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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brillenglas für eine auf den Kopf eines Benutzers aufsetzbare und ein Bild erzeugende Anzeigevorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruches 1 sowie eine Anzeigevorrichtung mit einem solchen Brillenglas.
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Bei einem solchen Brillenglas sind die reflektiven Umlenkflächen häufig an der Vorderseite angeordnet. Der Verlauf der Vorderseite gibt somit die Anordnung der reflektiven Umlenkflächen vor, was zu schwierigen optischen Bedingungen führt, die die Qualität der Abbildung des Brillenglases für die Lichtbündel limitiert.
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Die
US 8 625 198 B2 zeigt ein Brillenglas mit mehreren Zellen unterschiedlicher Ausdehnung in einer Richtung senkrecht zur Vorderseite des Brillenglases.
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Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der Erfindung, ein Brillenglas der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass es verbesserte Abbildungseigenschaften bereitstellen kann.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei einem Brillenglas der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass der Abstand der reflektiven Umlenkfläche von der Vorderseite mit zunehmendem Abstand zum Einkoppelabschnitt zu- oder abnimmt.
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Insbesondere nimmt der Abstand der reflektiven Umlenkflächen von der Vorderseite mit zunehmendem Abstand vom Einkoppelabschnitt zu.
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Die reflektiven Umlenkflächen werden somit in Gesamtheit gegenüber der Vorderseite geneigt angeordnet und müssen nicht mehr dem Verlauf der Vorderseite folgen. Dadurch können die reflektiven Umlenkflächen so angeordnet werden, dass der Einfallswinkel der Hauptstrahlung der Lichtbündel reduziert werden, wodurch die Korrektur der Abbildung begünstigt wird. Auch kann dadurch die Zahl der reflektiven Umlenkflächen insgesamt reduziert werden, was die Fertigung des Brillenglases vereinfacht.
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Die reflektiven Umlenkflächen können insbesondere von der Vorder- und Rückseite beabstandet sein.
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Des Weiteren können die reflektiven Umlenkflächen an einer Trägerfläche angeordnet sein, die nicht konzentrisch zur Vorderseite ist. Die Trägerfläche kann insbesondere plan oder gekrümmt ausgebildet sein und gegenüber der Vorderseite geneigt angeordnet sein.
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Insbesondere ist das Brillenglas frei von einer Kontaktfläche, die sich über die gesamte Dicke des Brillenglases von der Vorderseite bis zur Rückseite erstreckt.
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Die reflektiven Umlenkflächen können beispielsweise an einem Einsatzstück ausgebildet sein, das von der Vorderseite oder von der Rückseite in eine entsprechende Ausnehmung des Brillenglases eingesetzt ist.
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Bei dem erfindungsgemäßen Brillenglas kann die Vorderseite und/oder die Rückseite gekrümmt ausgebildet sein. Insbesondere ist die Vorder- und/oder Rückseite als glatte, durchgehende Fläche ausgebildet.
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Mindestens eine der reflektiven Umlenkflächen kann plan ausgebildet sein. Zusätzlich oder alternativ kann mindestens eine der reflektiven Umlenkflächen gekrümmt ausgebildet sein.
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Das Brillenglas kann aus einem Kunststoffmaterial gebildet sein. Es ist auch möglich, dass das Brillenglas aus einem Glasmaterial gebildet ist.
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Die reflektiven Umlenkflächen des Auskoppelabschnitts können auch als reflektive Facetten bezeichnet werden. Die reflektiven Facetten können zueinander versetzt in Art einer Zick-Zack-Linie oder Sägezahnlinie angeordnet sein.
