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Die vorliegende Anmeldung betrifft Anzeigevorrichtungen, insbesondere zum Anzeigen von Daten in einer am Kopf zu tragenden Einrichtung (HWD, vom Englischen „head worn device“), beispielsweise in einer sogenannten Datenbrille.
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Datenbrillen sind Einrichtungen, welche wie eine herkömmliche Brille am Kopf getragen werden und zum Einen durch die Datenbrille eine Betrachtung der Umgebung ermöglichen, aber zum Anderen auch die Betrachtung eingespiegelter Daten ermöglicht. Der Begriff „Daten“ ist hier allgemein zu verstehen und kann sich auf Symbole, Zeichen, Ziffern, Bildern, Videos und dergleichen beziehen. Bei anderen Einrichtungen ist nur eine Betrachtung von Daten möglich, ohne die Möglichkeit, gleichzeitig die Umgebung zu betrachten.
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In 1 ist eine herkömmliche Anzeigevorrichtung für eine am Kopf zu tragende Einrichtung wie eine Datenbrille schematisch dargestellt. Dabei stellt 1 eine Draufsicht auf einen Teil eines Kopfes 10 eines Benutzers dar, welcher eine derartige Einrichtung trägt. Mit 11 ist die Nase des Benutzers bezeichnet. 12 bezeichnet ein Auge, bei dem in 1 dargestellten Fall das rechte Auge des Benutzers. Die dargestellten Einrichtungen können in entsprechender Weise auch auf das linke Auge oder auf beide Augen angewendet werden. Mit 18 ist ein Teil der am Kopf zu tragenden Einrichtung, beispielsweise ein Teil eines Gehäuses oder ein Teil eines Brillenglases im Falle einer Datenbrille bezeichnet.
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Mit 15 ist eine Eintrittspupille bezeichnet, über welche einzuspiegelnde Daten von einer bildgebenden Vorrichtung (beispielsweise einem Display) bereitgestellt werden und zu einem Bereich 17 des Teils 18 gelenkt werden. Der Bereich 17 umfasst z.B. reflektierende und/oder abbildende Elemente, um die anzuzeigenden Daten zu dem Auge 12 weiterzuleiten. Der Bereich 17 kann beispielsweise einen holografischen Reflektor umfassen. Mit 13 ist eine Austrittspupille des dargestellten optischen Systems bezeichnet, welche in diesem Zusammenhang auch als „Eyebox“ bezeichnet wird. Diese Austrittspupille kann beispielsweise in typischen Anwendungen eine Ausdehnung von etwa 10 mm aufweisen. Da eine Pupillenöffnung des menschlichen Auges beispielsweise in einem Bereich von 0,5 bis 3 mm liegt, kann dies bedeuten, dass sich das Auge 12 bewegen muss, um den gesamten Bereich der Austrittspupille 13 betrachten zu können. Mit 19 ist ein halber Sichtfeldwinkel (FOV, vom Englischen „Field of View“) bezeichnet, welcher mit einem derartigen Aufbau typischerweise erreicht werden kann, beispielsweise näherungsweise 15°. 115 stellt eine derzeitige Blickrichtung dar (auch als „line of sight“, LOS, bezeichnet), und 113 bezeichnet einen Randstrahl der derzeitigen Blickrichtung. Eine Linie 110 zeigt eine „Hauptblickrichtung“ gerade nach vorne. Ein Winkel 111 zwischen der Linie 110 und der Blickrichtung 115 kann beispielsweise im Bereich 25° liegen. 112 und 114 bezeichnen einen Lichtweg für einen zentralen Teil des Sichtfeldes in der dargestellten Darstellung, beispielsweise einen Bereich des schärfsten Sehens (foveales Sehen). Zu beachten ist nämlich, dass das menschliche Auge nur in einem relativ kleinen Bereich von etwa 2 bis 3° scharf sieht, sodass auch für das Sichtfeld 19 eine Augenbewegung erforderlich sein kann, um die gesamten angezeigten Daten scharf sehen zu können.
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Bei dem in 1 dargestellten Beispiel ist ein Abstand 16 zwischen der Eintrittspupille 15 und dem Bereich 17 beispielsweise etwa 30 bis 40 mm, und ein Abstand 14 der Pupille des Auges 12 bzw. der Austrittspupille 13 von dem Bereich 17 des Teils 18 ist z.B. etwa 15 mm. Ein Vergrößerungsfaktor zwischen Eintrittspupille 15 und Austrittspupille 13 ergibt sich damit nach dem Strahlensatz. Bei den oben angegebenen Zahlenbeispielen wäre eine Vergrößerung S'/S im Bereich von 0,3 bis 0,5, wobei S' dem Abstand 14 und S dem Abstand 16 entspricht. Im Falle einer Abmessung der Austrittspupille 13 im Bereich von 10 mm wäre dann eine Ausdehnung der Eintrittspupille 15 größer als 30 mm.
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Daher benötigt eine Anordnung wie in 1 dargestellt relativ viel Platz, um beispielsweise eine entsprechend große Eintrittspupille 15 ausleuchten zu können.
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Eine Lösung zum Einstellen einer gewünschten Vergrößerung wäre grundsätzlich, eine Teleskopoptik oder dergleichen zu verwenden. Dies würde jedoch zusätzlichen Bauraum für zusätzliche optische Komponenten erfordern, was bei manchen Anwendungen schwierig ist. Insbesondere ist bei vielen Anwendungen ein zur Verfügung stehender Bauraum begrenzt, beispielsweise im Falle einer Datenbrille, welche unter anderem aus ästhetischen Gründen relativ schlank sein sollte. Zudem ist auch bei einer derartigen Teleskopoptik der Strahlendurchmesser in der Optik festgelegt.
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Zudem ist ersichtlich, dass ein großes Sichtfeld eine entsprechend große Austrittspupille 13 (Eyebox) benötigt.
