EP1582056A1 - Vorsatzlinse zum betrachten eines video- oder computerbildschirms - Google Patents

Vorsatzlinse zum betrachten eines video- oder computerbildschirms

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Publication number
EP1582056A1
EP1582056A1 EP03813058A EP03813058A EP1582056A1 EP 1582056 A1 EP1582056 A1 EP 1582056A1 EP 03813058 A EP03813058 A EP 03813058A EP 03813058 A EP03813058 A EP 03813058A EP 1582056 A1 EP1582056 A1 EP 1582056A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
lens
viewing
radius
screen
curvature
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP03813058A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Walter Meier
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Granite Trading Ltd
Original Assignee
Granite Trading Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Granite Trading Ltd filed Critical Granite Trading Ltd
Publication of EP1582056A1 publication Critical patent/EP1582056A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N5/00—Details of television systems
    • H04N5/72—Modifying the appearance of television pictures by optical filters or diffusing screens
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B25/00—Eyepieces; Magnifying glasses
    • G02B25/002—Magnifying glasses
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F1/00—Details not covered by groups G06F3/00 - G06F13/00 and G06F21/00
    • G06F1/16—Constructional details or arrangements
    • G06F1/1601—Constructional details related to the housing of computer displays, e.g. of CRT monitors, of flat displays
    • G06F1/1607—Arrangements to support accessories mechanically attached to the display housing
    • G06F1/1609—Arrangements to support accessories mechanically attached to the display housing to support filters or lenses

Definitions

  • the invention relates to the field of visual aids for viewing screens. It relates to a device for viewing a screen according to the preamble of patent claim 1.
  • Such a device is known for example from US 6,417,894. It describes an attachment lens that is attached to a computer screen by means of a holding arm and is provided for an eye relief of 5 cm to 20 cm in front of the lens. As a result, an apparent image distance of infinity can be achieved, which is intended to facilitate the accommodation of the eyes for long-sighted users.
  • a number of ergonomic and work physiological problems remain.
  • the optically effective diameter of the device is relatively large, binocular viewing of the entire screen is possible. By bundling the light coming from the screen, the image appears brighter to the user.
  • the image distance i.e. the distance below which the viewed object or screen appears to the viewer is greater. This reduces the strain on his eyes from the accommodation.
  • the image distance can be chosen up to infinity, but it has been shown that a certain residual accommodation is advantageous.
  • the image distance should preferably not be closer than a "clear visual range" of a viewer.
  • the smallest clear visual range for young people can be up to 25 cm, increases with increasing age up to approx. Im.
  • a clear visual range of 0.5 m to is advantageous 2 m, according to normal viewing habits.
  • the optical medium preferably has a focal length f between 650 mm and 2,000 mm. Due to the large focal length, a large-area lens with sufficient magnification can also be made comparatively thin.
  • This selection corresponds to an optimum in size and weight of the visual medium, in particular a single lens, with which even with large ones Screens close distances between viewer, lens and screen are possible. Even in tight spaces, the screen appears completely and at a comfortable distance, so that only a little accommodation is necessary.
  • the lens or a lens system is optimized for a viewing point on the optical axis or lens axis. This is correct for half a pair of double binoculars or for a --_- . • .. _- j ⁇ g L U p e . Binocular vision through a large lens meets your requirements. Conventional lenses or magnifying glasses require a precise arrangement of the lens, eyes and object when used with two eyes, and even then have only a small usable area in which chromatic distortions and image distortions are reasonable.
  • the type of parameterization according to the invention is done by simulating the mapping of object points onto perceived pixels. It is based on a perception by the eyes that lie away from the lens axis, and the imaging is carried out for different color components of an object point. In particular, the coma effect and the chromatic aberration and the lens smear object points, that is, they are imaged on different image points. So the image becomes slightly out of focus.
  • the parameterization according to the invention is found by systematically varying the lens parameters until there is an even distribution of the blurriness over the entire image.
  • Preferred parameters of a single lens that result from this optimization are: focal length between 1000 mm and 1200 mm, eye distance from the lens between 300 mm and 600 mm, and distance from object to lens between 300 mm and 500 mm.
  • a radius of an inner lens surface is preferably between 300 mm to 10000 mm, in particular between 450 mm and 700 mm, and a radius of an outer lens surface is preferably between -600 mm and -10000 mm, in particular between 1'200 mm and -lO'OOO mm.
  • a radius of the inner lens surface is preferably between 300 mm to 10000 mm, in particular between 450 mm and 700 mm, and a radius of the outer, concave lens surface is preferably between 10000 mm and 10000 mm , in particular between 4,000 mm and 6,000 mm.
  • the lens is advantageously made of plastic, in particular PMMA (polymethyl methacrylate) or CR39.
  • CR39 is commonly used to manufacture plastic eyeglass lenses.