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Die reflektiven Umlenkflächen erstrecken sich bevorzugt nicht über die gesamte Dicke (Ausdehnung von der Vorderseite bis zur Rückseite bzw. entlang einer Dickenrichtung von der Vorder- zur Rückseite) des Brillenglases, sondern beispielsweise nur über einen Teil davon. Insbesondere können die reflektiven Umlenkflächen als vergrabene reflektive Umlenkflächen ausgebildet sein, so dass sie sich nicht bis zur Vorderseite und/oder nicht bis zur Rückseite des Brillenglases erstreckt. Die reflektiven Umlenkflächen können sich beispielsweise über 20 bis 80 % der Ausdehnung des Brillenglases von der Vorderseite bis zur Rückseite erstrecken. Es ist auch eine Erstreckung im Bereich von 30 bis 70 % oder 40 bis 60 % der Dicke des Brillenglases von der Vorderseite bis zur Rückseite möglich.
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Insbesondere kann der Auskoppelabschnitt (bevorzugt aufgrund der reflektiven Umlenkflächen) eine strahlumlenkende und/oder eine abbildende Eigenschaft aufweisen.
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Mindestens eine der reflektiven Umlenkflächen kann eine reflektive Beschichtung aufweisen. Dabei kann die Reflektivität von nahezu 100 % erreicht werden. Es ist jedoch auch möglich, eine geringere Reflektivität bereitzustellen, so dass die reflektive Fläche als teilreflektive Fläche eingesetzt werden kann.
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Des Weiteren ist es möglich, mindestens eine der reflektiven Umlenkflächen durch interne Totalreflexion zu verwirklichen.
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Die Lichtführung im Lichtführungskanal kann beispielsweise durch Reflexion an Vorder- und Rückseite des Brillenglases erfolgen. Dabei kann es sich um eine innere Totalreflexion oder um eine Reflexion aufgrund einer entsprechenden teilreflektiven oder reflektiven Beschichtung handeln. Es ist jedoch auch möglich, dass die Führung mittels einer reflektiven Schicht innerhalb des Brillenglases bewirkt wird. Dabei kann eine reflektive Schicht vorgesehen sein, so dass die Vorder- oder Rückseite als weitere reflektive Fläche dient. Es können jedoch auch zwei voneinander beabstandete reflektive Schichten vorgesehen sein.
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Es wird ferner eine Anzeigevorrichtung mit einer auf den Kopf eines Benutzers aufsetzbaren Haltevorrichtung, einem an der Haltevorrichtung befestigten Bilderzeugungsmoduls, das ein Bild erzeugt, und einer an der Haltevorrichtung befestigten Abbildungsoptik, die ein erfindungsgemäßes Brillenglas aufweist und dieses Bild im auf dem Kopf des Benutzers aufgesetzten Zustand der Haltevorrichtung so abbildet, dass es der Benutzer als virtuelles Bild wahrnehmen kann, bereitgestellt.
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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. Das zumindest eine weitere optische Element kann beispielsweise einstückig mit einem der beiden Teilbrillengläser ausgebildet sein.
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Die Anzeigevorrichtung kann eine Steuereinheit aufweisen, die das Bilderzeugungsmodul ansteuert.
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Das Bilderzeugungsmodul kann insbesondere einen flächigen Bildgeber aufweisen, wie z.B. ein LCD-Modul, ein LCoS-Modul, ein OLED-Modul oder eine Kippspiegelmatrix. Der Bildgeber kann eine Mehrzahl von Pixeln aufweisen, die z.B. in Zeilen und Spalten angeordnet sein können. 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 einschließlich einer schematischen Darstellung des Bilderzeugungsmoduls;
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3 eine vergrößerte Detaildarstellung des Auskoppelabschnitts von 2;
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4 eine vergrößerte Detaildarstellung des Auskoppelabschnitts von 2;
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5 eine vergrößerte Detaildarstellung des Auskoppelabschnitts von 2 gemäß einer weiteren Ausführungsform, und
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6 eine vergrößerte Detaildarstellung des Auskoppelabschnitts von 2 gemäß einer weiteren Ausführungsform.
