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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brillenglas für eine auf den Kopf eines Benutzers aufsetzbare und ein Bild erzeugende Anzeigevorrichtung sowie eine Anzeigevorrichtung mit einem solchen Brillenglas.
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Solche Brillengläser weisen häufig, in Draufsicht auf das Brillenglas gesehen, einen Einkoppelabschnitt (z. B. in einem Randbereich des Brillenglases) und einen Auskoppelabschnitt (z. B. in einem Mittelbereich des Brillenglases) auf, wobei das Brillenglas dazu geeignet ist, Lichtbündel von Pixeln des erzeugten Bildes, die über den Einkoppelabschnitt des Brillenglases in das Brillenglas eingekoppelt sind, in einem Lichtführungskanal bis zum Auskoppelabschnitt zu führen, um sie über den Auskoppelabschnitt aus dem Brillenglas auszukoppeln. Der Lichtführungskanal weist eine erste Reflexionsfläche und eine von der ersten Reflexionsfläche beabstandete zweite Reflexionsfläche auf, die sich jeweils in einer Richtung vom Einkoppelabschnitt zum Auskoppelabschnitt erstrecken.
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Diese Reflexionsflächen können z. B. durch eine teilreflektive oder reflektive Beschichtung der Vorder- und Rückseite des Brillenglases im Bereich des Lichtführungskanals erzeugt werden. Dies führt jedoch zu der Schwierigkeit, dass das Brillenglas für den Benutzer in diesem Bereich optisch deutlich andere Eigenschaften aufweist, was störend sein kann.
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Um dies zu vermeiden, können die Reflexionsflächen dadurch realisiert werden, dass eine innere Totalreflexion an Vorder- und Rückseite des Brillenglases erzeugt und genutzt wird. Ein solches Brillenglas ist z. B. aus der
DE 10 2011 007 811 A1 bekannt. Nachdem die Vorder- und/oder Rückseite jedoch gekrümmt ist, treten durch den totalreflexionsmäßig bedingten schrägen Einfall auf die gekrümmte Fläche Fehler wie Astigmatismus und Koma auf. Grundsätzlich ist es möglich, diese Fehler durch eine entsprechende Ausbildung des Einkoppel- und/oder Auskoppelabschnitt zu kompensieren. Dies ist jedoch äußerst aufwendig, da für jede unterschiedlich gekrümmte Vorder- und/oder Rückseite die notwendige Korrektur berechnet und das entsprechende Brillenglas einzeln hergestellt werden müßte. Dies würde zu einem sehr hohen Kostenaufwand sowie zu einem sehr hohen logistischen Aufwand führen.
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Ausgehend hiervon ist es daher Aufgabe der Erfindung, ein Brillenglas der eingangs genannten Art für eine auf den Kopf eines Benutzers aufsetzbare und ein Bild erzeugende Anzeigevorrichtung bereitzustellen, das so weitergebildet ist, dass die eingangs genannten Schwierigkeiten möglichst vollständig überwunden werden können.
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Die Aufgabe wird durch ein Brillenglas der eingangs genannten Art gelöst, bei dem zumindest eine der beiden Reflexionsschichten als schaltbare Schicht ausgebildet ist, die in einen ersten und einen zweiten Zustand schaltbar ist, wobei die Reflektivität der schaltbaren Schicht im ersten Zustand höher ist als im zweiten Zustand. Insbesondere ist die Transmissivität im zweiten Zustand höher als im ersten Zustand.
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Aufgrund der schaltbaren Schicht, die auch als schaltbare Spiegelschicht bezeichnet werden kann, ist es in vorteilhafter Weise möglich, die entsprechende Reflexionsfläche nur in den Zeiten als Reflexionsfläche zu schalten, in denen sie auch benötigt wird. Wenn z. B. keine Bilddarstellung gewünscht ist, kann die schaltbare Schicht in den zweiten Zustand und somit in Transmission geschaltet sein. Bei der Bilddarstellung kann die schaltbare Schicht z. B. nur zeitweise in den ersten Zustand geschaltet sein, so dass die verminderte Transmission für den Benutzer nicht störend ist.
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Insbesondere kann zumindest eine der beiden Reflexionsflächen als plane Fläche oder als abschnittsweise plane Fläche (z. B. stufenartig) ausgebildet sein. Damit werden die Fehler vermieden, die auftreten, wenn die Reflexion im Lichtführungskanal an einer gekrümmten Fläche stattfinden würde. Natürlich ist es auch möglich, zumindest eine der beiden Reflexionsflächen als gekrümmte Fläche auszubilden.
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Insbesondere kann zumindest eine der beiden Reflexionsflächen im Brillenglas ausgebildet und somit sowohl von der Vorderseite als auch von der Rückseite beabstandet sein. Damit kann diese Reflexionsfläche grundsätzlich völlig unabhängig von der Krümmung der Vorder- und/oder Rückseite des Brillenglases angeordnet und ausgelegt sein. Damit werden die Funktion des Brillenglases und die Funktion der Reflexionsfläche für den Lichtführungskanal optisch voneinander entkoppelt.
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Der Einkoppelabschnitt kann in einem Randbereich des Brillenglases und der Auskoppelabschnitt kann in einem Mittelbereich des Brillenglases ausgebildet sein.
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Die schaltbare Schicht der zumindest einen Reflexionsfläche kann eine Flüssigkristallschicht oder eine elektrochrome Schicht aufweisen. Insbesondere kann die schaltbare Schicht als elektrisch schaltbare Schicht ausgebildet sein.
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Des weiteren kann die schaltbare Schicht zumindest zwei (oder mehrere) Abschnitte aufweisen, die unabhängig voneinander in den ersten und in den zweiten Zustand schaltbar sind. Dies ist vorteilhaft, um höhere Schaltgeschwindigkeiten zu realisieren.
