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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anzeigevorrichtung mit einem ersten Bildgeber zum Erzeugen eines Bildes und einer ersten Abbildungsoptik zum Abbilden des erzeugten Bildes für ein Auge eines Benutzers.
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Solche Anzeigevorrichtungen können z. B. als auf dem Kopf zu tragende Anzeigevorrichtungen ausgebildet sein und sollen häufig möglichst leicht sein und gleichzeitig noch eine gute Abbildungsqualität des erzeugten Bildes bereitstellen. Insbesondere soll eine gute Bildschärfe vorliegen, selbst wenn der Benutzer seine Blickrichtung ändert.
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Ausgehend hiervon ist es daher Aufgabe der Erfindung, eine Anzeigevorrichtung bereitzustellen, die eine verbesserte Bildschärfe bei Blickrichtungsänderungen aufweist.
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Die Erfindung ist in Anspruch 1 definiert. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Durch die erfindungsgemäße Drehbarkeit des ersten Bildgebers um die erste Achse und der ersten Abbildungsoptik um die zweite Achse, die parallel zur ersten Achse verläuft und von dieser beabstandet ist, kann die Austrittspupille der ersten Abbildungsoptik entsprechend der durch die Blickrichtungsänderung bedingten Verschiebung der Augenpupille nachgeführt werden, wodurch die Abbildungsoptik mit einer relativ kleinen optisch korrigierten Austrittspupille designt werden kann. Dies führt dazu, dass die Abbildungsoptik leicht und mit wenig optischen Elementen realisiert werden kann.
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Da der erste Bildgeber und die erste Abbildungsoptik einzeln um ihre jeweilige Achse gedreht werden, sind die zu bewegenden Massen geringer im Vergleich zu dem Fall, wo die Abbildungsoptik mit dem Bildgeber als Ganzes zu drehen oder lateral zu verschieben wäre, was dazu führt, dass bei der erfindungsgemäßen Anzeigevorrichtung eine schnelle und gute Nachführung in Abhängigkeit der aktuellen Blickrichtung möglich ist.
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Die erste und/oder zweite Abbildungsoptik kann eine, zwei, drei oder mehr Linsen aufweisen. Insbesondere kann die erste und/oder zweite Abbildungsoptik mindestens ein refraktives optisches Element, mindestens ein diffraktives optisches Element, mindestens ein reflektives optisches Element, mindestens ein Fresnelelement, mindestens ein holografisches Element, mindestens ein GRIN-Element und/oder mindestens ein Hybrid-Element aufweisen. Bevorzugt ist die erste und/oder zweite Abbildungsoptik als transmissive Optik ausgebildet.
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Die Aktuatoreinheit (die auch als Aktoreinheit bezeichnet werden kann) kann mindestens einen Aktuator oder Aktor, z.B. einen Linearmotor und/oder mindestens einen Tauchspulenantrieb aufweisen. Ferner kann die Aktuatoreinheit auch einen Drehsteller (Servo) umfassen.
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Die erfindungsgemäße Anzeigevorrichtung kann als monookulare Anzeigevorrichtung oder als binokulare Anzeigevorrichtung ausgebildet sein. Ferner kann sie als auf den Kopf eines Benutzers aufsetzbare Anzeigevorrichtung ausgebildet sein.
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Bevorzugt kann die erfindungsgemäße Anzeigevorrichtung als sogenanntes Head-mounted-Display, z.B. VR-Brille (Virtual Reality-Brille), ausgebildet sein.
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Die erfindungsgemäße Anzeigevorrichtung kann im Fall einer optischen Verzerrung des Bildinhalts eine digitale Echtzeit-Bildinhaltskorrektur durchführen.
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Die erfindungsgemäße Anzeigevorrichtung kann weitere, dem Fachmann bekannte Elemente aufweisen, die zum Betrieb der Anzeigevorrichtung 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 anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, die ebenfalls erfindungswesentliche Merkmale offenbaren, noch näher erläutert. Diese Ausführungsbeispiele dienen lediglich der Veranschaulichung und sind nicht als einschränkend auszulegen. Beispielsweise ist eine Beschreibung eines Ausführungsbeispiels mit einer Vielzahl von Elementen oder Komponenten nicht dahingehend auszulegen, dass alle diese Elemente oder Komponenten zur Implementierung notwendig sind. Vielmehr können andere Ausführungsbeispiele auch alternative Elemente und Komponenten, weniger Elemente oder Komponenten oder zusätzliche Elemente oder Komponenten enthalten. Elemente oder Komponenten verschiedener Ausführungsbespiele können miteinander kombiniert werden, sofern nichts anderes angegeben ist. Modifikationen und Abwandlungen, welche für eines der Ausführungsbeispiele beschrieben werden, können auch auf andere Ausführungsbeispiele anwendbar sein. Zur Vermeidung von Wiederholungen werden gleiche oder einander entsprechende Elemente in verschiedenen Figuren mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet und nicht mehrmals erläutert. Von den Figuren zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Anzeigevorrichtung;
- 2 eine schematische Ansicht der Anzeigevorrichtung von 1 für eine andere Blickrichtung des Benutzers, und
- 3 eine schematische Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Anzeigevorrichtung 1.
