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Die Erfindung betrifft eine Anzeigevorrichtung mit einem Bilderzeugungselement zum Erzeugen eines Bildes, einer Brille mit Brillengläsern sowie einer ein Einkoppelelement aufweisenden ersten Optik zum Einkoppeln des erzeugten Bildes in das Sichtfeld eines die Brille tragenden Benutzers.
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Eine solche Vorrichtung wird auch als HMD-Vorrichtung (Head Mounted Display-Vorrichtung) bezeichnet und ist z. B. für Personen geeignet, die eine Brille zur Korrektur einer Fehlsichtigkeit benötigen. Die Anzeigevorrichtung und die erste Optik sind dabei am Brillenbügel der Brille (zur Korrektur einer Fehlsichtigkeit) befestigt. Solche Befestigungen am Brillenbügel sind häufig nicht sehr stabil, so daß die Nutzung der HMD-Vorrichtung negativ beeinflußt wird, da z. B. durch eine Bewegung der ersten Optik relativ zur Brille auch das mittels dem Bilderzeugungselement erzeugte Bild in unerwünschter Weise für die die Brille tragende Person bewegt wird.
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Die
US 4,867,551 A zeigt eine Anzeigevorrichtung mit einem Bilderzeugungselement zum Erzeugen eines Bildes, mit einer Brille mit Brillengläsern und mit einer ein Einkoppelelement aufweisenden ersten Optik zum Einkoppeln des erzeugten Bildes in das Sichtfeld eines die Brille tragenden Benutzers, wobei die Optik an einem Anzeigesystemgehäuse befestigt ist, das wiederum formschlüssig am Brillenrahmen der Brille befestigt ist.
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Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Anzeigevorrichtung mit einem Bilderzeugungselement zum Erzeugen eines Bildes, einer Brille mit Brillengläsern, einer ein Einkoppelelement aufweisenden ersten Optik zum Einkoppeln des erzeugten Bildes in das Sichtfeld eines die Brille tragenden Benutzers bereitzustellen, bei der eine sichere Fixierung des Einkoppelelements relativ zur Brille erreicht wird.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Anzeigevorrichtung mit einem Bilderzeugungselement zum Erzeugen eines Bildes, einer Brille mit Brillengläsern, einer ein Einkoppelelement aufweisenden ersten Optik zum Einkoppeln des erzeugten Bildes in das Sichtfeld eines die Brille tragenden Benutzers gelöst, bei der die erste Optik oder ein erster Halter, mit dem die erste Optik verbindbar ist, mittels einer formschlüssigen Verbindung an einem ersten der Brillengläser befestigt ist und das Einkoppelelement durch einen Spalt vom ersten Brillenglas getrennt ist.
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Durch die formschlüssige Verbindung mit dem ersten Brillenglas wird sichergestellt, daß die Lage des Einkoppelelements relativ zum ersten Brillenglas unveränderbar ist, so daß eine ausgezeichnete Bilddarstellung gewährleistet werden kann. Unter der formschlüssigen Verbindung wird hier jede Verbindung verstanden, bei der durch Ineinandergreifen der Formen von zumindest zwei Elementen der Verbindung eine Bewegung der ersten Optik relativ zum ersten Brillenglas verhindert wird.
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Da das Einkoppelelement durch einen Spalt vom ersten Brillenglas getrennt ist, wird weiterhin vorteilhaft erreicht, daß eine Korrekturwirkung des ersten Brillenglases, wenn dies zur Korrektur einer Fehlsichtigkeit dient, unverändert bleibt, was nicht der Fall wäre, wenn das Einkoppelelement in Kontakt mit dem Brillenglas stehen würde.
