DE102007036974A1

DE102007036974A1 - HMD-Vorrichtung

Info

Publication number: DE102007036974A1
Application number: DE102007036974A
Authority: DE
Inventors: Marco Dr. Pretorius
Original assignee: Carl Zeiss AG
Current assignee: Carl Zeiss AG
Priority date: 2007-08-06
Filing date: 2007-08-06
Publication date: 2009-02-12
Anticipated expiration: 2027-08-07
Also published as: WO2009018875A1; DE102007036974B4

Abstract

Es wird bereitgestellt eine HMD-Vorrichtung mit einem Bildmodul (2) zum Erzeugen eines Bildes, einer dem Bildmodul (2) nachgeordneten und mindestens eine Linse (7, 8, 10) aufweisenden Relay-Optik (3), die das erzeugte Bild verzerrt als reelles gekrümmtes Zwischenbild in eine Zwischenbildfläche (5) abbildet, und einem der Zwischenbildfläche (5) nachgeordneten reflektiven Umlenkelement (4), das das reelle Zwischenbild als virtuelles Bild so abbildet, daß es ein die HMD-Vorrichtung tragender Benutzer wahrnehmen kann, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Flächen (F1, F2, F4) der Linse(n) (7, 8) der Relay-Optik (3) als nicht-rotationssymmetrisch gekrümmte Flächen ausgebildet sind, die maximal eine Spiegelsymmetrieebene aufweisen, und daß das Umlenkelement (4) eine Reflexionsfläche (RF1) aufweist, die als nicht-rotationssymmetrisch gekrümmte Fläche mit maximal einer Spiegelsymmetrieebene derart ausgebildet ist, daß die durch die Relay-Optik (3) bedingte Vorverzerrung des Zwischenbildes bei Reflexion an der Reflexionsfläche (RF1) kompensiert wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine HMD-Vorrichtung mit einem Bildmodul zum Erzeugen eines Bildes, einer dem Bildmodul nachgeordneten und mindestens eine Linse aufweisenden Relay-Optik, die das erzeugte Bild verzerrt als reelles gekrümmtes Zwischenbild in eine Zwischenbildfläche abbildet, und einem der Zwischenbildfläche nachgeordneten reflektiven Umlenkelement, das das reelle Zwischenbild als virtuelles Bild so abbildet, daß es ein die HMD-Vorrichtung tragender Benutzer wahrnehmen kann.
Eine solche HMD-Vorrichtung (Head Mounted Display-Vorrichtung) ist beispielsweise aus der US 5,793,339 bekannt, bei der die Linsen der Relay-Optik jeweils Grenzflächen mit mindestens 2 orthogonalen Spiegelsymmetrieebenen aufweisen. Daher ist zwischen der Relay-Optik und dem Umlenkelement ein Korrekturelement angeordnet, daß zwei zueinander dezentrierte Grenzflächen aufweist. Auch diese Grenzflächen weisen zumindest zwei orthogonale Spiegelsymmetrieebenen auf.
Ein solches Korrekturelement ist sehr aufwendig herzustellen und schwierig zu justieren, so daß die HMD-Vorrichtung insgesamt groß, teuer und schwer wird.
Die US 5,513,041 zeigt ebenfalls eine HMD-Vorrichtung gemäß der eingangs genannten Art. Auch bei dieser HMD-Vorrichtung ist zwischen der Relay-Optik und dem Umlenkelement ein optisches Korrekturelement mit dezentrierten Grenzflächen angeordnet. Ferner weisen alle Grenzflächen der eingesetzten Linsen zumindest zwei zueinander orthogonale Symmetrieebenen auf, so daß viele Linsen für eine möglichst verzeichnungsfreie Abbildung notwendig sind, wodurch die HMD-Vorrichtung insgesamt groß, schwer und teuer wird.
In der US 5,726,807 sind verschiedene Beispiele für eine HMD-Vorrichtung mit einem Bildmodul zum Erzeugen eines Bildes, einer dem Bildmodul nachgeordneten Abbildungsoptik und einem der Abbildungsoptik nachgeordneten reflektiven Umlenkelement zur Abbildung des mittels dem Bildmodul erzeugten Bildes als virtuelles Bild bekannt. Jedoch wird stets kein reelles Zwischenbild zwischen der Abbildungsoptik und dem Umlenkelement erzeugt, so daß das Bildmodul sowie die Abbildungsoptik sehr nahe am Umlenkelement und somit nahe am Auge des Benutzers angeordnet werden müssen. Dies führt zu einer sehr ungünstigen Gewichtsverteilung der optischen Komponenten mit einem mechanischen Schwerpunkt weit vor der Augenpupille des Betrachters. Ferner befindet sich die Abbildungsoptik und Bildmodul im Gesichtsfeld des Betrachters und schränkt dessen direkte Umgebungssicht ein, was als sehr störend empfunden wird.
Aus der US 5,923,477 ist eine HMD-Vorrichtung gemäß der eingangs genannten Art bekannt. Die Grenzflächen der Linsen weisen stets zumindest zwei zueinander orthogonale Symmetrieebenen auf. Des weiteren ist zwischen dem Umlenkelement und der Austrittspupille der HMD-Vorrichtung eine weitere refraktive Fläche mit optischer Brechkraft angeordnet, was wiederum zu einer ungünstigen Gewichtsverteilung führt.
Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der Erfindung, eine HMD-Vorrichtung der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß eine kompakte und leichte HMD-Vorrichtung mit einer sehr guten Korrektur optischer Bildfehler, insbesondere der Verzeichnung, und einer minimalen Anzahl optischer Komponenten bereitgestellt werden kann.
Die Aufgabe wird bei einer HMD-Vorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß mindestens zwei Flächen der Linse(n) der Relay-Optik als nicht-rotationssymmetrisch gekrümmte Flächen ausgebildet sind, die maximal eine Spiegelsymmetrieebene aufweisen, und wobei das Umlenkelement eine Reflexionsfläche aufweist, die als nicht-rotationssymmetrisch gekrümmte Fläche mit maximal einer Spiegelsymmetrieebene derart ausgebildet ist, daß die durch die Relay-Optik bedingte Vorverzerrung des Zwischenbildes bei Reflexion an der Reflexionsfläche kompensiert wird.