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Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die erfindungsgemäße Anzeigevorrichtung 1 als auf den Kopf eines Benutzers aufsetzbare Anzeigevorrichtung 1 ausgebildet. In der schematischen Darstellung gemäß 1 umfasst die Anzeigevorrichtung 1 eine brillenartige Haltevorrichtung 2 mit einem linken Bügel 3 und einem rechten Bügel 4 sowie einem Hauptteil 5.
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Ferner sind in 1 schematisch das linke Auge LA und das rechte Auge RA des Benutzers eingezeichnet.
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Die Anzeigevorrichtung kann in Art einer Brille getragen werden, so dass die beiden Bügel 3, 4 mit ihren hinteren Enden auf den Ohren des Benutzers aufliegen und das Hauptteil mit einem nicht gezeigten Nasenteil an der Nase abgestützt ist. Natürlich ist auch jede andere Art der Haltevorrichtung 2 möglich. So kann statt der Bügel 3, 4 ein Band vorgesehen sein, das in aufgesetztem Zustand der Anzeigevorrichtung um den Hinterkopf des Benutzers verläuft, wodurch das Hauptteil z.B. gegen Stirn und Nase des Benutzers gedrückt wird und dort anliegt.
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Die Anzeigevorrichtung 1 umfasst einen ersten Bildgeber 6 sowie eine erste Abbildungsoptik 7. Der erste Bildgeber 6 ist kardanisch so aufgehängt, dass er um zwei aufeinander senkrecht stehende Achsen voneinander unabhängig drehbar bzw. kippbar ist. Beide Achsen laufen bevorzugt durch die Darstellungsebene des Bildgebers 6. Eine erste Achse erstreckt sich senkrecht zur Zeichenebene in 1 und eine zweite Achse liegt in der Zeichenebene von 1.
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In gleicher Weise ist die erste Abbildungsoptik 7 kardanisch so aufgehängt, dass sie um zwei zueinander senkrecht stehende Achsen voneinander unabhängig kippbar bzw. drehbar ist. Die Achsen laufen bevorzugt durch eine der Hauptebenen der ersten Abbildungsoptik 7. Die erste Abbildungsoptik 7 verfügt hier über zwei Hauptebenen, die einen Abstand von etwa mindestens 5 mm haben.
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Die beiden kardanischen Aufhängungen sind über eine horizontale Pleuelstange 8 für die Drehungen um die senkrecht zur Zeichenebene verlaufenden Drehachsen und eine vertikale Pleuelstange 9 für die Drehungen um die in der Zeichenebene liegenden Drehachsen gekoppelt. Die vertikale Pleuelstange 9 wird hier so bezeichnet, da sie auf die vertikale Achse wirkt. Die Darstellung in 1 ist in dieser Hinsicht als schematische Funktionsdarstellung zu verstehen.
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Die horizontale Pleuelstange 8 kann mittels eines Linearmotors 10 in horizontaler Richtung verschoben werden.
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Das linke Auge LA ist schematisch mit seiner Pupille P und seiner Augenlinse A eingezeichnet.
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Für das rechte Auge RA weist die Anzeigevorrichtung einen zweiten Bildgeber 11 und eine zweite Abbildungsoptik 12 auf, die in gleicher Weise wie der erste Bildgeber 6 und die erste Abbildungsoptik 7 jeweils kardanisch so aufgehängt sind, dass sie um zwei Achsen dreh- bzw. kippbar sind. Die beiden Achsen stehen senkrecht aufeinander und verlaufen hier senkrecht zur Zeichenebene und in der Zeichenebene. Bevorzugt verlaufen sie wiederum durch die Darstellungsebene des zweiten Bildgebers 11 oder die Hauptebene der zweiten Abbildungsoptik 12.