  • the visual medium has a system of several lenses. These are preferably positively connected to one another. Further preferred embodiments emerge from the dependent patent claims.
  • Figure 1 is a schematic representation of a beam path in an optical
  • FIG. 2 shows a schematic illustration of a beam path in an optical device according to the invention
  • Hgur ⁇ a view of a first embodiment of a device according to the invention
  • FIG. 4 shows a view of a second embodiment of a device according to the invention.
  • FIG. 1 shows a schematic to explain the basic optical terms
  • a lens 1, an object 2 and an eye 4 of a viewer are shown in each case drawn in dashed lines and lined up along a lens axis 6 or optical axis.
  • Eye distance a is equal to the distance of the eye 4 from the lens 1, more precisely from an appropriately defined lens center
  • an object distance g is equal to a distance of the object distance g from the lens 1.
  • a part of the object 2 is represented representatively as an arrow in bold. Without a lens, it would appear to the viewer at an angle ⁇ and at a distance a + g. Due to the effect of lens 1, it appears to the viewer as a virtual image 3 enlarged at an angle ⁇ and at a distance a + b, where b is an image distance from lens 1.
  • the mapping is through the equation
  • the eye 4 sees the object 2 through the lens 1 at the larger angle ⁇ than without lens 1 at the angle ⁇ .
  • a magnification vs is accordingly defined by an angular ratio
  • magnification vs is smaller than the theoretical magnification vt.
  • values of c between 0.2 and 0.6 and values of e between 0.3 and 0.7 are preferably selected. These allow a focal length f of 0.8 m to 2 m.
  • Figure 2 shows a schematic representation of a beam path in an optical system according to the invention.
  • object 2 and " ,, J" " ⁇ ! _, I ⁇ ' ⁇ ; whole are drawn in, but only the corresponding repraseniauven rieile.
  • a beam path between an object point 21 at the end of the arrow head in the plane of object 2 and one Eye 4 is schematically drawn in. Both eyes 4 simultaneously view object point 21 and see it as image point 31 through large-area lens 1. Eyes 4 are each spaced from the lens axis 6 by half a center-to-center distance ya.
  • the lens is not optimized for a single eye on the lens axis 6, but for the two spaced-apart eyes 4.
  • a corresponding perceived image point 31 is determined, specifically for different spectral components of that starting from the object point 21 light.
  • a boundary value problem is solved in order to determine the beam path from object point 21 to eye 4. The law of refraction on the surfaces of the lens 1, that is, on an inner lens surface 11 and on an outer lens surface 12.
  • Entry angle ⁇ i and exit angle ⁇ 2 of a beam corresponding to the determined beam path are outside angles. It applies
  • a white object point 21 is thus perceived as a smeared or recorded image point 31.
  • An optimum is found in the following way so that the blurring: This blurring or distortion of the image point 31 is determined for several, for example for 28 object points 21, which are regularly distributed over a quadrant of the entire surface or the plane of the object 2.
  • the mapping is, for example Eight blue, green and red beams each determined.
  • the mean square of the error of the deviations is summed for each point as a measure of the deviation.
  • the errors are summed up over all points and for both eyes, i.e. for a total of 56 points.
  • the fuzziness is assessed empirically.
  • the radius rl of the inner lens surface 11 and the radius r2 of the outer lens surface 12 are systematically varied until, as an optimum, a uniform and overall minimal distribution of the blurring over all the object points 21 under consideration, i.e. over the entire image, and for both Eyes 4 is found.
  • the lens 1 is optimized for viewing the entire object 2 with both eyes 4. If necessary, this variation of the radii is repeated for other focal lengths f and corresponding object distances g and image distances b.
  • the radius rl of the inner lens surface 11 is smaller than the radius rz of the outer lens surface 12. As a result, distortions are smaller than in the opposite case.
  • Negative values of r2 correspond to a biconvex lens
  • positive values of r2 correspond to a concave-convex lens.
  • Values of the radii approximately equal to the specified values are preferred.
  • a variation of the radii from approx. 10% to 20% around the given values still leads to good results.
  • Plano-convex lenses can also be used instead of the lenses with large r2, for example -100,000 mm.
  • the focal length f is preferably at least about 600, 650 or 700 mm, so that a greater magnification is possible without distortions that would occur at small focal lengths f.
  • the focal length f is preferably at most 2000 mm, there for larger values for one reasonable distance g the resulting enlargement is not sufficient.
  • Preferred focal lengths are therefore in the range from 800 mm to 1500 mm.
  • the object distance g is preferably between 160 mm and 1500 mm, in particular between 200 mm and 800 mm. Smaller values of up to 30 mm, for example, are also possible, but with a correspondingly small gain.
  • the eye relief a is preferably 100 mm to 1500 mm, in particular 205 mm to 1400 mm.
