DE102013017837A1

DE102013017837A1 - Modul(e) zur Verbesserung oder alleinigen Energieversorgung eines am Kopf getragenen elektrischen Gerätes, das auf das Sehfeld des Trägers einwirkt

Info

Publication number: DE102013017837A1
Application number: DE201310017837
Authority: DE
Inventors: Peter C. Seitz; Markus Tiemann
Original assignee: Rodenstock GmbH
Current assignee: Rodenstock GmbH
Priority date: 2013-10-07
Filing date: 2013-10-07
Publication date: 2015-04-09

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein am Kopf eines Benutzers tragbares visuelles elektrisches Gerät umfassend: – eine Endvorrichtung, welche ausgelegt ist, eine Funktion bereitzustellen, zu deren Ausführung elektrische Energie benötigt wird; – eine Stromerzeugungsvorrichtung, welche ausgelegt ist, elektrische Energie aus der Umgebung des Benutzers zu gewinnen; – eine Speichervorrichtung, welche ausgelegt ist, zumindest einen Teil der erzeugten elektrischen Energie zu speichern und, wobei die Stromerzeugungsvorrichtung und die Speichervorrichtung ausgelegt und angeordnet sind, die Sicht des Benutzers nicht zu beeinträchtigen.

Description

Die Erfindung betrifft Vorrichtungen zur Verbesserung oder alleinigen Energieversorgung eines am Kopf eines Benutzers getragenen visuellen elektrischen Geräts.
Visuelle elektrische Geräte, welche am Kopf des Benutzers getragen werden und welche eine oder mehreren Funktionen ausführen können sind aus dem Stand der Technik bekannt.
Das elektrische Gerät (z. B. eine Brille, ein Head-Mounted Display, ein tragbarer Aufsatz, ein VR-Helm, eine VR-Brille, etc.) kann z. B. ein Gerät sein, mit welchem Daten in das Sehfeld des Benutzers eingeblendet werden können und/oder Daten (z. B. Fotos, Videos, etc.) aufgezeichnet werden können. Andere Funktionen sind z. B. elektrisch schaltbare Addition und/oder Absorption. Das elektrische Gerät kann auch eine Hörbrille, eine Brille mit eingebauter Beleuchtung, eine Brille (z. B. Skibrille) mit eingebautem Ventilator, eine Brille mit einer Fundortmeldefunktion, eine Schutterbrille für 3D Bildschirme, eine Brille mit eingebauten Kopfhörer, etc. sein.
Zum Ausführen der obigen Funktionen wird elektrische Energie benötigt. Diese elektrische Energie musste bislang separat zugeführt werden, z. B. von Batterien oder integrierten aufladbaren Akkumulatoren.
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, die Energieversorgung eines am Kopf eines Benutzers getragenen elektrischen Gerätes zu verbessern. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein am Kopf eines Benutzers tragbares visuelles elektrisches Gerät nach Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein am Kopf eines Benutzers tragbares visuelles elektrisches Gerät bereitgestellt, d. h. ein elektrisches Gerät, welches in irgendeiner Form auf die Seheigenschaften bzw. auf das Sehfeld des Benutzers einwirkt. So kann das elektrische Gerät ausgelegt sein, die Seheigenschaft des Trägers zu verbessern (z. B. eine Brille mit dioptrischer Korrekturwirkung, eine Brille mit elektrisch steuerbarer Addition, etc.) oder auf die Seheigenschaft des Trägers einzuwirken (z. B. eine Brille ohne dioptrische Wirkung, eine Brille zur Anzeige von Daten im Sichtfeld eines Benutzers, etc.). Das elektrische Gerät umfasst:

– eine Endvorrichtung, welche ausgelegt ist, eine Funktion bereitzustellen bzw. auszuführen, welche elektrische Energie erfordert;
– eine Stromerzeugungsvorrichtung, welche ausgelegt ist, elektrische Energie aus der Umgebung des Benutzers zu gewinnen;
– eine Speichervorrichtung, welche ausgelegt ist, zumindest einen Teil der erzeugten elektrischen Energie zu speichern; und wobei die Stromerzeugungsvorrichtung und die Speichervorrichtung ausgelegt und angeordnet sind, die Sicht des Benutzers nicht zu beeinträchtigen.