Durch die beschriebene Ausbildung der mindestens zwei Flächen der Linse(n) der Relay-Optik sowie der Reflexionsfläche ist im Vergleich zu den bisher verwendeten Linsengrenzflächen mit zumindest zwei zueinander orthogonale Symmetrieebenen zumindest ein weiterer Freiheitsgrad beim Design der entsprechenden Flächen der Linsen sowie der Reflexionsfläche bei der erfindungsgemäßen HMD-Vorrichtung gegeben, der für die optische Verzeichnungskorrektur genutzt werden kann. Wenn die zumindest beiden Flächen der Linse(n) sowie die Reflexionsfläche keine Spiegelsymmetrieebene aufweisen, stehen sogar zumindest zwei weitere Freiheitsgrade beim Design dieser Flächen zur Verfügung, wodurch eine ausgezeichnete Verzeichnungskorrektur möglich ist. Die beschriebene Verzeichnungskorrektur ist erfindungsgemäß mit einer äußerst geringen Gesamtanzahl von Linsen in der Relay-Optik möglich, so daß die erfindungsgemäße HMD-Vorrichtung kompakt und leicht ausgebildet werden kann.
Wenn die zumindest zwei Flächen z. B. als lediglich meridionalsymmetrische Polynomflächen ausgebildet sind, sind eine Vielzahl an zusätzlichen Freiheitsgraden vorhanden, die dazu benutzt werden können, die nicht-rotationssymmetrischen Bildfehleranteile, die aufgrund der großen Einfallswinkel der Strahlbündel an der mit Brechkraft versehenen Reflexionsfläche entstehen, zu korrigieren. Dazu gehören insbesondere auch die nicht-rotationssymmetrischen Anteile der Verzeichnung, wie beispielsweise Trapez- und Keystone-Verzeichnung. Es läßt sich dadurch z. B. insbesondere erreichen, daß die Bildkanten nahezu gerade bleiben.
Als Linse der Relay-Optik wird hier jedes transparente optische Bauteil mit genau einer refraktiv wirksamen Eintrittsfläche und genau einer refraktiv wirksamen Austrittsfläche verstanden, wobei zwischen der Eintritts- und der Austrittsfläche keine interne Reflexion auftritt, wie das beispielsweise bei häufig im HMD-Bereich eingesetzten Freiformprismen der Fall ist. Die Linsen der erfindungsgemäßen HMD-Vorrichtung können einen homogenen oder inhomogenen Brechzahlverlauf im Material aufweisen.
Bei der HMD-Vorrichtung kann die Reflexionsfläche als Spiegelfläche so ausgebildet sein, daß der Benutzer durch die Reflexionsfläche nicht hindurch blicken kann. Die Reflexionsfläche kann jedoch auch teiltransparent ausgebildet sein, so daß ein die HMD-Vorrichtung tragender Benutzer durch das Umlenkelement hindurch die Umgebung wahrnehmen kann.
Die Reflexionsfläche, die bevorzugt eine konkave Grundkrümmung aufweist, kann beispielsweise als Vorderflächen- oder Rückflächenspiegel ausgebildet sein. Insbesondere kann die Reflexionsschicht eine dünne Metallisierung auf einem entsprechenden Träger sein. Es ist jedoch auch möglich, ein wellenlängenselektives dielektrisches Schichtpaket auf einem Träger aufzubringen. Dieses dielektrische Schichtpaket ist insbesondere den Schwerpunktwellenlängen des Bildmoduls angepaßt. Es ist jedoch auch möglich, die gewünschte Reflexionseigenschaft durch eine diffraktiv wirksame Struktur (beispielsweise ein Phasenhologramm) zu realisieren.
Bei der HMD-Vorrichtung kann das Umlenkelement eine zweite Grenzfläche aufweisen, die im wesentlichen transparent ist und aus der Reflexionsfläche durch zentrische Streckung bezüglich des Mittelpunkts der Austrittspupille der HMD-Vorrichtung vorgeht. In diesem Fall sind die zweite Grenzfläche sowie die Reflexionsfläche für den transmissiven Strahlenpfad (Betrachtung der Umgebung durch das Umlenkelement hindurch) im wesentlichen neutral, so daß der Benutzer die Umgebung unverzerrt wahrnehmen kann.
Die zweite Grenzfläche kann von der Zwischenbildfläche weiter entfernt sein als die Reflexionsfläche. Natürlich ist es auch möglich, daß die Reflexionsfläche weiter von der Zwischenbildfläche entfernt ist als die zweite Grenzfläche.
Ferner ist es möglich, daß die Reflexionsfläche als Innenfläche zweier miteinander verbundener optischer Elemente ausgebildet ist. Die Verbindung kann beispielsweise durch Verkitten oder Ansprengen realisiert sein.
Bei der erfindungsgemäßen HMD-Vorrichtung können die mindestens zwei Flächen der Linse(n) sowie die Reflexionsfläche jeweils so ausgebildet sein, daß sie nicht als Ausschnitt einer rotationssymmetrischen Fläche darstellbar sind.
Die HMD-Vorrichtung kann genau eine, zwei oder drei Linsen aufweisen. Bei der HMD-Vorrichtung können alle Linsen der Relay-Optik aus demselben Material hergestellt sein. Dies führt zu einer Reduzierung der Herstellungskosten.
Auf zumindest einer der Flächen der Linse(n) ist eine diffraktive Struktur zur Korrektur chromatischer Bildfehler ausgebildet. Damit lassen sich chromatische Bildfehler korrigieren, ohne daß sich das Gewicht der Optik erhöht, wie es beispielsweise bei der Verwendung von achromatischen Linsengruppen, Kittglieder usw. der Fall wäre. Die diffraktive Struktur kann beispielsweise rotationssymmetrisch ausgebildet sein. Eine rotationssymmetrische diffraktive Struktur ist vergleichsweise einfach herzustellen und reicht aus, um den primären Farblängsfehler der Abbildung zu korrigieren.
Es ist jedoch auch möglich, die diffraktive Struktur nicht rotationssymmetrisch auszubilden. Die nicht-rotationssymmetrische diffraktive Struktur stellt einen weiteren Freiheitsgrad zur Verfügung, so daß nicht-rotationssymmetrische Bildfehleranteile (mono- und polychromatisch) korrigiert werden können.
Bei der erfindungsgemäßen HMD-Vorrichtung können die Spiegelsymmetrieebenen der mindestens zwei Flächen sowie die Spiegelsymmetrieebene der Reflexionsfläche zusammenfallen. Dies erleichtert die Justierung der einzelnen optischen Elemente der HMD-Vorrichtung.