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Ferner kann bei dem erfindungsgemäßen Brillenglas der Auskoppelabschnitt zumindest zwei nebeneinander angeordnete Umlenkflächen bzw. Facetten aufweisen, die die Lichtbündel zur Auskopplung in Richtung zur Rückseite hin reflektieren, wobei die Umlenkflächen jeweils als schaltbare zweite Schicht ausgebildet sind, die in einen ersten Zustand und in einen zweiten Zustand schaltbar ist, wobei die Reflektivität der schaltbaren zweiten Schichten im ersten Zustand höher ist als im zweiten Zustand und die Transmissivität im zweiten Zustand höher ist als im ersten Zustand. Die schaltbaren Umlenkflächen können auch als schaltbare Spiegelflächen oder -schicht bezeichnet werden.
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Somit kann auch der Auskoppelabschnitt immer nur dann in Reflexion geschaltet werden, wenn er benötigt wird. Wenn dies nicht notwendig ist, ist er dann in Transmission geschaltet. Dies führt zu den gleichen Vorteilen wie bei der schaltbaren Schicht für den Lichtführungskanal.
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Die zumindest zwei nebeneinander angeordneten Umlenkflächen können insbesondere unabhängig voneinander in den ersten und zweiten Zustand geschaltet werden.
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Das Brillenglas kann zumindest zwei nebeneinander angeordnete Gruppen mit jeweils zumindest zwei nebeneinander angeordneten Umlenkflächen aufweisen, wobei die Umlenkflächen jeweils als schaltbare zweite Schicht ausgebildet sind und die zweiten Schichten einer der Gruppen unabhängig von den zweiten Schichten einer anderen Gruppe in den ersten und zweiten Zustand schaltbar sind. Damit kann das Brillenglas variabel eingesetzt werden. So kann z. B. eine größere Eyebox bereitgestellt werden. Ferner ist es möglich, das Sichtfeld zu vergrößern oder Sichtfelder für unterschiedliche Blickrichtungen bereitzustellen.
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Die Umlenkflächen können plan oder gekrümmt ausgebildet sein. Ferner können die Umlenkflächen fresnelartig eine gekrümmte Reflexionsfläche nachstellen, die neben einer reinen Strahlumlenkung eine abbildende Eigenschaft aufweist.
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Die Umlenkflächen können im Brillenglas ausgebildet sein. Insbesondere können sie im Brillenglas an der Vorderseite liegen oder auch von der Vorderseite beabstandet sein. Insbesondere können sie so ausgebildet sein, dass die Vorderseite ihren vorbestimmten Oberflächenverlauf aufweist und keine andere Strukturierung an der Oberfläche aufgrund der Umlenkflächen besitzt.
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Das erfindungsgemäße Brillenglas kann als einschaliges Brillenglas ausgebildet sein. Es ist jedoch auch möglich, dass es zweischalig oder mehrschalig ausgebildet ist.
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Bei dem erfindungsgemäßen Brillenglas kann die Vorderseite und/oder Rückseite eine schaltbare Transmissionsschicht aufweisen. Insbesondere kann die schaltbare Transmissionsschicht auf der gesamten Vorderseite und/oder auf der gesamten Rückseite ausgebildet sein.
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Die Transmission der schaltbaren Transmissionsschicht ist ein- und verstellbar. Dies kann z. B. dazu benutzt werden, um das Verhältnis von Helligkeit des erzeugten Bildes zur Umgebungshelligkeit einzustellen. Insbesondere kann die schaltbare Transmissionsschicht eine elektrisch schaltbare Transmissionsschicht sein. Sie kann beispielsweise als elektrochrome Schicht ausgebildet sein.
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Es wird ferner eine Anzeigevorrichtung mit einer auf den Kopf eines Benutzers aufsetzbaren Haltevorrichtung, einem an der Haltevorrichtung befestigten Bilderzeugungsmodul, das ein Bild erzeugt, und eine an der Haltevorrichtung befestigten Abbildungsoptik bereitgestellt, die ein erfindungsgemäßes Brillenglas aufweist und die das erzeugte Bild im auf den Kopf aufgesetzten Zustand so abbildet, dass es der Benutzer als virtuelles Bild wahrnehmen kann.
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Die Abbildungsoptik kann das Brillenglas als einziges optisches Element aufweisen. Es ist jedoch auch möglich, dass die Abbildungsoptik neben dem Brillenglas noch zumindest ein weiteres optisches Element umfaßt. Insbesondere kann das Brillenglas zusammen mit dem zumindest einen optischen Element einstückig ausgebildet sein.
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So kann das weitere optische Element z. B. eine Kollimationsoptik sein, die zwischen dem Brillenglas und dem Bilderzeugungsmodul angeordnet ist, so dass die Lichtbündel vom Bilderzeugungsmodul als kollimierte Bündel in das Brillenglas eingekoppelt werden.
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Ferner kann die Anzeigevorrichtung eine Steuereinheit aufweisen, die die schaltbare Schicht der Reflexionsfläche und gegebenenfalls die schaltbare zweite Schicht der Umlenkflächen ansteuert.
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Das Bilderzeugungsmodul kann insbesondere einen flächigen Bildgeber aufweisen, wie z. B. ein LCD-Modul, LCoS-Modul, ein OLED-Modul oder eine Kippspiegelmatrix. Der Bildgeber kann selbstleuchtend oder nicht selbstleuchtend sein.
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Das Bilderzeugungsmodul kann insbesondere so ausgebildet sein, dass es ein monochromatisches oder ein mehrfarbiges Bild erzeugt.
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Die erfindungsgemäße Anzeigevorrichtung kann weitere, dem Fachmann bekannte Elemente aufweisen, die zu ihrem Betrieb notwendig sind.
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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.