Vorzugsweise wird durch die Funktion der Endvorrichtung das Sehen des Benutzers durch das elektrische Gerät verbessert (z. B. durch Variation der Brechkraft und/oder der Absorption der Gläser) und/oder es werden zusätzliche Funktionen (wie z. B. Beleuchtung, Befeuchtung der Augenumgebung, Versorgung eines Kopfhörers oder eines Hörgeräts, Fundortmeldung, Anzeige und/oder Aufzeichnen von Daten, Ortung, etc.) bereitgestellt.
Zumindest ein Teil der zur Ausführung der Funktion der Endvorrichtung benötigten elektrischen Energie wird durch die Wechselwirkung des Benutzers mit der Umgebung in der im elektrischen Gerät integrierten Stromerzeugungsvorrichtung (Erzeuger) erzeugt. Die Stromerzeugungsvorrichtung stellt elektrische Spannung und Strom bereit, die von der Umgebung abhängig sind. Für die Umwandlung in elektrische Energie können mehrere Eigenschaften der Umgebung genutzt werden. So kann dies z. B. über Vibration und/oder Bewegung, Thermoelektrik, Induktion, Photovoltaik, etc. erfolgen. Die erzeugte Energie kann in einer geeigneten Speichervorrichtung (Speicher) zwischengespeichert werden und bei Bedarf für die Ausführung einer oder mehrerer Funktionen im elektrischen Gerät genutzt werden. Dabei sind die Stromerzeugungsvorrichtung und die Speichervorrichtung vorzugsweise konfiguriert und angeordnet, die Seheigenschaften des Trägers nicht zu beeinträchtigen. Anders ausgedrückt sind die Stromerzeugungsvorrichtung (Erzeuger) und die Speichervorrichtung (Speicher) entweder außerhalb des Sichtfeldes des jeweiligen Benutzers angeordnet oder sind im relevanten (sichtbaren) Spektralbereich transparent.
Vorzugsweise ist die Endvorrichtung konfiguriert, die Sicht des Benutzers nicht oder nur in dem Umfang zu beeinträchtigen, in welchem die Beeinträchtigung eine anderweitige Verbesserung bzw. eine zusätzliche Funktion darstellt, z. B. bei einer Anzeige von Daten im Sichtfeld des Benutzers, Verdunkelung der Brille, Veränderung der Brechkraft einer Brille, etc. Wenn die durch die Endvorrichtung bereitgestellte Funktion keine Veränderung des Seheindrucks bzw. keine Einwirkung auf die Sicht bzw. auf den Seheindruck eines Benutzers durch das elektrische Gerät erfordert oder voraussetzt, ist die Endvorrichtung vorzugsweise ausgelegt, die Sicht des Benutzers nicht zu beeinträchtigen. So kann die Endvorrichtung entweder außerhalb des Sichtfeldes des jeweiligen Benutzers angeordnet sein oder im relevanten (z. B. sichtbaren) Spektralbereich transparent sein.
In einem bevorzugten Beispiel wird eine autarke Versorgung des elektrischen Geräts bzw. der Endvorrichtung mit der erzeugten Energie erreicht. Zumindest ein Teil der von der Stromerzeugungsvorrichtung erzeugten elektrischen Energie kann direkt der Endvorrichtung zur Verfügung gestellt werden. Zumindest ein Teil der erzeugten elektrischen Energie kann in der Speichervorrichtung gespeichert werden und bei Bedarf der Endvorrichtung zur Verfügung gestellt werden. In einem anderen Beispiel kann die von der Stromerzeugungsvorrichtung erzeugte elektrische Energie zur Unterstützung der Energieversorgung von einem primären Energieträger (z. B. einer Batterie oder einem Akkumulator) verwendet werden. So kann die von der Stromerzeugungsvorrichtung erzeugte und gegebenenfalls in der Speichervorrichtung gespeicherte elektrische Energie zum Aufladen der Batterie oder des Akkumulators eingesetzt werden.
Die Erfindung macht somit eine mechanische Verbindung zwischen einem am Kopf des Benutzers getragenen elektrischen Geräts mit elektrischer Funktionalität und einem Ladegerät oder einen mechanischen Austausch eines Energieträgers überflüssig oder zumindest reduziert die Häufigkeit in der dies notwendig ist.
Die Stromerzeugungsvorrichtung kann zumindest einen thermoelektrischen Energiewandler, und/oder einen Vibrations- bzw. Bewegungswandler, und/oder einen elektromagnetischen und/oder elektrodynamischen Energiewandler, und/oder einen photovoltaischen Energiewandler umfassen.
Thermoenergie
In einem Beispiel erfolgt die Umwandlung in elektrische Energie mittels Thermoelektrizität. Energiewandler bzw. -generatoren, welche auf Thermoelektrizität basieren, wandeln eine Temperaturdifferenz (z. B. die Temperaturdifferenz, welche zwischen dem Benutzer oder dem durch den Benutzer temperierten elektrischen Gerät und der Umgebung besteht) in elektrische Energie um.
Die Stromversorgungsvorrichtung kann mindestens ein erstes Element, welches sich in Kontakt mit dem Körper des Benutzers befindet und mindestens ein zweites Element, welches sich in Kontakt mit der Umgebung befindet, umfassen. Zwischen den beiden Elementen existiert je nach Umgebung eine mehr oder weniger große Temperaturdifferenz, die durch entsprechende Elemente (z. B. Peltierelemente, welche den Peltier-Effekt zeigen), genutzt werden kann, um elektrische Energie zu erzeugen. Besonders vorteilhaft ist diese Ausführungsform bei großen Temperaturdifferenzen, d. h. bei sehr kalten Umgebungsbedingungen gegenüber der Körpertemperatur des Benutzers. Ist das elektrische Gerät eine Brille, kann das erste Element in oder auf zumindest einem der Nasenpads oder der Brillenbügel im Bereich der Ohren des Benutzers angeordnet sein. Das zweite Element kann in oder auf zumindest einem der Brillenbügel im Bereich der Schläfe des Benutzers angeordnet sein. Bei dieser Anordnung steht für die Kontaktfläche des zweiten Elements mit der Umgebung an der Brillenbügelseite eine Fläche von ca. 40 mm × 20 mm (ca. 8 cm²) zur Verfügung. Diese Fläche entspricht der verfügbaren Fläche auf einem der Brillenbügel bei einer Brille mit breiten Brillenbügeln, so dass die ästhetischen Eigenschaften der Brille nicht wesentlich beeinträchtigt werden. Für die Kontaktfläche des ersten Elements mit dem Körper des Benutzers stehen ca. 4 cm² zur Verfügung.
Ferner kann die Stromversorgungsvorrichtung zumindest ein Peltierelement umfassen, welches am Ort des ersten Elements, am Ort des zweiten Elements oder zwischen den beiden Elementen angeordnet sein kann. Die Distanz zwischen den einzelnen Elementen (erstes Element, zweites Element und Peltierelement) kann mit einem Wärmerohr überbrückt werden. Bei einer Brille kann das verbindende Wärmerohr zusätzlich die Funktion des Brillenbügels als tragendes Element zur Verbindung des Brillenfrontteils mit der Auflage am Ohr übernehmen oder unterstützen.
Vibrations- bzw. Bewegungsenergie
In einem anderen Beispiel wird Vibration oder Bewegung für Energieerzeugung benutzt. Diese Art der Energiegewinnung nutzt die natürliche Vibration oder Bewegung des Trägers, welche sich durch das Tragen des elektrischen Geräts auf einen Vibrations- bzw. Bewegungswandler überträgt, um elektrische Energie zu erzeugen. Geeignete Vibrations- bzw. Bewegungswandler können z. B. elektretbasierte Wandler und/oder piezoelektrische Wandler bzw. Generatoren sein, in welchen eine seismische Masse gegenüber dem elektrischen Gerät bewegt wird. Diese Bewegung kann in elektrische Energie umgewandelt werden.
Bei einer Brille kann der Vibrations- bzw. Bewegungswandler zumindest einen piezoelektrischen Vibrationsgenerator umfassen, welcher zwischen einem der Nasenpads der Brille und/oder zwischen einem der Brillenbügel und dem Glasrahmen der Brille angeordnet sein kann.
Vorzugsweise ist der Vibrations- bzw. Bewegungswandler ausgelegt, die Masse der Brille als Schwingmasse zur Energiegewinnung zu nutzen. Das Gewicht der gesamten Brille setzt sich aus dem Gewicht der beiden Gläser, die abhängig von dem Material, den Korrekturwerten und der Größe der Fassung im Bereich von mehreren g bis mehreren 10 g liegen kann, und dem Gewicht der Fassung, das ebenfalls in diesem Bereich liegen kann, zusammen.
Vorzugsweise wird der Vibrations- bzw. Bewegungswandler an die durch den Träger bzw. Benutzer verursachten Frequenzen angepasst, um die Energieausbeute zu maximieren. Für Laufsportarten in denen eine starke vertikale Bewegung stattfindet, kann anstelle einer Abstimmung auf eine typische Vibrationsfrequenz eine Abstimmung auf die Schrittfrequenz (im Bereich von ungefähr 1 Hz) des Benutzers vorteilhaft sein. Die starken Beschleunigungen, die beim Auftretten auf die Brille einwirken, können ferner zur Schrittzählung verwendet werden. Für andere Tätigkeiten kann die Abstimmung an andere Vibrationsfrequenzen vorteilhaft sein. Typischerweise liegen die durch den Körper des Benutzers verursachten Vibrationsfrequenzen in einem niedrigen Hz Bereich bis zu ca. 50 Hz, durch externe Einwirkung je nach Erreger im Bereich von ca. 1 Hz bis 80 Hz oder sogar 100 Hz (z. B. Rüttelplatte ca. 90 Hz, vgl. auch ISO 2631,1, 1997/VDI-2057-1, 1987).
Induktionsenergie
In einem dritten Beispiel erfolgt die Umwandlung in elektrische Energie mittels Induktion. Induktion nutzt extern vorhandene elektromagnetische Felder zum Erzeugen von elektrischer Energie. In diesem Beispiel umfasst die Stromerzeugungsvorrichtung zumindest einen elektromagnetischen und/oder elektrodynamischen Energiewandler (z. B. einem RF-Wandler), der ausgelegt ist, extern vorhandene elektromagnetische Felder per Induktion in elektrische Energie umzuwandeln.
Bei einem sich ändernden elektromagnetischen Feld kann die Änderung des Feldes auch bei gleichbleibender Position des Benutzers genutzt werden. Alternativ oder zusätzlich kann bei einem sich nahezu nicht ändernden Feld die Bewegung des Benutzers und somit des Geräts in diesem Feld zur Umwandlung in elektrische Energie genutzt werden. Als Energiequelle können entweder speziell für diese Funktion aufgebaute externe elektromagnetische Felder verwendet werden oder bereits weiterverbreitete vorhandene Felder (WLAN, GSM, FM-Radio, etc.) genutzt werden. Der elektromagnetische- und/oder elektrodynamische Energiewandler kann dementsprechend eine Antenne zum Empfang HF-Strahlung von einer in Bezug auf das elektrische Gerät externen HF Quelle umfassen.
In einem Beispiel kann die von der HF-Quelle ausgestrahlte HF-Strahlung auch Daten übertragen, z. B. Audiodaten, Videodaten, Ortungsdaten, etc. Die Endvorrichtung kann ausgelegt werden, diese Daten zu empfangen und dem Benutzer wiederzugeben. So kann die Endvorrichtung eine Datenermittlungseinheit und eine Datenwiedergabeeinheit umfassen, wobei die Datenermittlungseinheit ausgelegt ist, Daten aus der von der Antenne empfangenen HF-Strahlung zu ermitteln und gegebenenfalls zu verarbeiten, und wobei die Datenwiedergabeeinheit ausgelegt ist, die ermittelten Daten wiederzugeben. Dies ermöglicht eine gezielte Anregung und/oder Datenübertragung, wenn sich das elektrische Gerät in einem vorab definierten Bereich um eine externe HF-Quelle befindet, z. B. in der Nähe von den zu bedienenden Maschinen, Fahrzeugen, Computern, in der Nähe von Museumsexponaten, in der Nähe von Sehenswürdigkeiten, bestimmten Geschäften oder Geschäftsbereichen, etc..
Photovoltaik (Solarenergie)
In einem vierten Beispiel wird Photovoltaik für die Energieerzeugung benutzt. So kann die Außenfläche (d. h. die dem Benutzer abgewandte Fläche) des elektrischen Geräts verwendet werden, um Lichtenergie in elektrische Energie umzuwandeln. Das elektrische Gerät umfasst in diesem Fall einen oder mehrere photovoltaische Energiewandler bzw. Elemente (Solarzellen), welche vorzugsweise derart ausgebildet und angeordnet sind, dass die Seheigenschaften des Benutzers nicht wesentlich beeinträchtigt werden. Wenn das elektrische Gerät eine Brille ist, können die photovoltaischen Elemente in oder auf zumindest einem der Brillengläser, zumindest einem der Brillenbügel oder in oder auf anderen Teilen der Brillenfassung angeordnet werden. Wenn die photovoltaischen Elemente in den Brillengläsern integriert werden bzw. wenn die Brillengläser selbst zur Energieerzeugung verwendet werden, sind diese vorzugsweise transparent im sichtbaren Wellenlängenbereich. Vorzugsweise werden die lichtbrechenden Eigenschaften der photovoltaischen Elemente bei der Berechnung der Glasgeometrie berücksichtigt.
Unter Berücksichtigung der auf die Erde eingestrahlten Sonnenenergie (1,367 kW/m²), die Absorption in der Atmosphäre (ungefähr 50%), die Orientierung der Flächen auf einer Brille (hauptsächlich entlang der vertikalen Richtung, so dass der durchschnittlicher Winkel zwischen Einfallsrichtung der Strahlung und der Oberfläche des photovoltaischen Elements ungefähr 45° beträgt) ergibt sich eine umwandelbare Energiedichte von ungefähr 52,33 mW/cm². Bei einem Wirkungsgrad von 17% kann durch ein photovoltaisches Element ungefähr 8,9 mW/cm² elektrische Energie geliefert werden.
Alle oben beschriebene Energiequellen können miteinander beliebig kombiniert werden.
Die von der Stromerzeugungsvorrichtung erzeugte Energie kann in unterschiedlicher Weise zwischengespeichert werden. So kann die erzeugte Energie beispielsweise in einem oder mehreren elektrischen Speichermedien wie Kondensator, Akkumulator, Superkondensator, Mikroenergie Zelle (MEC) zwischengespeichert werden. Als Speicher können auch mechanische Energiespeicherkomponenten, wie z. B. Feder verwendet werden. Die mechanische Feder kann z. B. im Scharnier zwischen der Bügel und Glasrahmen oder längst der einzelnen Bügel, etc. angebracht werden. Die Umwandlung von elektrischer in mechanische Energie und zurück kann über einen Elektromotor bzw. Elektrogenerator erfolgen.
Die gespeicherte Energie kann bei Bedarf der Endvorrichtung zur Verfügung gestellt werden. Alternativ kann die gespeicherte Energie zum Aufladen einer primären Energiequelle, wie z. B. einer Batterie oder eines Akkumulators eingesetzt werden.
Die Endvorrichtung kann für unterschiedliche Funktionen ausgelegt werden, zu deren Ausführung elektrische Energie benötigt wird. So kann die Endvorrichtung ausgelegt sein, zumindest eine der folgenden Funktionen bereitzustellen bzw. auszuführen:

– Änderung bzw. Regelung und/oder Steuerung zumindest einer optischen Eigenschaft des elektrischen Geräts, wie z. B. Brechkraft und/oder Absorption;
– Datenanzeige oder -wiedergabe und/oder Datenaufzeichnung, wobei die Daten Audio, Bild, Videodaten, Vitaldaten (d. h. Daten betreffend die Körperfunktionen und die Leistungen des Trägers), Ortungsdaten, Fundortdaten, etc. umfassen können;
– Luftbefeuchtung des Raums zwischen den Augen des Benutzers und dem elektrischen Gerät (Augenzwischenraum);
– Temperaturänderung bzw. Anti-Fog Funktion, z. B. Heizung und/oder Kühlung der Gläser oder Scheiben einer Brille oder eines Head-Mounted Displays (Anti-Fog Funktion);
– Identifikation des Benutzers;
– Ortung des elektrischen Geräts;
– Fundortmeldung des elektrischen Geräts;
– Beleuchtung;
– Unterstützung der Hörfunktion.

Besonders vorteilhaft sind dabei Funktionen, welche die Seheigenschaften bzw. den Seheindruck des Benutzers durch das elektrische Gerät (z. B. eine Brille) verbessern. Dazu zählen Funktionen bzw. Anwendungen wie Anti-Fog, Befeuchtung des Augenzwischenraums, elektrisch schaltbare Addition und/oder Absorption, Anzeige von Daten im Sichtfeld des Benutzers, etc. In diesem Fall kann die primäre Funktion des elektrischen Geräts (auf die Seheigenschaften des Benutzers einzuwirken) unterstützt oder verbessert werden. Die einzelnen Funktionen werden weiter in der Anmeldung ausführlich beschrieben.
Die Endvorrichtung kann ferner unterschiedliche Sensoren umfassen, welche z. B. Daten der Körperfunktionen und/oder Leistungsdaten des Trägers, Umgebungsdaten (z. B. Umgebungstemperatur und/oder Feuchtigkeit, Intensität der UV-Strahlung), Ortungsdaten, etc., erfassen. Die Endvorrichtung kann ausgelegt sein, eine oder mehreren Funktionen (z. B. Datenanzeige, Anti-Fog Funktion, Luftbefeuchtungsfunktion, Veränderung der Brechkraft und/oder Absorption, etc.) in Abhängigkeit von den erfassten Daten auszuführen bzw. zu steuern oder regeln.
So kann das elektrische Gerät eine Brille mit Endvorrichtung sein, die zumindest einen Neigungssensor zur Messung der Kopfneigung des Benutzers umfasst. Die Endvorrichtung kann ferner ausgelegt sein, zumindest eine optische Eigenschaft der Brille, wie z. B. die Absorption oder die Brechkraft der Brillengläser, selektiv, in Abhängigkeit von der gemessenen Kopfneigung zu verändern oder zu regeln bzw. steuern. So können z. B. die Absorption und/oder die Brechkraft selektiv nur in einem Bereich der Brillengläser verändert werden, dessen Position und/oder Größe von der vom Neigungssensor gemessenen Kopfneigung abhängt. Dieser Bereich kann z. B. der Bereich unterhalb einer Sichtlinie sein, die in Abhängigkeit von der Kopfneigung festgelegt werden kann.
Das elektrisches Gerät kann eine Brille, z. B. eine Videobrille, eine Datenbrille, eine Audiobrille eine Hörbrille, eine VR-Brille eine Brille mit integrierter Beleuchtung, eine Sonnenbrille mit automatischem Abdunkeln und Aufhellen der Gläser, eine Gleitsichtbrille mit elektrisch steuerbarer Addition, eine Shutterbrille für 3D Bildschirme sein. Das elektrische Gerät kann auch ein Head-Mounted-Display sein, z. B. ein VR Helm, ein Helmet-Mounted Display, etc.).
Weiteren Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden offensichtlich aus einer detaillierten Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen, in welchen gezeigt ist:
1 ein erstes Beispiel, bei welchem die elektrische Energieerzeugung mittels Induktion erfolgt;
2A–C ein zweites Beispiel, bei welchem die elektrische Energieerzeugung mittels Induktion erfolgt;
3A–B weitere Beispiele, bei welchen Vibrationsenergie in elektrische Energie umgewandelt wird;
4 eine beispielhafte Kommunikation zwischen einem Empfänger und einem elektrischen Gerät (z. B. einer Brille);
5 ein beispielhaftes elektrisches Gerät (eine Brille), bei welchem die Absorption der Brillengläser elektrisch gesteuert bzw. geregelt werden kann.
In den Figuren werden die gleichen Bezugszeichen für die gleichen oder ähnlichen Elemente verwendet.
Das am Kopf des Benutzers tragbare elektrische Gerät umfasst eine Stromerzeugungsvorrichtung (Erzeuger), eine Speichervorrichtung (Speicher) und eine Endvorrichtung (Verbraucher), welche ausgelegt ist, eine vorgegebene Funktion, welche elektrische Energie benötigt, bereitzustellen bzw. auszuführen. Nachfolgend werden die einzelnen Komponenten des elektrischen Geräts im Detail beschrieben.
Erzeuger
1 zeigt schematisch ein erstes Beispiel, bei welchem die Umwandlung in elektrische Energie im elektrischen Gerät (Brille) mittels Induktion erfolgt. In diesem Beispiel kann das Tragen der Brille in einem vorab definierten Bereich 12, z. B. in einem vorab definierten Arbeitsumfeld wie bei Bildschirmarbeit, bei Maschinenbedienung, am Fließband, bei Fahrzeugsteuerung, etc., genutzt werden, um elektrische Energie zu gewinnen. Im vordefinierten Bereich wird eine hochfrequente (HF) elektromagnetische Welle von einer externen HF Quelle 14 ausgestrahlt. In der Brille wird die in dem elektromagnetischen Feld vorhandene Energie über geeignete elektromagnetische und/oder elektrodynamische Energiewandler abgegriffen, um den Verbraucher zu versorgen. Der Erzeuger kann zumindest einen elektromagnetischen oder elektrodynamischen Energiewandler (nicht gezeigt) umfassen.
Die Ausführung der externen HF Quelle 14 kann z. B. über einen USB-Stick erfolgen. Es ist auch möglich, die externe HF Quelle 14 am oder in der Nähe des Arbeitsplatzes, der zu bedienenden Maschine, etc. anzuordnen.
Als externe HF Quelle können auch bereits vorhandene HF Felder, wie z. B. WLAN, GSM, FM-Radio, etc. benutzt werden.
2A–C zeigen schematisch weitere Beispiele, bei welchen Thermoenergie in elektrische Energie umgewandelt wird. Bei diesen Beispielen dient die Temperaturdifferenz zwischen der Körpertemperatur des Trägers und der Umwelt bzw. der Umgebung als Quelle zur Umwandlung in elektrische Energie. Der Erzeuger umfasst zumindest einen thermoelektrischen Wandler, welcher ausgelegt ist, diese Temperaturdifferenz in elektrische Energie umzuwandeln. Der thermoelektrische Wandler kann zumindest ein erstes Element 16 und ein zweites Element 18 umfassen, wobei sich das erste Element 16 in Kontakt mit dem Körper des Benutzers befindet und wobei sich das zweite Element 18 in Kontakt mit der Umgebung befindet. Das zweite Element 18 ist vorzugsweise an der dem Benutzter abgewandten Seite der Brille 10 angeordnet. Das erste Element kann auch zur Auflage am Kopf des Benutzers verwendet werden. Der Erzeuger umfasst ferner zumindest ein Peltierelement 20, welches ausgelegt ist, die Temperaturdifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Element in elektrische Energie umzuwandeln.
Besonders vorteilhaft ist diese Variante bei großen Temperaturdifferenzen, d. h. sehr kalten Umgebungsbedingungen gegenüber der Körpertemperatur des Benutzers. Vorzugsweise weisen das erste und das zweite Element möglichst große Kontaktflächen mit dem Körper des Benutzers bzw. mit der Umgebung des Benutzers auf. Ferner werden die beiden Elemente vorzugsweise derart ausgelegt und angeordnet, dass eine möglichst große Temperaturdifferenz zwischen den beiden Elementen besteht.
Wenn das elektrische Gerät eine Brille ist, kann das erste Element 16 vorzugsweise in oder auf zumindest einem der Nasenpads (2A und 2B) oder in oder auf zumindest einem der Ohrenbügel (2C) angeordnet sein. Das zweite Element 18 kann in oder auf zumindest einem der Bügel im Bereich der Schläfe angeordnet sein, da in diesem Bereich die Bügel einen verhältnismäßig großen Abstand zum Körper des Trägers aufweisen. Das Peltierelement 20 kann am Ort des ersten Elements 16, am Ort des zweiten Elements 18 oder an einem Ort zwischen den beiden Elementen angeordnet werden. Die Distanz zwischen den einzelnen Elementen kann mit einem Wärmerohr 22 (vgl. 2B und 2C) überbrückt werden.
3A–B zeigen schematisch weitere Beispiele, bei denen Vibrationsenergie in elektrische Energie umgewandelt wird.
