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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brillenglas für eine auf den Kopf eines Benutzers aufsetzbare und ein mindestens zweifarbiges Bild erzeugende Anzeigevorrichtung sowie eine Anzeigevorrichtung mit einem solchen Brillenglas.
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Ein solches Brillenglas wird häufig in sogenannten Datenbrillen verwendet, bei denen der fortwährende Bedarf vorliegt, die Qualität des dem Benutzer dargebotenen Bildes zu verbessern.
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Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der Erfindung, ein Brillenglas bereitzustellen, dass bei der Verwendung in Datenbrillen möglichst die Qualität des dem Benutzer dargebotenen Bildes verbessert.
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Die Erfindung ist in den unabhängigen Ansprüchen definiert. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Erfindungsgemäß umfasst das Brillenglas für eine auf den Kopf eines Benutzers aufsetzbare und ein mindestens zweifarbiges Bild erzeugende Anzeigevorrichtung eine Vorderseite, eine Rückseite, einen Eintrittsabschnitt und einen vom Eintrittsabschnitt beabstandeten Umlenkabschnitt sowie einen Austrittsabschnitt in der Rückseite. Ferner umfasst das Brillenglas einen Lichtführungskanal, der Lichtbündel der mindestens zwei Farben des erzeugten Bildes, die über den Eintrittsabschnitt des Brillenglases in das Brillenglas eingekoppelt sind, im Brillenglas bis zum Umlenkabschnitt führt, von dem sie in Richtung zum Austrittsabschnitt hin umgelenkt und dann durch den Austrittsabschnitt aus dem Brillenglas ausgekoppelt werden. Der Umlenkabschnitt umfasst mindestens ein reflektives Umlenkelement, das für die Lichtbündel der mindestens zwei Farben unterschiedliche Reflektivitäten aufweist.
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Damit kann die Reflektivität des mindestens einen reflektiven Umlenkelements auf die mindestens zwei Farben individuell angepasst werden, so dass dadurch eine Verbesserung der Qualität des dem Benutzer dargebotenen Bildes möglich ist.
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Damit kann für jede der beiden Farben (bzw. den entsprechenden Lichtbündeln) eine individuelle Reflektivität eingestellt werden. Dies kann z.B. dazu genutzt werden, unterschiedliche Helligkeiten bei der Bilderzeugung für die erste und zweite Farbe zu kompensieren. Insbesondere kann das Verhältnis der Reflektivitäten für die Lichtbündel der ersten und zweiten Farbe umgekehrt proportional zum Verhältnis der Helligkeiten (bevorzugt der maximalen Helligkeiten) der Lichtbündel der ersten Farbe und der Lichtbündel der zweiten Farbe eingestellt sein.
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Das Brillenglas kann insbesondere für ein dreifarbiges Bild ausgelegt sein. In diesem Fall kann das mindestens eine reflektive Umlenkelement für mindestens eine der drei Farben eine andere Reflektivität aufweisen als für die anderen beiden Farben. So kann z.B. für die erste Farbe ein erste Reflektivität und für die zweite und dritte Farbe jeweils eine zweite Reflektivität, die sich von der ersten Reflektivität unterscheidet, eingestellt sein. Natürlich kann für die zweite Farbe die zweite Reflektivität und für die dritte Farbe eine dritte Reflektivität, die sich von der ersten Reflektivität und von der zweiten Reflektivität unterscheidet, eingestellt sein. Bei der ersten, zweiten und dritten Farbe kann es sich beispielsweise um rot, grün und blau handeln. Bevorzugt wird hierbei auf eine Wellenlänge aus dem jeweiligen Farbbereich Bezug genommen.
