-
Die Erfindung betrifft eine Bildanzeigeeinrichtung
mit einer eine Austrittspupille aufweisenden Abbildungsoptik, die
eine für
einen Betrachter wahrnehmbare Abbildung eines Bitdes erzeugt.
-
Eine solche Bildanzeigeeinrichtung
ist beispielsweise eine sogenannte HMD-Vorrichtung (Head Mounted
Display-Vorrichtung), bei der ein Betrachter die Bildanzeigeeinrichtung
auf seinem Kopf trägt.
Beim Design einer HMD-Vorrichtung ist eine große Austrittspupille für eine unempfindliche
Justage und zur Berücksichtigung
der Augenbewegung des Betrachters wünschenswert, da dadurch in
einem weiten lateralen Bereich stets zumindest ein Teil des Lichts
in das Auge des Betrachters fällt.
Eine kleinere Austrittspupille führt
zwar zu einer deutlichen Vereinfachung des Optikdesigns, ist jedoch
nachteilig, da die Justage aufwendiger ist und da der Bewegungsbereich
für das
Auge des Betrachters, in dem er das Bild noch wahrnehmen kann, kleiner
ist.
-
Ausgehend hiervon ist es Aufgabe
der vorliegenden Erfindung, eine Bildanzeigeeinrichtung bereitzustellen,
bei der der Aufbau der Abbildungsoptik vereinfacht sein und der
Betrachter möglichst
unabhängig
von der Position seiner Augen stets das Bild wahrnehmen kann.
-
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine
Bildanzeigeeinrichtung mit einer eine Austrittspupille aufweisenden
Abbildungsoptik, die eine für einen
Betrachter wahrnehmbare Abbildung eines Bildes erzeugt, und mit
einer Pupillenoptik gelöst,
wobei die Pupillenoptik die Austrittspupille der Abbildungsoptik
räumlich
vervielfacht und/oder die Austrittspupille bewegt.
-
Durch die räumliche Vervielfachung der
Austrittspupille und/oder die Bewegung der Austrittspupille wird
erreicht, daß der
Betrachter stets das Bild wahrnehmen kann, obwohl die Austrittspupille
eine geringe Größe aufweisen
kann. Insbesondere kann die Austrittspupille nur geringfügig größer oder
sogar kleiner als die Pupille des Auges des Betrachters sein. Die
kleine Austrittspupille der Abbildungsoptik führt zu dem Vorteil, daß das Optikdesign
der Abbildungsoptik vereinfacht ist und daß ferner das Volumen und Gewicht
der Abbildungsoptik verringert werden kann. Ferner kann eine bessere
Abbildungsqualität
erreicht werden, wenn die Austrittspupille klein gewählt werden
kann.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Bildanzeigeeinrichtung
ist die Pupillenoptik der letzten strahlformenden Fläche der Abbildungsoptik
nachgeordnet. Dadurch wird sichergestellt, daß die Abbildungsoptik klein
ausgebildet sein kann. Erst ganz zum Schluß, also zwischen der Abbildungsoptik
und dem Auge des Betrachters, wird die räumliche Vervielfachung und/oder
die Bewegung der Austrittspupille erzeugt, so daß nur in diesem Bereich größere optische
Elemente notwendig sind. Die Abbildungsoptik selbst kann hingegen
für die
kleine Austrittspupille optimiert werden, was zu dem geringeren
Volumen und geringerem Gewicht der Abbildungsoptik führt.
-
Insbesondere kann die Pupillenoptik
die Austrittspupille in einer quer zur optischen Achse der Abbildungsoptik
liegenden Ebene bewegen oder vervielfachen. Dadurch kann ein größerer Bereich
durch die Austrittspupille abgedeckt werden, wodurch die Augenbewegung
des Betrachters kompensierbar ist.
-
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der
erfindungsgemäßen Bildanzeigeeinrichtung
besteht darin, daß die
Austrittspupille mittels der Pupillenoptik so bewegt wird, daß die Austrittspupille
einer Bewegung einer Pupille eines Auges des Betrachters nachgeführt wird.
Dadurch wird vorteilhaft erreicht, daß stets nahezu das gesamte
Licht durch den Betrachter wahrnehmbar ist und somit kein Helligkeitsverlust
eintritt, da die Austrittspupille durch die Nachführung immer
auf der Augenpupille liegt.
