DE102011007811A1 - Anzeigevorrichtung - Google Patents
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Abstract
einer auf den Kopf eines Benutzers aufsetzbaren Haltevorrichtung (2),
einem an der Haltevorrichtung (2) befestigten Bildgeber (5) zur Erzeugung eines Bildes,
einer Steuereinheit (6) zur Steuerung des Bildgebers (5) und
einem an der Haltevorrichtung (2) befestigten Multifunktionsglas (3, 4), das einen Einkoppelbereich (10) und einen Auskoppelbereich (11) aufweist, wobei das erzeugte Bild über den Einkoppelbereich (10) in das Multifunktionsglas (3) eingekoppelt, im Multifunktionsglas (3) bis zum Auskoppelbereich (11) geführt und über den Auskoppelbereich (11) so ausgekoppelt wird, daß es der Benutzer im auf dem Kopf aufgesetzten Zustand der Haltevorrichtung (2) wahrnehmen kann,
wobei
sowohl der Einkoppelbereich (10) als auch der Auskoppelbereich (11) umlenken und abbilden, und wobei der Einkoppelbereich (10) das erzeugte Bild als Zwischenbild in eine im Multifunktionsglas (3) liegende Zwischenbildebene (13) abbildet.
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anzeigevorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruchs 1.
- Bei einer solchen Vorrichtung besteht aufgrund der Führung des erzeugten Bildes im Multifunktionsglas häufig die Schwierigkeit, daß der Einkoppelbereich aufgrund der gewünschten Abbildungseigenschaften der Anzeigevorrichtung eine vorbestimmte Mindestgröße aufweisen muß, wodurch Lichtbündel des erzeugten Bildes, die bereits mittels des Einkoppelbereiches in das Multifunktionsglas eingekoppelt sind und in diesem geführt werden, zur Führung auf einen anderen Abschnitt des Einkoppelbereiches treffen. In diesem anderen Abschnitt müßte der Einkoppelbereich dann dieses Lichtbündel führen und gleichzeitig ein anderes Lichtbündel des erzeugten Bildes, das auf diesen Abschnitt trifft, in das Multifunktionsglas einkoppeln. Diese optische Doppelfunktion kann jedoch im selben Abschnitt nicht erreicht werden.
- Um eine solche unerwünschte Bündelüberlappung auszuschließen, könnten man die Größe des Bildgebers reduzieren, so daß die Lichtbündel des vom Bildgeber erzeugten Bildes am Einkoppelbereich insgesamt eine geringere Gesamtausdehnung aufweisen. Dies führt jedoch nachteilig zu einer Reduzierung der darstellbaren Information bzw. einer entsprechenden Verkleinerung des sichtbaren Bildes.
- Alternativ könnte man die Dicke des Multifunktionsglases so weit vergrößern, daß dadurch keine überlappenden Bündel auftreten. Dies führt jedoch nachteilig zu einer Reduzierung des Tragekomforts der Anzeigevorrichtung.
- Auch könnte man die Anzeigevorrichtung so auslegen, daß die Bündelquerschnitte reduziert sind und die Bündel näher aneinander liegen, wodurch wiederum die Ausdehnung des Einkoppelbereiches geringer gewählt werden kann. Eine Reduzierung der Bündelquerschnitte bedeutet jedoch eine Reduzierung des Durchmessers der Austrittspupille. Dies führt nachteilig zu Schwierigkeiten bei der Ausrichtung der Austrittspupille zum Auge des Benutzers. Ferner wird bei heller Umgebung die Erkennbarkeit der dargestellten Informationen eingeschränkt.
- Ausgehend davon ist es Aufgabe der Erfindung, eine Anzeigevorrichtung der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß die oben beschriebenen Schwierigkeiten so gut wie vollständig überwunden werden können.
- Die Aufgabe wird bei einer Anzeigevorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß sowohl der Einkoppelbereich als auch der Auskoppelbereich umlenken und abbilden, wobei der Einkoppelbereich das erzeugte Bild als Zwischenbild in eine im Multifunktionsglas liegende Zwischenbildebene abbildet.