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Ferner sind wiederum eine horizontale Pleuelstange 13 und eine vertikale Pleuelstange 14 vorgesehen, wobei der Linearmotor 15 nun bei der vertikalen Pleuelstange 14 angeordnet ist, um diese in der Zeichenebene längs zu verschieben.
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Die beiden Bildgeber 6 und 11 sind über eine Verbindungs-Pleuelstange 16 so miteinander gekoppelt, dass eine horizontale Verschiebung mittels des Linearmotors 10 dazu führt, dass beide Bildgeber 6 und 11 sowie beide Abbildungsoptiken 7 und 12 um den gleichen Drehwinkel um ihre jeweilige sich senkrecht zur Zeichenebene erstreckende Drehachse gedreht werden. Entsprechendes gilt für den Linearmotor 15 der vertikalen Pleuelstange 14. Eine Bewegung mittels dieses Linearmotors 15 führt zu einem Verkippen von beiden Abbildungsoptiken 7, 12 und beiden Bildgebern 6, 11 um die jeweilige in der Zeichenebene liegende Drehachse. Da alle Kippwinkel über die Pleuelstangen auf alle vier Elemente in gleicher Weise übertragen werden, kann dies über die Einstellung einer vertikalen Pleuelstange und einer horizontalen Pleuelstange mittels des entsprechenden Linearmotors erfolgen.
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Die Anzeigevorrichtung 1 umfasst ferner einen Augentracker 17 (bzw. Pupillentracker 17), der hier das linke Auge LA bzw. zumindest die Pupille P des linken Auges LA erfasst und daraus Positionsdaten der Pupille P des linken Auges LA erzeugt. Der Augentracker 17 kann beispielsweise eine Kamera sein, die das linke Auge LA aufnimmt. Die Aufnahmen werden dann hinsichtlich der Pupillenposition ausgewertet. Der Pupillentracker 17 kann eine zusätzliche Beleuchtungsquelle (nicht gezeigt) im nicht sichtbaren Bereich (z.B. im Infraroten) umfassen, um den Bildbereich der Augentrackerkamera zu beleuchten.
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Die Anzeigevorrichtung 1 umfasst ferner eine Steuereinheit 18, an die diese Positionsdaten des Augentrackers 17 weitergeleitet werden. Natürlich ist es auch möglich, dass die Auswertung der Aufnahmen z.B. in der Steuereinheit 18 durchgeführt wird. Wenn nun mittels des Augentrackers 17 detektiert wird, dass der Benutzer seine Blickrichtung von dem Geradeausblick gemäß 1 z.B. in einen Blick nach links gemäß 2 ändert, kann die Steuereinheit 18 basierend auf den Positionsdaten vom Augentracker 17 ein Drehen der beiden Bildgeber 6, 11 sowie der beiden Abbildungsoptiken 7, 12 um die entsprechende jeweilige Achse senkrecht zur Bildebene durch eine entsprechende Ansteuerung des Linearmotors 10 bewirken, wie schematisch in 2 dargestellt ist.
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Die durch die Drehung bewirkte laterale Verschiebung der jeweiligen Augenpupille P erfordert bei der erfindungsgemäßen Anzeigevorrichtung 1 keine Austrittspupille der Abbildungsoptiken 7 und 12, die den gesamten möglichen Bereich abdeckt, den die jeweilige Augenpupille P überstreicht. Bei einer möglichen Blickrichtungsänderung von ± 50° umfasst der Bereich eine laterale Ausdehnung von ca. 21 mm. Stattdessen wird bei der erfindungsgemäßen Anzeigevorrichtung 1 durch die kardanische Aufhängung der Bildgeber 6, 11 und der beiden Abbildungsoptiken 7, 12 die Austrittspupille der Abbildungsoptiken 7, 12 der Position der Pupillen P der Augen LA, RA nachgeführt. Damit können die Abbildungsoptiken 7, 12 so ausgelegt sein, dass sie eine relativ kleine Austrittspupille aufweisen, so dass sie mit geringem Aufwand (z.B. mit einer geringen Anzahl von Linsen von beispielsweise 1, 2 oder 3 Linsen) bereitgestellt werden können. Dies führt auch zu einem geringen Gewicht. Da die Bildgeber 6, 11 und die Abbildungsoptiken 7, 12 voneinander unabhängig jeweils um ihren Schwerpunkt gedreht werden, sind im Vergleich zu dem Fall, bei dem beispielsweise die gesamte Abbildungsoptik zusammen mit dem Bildgeber um eine einzige Achse gedreht werden, die zu bewegenden Massenträgheitsmomente geringer, so dass geringere Drehmomente notwendig sind, wodurch schneller eine Drehung durchführbar ist. Ferner ist auch möglich, eine Korrektur des Bildinhalts in Echtzeit durchzuführen. Die digitale Bildinhaltskorrektur basiert auf Input des Pupillentrackers, identifiziert eine bestimmte Augenposition und korrigiert den Bildinhalt in Echtzeit für eine spezifische relative Positionsverschiebung zwischen Pupille und Abbildungsoptik.