Die mindestens zwei Flächen der Relay-Optik sowie die Reflexionsfläche, die jeweils als nicht-rotationssymmetrisch gekrümmte Fläche mit maximal einer Spiegelsymmetrieebene ausgebildet sind, können so geformt sein, daß die bei Abbildung einer geraden Linie im virtuellen Bild erzeugte Durchbiegung weniger als 3% der Bilddiagonalen des virtuellen Bildes beträgt. Bevorzugt ist die Durchbiegung kleiner als 2% und insbesondere kleiner als 1% der Bilddiagonalen. Unter der Durchbiegung wird hier die maximale Abweichung eines Punktes der Linie zu der Verbindungsgerade von zwei beliebigen anderen Punkten der Linie im virtuellen Bild verstanden.
Die Flächen können insbesondere auch so ausgebildet sein, daß die maximale Durchbiegung einer am Rand des Bildfeldes angeordneten Linie weniger als 5 P beträgt, wobei P genau eine Pixelbreite im virtuellen Bild ist. P ist also der Abstand zweier Bildpunkte in der Ebene des virtuellen Bildes der HMD-Vorrichtung, wobei die zwei Bildpunkte zu den Mittelpunkten zweier benachbarter Pixel des Bildmoduls konjugiert sind. Bevorzugt beträgt die maximale Durchbiegung einer Linie am Rand des Bildfeldes weniger als 3 P oder sogar weniger als 2 P.
Des weiteren können die Flächen so ausgelegt sein, daß die maximale Abweichung eines Strahldurchstoßpunktes eines beliebigen durch den Mittelpunkt der Austrittspupille der HMD-Vorrichtung tretenden Strahles von einem Objektpunkt des Bildmoduls vom Durchstoßpunkt des paraxialen Hauptstrahles des selben Objektpunktes in der Ebene des virtuellen Bildes weniger als 5 P und bevorzugt weniger als 3 P bzw. sogar weniger als 2 P beträgt.
Diese besonders effektive Verzeichnungskorrektion kann man insbesondere dadurch erreichen, daß man mindestens eine der nicht-rotationssymmetrisch gekrümmten Flächen mit maximal einer Spiegelsymmetrieebene in einem Bereich des optischen Strahlengangs der HMD-Vorrichtung anordnet, in dem folgende Bedingung erfüllt ist: D1/D2 < 0,5. Dabei ist D1 der Durchmesser eines für die optische Abbildung genutzten Lichtbündels, welches von einem in der Mitte des Bildmoduls angeordneten Objektpunkt ausgeht, am Ort der nicht-rotationssymmetrisch gekrümmten Fläche. D2 ist der gesamte zur optischen Abbildung genutzte Durchmesser der nicht-rotationssymmetrisch gekrümmten Fläche. Sofern der gesamte zur optischen Abbildung genutzte Bereich der nicht-rotationssymmetrisch gekrümmten Fläche nicht kreisförmig ist, wird unter D2 der doppelte maximale Abstand eines zur optischen Abbildung genutzten Punktes auf der nicht-rotationssymmetrisch gekrümmten Fläche vom lokalen Koordinatenursprungspunkt der nicht-rotationssymmetrisch gekrümmten Fläche verstanden. Insbesondere kann die Bedingung erfüllt sein, daß D1/D2 < 0,3 oder sogar < 0,2 ist.
Die nicht-rotationssymmetrisch gekrümmten Flächen mit maximal einer Spiegelsymmetrieebene können beispielsweise durch die in der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen angegebene Polynomentwicklung G1 dargestellt werden. Die entsprechenden Polynomkoeffizienten zur Erzielung der oben angegebenen Verzeichnungskorrektur können beispielsweise in der für den Fachmann bekannten Weise dadurch ermittelt werden, daß in die Soft-Meritfunktion für die numerische Optimierung als zusätzliche Forderung aufgenommen wird, daß die Strahldurchstoßpunkte der Hauptstrahlen sämtlicher Feldbündel in der virtuellen Bildebene der HMD-Vorrichtung mit den entsprechenden Durchstoßpunkten der paraxialen Hauptstrahlen zusammenfallen. Die Polynomasphären stellen ausreichend viele Freiheitsgrade zur Änderung der lokalen Tangentensteigung der Fläche zur Verfügung, so daß die von unterschiedlichen Objektpunkten des Bildmoduls ausgehenden Feldbündel jeweils in der erforderlichen Weise (also in Richtung auf die Durchstoßpunkte der paraxialen Hauptstrahlen mit der virtuellen Bildebene der HMD-Vorrichtung) abgelenkt werden können.
Ferner kann die erfindungsgemäße HMD-Vorrichtung so ausgebildet sein, daß zwischen der Relay-Optik und dem Umlenkelement keine weitere refraktive, reflektive und/oder diffraktive Fläche mit optischer Brechkraft angeordnet ist. Insbesondere kann die HMD-Vorrichtung auch so ausgebildet sein, daß zwischen dem Umlenkelement und der Austrittspupille der HMD-Vorrichtung keine refraktive, reflektive und/oder diffraktive Fläche mit optischer Brechkraft enthalten ist. Natürlich kann die HMD-Vorrichtung so ausgebildet sein, daß sie für Brillenträger geeignet ist. In diesem Fall ist das Brillenglas zwischen Umlenkelement und Austrittspupille der HMD-Vorrichtung. Jedoch ist das Brillenglas nicht Bestandteil der HMD-Vorrichtung und dient nur zur Korrektur der Fehlsichtigkeit des jeweiligen Betrachters.
Die HMD-Vorrichtung kann noch die notwendige Steuereinheit zur Ansteuerung des Bildmoduls aufweisen. Über die Steuereinheit können auch die gewünschten Bilddaten dem Bildmodul zugeführt werden, anhand dem das Bildmodul das darzustellende Bild erzeugt.
Bei dem Bildmodul kann es sich insbesondere um ein LCoS- oder OLED-Modul handeln. Das Bildmodul kann insbesondere ein selbstleuchtendes oder ein nicht selbstleuchtendes Bildmodul sein. Das Bildmodul enthält bevorzugt in Zeilen und Spalten angeordnete und voneinander unabhängig ansteuerbare Pixel zur Bilddarstellung. Das Bildmodul kann für eine einfarbige oder mehrfarbige Bilddarstellung geeignet sein.
Ferner kann die HMD-Vorrichtung noch eine Haltevorrichtung zum Aufsetzen der HMD-Vorrichtung auf den Kopf des Benutzers aufweisen. Die Haltevorrichtung kann beispielsweise in Form eines Brillengestells, einer Kappe, eines Helmes oder einer Klemmeinrichtung ausgebildet sein. Solche Haltevorrichtungen sind dem Fachmann bekannt, und werden daher hier nicht näher beschrieben. Auch weitere übliche Elemente einer HMD-Vorrichtung sind dem Fachmann bekannt und werden hier nicht näher erläutert.