- Dies führt in vorteilhafter Weise zu einer Reduzierung der Bündelquerschnitte des erzeugten Bildes im Bereich des Einkoppelbereiches, ohne daß dadurch die Abbildungsqualität der Anzeigevorrichtung verschlechtert werden würde. Aufgrund der reduzierten Bündelquerschnitte und des Verlaufes der eingekoppelten Bündel aufgrund der Zwischenabbildung kann ferner sicher eine unerwünschte Bündelüberlappung im Bereich des Einkoppelbereiches verhindert werden.
- Bei der erfindungsgemäßen Anzeigevorrichtung kann der Auskoppelbereich das Zwischenbild so abbilden, daß es der Benutzer im auf dem Kopf aufgesetzten Zustand der Haltevorrichtung als virtuelles Bild wahrnehmen kann.
- Ferner kann der Einkoppelbereich und/oder der Auskoppelbereich an einer Materialgrenzfläche des Multifunktionsglases ausgebildet sein. Damit wird die Herstellung des Multifunktionsglases leichter.
- Der Einkoppelbereich und/oder der Auskoppelbereich kann als Fresnel-Struktur, insbesondere als nicht zusammenhängende Fresnel-Struktur, ausgebildet sein. Es ist jedoch auch jede andere Art der Ausbildung von Einkoppelbereich und/oder Auskoppelbereich möglich, wie z. B. die Ausbildung als Gitter.
- Wesentlich ist, daß sowohl der Einkoppelbereich als auch der Auskoppelbereich umlenken und somit eine Strahlengangfaltung bewirken sowie eine abbildende Eigenschaft aufweisen.
- Der Einkoppelbereich und/oder der Auskoppelbereich kann an der – im auf dem Kopf aufgesetzten Zustand der Haltevorrichtung – dem Benutzer abgewandten Seite des Multifunktionsglases ausgebildet sein.
- Natürlich ist es auch möglich, daß der Einkoppelbereich und/oder der Auskoppelbereich an der – im auf dem Kopf aufgesetzten Zustand der Haltevorrichtung – dem Benutzer zugewandten Seite des Multifunktionsglases ausgebildet ist.
- Ferner kann das Bild im Multifunktionsglas durch innere Totalreflexion geführt werden.
- Bevorzugt weist das Multifunktionsglas eine Vorderseite und eine Rückseite auf, wobei zur Führung des Bildes im Multifunktionsglas Umlenkungen nur an der Vorder- und Rückseite stattfinden.
- Das Multifunktionsglas kann als planparallele Platte ausgebildet sein. Es kann jedoch auch so ausgebildet sein, daß zumindest die Vorder- oder Rückseite gekrümmt ausgebildet ist.
- Ferner kann die 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.
- Die Anzeigevorrichtung kann insbesondere in Art einer Brille ausgebildet sein. In diesem Fall kann die Haltevorrichtung als Brillengestell ausgestaltet sein. Insbesondere kann ein herkömmliches Brillenglas als Multifunktionsglas ausgebildet werden. Dazu muß im wesentlichen nur der Einkoppel- und der Auskoppelbereich im Brillenglas ausgebildet werden. Bevorzugt kann die Anzeigevorrichtung als Informationsbrille ausgebildet sein.
- Der Einkoppelbereich kann transmissiv oder reflektiv ausgebildet sein. Das gleiche gilt für den Auskoppelbereich.
- Die jeweilige Fresnel-Struktur kann mehrere Fresnel-Segmente aufweisen, wobei die optisch wirksamen Facetten der Fresnel-Segmente optisch eine gedachte optische Wirkfläche nachahmen. Die optische Wirkfläche ist insbesondere gekrümmt. Ferner kann sie keine Spiegelsymmetrie, keine Rotationssymmetrie und/oder keine Translationssymmetrie aufweisen.
- Die maximale Höhe jeder Facette ist bei der Fresnel-Struktur bevorzugt gleich groß. Sie liegt im Bereich von 5–500 μm, insbesondere im Bereich von 0,01–0,1 mm. Besonders bevorzugt ist ein Bereich von 200–300 μm sowie ein Bereich von 0,05–0,3 mm.
- Die Facettenform kann eine Näherung, insbesondere eine lineare Näherung der Form des entsprechenden Flächenabschnittes der gedachten Wirkfläche sein. Insbesondere können die Facetten im Schnitt konkav, konvex oder linear sein.