Die Nutzung von Vibrationen zur Energiegewinnung erfordert eine Verschiebung zweier Bestandteile zueinander. Die gewonnene Energie ist dabei proportional zur schwingenden Masse. Es ist möglich, durch eine Separation des elektrischen Geräts in Einheiten, welche gegeneinander verschiebbar sind, die Masse des elektrischen Geräts selbst zur Energiegewinnung zu nutzen. Bei einer Brille kann dies z. B. durch die Trennung von Bügeln 26 und Glasrahmen 28 oder die Trennung von Nasenpads 30 und der restlichen Brille bzw. Glasrahmen 28 erfolgen. Die Verbindung zwischen den einzelnen Bestandteilen kann z. B. durch einen piezoelektrischen Vibrationsgenerator 24 hergestellt werden. In 3A–B ist der piezoelektrische Generator 24 als Feder dargestellt. Diese Konfiguration ist insbesondere für Vibrationen senkrecht zur Fassungsebene geeignet.
Für Vibrationen in senkrechter Richtung, wie sie bevorzugt bei z. B. Laufsportarten auftreten bietet sich insbesondere die Trennung zwischen dem jeweiligen Nasenpad und der restlicher Brille an. Dadurch kann nahezu das gesamte Gewicht der Brille am Auflagepunkt der Nase als Schwingmasse genutzt werden.
Vorzugsweise werden die Auslenkungen der einzelnen Elementen durch die Vibrationen klein gehalten, um zum einen die Stabilität des Sitzes der Brille 10 nicht zu beeinflussen und zum anderen, um die Position der Gläser nicht zu stark zu modifizieren, wodurch sich eine Reduktion der Korrektionsqualität der Brille 10 ergeben würde.
In einem anderen Beispiel kann Photovoltaik für die Energieerzeugung benutzt werden. Der Erzeuger umfasst vorzugsweise zumindest einen oder mehrere photovoltaische Energiewandler bzw. Elemente (Solarzellen), welche vorzugsweise derart ausgebildet und angeordnet sind, dass die Seheigenschaften des Benutzers nicht wesentlich beeinträchtigt werden. Wenn das elektrische Gerät eine Brille ist, können die photovoltaischen Elemente in den Brillenbügel oder in zumindest einen der Brillengläser integriert werden. Wenn die photovoltaischen Elemente in den Brillengläsern integriert werden oder wenn die Brillengläser selbst zur Energieerzeugung verwendet werden, sind vorzugsweise die verwendeten photovoltaischen Elementen und Materialien transparent im sichtbaren Wellenlängenbereich. Vorzugsweise werden die lichtbrechenden Eigenschaften der photovoltaischen Elemente bei der Berechnung der Glasgeometrie berücksichtigt.
Wie bereits oben ausgeführt, sind Kombinationen von unterschiedlichen Energiequellen möglich.
So ist es möglich, thermoelektrische Energiegewinnung mit zumindest einer anderen Energiegewinnung zu kombinieren, um eine verbesserte Abdeckung mit erzeugter elektrischer Energie zu gewährleisten. In einem Beispiel kann der thermoelektrische Wandler mit Solarzellen kombiniert werden. Dadurch kann sowohl bei Sonneneinstrahlung (z. B. im Sommer oder bei wolkenloser Umgebung) als auch bei tiefen Temperaturen (z. B. im Winter) eine Stromerzeugung gewährleistet werden. Neben der jahreszeitlich komplementären Versorgung durch diese Kombination kann auch eine erhöhte Energiegewinnung in geeigneten Umgebungen wie z. B. Bergen, Gletschern, etc. ermöglicht werden. Andere Kombinationen (z. B. mit einem elektromagnetischen bzw. elektrodynamischen Energiewandler) sind ebenfalls möglich.
Eine optimierte Abdeckung mit erzeugter elektrischer Energie ergibt sich auch durch die Kombination von Solarzellen mit Induktionswandlern die aus externen hochfrequenten elektromagnetischen Feldern Energie gewinnen. Während für eine ausreichende Energieumwandlung durch Solarzellen vorzugsweise direkte Sonnenstrahlung genutzt wird, die typischerweise nur im Freien vorhanden ist, stehen hochfrequente elektromagnetische Felder bevorzugt in Gebäuden, Fahrzeugen oder urbanisierten Gebieten zur Verfügung (WLAN, Mobilfunk, Bluetooth).
Speicher
Der Speicher kann elektrische Speichermedien bzw. -elemente umfassen, wie z. B. Kondensator, Akkumulator, Superkondensator, Mikroenergie Zelle (MEC). Zusätzlich oder alternativ kann der Speicher mechanische Speicherelemente umfassen. Die Umwandlung von elektrischer Energie in mechanische Energie und zurück erfolgt dann über einen Elektromotor/Generator.
Als mechanisches Speicherelement kann eine Feder dienen, die z. B. in dem Scharnier zwischen Bügel und Glasrahmen angebracht ist und durch Energieeintrag den Bügel nach innen drückt. Neben der Speicherung ist in diesem Fall eine Energiegewinnung über manuelle Arbeit an den Federn möglich (z. B. Bügel schließen und öffnen).
Eine andere Möglichkeit besteht in der Integration von Federn entlang der Bügel, z. B. von Federn die Energie durch verdrillen speichern und sich über einen Großteil der Bügellänge erstrecken.
Verbraucher
Die Funktionalität des elektrischen Geräts wird durch die im elektrischen Gerät integrierte Endvorrichtung (Verbraucher) bereitgestellt. Die zum Ausführen- bzw. Bereitstellen der zusätzlichen Funktion benötigte Energie wird vorzugsweise allein durch die Stromerzeugungsvorrichtung und bei Bedarf durch die Speichervorrichtung zur Verfügung gestellt, so dass das elektrische Gerät ein autarkes System ist. Es ist jedoch ebenfalls möglich, dass die benötigte Energie durch eine konventionelle aufladbare Batterie oder einen Akkumulator bereitgestellt wird, und die von der Stromerzeugungsvorrichtung erzeugte elektrische Energie zum Aufladen der Batterie bzw. des Akkumulators verwendet wird. Ebenfalls ist es möglich, dass ein Teil der von der Stromerzeugungsvorrichtung erzeugten Energie dem Verbraucher und ein Teil der Batterie bzw. dem Akkumulator zur Verfügung gestellt wird.
Die von dem Verbraucher bereitgestellte Funktionalität kann unterschiedlich sein.
Der Verbraucher kann konfiguriert werden, Daten anzuzeigen oder zu wiedergeben und/oder Daten zu erfassen.
So kann der Verbraucher zumindest ein Display umfassen, welches im Sichtfeld des Trägers oder außerhalb des Sichtfelds des Trägers, z. B. in der Brillenfassung, auf einem externen Aufsatz, etc. angeordnet werden kann. Im zweiten Fall werden die auf das Display angezeigten Daten mittels einer geeigneten optischen Vorrichtung (die z. B. zumindest ein Prisma und/oder Lichtleiter umfasst) in das Sichtfeld des Benutzers eingeblendet. Die angezeigten bzw. eingeblendeten Daten können z. B. alphanumerische Daten, Audio, Bild und/oder Videodaten sein. Ebenfalls kann der Verbraucher zumindest ein Mikrofon und/oder einen Lautsprechen umfassen, mit welchen Audiodaten (wie z. B. Daten aus einem MP3 Player) aufgezeichnet und/oder wiedergegeben werden.
Der Verbraucher kann ebenfalls eine Kamera, mit welcher Bild- und/oder Videodaten aufgezeichnet werden können umfassen. Ferner kann der Verbraucher einen oder mehreren Sensoren umfassen, die Daten aufzeichnen, z. B. Daten zur Körperfunktionen und/oder Leistungsdaten des Trägers, Umgebungsdaten (z. B. Umgebungstemperatur und/oder Feuchtigkeit).
Ferner kann der Verbraucher eine Datenempfangs- und/oder Datensendeeinheit umfassen. Vorzugsweise werden alle Daten drahtlos übertragen. Ebenfalls kann der Verbraucher eine Steuer- und/oder Regelungseinheit (Controller) umfassen. Als Energiequellen für die Sensoren, das Display, das Mikrofon und/oder die Datensende- und/oder -empfangseinheit können eine oder mehrere der oben beschriebenen Energiequellen eingesetzt werden.
Die Daten können z. B. den Kontext betreffende Daten sein, wie z. B. Daten bezüglich der Köperfunktionen und/oder Leistungsdaten des Trägers beim Sport, Informationen betreffend den Arbeitsvorgang am Arbeitsplatz (wie z. B. Informationen über anstehende Termine, Status der bedienenden Maschinen oder des Herstellungsprozesses, Besonderheiten und Gefahren); Informationen betreffend die Führung des Fahrzeugs beim Führen eines Fahrzeugs (wie z. B. Geschwindigkeit, Richtungsanweisungen bei Navigation, Verkehrsmeldungen, Staumeldungen, Informationen über reale Gegenstände, etc.), etc.
Ebenfalls können die angezeigten Daten nicht-kontextbezogene Daten sein, wie z. B. Daten die über wichtige Ereignisse, eingehende Nachrichten, Anrufe, etc.