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Nachfolgend wird die Erfindung beispielsweise anhand der beigefügten Zeichnungen, die auch erfindungswesentliche Merkmale offenbaren, noch näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische perspektivische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anzeigevorrichtung;
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2 eine vergrößerte Teilschnittansicht des ersten Brillenglases 3 von 1;
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3 eine Draufsicht auf die Rückseite des ersten Brillenglases 3;
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4 eine vergrößerte Teilschnittansicht des ersten Brillenglases 3 gemäß einer weiteren Ausführungsform;
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5 eine vergrößerte Teilschnittansicht des ersten Brillenglases 3 gemäß einer weiteren Ausführungsform;
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6 eine vergrößerte Teilschnittansicht des ersten Brillenglases 3 gemäß einer weiteren Ausführungsform;
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7 eine vergrößerte Teilschnittansicht des ersten Brillenglases 3 gemäß einer weiteren Ausführungsform;
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8 eine vergrößerte Teilschnittansicht des ersten Brillenglases 3 gemäß einer weiteren Ausführungsform;
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9 eine vergrößerte Teilschnittansicht des ersten Brillenglases 3 gemäß einer weiteren Ausführungsform;
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10 eine vergrößerte Teilschnittansicht des ersten Brillenglases 3 gemäß einer weiteren Ausführungsform;
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11 eine vergrößerte Teilschnittansicht des ersten Brillenglases 3 gemäß einer weiteren Ausführungsform;
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12 eine vergrößerte Teilschnittansicht des ersten Brillenglases 3 gemäß einer weiteren Ausführungsform;
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13 eine vergrößerte Teilschnittansicht des ersten Brillenglases 3 gemäß einer weiteren Ausführungsform;
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14 eine vergrößerte Teilschnittansicht des ersten Brillenglases 3 gemäß einer weiteren Ausführungsform,
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15 eine Draufsicht auf die Rückseite des ersten Brillenglases gemäß der Ausführungsform von 14;
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16 eine vergrößerte Teilschnittansicht des ersten Brillenglases 3 gemäß einer weiteren Ausführungsform;
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17 eine vergrößerte Darstellung zur Erläuterung des Schichtaufbaus der elektrisch schaltbaren Reflexionsfläche 12, 22;
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18 eine Schnittansicht zur Erläuterung des Schichtaufbaus der reflektiven Facetten 15;
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19 eine Schnittansicht zur Erläuterung des Schichtaufbaus der elektrisch schaltbaren Reflexionsfläche 12, 22;
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20 eine Schnittansicht zur Erläuterung des Schichtaufbaus der reflektiven Facetten 15,
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21 eine Schnittansicht zur Erläuterung eines weiteren Schichtaufbaus einer Ausführungsform der reflektiven Facetten 15;
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22 eine Draufsicht zur Erläuterung der Kontaktierung der reflektiven Facetten gemäß 21;
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23 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Ansteuerung der elektrisch schaltbaren Reflexionsflächen 12, 22, der elektrisch ansteuerbaren reflektiven Facetten 15 sowie des Bildgebers 6, und
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24A–24D Darstellungen zur Erläuterung von einstellbaren Tastgraden der elektrisch schaltbaren Reflexionsflächen 12, 22 sowie der reflektiven Facetten 15.
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Bei der in 1 gezeigten Ausführungsform umfaßt die erfindungsgemäße Anzeigevorrichtung 1 eine auf den Kopf eines Benutzers aufsetzbare Haltevorrichtung 2, die bei der hier beschriebenen Ausführungsform als herkömmliches Brillengestell ausgebildet ist, sowie ein erstes und ein zweites Brillenglas 3, 4, die an der Haltevorrichtung 2 befestigt sind. Die Haltevorrichtung 2 mit den Brillengläsern 3 und 4 kann z. B. als Sportbrille, Sonnenbrille und/oder Brille zur Korrektur einer Fehlsichtigkeit ausgebildet sein, wobei dem Benutzer über das erste Brillenglas 3 ein virtuelles Bild in sein Gesichtsfeld eingespiegelt werden kann, wie nachfolgend beschrieben wird.
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Die Brillengläser 3, 4 und insbesondere das erste Brillenglas 3 sind nur beispielshalber zusammen mit der erfindungsgemäßen Anzeigevorrichtung 1 beschrieben. Die Brillengläser 3, 4 bzw. zumindest das erste Brillenglas 3 sind jeweils für sich als erfindungsgemäßes Brillenglas ausgebildet. Das zweite Brillenglas 4 kann natürlich (zusätzlich oder alternativ) in gleicher Weise wie das nachfolgend noch zu beschreibende erste Brillenglas 3 ausgebildet sein.
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Wie am besten aus der vergrößerten Teilschnittansicht in 2 ersichtlich ist, umfaßt die Anzeigevorrichtung 1 ein Bilderzeugungsmodul 5, das einen Bildgeber 6 (z. B. ein OLED-Modul) aufweist, mit dem ein Bild erzeugt werden kann, das als das virtuelle Bild in das Gesichtsfeld des Benutzers eingespiegelt werden soll. Dazu weist die Anzeigevorrichtung 1 eine Abbildungsoptik 7 auf, die ein zwischen dem Bildgeber 6 und dem ersten Brillenglas 3 angeordnetes Optikelement 8 enthält. Des weiteren dient das erste Brillenglas 3 selbst auch als Teil der Abbildungsoptik 7.
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Der Bildgeber 6 ist als flächiger Bildgeber mit einer Vielzahl von z. B. in Spalten und Zahlen angeordneten Pixeln ausgebildet, wobei von jedem Pixel ein Lichtbündel 9 ausgehen kann.
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Durch eine entsprechende Ansteuerung der Pixel kann das gewünschte Bild erzeugt werden. In 2 ist stellvertretend für die Lichtbündel 9 der Strahlengang eines Lichtstrahles eingezeichnet, so dass nachfolgend auch von dem Lichtstrahl 9 die Rede ist.