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Bei dem erfindungsgemäßen Brillenglas kann der Umlenkabschnitt mehrere nebeneinander angeordnete reflektive Umlenkelemente aufweisen. Damit kann z.B. in einer fresnelartigen Weise eine gewünschte Umlenkfunktion und gegebenenfalls eine gewisse Abbildungsfunktion des Umlenkabschnitts realisiert werden. Die reflektiven Umlenkelemente können reflektive Flächenstücke sein, die auch als reflektive Facetten bezeichnet werden können. Die reflektiven Flächenstücke können jeweils plan ausgebildet sein. Es ist jedoch auch möglich, dass die reflektiven Flächenstücke selbst gekrümmt (beispielsweise sphärisch, oder asphärisch gekrümmt) ausgebildet sind.
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Die Reflektivität der jeweiligen reflektiven Umlenkelemente kann beispielsweise im Bereich von 2 - 100 % (einschließlich der Grenzen des Bereiches) für die jeweilige Wellenlänge bzw. Farbe liegen. Somit können die reflektiven Umlenkelemente teilreflektiv oder reflektiv ausgebildet sein.
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Das Brillenglas kann insbesondere eine gekrümmte Rückseite und/oder eine gekrümmte Vorderseite aufweisen. Der Eintrittsabschnitt kann in der Rückseite ausgebildet sein.
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Die Lichtbündel der mindestens zwei Farben werden bevorzugt durch eine oder mehrere Reflexionen (insbesondere innere Totalreflexionen) bis zum Umlenkabschnitt geführt. Die eine oder mehrere Reflexionen bzw. innere Totalreflexionen können z.B. an der Vorder- und oder Rückseite des Brillenglases bewirkt werden. Es ist jedoch auch möglich, dass mindestens eine der Reflexionen bzw. inneren Totalreflexionen an einer im Brillenglas vergraben ausgebildeten Schicht, die von der Vorder- und Rückseite beabstandet ist, bewirkt wird.
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Ferner wird eine Anzeigevorrichtung mit einer auf den Kopf eines Benutzers aufsetzbaren Haltevorrichtung, einem an der Haltevorrichtung befestigten Bilderzeugungsmodul, das ein mindestens zweifarbiges Bild erzeugt, und ein an der Haltevorrichtung befestigten erfindungsgemäßen Brillenglas bereitgestellt. Mittels eines Brillenglases kann das erzeugte mindestens zweifarbige Bild im auf den Kopf aufgesetzten Zustand der Haltevorrichtung so abgebildet werden, dass es der Benutzer als virtuelles Bild wahrnehmen kann.
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Das Bilderzeugungsmodul kann eine erste Bildgebereinheit für eine erste Farbe und eine zweite Bildgebereinheit für eine zweite Farbe aufweisen. Die Lichtbündel der beiden Bildgebereinheiten können überlagert und als überlagertes Lichtbündel über den Eintrittsabschnitt in das Brillenglas eingekoppelt werden.
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Die Anzeigevorrichtung kann eine Steuereinheit aufweisen, die das Bilderzeugungsmodul ansteuert. Insbesondere kann die Steuereinheit basierend auf zugeführten Bilddaten das Bilderzeugungsmodul ansteuern.
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Das Bilderzeugungsmodul bzw. die entsprechende Bildgebereinheit kann insbesondere einen flächigen Bildgeber aufweisen, wie z.B. ein LCD-Modul, ein LCoS-Modul, ein OLED-Modul oder eine Kippspiegelmatrix. Jeder Bildgeber kann eine Mehrzahl von Pixeln aufweisen, die z.B. in Zeilen und Spalten angeordnet sein können. Jeder Bildgeber kann beispielsweise selbstleuchtend oder nicht selbstleuchtend sein.
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Jeder Bildgeber kann bevorzugt ein monochromatisches Bild erzeugen, wobei unterschiedliche Bildgeber monochromatische Bilder mit unterschiedlichen Wellenlängen erzeugen. Das Bilderzeugungsmodul kann auch so ausgebildet sein, dass ein mehrfarbiges Bild erzeugt wird.
