DE102011007811B4

DE102011007811B4 - Anzeigevorrichtung

Info

Publication number: DE102011007811B4
Application number: DE102011007811.8A
Authority: DE
Inventors: Hans-Jürgen Dobschal; Günter Rudolph; Karsten Lindig
Original assignee: Carl Zeiss AG
Current assignee: Tooz Technologies GmbH
Priority date: 2011-04-20
Filing date: 2011-04-20
Publication date: 2015-10-22
Anticipated expiration: 2031-04-21
Also published as: DE102011007811A1

Abstract

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, wobei sowohl der Einkoppelbereich (10) als auch der Auskoppelbereich (11) abbilden und umlenken und somit eine Strahlengangfaltung bewirken und wobei der Einkoppelbereich (10) das erzeugte Bild als Zwischenbild in eine im Multifunktionsglas (3) liegende Zwischenbildebene (13) abbildet, dadurch gekennzeichnet, daß der Einkoppelbereich (10) und/oder der Auskoppelbereich (11) als Fresnel-Struktur mit Facetten (105) an einer Materialgrenzfläche (9) des Multifunktionsglases (3, 4) ausgebildet sind/ist und die Facetten (105) eine Verspiegelung (V) aufweisen, um die Umlenkung der Lichtstrahlen des Bildgebers (5) zu bewirken, wobei freie Bereiche, die aufgrund der Neigung der Facetten relativ zur Vorderseite des Multifunktionsglases (3) gebildet sind, mit Material (134) bis zur Vorderseite aufgefüllt sind.

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.
Eine Anzeigevorrichtung der eingangs genannten Art ist aus der US 7,843,638 B2 bekannt.
Aus der DE 602 24 635 T2 , der EP 2 246 728 A1 und DE 10 2007 004 444 A1 ist jeweils eine Anzeigevorrichtung mit einer auf den Kopf eines Benutzers aufsetzbaren Haltevorrichtung, einem an der Haltevorrichtung befestigten Bildgeber zur Erzeugung eines Bildes, einer Steuereinheit zur Steuerung des Bildgebers und einem an der Haltevorrichtung befestigten Multifunktionsglas bekannt, das einen Einkoppelbereich und einen Auskoppelbereich aufweist, wobei das erzeugte Bild über den Einkoppelbereich in das Multifunktionsglas eingekoppelt, im Multifunktionsglas bis zum Auskoppelbereich geführt und über den Auskoppelbereich so ausgekoppelt wird, dass es der Benutzer im auf dem Kopf aufgesetzten Zustand der Haltevorrichtung wahrnehmen kann.
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 mit einer Anzeigevorrichtung der eingangs genannten Art gelöst, die die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 aufweist.
Damit wird z. B. die Haltbarkeit des Multifunktionsglases erhöht, da die Facetten aufgrund der Materialauffüllung vor Umwelteinflüssen oder vor mechanischen Beschädigungen geschützt sind.
Ferner wird die Herstellung des Multifunktionsglases leichter, weil der Einkoppelbereich und/oder der Auskoppelbereich an einer Materialgrenzfläche des Multifunktionsglases ausgebildet sind/ist.
Da 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, wird in vorteilhafter Weise eine Reduzierung der Bündelquerschnitte des erzeugten Bildes im Bereich des Einkoppelbereiches erreicht, 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.
Insbesondere können die freien Bereiche mit dem Material so aufgefüllt sein, daß eine glatte, durchgehende Seite gebildet ist.
Der Einkoppelbereich und/oder der Auskoppelbereich kann als nicht zusammenhängende Fresnel-Struktur ausgebildet sein.