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Aus der
WO 2014/115095 A2 ist eine am Kopf zu tragende Einrichtung unter Benutzung einer holografischen Schicht bekannt, welche ein relativ großes Sichtfeld ermöglicht. Allerdings muss ein Benutzer bei dieser Einrichtung zusätzlich eine Kontaktlinse tragen, was die Akzeptanz einer derartigen Einrichtung bei Kunden verringern könnte.
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Die
DE 10 2007 004 444 A1 offenbart ein Multifunktionsglas insbesondere für Brillen, bei welchem ein außerhalb des Glases mit einem Bildgeber erzeugtes Bild über eine Fläche des Glases optisch einkoppelbar, innerhalb dieses Glases optisch übertragbar und über eine der vor einem Auge eines Beobachters liegenden optischen Fläche in das Auge auskoppelbar ist. Der Bildgeber kann dabei eine Laserlichtquelle, eine abbildende Optik, einen Scannerspiegel und eine Streuscheibe aufweisen.
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Die
US 2010/0149073 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Dateneinspiegelung in eine Brille. Hierbei wird ein Licht von einem Bildgeber auf entsprechende Bereiche eines Brillenglases projiziert, welche das Licht dann zu dem Auge hin abbilden.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Anmeldung, Anzeigevorrichtungen für am Kopf zu tragende Einrichtungen wie Datenbrillen bereitzustellen, welche einen geringen Bauraum benötigen und/oder welche ein vergleichsweise großes Sichtfeld ermöglichen.
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Es wird eine Anzeigevorrichtung gemäß Anspruch 1 bereitgestellt. Die Unteransprüche definieren weitere Ausführungsbeispiele.
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Erfindungsgemäß wird eine Anzeigevorrichtung bereitgestellt, umfassend:
- eine Laserlichtquellenanordnung,
- eine in einem Blickbereich eines Auges eines Benutzers anzuordnende optische Anordnung zum Abbilden von von der Laserlichtquellenanordnung empfangenem Licht zu dem Auge hin, und
- einen zwischen der Laserlichtquellenanordnung und der optischen Anordnung angeordneten Scannerspiegel zum Abrastern der optischen Anordnung mit von der Laserlichtquellenanordnung erzeugtem Laserlicht.
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Durch die Verwendung eines Laserscannersystems zur Bilderzeugung ist bei manchen Ausführungsbeispielen ein kompakter Aufbau möglich, da beispielsweise keine ausgedehnte Anzeige wie ein Display benötigt wird.
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Die optische Anordnung kann in einem Brillenglas angeordnet sein.
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Die optische Anordnung kann eine holografische optische Anordnung umfassen.
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Das holografische Element kann dabei ein der Funktion eines Ellipsoidspiegels entsprechendes optisches Element oder ein der Funktion eines Hyperboloidspiegels entsprechendes optisches Element umfassen.
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Die optische Anordnung kann auch ein Fresnel-Element umfassen.
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Die optische Anordnung kann auch ein diffraktives optisches Element umfassen.
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Die optische Anordnung kann auch ein reflektives optisches Element umfassen.
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Die optische Anordnung kann in eine Vielzahl von Segmenten segmentiert sein.
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Die Segmente können benachbart zueinander, aber auch beabstandet zueinander angeordnet sein.
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Die Laserlichtquellenanordnung kann eine Vielzahl von Laserlichtquellen zum parallelen Abrastern verschiedener Teile der optischen Anordnung umfassen. So kann eine benötigte Modulationsfrequenz verringert werden.
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Die verschiedenen Teile können dabei verschiedenen Segmenten der optischen Anordnung entsprechen.
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Die Anzeigevorrichtung kann weiter einen Facettenspiegel zum Lenken von Licht von der Laserlichtquellenanordnung zu dem Scannerspiegel umfassen.
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Die optische Anordnung kann eingerichtet sein, eine effektive Austrittspupille zu vergrößern.
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Die Anzeigevorrichtung umfasst erfindungsgemäß ein optisches Element zum Lenken von Laserlicht zu der optischen Anordnung, wobei das optische Element angeordnet ist, unter einen Winkel von kleiner als 30° beleuchtet zu werden.
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Das optische Element kann ein holografisches oder diffraktives optisches Element umfassen.
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Das holografische optische Element kann dabei ein der Funktion eines Ellipsoids entsprechendes Hologramm oder ein der Funktion eines Hyperboloidspiegels entsprechendes Hologramm umfassen.
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Das optische Element kann beweglich sein, um als weiterer Scannerspiegel zu dienen, z.B. zum Auswählen eines der oben erwähnten Segmente.
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Des Weiteren wird eine am Kopf zu tragende Einrichtung (HWD; vom Englischen „Head Worn Device“) mit einer Anzeigevorrichtung wie oben beschrieben bereitgestellt.
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Die Einrichtung kann dabei als Datenbrille ausgestaltet sein.
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Durch die Verwendung zweier holografischer Elemente, welche in einem Winkel zueinander stehen, kann ein kompakter Aufbau erreicht werden.
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Durch Verwendung eines Fresnel-Elements oder einer segmentierten Linse kann insbesondere ein relatives großes Sichtfeld erzielt werden, und es können Daten selektiv an verschiedenen Punkten des Sichtfeldes eingespielt werden.
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Im Folgenden werden verschiedene Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine Anzeigevorrichtung gemäß dem Stand der Technik, und
- 2 bis 12 Anzeigevorrichtungen gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung.
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Im Folgenden werden verschiedene Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung detailliert erläutert. Diese Ausführungsbeispiele dienen lediglich der Veranschaulichung und sind nicht als einschränkend auszulegen. Beispielsweise bedeutet eine Beschreibung eines Ausführungsbeispiels mit einer Vielzahl von Merkmalen nicht, dass alle diese Merkmale zur Implementierung von Ausführungsbeispielen notwendig sind. Vielmehr können manche Merkmale oder Elemente weggelassen sein oder durch alternative Merkmale oder Elemente ersetzt werden. Zudem können zusätzlich zu den dargestellten Merkmalen oder Elementen weitere (nicht explizit dargestellte oder beschriebene) Merkmale oder Elemente bereitgestellt sein. Merkmale oder Elemente verschiedener Ausführungsbeispiele können kombiniert werden, um weitere Ausführungsbeispiele zu bilden. Beispielsweise sind Modifikationen und Abwandlungen, welche für eines der Ausführungsbeispiele beschrieben werden, auch auf andere Ausführungsbeispiele anwendbar, sofern nichts anderes angegeben ist.