-
Insbesondere kann die Bildanzeigeeinrichtung
eine Augenpositionserfassungseinheit und eine Steuereinheit enthalten,
wobei die Augenpositionserfassungseinheit (bevorzugt laufend) die
Augenposition erfaßt
und die erfaßte
Position repräsentierende Signale
ausgibt und die Steuereinheit in Abhängigkeit der Signale die Pupillenoptik
so ansteuert, daß die
Austrittspupille der Bewegung der Augenpupille des Betrachters nachgeführt wird.
Damit wird ein Regelkreis bereitgestellt, mit dem die Nachführung sehr gut
durchgeführt
werden kann.
-
Die Pupillenoptik enthält bevorzugt
zumindest eine Aktuatoreinheit, wie z.B. einen oder mehrere Galvanometer-Ablenkspiegel.
Damit ist besonders gut und leicht die Nachführung realisierbar, wobei schon
mit zwei Spiegeln eine sehr gute Nachführung möglich ist.
-
Ferner kann bei der erfindungsgemäßen Bildanzeigeeinrichtung
die Pupillenoptik zur räumlichen Vervielfachung
der Austrittspupille zumindest ein diffraktives Element enthalten,
das bevorzugt als transmissives Element ausgebildet ist. Dies kann
beispielsweise ein Beugungsgitter, insbesondere ein Transmissionsgitter
sein. Die unterschiedlichen Beugungsordnungen bilden dabei die räumlich vervielfachten
Austrittspupillen. Wenn man zwei diffraktive Elemente (beispielsweise
zwei Transmissionsgitter) hintereinanderschaltet, kann das erste
Gitter zur Aufspaltung in die Beugungsordnungen eingesetzt werden,
während
das zweite Gitter zur Parallelisierung der einzelnen Ordnungen dient.
Dadurch wird vorteilhaft erreicht, daß die entsprechenden zu den
einzelnen räumlich
vervielfachten Austrittspupillen gehörenden optischen Strahlen zueinander
parallel sind, so daß keine
Doppelbilder wahrnehmbar sind. Dies wäre der Fall, wenn die einzelnen
Strahlen nicht parallel versetzt, sondern zueinander verkippt wären. Des
weiteren kann durch die Verwendung von zwei Gittern eine Konstanthaltung
des Beugungswirkungsgrades über
den gesamten Spektralbereich erreicht werden.
-
Ferner kann bei der erfindungsgemäßen Bildanzeigeeinrichtung
die Pupillenoptik zur räumlichen Vervielfachung
der Austrittspupille zumindest ein doppelbrechendes Element aufweisen.
Es können auch
mehrere doppelbrechende Elemente hintereinander geschaltet werden.
Pro doppelbrechendes Element kann eine Verdoppelung der Anzahl der Austrittspupillen
erreicht werden. Bei der Verwendung von doppelbrechenden Elementen
ist es besonders vorteilhaft, daß diese leicht so ausgerichtet werden
können,
daß der
ordentliche Strahl und der außerordentliche
Strahl parallel zueinander versetzt sind.
-
Es ist weiterhin möglich, daß das diffraktive Element
und/oder das doppelbrechende Element zur Bewegung der Austrittspupille
gedreht werden, wobei diese Drehung bevorzugt um die optische Achse der
Abbildungsoptik erfolgt. Damit wird ein größerer Bereich mit den räumlich vervielfachten
Austrittspupillen überstrichen,
so daß auch
große
Bewegungen des Auges des Betrachter nicht dazu führen, daß dieser kein Bild mehr sieht.
Insbesondere ist es auch möglich,
die Größe der Austrittspupille
der Abbildungsoptik kleiner als die Größe der Pupille des Auges des
Betrachters zu wählen,
da aufgrund der räumlichen
Vervielfachung und der Bewegung ein größerer (Gesamt)Bereich abgedeckt
werden kann.
-
Auch kann bei der erfindungsgemäßen Bildanzeigeeinrichtung
die Pupillenoptik zur Bewegung der Austrittspupille ein rotierendes
strahlversetzendes Element enthalten, wie beispielsweise eine oder mehrere
schräggestellte
planparallele Platte. Mit diesem optischen Element ist eine besonders
einfache Verwirklichung der Bewegung der Austrittspupille möglich.
-
In einer bevorzugten Ausgestaltung
der erfindungsgemäßen Bildanzeigeeinrichtung
bewirkt die Pupillenoptik eine räumliche
Vervielfachung der Austrittspupille derart, daß die entsprechenden Strahlen der
einzelnen Austrittspupillen zueinander parallel sind. Dies führt zu dem
Vorteil, daß der
Betrachter keine Doppelbilder sieht, wie dies im Falle einer Verkippung
der einzelnen Strahlen zueinander wäre.