- Die Fresnel-Segmente können direkt benachbart sein, wie dies bei einer „klassischen” Fresnel-Struktur ist. Es ist jedoch möglich, daß die Fresnel-Segmente voneinander beabstandet sind, wobei zwischen ihnen dann bevorzugt der normale Verlauf der Materialgrenzfläche vorliegt.
- 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 wie das erste Multifunktionsglas. Insbesondere kann es spiegelsymmetrisch zum ersten Multifunktionsglas ausgebildet sein. Somit können bei den Augen des Benutzers Bilder dargeboten werden. Dies kann beispielsweise zu einer dreidimensionalen Bilddarstellung genutzt werden. Der zweite Bildgeber kann durch die Steuereinheit der Anzeigevorrichtung angesteuert werden.
- 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 Draufsicht des Multifunktionsglases3 samt Bildgeber5 , Steuereinheit6 und Umlenkspiegel7 ; -
3 den Strahlengang vom Bildgeber5 bis zur Austrittspupille14 in aufgefalteter Darstellung; -
4 eine Ansicht gemäß2 von einer bereits bekannten Anzeigevorrichtung; -
5 den aufgefalteten Strahlengang der bereits bekannten Anzeigevorrichtung gemäß4 ; -
6 eine vergrößerte Detailansicht des Einkoppelbereiches10 des Multifunktionsglases3 gemäß2 ; -
7 eine entsprechende Darstellung gemäß6 von einer bereits bekannten Anzeigevorrichtung; -
8 eine perspektivische Ansicht eines Teils der ersten Fresnel-Struktur des Multifunktionsglases der Anzeigevorrichtung von1 ; -
9 den Verlauf der optischen Wirkfläche, der mit der ersten Fresnel-Struktur gemäß8 nachgebildet ist; -
10 eine Draufsicht der ersten Fresnel-Struktur gemäß8 ; -
11 einen xz-Schnitt der Wirkfläche108 ; -
12 eine vergrößerte Darstellung des Details CC von11 ; -
13 –16 verschiedene Profilformen der Fresnel-Struktur10 der erfindungsgemäßen Anzeigevorrichtung; -
17 eine Darstellung einer optischen Wirkfläche, die auf einer gekrümmten Grundfläche optisch gleichwirkend als Fresnel-Struktur umgesetzt wird; -
18 –19 Schnittansichten der ersten Fresnel-Struktur an der gekrümmten Vorderseite des Multifunktionsglases; -
20 eine Schnittansicht einer kompletten Facette105 der Fresnel-Struktur10 des Multifunktionsglases3 von1 ; -
21 eine Abwandlung der Facette105 von20 ; -
22 eine weitere Abwandlung der Facette105 von20 ; -
23 eine Schnittansicht einer weiteren Ausbildung der ersten Fresnel-Struktur; -
24 eine Schnittansicht der Ausbildung der Fresnel-Struktur als nicht zusammenhängende Fresnel-Struktur; -
25 eine Schnittansicht der zweiten Fresnel-Struktur11 , und -
26 eine schematische Draufsicht auf die zweite Fresnel-Struktur11 . - Bei der in
1 gezeigten Ausführungsform umfaßt die erfindungsgemäße Anzeigevorrichtung1 eine auf dem Kopf eines Benutzers aufsetzbare Haltevorrichtung2 , die z. B. in Art einer herkömmlichen Brille ausgebildet sein kann, sowie ein erstes und ein zweites Multifunktionsglas3 ,4 , die an der Haltevorrichtung2 befestigt sind. Die äußere Form der Multifunktionsgläser3 ,4 kann der üblicher Brillengläser entsprechen. - Wie am besten aus der vergrößerten Draufsicht im Bereich des rechten Multifunktionsglases
3 (wobei die Haltevorrichtung2 nicht dargestellt ist) in2 ersichtlich ist, umfaßt die Anzeigevorrichtung1 ferner einen Bildgeber5 , eine Steuereinheit6 zur Steuerung des Bildgebers5 sowie einen planen Umlenkspiegel7 . Der Bildgeber5 , die Steuereinheit6 sowie der Umlenkspiegel7 sind in1 lediglich schematisch als Block mit dem Bezugszeichen8 eingezeichnet. - Wie wiederum aus