In einem Beispiel umfasst der Verbraucher (z. B. eine Sportbrille) einen oder mehrere Sensoren, die Daten zur Körperfunktionen und/oder Leistungsdaten des Trägers aufzeichnen. Die Daten umfasst z. B. Anzahl der Schritte, Körpertemperatur, Herzfrequenz, elektrische Leitfähigkeit der Haut, Blutdruck, Geschwindigkeit, etc. Diese Daten können direkt als alphanumerische, Bild- und/oder Videoinformation oder als abstrakte Information (grün, rot) über ein Display in das Sichtfeld des Trägers eingespiegelt bzw. angezeigt werden. Des Weiteren sind auch eine akustische Widergabe und/oder ein visueller oder akustischer Hinweis bei Über- oder Unterschreiten definierter Grenzwerte denkbar.
Eine andere beispielhafte Funktion des Verbrauchers, die insbesondere für Bildschirmarbeitsplätze geeignet ist, ist eine Überwachung der Lidschlagfrequenz und/oder eine Befeuchtung des Zwischenraums zwischen den Augen und der Brille bei einer reduzierten Lidschlagfrequenz. In diesem Fall umfasst der Verbraucher einen Sensor, welcher die Lidschlagfrequenz misst bzw. überwacht und eine Befeuchtungsvorrichtung, welche aktiviert wird, wenn die Lidschlagfrequenz einen vorgegebenen Schwellenwert unterschreitet. Dadurch wird eine a usreichende Benetzung der Augen gewährleistet und eine vorzeitige Ermüdung des Trägers vorgebeugt. Wird z. B. als Energiequelle ein HF-Feld eingesetzt (siehe z. B. 1), kann die Funktion der Überwachung und/oder die Befeuchtung des Raumes zwischen den Augen und der Brille dann eingeschaltet werden, wenn der Träger sich im vorab definierten Bereich 12 oder bei einer vorgegebenen Distanz von der HF Quelle 14 befindet.
Eine andere Funktion des Verbrauchers ist eine Detektion und/oder eine Identifizierung des elektrischen Geräts (z. B. der Brille) tragenden Person. Dies kann z. B. eine Person sein, die eine Maschine, ein Fahrzeug, einen Computer, eine Zugangskontrollevorrichtung, etc. bedient.
Der Verbraucher kann zumindest einen Sensor umfassen, welcher das Auf- und Absetzen des elektrischen Geräts detektiert sowie eine Sende- und/oder Empfangseinheit, die konfiguriert ist, Daten (z. B. Meldungen über den Tragezustand der Brille, Daten über Körperfunktionen und/oder Leistungsdaten des Trägers, etc.) zu übersenden und/oder Daten (z. B. Statusmeldungen, Maschinendaten, Fahrzeugdaten, Computerdaten, etc.) von einem Empfänger (z. B. einer Maschine, eines Fahrzeugs, einem Computer, einer Zugangskontrollevorrichtung, einem Mobilfunkgerät, etc.) zu empfangen. Die Daten werden vorzugsweise drahtlos übertragen.
4 zeigt eine beispielhafte Kommunikation zwischen einem Empfänger (z. B. einer zu bedienenden Maschine, einem Computer, einem Fahrzeug, einer Zugangskontrollevorrichtung, einem Mobilfunkgerät, etc.) und einem elektrischen Gerät (z. B. einer Brille). In diesem Beispiel erfolgt beim Aufsetzen des elektrischen Geräts eine Anmeldung beim Empfänger (Schritt S11). Der Empfänger kann eine Rückmeldung an die Brille liefern, dass die Anmeldung erfolgreich war (Schritt S12). Anhand dieser Rückmeldung kann der Status der das elektrische Gerät tragenden Person auf „angemeldet” gesetzt werden (Schritt S21). Vorzugsweise wird der Status der Anmeldung regelmäßig überprüft (Schritt S22). Mögliche Kriterien für eine Abmeldung bzw. für eine Änderung des Status der Anmeldung sind z. B. das Absetzen des elektrischen Geräts oder das Entfernen von einem, vorab definierten Bereich (z. B. vom Arbeitsplatz). Bei dem in 1 gezeigten Beispiel kann z. B. eine Abmeldung erfolgen, wenn das elektrische Gerät über die Reichweite der HF Quelle hinaus bewegt wird. Wird ein solches Ereignis detektiert (Schritt S23) wird der Status der Anmeldung in „abgemeldet” geändert (Schritt S24) und gegebenenfalls eine Abmeldung beim Empfänger durchgeführt (Schritt S14). Der Status „abgemeldet” bleibt erhalten, solange das elektrische Gerät abgesetzt ist oder es sich außerhalb des vordefinierten Bereichs befindet, etc. (Schritt S15).
Die Information, ob das elektrische Gerät getragen wird oder ob es sich im vordefinierten Bereich befindet, kann auch dazu verwendet werden, eine oder mehreren Funktionen des elektrischen Geräts bzw. des Verbrauchers und/oder des Empfängers abzuschalten und dadurch den Energieverbrauch zu reduzieren, z. B. wenn der Status des elektrischen Geräts „abgemeldet” ist oder wenn sich das elektrische Gerät außerhalb des vordefinierten Bereichs befindet. Die Information, ob das elektrische Gerät getragen wird oder ob es sich in einem vordefinierten Bereich befindet, kann ebenfalls verwendet werden, um bestimme Funktionen (z. B. Datenerfassung und/oder Übertragung) des elektrischen Geräts bzw. des Verbrauchers und/oder des Empfängers zu aktivieren. Welche Funktionen aktiviert oder deaktiviert werden, bestimmt sich nach der konkreten Anwendung. Insbesondere können eine oder mehrere der in dieser Anmeldung beschriebenen Funktionen aktiviert und/oder deaktiviert werden.
Alternativ oder zusätzlich können zwischen dem Empfänger und dem elektrischen Gerät bzw. dem Verbraucher zusätzliche Daten übertragen werden. So können Parameter der zu bedienenden Maschine, des Fahrzeugs (wie z. B. Geschwindigkeit, Ort, Verkehrsmeldungen, etc.), des Produktionsprozesses an die Sende- und/oder Empfangsvorrichtung der Endvorrichtung übertragen werden. Ebenfalls kann die Sende- und/oder Empfangsvorrichtung Daten an die zu bedienende Maschine, Fahrzeug, Computer, Mobilfunkgerät, etc. übertragen, welche die Maschine, das Fahrzeug, den Computer, den Mobilfunkgerät, das Produktionsprozess, etc. steuern oder regeln. So kann das elektrische Gerät (z. B. eine Datenbrille) in einer Produktionsumgebung eines Herstellers (z. B. eines Autoherstellers) zur Anzeige von Daten im Sichtfeld eines Arbeiters eingesetzt werden, ohne die manuellen Tätigkeiten des Arbeiters zu beeinträchtigen. Bei einer Brille, welche mittels einer Batterie oder einem Akkumulator betrieben wird, kommt es unweigerlich zu einer Zeit, in der die Brille geladen werden muss und somit nicht zur Verfügung steht. Diese Zeit ist bei einem Schichtbetrieb ein nicht zu vernachlässigbarer Kostenfaktor. Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, die Zeit zum Aufladen des elektrischen Geräts erheblich zu reduzieren oder vollständig zu eliminieren. Die Kosten können somit erheblich reduziert werden.
Eine andere Anwendung des elektrischen Geräts (z. B. als Datenbrille mit oder ohne Kopfhörer, als Head-Mounted-Display, etc.) ist die Wiedergabe von Daten (z. B. visuellen und/oder Audiodaten) je nach Position des Benutzers. Das elektrische Gerät bzw. der Verbraucher kann in diesem Fall zusätzlich einen Ortungssensor umfassen. Je nach Position des Trägers des elektrischen Geräts können gezielt Daten an das elektrische Gerät übermittelt werden und von dem Verbraucher wiedergegeben werden. In einem Beispiel kann die Stromversorgung des elektrischen Geräts über ein HF Feld erfolgen, mit dem auch die übermittelten Daten ausgestrahlt werden und welches nur während der Übertragung aktiv ist. Beispielhafte Anwendungen eines solchen elektrischen Geräts sind z. B. Audioguides in Museen, Geschäften, öffentlichen Verkehrsmittel, bei Städteführungen, etc., zur Übermittlung von Daten mittels gezielter Informationssendung je nach Position des Benutzers des elektrischen Geräts.
Anstatt der oben beschriebenen Anmeldung des Trägers über einen Empfänger kann das elektrische Gerät eine Kamera umfassen, die eine Aufnahme der Iris des Benutzers beim Tragen des elektrischen Geräts (z. B. der Brille) ermöglicht. Durch den Abgleich mit einer Referenz kann die Identität des Benutzers ermittelt werden und dadurch z. B. die Identität gegenüber dem Empfänger (z. B. gegenüber einer Maschine, einem Fahrzeug, einem Computer, einem Zugangskontrollsystem, etc.) drahtlos bestätigt werden. Nach einer erfolgreichen Bestätigung der Identität des Benutzers können wie oben beschrieben eine oder mehrere Funktionen des elektrischen Geräts und/oder des Empfängers aktiviert oder deaktiviert werden.