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Der vom Bildgeber 6 ausgehende Lichtstrahl 9 tritt über eine Eintrittsfläche F1 des Optikelementes 8 in das Optikelement 8 ein und tritt über eine gekrümmt ausgebildete Austrittsfläche F2 aus dem Optikelement 8 aus. Der Lichtstrahl 9 tritt dann über eine an der Stirnseite 10 des ersten Brillenglases 3 gekrümmt ausgebildete Eintrittsfläche F3 in das erste Brillenglas 3 ein und trifft unter einem solchen Winkel auf die Vorderseite 11 des ersten Brillenglases, so dass eine innere Totalreflexion stattfindet.
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Im ersten Brillenglas 3 ist eine elektrisch schaltbare Reflexionsfläche 12 (zur Verdeutlichung ist eine Ringlinie K eingezeichnet, die jedoch im tatsächlichen Brillenglas 3 nicht vorhanden ist) ausgebildet, die plan ausgebildet ist und die in einen ersten und einen zweiten Zustand schaltbar ist, wobei die Reflektivität im ersten Zustand höher ist als im zweiten Zustand und die Transmissivität im zweiten Zustand höher ist als im ersten Zustand. Die elektrisch schaltbare Reflexionsfläche kann selektiv in einen Reflexionszustand (erster Zustand) oder einen Transmissionszustand (zweiter Zustand) geschaltet werden.
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Wenn die Reflexionsfläche 12 in den ersten Zustand geschaltet ist, wird der Lichtstrahl 9 der nach seiner ersten inneren Totalreflexion auf die Reflexionsfläche 12 trifft, von dieser zurück zur Vorderseite 11 reflektiert, wo eine erneute innere Totalreflexion stattfindet. Damit kann der Lichtstrahl 9 bis zu einem Auskoppelabschnitt 13 geführt werden, an dem der Lichtstrahl 9 so zur Rückseite 14 des ersten Brillenglases 3 reflektiert wird, dass er über die Rückseite 14 aus dem ersten Brillenglas 3 austritt. Um diese Umlenkung im Auskoppelabschnitt 13 zu bewirken, sind mehrere reflektive Facetten 15 bzw. reflektive Flächen nebeneinander angeordnet.
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Somit kann ein Benutzer, wenn er die erfindungsgemäße Anzeigevorrichtung 1 bestimmungsgemäß auf dem Kopf trägt, das mittels des Bildgebers 6 erzeugte Bild als virtuelles Bild wahrnehmen, wenn er auf den Auskoppelabschnitt 13 blickt. Bei der hier beschriebenen Ausführungsform muß der Benutzer bezogen auf die Blickrichtung G eines Geradeausblicks etwas nach rechts schauen. In 2 ist zur Verdeutlichung der Drehpunkt 17 des Auges des Benutzers sowie die Eyebox 18 (der Bereich, der durch die Anzeigevorrichtung 1 bereitgestellt wird und in dem sich das Auge des Benutzers bewegen kann und er stets noch das erzeugte Bild als virtuelles Bild sehen kann) eingezeichnet. Die Eyebox 18 kann auch als Austrittspupille 18 der Abbildungsoptik 7 bezeichnet werden.
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Der Abschnitt des ersten Brillenglases 3, über den der Lichtstrahl 9 in das Brillenglas 3 eingekoppelt wird, kann als Einkoppelabschnitt 19 bezeichnet werden, so dass die Reflexionsfläche 12 zusammen mit dem entsprechenden Abschnitt der Vorderseite 11 als Lichtführungskanal 20 dient, der die über den Einkoppelabschnitt 19 eingekoppelten Strahlen 9 bis zum Auskoppelabschnitt 13 führt. Die Anordnung der beiden Abschnitte 13 und 19 sowie der Lichtführungskanal 20 ist gut in 3 erkennbar.
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Wie bereits beschrieben wurde, ist die Reflexionsfläche 12 als elektrisch schaltbare Reflexionsfläche 12 ausgebildet, und zu deren Steuerung weist die Anzeigevorrichtung 1 eine Steuereinheit 21 auf, die die elektrisch schaltbare Reflexionsfläche 12 in den ersten und zweiten Zustand schalten kann. In 2 ist schematisch noch eine entsprechende Steuerleitung L1 eingezeichnet.
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Die Steuereinheit 21 kann die Reflexionsfläche 12 beispielsweise so schnell zwischen beiden Zuständen hin und her schalten, dass ein Benutzer die einzelnen Umschaltvorgänge zeitlich nicht mehr auflösen kann. Dies tritt etwa ab 30 Hz auf, so dass der Benutzer dann nur noch die zeitlich gemittelte Transmission im Bereich des Lichtführungskanals 20 wahrnehmen kann. Unter der vereinfachten Annahme, dass im ersten Zustand die Reflektivität 100% und im zweiten Zustand die Reflektivität 0% beträgt, würde der Benutzer eine Reflektivität von 50% wahrnehmen können, wenn die Reflexionsfläche 12 während der halben Zeit einer vorbestimmten Zeitdauer im ersten Zustand ist und während der restlichen Zeit der vorbestimmten Zeitdauer im zweiten Zustand ist (unter Vernachlässigung der tatsächlichen Umschaltdauer). In diesem Fall würde die Transmissivität auch 50% betragen, so dass der Benutzer im Bereich des Lichtführungskanals 20 die Umgebung mit geringerer Helligkeit wahrnehmen würde. Jedoch liegt der Lichtführungskanal 20 nicht im zentralen Blickfeld des Benutzers, so dass die geringere Helligkeit in diesem Bereich nicht störend ist.
