DE102010041343A1

DE102010041343A1 - Anzeigevorrichtung

Info

Publication number: DE102010041343A1
Application number: DE102010041343A
Authority: DE
Inventors: Karsten Linding; Hans-Jürgen Dobschal
Original assignee: Carl Zeiss AG
Current assignee: Tooz Technologies GmbH
Priority date: 2010-09-24
Filing date: 2010-09-24
Publication date: 2012-03-29
Anticipated expiration: 2030-09-25
Also published as: DE102010041343B4; WO2012038206A1

Abstract

Es wird bereitgestellt eine Anzeigevorrichtung mit einer auf den Kopf eines Benutzers aufsetzbaren Haltevorrichtung (2), einem an der Haltevorrichtung (2) befestigten Bildgeber (5) zur Erzeugung eines Bildes, einer Steuereinheit (9) zur Steuerung des Bildgebers (5) und einem an der Haltevorrichtung (2) befestigten Multifunktionsglas (3, 4), das einen ersten Einkoppelbereich (12) und einen ersten Auskoppelbereich (13) aufweist, wobei das erzeugte Bild über den ersten Einkoppelbereich (12) in das Multifunktionsglas (3) eingekoppelt, im Multifunktionsglas (3) bis zum ersten Auskoppelbereich (13) geführt und über den ersten Auskoppelbereich (13) so ausgekoppelt wird, daß der Benutzer im auf dem Kopf aufgesetzten Zustand der Haltevorrichtung (2) das ausgekoppelte Bild als virtuelles Bild wahrnehmen kann, wobei das Multifunktionsglas (3) zumindest einen weiteren Auskoppelbereich (60, 61) aufweist, der relativ zum ersten Auskoppelbereich (13) versetzt ist, wobei die Einkoppelrichtung und/oder der Einkoppelort des erzeugten Bildes einstellbar ist und in Abhängigkeit davon das erzeugte Bild vom ersten Auskoppelbereich (13) oder vom weiteren Auskoppelbereich (60, 61) als das virtuelle Bild ausgekoppelt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anzeigevorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Mit einer solchen Anzeigevorrichtung kann einem Benutzer beispielsweise ein Bild eines mit der Anzeigevorrichtung verbindbaren Gerätes dargeboten werden. Bei dem Gerät kann es sich zum Beispiel um einen Computer, ein Navigationsgerät, einen Organizer, ein Smartphone, etc. handeln. Da jedoch verschiedene Benutzer in der Regel unterschiedliche Nase-Augen-Abstände aufweisen, ist es schwierig, die virtuelle Bilderzeugung in einfacher Art daran anzupassen.
Ausgehend hiervon ist es daher Aufgabe der Erfindung, die Anzeigevorrichtung der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß eine vereinfachte Anpassung an verschiedene Nase-Augen-Abstände möglich ist.
Die Aufgabe wird bei einer Anzeigevorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß das Multifunktionsglas zumindest einen weiteren Auskoppelbereich aufweist, der relativ zum ersten Auskoppelbereich versetzt ist, wobei die Einkoppelrichtung und/oder der Einkoppelort des erzeugten Bildes einstellbar ist und in Abhängigkeit davon das erzeugte Bild vom ersten Auskoppelbereich oder vom weiteren Auskoppelbereich als das virtuelle Bild ausgekoppelt wird.
Somit ist erfindungsgemäß nur eine Einstellung der Einkoppelrichtung und/oder des Einkoppelortes des erzeugten Bildes notwendig, um eine Anpassung an die verschiedenen Nase-Augen-Abstände durchzuführen. Eine Änderung des Multifunktionsglases selbst ist dann nicht mehr notwendig. Somit kann in einfachster Art und Weise die gewünschte Anpassung an die Nase-Augen-Abstände durchgeführt werden.
Bei der erfindungsgemäßen Anzeigevorrichtung kann das erzeugte Bild entweder nur vom ersten Auskoppelbereich oder nur vom weiteren Auskoppelbereich ausgekoppelt werden.
Der weitere Auskoppelbereich kann den ersten Auskoppelbereich teilweise überlappen. Es ist jedoch auch möglich, daß der weitere Auskoppelbereich nicht den ersten Auskoppelbereich überlappt.
Ferner können mehrere weitere Auskoppelbereiche vorgesehen sein, um eine feinere Anpassung der Anzeigevorrichtung an den vorliegenden Nase-Augen-Abstand durchzuführen.
Bei der erfindungsgemäßen Anzeigevorrichtung kann der Bildgeber zur Einstellung der Einkoppelrichtung um eine Achse kippbar sein. Ferner kann der Bildgeber zur Einstellung des Einkoppelortes entlang einer Achse verschiebbar sein. Jedoch trifft das eingekoppelte Bild stets auf den Einkoppelbereich, der die gewünschte Einkopplung bzw. Umlenkung durchführt.