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Um Wiederholungen zu vermeiden, tragen in der nachfolgenden Beschreibung einander entsprechende Elemente zumindest teilweise die gleichen Bezugszeichen und werden daher nicht mehrmals detailliert erläutert.
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2 zeigt eine Anzeigevorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel in Form einer Datenbrille. Die Perspektive der Darstellung der 2 entspricht derjenigen der bereits eingangs erläuterten 1 (d.h. im Wesentlichen einer Ansicht von oben), wobei 10 ein Kopf eines Benutzers, 11 die Nase und 12 ein Auge, in diesem Fall das rechte Auge des Benutzers, bezeichnet. Auch bei der 2 ist eine momentane Blickrichtung (line of sight) 115 gegenüber einer Hauptblickrichtung 110, welche einem Geradeaussehen entsprechen würde, um einen Winkel 111 versetzt. Ein Winkel 19 bezeichnet einen halben Blickwinkel entsprechend dem Sichtfeld. Mit 13 ist wiederum eine Austrittspupille (Eyebox) des optischen Systems an dem Auge 12 bezeichnet.
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Bei dem Ausführungsbeispiel der 2 ist ein Teil einer Datenbrille mit einem Brillenglas 18 und einem Brillenbügel 29 dargestellt. In dem Brillenbügel 20 ist eine Laserlichtquelle 24 und ein beweglicher Scannerspiegel 22 angeordnet. Mittels einer Bewegung des Scannerspiegels kann ein gewünschtes Bild zum Darstellen einzuspiegelnder Daten abgerastert werden, wobei beispielsweise durch Ein- und Ausschalten, Abschwächen oder Abblenden der Laserlichtquelle 24 (was beispielsweise auch durch Öffnen und Schließen einer Blende erfolgen kann) verschiedene Helligkeiten von Bildpunkten, insbesondere hell und dunkel, erzeugt werden können. Für Farbbilder kann die Laserlichtquelle 24 verschiedenfarbige Laser (z.B. rot, grün und blau für eine RGB-Darstellung) umfassen.
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Das von dem Spiegel 22 reflektierte Licht fällt unter einem „streifenden“ Einfallswinkel auf ein erstes optisches Element 21, welches insbesondere ein diffraktives optisches Element und/oder ein holografisches optisches Element sein kann. Der streifende Eintrittswinkel kann insbesondere kleiner 30°, z.B. kleiner 20° oder kleiner 10°, sein. Das erste optische Element 21 bildet einen von der Laserlichtquelle 24 erzeugten divergierenden Strahl, welcher in 2 als Beispiel mit 25 bezeichnet ist und zur Erzeugung eines bestimmten Bildpunktes dient, d.h. einer bestimmten Stellung des Spiegels 22 entspricht, auf ein erstes virtuelles Bild des jeweiligen Objektpunktes ab. In dem Brillenglas 18 ist in dem Bereich 17 ein zweites optisches Element 27 angeordnet, welches wiederum beispielsweise ein diffraktives und/oder holografisches Element sein kann. Das zweite optische Element 27 bildet das erste virtuelle Bild des Objektpunktes auf ein zweites virtuelles Bild ab, welches von dem Auge 12 in einer vorgegebenen Distanz, beispielsweise bei unendlich, betrachtet werden kann. Beispiele hierfür werden später unter Bezugnahme auf die 3-5 näher erläutert. Durch Bewegen (Verkippen) des Scannerspiegels 22 wird der Objektpunkt virtuell verschoben, was zu einer Verschiebung der betrachteten Bildpunkte führt, um so ein gesamtes gewünschtes Bildfeld darstellen zu können. Als Beispiel ist in 2 ein erstes Strahlenbündel 25 für eine erste Spiegelstellung und zusätzlich teilweise ein zweites Strahlenbündel 26 für eine zweite Spiegelstellung gezeigt, was zu verschiedenen Bildpunkten führt, welche dann wie dargestellt auf verschiedene Stellen einer Netzhaut des Auges 12 abgebildet werden.
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Auch bei dem Ausführungsbeispiel der 2 kann beispielsweise ein Sichtfeld von insgesamt ca. 30° (entsprechend einem Winkel 19 von etwa 15°) erreicht werden, mit einem kompakteren Aufbau als in 1.
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Bei dem Ausführungsbeispiel der 2 können optional verschiedene Korrekturelemente bereitgestellt sein. Als Beispiel ist ein Korrekturelement 23 zwischen dem Scannerspiegel 22 und dem optischen Element 21 gezeigt, welches beispielsweise zur Korrektur von Feldaberrationen dienen kann. Zwischen der Laserlichtquelle 24 und dem Scannerspiegel 22 können ebenso ein oder mehrere optische Elemente angeordnet sein, um eine Divergenz des Lichtstrahls (beispielsweise eine Divergenz wie in 2 dargestellt) einzustellen oder anzupassen.
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Durch die Bereitstellung des ersten optischen Elements 21 zusätzlich zu einem optischen Element 27, welches in dem Brillenglas 18 bereitgestellt ist, kann in Verbindung mit dem dargestellten streifenden Einfall ein kompakter Aufbau der Optik erreicht werden. Insbesondere kann diese Optik wie dargestellt in einem Bügel 20 einer Datenbrille untergebracht werden.
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Nunmehr werden unter Bezugnahme auf die 3 bis 5 verschiedene Implementierungsbeispiele für das erste optische Element 21 und zweite optische Element 27 der 2 erläutert.