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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 z.B. in Art eines herkömmlichen Brillengestells ausgebildet sein kann, sowie ein erstes und ein zweites Brillenglas 3, 4, die an der Haltevorrichtung 2 befestigt sind. Die Haltevorrichtung 2 mit den Brillengläsern 3, 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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Dazu umfasst die Anzeigevorrichtung 1 ein Bilderzeugungsmodul 5, das im Bereich des rechten Brillenbügels der Haltevorrichtung 2 angeordnet sein kann, wie in 1 schematisch dargestellt ist. Das Bilderzeugungsmodul 5 kann ein flächiges Bilderzeugungselement 6 (2), wie z.B. einen OLED-, einen LCD- oder einen LCoS-Chip oder eine Kippspiegelmatrix, mit einer Vielzahl von z.B. in Zeilen und Spalten angeordneten Pixeln aufweisen.
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Die Brillengläser 3 und 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 3, 4 oder als erfindungsgemäßes optisches Element ausgebildet. Das erfindungsgemäße optische Element kann auch in anderem Zusammenhang als mit der hier beschriebenen Anzeigevorrichtung 1 eingesetzt werden. Daher kann das optische Element, wenn es als Brillenglas ausgebildet ist, natürlich auch als zweites Brillenglas 4 ausgebildet sein.
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Wie am besten aus der vergrößerten, schematischen Teilschnittansicht in 2 ersichtlich ist, weist die Anzeigevorrichtung 1 eine Abbildungsoptik 7 auf, die ein zwischen dem Bilderzeugungselement 6 bzw. 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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Von jedem Pixel des Bildgebers 6 kann ein Lichtbündel 9 ausgehen. Durch eine entsprechende Ansteuerung der Pixel des Bildgebers 6 mittels einer Steuereinheit 10, die Teil des Bilderzeugungsmoduls 5 sein kann, kann das gewünschte Bild erzeugt werden. In 2 ist stellvertretend für die Lichtbündel 9 der Strahlengang eines Lichtstrahls (bevorzugt des Hauptstrahls) eingezeichnet, so dass nachfolgend auch vom Lichtstrahl 9 die Rede ist.
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Der vom Bildgeber 6 ausgehende Lichtstrahl 9 läuft durch das Optikelement 8 und tritt über einen Einkoppelabschnitt 11 in das erste Brillenglas 3 ein und wird in diesem entlang eines Lichtführungskanals 12 bis zu einem Auskoppelabschnitt 13 geführt. Der Auskoppelabschnitt 13 weist mehrere reflektive Umlenkflächen 14 auf, an denen eine Reflexion der Lichtstrahlen 9 in Richtung zu einer Rückseite 15 des ersten Brillenglases 3 stattfindet, so dass die Lichtstrahlen 9 über die Rückseite 15 aus dem ersten Brillenglas 3 austreten.
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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 Geradeausblickes um ca. 40° nach rechts schauen. In 2 ist zur Verdeutlichung der Drehpunkt 16 des Auges des Benutzers sowie die Eyebox 17 bzw. die Austrittspupille 17 der Abbildungsoptik 7 eingezeichnet. Die Eyebox 17 ist der Bereich, der durch die Anzeigevorrichtung 1 bereitgestellt und in dem sich das Auge des Benutzers bewegen kann und er stets noch das erzeugte Bild als virtuelles Bild wahrnehmen kann.
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Wie in der schematischen Darstellung in 2 gezeigt ist, ist sowohl die Rückseite 15 als auch die Vorderseite 18 des ersten Brillenglases 3 gekrümmt ausgebildet.
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Die Führung der Lichtbündel 9 im Lichtführungskanal 12 kann z.B. durch innere Totalreflexion an der Vorderseite 18 und der Rückseite 15 erfolgen. Es ist auch möglich, dass die Vorderseite 18 und/oder die Rückseite 15 im Bereich des Lichtführungskanals eine reflektierende oder teilreflektierende Beschichtung aufweist, um die gewünschte Lichtführung zu bewirken.
