DE102014017534A1

DE102014017534A1 - Anzeigevorrichtung, die auf den Kopf eines Benutzers aufsetzbar ist

Info

Publication number: DE102014017534A1
Application number: DE102014017534.0A
Authority: DE
Inventors: Scott Lerner; Dietmar Gängler; Norbert Kerwien; Wilhelm Ulrich
Original assignee: Carl Zeiss AG
Current assignee: Carl Zeiss AG
Priority date: 2014-11-24
Filing date: 2014-11-24
Publication date: 2016-05-25
Also published as: CN107003504A; US20170343819A1; WO2016083095A1

Abstract

Es wird eine Anzeigevorrichtung mit einer auf den Kopf eines Benutzers aufsetzbaren Haltevorrichtung (2) und einer an der Haltevorrichtung (2) befestigten ersten Abbildungsoptik (6, 7), die dafür ausgebildet ist, ein in einer Bildebene (E) erzeugtes Bild als virtuelles Bild so abzubilden, dass es der Benutzer im auf dem Kopf aufgesetzten Zustand der Haltevorrichtung (2) mit einem ersten Auge (LA, RA) wahrnehmen kann, bereitgestellt, wobei die erste Abbildungsoptik (6, 7) als abbildendes Element genau eine erste Linse (18) mit einer ersten und einer zweiten Grenzfläche (20, 21) aufweist, wobei die beiden Grenzflächen jeweils asphärisch gekrümmt sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anzeigevorrichtung mit einer auf den Kopf eines Benutzers aufsetzbaren Haltevorrichtung und einer mechanisch mit der Haltevorrichtung verbundenen ersten Abbildungsoptik, die dafür ausgebildet ist, ein in einer Bildebene erzeugtes Bild als virtuelles Bild so abzubilden, dass es der Benutzer im auf dem Kopf aufgesetzten Zustand der Haltevorrichtung mit einem ersten Auge wahrnehmen kann.
Solche Anzeigevorrichtungen können insbesondere so ausgebildet sein, dass der Benutzer nur noch die durch die Anzeigevorrichtung erzeugten Bilder und nicht mehr die Umgebung wahrnehmen kann. Solche Anzeigevorrichtungen werden auch als HMD-Vorrichtung (Head Mounted Display)-Vorrichtung oder auch als VR-Brille (Virtuelle-Realität-Brille) bezeichnet. Da der Benutzer nur noch die durch die Anzeigevorrichtung erzeugten Bilder und nicht mehr die Umgebung wahrnehmen kann, taucht er quasi in eine virtuelle Realität ein, was einen starken Eindruck hinterlässt.
Solche Anzeigevorrichtungen sollen, da sie auf dem Kopf getragen werden, möglichst leicht sein und gleichzeitig soll eine möglichst gute Abbildung des virtuellen Bildes mit großem Sichtfeld bereitgestellt werden, was zu einem erhöhten Gewicht der ersten Abbildungsoptik führt, da sie dazu z. B. mehrere Linsen aufweist.
Ausgehend hiervon ist es daher Aufgabe der Erfindung eine Anzeigevorrichtung mit einer auf den Kopf eines Benutzers aufsetzbaren Haltevorrichtung und einer mechanisch mit der Haltevorrichtung verbundenen ersten Abbildungsoptik, die dafür ausgebildet ist, ein in einer Bildebene erzeugtes Bild als virtuelles Bild so abzubilden, dass es der Benutzer im auf dem Kopf aufgesetzten Zustand der Haltevorrichtung mit einem ersten Auge wahrnehmen kann, so weiterzubilden, dass die eingangs genannten Schwierigkeiten möglichst vollständig überwunden werden können.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einer Anzeigevorrichtung, die eine auf den Kopf eines Benutzers aufsetzbaren Haltevorrichtung und eine mechanisch mit der Haltevorrichtung verbundenen ersten Abbildungsoptik aufweist, die dafür ausgebildet ist, ein in einer Bildebene erzeugtes Bild als virtuelles Bild so abzubilden, dass es der Benutzer im auf dem Kopf aufgesetzten Zustand der Haltevorrichtung mit einem ersten Auge wahrnehmen kann, gelöst, wobei die erste Abbildungsoptik als abbildendes Element genau eine erste Linse mit einer ersten und einer zweiten Grenzfläche aufweist, wobei beide Grenzflächen jeweils asphärisch gekrümmt sind.
Damit ist es möglich, mit nur einer einzigen Linse eine ausreichend gute Abbildung bereitzustellen. Da die erste Abbildungsoptik genau eine erste Linse (und keine weiteren abbildenden optischen Elemente) aufweist, kann das Gewicht der Anzeigevorrichtung gering gehalten werden.
Die erste und zweite Grenzfläche weisen bevorzugt unterschiedliche sphärische Krümmungen auf. Insbesondere kann das Verhältnis des Betrages der Scheitelkrümmung der ersten Grenzfläche, die der Bildebene zugewandt ist, zum Betrag der Scheitelkrümmung der zweiten Grenzfläche im Bereich von 1,2 bis 1,8 liegen. Damit ist eine ausreichende Korrektur des Astigmatismus möglich, wodurch die gewünschte Abbildungsqualität bereitgestellt werden kann.
Insbesondere kann die zweite Grenzfläche als Hyperboloid ohne Deformationen höherer Ordnung und/oder kann die erste Grenzfläche als Hyperboloid mit Deformationen höherer Ordnungen ausgebildet sein.
Die erste Abbildungsoptik kann frei von Umlenkelementen zur Strahlengangfaltung sein.
Die erste Linse kann aus Kunststoff gebildet sein. Dies führt zu einem geringen Gewicht. Beispielsweise kann sie aus PMMA gebildet sein. Dies führt zu einer Verringerung der unerwünschten chromatischen Aberrationen, da PMMA eine geringe Dispersion aufweist.
Ferner kann vor der ersten Grenzfläche und somit zwischen der ersten Grenzfläche und der Bildebene eine Blende positioniert sein. Damit können Strahlen mit starker Aberration abgeschattet werden, die sonst von der ersten Linse in unerwünschter Weise zur Austrittspupille der ersten Abbildungsoptik gelenkt werden würden.
Der Abstand zwischen der zweiten Grenzfläche und der Austrittspupille der ersten Abbildungsoptik kann im Bereich von 5 bis 25 mm, insbesondere im Bereich von 13 bis 20 mm liegen.
Das bereitgestellte Sichtfeld kann in diagonaler Richtung einen Wert zwischen 65° und 105° aufweisen.
Der Abstand zwischen der Austrittspupille der ersten Abbildungsoptik und der Bildebene kann im Bereich von 50 bis 70 mm liegen.
Die Austrittspupille der ersten Abbildungsoptik kann eine maximale Ausdehnung von größer oder gleich 3 mm, bevorzugt von größer oder gleich 5 mm, aufweisen.
Die Anzeigevorrichtung ist insbesondere so ausgelegt, dass das in der Bildebene erzeugte Bild eine Diagonale von 50 mm oder weniger aufweist.
Die erste Abbildungsoptik ist so ausgelegt, dass der Astigmatismus als korrigiert angesehen werden kann, wohingegen eine Verzerrung und eine laterale chromatische Aberration zugelassen sind. Das in der Bildebene erzeugte Bild wird dann bevorzugt mit einer entsprechenden gegenläufigen Verzerrung und einer entsprechenden gegenläufigen lateralen chromatischen Aberration erzeugt, so dass das abgebildete virtuelle Bild ohne Verzerrung oder mit geringer Verzerrung und ohne chromatische Aberration oder geringer lateraler chromatischer Aberration abgebildet ist.
Ferner ist die erste Abbildungsoptik so optimiert, dass die noch vorhandene Feldkrümmung durch Akkommodation mittels des Auges kompensiert werden kann.
Insbesondere sind die asphärisch gekrümmten Grenzflächen so ausgebildet, dass sie die sphärische Aberration korrigieren. Bevorzugt können sie auch Aberrationen höherer Ordnung korrigieren. Des weiteren kann die erste Abbildungsoptik so ausgelegt sein, dass ihr Petzval-Radius im Bereich von –55 bis –49 liegt.
Ferner ist die erste Abbildungsoptik bevorzugt so ausgelegt, dass die von der ersten Grenzfläche bedingte Winkelabweichung der Strahlen durch die von der zweiten Grenzfläche bedingte Winkelabweichung der Strahlen bei der Abbildung kompensiert ist. Hierunter wird insbesondere verstanden, dass |n_Luft·sinβ₁ – n_Subsrat·sinβ₂ + n_Luft·sinβ₃ – n_Substrat·sinβ₂| Null oder nahezu Null beträgt, wobei die Winkel sinβ₁, sinβ₂ und sinβ₃ jeweils der der Austrittspupille 22, der ersten Grenzfläche 20 und der zweiten Grenzfläche 21 folgende Winkel eines Hauptstrahls vom Rand des abzubildenden Feldes bzw. Bildes mit deroptischen Achse bzw. einer zu der optischen Achse parallelverschobenen Achse ist und n_Luft und n_Substrat die Brechungsindices des jeweils umgebenden Mediums sind. Der Betrag dieses Termes ist bevorzugt kleiner als 0,1, insbesondere kleiner als 0,7, kleiner als 0,5 oder kleiner als 0,01.