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Es können beide Brillengläser (für jedes Auge des Benutzers ein Brillenglas) oder nur ein Brillenglas der Brille zur Korrektur einer Fehlsichtigkeit dienen. Es ist auch möglich, daß beide Brillengläser nicht zur Korrektur einer Fehlsichtigkeit dienen. Dies kann der Fall sein, wenn die Brille z. B. eine Schutzbrille ist.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Anzeigevorrichtung ist die erste Optik oder der erste Halter mittels einer Schraubverbindung am ersten Brillenglas befestigt. In diesem Fall wird die formschlüssige Verbindung durch die Schraube(n) und die entsprechenden Löcher im Brillenglas sowie in der ersten Optik bzw. im ersten Halter realisiert. Diese Art der Verbindung kann leicht in analoger Weise wie die Befestigung von seitlichen Brillenbügeln und des Nasenbügels bei rahmenlosen Brillen durchgeführt werden. Dadurch ist eine sichere und exakt fixierte Lage des Einkoppelelements relativ zum ersten Brillenglas gewährleistet, wodurch die Bilddarstellungsqualität des mittels des Bilderzeugungselements erzeugten Bildes sehr hoch ist.
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Die Schraubverbindung kann z. B. mittels zumindest einer Durchsteckschraube, zumindest einer Kopfschraube, die durch ein Durchgangsloch im ersten Brillenglas in ein Gewindedurchgangsloch oder Gewindesackloch in der ersten Optik bzw. im ersten Halter eingeschraubt ist, oder zumindest einer Paßschraube verwirklicht werden.
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Insbesondere kann die erste Optik bzw. der erste Halter mit zumindest zwei Schrauben mit dem ersten Brillenglas verschraubt sein. Dadurch wird eine sehr hohe Stabilität der Verbindung gewährleistet.
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Ferner kann bei der erfindungsgemäßen Anzeigevorrichtung die erste Optik bzw. der erste Halter im Randbereich, bevorzugt im oberen Randbereich des ersten Brillenglases mit dem ersten Brillenglas verbunden sein. Dadurch wird vorteilhaft erreicht, daß das Sichtfeld des die Brille tragenden Benutzers durch die Befestigung der ersten Optik bzw. des ersten Halters am Brillenglas kaum verkleinert wird.
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Insbesondere kann das erste Brillenglas zwischen dem Einkoppelelement und einem Auge des die Brille tragenden Benutzers liegen. Bei dieser Anordnung ist ausreichend Platz für das Einkoppelelement vorhanden, da es an der dem Benutzer abgewandten Seite des ersten Brillenglases befestigt und angeordnet werden kann.
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Eine besonders bevorzugte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Anzeigevorrichtung besteht darin, daß die erste Optik bzw. deren Halterung mittels einer weiteren formschlüssigen Verbindung mit dem ersten Halter verbindbar ist. Damit wird eine sichere und dauerhafte Verbindung der ersten Optik über den ersten Halter mit dem ersten Brillenglas erzeugt.
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Ferner kann bei der erfindungsgemäßen Anzeigevorrichtung die erste Optik bzw. deren Halterung lösbar mit dem ersten Halter verbunden sein. Dies führt zu dem Vorteil, daß die erste Optik nur bei Bedarf mit der Brille verbunden wird und ansonsten die Brille normal (zur Korrektur der Fehlsichtigkeit) weiterbenutzt werden kann.
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Bei der erfindungsgemäßen Anzeigevorrichtung kann das Einkoppelelement für von dem Bilderzeugungselement kommende Lichtstrahlen des Bildes eine Strahlengangfaltung bewirken. Dadurch wird der Vorteil erreicht, daß das Bilderzeugungselement sowie gegebenenfalls weitere optische Elemente der ersten Optik oberhalb des Einkoppelelements angeordnet werden können, so daß die Tiefe der Anzeigevorrichtung in Blickrichtung des Benutzers gering gehalten werden kann.
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Insbesondere kann das Einkoppelelement die Strahlengangfaltung mittels einem Strahlteiler bewirken, der so angeordnet ist, daß das erzeugte Bild für eine die Brille tragenden Benutzer in Überlagerung mit der Umgebung wahrnehmbar ist. Dadurch wird die sogenannte augmentierte Darstellung ermöglicht, bei der dem Benutzer das erzeugte Bild so eingespiegelt wird, daß er das erzeugte Bild zusätzlich zu der Umgebung wahrnehmen kann.