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Natürlich kann auch eine andere Reflektivität bzw. Transmissivität des Lichtführungskanals 20 eingestellt werden. Es ist grundsätzlich möglich, die Reflektivität frei im Bereich von 0%–100% und somit die Transmissivität im Bereich von 100%–0% einzustellen. Dies hängt im wesentlichen nur vom Verhältnis der Zeitdauer des ersten Zustandes zur Zeitdauer des zweiten Zustandes ab.
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Bevorzugt kann die Ansteuerung der Reflexionsfläche 12 mit der Bilderzeugung mittels des Bildgebers 6 synchronisiert werden. So können während der Bilderzeugung Dunkelphasen auftreten, während denen keine Bilderzeugung stattfindet. In diesen Dunkelphasen kann die Reflexionsfläche 12 in den zweiten Zustand geschaltet sein. Während der anderen Phasen der Bilderzeugung, ist die Reflexionsfläche 12 zumindest zeitweise in den ersten Zustand geschaltet.
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Wenn gerade kein Bild erzeugt werden soll, kann die Reflexionsfläche 12 in den zweiten Zustand geschaltet werden, so dass dann für den Benutzer im Bereich des Lichtführungskanals 20 kein Unterschied zu dem restlichen ersten Brillenglas 3 feststellbar ist. Die synchrone Ansteuerung der Reflexionsfläche 12 und des Bildgebers 6 kann somit so durchgeführt werden, dass die Reflexionsfläche 12 immer dann in den ersten Zustand geschaltet ist, wenn der Bildgeber im EIN-Modus ist. Die Reflexionsfläche 12 weist im ersten Zustand die gewünschte Reflektivität auf, so dass die gewünschte Führung der Lichtbündel 9 vom Einkoppelabschnitt 19 bis zum Auskoppelabschnitt 13 sichergestellt ist.
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Wenn der Bildgeber 6 im AUS-Modus ist und somit kein Bild erzeugt, kann die Reflexionsfläche 12 in den zweiten Zustand geschaltet werden. Es findet somit keine Reflexion an der Reflexionsfläche 12 statt, da sie im Transmissionsmodus ist.
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Auch die reflektiven Facetten 15 können als elektrisch schaltbare Reflexionsflächen ausgebildet sein, die mittels der Steuereinheit 21 über die schematisch in 2 und 3 dargestellte Steuerleitung 12 angesteuert werden. Die reflektiven Facetten 15, die auch als elektrisch schaltbare Facetten bezeichnet werden können, werden dann in gleicher Weise wie die Reflexionsfläche 12 angesteuert.
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Bei der bisher beschriebenen Ausführungsform ist die Reflexionsfläche 12 als plane durchgehende Fläche ausgebildet. Es ist jedoch auch möglich, die Fläche in plane Teilabschnitte 12 1, 12 2, 12 3 zu unterteilen und der Krümmung des Brillenglases entsprechend stufenartig anzuordnen, wie in 4 gezeigt ist. Bei der Ausführungsform von 4 findet ferner im Unterschied zu der Ausführungsform gemäß 2 und 3 die Reflexion nicht mehr an der Vorderseite 11 statt, da eine zweite elektrisch schaltbare Reflexionsfläche 22 ausgebildet ist, die der ersten Reflexionsfläche 12 gegenüberliegt und in gleicher Weise stufenartig versetzte Teilabschnitte 22 1, 22 2, 22 3 aufweist. Zur Vereinfachung der Darstellung ist in 4 die Steuerleitung für die zweite Reflexionsfläche 22 nicht eingezeichnet. Zwischen den beiden Reflexionsflächen 12 und 22 ist ein Material eingefüllt, das beispielsweise dem Material des ersten Brillenglases 3 entspricht. Ferner sind bei der Ausführungsform gemäß 4 die reflektiven Facetten 15 nicht an der Vorderseite 11 ausgebildet, sondern im Brillenglas 3 vergraben.
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Die Ansteuerung der beiden Reflexionsflächen 12 und 22 sowie der reflektiven Facetten 15 erfolgt wiederum über die Steuereinheit 21 in synchroner Weise zueinander und auch bevorzugt synchron zum Bildgeber 6.
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Die Ausführungsform gemäß 5 unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß 4 nur darin, dass zwischen den beiden Reflexionsflächen 12 und 22 kein Material eingefüllt ist, sondern ein Hohlraum vorliegt und somit Luft vorhanden ist.
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In 6 ist eine weitere Abwandlung der Ausführungsform gemäß 4 gezeigt, wobei in diesem Fall die beiden Reflexionsflächen 12 und 22 als durchgehende plane Flächen ausgebildet sind. Der Bereich zwischen beiden Reflexionsflächen 12 und 22 kann mit Material (z. B. das gleiche Material wie das des ersten Brillenglases) gefüllt sein oder als Hohlraum (z. B. mit Luft gefüllt) ausgebildet sein. Somit kann der Lichtführungskanal 20 durch Wahl des Materials gemäß vorliegenden optischen Rahmenbedingungen ausgelegt werden.
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Bei der in 7 gezeigten Ausführungsform ist der Lichtführungskanal 20 durch die schaltbare Reflexionsfläche 12 sowie dem gegenüberliegenden Abschnitt der Rückseite 14 des Brillenglases ausgebildet. Ferner sind bei dieser Ausführungsform die reflektiven Facetten 15 so vergraben im Brillenglas 3 angeordnet, dass sie von der Vorderseite 11 beabstandet sind. Eine solche vergrabene Ausbildung der reflektiven Facetten 15 führt z. B. zu einem Schutz der reflektiven Facetten gegenüber Umwelteinflüssen.
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Bei den bisher beschriebenen Ausführungsformen sind die reflektiven Facetten stets auch als schaltbare Reflexionsflächen ausgebildet. Dies muß nicht sein. Die reflektiven Facetten 15 können auch als teilreflektive oder reflektive Facetten 15 ausgebildet sein.