2 ersichtlich ist, weist das erste Multifunktionsglas3 auf seiner Vorderseite9 eine erste Fresnel-Struktur10 sowie seitlich davon beabstandet eine zweite Fresnel-Struktur11 auf. Die erste Fresnel-Struktur10 dient zum Einkoppeln des vom Bildgeber5 kommenden Lichtes in das Multifunktionsglas3 und kann daher auch als Einkoppelbereich bezeichnet werden, und die zweite Fresnel-Struktur11 dient zum Auskoppeln des von der ersten Fresnel-Struktur10 in das Multifunktionsglas3 eingekoppelten und in diesem bis zur zweiten Fresnel-Struktur11 geführten Lichtes, so daß die zweite Fresnel-Struktur11 auch als Auskoppelbereich bezeichnet werden kann. - Der Bildgeber
5 wird im Betrieb der Anzeigevorrichtung1 von der Steuereinheit6 angesteuert, um ein gewünschtes Bild zu erzeugen. Das Licht vom Bildgeber5 wird vom Umlenkspiegel7 zur Rückseite12 des ersten Multifunktionsglases3 reflektiert und tritt über die Rückseite12 in das Multifunktionsglas3 ein. An der ersten Fresnel-Struktur10 findet eine Umlenkung sowie eine Abbildung statt, so daß der Bildgeber5 in eine im Multifunktionsglas3 zwischen beiden Fresnel-Strukturen10 ,11 liegende Zwischenbildebene13 abgebildet wird, wodurch auch das mittels des Bildgebers5 erzeugte Bild als Zwischenbild in die Zwischenbildebene13 abgebildet wird. - Dieses Zwischenbild wird in dem Multifunktionsglas
3 bis zu der zweiten Fresnel-Struktur11 geführt und von dieser durch Umlenkung und Abbildung nach unendlich oder in eine für den Benutzer angenehme Entfernung abgebildet, so daß der Benutzer an der Austrittspupille14 der Anzeigevorrichtung1 das mittels des Bildgebers5 erzeugte Bild als virtuelles Bild wahrnehmen kann. Wenn der Benutzer die Haltevorrichtung2 auf seinem Kopf trägt, ist das rechte Auge des Benutzers im Bereich der Austrittspupille15 positioniert, so daß die beschriebene Wahrnehmung als virtuelles Bild möglich ist. - In
3 ist der Strahlengang vom Bildgeber5 bis zur Austrittspupille14 ohne Umlenkungen und Totalreflexionen dargestellt und somit aufgefaltet. - Mit der erfindungsgemäßen Ausbildung der Anzeigevorrichtung
1 können die Bündelquerschnitte der vom Bildgeber5 kommenden Lichtbündel (von denen in2 und3 jeweils drei Lichtbündel B1, B2, B3 exemplarisch eingezeichnet sind) im Bereich der Einkopplung in das erste Multifunktionsglas3 und somit an der ersten Fresnel-Struktur10 gegenüber bisher bekannten Lösungen deutlich reduziert werden, wodurch der freie Durchmesser D der einkoppelnden Fresnel-Struktur10 bei sonst gleichen Abmessungen von Bildgeber5 , Austrittspupille14 und Blickwinkel a im Vergleich zu bisher bekannten Anzeigevorrichtungen gleicher Art deutlich verringert ist. Dies kann insbesondere auch aus einem Vergleich mit den Darstellungen gemäß4 und5 entnommen werden, die eine dem Anmelder bekannte Anzeigevorrichtung zeigt, bei der mittels einer ersten Fresnel-Struktur10' kein Zwischenbild im Multifunktionsglas3' erzeugt wird. Dabei entspricht die Darstellung in -
4 der Darstellung in2 und die Darstellung in5 der Darstellung in3 . Bei der bisher bekannten Anzeigevorrichtung ist der freie Durchmesser D' der ersten Fresnel-Struktur10' deutlich größer als der freie Durchmesser D bei der erfindungsgemäßen Anzeigevorrichtung. - Ferner ist aus der Darstellung in
4 noch ersichtlich, daß bei der bisher bekannten Anzeigevorrichtung die Schwierigkeit auftritt, daß im Bereich15 der ersten Fresnel-Struktur10' eine unerwünschte Überlappung stattfindet, da das erste Bündel B1 umgelenkt werden muß, um in das Multifunktionsglas3' eingekoppelt zu werden, während ein bereits eingekoppeltes drittes Bündel B3 in diesem Bereich durch innere Totalreflexion in dem Multifunktionsglas3' geführt werden muß. Beides ist zugleich am selben Ort jedoch nicht möglich. - Vergrößerte Ansichten der Multifunktionsgläser