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In 3 ist ein erstes holografisches Element 30 als erstes optisches Element (beispielsweise 21 in 2) und ein zweites holografisches Element 31 als zweites optisches Element (beispielsweise 27 in 2) bereitgestellt. Das erste optische Element 30 und das zweite optische Element 31 entsprechen dabei in ihrer Funktion im Wesentlichen Ellipsoidspiegeln. Hierzu bilden die holografischen Elemente 30, 31 beispielsweise jeweils Interferenzmuster entsprechend Segmenten einer Vielzahl von Ellipsoidoberflächen. Mit 32 ist eine Ellipsoidachse des ersten holografischen Elements 30 bezeichnet, und mit 33 eine Ellipsoidachse des zweiten holografischen Elements 33. Mit 23 ist wiederum ein optionales Korrekturelement bezeichnet. Ein derartiges Korrekturelement kann vorteilhaft sein, da beispielsweise in einer Implementierung die beschriebene Abbildung von F1 auf F3 eine exakte oder optimierte sein kann, jedoch beispielsweise durch Verkippung eines Scannerspiegels nicht nur ein Punkt, sondern ein Bildbereich abzubilden ist. In anderen Worten sind auch Punkte außerhalb von F1 abzubilden, was zu Abbildungsfehlern führen kann, welche dann durch das Korrekturelement 23 korrigiert werden können.
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Mit dem dargestellten Beispiel wird eine virtuelle Laserlichtquelle bei F1 (welche beispielsweise durch eine reale Laserlichtquelle in Verbindung mit einem Scannerspiegel, wie in 2 gezeigt, gebildet sein kann) durch das erste holografische Element 30 auf ein virtuelles Bild F2 abgebildet. Das virtuelle Bild F2 wird durch das zweite holografische Element 31 auf ein virtuelles Bild F3 abgebildet, welches dann von dem Auge 12 betrachtet wird. Die Punkte F1 und F2 stellen Brennpunkte des ersten holografischen Elements 30 dar, und die Punkte F2 und F3 stellen Brennpunkte des zweiten holografischen Elements 31 dar. Bei dem Ausführungsbeispiel der 3 arbeiten beide holografischen Elemente 30, 31 in Reflexion.
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Das erste holografische Element 30 kann beispielsweise durch eine Belichtung eines entsprechenden lichtempfindlichen Materials, welches an der Position des ersten holografischen Elements 30 angeordnet ist, mit Kugelwellen ausgehend von den Punkten F2 und F1 erzeugt werden. In entsprechender Weise kann das zweite holografische Element 31 durch Belichten eines lichtempfindlichen Materials, welches in der Position des holografischen Elements 31 angeordnet ist, mit von F2 und F3 ausgehenden Kugelwellen erzeugt werden. Es kann aber auch jede andere konventionelle Art von Herstellungsverfahren für derartige holografische Elemente, beispielsweise wie in der eingangs diskutierten
WO 2004/115095 , verwendet werden.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in 4 dargestellt. Bei dem Ausführungsbeispiel der 4 dient ein erstes holografisches Element 40 als erstes optisches Element 21 und ein zweites holografisches Element 31 als zweites optisches Element 27. Die holografischen Elemente 40, 41 sind in diesem Fall einem Hyperboloidspiegel entsprechende holografische Elemente. Insbesondere bilden die Hologramme Interferenzstreifen entsprechend Segmenten einer Anzahl von Hyperboloidoberflächen. Mit 42 ist eine Hyperboloidachse des ersten holografischen Elements 40 bezeichnet, und mit 43 ist eine Hyperboloidachse des zweiten holografischen Elements 41 bezeichnet.
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Das erste holografische Element 40 weist Brennpunkte F1 und F2 auf, und das zweite holografische Element 41 weist Brennpunkte F2 und F3 auf. So wird bei dem Ausführungsbeispiel der 4 eine virtuelle Laserlichtquelle bei F1 durch das erste holografische Element 40 auf F2 abgebildet. Das Bild bei F2 wird weiter durch das zweite holografische Element 41 auf F3 abgebildet. Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in 5 dargestellt. In 5 ist ein erstes holografisches Element 50 als erstes optisches Element 21 bereitgestellt, und ein zweites holografisches Element 51 ist als zweites optisches Element 27 bereitgestellt. Bei dem Beispiel der 5 sind die holografischen Elemente 50, 51 wiederum Hyperboloidelemente, und mit 52 ist eine Hyperboloidachse des ersten holografischen Elements 50 und mit 53 eine Hyperboloidachse des zweiten holografischen Elements 51 bezeichnet. F1 und F2 bezeichnen wiederum die Brennpunkte des ersten holografischen Elements 50, und F2 und F3 die Brennpunkte des zweiten holografischen Elements 51. Der Aufbau der holografischen Elemente 50, 51 entsprich im Wesentlichen den unter Bezugnahme und auf 4 erläuterten Aufbau. Im Unterschied zu dem Aufbau der 4 wird das erste holografische Element 50 nun nicht in Reflexion, sondern in Transmission von einer virtuellen Laserlichtquelle von dem Punkt F1 aus ausgeleuchtet, wiederum optional durch ein Korrekturelement 23. Die Darstellungen der 3 bis 5 dienen lediglich als Beispiele zur Implementierung mit holografischen Elementen, und es können auch andere Implementierungen, beispielsweise Kombinationen aus einem hyperboloiden holografischen Element und einem ellipsoiden holografischen Element, verwendet werden, und holografische Elemente können im Allgemeinen sowohl in Transmission als auch in Reflexion arbeiten.
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Bei den unter Bezugnahme auf die 2 bis 5 diskutierten Ausführungsbeispielen sind beispielsweise Sichtfelder mit Bildwinkeln im Bereich 25 bis 30° entsprechend Größen der Austrittspupille des optischen Systems (Eyebox) im Bereich von 8 bis 10 mm oder darunter möglich. Die Ausführungsbeispiele der 2 bis 5 ermöglichen einen kompakten Aufbau.
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Nunmehr werden weitere Ausführungsbeispiele diskutiert, welche größere Sichtfelder ermöglichen. Hierzu können Techniken verwendet werden, welche auch als „Eyebox Expander“, d.h. Einrichtungen zur Erweiterung der effektiven Austrittspupille (Eyebox), bezeichnet werden können.