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Wie in der vergrößerten Detaildarstellung des Auskoppelabschnitts 13 in 3 gezeigt ist, umfasst der Auskoppelabschnitt vier reflektive Umlenkflächen 14, die zusammen eine reflektive Fresnel-Fläche F für die Lichtbündel 9 bilden. Die reflektive Fresnel-Fläche F ist in 3 zur Verdeutlichung als gestrichelte Linie eingezeichnet. Tatsächlich ist die Fresnel-Fläche F als durchgehende Fläche natürlich nicht vorhanden. Die reflektiven Umlenkflächen 14 stellen lediglich den optischen Effekt bzw. die optische Wirkung nach, die eine solche Fresnel-Fläche F hätte, wenn sie tatsächlich im Brillenglas ausgebildet wäre.
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Die einzelnen reflektiven Umlenkflächen sind voneinander beabstandet angeordnet (in Richtung der Ausbreitungsrichtung der Lichtbündel 9 beispielsweise) und sind insgesamt geneigt gegenüber der Vorderseite 18 bzw. der Rückseite 15 des Brillenglases 3. Darunter wird hier insbesondere verstanden, dass der Abstand der einzelnen reflektiven Umlenkflächen 14 von der Vorderseite 18 entlang einer Dickenrichtung D (der Richtung von der Vorderseite 18 zur Rückseite 15) mit größer werdendem Abstand vom Einkoppelabschnitt 11 zunimmt. Somit ist der Abstand D1 kleiner als der Abstand D2, der wiederum kleiner als der Abstand D3 ist. D3 ist kleiner als der Abstand D4. Der Abstand kann beispielsweise jeweils zum Flächenschwerpunkt oder Flächenmittelpunkt der jeweiligen Umlenkfläche 14 gemessen werden.
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Durch diese quasi geneigte Anordnung der durch die reflektiven Umlenkflächen 14 gebildeten Fresnel-Fläche F wird der Fall einer schräggestellten Umlenkfläche besser nachgestellt. Dadurch können beispielsweise die einzelnen reflektiven Umlenkflächen 14 so orientiert werden, dass ihre Flächennormale in Richtung der jeweiligen Hauptstrahlen 9 zeigt. Dadurch können die optischen Weglängenunterschiede zwischen den einzelnen reflektiven Umlenkflächen 14 minimiert werden, wodurch eine Korrektur der Abbildung des optischen Gesamtsystems vereinfacht möglich ist.
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In 4 ist eine Trägerfläche T dargestellt, an der die einzelnen Umlenkflächen 14 anliegen. Die Trägerfläche T ist als gedeckte Fläche zu verstehen, die selbst nicht tatsächlich im Brillenglas 3 ausgebildet ist. Die Trägerfläche T ist hier nicht gekrümmt, sondern eine plane Fläche. Jedoch ist sie gegenüber der Vorderseite 18 geneigt angeordnet. Somit nimmt der Abstand der Trägerfläche T von der Vorderseite 18 mit zunehmendem Abstand vom Einkoppelabschnitt 11 zu.
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Die Trägerfläche T muss nicht als plane Fläche ausgebildet sein. Sie kann auch gekrümmt ausgebildet sein, wie dies schematisch in 5 dargestellt ist. Die Krümmung kann sphärisch oder asphärisch sein. Auch ist eine Ausbildung als Freiformfläche möglich, die somit gekrümmt ist aber keine sphärische Krümmung und auch keine asphärische Krümmung mit einer Rotationssymmetrie aufweist.
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Die Umlenkflächen 14 sind bei den bisher beschriebenen Ausführungsformen als plane Flächen gezeigt. Es ist jedoch auch möglich, dass zumindest eine der Umlenkflächen 14 (oder auch alle) selbst jeweils gekrümmt sind, wie dies schematisch in 6 dargestellt ist. Auch in diesem Fall nimmt der Abstand der reflektierten Lenkflächen 14 von der Vorderseite 18 mit zunehmendem Abstand von Einkoppelabschnitt 11 zu.