Ferner kann die Anzeigevorrichtung eine Fixiereinheit aufweisen, die die eingestellte Verkippung bzw. Drehstellung und/oder die eingestellte Verschiebung und somit die eingestellte Stellung des Bildgebers fixiert. Die Fixiereinheit kann so ausgebildet sein, daß die Fixierung mittels Form-, Reib- und/oder Stoffschluß bewirkt ist.
Die Anzeigevorrichtung kann insbesondere in Art einer Brille ausgebildet sein. In diesem Fall ist die Haltevorrichtung als Brillengestell ausgestaltet. Insbesondere kann ein herkömmliches Brillenglas als Multifunktionsglas ausgebildet werden. Dazu muß im wesentlichen nur der erste Einkoppelbereich und der erste sowie der weitere Auskoppelbereich im Brillenglas ausgebildet werden.
Ferner kann die erfindungsgemäße Anzeigevorrichtung so ausgebildet sein, daß der Benutzer – im auf dem Kopf aufgesetzten Zustand der Haltevorrichtung – das ausgekoppelte Bild in Überlagerung mit der Umgebung wahrnehmen kann.
Bevorzugt sind der erste Einkoppelbereich und der erste sowie der weitere Auskoppelbereich an der – im auf dem Kopf aufgesetzten Zustand der Haltevorrichtung – dem Auge des Benutzers abgewandten Vorderseite des Multifunktionsglases ausgebildet. Insbesondere sind der erste Einkoppelbereich und der erste sowie der weitere Auskoppelbereich jeweils als reflektive Bereiche ausgestaltet.
Die Steuereinheit kann bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung insbesondere dazu eingerichtet sein, den Bildgeber so anzusteuern, daß das gewünschte Bild erzeugt wird.
Bei der erfindungsgemäßen Anzeigevorrichtung können der erste Einkoppelbereich, der erste Auskoppelbereich und/oder der weitere Auskoppelbereich jeweils als Fresnel-Struktur ausgebildet sein.
Die jeweilige Fresnel-Strukturen kann eine abbildende Eigenschaft aufweisen. Die abbildende Eigenschaft kann zum Beispiel dazu benutzt werden, eventuell bei der Führung im Multifunktionsglas auftretende Abbildungsfehler zu korrigieren.
Die jeweilige Fresnel-Struktur kann insbesondere an der Materialgrenzfläche des Multifunktionsglases ausgebildet sein, wobei die Materialgrenzfläche insbesondere eine gekrümmte Materialgrenzfläche ist. Damit wird eine hohe Designfreiheit für das Multifunktionsglas bereitgestellt, die kaum oder gar nicht durch die notwendige optische Funktion des Einkoppel- oder Auskoppelbereiches beschränkt wird, da die optische Funktion des Einkoppel- bzw. Auskoppelbereich mittels der Fresnel-Struktur verwirklicht wird.
Die jeweilige Fresnel-Struktur kann transmissiv oder reflektiv ausgebildet sein. Wenn sie transmissiv ausgebildet ist, ist sie bevorzugt auf der dem Auge des Benutzers zugewandter Materialgrenzfläche des Multifunktionsglases gebildet, wenn die Haltevorrichtung auf dem Kopf des Benutzers aufgesetzt ist. Wenn die Fresnel-Struktur reflektiv ist, ist sie bevorzugt für den ersten Einkoppelbereich und den ersten und zweiten Auskoppelbereich jeweils an der im auf dem Kopf aufgesetzten Zustand der Haltevorrichtung dem Auge des Benutzers abgewandten Vorderseite des Multifunktionsglases ausgebildet und ist sie bevorzugt für den zweiten Einkoppelbereich an der Rückseite des Multifunktionsglases ausgebildet.
Die jeweilige Fresnel-Struktur kann mehrere Fresnel-Segmente aufweisen, wobei die optisch wirksamen Facetten der Fresnel-Segmente optisch eine gedachte optische Wirkfläche nachahmen. Die optische Wirkfläche ist insbesondere gekrümmt. Ferner kann sie keine Spiegelsymmetrie, keine Rotationssymmetrie und/oder keine Translationssymmetrie aufweisen.
Ferner kann die Fresnel-Struktur eine Strahlengangfaltung bewirken.
Die Führung des Bildes im Multifunktionsglas vom ersten Einkoppelbereich zum ersten Auskoppelbereich bzw. zum weiteren Auskoppelbereich erfolgt jeweils bevorzugt durch innere Totalreflexion an Vorder- und Rückseite des Multifunktionsglases.
Die maximale Höhe jeder Facette ist bei der Fresnel-Struktur bevorzugt gleich groß. Sie liegt beispielsweise im Bereich von 5 bis 500 μm, insbesondere im Bereich von 0,01 bis 0,1 mm.
Besonders bevorzugt ist ein Bereich von 200 bis 300 μm sowie ein Bereich von 0,05 bis 0,3 mm.