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, wobei die erfindungsgemäße Ausbildung der Facetten der Fresnel-Struktur des Einkoppel- und/oder Auskoppelbereiches des Multifunktionsglases der erfindungsgemäßen Anzeigevorrichtung in Verbindung mit 21 beschrieben ist. Die anderen beschriebenen Fresnel-Strukturen weisen Merkmale auf, die bei der erfindungsgemäßen Anzeigevorrichtung vorgesehen werden können, und dienen ferner zum besseren Verständnis der Erfindung. Es zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anzeigevorrichtung;
2 eine vergrößerte Draufsicht des Multifunktionsglases 3 samt Bildgeber 5, Steuereinheit 6 und Umlenkspiegel 7;
3 den Strahlengang vom Bildgeber 5 bis zur Austrittspupille 14 in aufgefalteter Darstellung;
4 eine Ansicht gemäß 2 von einer bereits bekannten Anzeigevorrichtung;
5 den aufgefalteten Strahlengang der bereits bekannten Anzeigevorrichtung gemäß 4;
6 eine vergrößerte Detailansicht des Einkoppelbereiches 10 des Multifunktionsglases 3 gemäß 2;
7 eine entsprechende Darstellung gemäß 6 von einer bereits bekannten Anzeigevorrichtung;
8 eine perspektivische Ansicht eines Teils der ersten Fresnel-Struktur des Multifunktionsglases der Anzeigevorrichtung von 1;
9 den Verlauf der optischen Wirkfläche, der mit der ersten Fresnel-Struktur gemäß 8 nachgebildet ist;
10 eine Draufsicht der ersten Fresnel-Struktur gemäß 8;
11 einen xz-Schnitt der Wirkfläche 108;
12 eine vergrößerte Darstellung des Details CC von 11;
13–16 verschiedene Profilformen der Fresnel-Struktur 10 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 Facette 105 der Fresnel-Struktur 10 des Multifunktionsglases 3 von 1;
21 eine Abwandlung der Facette 105 von 20;
22 eine weitere Abwandlung der Facette 105 von 20;
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-Struktur 11, und
26 eine schematische Draufsicht auf die zweite Fresnel-Struktur 11.
Bei der in 1 gezeigten Ausführungsform umfaßt die erfindungsgemäße Anzeigevorrichtung 1 eine auf dem Kopf eines Benutzers aufsetzbare Haltevorrichtung 2, die z. B. in Art einer herkömmlichen Brille ausgebildet sein kann, sowie ein erstes und ein zweites Multifunktionsglas 3, 4, die an der Haltevorrichtung 2 befestigt sind. Die äußere Form der Multifunktionsgläser 3, 4 kann der üblicher Brillengläser entsprechen.
Wie am besten aus der vergrößerten Draufsicht im Bereich des rechten Multifunktionsglases 3 (wobei die Haltevorrichtung 2 nicht dargestellt ist) in 2 ersichtlich ist, umfaßt die Anzeigevorrichtung 1 ferner einen Bildgeber 5, eine Steuereinheit 6 zur Steuerung des Bildgebers 5 sowie einen planen Umlenkspiegel 7. Der Bildgeber 5, die Steuereinheit 6 sowie der Umlenkspiegel 7 sind in 1 lediglich schematisch als Block mit dem Bezugszeichen 8 eingezeichnet.
Wie wiederum aus 2 ersichtlich ist, weist das erste Multifunktionsglas 3 auf seiner Vorderseite 9 eine erste Fresnel-Struktur 10 sowie seitlich davon beabstandet eine zweite Fresnel-Struktur 11 auf. Die erste Fresnel-Struktur 10 dient zum Einkoppeln des vom Bildgeber 5 kommenden Lichtes in das Multifunktionsglas 3 und kann daher auch als Einkoppelbereich bezeichnet werden, und die zweite Fresnel-Struktur 11 dient zum Auskoppeln des von der ersten Fresnel-Struktur 10 in das Multifunktionsglas 3 eingekoppelten und in diesem bis zur zweiten Fresnel-Struktur 11 geführten Lichtes, so daß die zweite Fresnel-Struktur 11 auch als Auskoppelbereich bezeichnet werden kann.