3 ,3' mit der ersten Fresnel-Struktur10 ,10' sind in6 und7 gezeigt, wobei6 die erfindungsgemäße Lösung darstellt und7 die der bisher bekannten Anzeigevorrichtung. Auch hier ist deutlich ersichtlich, daß die Ausdehnung D' der ersten Fresnel-Struktur10' bei der bisher bekannten Anzeigevorrichtung gemäß7 deutlich größer gewählt werden muß im Vergleich zu der Ausdehnung D der ersten Fresnel-Struktur10 bei der erfindungsgemäßen Ausbildung gemäß6 . - Ferner ist
7 deutlich zu entnehmen, daß im Bereich15 das dritte Bündel B3 mittels Totalreflexion im Multifunktionsglas3' geführt werden muß, was aber wegen der Einkopplung des ersten Bündels B1 durch die erste Fresnel-Struktur10 nicht möglich ist. Diese Schwierigkeit ist bei der erfindungsgemäßen Anzeigevorrichtung1 dadurch behoben, daß die erste Fresnel-Struktur10 die beschriebene Zwischenabbildung durchführt, wodurch die in6 gezeigten Strahlverläufe vorliegen. - Bei der erfindungsgemäßen Anzeigevorrichtung ähnelt die prinzipielle optische Funktion der eines Mikroskopes, wohingegen bei der bereits bekannten Anzeigevorrichtung die prinzipielle optische Funktion der einer Lupe ähnelt.
- Da somit nicht mehr in unerwünschter Weise im Bereich der ersten Fresnel-Struktur
10 überlappende Bündel B1–B3 auftreten, kann ferner die Dicke des Multifunktionsglases3 im Vergleich zu bekannten Lösungen deutlich reduziert werden. - Nachfolgend wird ein Beispiel der Ausbildung der ersten Fresnel-Struktur
10 beschrieben. Die zweite Fresnel-Struktur11 kann in gleicher Weise ausgebildet werden, wobei aber nachfolgend im wesentlichen nur auf die erste Fresnel-Struktur10 Bezug genommen wird. In8 ist eine vergrößerte Darstellung der Vorderseite9 im Bereich der ersten Fresnel-Struktur10 gezeigt. Die erste Fresnel-Struktur10 weist auf der Vorderseite9 mehrere Fresnel-Segmente104 auf. - Jedes Fresnel-Segment
104 weist eine optisch wirksame Facette105 auf, die hier verspiegelt sind. Um die in8 gezeigte Stufenform zu erzielen, umfaßt in der Regel jedes Fresnel-Segment105 noch eine Flanke106 . - Die gemeinsame optische Wirkung der Facetten
105 entspricht einer gedachten optischen Wirkfläche108 , wie sie in9 gezeigt ist, wobei die optische Wirkfläche108 hier gekrümmt ist. Sie kann ferner, muß aber nicht, keine Spiegel- und/oder keine Rotationssymmetrie aufweisen. Wie aus dem Vergleich der8 und9 leicht ersichtlich ist, ist die Darstellung in9 um 90° um die z-Achse gegenüber der Darstellung in8 gedreht. Die gedachte optische Wirkfläche108 kann wie folgt als erste Fresnel-Struktur10 gemäß8 umgesetzt werden. - Die Wirkfläche
108 wird in z-Richtung in Abschnitte gleicher Höhe Δh geteilt. Dadurch ergeben sich Schnittlinien109 , die auch als Höhenlinien bezeichnet werden können und die jeweils einen Flächenabschnitt110 der Wirkfläche108 begrenzen. Die Flächenabschnitte110 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 Facette105 auf gleicher Höhe (in z-Richtung) liegen. Von der jeweiligen oberen Schnittlinie der Flächenabschnitte110 und somit dem oberen Rand der Facette105 wird dann die senkrechte Flanke106 bis zur unteren Schnittlinie des direkt benachbarten Flächenabschnittes110 geführt, um zu der gestuften Ausbildung der Fresnel-Struktur10 gemäß8 zu gelangen. In der Draufsicht in10 der ersten Fresnel-Struktur10 von8 sind die oberen Ränder zu sehen. - Die durchzuführenden Schritte, um von der gedachten optischen Wirkfläche
108 , die gekrümmt ist und beispielsweise keine Spiegel- und/oder keine Rotationssymmetrie aufweist, zu der gewünschten ersten Fresnel-Struktur10 zu gelangen, werden nachfolgend in Verbindung mit11 im Detail erläutert, in der ein xz-Schnitt der Wirkfläche108 gezeigt ist, die verschieden ist zur Wirkfläche108 von9 , aber gekrümmt ist und keine Spiegel- und/oder keine Rotationssymmetrie aufweist. Die Aufteilung in Flächenabschnitte110 (in der Schnittdarstellung von11 sind diese Flächenabschnitte natürlich Linienabschnitte) gleicher Höhe ist durch die gestrichelten Schnittlinien in11 dargestellt. - In der vergrößerten Darstellung des Details CC in