-
Ferner kann bei der erfindungsgemäßen Bildanzeigeeinrichtung
die Pupillenoptik eine räumliche Vervielfachung
der Austrittspupille derart bewirken, daß die einzelnen Austrittspupillen
einen zusammenhängenden
Bereich überdecken.
Dies ist besonders vorteilhaft um sicherzustellen, daß der Betrachter stets
das Bild wahrnehmen kann.
-
Die Pupillenoptik kann insbesondere
so ausgebildet sein, daß sich
bei der räumlichen
Vervielfachung und/oder der Bewegung der Austrittspupille eine gleichförmige Helligkeitsverteilung
pro Fläche (über die
Zeit gemittelt) ergibt. Es ist also z.B. bei einem Pupillenversatz
mit dem vollen Durchmesser ein Anschluß der versetzten an die nicht
versetzte Pupille gegeben. Die Verweilzeit kann dabei so gesteuert werden,
daß sich
für den
Beobachter innerhalb der neuen vergrößerten Pupille homogene Helligkeitsverhältnisse
ergeben.
-
Die Pupillenoptik kann beispielsweise
einen oder mehrere Ablenkspiegel enthalten, die die Austrittspupille
vervielfältigen
und/oder bewegen, indem mit einem Scanraster die neue größere virtuelle
Austrittspupille nachgebildet wird. Dies kann z.B. mit einem spiralförmigen Scan
(bzw. Ablenkung) oder mit einem zellenförmigen oder zeilenförmigen Scan
erfolgen.
-
Die Ablenkspiegel können einen
Piezo-Antrieb aufweisen oder als Galvanometer-Spiegel und/oder als
elektrostatisch auslenkbare Spiegel ausgebildet sein.
-
Die erfindungsgemäße Bildanzeigeeinrichtung ist
besonders vorteilhaft in den Fällen,
in denen sie mit dem Auge eines Betrachters zusammen zum subjektiven
Gebrauch dient, wie dies beispielsweise bei HMD-Vorrichtungen, Mikroskopen,
Ferngläsern und
Teleskopen der Fall ist.
-
Insbesondere kann die Bildanzeigeeinrichtung
als HMD-Vorrichtung, Mikroskop, Fernglas oder Teleskop ausgebildet
sein. Wenn sie als HMD-Vorrichtung ausgebildet ist, enthält sie noch
insbesondere ein (bevorzugt elektrisch) ansteuerbares Bilderzeugungsmodul.
Das Bilderzeugungsmodul kann eine selbstleuchtende Anzeige, wie
z.B. eine transmissive oder reflexive LCD-Anzeige oder eine LED-Anzeige,
oder beispielsweise eine nicht-selbstleuchtende Anzeige sein. Insbesondere
kann das Bilderzeugungsmodul als ein sogenanntes (räumliches) Lichtventil
ausgebildet sein, wie z.B. eine Kippspiegelmatrix mit einer Vielzahl
von in Zeilen und Spalten angeordneten und einzeln ansteuerbaren
Kippspiegeln, wie sie von Texas Instruments hergestellt und geliefert
wird.
-
Die HMD-Vorrichtung kann dabei so
ausgebildet sein, daß der
Betrachter nur noch das erzeugte und abgebildete Bild sieht oder
daß er
eine Überlagerung
des erzeugten und abgebildeten Bildes mit der Umgebung wahrnimmt
(sogenannte augmentierte Realität).
-
Die Erfindung wird nachfolgend anhand
der Zeichnungen im Prinzip beispielshalber noch näher erläutert. Es
zeigen:
-
1 eine
schematische Ansicht einer Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Bildanzeigeeinrichtung;
-
2 schematisch
die Lage der Austrittspupillen der Abbildungsoptik von 1 , in der Pupillenebene;
-
3 schematisch
die Lage der Austrittspupillen in der Pupillenebene in einer weiteren
Ausführungsform;
-
4 schematisch
die Lage der Austrittspupillen gemäß einer weiteren Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Bildanzeigeeinrichtung;
-
5 schematisch
eine Ansicht einer weiteren Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Bildanzeigeeinrichtung;
-
6 schematisch
die Lage der Austrittspupille in der Pupillenebene der Bildanzeigeeinrichtung von 5, und
-
7 schematisch
eine weitere Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Bildanzeigeeinrichtung.