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Das Bilderzeugungsmodul kann somit einen polychromatischen Bildgeber, eine Kombination von zwei oder mehr monochromatischen Bildgebern oder kann eine Kombination aus einem duochromatischen Bildgeber und einem monochromatischen Bildgeber aufweisen. Typische Konfigurationen solcher Bilderzeugungsmodule mit mehreren Bildgebern weisen eine Überlagerungseinheit auf, die die Lichtbündel der mehreren Bildgeber zu einem gemeinsamen Lichtbündel überlagern. Eine solche Überlagerungseinheit kann z.B. als Strahlteilerwürfel (auch X-Cube genannt) oder als ein sogenannter Stabcombiner realisiert sein, die dem Fachmann bekannt sind.
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Eine Besonderheit bei aktuell verfügbaren monochromatischen Bildgebern ist, dass die erreichbare Effizient / Abstrahlintensität nicht gleich ist. Monochromatisch bzw. schmalbandig grün emittierende Bildgeber sind im Allgemeinen mit deutlich höherer Leuchtkraft verfügbar, während z.B. monochromatisch bzw. schmalbandig rot emittierende Bildgeber in der Regel deutlich weniger effizient sind bzw. eine deutlich geringere Strahlungsintensität erreichen.
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Da der auskoppelnde Umlenkabschnitt möglichst unsichtbar und das von der Umgebung zum Auge des Betrachters kommende Licht auch möglichst wenig beeinträchtigen soll, werden im Allgemeinen Umlenkabschnitte bevorzugt, die eine hohe Transmission in Durchsicht und damit verbunden einen geringen Reflektivität für den auszukoppelnden Lichtbündel des mindestens zweifarbigen Bildes aufweisen. Üblich für das Verhältnis von Reflexion zu Transmission sind Werte von 50%, 30%, 10% oder 2%, gleichmäßig über den sichtbaren Wellenlängenbereich. Gerade für geringe Reflexionsgrade ist es vorteilhaft, die Reflexionsgrade der Umlenkabschnitt je Displayfarbe umgekehrt proportional zur deren Leuchtstärkenverhältnis anzupassen und so die verminderte Effizienz bestimmter monochromatischer Bildgeber auszugleichen bzw. vorzuhalten. Bei einer angenommen Reflektivität von 2% im grünen und blauen Spektralbereich und 4% im roten Spektralbereich kann so eine um den Faktor 2 geringere Leistung eines roten Bildgebers ausgeglichen werden, während sich die Farbverhältnisse in Durchsicht von 96 : 98 : 98 (R:G:B) und somit der Farbeindruck der wahrgenommenen Umgebung nur unwesentlich ändern. Es ist eine Vielzahl anderer Verhältnisse denkbar und auch muss das Verhältnis der Reflexionsgrade nicht die Intensitäts-/bzw. Effizienzverhältnisse der verwendeten Bildgeber widerspiegeln. Hier sind gegebenenfalls Teilkompensationen sinnvoller, z.B. in Abhängigkeit von der tolerierbaren Farbveränderung im Durchblick.
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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.
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Elemente oder Komponenten verschiedener Ausführungsbeispiele 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 perspektivische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anzeigevorrichtung;
- 2 eine vergrößerte Teilschnittansicht des ersten Brillenglases einschließlich einer schematischen Darstellung des Bilderzeugungsmoduls;
- 3 und 4 Darstellungen zur Erläuterung der Herstellung des Brillenglases gemäß 2.
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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, das als erfindungsgemäßes Brillenglas ausgebildet ist und das auch als Multifunktionsglas bezeichnet werden kann, 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 eine erste Bildgebereinheit 6 zum Erzeugen eines roten Teilbildes, eine zweite Bildgebereinheit 7 zum Erzeugen eines grünen Teilbildes sowie eine dritte Bildgebereinheit 8 zum Erzeugen eines blauen Teilbildes aufweisen, wie in 2 schematisch dargestellt ist. Dazu umfasst jede der Bildgebereinheiten 6 - 8 ein flächiges Bilderzeugungselement 9, 10 und 11, dem jeweils eine Bildgeberoptik 12, 13 und 14 nachgeordnet ist. Jedes der flächigen Bilderzeugungselemente 9 - 11 kann z.B. ein OLED-Element, ein LCD-Element, ein LCoS-Element oder eine Kippspiegelmatrix aufweisen, die jeweils eine Vielzahl von z.B. in Zeilen und Spalten angeordneten Pixeln umfassen. Für die von den flächigen Bilderzeugungselementen 9 - 11 abgegebenen Lichtbündel ist stellvertretend in schematischer Art und Weise jeweils ein einzelner Lichtstrahl L1, L2 und L3 eingezeichnet.