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Die beschriebene Anzeigevorrichtung 1 ist besonders geeignet, um schnelle Pupillendezentrierungen bei Blickrichtungsänderungen zu kompensieren. Sie kann aber auch dazu genutzt werden, um in binokularen Systemen die Pupillenabstandsvariationen bei verschiedenen Benutzern nachzustellen.
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Obwohl in 1 und 2 nur ein Augentracker 17 eingezeichnet ist, kann in einer Weiterbildung die Anzeigevorrichtung 1 so ausgebildet sein, dass für jedes Auge LA, RA ein Augentracker vorgesehen ist. Wenn ein Benutzer die Anzeigevorrichtung 1 das erste Mal aufsetzt, können mit den beiden Augentrackern die Pupillenpositionen und damit der Pupillenabstand gemessen werden. Mit dieser Information kann über eine nicht dargestellte Mechanik die Anzeigevorrichtung 1 auf den gemessenen Pupillenabstand manuell eingestellt werden. Beispielsweise ist es möglich, die Verbindungspleuelstange 16 so auszubilden, dass ihre Länge manuell veränderbar ist. Durch eine entsprechende Einstellung der Länge kann dann die Anzeigevorrichtung 1 auf den gemessenen Pupillenabstand eingestellt werden.
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Nach dieser erstmaligen Einstellung kann dann bevorzugt mit nur einem der beiden Augentracker die Blickrichtung erfasst und eine entsprechende Nachführung in der beschriebenen Art und Weise durchgeführt werden.
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Die Anzeigevorrichtung 1 kann auch so weitergebildet werden, dass sie als zwei unabhängige monookulare Teilsysteme ausgebildet ist. In diesem Fall muss beispielsweise lediglich die Verbindungspleuelstange weggelassen werden. Es ist dann jedoch notwendig, dass jedes monookulare Teilsystem einen Linearmotor für seine horizontale und seine vertikale Pleuelstange 8, 9 bzw. 13, 14 aufweist. Die Ansteuerung erfolgt dann augenindividuell über die jeweiligen Augentrackermessungen. Bei einer solchen Ausbildung können die Austrittspupillen der Optiken 7, 12 auch bei dynamischen Veränderungen der Bildparalaxe nachgeführt werden.
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Es ist bevorzugt, bei jeder Verkippung bzw. Drehung der Abbildungsoptiken 7, 12 den Inhalt und die Berandung des auf dem jeweiligen Bildgeber 6, 11 dargestellten Bildes dynamisch anzupassen. Die Bildgeber 6, 11 können insbesondere als flächige Bildgeber ausgebildet sein. Beispielsweise können sie als LCD-Modul, LCoS-Modul, LCosS-Modul, Oled-Matrix, DMD-Bildgeber oder als Kippspiegelmatrix ausgebildet sein. Die Bildgeber können selbstleuchtend oder nicht selbstleuchtend sein.
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Wenn das Drehzentrum der jeweiligen Abbildungsoptik 7, 12 in der Hauptebene der Abbildungsoptik 7, 12 und das Drehzentrum der Bildgeber 6, 11 genau in der Displayebene der Bildgeber 6, 11 liegen und wenn die Abbildungsoptiken 7, 12 keine Restbildfehler, wie z.B. Verzeichnung aufweist, ist eine dynamische Anpassung der dargestellten Inhalte auf den Bildgebern 6, 11 nicht notwendig.