-
Wie am besten aus 1 ersichtlich ist, umfaßt bei einer
Ausführungsform
die erfindungsgemäße Bildanzeigeeinrichtung
ein Bilderzeugungsmodul 1 (z.B. ein transmissives oder
reflexives LCD-Modul), das mittels einer Steuereinheit 2 zur
Bilderzeugung ansteuerbar ist. Weiterhin ist eine Abbildungsoptik 3 (in 1 ist schematisch nur eine
Linse eingezeichnet, die Abbildungsoptik 3 umfaßt jedoch
in der Regel mehrere optische Elemente, die refraktiv, reflexiv und/oder
diffraktiv wirken können)
vorgesehen, die eine Abbildung des mittels des Bilderzeugungsmoduls 1 erzeugten
Bildes derart bewirkt, daß ein
Betrachter (durch das schematisch eingezeichnete Auge A repräsentiert)
das Bild im Unendlichen sieht. Anders gesagt, die von einem Bildpunkt
ausgehenden Lichtstrahlen (in 1 für den Bildpunkt
P eingezeichnet) treten als paralleles Strahlenbündel durch die Austrittspupille 4 der
Abbildungsoptik 3.
-
Die Bildanzeigeeinrichtung umfaßt ferner eine
Puppillenoptik 5, die in dem in 1 gezeigten Beispiel mittels einem doppelbrechenden
Element (z.B. aus Kalkspat oder Quarz) verwirklicht ist. Das doppelbrechende
Element 5 ist zwischen dem Auge A des Betrachters und der
Abbildungsoptik 3 und ist daher der letzten strahlformenden
Fläche
F der Abbildungsoptik 3 nachgeordnet. Die Ausrichtung des doppelbrechenden
Elements 5 ist so gewählt,
daß jeweils
die von einem Bildpunkt ausgehenden Lichtstrahlen 61, 62 in
die ordentlichen Strahlen 61A,
62A und die dazu
parallel versetzten außerordentlichen Strahlen 61B, 62B aufgeteilt
werden, wie dies für
den Bildpunkt P des abzubildenden Bildes in 1 schematisch eingezeichnet ist.
-
Der Parallelversatz bedingt nun,
daß die
Abbildungsoptik 3 neben ihrer ursprünglichen Austrittspupille 4 eine
räumlich
versetzte weitere Austrittspupille 8 aufweist. In 1 ist die räumlich versetzte Austrittspupille 8 nur
zur besseren Darstellbarkeit neben der ursprünglichen Austrittspupille 4 eingezeichnet.
Tatsächlich
liegen beide Austrittspupillen 4 und 8 in der
gleichen Ebene E, die senkrecht zur optischen Achse OA der Abbildungsoptik 3 ist.
-
In 2 ist
die Lage der beiden Austrittspupillen 4 und 8 in
der Ebene E dargestellt. Wie sich aus dieser Darstellung ergibt,
ist die für
den Betrachter wahrnehmbare Austrittspupille größer als die einzelnen Austrittspupillen 4 und 8,
so daß in
vorteilhafter Weise die Abbildungsoptik 3 für die kleine
Austrittspupille 4 ausgelegt werden kann, wodurch das Optikdesign
vereinfacht ist und das Gewicht und Volumen der Abbildungsoptik 3 verringert
werden kann. Für
den Betrachter weist jedoch die Bildanzeigeeinrichtung eine größere Austrittspupille
auf, nämlich
die Kombination der beiden Austrittspupillen 4 und 8.
-
Eine weitere Vergrößerung der
durch den Betrachter wahrnehmbaren Austrittspupille kann dadurch
erreicht werden, daß das
doppelberechende Element 5 um die optische Achse OA der
Abbildungsoptik 3 rotiert wird. Dies führt dazu, wie in 3 durch den Pfeil B angedeutet
ist, daß die
zweite Austrittspupille 8 in der Ebene eine kreisförmige Bewegung
durchführt
und dabei die erste Austrittspupille 4 teilweise umkreist.
Wenn die Rotation des doppelbrechenden Elements 5 schnell
genug durchgeführt
wird, daß der
Betrachter die dadurch bedingte Bewegung der Austrittspupille 8 nicht
mehr wahrnehmen kann, wird eine deutlich größere scheinbare Austrittspupille 9 erzeugt.
-
Zur Durchführung der Rotation des doppelbrechenden
Elementes 5 kann dieses beispielsweise in einer drehbaren
Fassung (nicht gezeigt) gehaltert sein, wobei die Fassung zur Rotation
des doppelbrechenden Elementes 5 in Drehung versetzt wird.