Die Anzeigevorrichtung kann ferner ein mechanisch mit der Haltevorrichtung verbundenes Bildmodul, das einen Bildschirm, auf dem das Bild in der Bildebene erzeugt wird, aufweisen. Das Bildmodul kann eine Steuereinheit zur Ansteuerung des Bildschirms und eine Sensoreinheit zum Erfassen einer Bewegung des Bildmoduls aufweisen. Die Sensoreinheit kann eingerichtet sein, der Steuereinheit Signale zuzuführen. Die Steuereinheit kann eingerichtet sein, aus den Signalen ein durchgeführtes Antippen der Haltevorrichtung zu erkennen und in Abhängigkeit des erkannten Antippens eine Änderung des auf dem Bildschirm erzeugten Bildes und/oder die Steuerung einer auf dem Bildmodul ausgeführten Anwendung, die Inhalte bereitstellt, die im auf dem Bildschirm erzeugten Bild enthalten sind, zu bewirken.
Ein solches Antippen oder Anstoßen der Haltevorrichtung kann diskret und auch in lauterer Umgebung durchgeführt werden, ohne dass dadurch die Eingabe verfälscht wird. Somit kann eine diskrete und sichere Steuerung der Anzeigevorrichtung erfolgen.
Bei der erfindungsgemäßen Anzeigevorrichtung kann somit über ein Tippen, Stoßen oder Klopfen gegen die Haltevorrichtung eine Eingabe durchgeführt werden. Erfindungsgemäß wird die Haltevorrichtung an sich als Eingabeschnittstelle genutzt, die auf eine Berührung der Haltevorrichtung (insbesondere ein Tippen, Stoßen oder Klopfen gegen die Haltevorrichtung) sensitiv ist, wobei dazu die Haltevorrichtung nicht speziell angepaßt werden muß. Die Haltevorrichtung kann so wie sie ist als Eingabeschnittstelle genutzt werden, da die Messung der durchgeführten Interaktion (das Tippen, Stollen, Klopfen, etc.) mit der Haltevorrichtung mittels der Sensoreinheit und die Auswertung der Meßsignale mittels der Steuereinheit erfolgt, die beide Teil des Bildmoduls sind.
Bei der erfindungsgemäßen Anzeigevorrichtung kann die Steuereinheit aus den zugeführten Signalen die Position des durchgeführten Antippens an der Haltevorrichtung, die Stärke des durchgeführten Antippens der Haltevorrichtung, den zeitlichen Abstand von zumindest zwei aufeinanderfolgenden Antipp-Ereignissen erkennen und/oder die Richtung erkennen, in der beim Antippen gegen die Haltevorrichtung gestoßen oder geklopft wurde, und in Abhängigkeit der erkannten Position, der erkannten Stärke des Antippens, des erkannten zeitlichen Abstandes und/oder der erkannten Richtung eine Änderung des auf dem Bildschirm erzeugten Bildes und/oder die Steuerung der Anwendung bewirken.
Man kann auch sagen, dass die Steuereinheit aus den Signalen ein räumliches und/oder zeitliches Muster von einem oder mehreren Antipp-Ereignissen erkennen und in Abhängigkeit davon eine Änderung des auf dem Bildschirm erzeugten Bildes und/oder die Steuerung der Anwendung bewirken kann. Das räumliche und/oder zeitliche Muster wird somit in einem Steuerungsbefehl umgesetzt.
Insbesondere kann bei der erfindungsgemäßen Anzeigevorrichtung auf der linken und auf der rechten Seite des Bildschirms ein auswählbarer Menüpunkt im Bild dargestellt werden, der durch Antippen der zugeordneten linken oder rechten Seite der Haltevorrichtung auswählbar ist.
Es ist auch möglich, dass die Anzeigevorrichtung zumindest in einer Ecke des erzeugten Bildes einen auswählbaren Menüpunkt darstellt, der durch Antippen der Haltevorrichtung im Bereich dieser Ecke auswählbar ist.
Insbesondere kann die erfindungsgemäße Anzeigevorrichtung als HMD-Vorrichtung und/oder als VR-Brille ausgebildet sein.
Des Weiteren kann bei der erfindungsgemäßen Anzeigevorrichtung das Bildmodul auswechselbar mit der Haltevorrichtung verbunden sein.
Insbesondere kann die Haltevorrichtung ein Vorderteil aufweisen, in dem das Bildmodul und die erste Abbildungsoptik angeordnet sind, wobei im auf dem Kopf aufgesetzten Zustand der Haltevorrichtung das Vorderteil bevorzugt so vor den Augen des Benutzers positioniert ist, dass der Benutzer nur das virtuelle Bild und nicht die Umgebung wahrnehmen kann. Insbesondere kann das Vorderteil lichtdicht auf dem Gesicht in einem die Augen umgebenden Bereich anliegen.
Ferner kann bei der erfindungsgemäßen Anzeigevorrichtung der Bildschirm des Bildmoduls im auf dem Kopf aufgesetzten Zustand der Haltevorrichtung im Wesentlichen senkrecht zur Geradeausblickrichtung sein. Hierunter wird insbesondere verstanden, dass der Winkel zwischen der Geradeausblickrichtung und dem Bildschirm 90° oder nahezu 90° (beispielsweise mit einer maximalen Abweichung ≤10° in beide Richtungen und somit der Winkel Werte von 80° bis 100° aufweisen kann oder bevorzugt mit einer maximalen Abweichung ≤5° in beide Richtungen und somit der Winkel Werte von 85° bis 95° aufweisen kann) beträgt.
Die erfindungsgemäße Anzeigevorrichtung kann neben der ersten Abbildungsoptik eine zweite Abbildungsoptik aufweisen, die in gleicher Weise ausgebildet sein kann wie die erste Abbildungsoptik. Die zweite Abbildungsoptik ist insbesondere dafür ausgebildet, ein auf dem Bildschirm erzeugtes zweites Bild als virtuelles Bild bereitzustellen, wenn der Benutzer die Haltevorrichtung auf dem Kopf trägt. Insbesondere kann die erste Abbildungsoptik das virtuelle Bild für ein erstes Auge und die zweite Abbildungsoptik das virtuelle Bild für das zweite Auge bereitstellen. In diesem Fall wird eine binokulare Anzeigevorrichtung bereitgestellt. Die erste und/oder zweite Abbildungsoptik kann als Lupenoptik ausgebildet sein.
Der Abstand der optischen Achsen der ersten Abbildungsoptik und der zweiten Abbildungsoptik beträgt bevorzugt zwischen 60 und 65 mm, insbesondere zwischen 61 und 63 mm Es kann vorgesehen sein, dass der Abstand zwischen den Abbildungsoptiken auf einen gewünschten Abstand, der dem Augenabstand des Benutzers entsprechen kann, einstellbar ist.
Die Sensoreinheit kann einen Trägheitssensor, wie z. B. ein Gyroskop, einen Neigungssensor, einen Beschleunigungssensor und/oder einen sonstigen Sensor aufweisen.
Die mechanische Verbindung des Bildmoduls mit der Haltevorrichtung ist bevorzugt spielfrei.
Bei der erfindungsgemäßen Anzeigevorrichtung kann die auf dem Bildmodul ausgeführte Anwendung den Bildschirm so ansteuern, dass basierend auf zugeführten Bilddaten eines ersten Bildes das erste Bild sowohl in einem ersten Abschnitt des Bildschirms als auch in einem vom ersten Abschnitt getrennten zweiten Abschnitt des Bildschirms erzeugt wird.
Da erfindungsgemäß die Anwendung direkt auf dem Bildmodul ausgeführt wird, kann in vorteilhafter Weise schnell die gewünschte Bilderzeugung durchgeführt werden. Des Weiteren können Bilddaten, die auf dem Bildmodul gespeichert oder von diesem erzeugt werden sind, zur Darstellung genutzt werden.
Beim Bildmodul kann es sich um ein tragbares Gerät mit einer Steuereinheit zum Ausführen von Programmanweisungen und zum Ansteuern des Bildschirms handeln. Ein solches tragbares Gerät ist z. B. ein Mobiltelefon, wie z. B. ein Smartphone.
Erfindungsgemäß wird somit die Eigenschaft des tragbaren Bildmoduls, Programmanweisungen ausführen zu können, genutzt, um die Anwendung auf dem Bildmodul mit den entsprechenden Anweisungen auszuführen, die die Bildschirmansteuerung und bevorzugt die Aufteilung des Bildschirms in zwei Abschnitte mit der Darstellung des gleichen Bildes in beiden Abschnitten durchführt.