Die Facettenform kann eine Nahrung, insbesondere eine lineare Nahrung der Form des entsprechenden Flächenabschnitts der gedachten Wirkfläche sein. Insbesondere können die Facetten im Schnitt konkav, konvex oder linear sein.
Die Fresnel-Segmente können direkt benachbart sein, wie dies bei einer „klassischen” Fresnel-Struktur ist. Es ist jedoch möglich, daß die Fresnel-Segmente voneinander beabstandet sind, wobei zwischen ihnen dann bevorzugt der normale Verlauf der Materialgrenzfläche vorliegt.
Die erfindungsgemäße Anzeigevorrichtung kann ein zweites Multifunktionsglas, das an der Haltevorrichtung befestigt ist, sowie einen zweiten Bildgeber aufweisen. Das zweite Multifunktionsglas ist bevorzugt in gleicher bzw. entsprechender Weise ausgebildet. Insbesondere kann es spiegelsymmetrisch zum ersten Multifunktionsglas ausgebildet sein. Somit können beiden Augen des Benutzers Bilder dargeboten werden. Dies kann beispielsweise zu einer dreidimensionalen Bilddarstellung genutzt sein. Das zweite Multifunktionsglas, kann, muß aber nicht, einen Rückkanal aufweisen.
Ferner weist die erfindungsgemäße Anzeigevorrichtung bevorzugt eine Schnittstelle auf, um ein Gerät mit der Anzeigevorrichtung zu verbinden. Dabei handelt es sich insbesondere um eine Datenschnittstelle. Bei dem Gerät kann es sich beispielsweise um einen Computer, ein Smartphone, ein Navigationsgerät, etc. handeln. In diesem Fall wird eine kombinierte Anzeigevorrichtung bereitgestellt, die die erfindungsgemäße Anzeigevorrichtung sowie das mit ihr verbundene Gerät umfaßt.
Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Nachfolgend wird die Erfindung beispielsweise anhand der beigefügten Zeichnungen, die auch erfindungswesentliche Merkmale offenbaren, noch näher erläutert. Es zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anzeigevorrichtung;
2 eine vergrößerte Detailansicht der Anzeigevorrichtung von 1;
3 eine perspektivische Ansicht eines Teils der ersten Fresnel-Struktur des Multifunktionsglases der Anzeigevorrichtung von 1;
4 den Verlauf der optischen Wirkfläche, der mit der ersten Fresnel-Struktur gemäß 3 nachgebildet ist;
5 eine Draufsicht der ersten Fresnel-Struktur gemäß 3;
6 einen xz-Schnitt der Wirkfläche 108;
7 eine vergrößerte Darstellung des Details CC von 6;
8–11 verschiedene Profilformen der Fresnel-Struktur 12 der erfindungsgemäßen Anzeigevorrichtung;
12 eine Darstellung einer optischen Wirkfläche, die auf einer gekrümmten Grundfläche optisch gleichwirkend als Fresnel-Struktur umgesetzt wird;
13–14 Schnittansichten der ersten Fresnel-Struktur an der gekrümmten Vorderseite des Multifunktionsglases;
15 eine Schnittansicht einer kompletten Facette 105 der Fresnel-Struktur 12 des Multifunktionsglases 3 von 1;
16 eine Abwandlung der Facette 105 von 15;
17 eine weitere Abwandlung der Facette 105 von 15;
18 eine Schnittansicht einer weiteren Ausbildung der ersten Fresnel-Struktur;
19 eine Schnittansicht der Ausbildung der Fresnel-Struktur als nicht zusammenhängende Fresnel-Struktur;
20 eine Schnittansicht der zweiten Fresnel-Struktur 13, und
21 eine schematische Draufsicht auf die zweite Fresnel-Struktur 13.
Bei der in 1 gezeigten Ausführungsform umfaßt die erfindungsgemäße Anzeigevorrichtung 1 eine auf den Kopf eines Benutzers aufsetzbare Haltevorrichtung 2, die z. B. in Art einer herkömmlichen Brille ausgebildet sein kann, sowie ein erstes und zweites Multifunktionsglas 3, 4, die an der Haltevorrichtung 2 befestigt sind. Die äußere Form der Multifunktionsgläser 3, 4 kann die üblicher Brillengläser entsprechen.
Wie am besten aus der vergrößerten Detailansicht in 2 ersichtlich ist, umfaßt die Anzeigevorrichtung 1 ferner einen Bildgeber 5 sowie eine Steuereinheit 9. Die Elemente 5 und 9 sind in 1 lediglich schematisch als Block mit dem Bezugszeichen 10 eingezeichnet.