  • the diameter of the lens 1 is preferably greater than 250 mm, in particular it is greater than or equal to 380 mm and less than 1000 mm.
  • the lens is plano-convex, with r of approximately 380 mm and a radius of curvature of the convex opening between: -> -) 0 mm and 640 mm, in particular 585 mm and 605 mm, and preferably at least approximately 594 mm ,
  • the lenses according to the described embodiments of the invention are preferably non-reflective on one or both sides.
  • the anti-reflecting is done by applying one or more optically active layers in a vapor deposition or immersion process, or by gluing an anti-reflective film or an anti-reflective laminate.
  • a laminate with a thickness of, for example, approximately 0.2 mm is generally of a multi-layer construction and is harder and stiffer than a film, that is to say it is not extensible, the laminate is preferably adhered to the flat side of a plano-convex lens.
  • FIG. 3 shows a front view of a first embodiment of a viewing device 5 according to the invention. It has a round lens 1 a diameter of 380 mm, consists of the material PMMA (polymethyl methacrylate), and has a weight of about 1.3 kg. In this example, the lens is biconvex and has two different radii of curvature to minimize the aberrations.
  • the viewing device 5 has an adjustable holding arm 53 for positioning the lens 1 in front of a screen, in particular a computer screen.
  • the holding arm 53 can be attached to a table and preferably has five or six degrees of freedom in which the lens 1 can be moved.
  • the lens 1 can also be oval or rectangular or square.
  • FIG. 4 shows a front view of a second embodiment of a viewing device 5 according to the invention.
  • the lens 1 used is rectangular, a rectangular diagonal being essentially the same as that of the previous versions.
  • the lens 1 is attached via an optional internal or actuating device 52 to a foot 51 which can be placed on a table top.
  • the foot 51 has, for example, interchangeable elements for achieving different heights of the lens 1 above the table top.
  • the foot is in the form of a bridge, so that it can be placed on a computer keyboard, which allows a larger object distance g.
  • Such a foot can of course also be combined with a round or differently shaped lens 1.

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Abstract

Vorrichtung (5) zum Betrachten eines Bildschirms (2), aufweisend ein grossflächiges visuelles Medium (1), welches vor dem Bildschirm (2) anordenbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das visuelle Medium (2) eine Brennweite f von mindestens 615 mm aufweist. Das visuelle Medium (2) ist vorzugsweise eine grossflächige Linse (1), die für das Betrachten eines ganzen Bildschirms (2) mit beiden Augen (4) optimiert ist.

Description

VORSATZLINSE ZUM BETRACHTEN EINES VIDEO- ODER COMPUTERBILDSCHIRMS
Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Sehhilfen zur Betrachtung von Bildschirmen. Sie bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Betrachten eines Bildschirms gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
STAND DER TECHNIK
Eine derartige Vorrichtung ist beispielsweise aus US 6,417,894 bekannt. Darin wird eine Vorsatzlinse beschrieben, die mittels eines Haltearmes an einem Computerbildschirm befestigt ist und für einen Augenabstand von 5 cm bis 20 cm vor der Linse vorgesehen ist. Dadurch kann ein scheinbarer Bildabstand von unendlich erreicht werden, wodurch altersweitsichtigen Benutzern die Akkomodation der Augen erleichtert werden soll. Es bleiben jedoch etliche ergonomische und arbeitsphysiologische Probleme bestehen.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zum Betrachten eines Bildschirms der eingangs genannten Art zu schaffen, welche verbesserte Arbeitsumstände und ermüdungsfreies Sehen ermöglicht. Diese Aufgabe löst eine Vorrichtung zum Betrachten eines Bildschirms mit den Merkmalen des Patentanspruches 1.
Die Erfindung bietet die folgenden Vorteile:
Dadurch, dass das Bild dem Betrachter als Ganzes und relativ gross erscheint, führt das Betrachten zu ständigen leichten Kopibewegungen, was einer Versteifung der Nacken- und Schultermuskulatur entgegenwirkt.
Dadurch, dass ein optisch wirksamer Durchmesser der Vorrichtung relativ gross ist, ist ein binokulares Betrachten des ganzen Bildschirms möglich. Durch die Bündelung des vom Bildschirm ausgehenden Lichts erscheint das Bild dem Benutzer heller.
Durcn αie LΛipenwirkung der Vorrichtung wird der Bildabstand, d.h. der Abstand unter dem der betrachtete Gegenstand respektive Bildschirm, dem Betrachter erscheint, grösser. Dadurch verringert sich die Belastung seiner Augen durch die Akkomodation. Der Bildabstand kann bis unendlich gewählt werden, es hat sich jedoch gezeigt, dass eine gewisse Restakkommodation vorteilhaft ist. Dabei soll der Bildabstand vorzugsweise nicht näher als eine „deutliche Sehweite" eines Betrachters sein. Die kleinste deutliche Sehweite kann für junge Menschen bis 25 cm sein, vergrössert sich mit zunehmendem Alter auf bis ca. Im. Vorteilhaft ist eine deutliche Sehweite von 0.5 m bis 2 m, entsprechend normalen Sehgewohnheiten.