Die Anwendung kann den Bildschirm so ansteuern, dass die beiden Abschnitte voneinander beabstandet sind und der Bereich zwischen den beiden Abschnitten dunkel geschaltet ist.
Ferner kann die Anwendung das erste Bild im ersten und zweiten Abschnitt so erzeugen, dass bei Betrachtung der beiden Bilder kein Stereoeffekt vorliegt. Natürlich können die Bilder auch so erzeugt werden, dass ein Stereoeffekt vorliegt.
Die Bilddaten können in der Weise zugeführt werden, dass die Anwendung auf im Bildmodul (nachfolgend auch Bilderzeugungsvorrichtung genannt) gespeicherte Bilddaten zugreift und/oder dass die Bilddaten auf die Bilderzeugungsvorrichtung gestreamt werden und/oder dass die Bilddaten auf der Bilderzeugungsvorrichtung erzeugt werden. Insbesondere kann die Anwendung Bilddaten anderer Anwendungen auf der Bilderzeugungsvorrichtung erfindungsgemäß darstellen.
Ferner ist es möglich, dass das erste Bild in zumindest in einem der Abschnitte vorverzerrt erzeugt und dadurch ein Abbildungsfehler der Abbildungsoptik zumindest teilweise kompensiert wird.
Natürlich ist es auch möglich, dass die aufgenommene Umgebung noch einer weiteren Bilddatenverarbeitung unterzogen wird, bevor sie dargestellt wird. Dabei kann es sich um eine Helligkeitsanpassung, eine Farbanpassung, eine Falschfarbendarstellung, etc. handeln.
Wenn die tragbare Bilderzeugungsvorrichtung z. B. als Mobiltelefon ausgebildet ist, kann die Anwendung auch als App bezeichnet werden.
Bei den zugefügten Bilddaten kann es sich insbesondere um Bilddaten einer Aufnahme der Umgebung eines die Anzeigevorrichtung auf dem Kopf tragenden Benutzers und/oder um sonstige Bilddaten handeln. Es ist somit beispielsweise möglich, dem Benutzer die Umgebung als erstes Bild darzustellen. Zusätzlich kann die Umgebung mit weiteren Bildinformationen in Überlagerung gezeigt werden, so dass dem Benutzer mehr als die Umgebung angezeigt wird. Dabei kann es sich beispielsweise um Hinweise handeln, die kontextsensitiv erzeugt und im erzeugten Bild dargestellt werden.
Insbesondere kann dem Benutzer ein Livebild der Umgebung angezeigt werden. Dazu ist bevorzugt noch eine Kamera vorgesehen, die die Umgebung aufnimmt. Die Kamera kann eine separate Kamera sein, die bevorzugt an der Anzeigevorrichtung (z. B. an der Haltevorrichtung) befestigt ist. Insbesondere ist es möglich, eine an der Bilderzeugungsvorrichtung vorhandene Kamera zu nutzen. Bei Smartphones ist in der Regel eine Kamera vorgesehen, die auf der Rückseite (der dem Bildschirm abgewandten Seite) vorgesehen ist, so dass diese Kamera für die Aufnahme der Umgebung genutzt werden kann.
Die beschriebene Darstellung der Umgebung in Überlagerung mit einer weiteren Bildinformation wird häufig auch als Augmented Reality-Darstellung bezeichnet.
Bei der erfindungsgemäßen Anzeigevorrichtung kann die Anwendung das erste Bild im ersten und zweiten Abschnitt so erzeugen, dass ein Bildinhalt des ersten Bildes im ersten und zweiten Abschnitt entweder mit einem ersten Abstand oder mit einem davon verschiedenen zweiten Abstand erzeugt wird. Damit ist es möglich, die Bilderzeugung an unterschiedliche Augenpupillenabstände von Benutzern anzupassen.
Insbesondere kann die Anwendung eine Schnittstelle aufweisen, über die der Abstand eingegeben werden kann, wobei dann das erste Bild im ersten und zweiten Abschnitt in Abhängigkeit des eingegebenen Abstandes so erzeugt wird, dass der eingegebene Abstand auf dem Bildschirm zwischen dem Bildinhalt des Bildes vorliegt. Die Schnittstelle kann insbesondere die erfindungsgemäße Eingabeschnittstelle der Haltevorrichtung sein, die durch Antippen, Klopfen bzw. Stoßen bedient werden kann. Insbesondere ist eine kontinuierliche Abstandsänderung mittels der Anwendung möglich.
Zur Einstellung des Abstandes kann es notwendig sein, das erste Bild zu beschneiden. Somit wird dann nicht das komplette erste Bild in den beiden Abschnitten dargestellt, sondern nur ein beschnittenes erstes Bild.
Eventuell nicht durch das erste Bild ausgefüllte Bereiche des Bildschirms können schwarz dargestellt werden.
Das Vorderteil der Anzeigevorrichtung kann eine Aufnahme aufweisen, in die das Bildmodul auswecheselbar eingesetzt werden kann.
Die Aufnahme kann einen an das Bildmodul angepassten und reversibel von der Aufnahme trennbaren Halter umfassen, in den das Bildmodul einsetzbar ist. Vorteilhaft wird damit eine vereinfachte Trennung des Bildmoduls von der Anzeigevorrichtung erreicht, indem nicht das Bildmodul selbst, sondern das Bildmodul zusammen mit dem Halter entnommen wird. Vorteilhaft kann der Halter im von der Anzeigevorrichtung getrennten Zustand so auch als permanente Schutzhülle für das tragbare Bildmodul zum Schutz vor mechanischen Beschädigungen verwendet werden.
Der Halter ist so an das tragbare Bildmodul und/oder die Aufnahme angepasst, dass im an der Haltevorrichtung befestigten Zustand des Halters das Bildmodul automatisch in der Bildebene positioniert ist. Beispielsweise kann der Halter individuell angepasst sein, ein vorbestimmtes Fabrikat eines Bildmoduls, insbesondere eines vorbestimmten Modells eines Mobiltelefons, zu halten, derart, dass im an der Aufnahme befestigten Zustand des Halters das Bildmodul automatisch in der Bildebene positioniert ist. Vorteilhaft können somit auf einfache Weise unterschiedliche Bildmodule mit der Anzeigevorrichtung kombiniert werden.
Bevorzugt kann der Halter eine zu den äußeren Abmessungen des Bildmoduls komplementäre Aussparung aufweisen, in welche das Bildmodul passgenau eingebettet werden kann, derart, dass eine bilderzeugende Vorderseite des Bildmoduls (d. h. bei einem Mobiltelefon die Bildschirmseite) von dem Halter im Wesentlichen unverdeckt bleibt.
Insbesondere ist der Halter an die Aufnahme angepasst.
Das Einsetzen des Halters in die Aufnahme kann insbesondere ein Einschieben und/oder Einrasten umfassen.
Der Halter kann zumindest ein Halteelement aufweisen, das das Bildmodul im in den Halter eingesetzten Zustand entnehmbar vorhält. Vorzugsweise kann das Halteelement durch eine Bördelung gebildet sein, die einen äußeren Rand der bilderzeugenden Vorderseite des Bildmoduls zumindest teilweise umgreift.
Der Halter kann einen Rahmen umfassen. Der Rahmen kann innere Abmessungen zum (passgenauen) Einsetzen des Bildmoduls und äußere Abmessungen zum (passgenauen) Einsetzen in die Haltevorrichtung aufweisen.
Der Rahmen kann eine rückseitige Abdeckung aufweisen, die einen unteren flächigen Abschluss des Rahmens bildet und deshalb auch als Rahmenboden bezeichnet werden kann.
Die rückseitige Abdeckung kann einen optisch transparenten Teilbereich aufweisen. Der optisch transparente Teilbereich der Abdeckung kann eine Öffnung oder ein optisch transparentes Material, beispielsweise einen transparenten Kunststoff, umfassen.
Der optisch transparente Teilbereich ist bevorzugt in dem Bereich des Rahmenbodens vorgesehen, der einer rückseitigen Kamera des Bildmoduls gegenüberliegt. Damit wird es insbesondere ermöglicht, auf eine Kamera des Bildmoduls auch im eingesetztem Zustand des Bildmoduls zuzugreifen. Beispielsweise ist es denkbar, dass die Kamera eines Mobiltelefons oder eines beliebigen anderen mit einer Kamera ausgestatteten Bildmoduls (Umgebungs-)Bilder aufnimmt, während der Benutzer die Anzeigevorrichtung mit dem eingesetzten Bildmodul auf dem Kopf trägt.
Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung wird unter einem optisch transparenten Material ein Material mit einer (Teil-)Durchlässigkeit für sichtbares Licht verstanden, wobei der Grad der Durchlässigkeit frei wählbar ist und insbesondere im Bereich zwischen 100% und 60% liegen kann.