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 einen Linsenschnitt einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen HMD-Vorrichtung;
2 Bildfehlerkurven für die HMD-Vorrichtung gemäß 1;
3 Bildfehlerkurven für die HMD-Vorrichtung gemäß 1;
4 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der bei der Abbildung der HMD-Vorrichtung von 1 bedingten Verzeichnung;
5 einen Linsenschnitt einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen HMD-Vorrichtung;
6 Bildfehlerkurven für die HMD-Vorrichtung gemäß 5;
7 Bildfehlerkurven für die HMD-Vorrichtung gemäß 5;
8 eine Darstellung zur Erläuterung der von der HMD-Vorrichtung gemäß 5 bedingten Verzeichnung;
9 einen Linsenschnitt einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen HMD-Vorrichtung;
10 Bildfehlerkurven für die HMD-Vorrichtung gemäß 9;
11 Bildfehlerkurven für die HMD-Vorrichtung gemäß 9, und
12 eine Darstellung zur Erläuterung der durch die HMD-Vorrichtung gemäß 9 bedingten Verzeichnung.
Bei der in 1 gezeigten Ausführungsform umfaßt die erfindungsgemäße HMD-Vorrichtung 1 ein Bildmodul 2 zum Erzeugen eines Bildes, dem eine Relay-Optik 3 mit zwei Linsen 7, 8 nachgeordnet ist. Der Relay-Optik 3 ist wiederum ein reflektives Umlenkelement 4 nachgeordnet.
Die Relay-Optik 3 ist so ausgelegt, daß sie das mittels dem Bildmodul 2 erzeugte Bild als reelles gekrümmtes(Luft-)Bild in eine zwischen der Relay-Optik 3 und dem reflektiven Umlenkelement 4 liegenden Zwischenbildebene bzw. -fläche 5 abbildet. Das reelle Zwischenbild wird mittels des reflektiven Umlenkelementes 4 als virtuelles Bild in die Austrittspupille 6 der HMD-Vorrichtung 1 abgebildet. Somit kann ein die HMD-Vorrichtung tragender Benutzer, dessen Augenpupille im Bereich der Austrittspupille 6 liegt, das mittels dem Bildmodul 2 erzeugte Bild als virtuelles Bild in einem durch die HMD-Vorrichtung 1 vorbestimmten Abstand (hier 800 mm) von der Austrittspupille 6, in der sich die Bündel-Schwerstrahlen vereinigen, wahrnehmen.
In 1 ist schematisch ferner ein brechkraftloses Brillenglas 9 eingezeichnet. Daraus ist ersichtlich, daß die HMD-Vorrichtung 1 auch für Brillenträger geeignet ist, da bei aufgesetzter HMD-Vorrichtung noch ausreichend Platz für eine Brille vorhanden ist.
Bei der Ausführungsform von 1 weist die Austrittspupille 6 einen Durchmesser von 8 mm bei einem Sehfeld von ±16,6° × ±11,8° (horizontal × vertikal) auf.
Um eine möglichst verzeichnungsfreie Abbildung bei diesen Werten der Austrittspupille und des Sehfeldes zu erzielen, weist die Relay-Optik 3 bei der hier beschriebenen Ausführungsform zwei Linsen 7, 8 auf. Die beiden Linsen 7, 8 sind aus demselben Material gebildet sind und drei Flächen F1, F2 und F4 der vier Flächen F1–F4 der beiden Linsen 7 und 8 sind als nicht-rotationssymmetrisch gekrümmte Flächen mit genau einer Spiegelsymmetrieebene ausgebildet. Bei der Spiegelsymmetrieebene handelt es sich um die Meridionalebene (Schnittebene der Darstellung in 1). Die vierte Fläche F3 ist als Rotationsasphäre ausgebildet. Auf der Fläche F3 ist ein diffraktives Element ausgebildet, das zur Korrektur chromatischer Aberrationen dient.
Da bei den Flächen F1, F2 und F4 innerhalb der Meridionalebene keine Symmetrie vorliegt, können die Flächen F1, F2 und F4 so gewählt werden, daß eine vorbestimmte Verzerrung des reellen Zwischenbildes erzeugt wird. Die vorbestimmte Verzerrung ist dabei so festgelegt, daß sie sich mit der Verzerrung aufhebt, die durch die Reflexion an der konkav gekrümmten Reflexionsfläche F5 des Umlenkelementes 4 auftritt.
Die Reflexionsfläche RF1 des Umlenkelementes 4 ist ebenfalls als nicht-rotationssymmetrisch gekrümmte Fläche mit genau einer Spiegelsymmetrieebene (hier die Meridionalebene) ausgebildet.
Durch die Verwendung dieser nicht-rotationssymmetrisch gekrümmten Flächen F1, F2, F4 und RF1 mit genau einer Spiegelsymmetrieebene ist es möglich, mit nur zwei Linsen und einem Umlenkelement eine qualitativ sehr hochwertige (mit geringen Verzeichnungen) virtuelle Abbildung des mittels des Bildmoduls 2 erzeugten Bildes zu verwirklichen. Eine elektronische Vorverzerrung mittels des Bildmoduls 2 ist dann nicht notwendig, wodurch die elektronische Ansteuerung des Bildmoduls 2 vereinfacht ist. Auch entfällt dann der üblicherweise bei einer elektronischen Vorverzerrung auftretende nachteilige Effekt der geringeren Schärfe im Randbereich der Bilddarstellung.
Die Flächen F1, F2, F4 und RF1 können durch eine Polynomentwicklung gemäß der nachfolgenden Formel G1 beschrieben werden:
Hierbei bezeichnet x, y und z die Koordinaten der auf der jeweiligen Fläche F1, F2, F4 und RF1 liegenden Punkte im lokalen flächenbezogenen Koordinatensystem, dessen Ursprung mit der Mitte der jeweiligen Fläche F1, F2, F4 und RF1 zusammenfällt. Nachdem die Flächen F1, F2, F4 und RF1 spiegelsymmetrisch zur Meridionalebene sind, werden in der obigen Formel alle Terme mit ungeradem m identisch 0 gewählt. Es hat sich gezeigt, daß bei einer Relay-Optik 3 mit genau zwei Linsen 7, 8 eine ausreichend gute Abbildung erreicht werden kann, wenn die Polynomentwicklung der jeweiligen Fläche F1, F2, F4 und RF1 Terme bis zur maximalen Ordnung n + m ≤ 8 enthält. Natürlich ist es möglich, Terme der Ordnung 10 oder höher zu berücksichtigen. Die dadurch erzielbaren Verbesserungen nehmen jedoch mit höher werdender Ordnung immer weiter ab.
Bei dem Parameter R der obigen Formel handelt es sich um den Scheitelradius, k ist die Kegelschnittkonstante und N ist ein Normierungsradius.