Vorzugsweise weist das optische Medium eine Brennweite f zwischen 650 mm und 2'000 mm auf. Durch die grosse Brennweite kann auch eine grossflächige Linse mit ausreichender Vergrösserung vergleichsweise dünn gestaltet werden.
Diese Auswahl entspricht einem Optimum an Grosse und Gewicht des visuellen Mediums, insbesondere einer Einzellinse, mit welchem auch bei grossen Bildschirmen geringe Abstände zwischen Betrachter, Linse und Bildschirm möglich sind. Auch bei engen Platzverhältnissen erscheint damit der Bildschirm vollständig und in angenehmer Distanz, so dass nur eine geringe Akkomodation notwendig ist.
Vorzugsweise werden bei Verwendung einer Einzellinse deren Parameter, insbesondere die Krümmungsradien der beiden Seiten der Linse, derart gewählt, dass für beide Augen Astigmatismus und Koma über das ganze Bild gering und ausgeglichen sind. Gleichzeitig wird durch geeignete Wahl der Brennweite im Zusammenhang mit Gegenstandsabstand und Augenabstand die Bildwölbung respektive Bildverkrümmung minimiert. Diese Art der Parametrierung der Linse weicht vom konventionellen Vorgehen ab: Konventionellerweise wird eine Linse oder ein Linsensystem für einen Betrachtungspunkt auf der optischen Achse oder Linsenachse optimiert. Dies ist für eine Hälfte eines Doppelfernglases oder für eine --_-.•.._- j^g LUpe korrekt. Das binokulare Sehen durch eine grosse Linse sieiu jeuυcit aπueie Anforderungen. Herkömmliche Linsen oder Lupen erfordern bei zweiäugiger Benutzung eine präzise Anordnung von Linse, Augen und Gegenstand, und weisen auch dann nur einen kleinen nutzbaren Bereich auf, in welchem chromatische Verzerrungen und Bildverzerrungen zumutbar sind.
Die erfindungsgemässe Art der Parametrierung geschieht durch Simulation der Abbildung von Gegenstandspunkten auf wahrgenommene Bildpunkte. Dabei wird von einer Wahrnehmung durch die Augen, die abseits der Linsenachse liegen, ausgegangen, und wird die Abbildung für verschiedene Farbanteile eines Gegenstandspunktes durchgeführt. Durch insbesondere den Koma-Effekt und die chromatische Aberration und der Linse werden Gegenstandspunkte verschmiert, d.h. auf unterschiedliche Bildpunkte abgebildet. Das Bild wird also leicht unscharf. Die. erfindungsgemässe Parametrierung wird durch eine systematische Variation der Linsenparameter gefunden, bis sich eine gleichmässige Verteilung der Unscharfe auf das ganze Bild ergibt. Bevorzugte Parameter einer Einzellinse, die sich aus dieser Optimierung ergeben, sind: Brennweite zwischen 1000 mm und 1200 mm, Augenabstand von der Linse zwischen 300 mm und 600 mm, und Abstand von Gegenstand zu Linse zwischen 300 mm und 500 mm. Für eine bikonvexe Linse beträgt ein Radius einer inneren Linsenoberfläche vorzugsweise zwischen 300 mm bis l'OOO mm, insbesondere zwischen 450 mm und 700 mm, und beträgt ein Radius einer äusseren Linsenoberfläche vorzugsweise zwischen -600 mm und -lO'OOO mm, insbesondere zwischen -1'200 mm und -lO'OOO mm. Für eine konkav -konvexe Linse beträgt ein Radius der inneren Linsenoberfläche vorzugsweise zwischen 300 mm bis l'OOO mm, insbesondere zwischen 450 mm und 700 mm, und beträgt ein Radius der äusseren, konkaven Linsenoberfläche vorzugsweise zwischen l'OOO mm und lO'OOO mm, insbesondere zwischen 4'000 mm und 6'000 mm.
1. Λ-:. .: — j . -- (timierten Ausführungsform ergibt sich ein weiterer Vorteil der jcπiπuuiig: r- euie Bildpunkte eines Röhren- oder LCD-Bildschirms werden nicht ideal vergrössert, sondern verschwimmen leicht ineinander. Der Eindruck von Pixeln verschwindet. Erstaunlicherweise wird diese Glättung des Bildes subjektiv als angenehm empfunden. Eine ideale Vergrösserung eines Bildschirms würde auch die Bildpunkte vergrössern und dadurch besser erkennbar machen. Dies ist zwar für den Theoretiker erfreulich, für den Betrachter jedoch störend, da er nicht an den einzelnen Bildpunkten, sondern am Gesamtbild interessiert ist.