12 ist ersichtlich, daß der gezeigte Flächenabschnitt110 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 Flächenelementes110 die Flanke106 hinzugefügt, die sich senkrecht zur Höhe z0 erstreckt. Auf der Höhe z0 liegt somit eine ebene Grundfläche111 , auf der die erste Fresnel-Struktur10 ausgebildet ist. Die Grundfläche111 kann jedoch auch gekrümmt sein. - Für die erste Fresnel-Struktur
10 läßt sich somit die nachfolgende Formel 1 aufstellen, wobei zF die Fresnel-Struktur10 , zGrundfläche die Flächenform der Grundfläche111 (hier eine Ebene), auf der die Fresnel-Struktur10 aufgebracht ist, und zFacette die Fresnel-Facetten105 relativ zur Grundfläche beschreibt:zF = zGrundfläche + zFacette (1) - Die Fläche zFacette der Facetten, die auch als ”gefresnelte” Freiformfläche bezeichnet werden kann, berechnet sich nach der folgenden Formel 2
zFacette = modulo(zWirkfläche, Δh) (2), 108 durch die nachfolgende Flächenformel zWirkfläche 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 Wirkfläche108 in z-Richtung in Abständen mit gleicher Höhe Δh geteilt. Somit ist die maximale Höhe der Facetten105 jeweils Δh. Die verwendete Modulo-Funktion ist nachfolgend angegeben wobei die Gaußklammer⌊ a / m⌋ - Gemäß dem oben beschriebenen Vorgehen kann basierend auf einer gewünschten optischen Wirkfläche
108 , die entsprechende Fresnel-Struktur10 abgeleitet werden, die die entsprechende optische Wirkung bereitstellt. Aufgrund der Stufenform kann zwar mit der Fresnel-Struktur10 nicht exakt dieselbe optische Wirkung erreicht werden, die eine Grenzfläche hätte, die gemäß der Freiformfläche108 ausgebildet ist, jedoch wird eine vergleichbare optische Wirkung erreicht. - Wie den Darstellungen in
11 und12 zu entnehmen ist, weisen die Facetten105 die durch die Freiformfläche108 im Höhenbereich Δh vorgegebenen Krümmungen auf. Um die Herstellung der Fresnel-Struktur10 zu vereinfachen, ist es möglich, den Verlauf der einzelnen Facetten105 an die entsprechende Flächenform der Freiformflächen anzunähern. Im einfachsten Falle kann der Verlauf linearisiert werden, wie in der Schnittansicht von13 schematisch dargestellt ist. Es ist jedoch auch möglich, die Facetten mit einer konvexen Krümmung (14 ) oder einer konkaven Krümmung (15 ) zu versehen. Auch eine Näherung durch einen anderen Krümmungsverlauf ist möglich, wie dies beispielsweise in16 angedeutet ist. - In
17 ist ein Beispiel gezeigt, bei der die mittels der Fresnel-Struktur10 nachzustellende optische Wirkfläche108 gegenüber der sphärisch gekrümmten Vorderseite9 stark gekippt ist. Auch in diesem Fall ist es keine Problem, die Wirkfläche108 als Fresnel-Struktur10 auf der Vorderseite9 auszubilden, ohne daß die makroskopische Form der Vorderseite9 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
18 ist eine Schnittansicht der Fresnel-Struktur10 an der gekrümmten Vorderseite9 gezeigt, bei der die Facetten105 jeweils linear ausgebildet sind. Die einzelnen Flanken106 sind zueinander parallel ausgerichtet, wobei der ursprüngliche Verlauf der Vorderseite9 noch schematisch eingezeichnet ist. Bei dieser Ausführungsform wurde in Abwandlung von Formel 1 die Facettenfunktion zFacette von der Grundflächenfunktion zGrundfläche abgezogen, so daß die Fresnel-Struktur10 wie folgt beschreibbar ist:zF = zGrundfläche – zFacette (12). - Diese Art der Berechnung von zF ist natürlich auch bei allen bereits beschriebenen Ausführungsformen sowie bei allen noch nachfolgenden Ausführungsformen möglich.