Wie wiederum aus 2 ersichtlich ist, weist das Multifunktionsglas 3 auf seiner Vorderseite 11 eine erste Fresnel-Struktur 12 sowie seitlich davon beabstandet drei zweite Fresnel-Strukturen 13, 60, 61 auf. Die Fresnel-Struktur 12 dient zum Einkoppeln des vom Bildgeber 5 kommenden Lichtes und die Fresnel-Strukturen 13, 60 und 61 dienen zum Auskoppeln des von der ersten Fresnel-Struktur 12 kommenden Lichtes.
Der Bildgeber 5 wird im Betrieb der Anzeigevorrichtung 1 von der Steuereinheit 9 angesteuert, um ein gewünschtes Bild zu erzeugen.
Das Licht vom Bildgeber 5 tritt über die Rückseite 14 des Multifunktionsglases 3 in dieses ein und wird mittels der ersten Fresnel-Struktur 12 so umgelenkt, daß es im Multifunktionsglas 3 aufgrund von interner Totalreflexion an Vorder- und Rückseite 11, 14 bis zu den drei zweiten Fresnel-Strukturen 13, 60 und 61 läuft. Eine der zweiten Fresnel-Strukturen 13, 60, 61 lenkt das Licht in Richtung des Auges A des Benutzers, so daß dieser das durch den Bildgeber 5 erzeugte Bild in einem vor dem Multifunktionsglas 3 liegenden Darstellungsbereich 40 als virtuelles Bild 15, wie schematisch in 2 gezeigt ist, wahrnehmen kann.
Welche der drei zweiten Fresnel-Strukturen 13, 60 und 61 die Lichtauskopplung bewirkt, hängt vom Einfallswinkel des vom Bildgeber 5 auf die erste Fresnel-Struktur 12 treffenden Lichtes ab. Dieser Einfallswinkel wird durch die Drehstellung des Bildgebers 5 um die x-Achse bestimmt und so gewählt, daß für den Benutzer der optimale Bildeindruck entsteht. Anders gesagt, kann durch die Drehstellung des Bildgebers 5 die laterale Position des virtuellen Bildes 15 relativ zum Nasenbügel 62 (1) der Haltevorrichtung 2 eingestellt werden. Damit ist eine Anpassung an den bei jedem Menschen individuellen Nase-Auge-Abstand möglich. Die Anpassung der Anzeigevorrichtung 1 an den Benutzer erschöpft sich somit darin, die geeignete Drehstellung des Bildgebers 5 zu wählen, so daß dann für den vorliegenden Nase-Auge-Abstand die optimale laterale Lage des dargestellten virtuellen Bildes vorliegt. Eine Anpassung des Multifunktionsglases selbst ist somit nicht mehr notwendig, so daß die Anpassung leicht und schnell durchgeführt werden kann.
Somit wird das Multifunktionsglas 3 als Vorwärtskanal 16 für die Darstellung eines virtuellen Bildes für den Benutzer genutzt, wobei die erste Fresnel-Struktur 12 als erster Einkoppelbereich bezeichnet werden kann, da sie das Licht des Bildgebers 5 so umlenkt, daß es im Multifunktionsglas 3 mittels innerer Totalreflexion an Vorder- und Rückseite 11, 14 bis zu den zweiten Fresnel-Strukturen 13, 60, 61 geführt wird. Die zweite Fresnel-Struktur 13 kann als erster Auskoppelbereich und die zweiten Fresnel-Strukturen 60, 61 können als weitere Auskoppelbereiche bezeichnet werden, da der entsprechende Auskoppelbereich 13, 60, 61 das Licht so umlenkt, daß es auf das Auge A des Benutzers trifft.
Der Vorwärtskanal 16 kann zusammen mit dem ersten Einkoppelbereich 12 sowie den Auskoppelbereichen 13, 60 und 61 auch so ausgebildet sein, daß in Abhängigkeit des Einkoppelortes (z. B. in z-Richtung) innerhalb des ersten Einkoppelbereiches 12 eine Auskopplung aus einem der Auskoppelbereiche 13, 60 und 61 erfolgt. In diesem Fall ist der Bildgeber 5 beispielsweise so vorgesehen, daß er in z-Richtung verschiebbar ist.
Ferner kann der Bildgeber 5 insbesondere so vorgesehen sein, daß er in der gewählten Drehstellung bzw. lateralen Position (z. B. entlang der z-Richtung) fixiert werden kann.
Die ersten Auskoppelbereiche 13, 60, 61 sind insbesondere so ausgebildet, daß ein Benutzer das dargestellte virtuelle Bild 15 in Überlagerung mit der Umgebung wahrnehmen kann.
Es kann ferner ein Gerät 25 vorgesehen sein, daß beispielsweise mit der Steuereinheit 9 verbunden ist (1). Das Gerät 25 kann die Bilddaten liefern, die zur Erzeugung des Bildes mittels dem Bildgeber 5 benötigt oder genutzt werden, um ein gewünschtes Bild zu erzeugen.