Das optisch transparente Material kann eine optisch wirksame Schicht aufweisen. Beispielsweise kann eine teilreflektive Schicht vorgesehen sein, deren Reflektivität frei wählbar ist, jedoch bevorzugt zwischen 5 und 30% liegen kann. Alternativ ist es möglich, dass der Teilbereich als Öffnung aus dem Rahmenboden ausgespart ist.
Vorderseitig kann der Rahmen einen nichttransparenten Mittelsteg aufweisen, der die bilderzeugende Vorderseite des in den Rahmen eingesetzten Bildmoduls in einen ersten optisch zugänglichen Bereich und einen zweiten optisch zugänglichen Bereich trennt.
Vorteilhaft kann der Halter einen an das Bildmodul angepassten, von dem Halter trennbaren Einsatz umfassen. Durch die individuelle Anpassung des Einsatzes an den Bildgeber wird es ermöglicht, einen einzigen Halter für verschiedene Bildgeber vorzuhalten.
Der Einsatz kann wiederum als an das Bildmodul angepasster Rahmen gestaltet sein, der ferner wiederum einen Rahmenboden mit den bereits vorstehend erläuterten Merkmalen aufweisen kann.
Vorteilhaft kann der Halter durch Einschieben in die Aufnahme einsetzbar sein. Damit wird eine besonders benutzerfreundliche Art der Verbindung des Bildmoduls mit dem Halter bereitgestellt.
Die Aufnahme kann einen ersten Schlitz aufweisen, so dass der Halter ähnlich wie bei einer Schublade beispielsweise von seitlich oder von oben in die Aufnahme eingeschoben werden kann.
Es kann vorgesehen sein, dass dem ersten Schlitz gegenüberliegend ein weiterer Schlitz vorgesehen ist, über den der Halter wieder aus der Aufnahme herausbewegt werden kann, bzw. umgekehrt.
Vorteilhaft kann die Aufnahme eine Führung aufweisen, entlang welcher der Halter in die Aufnahme einschiebbar ist. Die Führung ist bevorzugt an einer Schmalseite der Aufnahme angeordnet. Beispielsweise kann die Führung eine Führungsschiene umfassen. Die Führung kann eine Rastung mit einer Raststellung aufweisen. Die Rastung kann vorteilhaft die zweite Positionierungsvorrichtung verwirklichen. Damit wird in einfacher Weise ein automatisches Ausrichten des Bildgebers relativ zu einer optischen Achse der ersten Abbildungsoptik ermöglicht. Die Rastung kann durch ein am Vorderteil befestigtes Federelement verwirklicht sein, das beispielsweise in eine dafür vorgesehene Aussparung des Halters eingreift.
Insbesondere kann die Aufnahme am Vorderende (d. h. am vom Benutzer weg zeigenden Ende) des Vorderteils ausgebildet sein, sodass das eingesetzte Bildmodul bzw. bei Ausführungsbeispielen der Rahmenboden den vorderen Abschluss der Anzeigevorrichtung bildet. Damit kann die Anzeigevorrichtung besonders kompakt ausgestaltet werden. Insbesondere, wenn das Bildmodul, insbesondere in den Fallen zusammen mit einem Halter, schubladenartig in die Aufnahme eingeschoben wird, kann die Aufnahme auch vom Vorderende der Anzeigevorrichtung beabstandet ausgebildet sein. In diesem Fall kann an dem Vorderende der Anzeigevorrichtung ein optisch transparenter Teilbereich angeordnet sein. Der optisch transparente Teilbereich des Vorderendes kann aus einem optisch transparenten Material, beispielsweise einem transparenten Kunststoff gearbeitet sein. Das optisch transparente Material kann eine optisch wirksame Schicht aufweisen. Beispielsweise kann eine teilreflektive Schicht vorgesehen sein, deren Reflektivität frei wählbar ist, jedoch bevorzugt zwischen 5 und 30% liegen kann. Alternativ ist es möglich, dass der Teilbereich als Öffnung aus der Abdeckung ausgespart ist. Der optisch transparente Teilbereich ist bevorzugt im Bereich einer rückseitigen Kamera des Bildmoduls vorgesehen, womit vorteilhaft der oben bereits beschriebene Zugriff auf die Kamera auch im eingesetztem Zustand des Bildgebers ermöglicht wird.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Nachfolgend wird die Erfindung beispielsweise anhand der beigefügten Zeichnungen, die auch erfindungswesentliche Merkmale offenbaren, noch näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische perspektivische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anzeigevorrichtung 1;
2 eine schematische Draufsicht der Ausführungsform von 1;
3 eine schematische Draufsicht der in der Anzeigevorrichtung 1 angeordneten Bilderzeugungsvorrichtung;
4 eine Draufsicht der Bilderzeugungsvorrichtung gemäß 3 zur Erläuterung der Aufteilung des Bildschirms in zwei Abschnitte und der Darstellung der gleichen Bilder auf beiden Abschnitten;
5 eine Schnittdarstellung durch die erste Abbildungsoptik 6 gemäß 2;
6 eine Darstellung zur Erläuterung des bereitgestellten Sichtfeldes S, und
7 Diagramme der Strahlaberrationen für verschiedene Feldpunkte für die y- und x-Richtung für die drei Wellenlängen 656,27 nm (Kurven W1), 587,56 nm (Kurven W2) und 486,13 nm (Kurven W3),
8 Diagramme, die die longitudinale sphärische Aberration, astigmatische Feldkurven und die Verzerrung zeigen,
9 Diagramme der Strahlaberrationen einer zweiten Ausführungsform der ersten Abbildungsoptik für verschiedene Feldpunkte für die y- und x-Richtung für die drei Wellenlängen 656,27 nm (Kurven W1), 587,56 nm (Kurven W2) und 486,13 nm (Kurven W3),
10 Diagramme, die die longitudinale sphärische Aberration, astigmatische Feldkurven und die Verzerrung für die zweite Ausführungsform der ersten Abbildungsoptik zeigen,
11 Diagramme der Strahlaberrationen einer dritten Ausführungsform der ersten Abbildungsoptik für verschiedene Feldpunkte für die y- und x-Richtung für die drei Wellenlängen 656,27 nm (Kurven W1), 587,56 nm (Kurven W2) und 486,13 nm (Kurven W3),
12 Diagramme, die die longitudinale sphärische Aberration, astigmatische Feldkurven und die Verzerrung der dritten Ausführungsform der ersten Abbildungsoptik zeigen,
13 Diagramme der Strahlaberrationen einer vierten Ausführungsform der ersten Abbildungsoptik für verschiedene Feldpunkte für die y- und x-Richtung für die drei Wellenlängen 656,27 nm (Kurven W1), 587,56 nm (Kurven W2) und 486,13 nm (Kurven W3),
14 Diagramme, die die longitudinale sphärische Aberration, astigmatische Feldkurven und die Verzerrung der vierten Ausführungsform der ersten Abbildungsoptik zeigen,
15 Diagramme der Strahlaberrationen einer fünften Ausführungsform der ersten Abbildungsoptik für verschiedene Feldpunkte für die y- und x-Richtung für die drei Wellenlängen 656,27 nm (Kurven W1), 587,56 nm (Kurven W2) und 486,13 nm (Kurven W3),
16 Diagramme, die die longitudinale sphärische Aberration, astigmatische Feldkurven und die Verzerrung der fünften Ausführungsform der ersten Abbildungsoptik zeigen,
17 Diagramme der Strahlaberrationen einer sechsten Ausführungsform der ersten Abbildungsoptik für verschiedene Feldpunkte für die y- und x-Richtung für die drei Wellenlängen 656,27 nm (Kurven W1), 587,56 nm (Kurven W2) und 486,13 nm (Kurven W3),
18 Diagramme, die die longitudinale sphärische Aberration, astigmatische Feldkurven und die Verzerrung der sechsten Ausführungsform der ersten Abbildungsoptik zeigen,
19 Diagramme der Strahlaberrationen einer siebten Ausführungsform der ersten Abbildungsoptik für verschiedene Feldpunkte für die y- und x-Richtung für die drei Wellenlängen 656,27 nm (Kurven W1), 587,56 nm (Kurven W2) und 486,13 nm (Kurven W3),
20 Diagramme, die die longitudinale sphärische Aberration, astigmatische Feldkurven und die Verzerrung der siebten Ausführungsform der ersten Abbildungsoptik zeigen,
21 Diagramme der Strahlaberrationen einer achten Ausführungsform der ersten Abbildungsoptik für verschiedene Feldpunkte für die y- und x-Richtung für die drei Wellenlängen 656,27 nm (Kurven W1), 587,56 nm (Kurven W2) und 486,13 nm (Kurven W3), und