Eine andere Funktion des Verbrauchers kann eine Ortung des elektrischen Geräts (z. B. einer Brille) sein. Dies kann z. B. über ein externes HF Feld realisiert werden. Befindet sich das elektrische Gerät in Reichweite des externen HF Feldes kann ein Signal (optisch, akustisch, etc.) von einer im Verbraucher integrierten Signalaussendeeinheit ausgegeben werden. Vorzugsweise ist das Signal abhängig von der Feldstärke bzw. dem Abstand zwischen dem elektrischen Gerät und der externen HF Quelle. In diesem Fall kann der Verbraucher einen Sensor umfassen, der vorzugsweise die Feldstärke des HF Feldes detektiert und eine Signalaussendeeinheit, die ein optisches, akustisches oder anderes Signal aussendet, sobald die detektierte Feldstärke einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet. Das Signal kann abhängig von der Intensität der detektierten Feldstärke sein.
Ebenfalls ist eine Verwendung des elektrischen Geräts (z. B. einer Brille) als Freisprecheinrichtung möglich. In diesem Fall kann der Verbraucher zumindest ein Mikrophon, einen Lautsprecher und/oder eine Datensende- und/oder -empfangseinheit umfassen. Ferner können visuelle Informationen, wie z. B. Informationen über eingehende Anrufe, Kontaktdaten, Verkehrsinformationen, Informationen über Museumsexponate, Sehenswürdigkeiten, etc. ebenfalls in das Sichtfeld des Trägers eingeblendet werden. In einem Beispiel kann die Stromversorgung dieser Elemente über ein HF Feld erfolgen, mit dem auch die übermittelten Daten ausgestrahlt werden und welches nur während einer Übertragung aktiv ist.
Der Verbraucher kann ferner ausgelegt werden, zumindest eine optische Eigenschaft des elektrischen Geräts zu verändern bzw. zu regeln und/oder zu steuern. Insbesondere kann die Endvorrichtung ausgelegt werden, um die Absorption von Brillengläsern oder von Gläsern von Head-Mounted Displays zu verändern.
So kann der Verbraucher zumindest einen Sensor umfassen, welcher die Intensität der elektromagnetischen Strahlung und insbesondere die Intensität der UV-Strahlung misst. Ferner kann die Endvorrichtung eine Steuerungs- bzw. Regelungsvorrichtung (Controller) umfassen, welche die Lichtdurchlässigkeit bzw. die Absorption von Brillengläsern oder von Gläsern eines Head-Mounted Displays in Abhängigkeit von der gemessenen Strahlungsintensität verändert. Dies kann z. B. mittels elektrochromer Prozesse bzw. unter Verwendung von elektrochromen Komponenten erfolgen. Dadurch kann eine idealerweise konstante Strahlungsintensität gewährleistet werden. Ferner können die Augen vor UV-Strahlung geschützt werden.
Die Absorption der Gläser kann homogen über die gesamte Oberfläche der Gläser geändert werden. Es ist jedoch möglich, die Absorption der Gläser nur in einem bestimmten Bereich der Gläser zu verändern, z. B. oberhalb einer Sichtlinie, wie in 5 gezeigt.
So können sich bei Tätigkeiten, die in einem abgeschlossenen Raum stattfinden und bei denen der Blick nach draußen gerichtet ist (z. B. Autofahren, Maschinenbedienung aus einem Cockpit oder Führerhaus), extreme Kontraste durch stark unterschiedliche Beleuchtungen innen und außen ergeben. Bei gleichbleibender Position innerhalb des Raumes und damit auch der Kanten, bei denen der Übergang von innen nach außen stattfindet, kann durch Festlegung einer Sichtlinie 32 eine Verdunklung 34 der Gläser (d. h. eine Reduktion der Lichtdurchlässigkeit der Gläser) nur in den Bereichen der Gläser oberhalb der Sichtlinie 32 stattfinden. Die Sichtlinie 32 kann dabei vom Träger einmalig als Grenze, z. B. über einen im Verbraucher integrierten Neigungssensor 36 festgelegt werden. Der Kontrast von außen zu innen wird für den Träger dadurch reduziert und führt zu einem angenehmeren Sehen.
In den obigen Beispielen bieten sich zur Stromversorgung insbesondere Solarzellen an, da die Funktionalität nur notwendig ist wenn entsprechende Strahlung auf die Brille einfällt. Es sind jedoch andere Energiequellen ebenfalls möglich.
Der Verbraucher kann ferner elektrisch steuerbare Shutterelemente (z. B. auf Flüssigkristalle basierte Shutter), die beim entsprechenden Signal vom Controller die Brillengläser oder die Gläser eines Head-Mounted Displays lichtundurchlässig (intransparent) für bestimmte Wellenlängen und/oder Polarisationen des einfallenden Lichts machen.
Der Verbraucher kann ebenfalls ausgelegt werden, die Brechkraft von Brillengläsern oder von Gläsern von Head-Mounted Displays zu verändern. In diesem Fall kann der Verbraucher elektrisch steuerbare Flüssigkristallelemente (z. B. in Form von cholesterischen LCD-Folien) mit variabler Brechkraft umfassen, die im Sichtfeld des Trägers (z. B. auf oder in den Brillengläsern) angeordnet sind. Ferner kann der Verbraucher eine Steuerungs- bzw. Regelungsvorrichtung (Controller) umfassen, die die elektrisch steuerbare Flüssigkristallelemente steuert bzw. regelt.
Der Verbraucher kann ferner ausgelegt werden, die Temperatur der Glasflächen der Brille zu verändern, um z. B. eine „Anti-Fog” Funktion bereitzustellen. So können z. B. die Glasflächen über Heizelemente aufgeheizt werden, um z. B. einen Beschlag der Gläser zu vermeiden bzw. zu reduzieren. Wird beim Wechsel von einer kalten Umgebung in eine warme Umgebung der Taupunkt bezüglich der Glasoberflächentemperatur unterschritten, kommt es zu einem Niederschlag auf den Glasflächen, wodurch die Sicht durch die Brille erheblich beeinträchtigt wird. Durch Messung von Glastemperatur und/oder der Luftfeuchtigkeit mittels geeigneter, im Verbraucher integrierter Sensoren kann der Taupunkt bestimmt werden. Ferner kann mittels einer, in das Brillenglas eingearbeiteten, transparenten ITO Schicht eine Heizung der Glasflächen realisiert werden, die keine optische Beeinträchtigung für den Brillenträger darstellt. Die Heizung wird in diesem Fall solange aktiviert, bis der Taupunkt überschritten wurde und ein Niederschlag auf den Glasflächen nicht mehr stattfindet.
Nachfolgend werden einige Anwendungsbeispiele der Erfindung beschrieben:
Anwendungsbeispiel 1: Sonnenbrille mit automatischer Abdunkelung
Die automatische Verdunkelung kann z. B. mittels elektrochromer Gläser, LCD-Folien, cholesterischer LCD-Folien, etc. erzielt werden. Der durchschnittliche Energieverbrauch der elektrochromen Elemente ist in diesem Fall ungefähr 1,2 bis 4 mW. Vorzugsweise erfolgt die Stromerzeugung mittels photovoltaischer Elemente, die im stromlosen Zustand hell bzw. transparent im sichtbaren Wellenlängenbereich sind. Typische photovoltaische Elemente liefern ungefähr 8,9 mW/cm² Energie. Ein kontinuierlicher Betrieb der Brille ist somit bei einer Größe des photovoltaischen Elements ab ca. 0,5 cm² möglich.
Sollte die Brille eine Sportbrille für den Wintersport sein, können zusätzlich oder alternativ thermoelektrische Elemente verwendet werden. Ein thermoelektrisches Element, das auf Peltier-Effekt basiert, erzeugt bei einer Temperaturdifferenz von 20°C ungefähr 4 mW Energie. Ein kontinuierlicher Betrieb wird somit ermöglicht, insbesondere bei cholesterischen LCD-Folien.
Als Stromspeicher kann zumindest ein Superkondensator dienen.
Anwendungsbeispiel 2: Brille mit Shuttertechnik für 3D Inhalte an LCD Monitoren
Der Verbraucher kann ein elektrisch gesteuerter Shutter sein. Der Shutter kann eine LCD-Folie umfassen, die über das gesamte Sichtfeld des Benutzers angeordnet ist. Ferner umfasst der Shutter eine Steuer- und/oder Regelungseinheit (Controller). Ein auf LCD-Folie basierter Shutter verbraucht typischerweise ungefähr 1,2 bis 4 mW für die LCD-Folie und 0,252 mW bis 28,5 mW für den Controller. Die Stromerzeugung kann mittels Energy Harvesting durch HF-Strahlung (gegebenenfalls extra ausgestrahlt) erfolgen. Der Stromspeicher kann unterschiedlich sein, z. B. ein Superkondensator. Die erzeugte Energie ist in diesem Fall z. B. ca. 262 mW. Ein kontinuierlicher Betrieb ist somit möglich. Selbstverständlich sind auch andere Energiequellen denkbar, wie z. B. Vibrationsenergie und/oder Thermoenergie.
Anwendungsbeispiel 3: Informationsdisplay (zur Einspiegelung von Daten)
Der Verbraucher umfasst in diesem Fall ein Display, z. B. ein Mikrosdisplay mit VGA Auflösung und eine Steuer- und/oder Regelungseinheit (Controller). Das Display kann z. B. im Randbereich des Sichtfelds des Trägers, in der Brillenfassung, auf einem externen Aufsatz, etc. angeordnet werden. Je nach Displaytyp verbraucht das Display ungefähr 125 mW und der Controller (z. B. TI MSP430) ungefähr 0.252 bis 28,5 mW.
Der Erzeuger kann in diesem Fall umfassen:

– photovoltaische Elemente, welche typischerweise ungefähr 8,9 mW/cm² leisten. Für eine Fläche von 15 cm² ergeben sich daraus ungefähr 133,5 mW; und/oder
– Induktionselemente, die auf Energy Harvesting durch HF-Strahlung basieren, gegebenenfalls durch spezifische Ausstrahlung. Solche Elemente liefern bis zum 262 mW Energie; und/oder
– auf Vibrationsenergie basierte Vibrations- und/oder Bewegungswandler, welche in der Regel einige mW liefern; und/oder
– thermoelektrische Wandler bzw. Generator, welche bei 12 mm² Fläche ungefähr 14 mW (bei 30°C Temperaturunterschied), 1 bis 2 mW (bei 5°C Temperaturunterschied) liefern.

Als Energiespeicher kann z. B. ein Superkondensator, mit z. B. 1 F (GoldCap) dienen. In einem solchen Speicher kann Energie für ca. 200 s gespeichert werden. Durch das Verhältnis erzeugter zu benötigter Energie lässt sich ein Nutzungsgrad abhängig von der Erzeugungsform von ungefähr 90%–100% (Photovoltaik); 100% (EM Strahlung) und 1–10% (Thermale Energie bei 12 mm² Fläche) errechnen.
Anwendungsbeispiel 4: Gleitsichtbrille mit variabler Addition
Der Verbraucher kann elektrisch steuerbare Flüssigkristalle (z. B. eine cholesterische LCD-Folie) umfassen, die im Sichtfeld des Trägers angeordnet sind und durch welchen die Brechkraft der Brillengläser verändert werden kann. Geeignete LCD-Folien benötigen ungefähr 0,7 mW/cm² für eine Sekunde beim Zustandswechsel. Für ein Brillenglas mit einer Fläche von ungefähr 20 × 40 mm werden folglich ungefähr 5,6 mWs (1,5 μWh) pro Zustandswechsel benötigt.
Die Stromerzeugung kann durch den Piezoeffekt durch mechanische Aktivierung, z. B. beim Tippen an die Schläfe, erfolgen (Vibrationsenergie). Ein kontinuierlicher Betrieb ist beim Wechseln seltener als alle 6 Sekunden möglich. Andere Energiequellen (wie z. B. photovoltaische Elemente, Induktion, Thermoenergie) können ebenfalls verwendet werden.
Zusammenfassend lassen sich für die Anwendungen typische Spannungen im Bereich bis einige Volt und Leistungen von Mikrowatt bis in den zweistelligen mW Bereich realisieren.
In den obigen Beispielen ist das am Kopf des Benutzers getragene visuelle elektrische Gerät eine Brille. Das elektrische Gerät kann jedoch auch ein Anderes sein, z. B. ein Head-Mounted Display.
Bezugszeichenliste