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Da aber der Schwerpunkt der Abbildungsoptiken 7, 12 nicht mit der Hauptebene der entsprechenden Abbildungsoptik 7, 12 zusammenfallen muss, kann eine Anpassung der Bildinhalte notwendig werden. Bevorzugt können die Bildgeber in der Bildgeberebene und die Linse bzw. Abbildungsoptiken in der Hauptebene gehaltert werden, um bei schnellen dynamischen Verschiebungen die Fehler bei einer nicht synchronen Bildinhaltsanpassung zu minimieren. Bei einer Optimierung auf Schnelligkeit und nicht auf Bildgüte, können die Abbildungsoptiken sowie die Bildgeber in ihrem Schwerpunkt gehaltert werden. Auch ist es möglich, die Abbildungsoptiken 7, 12 absichtlich in ihren optischen Eigenschaften etwas schlechter auszubilden, da sie dann kostengünstiger und/oder mit geringerem Gewicht hergestellt werden können. In diesem Fall kann der dadurch bedingte Abbildungsfehler bei der Drehung durch die entsprechende Anpassung der Bildinhalte auf den Bildgebern 6, 11 kompensiert werden. Für typische Brennweiten der Abbildungsoptiken 7, 12 des Auges ist es notwendig, dass eine Verkippung der Bildgeber 6, 11 und der Abbildungsoptiken 7, 12 um ca. 10° möglich sein sollte. Der Abstand zwischen der Abbildungsoptik 7, 12 und dem jeweiligen Bildgeber 6, 11 ändert sich mit dem Cosinus des Verkippungswinkels. Für größere Verkippungswinkel kann es daher notwendig werden, diese Brennweitenänderung durch eine motorische Nachstellung der Brennweite oder eine geeignete Anpassung der Drehpunktlage (bzw. Pivotpunktlage) bei der Verkippung zu kompensieren (z.B. durch mindestens einen Exzenter). Es ist alternativ auch möglich, die optische Bildlage des Bildgebers so festzulegen, dass der Benutzer in der Lage ist, durch seine Akkommodationsfähigkeit das Bild überall scharf zu stellen, auch wenn die Cosinus-Abhängigkeit schon merkliche Effekte verursacht.
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Bei der erfindungsgemäßen Anzeigevorrichtung 1 kann der mögliche Pupillendezentrierungsbereich von ± 10 mm mit einer Genauigkeit von ca. 1 mm gemessen und mit Zeitverzögerungen von ca. 20 bis 500 ms nachgestellt werden. Bei einer Verzögerung von 500 ms würde man bei schnellen Blickrichtungsänderungen unter Umständen ein unscharfes Bild sehen. Dies würde aber für den Benutzer so kurz auftreten, dass dies nicht störend ist.
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In 3 ist eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anzeigevorrichtung 1 gezeigt, bei der die Bildfelder bzw. erzeugten Bilder dem Benutzer asymmetrisch so angeboten werden, dass sie hauptsächlich im peripheren Bereich erweitert werden, da in der Konvergenzzone zwischen den beiden Augen LA, RA das Bildfeld anatomisch durch die Nasenwurzel eingeschränkt ist. Dazu kann man die beiden Kanäle für die Augen RA, LA zueinander verkippt ausrichten, wie in 3 schematisch dargestellt ist. Den Freiheitsgrad des Kippwinkels zwischen den beiden Kanälen kann man auch dazu nutzen, um durch Verschiebung der beiden Optikkanäle (gepunktete Boxen 20, 21) gegeneinander (z.B. über eine motorische Verstellung 22) den Pupillenabstand auf den Benutzer einzustellen, ohne eine technisch aufwendige Veränderung der Verbindungspleuelstange 16 durchzuführen.
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Die erfindungsgemäße Anzeigevorrichtung 1 ist insbesondere so ausgebildet, dass der Benutzer im aufgesetzten Zustand nur die erzeugten und abgebildeten Bilder wahrnehmen kann. Die Bilder werden dem Benutzer insbesondere als virtuelle Bilder dargeboten.
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Natürlich kann die Anzeigevorrichtung auch so ausgebildet sein, dass der Benutzer die dargebotenen Bilder in Überlagerung mit der Umgebung wahrnehmen kann. In diesem Fall spricht man auch von einer augmentierten Darstellung.
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Die erfindungsgemäße Anzeigevorrichtung 1 muss nicht unbedingt so ausgebildet sein, dass sie als eine auf den Kopf eines Benutzers aufsetzbare Anzeigevorrichtung 1 ausgebildet ist. Es kann auch jede andere Art von Anzeigevorrichtung erfindungsgemäß ausgebildet sein. Insbesondere kann die Anzeigevorrichtung monookular (also nur für ein Auge) oder binokular ausgebildet sein. Man kann auch von monookularen oder binokularen digitalen Anzeigesystemen sprechen.