Vorteilhafterweise wird die Linse aus Kunststoff, insbesondere aus PMMA (Polymethylmethacrylat) oder aus CR39 hergestellt. CR39 wird üblicherweise zur Herstellung von Kunststoffbrillengläsern verwendet.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das visuelle Medium ein System mehrerer Linsen auf. Diese sind vorzugsweise formschlüssig miteinander verbunden. Weitere bevorzugte Ausführungsformen gehen aus den abhängigen Patentansprüchen hervor.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Im folgenden wird der Erfindungsgegenstand anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen, welche in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt sind, näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines Strahlengangs in einem optischen
System; Figur 2 eine schematische Darstellung eines Strahlengangs in einem optischen smäss der Erfindung; Hgur ό eine Ansicht einer ersten Ausführungsform einer Vorrichtung gemäss der Erfindung; und Figur 4 eine Ansicht einer zweiten Ausführungsform einer Vorrichtung gemäss der Erfindung.
Die in den Zeichnungen verwendeten Bezugszeichen und deren Bedeutung sind in der Bezugszeichenliste zusammengefasst aufgelistet. Grundsätzlich sind in den Figuren gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Figur 1 zeigt zur Erklärung der optischen Grundbegriffe eine schematische
Darstellung eines Strahlengangs in einem optischen System. Jeweils gestrichelt gezeichnet sind eine Linse 1, ein Gegenstand 2 und ein Auge 4 eines Betrachters entlang einer Linsenachse 6 oder optischen Achse aufgereiht dargestellt. Ein Augenabstand a ist gleich dem Abstand des Auges 4 von der Linse 1, genauer gesagt von einer zweckmässig definierten Linsenmitte, und ein Gegenstandsabstand g ist gleich einem Abstand des Gegenstandsabstands g von der Linse 1. Ein Teil des Gegenstands 2 ist repräsentativ als fettgedruckter Pfeil dargestellt. Ohne Linse würde er dem Betrachter unter einem Winkel α und in einem Abstand a+g erscheinen. Durch die Wirkung der Linse 1 erscheint er dem Betrachter als virtuelles Bild 3 vergrössert unter einem Winkel ß und in einem Abstand a+b, wobei b ein Bildabstand von der Linse 1 ist. Die Abbildung wird durch die Gleichung
f ~ b g zusammengefasst, wobei f die Brennweite der Linse 1 ist und der Gegenstandsabstand g konventionsgemäss ein negatives Vorzeichen hat. Ein Grössenverhältnis von Bild 3 zu Gegenstand 2 wird als theoretische Vergrösserung ' " ' 1t also
Vt = D/ g= I /( f+g) Das Auge 4 sieht den Gegenstand 2 durch die Linse 1 unter dem grösseren Winkel ß als ohne Linse 1 unter dem Winkel α. Eine gesehene Vergrösserung vs ist dementsprechend definiert durch ein Winkelverhältnis
v.s = tan(g)/tan(yg) = & (f + | . g(b + a)
Bei einer positiven Linse ist die gesehene Vergrösserung vs kleiner als die theoretische Vergrösserung vt.
Bezieht man Bildabstand b und Gegenstandsabstand g auf die Brennweite f , so erhält man bezogene Grossen c = g / f und e = a / f mit denen die gesehene Vergrösserung vs ausgedrückt werden kann als c + e vs = . c + e + eg Wird die Abhängigkeit von vs für Werte von c und e jeweils zwischen 0 und 1 aufgetragen, so wird ersichtlich, dass die gesehene Vergrösserung vs ihre stärkste Zunahme für Werte von c und e jeweils kleiner als 0.5 erreicht. Insbesondere steigt die Vergrösserung vs für Werte von e zwischen 0 und 0.5 am stärksten an, und für Werte zwischen 0.5 und 1 nur noch vergleichsweise schwach. Ein zunehmender Augenabstand a bringt dann also nur eine schwache Vergrösserungszunahme. Da bei einem Computerbildschirm der Augenabstand a vorteilhafterweise grösser als der Gegenstandsabstand g respektive Bildschirmabstand gewählt wird, werden vorzugsweise Werte von c zwischen 0.2 und 0.6 und Werte von e zwischen 0.3 und 0.7 gewählt. Diese lassen eine Brennweite f von 0.8 m bis 2 m zu.
Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Strahlengangs in einem optischen System gemäss der Erfindung. Der Übersichtlichkeit halber sind Gegenstand 2 und ",, J "" ~ ! _, i ~'~; Ganzes eingezeichnet, sondern nur die entsprechenden repraseniauven rieile. Ein Strahlengang zwischen einem Gegenstandspunkt 21 am Ende der Pfeilspitze in der Ebene des Gegenstands 2 und einem Auge 4 ist schematisch eingezeichnet. Durch die grossflächige Linse 1 betrachten beide Augen 4 gleichzeitig den Gegenstandspunkt 21 und sehen ihn als Bildpunkt 31. Die Augen 4 sind jeweils um einen halben Augenmittenabstand ya von der Linsenachse 6 beabstandet.