Nachfolgend wird ein Beispiel der Ausbildung der ersten Fresnel-Struktur 12 beschrieben. In 3 ist eine vergrößerte Darstellung der Vorderseite 11 im Bereich der ersten Fresnel-Struktur 12 gezeigt. Die erste Fresnel-Struktur 12 weist auf der Vorderseite 11 mehrere Fresnel-Segmente 104 auf.
Jedes Fresnel-Segment 104 weist eine optisch wirksame Facette 105 auf, die hier verspiegelt sind. Um die in 3 gezeigte Stufenform zu erzielen, umfaßt in der Regel jedes Fresnel-Segment 105 noch eine Flanke 106.
Die gemeinsame optische Wirkung der Facetten 105 entspricht einer gedachten optischen Wirkfläche 108, wie sie in 4 gezeigt ist, wobei die optische Wirkfläche 108 hier gekrümmt ist. Sie kann ferner, muß aber nicht, keine Spiegel- oder Rotationssymmetrie aufweisen. Wie aus dem Vergleich der 3 und 4 leicht ersichtlich ist, ist die Darstellung in 4 um 90° um die z-Achse gegenüber der Darstellung in 3 gedreht. Die gedachte optische Wirkfläche 108 kann wie folgt als erste Fresnel-Struktur 12 gemäß 3 umgesetzt werden.
Die Wirkfläche 108 wird in z-Richtung in Abschnitte gleicher Höhe Δh geteilt. Dadurch ergeben sich Schnittlinien 109, die auch als Höhenlinien bezeichnet werden können und die jeweils einen Flächenabschnitt 110 der Wirkfläche 108 begrenzen. Die Flächenabschnitte 110 werden in z-Richtung alle so zueinander verschoben, daß jeweils die untere Schnittlinie (die mit dem geringeren z-Wert) und somit der untere Rand der Facette 105 auf gleicher Höhe (in z-Richtung) liegen. Von der jeweiligen oberen Schnittlinie der Flächenabschnitte 110 und somit dem oberen Rand der Facette 105 wird dann die senkrechte Flanke 106 bis zur unteren Schnittlinie des direkt benachbarten Flächenabschnittes 110 geführt, um zu der gestuften Ausbildung der Fresnel-Struktur 12 gemäß 3 zu gelangen. In der Draufsicht in 5 der ersten Fresnel-Struktur 12 von 3 sind die oberen Ränder zu sehen.
Die durchzuführenden Schritte, um von der gedachten optischen Wirkfläche 108, die gekrümmt ist und beispielsweise keine Spiegel- oder Rotationssymmetrie aufweist, zu der gewünschten ersten Fresnel-Struktur 12 zu gelangen, werden nachfolgend in Verbindung mit 6 im Detail erläutert, in der ein xz-Schnitt der Wirkfläche 108 gezeigt ist, die verschieden ist zur Wirkfläche 108 von 4, aber gekrümmt ist und keine Spiegel- oder Rotationssymmetrie aufweist. Die Aufteilung in Flächenabschnitte 110 (in der Schnittdarstellung von 6 sind diese Flächenabschnitte natürlich Linienabschnitte) gleicher Höhe ist durch die gestrichelten Schnittlinien in 6 dargestellt.
In der vergrößerten Darstellung des Details CC in 7 ist ersichtlich, daß der gezeigte Flächenabschnitt 110 aufgrund des vorgegebenen Abstandes Δh eindeutig definiert und dann auf die Höhe z₀ abgesenkt wird, wie durch den Pfeil P101 schematisch dargestellt ist. Ferner wird noch auf der linken Seite des Flächenelementes 110 die Flanke 106 hinzugefügt, die sich senkrecht zur Höhe z₀ erstreckt. Auf der Höhe z₀ liegt somit eine ebene Grundfläche 111, auf der die erste Fresnel-Struktur 12 ausgebildet ist. Die Grundfläche 111 kann jedoch auch gekrümmt sein.