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Die reflektiven Facetten 15 können entweder eine reine Strahlumlenkung bewirken oder zusätzlich auch eine abbildende Eigenschaft aufweisen. Dazu können die Facetten 15 selbst plan oder gekrümmt ausgebildet sein. Insbesondere können die Facetten 15 fresnelartig eine gekrümmte Reflexionsfläche nachstellen, die die gewünschten Umlenkungs- und gegebenenfalls Abbildungseigenschaften aufweist.
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In 8 ist eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anzeigevorrichtung 1 gezeigt, bei der der Lichtführungskanal 20 durch die Vorder- und Rückseite 11, 14 des ersten Brillenglases 3 ausgebildet ist. Die Lichtführung erfolgt durch innere Totalreflexion an Vorder- und Rückseite 11, 14. Die Facetten 15 sind wiederum als schaltbare Reflexionsflächen ausgebildet, so dass die Steuereinheit 21 die Facetten 15 beispielsweise synchron mit dem Bildgeber 6 ansteuern kann.
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Die in 9 gezeigte Ausführungsform unterscheidet sich von der Ausführungsform von 8 im wesentlichen nur durch die Positionierung der reflektiven Facetten 15. Bei der Ausführungsform gemäß 9 sind die Facetten 15 so an der Vorderseite 11 des Brillenglases 3 positioniert, dass das erzeugte Bild für den Benutzer bei Geradeausblick wahrnehmbar ist.
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In 10 ist eine Abwandlung gezeigt, bei der eine erste Gruppe 25 von schaltbaren reflektiven Facetten 15 sowie daneben eine zweite Gruppe 26 von schaltbaren reflektiven Facetten 15 vorgesehen sind. Die schaltbaren reflektiven Facetten 15 werden über Steuerleitungen 12 und L3 so angesteuert, dass die der ersten Gruppe 25 abwechselnd zu denen der zweiten Gruppe 26 jeweils in den ersten und zweiten Zustand geschaltet werden. Damit kann in einfacher Art und Weise eine Vergrößerung der Eyebox 18 erreicht werden, da die Lichtstrahlen 9, wenn die Facetten 15 der ersten Gruppe 25 in den zweiten Zustand geschaltet sind, durch Totalreflexion an der Vorderseite 11 und an der Rückseite 14 bis zu der zweiten Gruppe 26 der reflektiven Facetten 15 geführt werden und von diesen dann zur Auskopplung in Richtung zur Rückseite 14 reflektiert werden können, so dass die gewünschte vergrößerte Eyebox 18 vorliegt.
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In 11 ist eine Abwandlung der erfindungsgemäßen Anzeigevorrichtung 1 gezeigt, bei der drei Gruppen 25, 26, 27 von elektrisch schaltbaren reflektiven Facetten 15 nebeneinander angeordnet sind, die mittels der Steuereinheit 21 über Steuerleitungen 12, 13, 14 so angesteuert werden, dass die Lichtstrahlen 9 jeweils von den reflektiven Facetten einer der Gruppen 25 bis 27 nacheinander ausgekoppelt werden. Dies führt zu einem vergrößerten Sichtfeld (field of view).
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Natürlich können die reflektiven Facetten 15 auch im Brillenglas so vergraben sein, dass sie von der Vorderseite 11 beabstandet sind, wie in 12 gezeigt ist.
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In 13 ist eine Abwandlung gezeigt, bei der zwei Gruppen 25, 26 von elektrisch schaltbaren reflektiven Facetten 15 vorgesehen sind, wobei die beiden Gruppen 25 und 26 so weit voneinander beabstandet sind, dass dem Benutzer zwei Sichtfelder (eins bei Geradeausblick und eins bei einem Blick nach rechts) bereitgestellt werden. Von diesen zwei Gruppen 25, 26 kann z. B. eine ausgewählt werden, um die Bildauskopplung im gewünschten Sichtfeld zu bewirken.
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In 14 ist eine weitere Abwandlung der erfindungsgemäßen Anzeigevorrichtung 1 gezeigt, bei der wiederum zwei Gruppen 25, 26 von elektrisch schaltbaren, reflektiven Facetten vorgesehen sind. Die Steuereinheit 21 steuert die Facetten der beiden Gruppen 25, 26 an, dass stets nur die Facetten 15 einer der beiden Gruppen 25, 26 zur Auskopplung dienen. Damit ist eine Anpassung des Auskoppelabschnitts 13 an die Pupillenlage möglich. So können beispielsweise anatomische Unterschiede verschiedener Benutzer ausgeglichen werden, wie z. B. der unterschiedliche Abstand zwischen Schläfe und Auge des jeweiligen Benutzers.
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In 15 ist eine Draufsicht des entsprechenden Brillenglases von 11 gezeigt. Dort ist gut erkennbar, dass die beiden Gruppen 25, 26 von Facetten 17 voneinander beabstandet sind.
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In 16 ist eine Abwandlung der Ausführungsform gemäß 2 und 3 dargestellt. Bei dieser Abwandlung ist mit gestrichelter Linie ein vorderes Brillenglaselement 30 und ein hinteres Brillenglaselement 31 eingezeichnet. In diesem Fall liegt ein dreischaliger Aufbau des Brillenglases 3 vor. Es kann auch nur eines der beiden Brillenglaselemente 30, 31 vorgesehen sein, so dass dann ein zweischaliger Aufbau vorliegt.
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Wenn das vordere Brillenglaselement 30 vorgesehen ist, muß lediglich sichergestellt werden, dass die eingezeichnete Reflexion an der Vorderseite 11, die nun innerhalb des Brillenglases liegt, stattfindet. Dies kann z. B. durch eine entsprechende Wahl des Materials für das vordere Brillenglaselement erreicht werden. Alternativ kann eine teilreflektive Beschichtung, eine schaltbare Reflexionsfläche oder ähnliches vorgesehen sein.