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Zur Strahlengangfaltung kann das Einkoppelelement einen Umlenkspiegel aufweisen. Damit wird ein einfaches Mittel zur Strahlengangfaltung bereitgestellt, mit dem eine sehr gute Abbildungsqualität erreicht werden kann.
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Die erfindungsgemäße Anzeigevorrichtung kann in einer bevorzugten Weiterbildung noch weitere Elemente aufweisen, die zur Bilderzeugung notwendig sind (z. B. eine Ansteuereinheit für das Bilderzeugungselement sowie eine Spannungs- bzw. Stromversorgung). Diese weiteren Elemente können im oder am Gehäuse vorgesehen oder mit diesem verbunden sein. Insbesondere die Ansteuereinheit kann drahtlos oder mittels einer Leitung mit dem Bilderzeugungselement verbunden sein. Die zur Bilderzeugung notwendigen Daten können zur Ansteuereinheit entweder drahtlos oder über eine Leitung übertragen werden.
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Ferner kann die erfindungsgemäße Anzeigevorrichtung noch eine Justiereinrichtung umfassen, mit der die Lage und Ausrichtung des Einkoppelelements und/oder der ersten Optik relativ zum ersten Brillenglas eingestellt und fixiert werden kann. Dazu können beispielsweise am ersten Halter oder der Halterung der ersten Optik entsprechende Justiermittel vorgesehen sein. Durch diese Weiterbildung ist eine exakte Justierung des Einkoppelelements und/oder der ersten Optik relativ zum ersten Brillenglas leicht möglich, so daß beispielsweise eine formschlüssige Verbindung, bei der die Ausrichtung des Einkoppelelements und/oder der ersten Optik zum ersten Brillenglas nicht optimal ist, mittels der Justiereinrichtung korrigiert werden kann.
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Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anzeigevorrichtung besteht darin, daß ein weiteres Bilderzeugungselement zum Erzeugen eines weiteren Bildes sowie eine ein weiteres Einkoppelelement aufweisende zweite Optik zum Einkoppeln des weiteren Bildes in das Sichtfeld eines die Brille tragenden Benutzers vorgesehen sind, wobei die zweite Optik oder ein zweiter Halter, mit dem die zweite Optik verbindbar ist, mittels einer formschlüssigen Verbindung an dem zweiten Brillenglas befestigt ist und das weitere Einkoppelelement der zweiten Optik durch einen Spalt vom zweiten Brillenglas getrennt ist. Damit können für beide Augen des Benutzers unterschiedliche Bilder erzeugt und den Augen zugeführt werden, wobei insbesondere eine dreidimensionale Darstellung ermöglicht wird.
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Das weitere Einkoppelelement bzw. der zweite Halter können in gleicher Weise wie das Einkoppelelement der ersten Optik bzw. der ersten Halter weitergebildet werden.
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Als Bilderzeugungselement kann beispielsweise eine selbstleuchtende Anzeige, wie z. B. eine hintergrundbeleuchtete LCD-Anzeige oder eine LED-Anzeige, oder z. B. eine nicht-selbstleuchtende Anzeige verwendet werden. Das Bilderzeugungselement kann auch ein sogenanntes (räumliches) Lichtventil (z. B. eine Kippspiegelmatrix (z. B. von Texas Instruments) mit einer Vielzahl von in Zeilen und Spalten angeordneten Kippspiegeln) umfassen.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung im Prinzip beispielshalber noch näher erläutert. Es zeigen:
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1 schematisch eine Vorderansicht einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anzeigevorrichtung;
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2 schematisch eine vergrößerte Seitenansicht der in 1 gezeigten Anzeigevorrichtung, und
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3 schematisch eine perspektivische Darstellung eines am Brillenglas zu befestigenden Halters und eines HMD-Moduls gemäß einer weiteren Ausführungsform.
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Wie aus 1 ersichtlich ist, umfaßt die erfindungsgemäße Anzeigevorrichtung eine Brille 1 mit einem ersten und einem zweiten Brillenglas 2, 3, die in einem herkömmlichen Brillengestell 4 mit einem Nasenbügel B und zwei seitlichen Bügeln S1 und S2 gehaltert sind, sowie ein HMD-Modul 5.