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Ein in 6 dargestelltes Ausführungsbeispiel umfasst eine Laserlichtquelle 24, von welcher aus ein Strahl durch ein optisches Element 60 auf einen Scannerspiegel 22 geht. Das optische Element 60 kann zu Korrekturzwecken sowie zum Aufweiten des Laserstrahls, sodass dieser ein divergierendes Strahlenbündel bildet, dienen. Das optische Element 60 kann beispielsweise durch eine Linse oder dergleichen gebildet sein, beispielsweise mit einer Brennweite in der Größenordnung 20 mm, was zu Ablenkungswinkeln in der Größenordnung 9° an den Scannerspiegel 22 führt. Von dem divergierenden Bündel ist in 6 ein Mittelstrahl 68 und Randstrahlen 69 dargestellt. Der Einfachheit halber wird das Strahlenbündel im Folgenden auch als Strahlenbündel 69 bezeichnet.
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Das Strahlenbündel 69 geht von dem Spiegel 22 gegebenenfalls nochmals durch das optische Element 60 (oder durch ein anderes optisches Element) zu einem Diffusor 62. Der Diffusor 62 ist dabei in der Ebene eines Zwischenbildes angeordnet. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel streut der Diffusor 62 das Licht diffus in einem gewissen Winkelbereich, beispielsweise in einem Winkelbereich bis zu 10°. Ein derartiger Diffusor 62 kann beispielsweise Frequenzen entsprechend einer Periodenlänge in der Größenordnung von 3 bis 5 µm aufweisen. Eine Spotgröße in der Feldebene, beispielsweise in der Ebene des Diffusors 62, ist bei Ausführungsbeispielen in der Größenordnung von 10 bis 30 µm. Dies kann durch entsprechende Auslegung des optischen Elements 60, durch einen optionalen weiteren Diffusor 61 und/oder eine Streuplatte erreicht werden.
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Von dem Diffusor 42 ausgehend wird in ein Brillenglas 18 eingekoppelt, welches in diesem Fall gleichzeitig als Lichtleiter dient (beispielsweise durch Totalreflexion an den Grenzflächen). Bei manchen Ausführungsbeispielen kann das Brillenglas 18 hierfür in manchen Bereichen, welche beispielsweise außerhalb eines Sichtbereiches, in dem durch das Brillenglas 18 hindurchgesehen werden soll, liegen, auch entsprechend beschichtet sein, um das Reflexionsvermögen zu erhöhen. Derartige beschichtete Bereiche können beispielsweise an mit 610 bezeichneten Stellen bereitgestellt sein. Bei anderen Ausführungsbeispielen beruhen die lichtleitenden Eigenschaften des Brillenglases 18 nur auf einem Brechungsindexsprung zwischen dem Brillenglas 18 und der Umgebung (z.B. Luft). Auf diese Weise wird das Licht zu einem Fresnel-Element 67 geführt, welches als Strahlaufweiter wirkt und das Licht zum Auge 12 eines Benutzers lenkt.
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Die Auskopplung über das Fresnel-Element 67 kann dabei insbesondere in kaskadierter Weise erfolgen, was zu größeren Sichtfeldern und größeren Durchmessern der Austrittspupille (Eyebox) führen kann. Dies kann durch eine Krümmung des Brillenglases 18 limitiert sein. Eine derartige Krümmung kann z.B. einen Krümmungsradius im Bereich 100 mm bis 130 mm aufweisen. Das Brillenglas 18 kann bei dem dargestellten Beispiel sphärische Vorderseiten (dem Auge 12 abgewandt) und Rückseiten (dem Auge 12 zugewandt) aufweisen. Durch diese Krümmung wird insbesondere die Größe der Eyebox begrenzt.
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Mit 66 ist in 6 ein Gesichtsfeld bezeichnet, 611 bezeichnet die Blickrichtung des Auges 12 in der dargestellten Position, und 65 bezeichnet eine Hauptblickrichtung (z.B. geradeaus). Um das gesamte Sichtfeld zu erfassen, kann sich das Auge 12 beispielsweise vereinfacht dargestellt um ein Rotationszentrum 63, wie durch einen Pfeil 64 angedeutet, drehen.
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Systeme mit einem eingebetteten Lichtleiter in einem Brillenglas 18 und einem Fresnel-Element, wie dem Fresnel-Element 67, sind für sich genommen bekannt und können beispielsweise wir in der
DE 10 2010 041343 A1 beschrieben implementiert sein. Auch andere Implementierungen sind möglich.
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Durch die Anordnung der 6 kann eine sehr kompakte Implementierung der Anzeigevorrichtung erreicht werden, bei vergleichsweise großem Sichtfeld.
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Eine weitere Möglichkeit zum Vergrößern des Sichtfeldes ist die Benutzung einer Segmentierung. Das Prinzip einer derartigen Segmentierung ist beispielsweise in der
DE 10 2013 207257 A1 beschrieben. Hier wird die Eyebox, d.h. die Austrittspupille, in kleinere Segmente segmentiert, welche beispielsweise einen Durchmesser von etwa 0,6 mm bis 1,4 mm aufweisen. Derartige Durchmesser können beispielsweise ausreichend sein, um übliche Videosignale wie VGA-Signale oder HDTV-Signale darzustellen. Jedes der Segmente ist dabei einem getrennten optischen Pfad zugeordnet. Beispielsweise kann ein erster eigener optischer Pfad ein zentrales Eyebox-Segment in der Mitte der Eyebox bilden, und ein zweiter hiervon getrennter optischer Pfad kann ein benachbartes zweites Segment der Eyebox bilden. Mit einem Durchmesser zwischen 0,6 mm und 1,4 mm wie oben erwähnt können 2 bis 5 derartige Segmente gleichzeitig von einer Pupille angesehen werden. Auch andere Größen sind möglich. Zur Segmentierung können segmentierte optische Elemente wie Prismen, welche zusätzlich Eigenschaften einer Linse aufweisen können, benutzt werden. Jeder getrennte optische Pfad bildet dabei bei derartigen Ausführungsbeispielen nur einen Teil des gesamten Sichtfeldes ab. Zusammen bilden alle getrennten optischen Pfade das Bild in dem gesamten Sichtfeld, welches beispielsweise von einem Benutzer durch Drehen und Rotieren des Auges betrachtet werden kann.