10: Brille (elektrisches Gerät)
12: vordefinierter Bereich
14: HF Quelle
16: erstes Thermoelement
18: zweites Thermoelement (Kühlkörper)
20: Peltierelement
22: Wärmerohr
24: Vibrationsgenerator
26: Brillenbügel
28: Glasrahmen
30: Nasenpad
32: Sichtlinie
34: Bereich der Glasverdunklung
36: Neigungssensor

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

Rüttelplatte ca. 90 Hz, vgl. auch ISO 2631,1, 1997/VDI-2057-1, 1987 [0019]

Claims

Ein am Kopf eines Benutzers tragbares visuelles elektrisches Gerät (10) umfassend: – eine Endvorrichtung, welche ausgelegt ist, Funktion bereitzustellen, zu deren Ausführung elektrische Energie benötigt wird; – eine Stromerzeugungsvorrichtung, welche ausgelegt ist, elektrische Energie aus der Umgebung des Benutzers zu gewinnen; – eine Speichervorrichtung, welche ausgelegt ist, zumindest einen Teil der erzeugten elektrischen Energie zu speichern; und wobei die Stromerzeugungsvorrichtung und die Speichervorrichtung ausgelegt und angeordnet sind, die Sicht des Benutzers nicht zu beeinträchtigen.
Elektrisches Gerät nach Anspruch 1, wobei die Endvorrichtung konfiguriert und angeordnet ist, die Sicht des Benutzers nicht oder nur in dem Umfang zu beeinträchtigen, in welchem die Beeinträchtigung durch die Endvorrichtung eine anderweitige zusätzliche Funktion oder Verbesserung darstellt.
Elektrisches Gerät (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Stromerzeugungsvorrichtung zumindest: – einen thermoelektrischen Energiewandler; und/oder – einen Vibrations- oder Bewegungswandler; und/oder – einen elektromagnetischen und/oder elektrodynamischen Energiewandler; und/oder – einen photovoltaischen Energiewandler; umfasst.
Elektrisches Gerät (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Stromerzeugungsvorrichtung zumindest einen thermoelektrischen Energiewandler umfasst und der thermoelektrische Energiewandler: – mindestens ein erstes Element (16), welches sich in Kontakt mit dem Körper des Benutzers befindet; und – mindestens ein zweites Element (18), welches sich in Kontakt mit der Umgebung befindet; und – mindestens ein Peltierelement (20) umfasst.
Elektrisches Gerät (10) nach Anspruch 4, wobei das elektrische Gerät eine Brille ist und wobei – das erste Element (16) in oder auf zumindest einem der Nasenpads der Brille oder der Brillenbügel im Bereich der Ohren des Benutzers angeordnet ist; und/oder – das zweite Element (18) in oder auf zumindest einem der Brillenbügel im Bereich der Schläfe des Benutzers angeordnet ist; und/oder – das Peltierelement (20) am Ort des ersten Elements (16), am Ort des zweiten Elements (18) oder zwischen dem ersten Element (16) und dem zweiten Element (18) angeordnet ist.
Elektrisches Gerät nach Anspruch 4 oder 5, ferner umfassend ein Wärmerohr, welches die einzelnen Elemente verbindet.
Elektrisches Gerät (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das elektrische Gerät eine Brille ist, die Stromerzeugungsvorrichtung zumindest einen Vibrations- bzw. Bewegungswandler umfasst und der Vibrations- bzw. Bewegungswandler zumindest einen piezoelektrischen Vibrationsgenerator (24) umfasst, welcher zwischen einem der Nasenpads (30) der Brille und/oder zwischen einem der Brillenbügel (26) und dem Glasrahmen (28) der Brille angeordnet ist.
Elektrisches Gerät (10) nach Anspruch 6, wobei der Vibrations- bzw. Bewegungswandler ausgelegt ist, die Masse der Brille als Schwingmasse zur Energiegewinnung zu nutzen.
Elektrisches Gerät (10) nach einem der der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Stromerzeugungsvorrichtung zumindest einen elektromagnetischen und/oder elektrodynamischen Energiewandler umfassend eine Antenne zum Empfang HF-Strahlung von einer externen HF Quelle (14) aufweist.
Elektrisches Gerät (10) nach Anspruch 9, wobei die Endvorrichtung eine Datenermittlungseinheit, welche ausgelegt ist, Daten aus der von der Antenne empfangenen HF-Strahlung zu ermitteln; und eine Datenwiedergabeeinheit, welche ausgelegt ist, die ermittelten Daten wiederzugeben umfasst.
Elektrisches Gerät (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Speichervorrichtung zumindest ein elektrisches und/oder mechanisches Speicherelement umfasst.
Elektrisches Gerät (10) nach Anspruch 11, wobei das elektrische Gerät eine Brille ist, die Speichervorrichtung zumindest ein mechanisches Speicherelement umfasst, und das mechanische Speicherelement zumindest eine Feder umfasst, welche entlang eines der Brillenbügel und/oder im Scharnier zwischen einem der Brillenbügel und dem Glasrahmen angeordnet ist.
Elektrisches Gerät (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Endvorrichtung ausgelegt ist, zumindest eine der folgenden Funktionen bereitzustellen: – Änderung zumindest einer optischen Eigenschaft des elektrischen Geräts; – Datenanzeige oder -wiedergabe und/oder Datenaufzeichnung; – Luftbefeuchtung des Raums zwischen den Augen des Benutzers und dem elektrischen Gerät; – Temperaturänderung bzw. Anti-Fog Funktion; – Identifikation des Benutzers; – Ortung des elektrischen Geräts; – Fundortmeldung des elektrischen Geräts; – Beleuchtung; – Unterstützung der Hörfunktion.
Elektrisches Gerät (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das elektrische Gerät eine Brille ist, und wobei die Endvorrichtung einen Neigungssensor zur Messung der Kopfneigung des Benutzers umfasst, und die Endvorrichtung ausgelegt ist, zumindest eine optische Eigenschaft der Brillengläser in Abhängigkeit von der gemessenen Kopfneigung zu verändern.
Elektrisches Gerät (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das elektrische Gerät eine Brille oder ein Head-Mounted-Display ist.
Elektrisches Gerät (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das elektrische Gerät ein autarkes System ist.