Der Bildgeber 5 wird im Betrieb der Anzeigevorrichtung 1 von der Steuereinheit 6 angesteuert, um ein gewünschtes Bild zu erzeugen. Das Licht vom Bildgeber 5 wird vom Umlenkspiegel 7 zur Rückseite 12 des ersten Multifunktionsglases 3 reflektiert und tritt über die Rückseite 12 in das Multifunktionsglas 3 ein. An der ersten Fresnel-Struktur 10 findet eine Umlenkung sowie eine Abbildung statt, so daß der Bildgeber 5 in eine im Multifunktionsglas 3 zwischen beiden Fresnel-Strukturen 10, 11 liegende Zwischenbildebene 13 abgebildet wird, wodurch auch das mittels des Bildgebers 5 erzeugte Bild als Zwischenbild in die Zwischenbildebene 13 abgebildet wird.
Dieses Zwischenbild wird in dem Multifunktionsglas 3 bis zu der zweiten Fresnel-Struktur 11 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 Austrittspupille 14 der Anzeigevorrichtung 1 das mittels des Bildgebers 5 erzeugte Bild als virtuelles Bild wahrnehmen kann. Wenn der Benutzer die Haltevorrichtung 2 auf seinem Kopf trägt, ist das rechte Auge des Benutzers im Bereich der Austrittspupille 15 positioniert, so daß die beschriebene Wahrnehmung als virtuelles Bild möglich ist.
In 3 ist der Strahlengang vom Bildgeber 5 bis zur Austrittspupille 14 ohne Umlenkungen und Totalreflexionen dargestellt und somit aufgefaltet.
Mit der erfindungsgemäßen Ausbildung der Anzeigevorrichtung 1 können die Bündelquerschnitte der vom Bildgeber 5 kommenden Lichtbündel (von denen in 2 und 3 jeweils drei Lichtbündel B1, B2, B3 exemplarisch eingezeichnet sind) im Bereich der Einkopplung in das erste Multifunktionsglas 3 und somit an der ersten Fresnel-Struktur 10 gegenüber bisher bekannten Lösungen deutlich reduziert werden, wodurch der freie Durchmesser D der einkoppelnden Fresnel-Struktur 10 bei sonst gleichen Abmessungen von Bildgeber 5, Austrittspupille 14 und Blickwinkel α im Vergleich zu bisher bekannten Anzeigevorrichtungen gleicher Art deutlich verringert ist. Dies kann insbesondere auch aus einem Vergleich mit den Darstellungen gemäß 4 und 5 entnommen werden, die eine dem Anmelder bekannte Anzeigevorrichtung zeigt, bei der mittels einer ersten Fresnel-Struktur 10' kein Zwischenbild im Multifunktionsglas 3' erzeugt wird. Dabei entspricht die Darstellung in 4 der Darstellung in 2 und die Darstellung in 5 der Darstellung in 3. Bei der bisher bekannten Anzeigevorrichtung ist der freie Durchmesser D' der ersten Fresnel-Struktur 10' 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 Bereich 15 der ersten Fresnel-Struktur 10' eine unerwünschte Überlappung stattfindet, da das erste Bündel B1 umgelenkt werden muß, um in das Multifunktionsglas 3' eingekoppelt zu werden, während ein bereits eingekoppeltes drittes Bündel B3 in diesem Bereich durch innere Totalreflexion in dem Multifunktionsglas 3' geführt werden muß. Beides ist zugleich am selben Ort jedoch nicht möglich.
Vergrößerte Ansichten der Multifunktionsgläser 3, 3' mit der ersten Fresnel-Struktur 10, 10' sind in 6 und 7 gezeigt, wobei 6 die erfindungsgemäße Lösung darstellt und 7 die der bisher bekannten Anzeigevorrichtung. Auch hier ist deutlich ersichtlich, daß die Ausdehnung D' der ersten Fresnel-Struktur 10' bei der bisher bekannten Anzeigevorrichtung gemäß 7 deutlich größer gewählt werden muß im Vergleich zu der Ausdehnung D der ersten Fresnel-Struktur 10 bei der erfindungsgemäßen Ausbildung gemäß 6.