22 Diagramme, die die longitudinale sphärische Aberration, astigmatische Feldkurven und die Verzerrung der achten Ausführungsform der ersten Abbildungsoptik zeigen.
In 1 ist eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anzeigevorrichtung 1 schematisch in einer perspektivischen Darstellung gezeigt. Die Anzeigevorrichtung 1 umfasst ein im Wesentlichen kastenförmig ausgebildetes Vorderteil 2 mit einer offenen Seite 3. Alle anderen Seiten des Vorderteils sind zumindest im Wesentlichen geschlossen. Die Kontur der offenen Seite 3 ist so ausgebildet, dass sie an den Kopf eines Benutzers so anlegbar ist, dass der Benutzer die Anzeigevorrichtung 1 brillenartig auf dem Kopf tragen kann. Dazu weist die Kontur einerseits eine Nasenauflage 4 auf und ist an den beiden seitlichen Enden des Vorderteils 2 ein Halteband 5 befestigt ist. Das Halteband 5 ist beim Tragen der erfindungsgemäßen Anzeigevorrichtung 1 um den Kopf des Benutzers geführt, so dass der gewünschte Anpressdruck vorliegt, um die Anzeigevorrichtung 1 ergonomisch und bevorzugt lichtdicht auf dem Kopf tragen zu können. Das Halteband 5 kann z. B. als ein elastisches Band und/oder als Band mit einstellbarer Länge ausgebildet sein. Das Vorderteil 2 bildet zusammen mit dem Halteband 5 eine auf den Kopf des Benutzers aufsetzbare Haltevorrichtung.
Die erfindungsgemäße Anzeigevorrichtung 1 umfasst eine erste Abbildungsoptik 6 für ein linkes Auge LA des Benutzers und eine zweite Abbildungsoptik 7 für ein rechtes Auge RA des Benutzers, die jeweils ein in einer Bildebene E erzeugtes Bild so vergrößert abbilden, dass es der Benutzer als virtuelles Bild wahrnehmen kann. Dies ist am besten in 2 ersichtlich, das eine schematische Draufsicht der erfindungsgemäßen Anzeigevorrichtung 1 zeigt, wobei zur besseren Darstellung in 2 das Vorderteil 2 als oben offen gezeigt ist, was jedoch nicht tatsächlich der Fall ist.
Das Vorderteil 2 ist bis auf die Seite 3 im Wesentlichen geschlossen ausgebildet. In einer bevorzugten Ausführungsform sind diese Seiten vollständig geschlossen, was eine Abschottung von Licht von außen bewirkt. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform sind in diesen Seiten Lüftungsschlitze und/oder Lüftungslöcher eingebracht, welche besonders bevorzugt so gestaltet sind, dass das durch sie von außen hindurchtretende Licht minimiert ist.
Da das Vorderteil 2 bis auf die Seite 3 im Wesentlichen geschlossen ausgebildet ist, kann der Benutzer, wenn er die Anzeigevorrichtung 1 bestimmungsgemäß auf dem Kopf trägt, nur die in der Bildebene E erzeugten Bilder und nicht mehr die Umgebung wahrnehmen.
Zur Bilderzeugung kann die erfindungsgemäße Anzeigevorrichtung ein tragbares Bildmodul 8 mit einem Bildschirm 9 aufweisen, das in der Anzeigevorrichtung 1 so angeordnet ist, dass der Bildschirm 9 des tragbaren Gerätes 8 in der Bildebene E liegt. In 2 ist zur Vereinfachung der Darstellung lediglich der Bildschirm 9 schematisch eingezeichnet und in 1 ist zur Vereinfachung der Darstellung nur die Bildebene E und nicht das Gerät 8 dargestellt. Zum schnellen Auswechseln des tragbaren Bildmoduls 8 ist ein Halter vorgesehen, bestehend aus einem Rahmen mit einem Rahmenboden (nicht gezeigt). In dem Rahmenboden ist eine Aussparung vorgesehen, die einer rückseitigen Kamera des tragbaren Bildmoduls 8 gegenüberliegt. Der Rahmen kann seitlich in eine Aufnahme, die in dem Vorderteil 2 vorgesehen ist, eingeschoben werden. In der Aufnahme sind zwei Federungselemente vorhanden, die an einer Rastung des Rahmens rastend eingreifen, derart dass beim Einschieben des Rahmens in die Aufnahme der korrekte Sitz des Rahmens in der Aufnahme vermittelt und der Rahmen in dieser Position auswechselbar fixiert wird. Alternativ sind zu diesem Zweck in der Aufnahme oberseits und unterseits sowie an den dazu entsprechenden Positionen des Rahmens jeweils zwei kleine Dauermagnete bzw. magnetisierbare Metallscheibchen vorgesehen. Der vordere flächige Abschluss des Vorderteils 2 wird durch eine teiltransparente Kunststoffscheibe gebildet. Die Scheibe ist teilreflektiv beschichtet, sodass von außen das eingesetzte Bildmodul 8 nicht oder kaum erkennbar ist, eine rückseitige Kamera des Bildmoduls 8 jedoch nach außen blicken kann.
In 3 ist beispielhaft ein solches tragbares Gerät 8 dargestellt, das einen Bildschirm 9, eine Steuereinheit 10 sowie eine Sensoreinheit 11 zur Erfassung einer Bewegung des Gerätes 8 aufweist. Weitere zum Betrieb des Gerätes 8 notwendige Elemente sind nicht gezeigt. Die Steuereinheit 10 und die Sensoreinheit 11 sind gestrichelt dargestellt, da sie im Gerät 8 verbaut und von außen normalerweise nicht sichtbar sind.
Die Steuereinheit 10 kann Programmanweisungen ausführen und dient zur Ansteuerung des Bildschirms 9.
Die Sensoreinheit 11 kann einen Trägheitssensor, wie z. B. ein 1-achsiges, 2-achsiges oder 3-achsiges Gyroskop, einen Neigungssensor, einen Beschleunigungssensor und/oder einen sonstigen Sensor aufweisen, mit dem eine Detektion einer Bewegung des Gerätes 8 möglich ist. Die Sensoreinheit 11 erzeugt entsprechende Messsignale, die an die Steuereinheit 10 (bevorzugt laufend) übertragen werden, wie mit der gestrichelten Verbindungslinie 12 in 3 schematisch dargestellt ist.
Das tragbare Gerät 8 kann beispielsweise ein Mobiltelefon (z. B. ein sogenanntes Smartphone) oder eine sonstige Vorrichtung mit einem entsprechenden Bildschirm (wie z. B. der sogenannte iPod touch der Firma Apple Inc., Kalifornien, USA) sein und ist bevorzugt auswechselbar im Vorderteil 2 angeordnet.
Wie aus der Darstellung in 2 ersichtlich ist, bildet jede der beiden Abbildungsoptiken 6, 7 nur einen Teilbereich des Bildschirms 9 ab. Damit ein die Anzeigevorrichtung 1 auf dem Kopf tragender Benutzer ein darzustellendes Objekt mit beiden Augen wahrnehmen kann, muss dieses somit in den beiden Teilbereichen des Bildschirms 9, die durch die beiden Abbildungsoptiken 6 und 7 abgebildet werden, erzeugt werden.
Dazu ist eine Anwendung bzw. ein Programm auf dem tragbaren Gerät 8 vorgesehen, das durch die Steuereinheit 10 ausgeführt wird und den Bildschirm 9 so ansteuert, dass basierend auf zugeführten Bilddaten für das darzustellende Objekt bzw. für ein darzustellendes erstes Bild das Objekt bzw. das erste Bild 13 mit schematisch dargestellten Bildelementen 13 ₁, 13 ₂ und 13 ₃ sowohl auf einem ersten Abschnitt 14 des Bildschirms 9 als auch auf einem vom ersten Abschnitt 14 getrennten zweiten Abschnitt 15 des Bildschirms erzeugt, wie in 4 gezeigt ist.
Da die Anwendung auf dem Gerät 8 selber ausgeführt wird, können in vorteilhafter Weise auf dem Gerät 8 gespeicherte Bilddaten oder dem Gerät 8 zugeführte Bilddaten (z. B. gestreamte Bilddaten, bevorzugt über eine geeignete drahtlose Verbindung) benutzt werden, um die Darstellung der Bilder in den beiden Abschnitten 14 und 15 zu erzeugen. Insbesondere können aus anderen auf dem Gerät 8 laufenden Anwendungen stammende Bilddaten durch die erfindungsgemäße Anwendung so aufbereitet werden, dass stets in beiden Abschnitten 14 und 15 das gleiche Bild dargestellt wird. Dem die Anzeigevorrichtung 1 auf dem Kopftragenden Benutzer können somit Bilder und Filme so dargeboten werden, dass er sie mit beiden Augen vergrößert als virtuelle Bilder wahrnehmen kann. Der Benutzer kann somit z. B. Videos von youtube oder sonstigen Videoplattformen, Videos, die auf dem Gerät gespeichert sind, oder sonstige Videos oder Bilder in der gewünschten Art und Weise vergrößert wahrnehmen. Auch ist es möglich, Bilder von auf dem Gerät installierten Spielen oder sonstigen Anwendungen vergrößert darzustellen.