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Bei derartigen Ausführungsbeispielen kann an einer Position zwischen der Pupille des Auges und der Retina eine effektive Pupillenebene einer kleineren Abmessung ausgebildet werden. Ein Scannerspiegel eines Laserscanners kann in einer konjugierten Ebene zu dieser Pupillenebene angeordnet sein, wodurch das Feld durch einen Scanvorgang beleuchtet werden kann. Entsprechende Ausführungsbeispiele werden nun unter Bezugnahme auf die 7 bis 10 erläutert.
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In den 7A und 7B sind Implementierungen mit einem segmentierten optischen Element schematisch dargestellt, um einige Prinzipien hiervon zu erläutern.
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In den 7A und 7B ist jeweils eine segmentierte Optik 74 mit Segmenten 74A bis 74E dargestellt. Die Segmente 74A bis 74E können, wie oben erläutert, z.B. Elemente wie Prismen sein, welche zudem die Funktion von Linsen erfüllen. Als segmentierte optische Elemente können insbesondere auch Mikrolinsen, Mikroprismen oder Kombinationen hiervon benutzt werden. Die Anzahl von 5 Segmenten 74A bis 74E in 7A und 7B ist dabei lediglich als Beispiel zu verstehen, und es kann auch eine andere Anzahl von Segmenten verwendet werden.
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Mit 76 ist in 7B die oben erwähnte reflektive Pupillenebene kleinerer Abmessung dargestellt, welche zwischen der Pupille des Auges und der Retina ausgebildet wird. Mit 78 ist eine zu dieser effektiven Pupillenebene 76 konjugierte Ebene bezeichnet. In 7 sind Randstrahlen ausgehend von einem Element 70 und deren Abbildung über die segmentierten optischen Elemente 74A bis 74E in die Ebene 76 dargestellt. Wie ersichtlich, weist diese Abbildung in der Ebene 76 eine kleinere Ausdehnung auf als in der Ebene der Pupille des Auges 79.
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In 7B ist die Anordnung der 7A im Wesentlichen nochmals dargestellt, wobei hier als Beispiel für das Element 70 ein Scannerspiegel 22 dargestellt ist. Der Scannerspiegel wird ausgehend von einer Laserlichtquelle 73 durch eine Optik 72 beleuchtet. In 7B sind als Beispiel Randstrahlen für jedes der optischen Segmente 74A bis 74E dargestellt, welche durch verschiedene Stellungen des Spiegels 22 realisiert werden können. Zudem ist die Abbildung dieser Strahlen bis zu einer Retina des Auges 12 hin dargestellt.
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Der Strahlungspfad, welcher in den 7A und 7B dargestellt ist, kann dabei auch gefaltet werden (beispielsweise durch Spiegel oder andere Elemente), um einen kompakteren Aufbau erreichen zu können.
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Systeme, wie in den 7A und 7B dargestellt, können insbesondere für am Kopf zu tragende Einrichtungen benutzt werden, bei welchen der Benutzer nicht durch ein Brillenglas oder dergleichen hindurch sehen muss.
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Bei den Ausführungsbeispielen der 7A und 7B werden die segmentierten optischen Elemente 74A bis 74E insbesondere in Transmission betrieben, was für den in 7A und 7B dargestellten Aufbau eine gleichzeitige Sicht auf die Umgebung erschwert. Bei anderen Ausführungsbeispielen können derartige segmentierte optische Elemente auch in Reflektion arbeiten. Solche Ausführungsbeispiele eignen sich beispielsweise besser zum Einsatz in Datenbrillen, wobei ein Benutzer beispielsweise zumindest durch Bereiche, welche nicht von den segmentierten optischen Elementen belegt sind, hindurch sehen kann.
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Ausführungsbeispiele von Anzeigevorrichtungen, bei welchen segmentierte optische Elemente in Reflektion verwendet werden, werden nun unter Bezugnahme auf die 8 bis 10 erläutert.
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In 8 ist dabei ein System dargestellt, welches als segmentiertes optisches Element eine Reihe von reflektiven optischen Elementen 80A bis 80E aufweist. Die reflektiven optischen Elemente können beispielsweise Mikrospiegel, insbesondere Mikrohohlspiegel mit abbildender Funktion, wie in 8 dargestellt, sein. Die reflektiven optischen Elemente 80A bis 80E sind bei einer Ebene 81 angeordnet, beispielsweise in einem Teil eines Brillenglases. Ein Benutzer kann beispielsweise zumindest durch einen übrigen Teil des Brillenglases hindurch sehen. Während in 8 fünf reflektive optische Elemente 80A bis 80E dargestellt sind, dient dies lediglich als Beispiel, und es können auch mehr oder weniger reflektive optische Elemente bereitgestellt sein.
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Die reflektiven optischen Elemente 80A bis 80E, auch als Facetten bezeichnet, werden von einer Laserlichtquelle 24 über einen Scannerspiegel 22 selektiv beleuchtet. Optional kann zudem eine Optik 72 entsprechend der Optik 72 der 7B bereitgestellt sein. Mit dem Scannerspiegel kann bei manchen Ausführungsbeispielen immer nur ein Teil eines der optischen reflektiven Elemente 80A bis 80E beleuchtet werden, wie durch die gezeigten Strahlenbündel angedeutet. Somit können die einzelnen reflektiven optischen Element 80A bis 80B beispielsweise hintereinander abgerastert werden, um entsprechende Teilbilder zu erzeugen. Das Auge 12 sieht dann ein entsprechendes Bild von dem jeweiligen reflektiven optischen Element 80A bis 80E, wenn es in die entsprechende Richtung schaut. Eine alternative Möglichkeit der parallelen Beleuchtung verschiedener reflektiver optischer Elemente wird später unter Bezugnahme auf die 10 erläutert.