Ferner ist 7 deutlich zu entnehmen, daß im Bereich 15 das dritte Bündel B3 mittels Totalreflexion im Multifunktionsglas 3' geführt werden muß, was aber wegen der Einkopplung des ersten Bündels B1 durch die erste Fresnel-Struktur 10 nicht möglich ist. Diese Schwierigkeit ist bei der erfindungsgemäßen Anzeigevorrichtung 1 dadurch behoben, daß die erste Fresnel-Struktur 10 die beschriebene Zwischenabbildung durchführt, wodurch die in 6 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 Multifunktionsglases 3 im Vergleich zu bekannten Lösungen deutlich reduziert werden.
Nachfolgend wird ein Beispiel der Ausbildung der ersten Fresnel-Struktur 10 beschrieben. Die zweite Fresnel-Struktur 11 kann in gleicher Weise ausgebildet werden, wobei aber nachfolgend im wesentlichen nur auf die erste Fresnel-Struktur 10 Bezug genommen wird. In 8 ist eine vergrößerte Darstellung der Vorderseite 9 im Bereich der ersten Fresnel-Struktur 10 gezeigt. Die erste Fresnel-Struktur 10 weist auf der Vorderseite 9 mehrere Fresnel-Segmente 104 auf.
Jedes Fresnel-Segment 104 weist eine optisch wirksame Facette 105 auf, die hier verspiegelt sind. Um die in 8 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 9 gezeigt ist, wobei die optische Wirkfläche 108 hier gekrümmt ist. Sie kann ferner, muß aber nicht, keine Spiegel- und/oder keine Rotationssymmetrie aufweisen. Wie aus dem Vergleich der 8 und 9 leicht ersichtlich ist, ist die Darstellung in 9 um 90° um die z-Achse gegenüber der Darstellung in 8 gedreht. Die gedachte optische Wirkfläche 108 kann wie folgt als erste Fresnel-Struktur 10 gemäß 8 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 10 gemäß 8 zu gelangen. In der Draufsicht in 10 der ersten Fresnel-Struktur 10 von 8 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-Struktur 10 zu gelangen, werden nachfolgend in Verbindung mit 11 im Detail erläutert, in der ein xz-Schnitt der Wirkfläche 108 gezeigt ist, die verschieden ist zur Wirkfläche 108 von 9, aber gekrümmt ist und keine Spiegel- und/oder keine Rotationssymmetrie aufweist. Die Aufteilung in Flächenabschnitte 110 (in der Schnittdarstellung von 11 sind diese Flächenabschnitte natürlich Linienabschnitte) gleicher Höhe ist durch die gestrichelten Schnittlinien in 11 dargestellt.
In der vergrößerten Darstellung des Details CC in 12 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 10 ausgebildet ist. Die Grundfläche 111 kann jedoch auch gekrümmt sein.
Für die erste Fresnel-Struktur 10 läßt sich somit die nachfolgende Formel 1 aufstellen, wobei z_F die Fresnel-Struktur 10, z_Grundfläche die Flächenform der Grundfläche 111 (hier eine Ebene), auf der die Fresnel-Struktur 10 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 10 abgeleitet werden, die die entsprechende optische Wirkung bereitstellt. Aufgrund der Stufenform kann zwar mit der Fresnel-Struktur 10 nicht exakt dieselbe optische Wirkung erreicht werden, die eine Grenzfläche hätte, die gemäß der Freiformfläche 108 ausgebildet ist, jedoch wird eine vergleichbare optische Wirkung erreicht.
Wie den Darstellungen in 11 und 12 zu entnehmen ist, weisen die Facetten 105 die durch die Freiformfläche 108 im Höhenbereich Δh vorgegebenen Krümmungen auf. Um die Herstellung der Fresnel-Struktur 10 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 13 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 in 16 angedeutet ist.