Für die erste Fresnel-Struktur 12 läßt sich somit die nachfolgende Formel 1 aufstellen, wobei z_F die Fresnel-Struktur 12, z_Grundfläche die Flächenform der Grundfläche 111 (hier eine Ebene), auf der die Fresnel-Struktur 12 aufgebracht ist, und z_Facette die Fresnel-Facetten 105 relativ zur Grundfläche beschreibt: z_F= z_Grundfläche + z_Facette (1)
Die Fläche z_Facette der Facetten, die auch als ”gefresnelte” Freiformfläche bezeichnet werden kann, berechnet sich nach der folgenden Formel 2 z_Facette = modulo(z_Wirkfläche, Δh) (2), wobei die Wirkfläche 108 durch die nachfolgende Flächenformel z_Wirkfläche beschrieben ist
bei der K1 den konischen Term in x-Richtung und K2 den konischen Term in y-Richtung, wie nachfolgend angegeben ist, bezeichnen
Durch die Anwendung der Modulo-Funktion auf die Wirkfläche 108 wird die Wirkfläche 108 in z-Richtung in Abständen mit gleicher Höhe Δh geteilt. Somit ist die maximale Höhe der Facetten 105 jeweils Δh. Die verwendete Modulo-Funktion ist nachfolgend angegeben modulo(a, m) = a – ⌊ a / m⌋·m (6), wobei die Gaußklammer ⌊ a / m⌋ die größte ganze Zahl bezeichnet, die kleiner oder gleich der Zahl in der Gaußklammer ist, also das Ergebnis der Division a/m ohne den Rest der Division. Damit ergibt sich für die Facettenflächen die nachfolgende Formel
Gemäß dem oben beschriebenen Vorgehen kann basierend auf einer gewünschten optischen Wirkfläche 108, die entsprechende Fresnel-Struktur 12 abgeleitet werden, die die entsprechende optische Wirkung bereitstellt. Aufgrund der Stufenform kann zwar mit der Fresnel-Struktur 12 nicht dieselbe optische Wirkung erreicht werden, die eine Grenzfläche hätte, die gemäß der Freiformfläche 108 ausgebildet ist, jedoch wird eine vergleichbare optische Wirkung erreicht.
Wie der Darstellung in 6 und 7 zu entnehmen ist, weisen die Facetten 105 die durch die Freiformfläche 108 im Höhenbereich Δh vorgegebenen Krümmungen auf. Um die Herstellung der Fresnel-Struktur 12 zu vereinfachen, ist es möglich, den Verlauf der einzelnen Facetten 105 an die entsprechende Flächenform der Freiformflächen anzunähern. Im einfachsten Falle kann der Verlauf linearisiert werden, wie in der Schnittansicht von 8 schematisch dargestellt ist.
Es ist jedoch auch möglich, die Facetten mit einer konvexen Krümmung (9) oder einer konkaven Krümmung (10) zu versehen. Auch eine Näherung durch einen anderen Krümmungsverlauf ist möglich, wie dies beispielsweise in 11 angedeutet ist.
In 12 ist ein Beispiel gezeigt, bei der die mittels der Fresnel-Struktur 12 nachzustellende optische Wirkfläche 108 gegenüber der sphärisch gekrümmten Vorderseite 11 stark gekippt ist. Auch in diesem Fall ist es keine Problem, die Wirkfläche 108 als Fresnel-Struktur 12 auf der Vorderseite 11 auszubilden, ohne daß die makroskopische Form der Vorderseite 11 verändert werden muß. Die Höhe Δh kann hier wie auch bei allen anderen Ausführungsformen im Bereich von 5–500 μm, insbesondere im Bereich von 0,01–0,1 mm und besonders bevorzugt im Bereich von 0,05 bis 0,3 mm liegen. Ferner muß die Höhe Δh nicht konstant sein, sondern kann hier wie auch bei allen anderen Ausführungsformen variieren. So kann z. B. Δh mit zunehmendem z-Wert selbst zu- oder abnehmen.
In 13 ist eine Schnittansicht der Fresnel-Struktur 12 an der gekrümmten Vorderseite 11 gezeigt, bei der die Facetten 105 jeweils linear ausgebildet sind. Die einzelnen Flanken 106 sind zueinander parallel ausgerichtet, wobei der ursprüngliche Verlauf der Vorderseite 11 noch schematisch eingezeichnet ist. Bei dieser Ausführungsform wurde in Abwandlung von Formel 1 die Facettenfunktion z_Facette von der Grundflächenfunktion z_Grundfläche abgezogen, so daß die Fresnel-Struktur 12 wie folgt beschreibbar ist: z_F = z_Grundfläche – z_Facette (12).
Diese Art der Berechnung von z_F ist natürlich auch bei allen bereits beschriebenen Ausführungsformen sowie bei allen noch nachfolgenden Ausführungsformen möglich.
In 14 ist eine Abwandlung des Profils von 13 gezeigt, das sich im wesentlichen darin unterscheidet, daß die Flanken 106 im Schnitt nicht mehr zueinander parallel orientiert sind, sondern radial zum nicht gezeigten Mittelpunkt der Vorderseite 11.
In 15 ist eine Schnittansicht einer kompletten Facette 105 der Fresnel-Struktur 12 gezeigt. Wie aus der Darstellung ersichtlich ist, weist die Facette 105 eine Verspiegelung V auf, damit die gewünschte Strahlenumlenkung der Lichtstrahlen des Bildgebers 5 stattfindet.
In 16 ist eine Abwandlung gezeigt, bei der freie Bereiche, der aufgrund der Neigung der Facette 105 relativ zur Vorderseite 11 des Multifunktionsglases 3 gebildet ist, mit Material 134 bis zur Vorderseite 11 aufgefüllt ist. Die Auffüllung ist bevorzugt so durchgeführt, daß eine glatte, durchgehende Vorderseite 11 gebildet ist. Als Material 134 kann insbesondere das gleiche Material wie für das Multifunktionsglas 3 selbst verwendet werden.