Im Gegensatz zur konventionellen Theorie wird die Linse nicht für ein einzelnes Auge auf der Linsenachse 6 optimiert, sondern für die zwei beabstandeten Augen 4. Ausgehend von einem Gegenstandspunkt 21 wird ein entsprechender wahrgenommener Bildpunkt 31 bestimmt, und zwar für verschiedene Spektralanteile des vom Gegenstandspunkt 21 ausgehenden Lichts. Dazu wird, ausgehend von einer, bekannten Position des Gegenstandspunkts 21 und des betrachteten Auges 4 und einer als gegeben angenommenen Linsenanordnung und -geometrie, ein Randwertproblem gelöst, um den Strahlengang von Gegenstandspunkt 21 zu Auge 4 zu bestimmen. Dabei muss das Brechungsgesetz an den Oberflächen der Linse 1, also an einer inneren Linsenoberfläche 11 und an einer äusseren Linsenoberfläche 12 erfüllt sein.
Eintrittswinkel εi und Austrittswinkel ε2 eines Strahls entsprechend dem bestimmten Strahlengang sind Aussenwinkel. Es gilt
Der Lichtstrahl erfährt die kleinste Ablenkung und damit auch die kleinsten Fehler, wenn Eintrittswinkel εi und Austrittswinkel ε2 einander gleich sind. Für eine grossflächige Linse und einen ausgedehnten Gegenstand kann diese Forderung jedoch nicht über den gesamten Bildbereich erfüllt werden. Ein Büschel von
Lichtstrahlen, das vom Gegenstandspunkt 21 ausgeht, wird durch das Auge 4 als vom Bildpunkt 31 her kommend wahrgenommen. Wegen der kleinen Öffnung der
Pupille ist ein Öffnungswinkel dieses Büschels relativ klein. Wegen Astigmatismus las Büschel nicht genau auf den Bildpunkt 31 abgebildet. Astigmatismus betrifft Strahlenbüschel, welche die Linse 1 schief durchqueren, Koma betrifft weit geöffnete Strahlenbüschel. Chromatische Fehler führen dazu, dass das Büschel je nach Farbe respektive Spektralanteilen des Büschels nicht genau im Bildpunkt 31 wahrgenommen wird; beispielsweise kommen ein grüner, ein roter und ein blauer Gegenstandspunkt 21, die sich in der Gegenstandsebene überdecken, also am gleichen Ort liegen, in der Bildebene nicht am gleichen Ort zu liegen; sie werden also an unterschiedlichen Orten liegend wahrgenommen. Mit einer Einzellinse können chromatische Fehler nicht korrigiert werden, weshalb ein Material mit kleiner Dispersion, wie beispielsweise PMMA, verwendet wird.
Ein weisser Gegenstandspunkt 21 wird also als verschmierter oder verzeichneter Bildpunkt 31 wahrgenommen. Ein Optimum wird in folgender Weise gefunden,' damit die Unscharfe : Diese-Unschärfe oder Verzeichnung des Bildpunkts 31 wird für mehrere, beispielsweise für 28 Gegenstandspunkte 21 bestimmt, welche regelmässig über einen Quadranten der ganzen Fläche respektive der Ebene des Gegenstands 2 verteilt sind. Für jeden Punkt wird die Abbildung von beispielsweise je acht blauen, grünen und roten Strahlenbündeln bestimmt. Als Mass für die Abweichung wird für jeden Punkt das mittlere Fehlerquadrat der Abweichungen summiert. Für die Optimierung werden die Fehler über alle Punkte und für beide Augen, also für total 56 Punkte summiert. Zusätzlich wird die Unscharfe empirisch bewertet. Für eine gegebene Brennweite f werden der Radius rl der inneren Linsenoberfläche 11 und der Radius r2 der äusseren Linsenoberfläche 12 systematisch variiert, bis als Optimum eine gleichmässige und insgesamt minimale Verteilung der Unscharfe über alle betrachteten Gegenstandspunkte 21, also über das ganze Bild, und für beide Augen 4 gefunden wird. Dadurch ist die Linse 1 für das Betrachten des ganzen Gegenstands 2 mit beiden Augen 4 optimiert. Gegebenenfalls wird diese Variation der Radien für andere Brennweiten f und entsprechende Gegenstandsabstände g und Bildabstände b wiederholt.
"er Radius rl der inneren Linsenoberfläche 11 kleiner als der Kadius rz αer äusseren Linsenoberfläche 12. Dadurch werden Verzerrungen kleiner als im umgekehrten Fall.