- In
19 ist eine Abwandlung des Profils von18 gezeigt, das sich im wesentlichen darin unterscheidet, daß die Flanken106 im Schnitt nicht mehr zueinander parallel orientiert sind, sondern radial zum nicht gezeigten Mittelpunkt der Vorderseite9 . - In
20 ist eine Schnittansicht einer kompletten Facette105 der Fresnel-Struktur10 gezeigt. Wie aus der Darstellung ersichtlich ist, weist die Facette105 eine Verspiegelung V auf, damit die gewünschte Strahlenumlenkung der Lichtstrahlen des Bildgebers5 stattfindet. - In
21 ist eine Abwandlung gezeigt, bei der freie Bereiche, der aufgrund der Neigung der Facette105 relativ zur Vorderseite9 des Multifunktionsglases3 gebildet ist, mit Material134 bis zur Vorderseite9 aufgefüllt ist. Die Auffüllung ist bevorzugt so durchgeführt, daß eine glatte, durchgehende Vorderseite9 gebildet ist. Als Material134 kann insbesondere das gleiche Material wie für das Multifunktionsglas3 selbst verwendet werden. - Es ist jedoch auch möglich, die Fresnel-Struktur
10 so auszulegen, daß die Umlenkung der Lichtstrahlen des Bildgebers5 durch innere Totalreflexion erfolgt, so daß eine Verspiegelung nicht mehr notwendig ist, wie in22 angedeutet ist. - In
23 ist eine Schnittansicht einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Fresnel-Struktur10 gezeigt. Bei dieser Fresnel-Struktur10 erstrecken sich die Flanken106 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-Struktur10 . Jedoch ist es bevorzugt, wenn der Neigungswinkel der Flanken106 möglichst klein ist, so daß sie quasi senkrecht verlaufen. - Alle bisher beschriebenen Fresnel-Strukturen
10 waren zusammenhängende Fresnel-Strukturen. Darunter wird hier verstanden, daß die einzelnen Fresnel-Facetten105 stets durch die Flanken106 miteinander verbunden sind. Es ist jedoch auch möglich, die Fresnel-Facetten105 voneinander beabstandet vorzusehen und zwischen den einzelnen Fresnel-Facetten105 Abschnitte123 einzufügen, die beispielsweise Abschnitte123 der Vorderseite9 sein können. Dies kann einfach dadurch realisiert werden, daß von der ermittelten Fresnel-Fläche zF Bereiche bzw. Abschnitte durch den Verlauf der Grundfläche zGrundfläche in diesen Abschnitten ersetzt werden. Ein Profil einer solchen Fresnel-Struktur10 ist in24 schematisch angedeutet. - Wenn man die Fresnel-Facetten
105 verspiegelt, kann auf diese Art beispielsweise die zweite Fresnel-Struktur11 bereitgestellt werden, wie in der vergrößerten Schnittansicht in25 dargestellt ist. Mit der zweiten Fresnel-Struktur11 kann das vom Bildgeber5 kommende Strahlenbündel BS mit einem zweiten Strahlenbündel US zu einem gemeinsamen Strahlenbündel GS überlagert werden. Wie der Darstellung in25 entnommen werden kann, sind die Fresnel-Facetten105 gegenüber der Normalen der Vorderseite9 so gekippt, daß der Teil des ersten Strahlenbündels BS (auch als Bildstrahlenbündel BS bezeichnet), der auf die jeweilige Fresnel-Facette105 trifft, nach rechts als Bildteilstrahl BS' umgelenkt wird. Der restliche Teil des Bildstrahlenbündels BS, der nicht auf die Fresnel-Facetten105 trifft, wird an der Vorderseite9 so reflektiert und/oder transmittiert, daß er nicht Teil des gemeinsamen Strahlenbündels GS wird. - Der Teil des Umgebungsstrahlenbündels US, der (in
25 von links) auf die Rückseite der Fresnel-Facetten105 trifft, wird von den Fresnel-Facetten105 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 Bereiche123 zwischen den Fresnel-Facetten105 hindurch. - Die nicht zusammenhängende Fresnel-Struktur