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Wie 2 weiter entnommen werden kann, umfasst das Bilderzeugungsmodul 5 ferner ein Überlagerungselement 15 (hier in Form eines Strahlteilerwürfels) sowie eine Bildmoduloptik 16.
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Ferner ist eine Steuereinheit 17 mit z.B. einem Prozessor P und einem Speicher M zur Ansteuerung des Bilderzeugungsmoduls 5 vorgesehen. Die Steuereinheit 17 steuert in Abhängigkeit von zugeführten Bilddaten das Bilderzeugungsmodul 5 und insbesondere die Bilderzeugungselemente 9 - 11 so an, dass die mittels der drei Bilderzeugungselemente 9 - 11 erzeugten Farbteilbilder für einen Betrachter in Überlagerung ein mehrfarbiges Bild gemäß den Bilddaten ergibt. Dazu werden die Lichtbündel L1 - L3 der drei flächigen Bilderzeugungselemente 9 - 11 mittels des Überlagerungselementes 15 zu einem gemeinsamen Lichtbündel überlagert, das durch die Bildmoduloptik 16 läuft und über eine gekrümmte Rückseite 18 des Brillenglases 3 in dieses eintritt. Der Bereich des Eintritts an der Rückseite 18 kann auch als Eintrittsabschnitt 19 bezeichnet werden.
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Das Brillenglas 3 weist ferner eine gekrümmte Vorderseite 20 sowie einen im Brillenglas 3 vergraben ausgebildeten Umlenkabschnitt 21 auf.
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Der Umlenkabschnitt 21 umfasst eine erste reflektive Umlenkstruktur 22 mit mehreren ersten reflektiven Umlenkelementen 23, die auch als erste reflektive Facetten bezeichnet werden können.
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Des Weiteren ist die erste reflektive Umlenkstruktur 22 so ausgebildet, dass die ersten reflektiven Umlenkelemente 23 eine wellenlängenabhängige Reflektivität aufweist, wobei sie für die roten Lichtbündel L1 des ersten Bilderzeugungselementes 9 eine vorbestimmte erste Reflektivität (die beispielsweise im Bereich von 2 - 100% liegen kann und bei dem beschrieben Ausführungsbeispiel 4% beträgt) aufweist und für die grünen und blauen Lichtbündel L2, L3 des zweiten und dritten Bilderzeugungselementes 10, 11 eine vorbestimmte zweite Reflektivität (die beispielsweise im Bereich von 2 - 100% liegen kann und bei dem beschrieben Ausführungsbeispiel 2% beträgt) aufweist. Zur Vereinfachung der Darstellung sind nur die Strahlenverläufe der reflektierten Anteile der Lichtbündel L1 - L3 eingezeichnet, die zur Erzeugung des gewünschten virtuellen Bildes beitragen.
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Dadurch können unterschiedliche Grundhelligkeiten der Bilderzeugungselemente 9 - 11 durch unterschiedliche Reflektivitäten der ersten reflektiven Umlenkelemente 23 kompensiert werden.
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Wie bereits beschrieben wurde, treten die Lichtbündel L1 - L3 über den Eintrittsabschnitt 19 in der Rückseite 18 in das Brillenglas 3 ein. Es folgt dann eine Führung der Lichtbündel L1 - L3 im Brillenglas 3 z.B. durch innere Totalreflexion an der Rückseite 20 und Vorderseite 18 bis zum Umlenkabschnitt 21, so dass ein Lichtführungskanal 29 vom Eintrittsabschnitt 19 bis zum Umlenkabschnitt 21 vorliegt. Der Umlenkabschnitt 21 führt dann wellenlängenselektiv, wie bereits beschrieben wurde, eine Umlenkung der Lichtbündel L1 - L3 zur Rückseite 18 hin so durch, dass die umgelenkten Lichtbündel L1 - L3 über die Rückseite 18 aus dem Brillenglas 3 austreten. Der Bereich, über den die Lichtbündel L1 - L3 austreten, kann auch als Austrittsabschnitt 26 bezeichnet werden.