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Diese mehrschalige Ausbildung des Brillenglases 3 kann für alle beschriebenen Ausführungsformen vorgesehen sein, Die elektrisch schaltbare Reflexionsfläche 12, 22 kann als elektrochrome Schicht ausgebildet sein. Dazu kann sie beispielsweise, wie in 17 schematisch gezeigt ist, eine transparente leitfähige Oxidschicht 40, eine Elektronenschicht 41, eine Ionenleiterschicht 42, eine Elektronenschicht 43 und eine transparente leitfähige Oxidschicht 44 in dieser Reihenfolge aufeinander ausgebildet aufweisen. Ein solches Schichtsystem kann durch Beaufschlagung einer vorbestimmten Spannung von dem ersten Zustand (Reflexionszustand) in den zweiten Zustand (Transmissionszustand) geschaltet werden. Es liegt somit eine schaltbare Spiegelfläche vor.
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Solche elektrochromen Schichtsysteme zur Ausbildung von schaltbaren Spiegeln sind dem Fachmann bekannt. Sie können beispielsweise so ausgebildet sein, wie in dem Artikel „New electrochromic mirror systems”, Thomas J. Richardson, Solid State Ionics 165 (2003) 305–308 angegeben ist. Es ist auch möglich, das Schichtsystem so auszubilden, dass es eine transparente Elektrode, eine schaltbare Spiegelschicht aus Metall, eine Katalysatorschicht aus Metall, eine Elektrolytkleberschicht, eine Ionenspeicherschicht (Oxidschicht) und eine transparente Elektrode in dieser Reihenfolge aufeinandergestapelt aufweist, wie z. B. in der im Internet veröffentlichten Pressemitteilung des National Institute of Advanced Industrial Science and Technology aus Japan mit dem Titel „High-efficiency Fabrication Technology for Switchable Mirror Devices Capable of Switching between Mirror and Transparent States” beschrieben ist.
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Wie in 18 gezeigt ist, können auch die reflektiven Facetten 15 den gleichen Schichtaufbau aufweisen der in Verbindung mit 17 für die schaltbare Reflexionfläche 12, 22 angegeben ist.
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Es ist ferner möglich, die schaltbare Reflexionsfläche 12, 22 als Flüssigkristallschichtsystem auszubilden, wie in 19 schematisch dargestellt ist. Dieses Schichtsystem weist eine Analysatorschicht 50, eine transparente leitfähige Oxidschicht 51, eine Flüssigkristallschicht 52, eine transparente leitfähige Oxidschicht 53 sowie eine Polarisatorschicht 54 in dieser Reihenfolge aufeinander gestapelt auf. Auch ein solches Schichtsystem ist zwischen einem Reflexionszustand und einem Transmissionszustand durch Anlegen einer Spannung hin und her schaltbar. Die Polarisator- und Analysatorschicht 54, 50 sind optional und können auch weggelassen werden.
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Auch solche Schichtsysteme sind dem Fachmann bekannt. Es sei nur beispielshalber auf die
US 6,674,504 B1 sowie die
DE 10 2009 057 987 A1 verwiesen, in denen spezielle Ausbildungen solcher Schichtsysteme angegeben sind.
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Das Flüssigkristallschichtsystem kann auch für die reflektiven Facetten 15 genutzt werden, wie in 20 schematisch dargestellt ist.
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In 21 ist eine Abwandlung der Ausführungsform von 20 gezeigt. Bei dieser Abwandlung sind die reflektiven Facetten 15 voneinander beabstandet und es sind jeweils plane Zwischenstücke 55 vorgesehen. Die Zwischenstücke 55 können jeweils z. B. parallel zur Tangente der Vorderseite 11 an einer Stelle direkt oberhalb des entsprechenden Zwischenstückes 55 oder dazu geneigt angeordnet sein. Ferner ist der Schichtaufbau in seiner gesamten Dicke deutlich reduziert, wie schematisch in 21 dargestellt ist.
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Des weiteren ist bei der Ausführungsform gemäß 21 jede Facette 15 einzeln ansteuerbar. Dazu ist auf der Oberseite des planen Zwischenstückes 55 eine erste Kontaktierungsfläche 56 ausgebildet, die mit einer transparenten Leiterbahn 57 verbunden ist, wie in der schematischen Draufsicht von 22 angedeutet ist. Durch die plane Ausbildung des Zwischenstücks 55 ist die Kontaktierung einfach möglich. Des weiteren ist die Unterseite des planen Zwischenstücks 55 mit einer zweiten Kontaktierungsfläche 58 versehen, die mit einer transparenten Leiterbahn 59 verbunden ist. Diese Art der Kontaktierung ist in der schematischen Draufsicht von 22 dargestellt, wobei hier nur die Kontaktierungsflächen 56 und 58 sowie die transparenten Leiterbahnen 57 und 59 schematisch dargestellt sind. Die transparenten Leiterbahnen 57, 59 sind bis zur Steuereinheit 21 geführt.
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Durch diese Art der Kontaktierung kann jede reflektive Facette 15 individuell angesteuert werden. Auch ist die Herstellung in einem schichtweisen Verfahren leicht möglich.
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Der Schichtaufbau der reflektiven Facetten 15 kann sich (muß aber nicht) im Bereich des planen Zwischenstücks 55 erstrecken bzw. kann somit das plane Zwischenstück 55 bilden.
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Bei der in 22 gezeigten Darstellung erstrecken sich die Kontaktierungsflächen 56 und 58 jeweils nur bis etwa zur Mitte der planen Zwischenstücke 55 in einer Richtung von oben nach unten in 22 gesehen. Natürlich können sie sich auch über die gesamte Länge der planen Zwischenstücke 55 in dieser Richtung erstrecken.