Die beiden Abschnitte 14 und 15 können so gewählt sein, dass sie direkt aneinander grenzen. Alternativ ist es möglich, dass sie voneinander beabstandet sind. Der Abstandsbereich kann insbesondere als dunkel geschalteter Bereich dargestellt bzw. angesteuert werden.
Die Anwendung kann die Bilder 13 so in den beiden Abschnitten 14, 15 darstellen, dass für den Benutzer kein Stereoeffekt vorliegt. Es ist jedoch auch möglich, einen Stereoeffekt zu erzeugen.
Bei dem tragbaren Gerät 8 ist der Bildschirm 9 bevorzugt berührungssensitiv und bildet die primäre Eingabeschnittstelle. Diese primäre Eingabeschnittstelle ist beim bestimmungsgemäßen Gebrauch der Anzeigevorrichtung 1 für den Benutzer nicht mehr zugänglich, da dann das Gerät in das Vorderteil 2 eingesetzt ist. Daher ist die erfindungsgemäße Anzeigevorrichtung 1 so ausgebildet, dass ein Antippen des Vorderteils 2 mittels der Sensoreinheit 11 gemessen und mittels der Steuereinheit 10 ausgewertet wird, die daraufhin den Bildschirm 9 so ansteuern kann, dass das erste Bild 11 geändert wird. Ein Antippen des Vorderteils 2 kann mittels des Gerätes 8 gut detektiert werden, da das Gerät 8 im in das Vorderteil 2 eingesetzten Zustand mechanisch mit dem Vorderteil 2 verbunden ist (bevorzugt spielfrei), damit es während der bestimmungsgemäßen Benutzung der Anzeigevorrichtung 1 die vorgegebene Position relativ zu den Abbildungsoptiken 6 und 7 beibehält. Somit überträgt sich ein Antippen des Vorderteils 2 direkt auf das Gerät 8, was dann mittels der Sensoreinheit 11 gemessen werden kann. Dies führt zu einer Änderung der von der Sensoreinheit 11 erzeugten Messsignale, die zur Steuereinheit 10 übertragen werden, so dass die Steuereinheit 10 in Abhängigkeit der Änderung der Messsignale ein durchgeführtes Antippen erkennen kann.
Die einfachste Eingabe ist somit ein einzelnes Antippen, was beispielsweise dem Anklicken einer Schaltfläche mit einer Maus bei einem herkömmlichen Computer entspricht.
Die Steuereinheit 10 kann somit insbesondere so ausgebildet sein, dass sie ein Antippen erkennt. Auch kann die Anzahl von mehreren Antippvorgängen und/oder deren zeitlicher Abstand als Eingabesignale ausgewertet werden. Des Weiteren ist es möglich, die Position, an der das Vorderteil 2 angetippt wird, als weitere Information für die so bereitgestellte Eingabeschnittstelle ausgewertet wird. So kann beispielsweise die Anwendung, die gerade auf dem Gerät 8 ausgeführt wird und deren Bild 13 dargestellt wird, einzelne Menüpunkte oder Funktionen zur Auswahl in den vier Ecken des Bildes anbieten, wie durch die Viertelkreise M1, M2, M3 und M4 in 4 angedeutet ist. Ein Antippen des Vorderteils 2 in dem linken oberen Bereich 16 (1) führt dann zur Auswahl des Menüpunkts M1. Ein Antippen in dem rechten oberen Bereich 17 des Vorderteils 2 (1) führt dann zur Auswahl des Menüpunkts M2. In gleicher Weise führt ein Antippen im linken unteren Bereich des Vorderteils 2 zur Auswahl des Menüpunkts M3 und ein Antippen im rechten unteren Bereich des Vorderteils 2 zur Auswahl des Menüpunkts M4.
Das Antippen des Vorderteils 2 aus unterschiedlichen Richtungen bewirkt insbesondere bei Verwendung eines „mehrachsigen” Sensors ein in jeder Achse charakteristisches Signal, so dass durch Analyse der Signale in den einzelnen Achsen auf den Ort und/oder die Richtung des Antippens rückgeschlossen werden kann.
Trägt beispielsweise ein aufrechtstehender Nutzer mit erhobenem Kopf das Gerät, so bewirkt beispielsweise ein Antippen der linken Seite ein beispielsweise positives Signal im Horizontalsensor, während ein Antippen der rechten Seite ein dann beispielsweises negatives Signal im Horizontalsensor bewirkt. Dagegen zeigt der Vertikalsensor kein Signal.
Ein Antippen der rechten oberen Ecke in Richtung links unten bewirkt beispielsweise ein negatives Signal im Horizontalsensor und ein beispielsweises negatives Signal im Vertikalsensor. Ein Antippen der rechten unteren Ecke in Richtung links oben bewirkt dann ein beispielsweise negatives Signal im Horizontalsensor aber ein beispielsweise positives Signal im Vertikalsensor. Und so weiter. Auf diese Art und Weise lässt sich die Richtung des Antippens bestimmen. Da die Form des Vorderteils 2 bekannt ist und ein Antippen praktisch nur von außen möglich ist, ist damit auch (zumindest ungefähr) klar, welche Stelle des Vorderteils 2 angetippt wurde.
Auch ist es möglich, die bestimmte Richtung des Antippens, also die Richtung, in der beim Antippen gegen das Vorderteil 2 gestoßen wurde, als Eingabekriterium zu nutzen. Ein Anstoßen in einer ersten Richtung R1 von rechts oben nach links unten (1) kann z. B. als Auswahl des Menüpunktes M2 ausgelegt und verarbeitet werden. Dabei kann z. B. die Position des Antippens unberücksichtigt bleiben, so dass auch ein Antippen in der selben Richtung an einer anderen Stelle des Vorderteils 2, wie durch den Pfeil R1' in 1 gezeigt ist, zur Auswahl des Menüpunktes M2 führen wurde. Alternativ kann natürlich die Position des Antippens zusätzlich berücksichtigt werden. Ferner kann z. B. die Richtung des Antippens zusammen mit der Stärke des Antippens und somit der Antippimpuls bzw. der durch das Antippen bzw. Anstoßen erzeugte Impuls berücksichtigt werden.
Um eine klare Zuordnung von beispielsweise Menüpunkten oder anderen Funktionalitäten zu erreichen, ist es besonders vorteilhaft – anders als in üblichen Applikationen/Programmen – die Menüpunkte in die Ecken der Bildschirmanzeige zu verlegen, da hier eine klare Zuordnung der Signale zu den entsprechenden Richtungen bzw. angetippten Stellen besonders einfach ist.
Durch das Antippen oder Anstoßen des Vorderteils 2, was leicht mit einem Finger oder mehreren Fingern erfolgen kann, kann somit die durch das Gerät 8 bereitgestellte Anzeige bzw. die bereitgestellten Bilder 13 beeinflusst werden.
Die erfindungsgemäße Anzeigevorrichtung stellt somit eine einfach zu bedienende und gut funktionierende Eingabeschnittstelle bereit, mit der das Gerät 8 bedient werden kann.
Die beiden Abbildungsoptiken 6, 7 können gleich oder unterschiedlich ausgebildet sein. Bei der hier beschriebenen Ausführungsform sind sie gleich ausgebildet, so dass nachfolgend lediglich die erste Abbildungsoptik 6 im Detail beschrieben wird.
Die erste Abbildungsoptik 6 umfasst genau eine erste Linse 18, die als Konvex-Konvex-Linse aus Kunststoff (z. B. PMMA) gebildet ist (5).
Die erste Linse 18 weist eine erste und eine zweite Grenzfläche 20, 21 auf, wobei die erste Grenzfläche 20 dem Bildschirm 9 bzw. der Bildebene E zugewandt ist. In 6 sind noch die Austrittspupille 22 der ersten Abbildungsoptik 6, zwei Strahlenbündel S1 und S2 mit entsprechenden Hauptstrahlen H1 und H2 sowie eine Glasabdeckung 23 des Bildschirms 9 gezeigt, wobei die der ersten Linse 18 zugewandte Seite der Glasabdeckung 23 mit dem Bezugszeichen 19 bezeichnet ist. Beide Grenzflächen 20 und 21 sind als asphärische Flächen ausgebildet. Insbesondere können sie als rotationssymmetrische Asphären ausgebildet sein, die bezüglich der optischen Achse OA rotationssymmetrisch sind. Die optische Achse OA steht senkrecht auf der Bildebene E.
Die beiden Grenzflächen 20, 21 können durch die folgende Flächengleichung beschrieben werden, wobei r die radiale Höhe auf der Fläche ist, k die konische Konstante ist und c die Krümmung der entsprechenden Fläche im Scheitel angibt. A, B und C sind die Deformationskoeffizienten vierter, sechster und achter Ordnung:
Die Asphärenkonstanten für die Flächen 20 und 21 sind in der nachfolgende Tabelle 1 angegeben. Tabelle 1