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Bei dem Ausführungsbeispiel der 8 sind die einzelnen reflektiven optischen Elemente 80A bis 80E direkt nebeneinander angeordnet. Zu bemerken ist, dass neben einer eindimensionalen Anordnung in einer Reihe auch andere Anordnungen, beispielsweise in einem Quadrat oder Rechteck, grundsätzlich möglich sind. Zudem ist auch eine Anordnung möglich, bei der die einzelnen reflektiven optischen Elemente voneinander beabstandet sind, sodass an verschiedenen Stellen beispielsweise eines Brillenglases Daten eingespiegelt werden können. Dies wird später unter Bezugnahme auf die 11 und 12 näher erläutert.
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Insbesondere beim Betrieb mit schmalbandigen Laserquellen können statt reflektiver optischer Elemente wie reflektiver Mikrolinsen mit prismatischen Eigenschaften oder geneigten Mikrospiegeln auch diffraktive oder holografische optische Elemente verwendet werden. Ein Beispiel hierfür ist in 9 dargestellt. Bei dem Ausführungsbeispiel der 9 sind die reflektiven optischen Elemente 80A bis 80E der 8 durch ein diffraktives Element, holografisches Element oder Fresnel-Element 90 ersetzt. Ansonsten entspricht die Funktionsweise des Ausführungsbeispiels der 9 grundsätzlich derjenigen des Ausführungsbeispiels der 8. Derartige optische Elemente 90 können den Vorteil haben, dass die optischen Eigenschaften des Elements, d.h. die optische Funktionalität, die das Element bereitstellt (in diesem Fall Reflektieren zu dem Auge 12 hin), von der äußeren Form des optischen Elementes getrennt ist, sodass beispielsweise eine besser Anpassung an eine Brillenglasform möglich ist.
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Wenn für die Anzeige der eingespiegelten Daten eine hohe Wiederholungsfrequenz von z.B. etwa 100 Hz gewünscht wird, um ein möglichst flimmerfreies Bild darzustellen, ist für ein Scannersystem mit einer einzelnen Laserlichtquelle (ggf. pro Farbe) und einem entsprechenden Spiegel bei Ausführungsbeispielen wie in den 8 und 9 dargestellt, eine Abtastgeschwindigkeit des Scannerspiegels und eine Modulationsfrequenz der Laserlichtquelle (zum Darstellen verschiedener Helligkeiten) im Bereich von 20-200 MHz nötig, was zwar mit herkömmlichen Techniken machbar ist, jedoch z.B. eine hohe Präzision bei der Fertigung benötigt. Wenn durch Einführung eines Zeitversatzes Vezerrungsfehler oder andere Effekte eines Zeitversatzes kompensiert werden sollen, kann sogar eine noch höhere Modulationsfrequenz benötigt werden.
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Um eine benötigte Modulationsfrequenz zu verringern, können bei machen Ausführungsbeispielen mehrere Laserlichtquellen parallel verwendet werden. Ein entsprechendes Ausführungsbeispiel ist in 10 dargestellt. Bei dem Ausführungsbeispiel der 4 sind beispielsweise bei 102 4 Laserlichtquellen parallel bereitgestellt. Jede der Laserlichtquellen kann, wie schon diskutiert, mehrere Laser zur Bereitstellung einer Mehrfarbdarstellung aufweisen, beispielsweise jeweils einen roten, einen grünen und einen blauen Laser für eine RGB-Darstellung.
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Die Anzahl von 4 Laserlichtquellen in 10 dient lediglich als Beispiel, und bei anderen Ausführungsbeispielen kann auch eine andere Anzahl von Laserlichtquellen verwendet werden. Die Anzahl von Laserlichtquellen kann einer Anzahl von Segmenten eines segmentierten optischen Elements entsprechen.
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Bei dem Ausführungsbeispiel der 10 ist jede Laserlichtquelle der Laserlichtquellenanordnung 102 einem optischen Element 100A bis 100D zugeordnet. Die optischen Element 100A bis 100D können zumindest teilweise reflektive oder diffraktive optische Elemente sein und sind in einem Brillenglas 18 angeordnet. Insbesondere können die Elemente 100A bis 100D, wie unter Bezugnahme auf die 8 und 9 diskutiert ausgestaltet sein. Mit 101 ist eine Blickrichtung bezeichnet.
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Laserstrahlen der Laserlichtanordnung 102 werden über einen Facettenspiegel 101 zu einem Scannerspiegel 22 gelenkt. Der Facettenspiegel 101 weist für jede Laserlichtquelle der Laserlichtanordnung 102 eine Facette 101A-101D auf, wobei die Facetten beispielsweise hinsichtlich des Winkels leicht zueinander versetzt sein können, um die Laserstrahlen über den Scannerspiegel jeweils auf ein zugeordnetes optisches Element 100A bis 100D zu lenken. Beim Scannen mit dem Scannerspiegel 22 werden dann die optischen Elemente 100A bis 100D parallel abgerastert, jedes von einem Laserstrahl. Mit 101 wird eine Blickrichtung bezeichnet.
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Wenn das Auge 12 in Richtung des entsprechenden optischen Elements 100A bis 100D blickt, sieht es die entsprechend dort eingespiegelten Daten, beispielsweise Bilder, Zeichen und/oder Symbole. Insbesondere kann durch eine entsprechende Ausrichtung des Auges das entsprechende optische Element 100A bis 100D mit der Fovea des Auges, welche dem Bereich des stärksten Sehens entspricht, betrachtet werden.
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Optional kann ein zusätzliches Korrekturelement (wie bereits bei anderen Ausführungsbeispielen diskutiert und beschrieben) bereitgestellt werden, beispielsweise benachbart zu dem Scannerspiegel 22 oder benachbart zu dem Facettenspiegel 101A bis 101D.