Dies kann unter Steuerung der Steuereinheit 2 durchgeführt werden.
-
In einer weiteren Ausgestaltung der
Ausführungsform
von 1, kann ein weiteres
doppelbrechendes Element (nicht gezeigt) dem doppelbrechenden Element 5 so
nachgeschaltet werden, daß die
Abbildungsoptik 3 insgesamt vier Austrittspupillen 4, 8, 10, 11 aufweist,
wie in 4 dargestellt
ist.
-
In 5 ist
eine weitere Ausführungsform der
Bildanzeigeeinrichtung dargestellt, wobei sich die Ausführungsform
von 5 von der von 1 nur darin unterscheidet,
daß statt
des doppelbrechenden Elementes 5 eine um die optische Achse
OA drehbare und schräg
zu dieser ausgerichtete planparallele Platte 12 vorgesehen
ist. Die planparallele Platte 12, die unter einem Winkel
von ungleich 90° zur
optischen Achse OA schräggestellt
ist, bewirkt einen Strahlversatz, wie schematisch in 5 eingezeichnet ist. Die
Drehung der planparallelen Platte 12 führt zu einer kreisförmigen Bewegung
der Austrittspupille 4 in der Pupillenebene E (durch Pfeil
C in 6 angedeutet).
Wenn die Drehung der planparallelen Platte 12 schnell genug
durchgeführt
wird, nimmt der Betrachter die Bewegung der Austrittspupille 4 nicht mehr
wahr. Dem Betrachter wird dann eine virtuell größere Austrittspupille 13 vorgetäuscht.
-
In 7 ist
eine weitere Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Bildanzeigeeinrichtung
gezeigt, die in gleicher Weise wie bei der Ausführungsform von 1 ein Bilderzeugungsmodul 1,
das zur Erzeugung von Bildern mittels einer Steuereinheit 2 angesteuert
wird, eine Abbildungsoptik 3 sowie eine Pupillenoptik 5 umfaßt. Im Unterschied
zu den bisherigen Ausführungsformen
enthält
die Pupillenoptik 5 zwei Galvanometer-Ablenkspiegel 14, 15,
deren Spiegelflächen
zueinander parallel stehen und deren Drehstellung mittels der Steuereinheit 2 eingestellt wird.
-
Ferner enthält die Bildanzeigeeinrichtung eine
Sensoreinheit 16, die die Lage der Pupille des Auges A
des Betrachters laufend erfaßt.
Eine solche Sensoreinheit 16 kann beispielsweise wie ein
sogenannter Eye-Tracker bei einer HMD-Vorrichtung ausgebildet sein.
-
Die Sensoreinheit 16 erfaßt laufend
die Position der Augenpupille des Auges A des Betrachters und gibt
entsprechende Signale an die Steuereinheit 2, die in Abhängigkeit
der von der Sensoreinheit 16 empfangenen Signale die Galvanometer-Ablenkspiegel 14 und 15 so
ansteuert, daß die
Austrittspupille 4 der Abbildungsoptik 3 der Augenpupille
des Auges A des Beobachters nachgeführt wird. Die Austrittspupille 4 der
Abbildungsoptik 3 wandert somit mit der Augenpupille mit.
Die Bildanzeigeeinrichtung enthält
somit einen Regelkreis, welcher die Austrittspupille 4 der
Abbildungsoptik 3 stets der Pupillenlage des Auges A nachführt. Da
die Pupillenoptik 5 der letzten strahlformenden Fläche F der
Abbildungsoptik 3 nachgeordnet ist, wird mittels der Pupillenoptik 5 zwar
die Pupillenlage der Austrittspupille 4 beeinflußt, nicht
jedoch die Lage des abzubildenden Bildes des Bilderzeugungsmoduls 1.
-
Ein besonderer Vorteil dieser Ausführungsform
besteht darin, daß fast
kein Helligkeitsverlust eintritt, da die Austrittspupille 4 der
Abbildungsoptik 3 nur geringfügig größer als die Pupille des Auges
A gewählt
werden muß und
daher fast das gesamte Licht des abgebildeten Bildes vom Betrachter
wahrgenommen wird.
-
Bei den beschriebenen Ausführungsformen liegt
bzw. liegen die Austrittspupille(n) 4, 8, 10 und 11 der
Abbildungsoptik 3 bevorzugt in oder nahe an der Augenpupille
des Auges A des Betrachters, wenn dieser die Bildanzeigeeinrichtung
bestimmungsgemäß nutzt.