Fläche c k A B C D

20 –28,00 –1,60 0 0,1900E-9 0 0

21 43,50 –2,00 0 0 0 0
Die Abstände entlang der optischen Achse OA sind in der nachfolgenden Tabelle 2 angegeben. Tabelle 2

Fläche-Fläche Abstand [mm]

22–21 16,0

21–20 14,2

20–19 29

19-E 0,8
Die erste Linse 18 ist aus PMMA mit einer ersten Brechzahl n1 von 1,492 und einer ersten Abbe-Zahl ν1 von 57,2 gebildet. Die Brechzahl und Abbe-Zahl sind hier für die Wellenlänge von 589 nm angegeben.
Die erste Abbildungsoptik 6 ist so ausgelegt, dass eine Astigmatismuskorrektur vorliegt und dass das Sichtfeld sowie der Abstand zwischen der zweiten Grenzfläche 21 und der Austrittspupille 22 möglichst groß ist. Verzerrung und laterale chromatische Aberration werden jedoch in Kauf genommen, da diese durch die Darstellung auf dem Bildschirm 9 so vorgehalten werden, dass sie im abgebildeten virtuellen Bild möglichst kompensiert sind. Es wird somit eine verzerrte Darstellung auf dem Bildschirm 9 durchgeführt, die nach der Abbildung mittels der ersten Linse 18 zu einem möglichst unverzerrten virtuellen Bild führt. Gleiches wird mit der lateralen chromatischen Aberration durchgeführt. Dazu kann die Anwendung, die auf dem tragbaren Gerät 8 ausgeführt wird, entsprechend ausgebildet sein. Die Anwendung erzeugt somit aus zugeführten Bilddaten solche Bilder 13, die ohne Betrachtung durch die erste Linse 18 verzerrt sind und eine laterale chromatische Aberration aufweisen.
Durch die Ausbildung der beiden Grenzflächen als asphärische Flächen ist es möglich, sphärische Aberrationen und Aberrationen höherer Ordnung zu korrigieren.
Ferner ist die erste Abbildungsoptik 6 so ausgelegt, dass eine von der ersten Grenzfläche 20 bedingte Winkelabweichung der einzelnen Strahlen durch die zweite Grenzfläche 21 (möglichst) kompensiert ist. Dies ist dann der Fall, wenn BGL nahezu Null ist, wobei BGL wie folgt zu berechnen ist: BGL = |n_Luft·sinβ₁ – n_Subsrat·sinβ₂ + n_Luft·sinβ₃ – n_Substrat·sinβ₂|.
Dabei sind die Winkel β₁, β₂ und β₃ der der Austrittspupille 22 (ß₁), der ersten Grenzfläche 20 (β₂) und der zweiten Grenzfläche 21 (β₃) folgende Winkel eines Hauptstrahls H1 am Rand des abzubildenden Feldes bzw. Bildes 13 mit einer zu der optischen Achse parallelverschobenen Achse O1 bzw. O2, wie in 5 schematisch eingezeichnet ist, und n_Luft und n_Substrat sind die Brechungsindices des jeweils umgebenden Mediums. Bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel weist BGL einen Wert von 0,00246 auf. Der Wert für BGL sowie für weitere die erste Abbildungsoptik 6 charakterisierende Parameter sind in der nachfolgenden Tabelle 3 angegeben: Tabelle 3

BGL K1 [mm] K2 K3 [%] K4 [μm] K5 [mm] K6 [mm] K7 [mm]

0,00246 37,068 –1,55 –26,9 –345,7 0,64 –51,7 2,85
Dabei bezeichnet K1 die Brennweite, K2 das Verhältnis der Scheitelkrümmung der ersten Grenzfläche 20 zur Scheitelkrümmung der zweiten Grenzfläche 21, K3 die Verzerrung, K4 die laterale chromatische Aberration, K5 den Astigmatismus, K6 den Petzval-Radius und K7 die Defokussierung.
In 7 sind die Strahlaberrationen in mm in bekannter Weise für verschiedene Feldpunkte für die y-Richtung und die x-Richtung für drei verschiedene Wellenlängen dargestellt. Die Kurven für die Wellenlänge 656,27 nm sind mit W1 bezeichnet. Die Kurven für die Wellenlänge 587,56 nm sind mit W2 bezeichnet und die Kurven für die Wellenlänge 486,13 nm sind mit W3 bezeichnet. Dabei kann es vorkommen, dass die Kurven in der Darstellung teilweise zusammenfallen.
In 8 ist für die beschriebenen Ausführungsformen die longitudinale sphärische Aberration für die gleichen Wellenlängen (Kurven W1, W2 und W3) wie in 7, die astigmatischen Feldkurven in x-Richtung (Kurve W2x) und in y-Richtung (Kurve W2y) für die Wellenlänge 587,56 nm sowie die Verzerrung (Kurve W2) für die Wellenlänge 587,56 nm dargestellt. Auch in 8 können die Kurven teilweise zusammenfallen. Aus den Darstellungen in 7 und 8 können weitere Eigenschaften der ersten Abbildungsoptik 6 gemäß der beschriebenen Ausführungsform entnommen werden.
Mit der ersten Linse 18 ist es möglich, das Bild 13 als virtuelles Bild abzubilden, wobei die Austrittspupille 22 (bzw. Eyebox 22) der ersten Abbildungsoptik 6 einen Durchmesser von 16 mm aufweist. Die Austrittspupille 22 ist von der Bildebene E und somit vom Bildschirm 9 um einen Abstand d von 60 mm beabstandet.
Das virtuelle Bild wird dem Benutzer mit einem Sichtfeld S mit α1 = 85° in diagonaler Richtung (6) bereitgestellt.
Da der Abstand zwischen der Austrittspupille 22 und der Fläche 21 16 mm beträgt, kann ein Brillenträger die erfindungsgemäße Anzeigevorrichtung 1 bestimmungsgemäß zusammen mit seiner Brille auf dem Kopf tragen.
Bei der erfindungsgemäßen Anzeigevorrichtung sind die beiden Abbildungsoptiken 6 und 7 für das linke und rechte Auge LA, RA des Benutzers um 61 mm voneinander beabstandet. Dies entspricht etwa dem mittleren Augenpupillenabstand der Weltbevölkerung.
Wie in 5 gezeigt ist, kann vor der ersten Grenzfläche 21 und somit zwischen der ersten Grenzfläche 21 und der Bildebene E eine Blende 24 angeordnet sein, die Strahlen mit starken Aberrationen abschattet und so zu einer Verbesserung bei der Abbildung beiträgt.
In 9 und 10 sind die Strahlaberrationen, die longitudinale sphärische Aberration, die astigmatischen Feldkurven und die Verzerrung einer zweiten Ausführungsform der ersten Abbildungsoptik 6 in gleicher Weise wie in 7 und 8 dargestellt. Die Asphärenkonstanten für die Flächen 20 und 21 der zweiten Ausführungsform sind in der nachfolgenden Tabelle 4 angegeben. Tabelle 4

Fläche c k A B C D

20 –28,56 –1,65 0 -0,1225E-9 0,8922E-12 0

21 42,84 –2,08 0 0 0 0
Die Abstände entlang der optischen Achse OA für der zweiten Ausführungsform sind in der nachfolgenden Tabelle 5 angegeben. Tabelle 5

Fläche-Fläche Abstand [mm]

22-21 16,0

21-20 14,2

20-19 29

19-E 0,8
Der Wert für BGL sowie für weitere die erste Abbildungsoptik 6 gemäß der zweiten Ausführungsform charakterisierende Parameter sind in der nachfolgenden Tabelle 6 angegeben: Tabelle 6

BGL K1 [mm] K2 K3 [%] K4 [μm] K5 [mm] K6 [mm] K7 [mm]

0,00033 37,297 –1,50 –27,6 –346,1 –0,05 –52,0 2,98
In 11 und 12 sind die Strahlaberrationen, die longitudinale sphärische Aberration, die astigmatischen Feldkurven und die Verzerrung einer dritten Ausführungsform der ersten Abbildungsoptik 6 in gleicher Weise wie in 7 und 8 dargestellt. Die Asphärenkonstanten für die Flächen 20 und 21 der dritten Ausführungsform sind in der nachfolgenden Tabelle 7 angegeben. Tabelle 7

Fläche c k A B C D

20 –32,07 –1,43 0 –0,3030E-8 0,1421E-11 0

21 38,50 –2,90 0 0 0 0
Die Abstände entlang der optischen Achse OA der dritten Ausführungsform sind in der nachfolgenden Tabelle 8 angegeben. Tabelle 8

Fläche-Fläche Abstand [mm]

22-21 16,0

21-20 14,2

20-19 29

19-E 0,8
Der Wert für BGL sowie für weitere die erste Abbildungsoptik 6 gemäß der dritten Ausführungsform charakterisierende Parameter sind in der nachfolgenden Tabelle 9 angegeben: Tabelle 9

BGL K1 [mm] K2 K3 [%] K4 [μm] K5 [mm] K6 [mm] K7 [mm]

0,00927 38,115 –1,20 –29,6 –345,8 0,18 –53,1 3,21
In 13 und 14 sind die Strahlaberrationen, die longitudinale sphärische Aberration, die astigmatischen Feldkurven und die Verzerrung einer vierten Ausführungsform der ersten Abbildungsoptik 6 in gleicher Weise wie in 7 und 8 dargestellt. Die Asphärenkonstanten für die Flächen 20 und 21 für der vierten Ausführungsform sind in der nachfolgenden Tabelle 10 angegeben. Tabelle 10

Fläche c k A B C D

20 –35,64 –0,87 0 –0,3546E-8 0,2138E-11 0

21 35,67 –3,41 0 0 0 0
Die Abstände entlang der optischen Achse OA der vierten Ausführungsform sind in der nachfolgenden Tabelle 11 angegeben. Tabelle 11

Fläche – Fläche Abstand [mm]