Für die vier Flächen F1, F2, F4 und RF1 sind die Werte für k, N und C_m,n in der nachfolgenden Tabelle 1 angegeben, wobei zur Vereinfachung der Darstellung der Index C_m,n in der Tabelle als C(m,n) bezeichnet ist. Die Werte für R (in mm) sind in der nachfolgenden Tabelle 2 angegeben. Tabelle 1:

	F1	F2	F4	RF1
k	0	0	0	0
C(0,1)	0	0	0	0
C(2,0)	6,3729E-04	–5,7040E-03	–3,4151E-02	3,5658E-02
C(0,2)	–1,1231E-04	–1,4241E-02	–4,7181E-03	3,3773E-02
C(2,1)	5,4815E-05	1,7206E-04	–9,8496E-05	2,7278E-03
C(0,3)	4,1796E-07	2,3380E-04	–5,8756E-05	–4,4374E-03
C(4,0)	–3,0762E-07	1,2842E-05	–1,0322E-04	–1,1975E-03
C(2,2)	–8,4494E-07	1,4487E-05	–2,5893E-04	–2,1705E-04
C(0,4)	9,8438E-08	1,4836E-05	1,6620E-04	–9,9180E-05
C(4,1)	6,2770E-08	–1,6879E-07	1,0271E-05	2,1426E-04
C(2,3)	–2,4690E-08	3,6344E-07	–1,4680E-06	–7,4896E-05
C(0,5)	–2,8815E-08	–6,9808E-07	1,5257E-06	3,2193E-06
C(6,0)	5,8941E-10	9,4744E-08	2,0998E-05	1,6269E-04
C(4,2)	–2,8544E-09	7,5210E-08	–4,0347E-06	6,2590E-05
C(2,4)	8,9383E-10	1,6864E-07	–1,3963E-06	1,3109E-06
C(0,6)	8,9290E-10	1,2172E-08	8,9665E-08	5,3792E-07
C(6,1)	–3,5961E-11	2,1750E-10	–2,1174E-06	–8,0652E-06
C(4,3)	6,7841E-11	–1,0677E-09	–1,4941E-06	–1,3805E-05
C(2,5)	–2,8449E-12	–5,2948E-09	2,1430E-08	1,9604E-07
C(0,7)	–9,5633E-12	8,1325E-09	6,3709E-08	–1,1132E-09
C(8,0)	5,2723E-13	–3,7707E-10	4,5148E-08	–8,8529E-06
C(6,2)	5,3864E-13	5,0046E-11	–5,9399E-08	6,2857E-07
C(4,4)	–6,9963E-13	–1,4000E-09	6,8378E-08	5,9176E-07
C(2,6)	–9,5270E-14	–3,9222E-10	1,2557E-07	–1,1116E-08
C(0,8)	1,9549E-14	–6,0184E-10	3,0827E-08	–7,4342E-10
N	1	1	1	1

Tabelle 2:

Fläche	R	XDE	YDE	ZDE	ADE
Pupille 6	Unendlich	0	0	0	0
RF1	–85,00227	0	–24,89	58,90	–37,37
F4	–23,74345	0	43,79	5,01	–30,87
F3	41,59833	0	47,08	–3,32	–38,84
F2	–24,46188	0	55,23	–14,72	–25,44
F1	16,02243	0	52,72	–25,19	–10,88
D1	Unendlich	0	61,01	–27,63	–24,83
F0	Unendlich	0	61,22	–28,08	–24,83

Die obige Formel für die Beschreibung der Flächen F1, F2, F4 und RF1 bezieht sich jeweils auf das lokale Koordinatensystem. Dieses lokale Koordinatensystem entsteht aus einem globalen Koordinatensystem, dessen Ursprung mit dem Mittelpunkt der Austrittspupille 6 zusammenfällt, dadurch, daß zunächst der Ursprungspunkt des globalen Koordinatensystems entlang der drei Achsen des globalen Koordinatensystems um die in Tabelle 2 angegebenen Strecken XDE, YDE und ZDE (in mm) verschoben und anschließend um den in der Tabelle 2 angegebenen Drehwinkel ADE (in °) um die x-Achse des lokalen Koordinatensystems gedreht wird. Die x-Achse ist so gewählt, daß sie die Richtung senkrecht zur Symmetrieebene (Meridionalebene) der Relay-Optik 3 bildet. Die Meridionalebene wird von den y- und z-Koordinaten aufgespannt.
Das Bildmodul 2 umfaßt ein Deckglas mit den Flächen D1 und F0, wobei der bildgebende Bereich des Bildmoduls 2 als Annahme für die Optikrechung direkt an der Fläche F0 anliegt.
Natürlich wird bei der HMD-Vorrichtung 1 das Deckglas bevorzugt nicht direkt auf dem bildgebenden Bereich des Bildmoduls 2 aufliegen, sondern es wird ein vorbestimmter Abstand dazwischen vorgesehen sein. Dies entspricht einer Verschiebung des Deckglases entlang der optischen Achse, was keinen negativen Einfluß auf die Abbildungsgüte hat. Das Deckglas kann z. B. aus N-BK7 bestehen.
Die rotationssymmetrische Asphäre F3 läßt sich durch folgende Flächengleichung G2 beschreiben:
Hierbei bezeichnet wiederum x, y und z die drei kartesischen Koordinaten eines auf der Fläche liegenden Punktes im lokalen flächenbezogenen Koordinatensystem. Der Parameter R bezeichnet den Scheitelradius und k ist die Kegelschnittkonstante. Der Wert für den Scheitelradius R ist in der obigen Tabelle 2 angegeben. Die Werte für die Parameter A, B, C und D sowie für die Kegelschnittkonstante k sind in der nachfolgenden Tabelle 3 angegeben. Tabelle 3:

Fläche k A B C D

F3 0 0 6,3729E-04 –1,1231E-04 5,4815E-05
Die Linsen sind aus dem Material mit der Handelsbezeichnung Zeonex E-48R hergestellt. Dieser optische Kunststoff weist bei einer Wellenlänge von 546,07 nm einen Brechungsindex von 1,5334 und eine Abbesche Zahl von 55,8 auf.
Die asphärische Fläche F3 der Linse 8 ist ferner noch als diffraktive Fläche ausgestaltet, wobei die diffraktive Fläche ein Kinoform-Profil aufweist. Im Detail umfaßt die diffraktive Fläche konzentrische Ringe mit dem Linsenscheitel bzw. dem lokalen Koordinatenursprungspunkt der Fläche F3 als Mittelpunkt. Jeder Ring hat einen inneren und einen äußeren Radius. Der innere Radius des ersten Rings ist null. Der äußere Radius r_m des m-ten Rings ist der innere Radius des m + 1-ten Ringes. Die Breite der Ringe wird von der Mitte zum Rand der Linse kontinuierlich kleiner. Die Furchentiefe am inneren Radius ist null, 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 Fläche kann mit der nachfolgenden Phasenprofilfunktion φ beschrieben 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 maximalen Abstand (Abstand des N-ten Ringes vom Koordinationsursprungspunkt, der mit dem Zentrum der diffraktiven Fläche und somit mit dem Linsenscheitel der Fläche F3 zusammenfällt).
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 den Koeffizienten C₁ und C₂ zu beschreiben. Diese sind in der nachfolgenden Tabelle 4 angegeben. Tabelle 4:

Fläche C₁ C₂ λ₀ [nm] Beugungsordnung N r₁ [mm] r_N-r_N-1 [mm] d [μm]

F3 –1,4367E-03 1,0862E-06 546,07 1 495 0,6165 0,0192 1,024
Natürlich kann die Linse 8 so beschnitten sein, daß nur Teil der Linse 8 vorhanden ist, der zur Abbildung benötigt wird (also von den Lichtbündeln tatsächlich durchsetzt wird). In diesem Fall ist dann natürlich die Fläche F3 und mit ihr die diffraktive Struktur beschnitten. Somit kann die dann tatsächlich vorliegende diffraktive Struktur nur „konzentrische Ringabschnitte" bezogen auf den Scheitel der Fläche F3 aufweisen.
In den 2 und 3 sind Darstellungen der Bildfehlerkurven für die HMD-Vorrichtung gemäß
1 gezeigt, wobei in 2 und 3 jeweils zwei Spalten von Bildfehlerkurven gezeigt sind.
Die linke Spalte bezieht sich auf die Meridionalebene (y-z-Ebene) und die rechte Spalte auf die dazu senkrechte Ebene (x-z-Ebene; nachfolgend auch Sagittalebene genannt). Die Bildfehler sind in Millimetern jeweils für die Wellenlängen 656,27 nm, 546,07 nm und 486,13 nm (mit dem Bezugszeichen W1, W2 und W3 bezeichnet) dargestellt. Zwischen den entsprechenden Bildfehlerkurven für die Meridionalebene und die Sagittalebene sind jeweils die relative x- und y-Koordinate nebeneinander angegeben. Darunter sind die Hauptstrahlwinkel im Bildraum (also Feldwinkel in der Austrittspupille 6 und somit am Auge des Betrachters) aufgeführt. So sind beispielsweise bei der obersten Darstellung in 2 die x- und y-Koordinate 0,00 und 1,00. Der Hauptstrahlwinkel beträgt 0,00° und 16,6°.
In 4 ist die durch die HMD-Vorrichtung 1 von 1 bedingte Verzeichnung schematisch dargestellt. Dazu ist mit durchgezogenen Linien ein regelmäßiges Raster GR1 gezeigt, das den gesamten bildgebenden Bereich des Bildmoduls 2 abdeckt. Mit gestrichelten Linien ist die in virtuellem Bild resultierende, auf den Ort des bildgebenden Bereiches zurückgerechnete Abbildung GR2 dieses Rasters dargestellt, wobei durch den Doppelpfeil P1 das horizontale Sehfeld (y-Richtung) und durch den Doppelpfeil P2 das vertikale Sehfeld (x-Richtung) angedeutet ist. Wie der Darstellung von 4 entnommen werden kann, verlaufen die Linien beider Raster quasi parallel und zum großen Teil fast deckungsgleich. Die Verzeichnung ist somit außerordentlich gering.
In 5 ist ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen HMD-Vorrichtung gezeigt, bei dem im Unterschied zu dem ersten Ausführungsbeispiel von 1 die Relay-Optik 3 nur noch eine einzige Linse 10 (5) umfaßt. Gleiche Elemente in 5 sind mit gleichen Bezugszeichen beschrieben, wobei zu der Beschreibung auf die obigen Ausführungen verwiesen wird.

Bei der Ausführungsform von 5 sind beide Flächen F1 und F2 der einzigen Linse 10 sowie die Reflexionsfläche RF1 des Umlenkelementes 4 als nicht-rotationssymmetrisch gekrümmte Flächen mit genau einer Spiegelsymmetrieebene (hier die Meridionalebene) ausgebildet. Die Flächen F1, F2 und RF1 können gemäß der obigen Formel G1 beschrieben werden, wobei die Werte für k, N und C_m,n in gleicher Weise wie in Tabelle 1 in der nachfolgenden Tabelle 5 angegeben sind. In der vorliegenden Tabelle sind Terme bis zur maximalen Ordnung n + m ≤ 10 berücksichtigt. Tabelle 5:

Koeffizient	F1	F2	RF1
k	0	0	0
C(0,1)	0	0	0
C(2,0)	–2,0739E-03	–1,4679E-02	–1,6178E-03
C(0,2)	–7,0003E-04	–1,0009E-02	8,4244E-04
C(2,1)	–6,6848E-06	1,5305E-04	5,2234E-04
C(0,3)	–6,2238E-06	–1,3893E-04	3,3351E-04
C(4,0)	–1,6444E-06	1,2844E-04	–4,4442E-05
C(2,2)	–1,8064E-06	2,8454E-04	–7,0940E-05
C(0,4)	2,1245E-08	1,4841E-04	–3,3322E-05
C(4,1)	4,3276E-08	–2,5383E-06	–1,8418E-08
C(2,3)	1,3281E-09	–9,2903E-06	–4,4765E-07
C(0,5)	–2,9399E-08	–5,9841E-06	–1,8078E-07
C(6,0)	1,9822E-08	6,6719E-07	4,3526E-08
C(4,2)	7,9546E-10	2,1110E-06	1,9962E-07
C(2,4)	5,6710E-10	3,2158E-06	3,9102E-07
C(0,6)	8,3731E-10	1,6986E-06	2,0317E-07
C(6,1)	–7,9755E-10	2,1110E-06	4,8691E-08
C(4,3)	3,5561E-12	2,1775E-07	8,0438E-08
C(2,5)	4,7692E-12	4,1358E-07	8,6686E-08
C(0,7)	–1,0538E-11	8,9632E-08	1,3982E-08
C(8,0)	–9,0735E-11	3,8837E-09	1,6412E-09
C(6,2)	2,6167E-12	2,4570E-08	4,0017E-09
C(4,4)	–9,8968E-13	–2,1482E-08	–1,9964E-09
C(2,6)	–3,9414E-13	–6,5662E-08	–7,6513E-09
C(0,8)	5,3752E-14	–2,7605E-08	–2,4188E-09
C(8,1)	2,5560E-12	–2,4952E-10	–2,5100E-10
C(6,3)	3,7287E-13	–1,2454E-09	–6,0130E-10
C(4,5)	–4,3589E-14	–9,0036E-09	–6,6648E-11
C(2,7)	6,2435E-16	–1,1481E-08	–3,2672E-10
C(0,9)	–4,6538E-16	–1,6809E-09	1,2377E-10
C(10,0)	1,3867E-13	1,6006E-10	–1,6162E-11
C(8,2)	–3,6251E-14	4,0626E-10	–1,2278E-10
C(6,4)	–4,0574E-15	2,1172E-09	–1,1288E-10
C(4,6)	1,067E-15	4,0966E-09	2,4281E-11
C(2,8)	1,7049E-17	3,1043E-09	8,9630E-11
C(0,10)	2,6095E-18	6,3779E-10	1.1356E-11
N	1	1	1