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Das Bilderzeugungsmodul 5 und das Brillenglas 3 sind so ausgelegt, dass ein Benutzer, der die erfindungsgemäße Anzeigevorrichtung 1 auf dem Kopf trägt, das mittels des Bilderzeugungsmoduls 5 erzeugte mehrfarbige Bild als mehrfarbiges virtuelles Bild wahrnehmen kann. Je nach Reflektivität der Umlenkelemente 23 kann das virtuelle Bild vom Benutzer in Überlagerung mit der Umgebung wahrgenommen werden. Bei einer sehr hohen Reflektivität und insbesondere bei einer Reflektivität von 100 % kann der Benutzer mindestens im Bereich des Umlenkabschnitts 21 nur das virtuelle Bild und nicht die Umgebung wahrnehmen, wenn ein gewisser Abstand der Umlenkelemente 23 nicht überschritten ist. Wenn der gewisse Abstand der Umlenkelemente 23 überschritten ist, kann zwischen diesen Umgebungslicht ungehindert zum Auge gelangen, so dass auch bei 100% Reflektivität der Umlenkelemente 23 ein Durchblick auf die Umgebung möglich ist, so dass quasi ein löchriger/segmentierter 1 00%-Spiegel vorliegt.
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Eine vorteilhafte Art der Herstellung der ersten reflektiven Umlenkelemente 23 umfasst den Schritt des Herstellens von zwei zueinander passenden Halbschalen 30, 31, wobei eine der Halbschalen (hier die Halbschale 31) eine Struktur 32 für die ersten reflektiven Umlenkelemente 23 aufweist. Die Halbschalen können beispielsweise mittels Spritzguss gefertigt werden. Auf die Struktur 32 wird die gewünschte wellenlängenabhängige Teilerbeschichtung aufgebracht und danach werden die beiden Halbschalen 30 und 31 mit einem dem Grundmaterial der Halbschalen 30 und 31 im Brechungsindex angepassten Klebstoff gefügt. Die Halbschale 30 kann neben der spritzgegossenen Ausführung auch als Folie ausgeführt sein. Die Klebespalte kann dabei z.B. eine Dicke im Bereich von ca. 30 µm bis 1500 µm aufweisen, so dass das in 4 gezeigte Brillenglas 3 hergestellt ist. Dabei ist nur zur Verdeutlichung der Herstellung die mittlere Schicht mit dem Klebstoff eingezeichnet. In dem tatsächlich gefertigten Brillenglas 3 ist dies aufgrund der Brechungsindexanpassung nicht mehr sichtbar, so dass ein Brillenglas 3 vorliegt, wie z.B. in 2 gezeigt ist.
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Die Anzeigevorrichtung 1 kann auch so ausgebildet sein, dass das linke Brillenglas 4 in der Art und Weise als Multifunktionsglas, wie sie in Verbindung mit 1 bis 8 beschreiben wurde, ausgebildet ist. In diesem Fall ist das Bilderzeugungsmodul 5 bevorzugt im Bereich des linken Brillenbügels angeordnet. Ferner ist es möglich, das sowohl das linke Brillenglas 3 als auch das rechte Brillenglas 4 als Multifunktionsglas ausgebildet ist, wobei bevorzugt für jedes Brillenglas 3, 4 ein separates Bilderzeugungsmodul 5 (bevorzugt im linken und rechten Brillenbügel) angeordnet ist.
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Die erste Umlenkstruktur 22 kann eine reine Strahlumlenkung bewirken. Bevorzugt kann sie zusätzliche eine abbildende Wirkung bereitstellen.