22-21 16,0

21-20 14,2

20-19 29

19-E 0,8
Der Wert für BGL sowie für weitere die erste Abbildungsoptik 6 gemäß der vierten Ausführungsform charakterisierende Parameter sind in der nachfolgenden Tabelle 12 angegeben: Tabelle 12

BGL K1 [mm] K2 K3 [%] K4 [μm] K5 [mm] K6 [mm] K7 [mm]

–0,01243 38,800 –1,00 –31,1 –346,1 0,36 –54,1 3,41
In 15 und 16 sind die Strahlaberrationen, die longitudinale sphärische Aberration, die astigmatischen Feldkurven und die Verzerrung einer fünften Ausführungsform der ersten Abbildungsoptik 6 in gleicher Weise wie in 7 und 8 dargestellt. Die Asphärenkonstanten für die Flächen 20 und 21 der fünften Ausführungsform sind in der nachfolgenden Tabelle 13 angegeben. Tabelle 13

Fläche c k A B C D

20 –26,26 –1,67 0 –0,1523E-9 0,2104E-11 0

21 47,26 –1,19 0 0 0 0
Die Abstände entlang der optischen Achse OA der fünften Ausführungsform sind in der nachfolgenden Tabelle 14 angegeben. Tabelle 14

Fläche-Fläche Abstand [mm]

22-21 16,0

21-20 14,2

20-19 29

19-E 0,8
Der Wert für BGL sowie für weitere die erste Abbildungsoptik 6 gemäß der fünften Ausführungsform charakterisierende Parameter sind in der nachfolgenden Tabelle 15 angegeben: Tabelle 15

BGL K1 [mm] K2 K3 [%] K4 [μm] K5 [mm] K6 [mm] K7 [mm]

0,01409 36,663 –1,80 –25,8 –347,0 –0,23 –51,2 2,82
In 17 und 18 sind die Strahlaberrationen, die longitudinale sphärische Aberration, die astigmatischen Feldkurven und die Verzerrung einer sechsten Ausführungsform der ersten Abbildungsoptik 6 in gleicher Weise wie in 7 und 8 dargestellt. Die Asphärenkonstanten für die Flächen 20 und 21 der sechsten Ausführungsform sind in der nachfolgenden Tabelle 16 angegeben. Tabelle 16

Fläche c k A B C D

20 –25,14 –1,63 0 –0,5171E-9 0,3268E-11 0

21 50,27 –0,47 0 0 0 0
Die Abstände entlang der optischen Achse OA der sechsten Ausführungsform sind in der nachfolgenden Tabelle 17 angegeben. Tabelle 17

Fläche-Fläche Abstand [mm]

22-21 16,0

21-20 14,2

20-19 29

19-E 0,8
Der Wert für BGL sowie für weitere die erste Abbildungsoptik 6 gemäß der sechsten Ausführungsform charakterisierende Parameter sind in der nachfolgenden Tabelle 18 angegeben: Tabelle 18

BGL K1 [mm] K2 K3 [%] K4 [μm] K5 [mm] K6 [mm] K7 [mm]

0,02230 36,338 –2,00 –24,8 –347,7 –0,46 –50,8 2,75
In 19 und 20 sind die Strahlaberrationen, die longitudinale sphärische Aberration, die astigmatischen Feldkurven und die Verzerrung einer siebten Ausführungsform der ersten Abbildungsoptik 6 in gleicher Weise wie in 7 und 8 dargestellt. Die Asphärenkonstanten für die Flächen 20 und 21 der siebten Ausführungsform sind in der nachfolgenden Tabelle 19 angegeben. Tabelle 19

Fläche c k A B C D

20 –23,14 –1,58 0 –0,8470E-9 0,1041E-11 0

21 57,86 1,47 0 0 0 0
Die Abstände entlang der optischen Achse OA der siebten Ausführungsform sind in der nachfolgenden Tabelle 20 angegeben. Tabelle 20

Fläche-Fläche Abstand [mm]

22-21 16,0

21-20 14,2

20-19 29

19-E 0,8
Der Wert für BGL sowie für weitere die erste Abbildungsoptik 6 gemäß der siebten Ausführungsform charakterisierende Parameter sind in der nachfolgenden Tabelle 21 angegeben: Tabelle 21

BGL K1 [mm] K2 K3 [%] K4 [μm] K5 [mm] K6 [mm] K7 [mm]

0,04740 35,685 –2,50 –22,5 –349,9 –0,82 –50,2 2,62
In 21 und 22 sind die Strahlaberrationen, die longitudinale sphärische Aberration, die astigmatischen Feldkurven und die Verzerrung einer achten Ausführungsform der ersten Abbildungsoptik 6 in gleicher Weise wie in 7 und 8 dargestellt. Die Asphärenkonstanten für die Flächen 20 und 21 der achten Ausführungsform sind in der nachfolgenden Tabelle 22 angegeben. Tabelle 22

Fläche c k A B C D

20 –21,82 –1,60 0 –0,6003E-8 0,2321E-10 0

21 65,45 3,90 0 0 0 0
Die Abstände entlang der optischen Achse OA der achten Ausführungsform sind in der nachfolgenden Tabelle 23 angegeben. Tabelle 23

Fläche – Fläche Abstand [mm]

22-21 16,0

21-20 14,2

20-19 29

19-E 0,8
Der Wert für BGL sowie für weitere die erste Abbildungsoptik 6 gemäß der achten Ausführungsform charakterisierende Parameter sind in der nachfolgenden Tabelle 24 angegeben: Tabelle 24

BGL K1 [mm] K2 K3 [%] K4 [μm] K5 [mm] K6 [mm] K7 [mm]

0,06873 35,166 –3,00 –20,5 –351,9 –1,11 –49,6 2,49

Claims

Anzeigevorrichtung mit einer auf den Kopf eines Benutzers aufsetzbaren Haltevorrichtung (2) und einer an der Haltevorrichtung (2) befestigten ersten Abbildungsoptik (6, 7), die dafür ausgebildet ist, ein in einer Bildebene (E) erzeugtes Bild als virtuelles Bild so abzubilden, dass es der Benutzer im auf dem Kopf aufgesetzten Zustand der Haltevorrichtung (2) mit einem ersten Auge (LA, RA) wahrnehmen kann, wobei die erste Abbildungsoptik (6, 7) als abbildendes Element genau eine erste Linse (18) mit einer ersten und einer zweiten Grenzfläche (20, 21) aufweist, wobei die beiden Grenzflächen jeweils asphärisch gekrümmt sind.
Anzeigevorrichtung nach Anspruch 1, bei der die erste Grenzfläche (20) der Bildebene (E) zugewandt ist und das Verhältnis des Betrages der Scheitelkrümmung (c) der ersten Grenzfläche (20) zum Betrag der Scheitelkrümmung (c) der zweiten Grenzfläche (21) im Bereich von 1,2 bis 1,8 liegt.
Anzeigevorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die zweite Grenzfläche (21) ein Hyperboloid ohne Deformationen höherer Ordnungen ist.
Anzeigevorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, bei der die erste Grenzfläche (20) ein Hyperboloid mit Deformationen höherer Ordnungen ist.
Anzeigevorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, bei der die erste Abbildungsoptik (6, 7) frei von Umlenkelementen zur Strahlengangfaltung ist.
Anzeigevorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, bei der die Bildebene (E) im auf dem Kopf aufgesetzten Zustand der Haltevorrichtung (2) im Wesentlichen senkrecht zur Geradeausblickrichtung ist.
Anzeigevorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, bei der die erste Linse (18) aus Kunststoff gebildet ist.
Anzeigevorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, bei der die erste Abbildungsoptik (6, 7) eine Austrittspupille (22) aufweist, wobei der Abstand (d) zwischen der Austrittspupille (22) und der Bildebene (E) im Bereich von 50 mm bis 70 mm liegt.
Anzeigevorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, bei der die erste Abbildungsoptik (6, 7) eine Austrittspupille (22) aufweist, die eine maximale Ausdehnung von größer oder gleich 3 mm, insbesondere von größer oder gleich 5 mm, aufweist.
Anzeigevorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, bei der für die erste Abbildungsoptik gilt, dass |n_Luft·sinβ₁ – n_Subsrat·sinβ₂ + n_Luft·sinβ₃ – n_Substrat·sinβ₂| nahezu Null ist, wobei β₁ der einer Austrittspupille 22 folgende, β₂ der der ersten Grenzfläche 20 folgende und β₃ der der zweiten Grenzfläche 21 folgende Winkel eines Hauptstrahls H1 am Rand des abzubildenden Feldes 13 mit einer zu der optischen Achse parallelverschobenen Achse O1, O2 ist, und n_Luft und n_Substrat die Brechungsindices des jeweils umgebenden Mediums sind.
Anzeigevorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, bei der in der Bildebene (E) ein Bildgeber (9) angeordnet ist, der das Bild erzeugt, das mittels der ersten Abbildungsoptik (6, 7) abgebildet ist.
Anzeigevorrichtung nach Anspruch 11, bei der der Bildgeber (9) auswechselbar in der Bildebene (E) angeordnet ist.