Es ist jedoch auch möglich, die Fresnel-Struktur 12 so auszulegen, daß die Umlenkung der Lichtstrahlen des Bildgebers 5 durch innere Totalreflexion erfolgt, so daß eine Verspiegelung nicht mehr notwendig ist, wie in 17 angedeutet ist.
In 18 ist eine Schnittansicht einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Fresnel-Struktur 12 gezeigt. Bei dieser Fresnel-Struktur 12 erstrecken sich die Flanken 106 nicht wie bei den meisten bisher beschriebenen Ausführungsformen senkrecht (also hier in z-Richtung), sondern sind ebenfalls etwas geneigt. Dies vereinfacht die Fertigung der Fresnel-Struktur 12. Jedoch ist es bevorzugt, wenn der Neigungswinkel der Flanken 106 möglichst klein ist, so daß sie quasi senkrecht verlaufen.
Alle bisher beschriebenen Fresnel-Strukturen 12 waren zusammenhängende Fresnel-Strukturen. Darunter wird hier verstanden, daß die einzelnen Fresnel-Facetten 105 stets durch die Flanken 106 miteinander verbunden sind. Es ist jedoch auch möglich, die Fresnel-Facetten 105 voneinander beabstandet vorzusehen und zwischen den einzelnen Fresnel-Facetten 105 Abschnitte 123 einzufügen, die beispielsweise Abschnitte 123 der Vorderseite 11 sein können. Dies kann einfach dadurch realisiert werden, daß von der ermittelten Fresnel-Fläche z_F Bereiche bzw. Abschnitte durch den Verlauf der Grundfläche z_Grundfläche in diesen Abschnitten ersetzt werden. Ein Profil einer solchen Fresnel-Struktur 12 ist in 19 schematisch angedeutet.
Wenn man die Fresnel-Facetten 105 verspiegelt, können auf diese Art beispielsweise die zweiten Fresnel-Strukturen 13, 60, 61 bereitgestellt werden, wie in der vergrößerten Schnittansicht in 20 dargestellt ist. Mit den zweiten Fresnel-Strukturen 13, 60, 61 kann das vom Bildgeber 5 kommende Strahlenbündel BS mit einem zweiten Strahlenbündel US zu einem gemeinsamen Strahlenbündel GS überlagert werden. Wie der Darstellung in 20 entnommen werden kann, sind die Fresnel-Facetten 105 gegenüber der Normalen der Vorderseite 11 so gekippt, daß der Teil des ersten Strahlenbündels BS (auch als Bildstrahlenbündel BS bezeichnet), der auf die jeweilige Fresnel-Facette 105 trifft, nach rechts als Bildteilstrahl BS' umgelenkt wird. Der restliche Teil des Bildstrahlenbündels BS, der nicht auf die Fresnel-Facetten 105 trifft, wird an der Vorderseite 11 so reflektiert und/oder transmittiert, daß er nicht Teil des gemeinsamen Strahlenbündels GS wird.
Der Teil des Umgebungsstrahlenbündels US, der (in 20 von links) auf die Rückseite der Fresnel-Facetten 105 trifft, wird von den Fresnel-Facetten 105 so abgeschattet, daß er nicht Teil des gemeinsamen Strahlenbündels GS wird. Daher ist dieser Teil des Umgebungsstrahlenbündels US schraffiert eingezeichnet. Der restliche Teil des Umgebungsstrahlenbündels US tritt als Umgebungsteilstrahlen US' durch die transmissiven Bereiche 123 zwischen den Fresnel-Facetten 105 hindurch.
Die nicht zusammenhängende Fresnel-Struktur 13 gemäß 20 bewirkt somit eine Überlagerung des durch die transmissiven Bereiche 123 hindurchtretenden Teils US' des Umgebungsstrahlenbündels US mit dem an den Fresnel-Facetten 105 reflektierten Teil BS' des Bildstrahlenbündels BS zu einem gemeinsamen Strahlenbündel GS.
Bevorzugt können die zweiten Fresnel-Strukturen 13, 60, 61 jeweils mehrere voneinander beabstandete Fresnel-Abschnitte 140 aufweisen, die gemäß 20 oder auch in gleicher Weise wie die erste Fresnel-Struktur 12 ausgebildet sind. Die Fresnel-Abschnitte 140 können, wie in der schematischen Draufsicht in 21 auf den beispielsweise rechteckigen Überlagerungsbereich 129 gezeigt ist, beliebig verteilt sein. In den Bereichen dazwischen bleibt das Multifunktionsglas 3 erhalten, so daß diese Bereiche normale Lichtdurchtrittsbereiche darstellen.