Herkömmliche Verfahren zum Linsenentwurf liefern hingegen eine optimale Abbildung nur für ein Auge auf der Linsenachse 6. Auch wird für ein relativ grosses Büschel von Lichtstrahlen, das vom Gegenstandspunkt 21 ausgeht, optimiert. Es wird eine andere Krümmung der Linse 1 respektive werden andere Radien rl und r2 als gemäss dem oben beschriebenen Verfahren ermittelt. Damit nehmen mit zunehmendem Augenmittenabstand ya von der Linsenachse 6 die verschiedenen Unscharfen und Verzerrungen zu, so dass nur ein kleiner Teil des Blickfeldes ausreichend scharf gesehen wird und tatsächlich nutzbar ist. Die unscharfen Bereiche führen zu einer Irritierung des Betrachters und anstrengenden Bewegungen beim Versuchen, einen bestimmten Bildbereich scharf zu sehen. Die Anwendung des oben beschriebenen Optimierungsverfahrens gemäss der Erfindung liefert für einen mittleren Augenmittenabstand ya von 68 mm beispielshaft die folgenden bevorzugten Werte (alle Masse in Millimeter):
Negative Werte von r2 entsprechen einer bikonvexen Linse, positive Werte von r2 einer konkav-konvexen Linse. Es werden Werte der Radien annähernd gleich den angegebenen Werten bevorzugt. Eine Variation der Radien von ca. 10% bis 20% um die angegebenen Werte führt immer noch zu guten Resultaten. Auch können anstelle der Linsen mit grossem r2, beispielsweise -lO'OOO mm, auch plankonvexe Linsen verwendet werden.
"Die Brennweite f beträgt vorzugsweise mindestens ca. 600, 650 oder 700 mm, so dass eine stärkere Vergrösserung möglich ist, ohne dass Verzerrungen, die bei kleinen Brennweiten f auftreten würden, zu gross werden. Andererseits beträgt die Brennweite f vorzugsweise höchstens 2000 mm, da für grössere Werte bei einem sinnvollen Gegenstandsabstand g die resultierende Vergrösserung nicht ausreicht. Somit liegen bevorzugte Brennweiten im Bereich von 800 mm bis 1500 mm.
Der Gegenstandsabstand g beträgt vorzugsweise zwischen 160 mm und 1500 mm, insbesondere zwischen 200 mm und 800 mm. Es sind auch kleinere Werte bis beispielsweise 30 mm möglich, jedoch mit entsprechend kleiner Verstärkung. Der Augenabstand a beträgt vorzugsweise 100 mm bis 1500 mm, insbesondere 205 mm bis 1400 mm.
Der Durchmesser der Linse 1 ist bevorzugt grösser als 250 mm, insbesondere ist er grösser oder gleich 380 mm und kleiner als 1000 mm.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Linse plankonvex, mit ' r von ca. 380 mm und einem Krümmungsradius der konvexen öeite zwiscnen :->-)0 mm und 640 mm, insbesondere 585 mm und 605 mm, und vorzugsweise mindestens annähernd 594 mm.
Die Linsen gemäss den beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung sind vorzugsweise ein- oder beidseitig entspiegelt. Das EntSpiegeln geschieht durch Aufbringen von einer oder mehreren optisch aktiven Schichten in einem Aufdamf- oder Eintauchverfahren, oder durch Aufkleben einer entspiegelnden Folie oder eines entspiegelnden Laminats.
Da ein Laminat, mit einer Dicke von beispielsweise annähernd 0.2 mm, in der Regel mehrschichtig aufgebaut ist, und im Vergleich zu einer Folie härter und steifer, also nicht stark dehnbar ist, wird das Laminat vorzugsweise auf der planen Seite einer plankonvexen Linse aufgeklebt.
Figur 3 zeigt eine Frontansicht einer ersten Ausführungsform einer Betrachtungsvorrichtung 5 gemäss der Erfindung. Sie weist eine runde Linse 1 mit einem Durchmesser von 380 mm auf, besteht aus dem Material PMMA (Polymethylmethacrylat), und weist ein Gewicht von etwa 1,3 kg auf. In diesem Beispiel ist die Linse bikonvex und weist zur Minimierung der Abbildungsfehler zwei verschiedene Krümmungsradien auf. Die Betr ach tungs orrichtung 5 weist einen verstellbaren Haltearm 53 zur Positionierung der Linse 1 vor einem Bildschirm, insbesondere einem Computerbildschirm, auf. Der Haltearm 53 ist an einem Tisch befestigbar und weist vorzugsweise fünf oder sechs Freiheitsgrade auf, in welchen die Linse 1 bewegbar ist. Die Linse 1 kann auch oval oder rechteckig oder quadratisch ausgestaltet sein.