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Die Anzahl von vier optischen Elementen 100A bis 100D ist hier ebenso als Beispiel zu verstehen, und die Anzahl kann variieren. Auch sind andere Anordnungen der optischen Elemente, beispielsweise eine zweidimensionale Anordnung, möglich. Die Anzahl von Laserlichtquellen der Laserlichtquellenanordnung 102 kann dann entsprechend angepasst werden. Während bei dem Ausführungsbeispiel der 10 für jedes optische Element 100A bis 100D eine entsprechende Laserlichtquelle der Laserlichtanordnung 102 bereitgestellt ist, kann bei anderen Ausführungsbeispielen auch ein Laser der Laserlichtquellenanordnung benutzt werden, um mehr als ein optisches Element 100A bis 100D abzurastern. Beispielsweise kann bei einem anderen Ausführungsbeispiel die Laserlichtquellenanordnung 102 auch nur zwei Laserlichtquellen umfassen, wobei jede Laserlichtquelle dann zum Abrastern von 2 der 4 optischen Elemente 100A bis 100D dienen kann. Allgemein kann eine Mehrzahl von Laserlichtquellen bereitgestellt werden, um einen insgesamt abzurasternden Bereich parallel abrastern zu können.
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Bei den oben diskutierten Ausführungsbeispielen werden Daten im Wesentlichen auf eine zusammenhängende Fläche eingespiegelt, wobei diese Fläche gegebenenfalls segmentiert sein kann. Im letzteren Fall liegen bei den bisher dargestellten Ausführungsbeispielen die Segmente benachbart zueinander.
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Wie bereits kurz erwähnt, sind auch nicht zusammenhängende Flächen und/oder voneinander beabstandete Segmente möglich. Entsprechende Ausführungsbeispiele werden nun unter Bezugnahme auf die 11 und 12 erläutert.
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Die 11A und 11B zeigen ein Ausführungsbeispiel einer Anzeigevorrichtung, welches z.B. auf dem Ausführungsbeispiel der 3 beruht und diese modifiziert. Entsprechende Modifizierungen können auch bei anderen Ausführungsbeispielen, z.B. bei den Ausführungsbeispielen der 4 und 5, vorgenommen werden.
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Bei dem Ausführungsbeispiel der 11A und 11B wird wiederum Licht von einer Laserlichtquelle 74 auf einen Scannerspiegel 22 gelenkt. Von dort gelangt das Licht zu einem ersten holografischen Element 110, welches beispielsweise im Wesentlichen entsprechend dem ersten holografischen Element 30 der 3 (oder bei einem anderen Ausführungsbeispiel auch entsprechend dem ersten holografischen Element 40 der 4) ausgestaltet sein kann. Bei dem Ausführungsbeispiel der 11A und 11B ist das erste holografische Element 110 jedoch zudem beweglich und dient gleichsam als zweiter Scannerspiegel. Von dem ersten holografischen Element 110 wird das Licht weiter zu einem zweiten holografischen Element 111 gelenkt, welches bei dem dargestellten Beispiel in drei Teile 111A-111C segmentiert ist. Abgesehen von dieser Segmentierung kann das zweite holografische Element 111 beispielsweise entsprechend dem zweiten holografischen Element 31 der 3 (oder dem zweiten holografischen Element 41 der 4) ausgestaltet sein. Die Segmente 111A-111C können dabei wesentlich kleiner sein als die holografischen Elemente 31 oder 41 der 3 und 4.
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Ein gerade von der Laserlichtquelle 24 zu beleuchtendes Segment 111A-111C kann dann bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel durch eine Position des ersten holografischen Elements 110 ausgewählt werden, wobei zur Veranschaulichung hiervon in den 11A und 11B zwei verschiedene Positionen des holografischen Elements 110 gezeigt sind. So wird in 11A gerade das Segment 111B abgerastert, während in 11B gerade das Segment 111A abgerastert wird, wobei das gerade abzurasternde Segment durch eine Verkippung des ersten holografischen Elements 110 eingestellt werden kann.
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Jedes der Segmente 111A-111C kann beispielsweise einem kleinen Sichtfeld entsprechen, einem Winkel von 5-8° entsprechen, und eine jeweils zugeordnete Austrittspupille (Eyebox) kann eine Ausdehnung der Größenordnung 4 mm aufweisen. Diese Zahlenwerte sind jedoch nur als Beispiel zu verstehen. Die Austrittspupille ist jeweils mit 112 bezeichnet. Wenn das Auge 12 in Richtung des entsprechenden Segments 111A-111C zieht, können die dort dargestellten Daten betrachtet werden. Die Anzahl von drei Segmenten 111A-111C ist dabei wiederum als Beispiel zu verstehen. Mit der in den 11A und 11B dargestellten Technik können also mehrere Segmente über ein gesamtes mögliches Sichtfeld beispielsweise einer Linse wie einem Brillenglas (beispielsweise einem medizinischen (ophtalmologischen) Brillenglas zur Augenkorrektur, einem Glas einer Sonnenbrille etc.) angeordnet werden, was mehreren möglichen Austrittspupillen entspricht.
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Ein weiteres Beispiel einer beabstandeten Anordnung von Segmenten ist in 12 dargestellt. Das Ausführungsbeispiel der 12 beruht auf dem Ausführungsbeispiel der 10, und einander entsprechende Elemente tragen die gleichen Bezugszeichen und werden nicht nochmals erläutert.
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Während bei dem Ausführungsbeispiel der 10 einzelne reflektierende optische Elemente 100A-100D benachbart zueinander angeordnet sind, sind bei dem Ausführungsbeispiel der 12 reflektierende optische Elemente 120A-120D beabstandet zueinander angeordnet. Bei dem Ausführungsbeispiel der 12 sind wiederum mehrere Laserlichtquellen zum parallelen Abrastern der Elemente 120A-120D bereitgestellt. Durch entsprechende Einstellung des Facettenspiegels 101 können auch beabstandete reflektierende optische Elemente 120A-120D parallel abgerastert werden. Ansonsten entspricht das Ausführungsbeispiel der 12 demjenigen der 10, und Modifikationen und Abwandlungen, welche unter Bezugnahme auf 10 diskutiert wurden, sind auch auf das Ausführungsbeispiel der 10 anwendbar.
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Die dargestellten Ausführungsbeispiele dienen lediglich der Veranschaulichung, und es sind auch andere Anordnungen möglich.