In 17 ist ein Beispiel gezeigt, bei der die mittels der Fresnel-Struktur 10 nachzustellende optische Wirkfläche 108 gegenüber der sphärisch gekrümmten Vorderseite 9 stark gekippt ist. Auch in diesem Fall ist es keine Problem, die Wirkfläche 108 als Fresnel-Struktur 10 auf der Vorderseite 9 auszubilden, ohne daß die makroskopische Form der Vorderseite 9 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-Struktur 10 an der gekrümmten Vorderseite 9 gezeigt, bei der die Facetten 105 jeweils linear ausgebildet sind. Die einzelnen Flanken 106 sind zueinander parallel ausgerichtet, wobei der ursprüngliche Verlauf der Vorderseite 9 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 10 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 19 ist eine Abwandlung des Profils von 18 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 9.
In 20 ist eine Schnittansicht einer kompletten Facette 105 der Fresnel-Struktur 10 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 21 ist eine Abwandlung gezeigt, bei der freie Bereiche, der aufgrund der Neigung der Facette 105 relativ zur Vorderseite 9 des Multifunktionsglases 3 gebildet ist, mit Material 134 bis zur Vorderseite 9 aufgefüllt ist. Die Auffüllung ist bevorzugt so durchgeführt, daß eine glatte, durchgehende Vorderseite 9 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 10 so auszulegen, daß die Umlenkung der Lichtstrahlen des Bildgebers 5 durch innere Totalreflexion erfolgt, so daß eine Verspiegelung nicht mehr notwendig ist, wie in 22 angedeutet ist.
In 23 ist eine Schnittansicht einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Fresnel-Struktur 10 gezeigt. Bei dieser Fresnel-Struktur 10 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 10. Jedoch ist es bevorzugt, wenn der Neigungswinkel der Flanken 106 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-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 9 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 10 ist in 24 schematisch angedeutet.
Wenn man die Fresnel-Facetten 105 verspiegelt, kann auf diese Art beispielsweise die zweite Fresnel-Struktur 11 bereitgestellt werden, wie in der vergrößerten Schnittansicht in 25 dargestellt ist. Mit der zweiten Fresnel-Struktur 11 kann das vom Bildgeber 5 kommende Strahlenbündel BS mit einem zweiten Strahlenbündel US zu einem gemeinsamen Strahlenbündel GS überlagert werden. Wie der Darstellung in 25 entnommen werden kann, sind die Fresnel-Facetten 105 gegenüber der Normalen der Vorderseite 9 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 9 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-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 11 gemäß 24 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 kann die zweite Fresnel-Struktur 11 mehrere voneinander beabstandete Fresnel-Abschnitte 140 aufweisen, die gemäß 25 oder auch in gleicher Weise wie die erste Fresnel-Struktur 10 ausgebildet sind. Die Fresnel-Abschnitte 140 können, wie in der schematischen Draufsicht in 26 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 (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) abbilden und umlenken und somit eine Strahlengangfaltung bewirken und wobei der Einkoppelbereich (10) das erzeugte Bild als Zwischenbild in eine im Multifunktionsglas (3) liegende Zwischenbildebene (13) abbildet, dadurch gekennzeichnet, daß der Einkoppelbereich (10) und/oder der Auskoppelbereich (11) als Fresnel-Struktur mit Facetten (105) an einer Materialgrenzfläche (9) des Multifunktionsglases (3, 4) ausgebildet sind/ist und die Facetten (105) eine Verspiegelung (V) aufweisen, um die Umlenkung der Lichtstrahlen des Bildgebers (5) zu bewirken, wobei freie Bereiche, die aufgrund der Neigung der Facetten relativ zur Vorderseite des Multifunktionsglases (3) gebildet sind, mit Material (134) bis zur Vorderseite aufgefüllt sind.
Anzeigevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die freien Bereiche mit dem Material (134) so aufgefüllt sind, daß eine glatte, durchgehende Seite (9) gebildet ist.
Anzeigevorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, 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 einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Einkoppelbereich (10) und/oder der Auskoppelbereich (11) 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.