Figur 4 zeigt eine Frontansicht einer zweiten Ausführungsform einer Betrachtungs Vorrichtung 5 gemäss der Erfindung. Die verwendete Linse 1 ist rechteckförmig, wobei eine Rechteckdiagonale im Wesentlichen gleich dem ' der bisherigen Ausführungen ist. Die Linse 1 ist über eine optionale INeige- oder Stelleinrichtung 52 an einem Fuss 51 befestigt, der auf eine Tischplatte gestellt werden kann. Der Fuss 51 weist beispielsweise austauschbare Elemente zur Erzielung unterschiedlicher Höhen der Linse 1 über der Tischplatte auf. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Fuss brückenförmig ausgebildet, so dass er über eine Computertastatur gestellt werden kann, was einen grösseren Gegenstandsabstand g erlaubt. Selbstverständlich kann ein solcher Fuss auch mit einer runden oder anders geformten Linse 1 kombiniert werden.
BEZUGSZEICHENLISTE f Brennweite 3 Bild g Gegenstandsabstand 31 Bildpunkt b Bildabstand 4 Auge a Augenabstand 5 B etrach tungs Vorrichtung
1 visuelles Medium, Linse 51 Fuss
11 innere Linsenoberfläche 52 Stelleinrichtung
12 äussere Linsenoberfläche 53 Haltearm
2 Gegenstand 54 Tisch
21 Gegenstandspunkt 6 Linsenachse

Claims

PATENTANSPRUCHE
1. Vorrichtung zum Betrachten eines Bildschirms (2), aufweisend ein grossflächiges visuelles Medium (1), welches vor dem Bildschirm (2) anordenbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das visuelle Medium (1) eine
Brennweite (f) von mindestens 615 mm aufweist.
2. Vorrichtung gemäss einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie für das Betrachten eines ganzen Bildschirms (2) mit beiden Augen (4) optimiert ist.
3. Vorrichtung gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie für einen Augenabstand (a) von mehr als 220 mm vorgesehen ist.
ϊmäss Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie für einen Augenabstand (a) von 220 mm bis 1500 mm vorgesehen ist.
5. Vorrichtung gemäss einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie für einen Gegenstandsabstand (g) von 100 mm bis 1500 mm vorgesehen ist.
6. Vorrichtung gemäss einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Brennweite (f) von 620 mm bis 2000 mm aufweist.
7. Vorrichtung gemäss einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Brennweite (f) von über 800 mm aufweist.
8. Vorrichtung gemäss einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Durchmesser von 250 mm bis 1000 mm aufweist.
9. Vorrichtung gemäss einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Durchmesser von über 370 mm aufweist.
10. Vorrichtung gemäss einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein System mehrerer Linsen aufweist.
11. Vorrichtung gemäss Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine 5 einzige Linse 1 aufweist.
12. Vorrichtung gemäss Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Linse (1) plankonvex, konkav -konvex oder bikonvex ist.
0 13. Vorrichtung gemäss Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Linse (1) bikonvex ist und einen ersten Krümmungsradius (rl) im Bereich von 300 mm bis l'OOO mm und einen zweiten Krümmungsradius (r2) im Bereich von -600 mm bis -lO'OOO mm aufweist.
^ 14 Nnrrir.htnnor premäss Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Linse (1)
.-. . ist und einen ersten Krümmungsradius (rl) im Bereich von 300 mm bis l'OOO mm und einen zweiten Krümmungsradius (r2) im Bereich von l'OOO mm bis lO'OOO mm aufweist.
0 15. Vorrichtung gemäss Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Linse (1) plankonvex ist, und einen Krümmungsradius im Bereich zwischen 550 mm und 660 mm, vorzugsweise zwischen 585 mm und 605 mm aufweist.
16. Vorrichtung gemäss einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch 5 gekennzeichnet, dass die Linse durch eine aufgeklebte Folie oder ein Laminat mindestens einseitig entspiegelt ist.
17. Vorrichtung gemäss einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Linse durch eine oder mehrere aufgedampfte oder 0 durch ein Eintauchverfahren aufgebrachte optisch aktive Schichten mindestens einseitig entspiegelt ist.
18. Norrichtung gemäss einem der vorangehenden Ansprüche, aufweisend ein Haltemittel (53; 51,52) zur Anordnung des visuellen Mediums (1) vor dem Bildschirm (2).
19. Norrichtung gemäss Anspruch 18, wobei das Haltemittel ein verstellbarer Arm (53) mit mehreren Freiheitsgraden ist, der an einem Tisch (54) befestigbar ist.
20. Norrichtung gemäss Anspruch 18, wobei das Haltemittel ein Tischständer (51) mit Mitteln (52) zur Höhenverstellung und/oder zur Neigung des visuellen Mediums (1) ist.
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