Die globalen Koordinatenbezüge und Grundradien der Flächen F1, F2 und RF1 sowie die Abstände der einzelnen optischen Elemente sind in der nachfolgenden Tabelle 6 in gleicher Weise wie in Tabelle 2 angegeben. Tabelle 6:

Fläche	R	XDE	YDE	ZDE	ADE
Pupille 6	Unendlich	0	0	0	0
RF1	–107,88502	0	–23,90	47,56	–39,91
F2	1866,48531	0	48,80	3,53	–26,16
F1	11,83040	0	56,10	–8,25	–27,13
D1	Unendlich	0	74,32	–31,67	–56,03
F0	Unendlich	0	74,73	–31,94	–56,03

Die Austrittspupille der HMD-Vorrichtung 1 von 5 hat einen Durchmesser von 7 mm bei einem Sehfeld von ±9,0° in x-Richtung (= Vertikale) und ±12,0° in y-Richtung (= Horizontale).
Das Material der Linse 10 trägt die Handelsbezeichnung KPFK85 und weist bei λ = 546,7 nm einen Brechungsindex von 1,4869 und eine Abbesche Zahl von 84,7 auf.
Auf der Fläche F1 ist ferner noch eine diffraktive Struktur zur Korrektur chromatischer Aberrationen ausgebildet, die in gleicher Weise wie bei der obigen Ausführungsform von 1 konzentrische Ringe mit dem Linsenscheitel der Fläche F1 als Mittelpunkt mit einem Kinoform-Profil aufweist. Das diffraktive Element läßt sich mit den gleichen Formeln G3–G6 beschreiben, wobei die entsprechenden Parameter in der nachfolgenden Tabelle 7 angegeben sind. Tabelle 7:

Fläche C₁ C₂ λ₀ [nm] Beugungsordnung N r₁ [mm] r_N-r_N- ₁ [mm] d [μm]

F1 –8,8883E-04 –1,2279E-07 546,07 1 125 0,7837 0,0345 1,121
In den 6 und 7 sind in gleicher Weise wie in den 2 und 3 die Bildfehlerkurven für die zweite Ausführungsform der HMD-Vorrichtung gemäß 5 dargestellt. In 8 ist in gleicher Weise wie in 3 die Verzeichnung angedeutet. Wie aus der Darstellung zu entnehmen ist, ist selbst bei der Verwendung nur einer einzigen Linse die resultierende Verzeichnung äußerst gering.
In 9 ist ein drittes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen HMD-Vorrichtung 1 gezeigt, bei dem wiederum die Relay-Optik 3 nur eine einzige Linse 10 umfaßt. Die dritte Ausführungsform ist insbesondere dadurch gekennzeichnet, daß das Sehfeld relativ schmal ausgebildet ist, da es in x-Richtung (= vertikale) ±3,0° und in y-Richtung (= horizontale) ±12,5° aufweist. Die Austrittspupille weist einen Durchmesser von 7 mm auf und als Material der Linse 10 wird das gleiche Material verwendet wie bei der vorher beschriebenen zweiten Ausführungsform. Gleiche Elemente in 9 wie in 5 sind mit gleichem Bezugszeichen beschrieben, wobei zur Beschreibung auf die obigen Ausführungen verwiesen wird.

Bei der dritten Ausführungsform von 9 sind die beiden Flächen F1 und F2 der einzigen Linse 10 sowie die Reflexionsfläche RF1 des Umlenkelementes 4 jeweils als nicht-rotationssymmetrisch gekrümmte Fläche mit genau einer Spiegelsymmetrieebene (hier die Meridionalebene) ausgebildet. Die Flächen F1, F2 und RF1 können gemäß der obigen Form G1 beschrieben werden, wobei die Werte für k, N und C_m,n in gleicher Weise wie in Tabelle 1 in der nachfolgenden Tabelle 8 angegeben sind. In der vorliegenden Tabelle 8 sind Terme bis zur maximalen Ordnung n + m ≤ 10 berücksichtigt. Tabelle 8:

Koeffizient	F1	F2	RF1
k	0	0	0
C(0,1)	0	0	0
C(2,0)	–7,6087E-04	–1,6356E-02	–1,0132E-03
C(0,2)	–6,8930E-06	–1,3101E-02	1,1363E-03
C(2,1)	–1,1177E-05	1,6587E-04	4,8820E-04
C(0,3)	3,3885E-06	–2,7674E-04	9,0893E-05
C(4,0)	–8,7051E-08	1,2202E-04	–2,2261E-05
C(2,2)	–1,0967E-06	2,5985E-04	–2,8649E-05
C(0,4)	6,0900E-08	1,4251E-04	–1,3678E-05
C(4,1)	1,8665E-09	–2,2326E-06	–1,3315E-07
C(2,3)	–8,9289E-09	–6,1717E-06	6,4987E-07
C(0,5)	–2,7964E-08	–5,9663E-06	–6,5699E-07
C(6,0)	–5,2178E-09	6,9685E-07	4,0258E-07
C(4,2)	8,7919E-10	2,7260E-06	1,0230E-06
C(2,4)	5,3971E-10	3,0435E-06	8,6758E-07
C(0,6)	8,0371E-10	8,1915E-07	1,7955E-07
C(6,1)	–1,1347E-10	1,2065E-07	4,8682E-08
C(4,3)	–2,6713E-11	9,4787E-08	3,7799E-08
C(2,5)	1,1879E-12	9,5539E-08	4,8878E-08
C(0,7)	–1,0611E-11	8,2605E-09	8,8902E-09
C(8,0)	4,0808E-12	–9,5091E-10	–3,4026E-09
C(6,2)	8,3999E-12	1,9086E-09	–6,3095E-09
C(4,4)	–1,6111E-13	–2,4327E-08	–4,4969E-09
C(2,6)	–1,6404E-13	–1,6718E-08	6,8998E-10
C(0,8)	5,7099E-14	5,9580E-09	1,4308E-09
C(8,1)	–2,9424E-12	–2,9861E-09	–7,5386E-10
C(6,3)	1,1499E-13	–1,7129E-09	5,1963E-10
C(4,5)	1,3968E-15	–5,2314E-09	–1,0345E-10
C(2,7)	7,7009E-17	–3,6859E-09	–8,7705E-12
C(0,9)	7,3960E-18	–1,0216E-09	3,1404E-11
C(10,0)	2,4413E-12	3,7682E-10	7,5998E-11
C(8,2)	–9,4097E-14	5,0384E-10	6,7587E-11
C(6,4)	–3,5250E-17	2,3111E-09	2,2194E-10
C(4,6)	7,1087E-17	1,9108E-09	4,5987E-11
C(2,8)	1,2674E-17	1,2350E-09	2,9389E-11
C(0,10)	–1,1945E-18	1,1372E-10	–4,6287E-12
N	1	1	1

Die globalen Koordinaten, Bezüge und Grundradien der Fläche F1, F2 und RF1 sowie die Abstände der einzelnen optischen Elemente sind in der nachfolgenden Tabelle 9 in gleicher Weise wie in Tabelle 2 angegeben. Tabelle 9:

Fläche	R	XDE	YDE	ZDE	ADE
Pupille 6	Unendlich	0	0	0	0
RF1	–103,34592	0	–30,10	54,28	–40,35
F2	–175,00799	0	52,06	4,68	–27,11
F1	12,74970	0	58,34	–5,65	–27,42
D1	Unendlich	0	74,56	–26,81	–51,65
F0	Unendlich	0	74,56	–26,81	–51,65

Auf der Fläche F1 ist ferner noch eine diffraktive Struktur zur Korrektur chromatischer Aberration ausgebildet, die in gleicher Weise wie bei der obigen Ausführungsform konzentrische Ringe mit dem Linsenscheitel der Fläche F1 als Mittelpunkt mit einem Kinoform-Profil aufweist. Das diffraktive Element lässt sich mit den gleichen Formen G3, G6 beschreiben, wobei die entsprechenden Parameter der nachfolgenden Tabelle 10 angegeben sind. Tabelle 10:

Fläche C₁ C₂ λ₀ [nm] Beugungsordnung N r₁ [mm] r_N-r_N-1 [mm] d [μm]

F1 –9,9314E-04 1,7996E-06 546,07 1 105 0,7418 0,0446 1,121
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 5793339 [0002]
- US 5513041 [0004]
- US 5726807 [0005]
- US 5923477 [0006]

Claims

HMD-Vorrichtung mit einem Bildmodul (2) zum Erzeugen eines Bildes, einer dem Bildmodul (2) nachgeordneten und mindestens einer Linse (7, 8, 10) aufweisenden Relay-Optik (3), die das erzeugte Bild verzerrt als reelles gekrümmtes Zwischenbild in eine Zwischenbildfläche (5) abbildet, und einem der Zwischenbildfläche (5) nachgeordneten reflektiven Umlenkelement (4), das das reelle Zwischenbild als virtuelles Bild so abbildet, daß es ein die HMD-Vorrichtung tragender Benutzer wahrnehmen kann, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Flächen (F1, F2, F4) der Linse(n) (7, 8) der Relay-Optik (3) als nicht-rotationssymmetrisch gekrümmte Flächen ausgebildet sind, die maximal eine Spiegelsymmetrieebene aufweisen, und daß das Umlenkelement (4) eine Reflexionsfläche (RF1) aufweist, die als nicht-rotationssymmetrisch gekrümmte Fläche mit maximal einer Spiegelsymmetrieebene derart ausgebildet ist, daß die durch die Relay-Optik (3) bedingte Vorverzerrung des Zwischenbildes bei Reflexion an der Reflexionsfläche (RF1) kompensiert wird.
HMD-Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflexionsfläche (RF1) teiltransparent ausgebildet ist, so daß ein die HMD-Vorrichtung tragender Benutzer durch das Umlenkelement (4) hindurch die Umgebung wahrnehmen kann.
HMD-Vorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Umlenkelement eine zweite Grenzfläche aufweist, die im wesentlichen transparent ist und aus der Reflexionsfläche (RF1) durch zentrische Streckung bezüglich des Mittelpunktes der Austrittspupille (6) der HMD-Vorrichtung hervorgeht.
HMD-Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Grenzfläche von der Zwischenbildfläche weiter entfernt ist als die Reflexionsfläche (RF1).
HMD-Vorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflexionsfläche (RF1) als Innenfläche zweier miteinander verbundener optischer Elemente ausgebildet ist.
HMD-Vorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich die mindestens zwei Flächen der Linse(n) sowie die Reflexionsfläche jeweils nicht als Abschnitt einer rotationssymmetrischen Fläche darstellen lassen.
HMD-Vorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf zumindest einer der Flächen (F1–F4) der Linse(n) eine diffraktive Struktur zur Korrektur chromatischer Bildfehler ausgebildet ist.
HMD-Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die diffraktive Struktur nicht rotationssymmetrisch ausgebildet ist.
HMD-Vorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegelsymmetrieebenen der mindestens zwei Flächen und die Spiegelsymmetrieebene der Reflexionsfläche zusammenfallen.
HMD-Vorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Replay-Optik genau eine Linse (10) enthält.
HMD-Vorrichtung nach einem der obigen Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Relay-Optik genau zwei oder drei Linsen (8, 9) enthält.
HMD-Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß alle Linsen der Relay-Optik (3) aus demselben Material hergestellt sind.
HMD-Vorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die nicht-rotationssymmetrisch gekrümmten Flächen mit maximal einer Spiegelsymmetrieebene so ausgebildet sind, daß die maximale Durchbiegung einer in das virtuelle Bild abgebildeten geraden Linie des Bildes kleiner als 3% der Diagonalen des virtuellen Bildes ist.