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Das HMD-Modul 5, das in 1 schematisch dargestellt ist, umfaßt ein Bilderzeugungselement 6 (wie beispielsweise ein hintergrundbeleuchtedes LCD-Modul), mit dem ein Bild erzeugbar ist, das über eine erste Optik 7 so in das Sichtfeld eines die Brille 1 tragenden Benutzers eingekoppelt wird, daß der Benutzer das Bild wahrnehmen kann.
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Die erste Optik 7 umfaßt eine Abbildungsoptik 8, die durch eine schematisch eingezeichnete Linse dargestellt ist, sowie ein Einkoppelelement 9, das bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel ein Teilerwürfel ist.
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Die Abbildungsoptik 8 und das Bilderzeugungselement 6 sind in einem Gehäuse 10 angeordnet und mit einer dünneren Strichstärke eingezeichnet, da sie in der Darstellung von 1 eigentlich durch das Gehäuse 10 verdeckt und nicht sichtbar sind und der Teilerwürfel 9 ist an dem unteren offenen Ende des Gehäuses 10 mit dem Gehäuse 10 verbunden.
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Ferner weist das Gehäuse 10 zwei Flansche 11, 12 auf, die in der Vorderansicht von 1 gesehen, jeweils seitlich vorstehen und die am Brillenglas 2 festgeschraubt sind. Dazu ist in jedem Flansch 11, 12 eine Durchgangsbohrung und sind in dem ersten Brillenglas 2 zwei weitere den Durchgangsbohrungen der Flansche 12 und 13 zugeordnete Durchgangsbohrungen vorgesehen. Durch diese Durchgangsbohrungen ist, wie am besten aus 2 ersichtlich ist, jeweils von der dem Betrachter zugewandten Seite des ersten Brillenglases 2 eine Schraube 13 hindurchgeführt, auf die von der anderen Seite des ersten Brillenglases 2 eine Mutter 14 aufgeschraubt ist, so daß die Flansche 11 und 12 gegen das erste Brillenglas 2 gedrückt werden und eine formschlüssige Verbindung zwischen Gehäuse 10 und erstem Brillenglas 2 vorliegt.
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Die Flansche 11 und 12 sind so ausgebildet, daß im montierten Zustand des HMD-Moduls 5 am ersten Brillenglas 2, wie in 2 gezeigt ist, zwischen dem Einkoppelelement 9 (Teilerwürfel) und dem ersten Brillenglas 2 ein Spalt 15 (Luftspalt) vorhanden ist. Dies ist besonders vorteilhaft für den Fall, daß die Brille 1 eine Brille zur Korrektur einer Fehlsichtigkeit ist, da aufgrund des Luftspaltes das Einkoppelelement 9 die Korrekturwirkung des ersten Brillenglases 2 nicht beeinflußt.
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Die in Verbindung mit 1 beschriebene Anzeigevorrichtung ist für eine augmentierte Darstellung ausgebildet, da der Benutzer (durch ein schematisch eingezeichnetes Auge A angedeutet), der die Brille 1 trägt, aufgrund des Teilerwürfels 9 eine Überlagerung des mit dem Bilderzeugungselement 6 erzeugten Bildes (durch Pfeile P1 und P2 angedeutet) mit der Umgebung (durch Pfeile P3 angedeutet) wahrnehmen kann. Natürlich kann statt des Teilerwürfels 9 beispielsweise ein Umlenkprisma vorgesehen werden, so daß keine Überlagerung von dem erzeugten Bild mit der Umgebung mehr stattfindet, sondern der Benutzer im Bereich des erzeugten Bildes nur noch dieses wahrnehmen kann.
