 2 und 3, in
einer Richtung senkrecht zu ihren optischen Achsen verschiebbar
sind (Doppelpfeile P1, P2 in 6). Damit
kann eine individuelle Anpassung der HMD-Vorrichtung an den jeweiligen
Benutzern durchgeführt
werden. Ferner ist es möglich,
den Abstand der beiden Anzeigeeinheiten 2 und 3 zueinander
zu verändern,
wie durch die Doppelpfeile P3 und P4 in 6 angedeutet
ist, um die HMD-Vorrichtung an den Pupillenabstand des jeweiligen
Betrachters anzupassen.
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Die
Halteeinrichtung 1 kann selbstverständlich auch mit individuellen
Brillengläsern
ausgestattet sein (hier nicht gesondert dargestellt), die in ihrer
relativen Lage, wie bei Brillen üblich,
stets fixiert zum Kopf sind. Es liegt also eine Kombination aus
HMD mit einer individuellen Brille vor. Die Brillengläser befinden
sich also zwischen der jeweiligen Anzeigeeinheit 2, 3 und
dem jeweiligen Auge.