11 gemäß24 bewirkt somit eine Überlagerung des durch die transmissiven Bereiche123 hindurchtretenden Teils US' des Umgebungsstrahlenbündels US mit dem an den Fresnel-Facetten105 reflektierten Teil BS' des Bildstrahlenbündels BS zu einem gemeinsamen Strahlenbündel GS. - Bevorzugt kann die zweite Fresnel-Struktur
11 mehrere voneinander beabstandete Fresnel-Abschnitte140 aufweisen, die gemäß25 oder auch in gleicher Weise wie die erste Fresnel-Struktur10 ausgebildet sind. Die Fresnel-Abschnitte140 können, wie in der schematischen Draufsicht in26 auf den beispielsweise rechteckigen Überlagerungsbereich129 gezeigt ist, beliebig verteilt sein. In den Bereichen dazwischen bleibt das Multifunktionsglas3 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 kannD = √ (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 (10)
- 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 (6 ) zur Steuerung des Bildgebers (5 ) und einem an der Haltevorrichtung (2 ) befestigten Multifunktionsglas (3 ,4 ), das einen Einkoppelbereich (10 ) und einen Auskoppelbereich (11 ) aufweist, wobei das erzeugte Bild über den Einkoppelbereich (10 ) in das Multifunktionsglas (3 ) eingekoppelt, im Multifunktionsglas (3 ) bis zum Auskoppelbereich (11 ) geführt und über den Auskoppelbereich (11 ) so ausgekoppelt wird, daß es der Benutzer im auf dem Kopf aufgesetzten Zustand der Haltevorrichtung (2 ) wahrnehmen kann, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl der Einkoppelbereich (10 ) als auch der Auskoppelbereich (11 ) umlenken und abbilden, wobei der Einkoppelbereich (10 ) das erzeugte Bild als Zwischenbild in eine im Multifunktionsglas (3 ) liegende Zwischenbildebene (13 ) abbildet. - Anzeigevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Auskoppelbereich (
11 ) das Zwischenbild so abbildet, daß es der Benutzer im auf dem Kopf aufgesetzten Zustand der Haltevorrichtung (2 ) als virtuelles Bild wahrnehmen kann. - Anzeigevorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Einkoppelbereich (
10 ) und/oder der Auskoppelbereich (11 ) an einer Materialgrenzfläche (9 ) des Multifunktionsglases (3 ,4 ) ausgebildet sind/ist. - Anzeigevorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Einkoppelbereich (
10 ) und/oder der Auskoppelbereich (11 ) als Fresnel-Struktur, insbesondere als nicht-zusammenhängende Fresnel-Struktur, ausgebildet sind/ist. - Anzeigevorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Einkoppelbereich (
10 ) an der im auf dem Kopf aufgesetzten Zustand der Haltevorrichtung (2 ) dem Benutzer abgewandten Seite (9 ) des Multifunktionsglases (3 ) ausgebildet ist. - Anzeigevorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Auskoppelbereich (
11 ) an der im auf dem Kopf aufgesetzten Zustand der Haltevorrichtung (2 ) dem Benutzer abgewandten Seite (9 ) des Multifunktionsglases (3 ) ausgebildet ist. - Anzeigevorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Bild im Multifunktionsglas (
3 ) durch innere Totalreflexion geführt wird. - Anzeigevorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Multifunktionsglas (
3 ) eine Vorderseite (9 ) und eine Rückseite (12 ) aufweist, wobei zur Führung des Bildes im Multifunktionsglas (3 ) Umlenkungen nur an der Vorder- und Rückseite (9 ,12 ) stattfinden. - Anzeigevorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die Vorder- oder Rückseite (
9 ,12 ) gekrümmt ausgebildet ist. - Anzeigevorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Benutzer im auf dem Kopf aufgesetzten Zustand der Haltevorrichtung (
2 ) das ausgekoppelte Bild in Überlagerung mit der Umgebung wahrnehmen kann.
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