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Das HMD-Modul 5 weist noch weitere Elemente (nicht gezeigt) auf, die zur Bilderzeugung notwendig sind, wie z. B. eine Ansteuereinheit für das Bilderzeugungselement 6 und eine Spannungs- bzw. Stromversorgung. Diese Elemente können im oder am Gehäuse 10 vorgesehen oder mit diesem verbunden sein. Insbesondere die Ansteuereinheit kann drahtlos oder mittels einer Leitung mit dem Bilderzeugungselement 6 verbunden sein. Die zur Bilderzeugung notwendigen Daten können zur Ansteuereinheit entweder drahtlos oder über eine Leitung übertragen werden.
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Neben der beschriebenen Schraubverbindung mittels der Durchsteckschrauben 13 können beispielsweise in dem Gehäuse 10 zwei den Durchgangslöchern im ersten Brillenglas 2 zugeordnete Gewindedurchgangslöcher (nicht gezeigt) oder Gewindesacklöcher (nicht gezeigt) vorgesehen sein, in die entsprechende Schrauben eingeschraubt werden können. Solche Gewindesacklöcher können auch im Teilerwürfel 9 selbst vorgesehen sein. In diesem Fall wird eine formschlüssige Verbindung des Teilerwürfels 9 mit dem ersten Brillenglas hergestellt.
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Ferner ist es möglich, auch am zweiten Brillenglas 3 ein HMD-Modul, das die beispielsweise identisch zu dem HMD-Modul 5 ausgebildet sein kann, zu befestigen. In diesem Fall ist insbesondere eine dreidimensionale Darstellung durch entsprechende Erzeugung der Bilder möglich, da die Bilder für das rechte und linke Auge des Benutzers getrennt erzeugt und getrennt den beiden Augen zugeführt werden können. Hierbei ist eine exakte Fixierung besonders vorteilhaft, da nur dadurch der für eine stereoskopische Betrachtung besonders wichtige Augenabstand eingehalten werden kann.
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In 3 ist in einer perspektivischen Darstellung ein Halter 16 sowie ein Teil eines HMD-Moduls 5' (das im wesentlichen gleich zu dem HMD-Modul 5 von 1 ausgebildet sein kann und bei dem gleiche Elemente im Vergleich mit dem HMD-Modul 5 mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind) mit einem am Gehäuse 10 befestigten Haltergegenstück 17 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung gezeigt.
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Der Halter 16 umfaßt einen Befestigungssteg 18 mit zwei Durchgangslöchern 19, 20, die in gleicher Weise wie bei der Ausführungsform von 1 und 2 zwei Durchgangsbohrungen im ersten Brillenglas 2 zugeordnet sind. Somit kann der Halter 16 an dem ersten Brillenglas 2 festgeschraubt werden (wie bei der Ausführungsform von 1 und 2), so daß eine formschlüssige Verbindung vorliegt. Der Befestigungssteg 18 kann der Krümmung des ersten Brillenglases 2 so angepaßt sein, daß er im montierten Zustand am ersten Brillenglas 2 anliegt.
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An der dem ersten Brillenglas 2 abgewandten Seite des Befestigungsstegs 18 (im montierten Zustand des Halters 16) ist ein T-förmiges Führungselement 21 befestigt. Das Führungselement 21 weist einen Mittelsteg 22, der mit dem Befestigungssteg 18 verbunden ist, sowie einen Quersteg 23 auf.
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Das am Gehäuse 10 befestigte Haltergegenstück 17 umfaßt eine T-Nut 24, die so ausgebildet ist, daß das Haltergegenstück 17 von oben auf das Führungselement 21 aufgesetzt und dann nach unten geschoben werden kann, wobei die beiden freien Schenkel 25, 26 des Haltergegenstücks 17 den Quersteg 23 des Führungselements 21 beidseitig hintergreifen.
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Ferner ist in der T-Nut 24 des Haltergegenstücks 17 ein Anschlagelement 27 vorgesehen, das im verbundenen Zustand auf der oberen Endfläche 28 des Führungselements 21 aufliegt. Damit ist eine lösbare (formschlüssige) Verbindung zwischen dem Halter 16 und dem Gehäuse 10 vorgesehen, so daß das HMD-Modul 5' nach Bedarf mit der Brille 1 verbunden werden kann.