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Die elektrisch schaltbare Reflexionsfläche 12, 22 und/oder die ansteuerbaren elektrisch schaltbaren reflektiven Facetten 15 können insbesondere auch so angesteuert werden, dass damit eine Steuerung oder Regelung der Bildhelligkeit des erzeugten Bildes erfolgt. Diese kann z. B. in Abhängigkeit der Umgebungshelligkeit durchgeführt werden. So können die Reflexionsfläche 12, 22 und/oder die reflektiven Facetten 15 so angesteuert werden, dass sie die maximale Bildhelligkeit übertragen oder eben eine kleinere als die maximale Bildhelligkeit. In dieser Art und Weise kann einfach eine Steuerung oder Regelung der Bildhelligkeit und/oder des Helligkeitskontrastes (Bildhelligkeit zu Umgebungshelligkeit) durchgeführt werden.
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Zur Steuerung oder Regelung des Helligkeitskontrastes kann auf der Vorderseite 11 des ersten Brillenglases 3 eine elektrochrome Schicht vollflächig angeordnet sein, die ebenfalls mittels der Steuereinheit 21 ansteuerbar ist. In diesem Fall ist es möglich, die Transmission des ersten Brillenglases zu dimmen und somit den gewünschten Helligkeitskontrast einzustellen.
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Wie bereits beschrieben wurde, können die elektrisch schaltbaren Reflexionsflächen 12, 22 sowie die elektrisch schaltbaren reflektiven Facetten 15 zwischen einem ersten und einem zweiten Zustand hin- und hergeschaltet werden, wobei die Reflektivität im ersten Zustand höher ist als im zweiten Zustand. So kann z. B. zur Vereinfachung davon ausgegangen werden, dass die Reflektivität im ersten Zustand 100% und im zweiten Zustand 0% beträgt. Die Steuereinheit 21 kann dafür sorgen, dass der Bildgeber 6 einerseits und die entsprechend schaltbaren Schichten 11, 22 bzw. Facetten 15 andererseits synchron angesteuert werden. Dazu kann die Steuereinheit 21 eine entsprechende Bildgeberansteuerung 60, der Videodaten 61 zugeführt sind und die den Bildgeber 6 ansteuert, und eine entsprechende Schichtansteuerung 62, die die reflektiven Schichten 12, 22 sowie die reflektiven Facetten 15 ansteuert, so ansteuern, dass diese synchronisiert sind. Die entsprechende Ansteuerung ist schematisch in 23 dargestellt.
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Die Ansteuerung mittels der Steuereinheit 21 kann nun so erfolgen, dass das Hin- und Herschalten zwischen den beiden Zuständen mit einer Frequenz von 30 Hz oder mehr durchgeführt wird. In diesem Fall kann ein Benutzer nur noch die zeitliche mittlere Reflexion bzw. Transmission dieser Schichten 12, 22 bzw. der reflektiven Facetten 15 wahrnehmen.
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Durch Einstellung des Tastgrades (also das Verhältnis der Zeitdauer des ersten Zustandes zum zweiten Zustand) kann somit in einfacher Art und Weise jede gewünschte Reflexion eingestellt werden.
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Bei der in 24A gezeigten schematischen Darstellung beträgt der Tastgrad 25%. Das bedeutet, dass zu 25% der Zeit t die reflektiven Schichten 12, 22 und/oder die reflektiven Facetten 15 im ersten Zustand (100% Reflektivität) und die restliche Zeit im zweiten Zustand sind (die Umschaltzeit wird zur Vereinfachung vernachlässigt). Der erste Zustand kann auch als EIN-Zustand und der zweite Zustand kann auch als AUS-Zustand bezeichnet werden.
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Somit beträgt die Reflektivität 25% von der maximalen Reflektivität und die Transmission beträgt 75% von der maximalen Transmission.
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Bei dem in 24B dargestellten Tastgrad beträgt die Reflektivität 50% von der maximalen Reflektivität. In 24C und 24D sind Tastgrade für eine Reflektivität von ca. 66,6% und 75% der maximalen Reflektivität gezeigt.
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Bei den beschriebenen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anzeigevorrichtung 1 erfolgt die Einspiegelung des virtuellen Bildes in das Gesichtsfeld des Benutzers über das erste Brillenglas 3. Natürlich ist auch eine Einspiegelung über das zweite Brillenglas 4 möglich. Des weiteren kann die Anzeigevorrichtung 1 so ausgebildet sein, dass Informationen bzw. virtuelle Bilder über beide Brillengläser 3, 4 eingespiegelt werden. Dabei kann die Einspiegelung so erfolgen, dass ein dreidimensionaler Bildeindruck entsteht. Dies ist jedoch nicht zwingend notwendig.
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Die Brillengläser 3, 4 können eine Brechkraft von Null oder eine von Null verschiedene Brechkraft (insbesondere zur Korrektur von Fehlsichtigkeiten) aufweisen. Wie in den Figuren gezeigt ist, sind sowohl die Vorderseite 11 als auch die Rückseite 14 des Brillenglases 3 gekrümmt ausgebildet. Die Vorderseite 11 kann insbesondere sphärisch gekrümmt sein. Wenn das Brillenglas eine von Null verschiedene Brechkraft aufweist, um eine Fehlsichtigkeit zu korrigieren, ist in der Regel die Krümmung der Rückseite 14 entsprechend gewählt, um die gewünschte Korrektur zu erreichen.
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Die Haltevorrichtung 2 muß nicht als brillenartige Haltevorrichtung ausgebildet sein. Es ist auch jede andere Art der Haltevorrichtung möglich, mit der ein Aufsetzen oder Tragen der Anzeigevorrichtung 1 auf dem Kopf des Benutzers erfolgen kann.
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Die Merkmale der beschriebenen Ausführungsbeispiele können, soweit technisch sinnvoll, miteinander kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anzeigevorrichtung bereitzustellen.