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Die reflektiven Umlenkflächen 14 können Teil einer rechnerisch bestimmten Fläche sein und lediglich zueinander versetzt angeordnet sein. In diesem Fall könnten die reflektiven Umlenkflächen wieder als zusammenhängende Fläche zusammengesetzt werden. Alternativ ist es möglich, dass die reflektiven Umlenkflächen individuell optimiert werden, so dass sie in der Regel nicht wieder als zusammenhängende Fläche zusammengesetzt werden können.
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Wie in den 2 bis 6 dargestellt ist, nimmt der Abstand der reflektiven Umlenkflächen 14 von der Vorderseite 18 mit zunehmendem Abstand zum Einkoppelabschnitt 11 in einer Ebene zu, die im Wesentlichen senkrecht zur Vorderseite 18 und Rückseite 15 (hier y-z-Ebene) verläuft. Die Fresnel-Fläche ist somit in der y-z-Ebene gegenüber der Vorder- und/oder Rückseite 18, 15 geneigt.
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Zusätzlich oder alternativ kann eine Neigung der Fresnel-Fläche in einer Ebene senkrecht zur Zeichenebene von 2 bis 6 vorliegen. Diese Ebene verläuft im Wesentlichen parallel zur Vorder- und Rückseite 18, 15. Diese Neigung kann insbesondere so vorliegen, dass sie von oben nach unten relativ zur Vorderseite zu- oder abnimmt. Die Angabe oben und unten bezieht sich hierbei insbesondere auf die Orientierung, wenn die Anzeigevorrichtung bestimmungsgemäß benutzt wird und z.B. auf dem Kopf des Benutzers getragen wird.
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Durch die beschriebene geneigte Anordnung der reflektiven Umlenkflächen 14 bzw. geneigte Anordnung der Fresnel-Fläche F, die durch die reflektiven Umlenkflächen 14 in ihrer optischen Wirkung nachgestellt wird, werden die Einfallswinkel der Hauptstrahlen 9 im Vergleich zu bekannten Anzeigevorrichtungen reduziert, bei denen die reflektiven Umlenkflächen beispielsweise an der Vorderseite 18 angeordnet sind, was die Korrektur der Abbildung begünstigt. Ebenso kann die Zahl der reflektiven Umlenkflächen 14 verringert werden, was die Herstellung des Brillenglases vereinfacht.
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Bei der hier beschriebenen Ausführungsform kann beispielsweise die Dicke des Brillenglases 3 4 mm betragen. Die Strukturtiefe einer einzelnen Umlenkfläche liegt jedoch nur im Bereich von 0,45 mm, so dass die beschriebene geneigte Anordnung der reflektiven Umlenkflächen 14 leicht möglich ist.
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Insbesondere kann der Krümmungsradius der Trägerfläche T als Parameter bei der rechnerischen Optimierung der Abbildung freigegeben werden. Dies führt zu reflektiven Umlenkflächen 14 einschließlich ihrer Anordnungen, die verbesserte Eigenschaften aufweisen können.
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Bei 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 Fehlsichtigkeit) aufweisen. Wie in den Figuren gezeigt ist, sind sowohl die Vorderseite 18 als auch die Rückseite 15 gekrümmt ausgebildet. Die Vorderseite 18 ist insbesondere sphärisch gekrümmt. Wenn das Brillenglas 3, 4 eine von Null verschiedene Brechkraft aufweist, um eine Fehlsichtigkeit zu korrigieren, ist in der Regel die Krümmung der Rückseite 15 entsprechend gewählt, um die entsprechende Korrektur zu erreichen. Die Rückseite 15 kann eine von der sphärischen Form abweichende Krümmung aufweisen.
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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 und Tragen der Anzeigevorrichtung auf dem Kopf erfolgen kann.