Um eine regelmäßige Anordnung bzw. Struktur der Fresnel-Abschnitte 140 zu verhindern, können diese z. B. wie folgt angeordnet werden. Es werden kreisförmige Bereich festgelegt, deren Durchmesser wie folgt bestimmt werden kann D = √(100 – T)/100/π·2·APX/N
Wobei T die geforderte Transmission für das Umgebungslicht in Prozent, N die Anzahl der Kreise in x-Richtung und APX die Aperturbreite in x-Richtung ist. Die Kreise werden zunächst in einem festen Raster mit Rasterabstand APX/N in x und y äquidistant angeordnet. Danach werden die Kreismittelpunktslagen leicht modifiziert, indem die Richtung und Länge der Mittelpunktverschiebung ausgewürfelt werden. Die Länge wird hier so gewählt, daß kein Überlappungseffekt zwischen benachbarten Kreisen auftritt.
Als Statistikfunktionen für Länge und Winkel können folgende Formeln angewendet werden.
Statistische Verschiebungslänge:

r = (APX/N/2 – D/2)·randf

Statistische Verschiebungsrichtung:

w = 360·randf

Wobei randf einen Zufallswert zwischen 0 und 1 liefert. Die modifizierte Position der Kreise 140 ergibt sich dann gemäß den nachfolgenden Formeln: x = (i/N)·APX + r·cos(w) y = (j/N)·APX + r·sin(w) M = round(APY/APX)
Wobei die Funktion round das Argument (APY/APX) auf ganze Zahlen rundet.
Natürlich kann auch jede andere Art der Verteilung der Fresnel-Abschnitte 140 gewählt werden, wobei bevorzugt eine nicht regelmäßige Anordnung gewählt wird.

Claims

Anzeigevorrichtung mit einer auf den Kopf eines Benutzers aufsetzbaren Haltevorrichtung (2), einem an der Haltevorrichtung (2) befestigten Bildgeber (5) zur Erzeugung eines Bildes, einer Steuereinheit (9) zur Steuerung des Bildgebers (5) und einem an der Haltevorrichtung (2) befestigten Multifunktionsglas (3, 4), das einen ersten Einkoppelbereich (12) und einen ersten Auskoppelbereich (13) aufweist, wobei das erzeugte Bild über den ersten Einkoppelbereich (12) in das Multifunktionsglas (3) eingekoppelt, im Multifunktionsglas (3) bis zum ersten Auskoppelbereich (13) geführt und über den ersten Auskoppelbereich (13) so ausgekoppelt wird, daß der Benutzer im auf dem Kopf aufgesetzten Zustand der Haltevorrichtung (2) das ausgekoppelte Bild als virtuelles Bild wahrnehmen kann, dadurch gekennzeichnet, daß das Multifunktionsglas (3) zumindest einen weiteren Auskoppelbereich (60, 61) aufweist, der relativ zum ersten Auskoppelbereich (13) versetzt ist, wobei die Einkoppelrichtung und/oder der Einkoppelort des erzeugten Bildes einstellbar ist und in Abhängigkeit davon das erzeugte Bild vom ersten Auskoppelbereich (13) oder vom weiteren Auskoppelbereich (60, 61) als das virtuelle Bild ausgekoppelt wird.
Anzeigevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erzeugte Bild entweder nur vom ersten Auskoppelbereich (13) oder nur vom weiteren Auskoppelbereich (60, 61) ausgekoppelt wird.
Anzeigevorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere Auskoppelbereich (60, 61) den ersten Auskoppelbereich teilweise überlappt.
Anzeigevorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere Auskoppelbereich (60, 61) nicht mit dem ersten Auskoppelbereich überlappt.
Anzeigevorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Bildgeber (5) zur Einstellung der Einkoppelrichtung um eine Achse kippbar ist.
Anzeigevorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Bildgeber (5) zur Einstellung des Einkoppelortes entlang einer Achse verschiebbar ist.
Anzeigevorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, gekennzeichnet durch eine Fixiereinheit, die die eingestellte Stellung des Bildgebers (5) fixiert.
Anzeigevorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Einkoppelbereich (12) sowie der erste und der weitere Auskoppelbereich (13, 60, 61) an der – im auf dem Kopf aufgesetzten Zustand der Haltevorrichtung (2) – dem Auge des Benutzers abgewandter Vorderseite (11) des Multifunktionsglases (3) ausgebildet sind.
Anzeigevorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Einkoppelbereich, der erste Auskoppelbereich und/oder der weitere Auskoppelbereich jeweils als Fresnel-Struktur ausgebildet sind/ist.
Anzeigevorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweilige Fresnel-Struktur eine abbildende Eigenschaft aufweist und eine Strahlungsfaltung bewirkt.
Anzeigevorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und/oder der weitere Auskoppelbereich als Fresnel-Struktur, insbesondere als nicht zusammenhängende Fresnel-Struktur, ausgebildet sind/ist.