EP2862019A1 - Vorrichtung zur erzeugung eines virtuellen lichtabbilds - Google Patents

Vorrichtung zur erzeugung eines virtuellen lichtabbilds

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Publication number
EP2862019A1
EP2862019A1 EP13729643.0A EP13729643A EP2862019A1 EP 2862019 A1 EP2862019 A1 EP 2862019A1 EP 13729643 A EP13729643 A EP 13729643A EP 2862019 A1 EP2862019 A1 EP 2862019A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
retroreflector
light source
retroreflector surface
semi
transparent mirror
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Withdrawn
Application number
EP13729643.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Igor Nikitin
Martin GÖBEL
Gernot Heisenberg
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Goebbels Gernot
Original Assignee
Goebbels Gernot
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 Goebbels Gernot filed Critical Goebbels Gernot
Publication of EP2862019A1 publication Critical patent/EP2862019A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/10—Beam splitting or combining systems
    • G02B27/14—Beam splitting or combining systems operating by reflection only
    • G02B27/144—Beam splitting or combining systems operating by reflection only using partially transparent surfaces without spectral selectivity
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B30/00—Optical systems or apparatus for producing three-dimensional [3D] effects, e.g. stereoscopic images
    • G02B30/50—Optical systems or apparatus for producing three-dimensional [3D] effects, e.g. stereoscopic images the image being built up from image elements distributed over a 3D volume, e.g. voxels
    • G02B30/56—Optical systems or apparatus for producing three-dimensional [3D] effects, e.g. stereoscopic images the image being built up from image elements distributed over a 3D volume, e.g. voxels by projecting aerial or floating images
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/12—Reflex reflectors

Definitions

  • the invention relates to a device for generating a virtual
  • the device comprises a real light source, a retroreflector panel and a semi-transparent mirror.
  • the virtual light image of the real light source is generated by reflecting light rays coming from the real light source on the surface of the semi-transparent mirror, then striking the surface of the retroreflector surface, and from there returning to the semi-transparent mirror by retroreflection , Some of these rays are transmitted by the semi-transparent mirror. The rays transmitted by the semi-transparent mirror then intersect essentially at one point. In this way, a properly positioned viewer perceives a (virtual) light source that appears to be positioned at this intersection.
  • the device uses the real light source, the retroreflector surface and the semi-transparent mirror as described above.
  • the Retroreflektor-Fiambae is flat, the likewise newly formed semi-transparent mirror is arranged rotated at an angle of about 45 degrees relative to the Retroreflektor-Fi spiritse.
  • the retroreflector surface is arranged such that the light transmitted through the semi-transparent mirror of the real light source does not reach the retroreflector surface.
  • EP 0 460 873 A1 describes the device for generating a virtual light source by means of the real light source, the semi-transparent mirror and two retroreflector surfaces.
  • the just trained retroreflector surfaces are arranged at right angles to each other.
  • the semi-transparent mirror is placed between the retroreflector surfaces so that the two surfaces are positioned symmetrically with respect to the mirror.
  • the device of DE 10 2008 022 01 1 A1 is characterized by parallelism of the retroreflector surface and the semi-transparent mirror.
  • WO 83/03019 A1 shows an embodiment of the device for generating the virtual light image, in which the retroreflector surface has the shape of a section of a cylinder. This embodiment has the disadvantage that the virtual light image is superimposed by the light of the real light source as soon as a viewer looks frontally into the device.
  • Another embodiment of WO 83/03019 A1 shows a retroreflector surface that is partially curved and includes perforations through which the light behind it
  • This embodiment in turn disadvantageously has a poor light yield, which leads to a low intensity of the virtual light image.
  • the retroreflection is directional. If A is the angle (angle of incidence) between the normal in a given point
  • Retroreflector surface and the incident light beam wherein the angle A also corresponds to the angle (reflection angle) between the normal and the axis of the reflected light cone, so the opening angle of the light cone increases with increasing A. This has a blur and a reduction in brightness of the light image.
  • the present invention has the object to improve the device of the type mentioned in that the sharpness, brightness and visibility of the virtual light image can be increased.
  • Retroreflector surface for a given visibility area at least in a partial area of the area which is essential for imaging in the visibility area is defined by the fact that in each point of the partial area the pair of the reflection angle A and the optical distance D is Pareto-minimal under the Specification that the subarea of the retroreflector surface
  • a surface is referred to as a retroreflector surface if it has the property of retroreflection in substantially every subarea.
  • arrangements implemented by a single double or tripple mirror should not be regarded as retroreflector surfaces.
  • the inventive curved retroreflector surface has the particular advantage that the imaging properties of the device with respect to the sharpness, brightness and visibility of the virtual image or light image are improved by favorable choice of the distance D and the angle A in each point of the retroreflector surface can.
  • the semi-transparent mirror is such that it reflects part of the light of the real light source and transmits part of the light.
  • the arrangement of the retroreflector surface is chosen such that the light transmitted through the semi-transparent mirror of the real light source does not reach the retroreflector surface. This can be realized, for example, by positioning the retroreflector surface on the same side of the semi-transparent mirror as the real light source. In this case, the light reflected from the semi-transparent mirror of the real light source at the retroreflector surface in the direction of the semi- transparent mirror thrown back. Accordingly, the virtual image of light is generated by that portion of the reflected light transmitted by the semi-transparent mirror. According to the arrangement of the device, the transmitted portion of the reflected light no longer reaches the retroreflector surface.
  • Part of the transmitted portion of the reflected light may theoretically repeatedly reach the retroreflector surface by additional (multiple) reflection on other surfaces (for example, objects outside the device). This part is here however as
  • the quality of the virtual light image depends not only on the shape of the retroreflector surface but also on the arrangement of the retroreflector surface with respect to the real light source and the semi-transparent mirror. To avoid the disadvantages already mentioned, arising from the angular dependence of
  • an arrangement is suitable in which the retroreflector surface is positioned such that the point-to-point distance between the real
  • Light source and the retroreflector surface increases toward the semi-transparent mirror.
  • a different arrangement of the retroreflector surface and the semi-transparent mirror may be useful.
  • Retroreflector surface is based on the shape of a cone, where it is realized as a section of the cone.
  • the cone is defined by a conical tip and a cone base surface, wherein a conical surface between the conical tip and the base is stretched.
  • the shape of the retroreflector surface is essentially similar to a section of the cone sheath. The entire arrangement of the device can in this case based on the
  • the semi-transparent mirror may, for example, be arranged outside the cone in the immediate vicinity of the base surface and substantially parallel to it.
  • the real light source may suitably be located within the cone and between the apex and the
  • the retroreflector surface in the form of a
  • Conic section is curved, although any direct line of connection from the apex to the base along the retroreflector surface is straight.
  • the curvature of the retroreflector surface in this case is transverse to such a connecting line.
  • Section of the cone, wherein the retroreflector surface may have two recesses, so that the edge of the retroreflector surface coincides with the edge of the cone base in an angular range which is less than 270 degrees and less than 180 degrees.
  • Retroreflector surface can be facilitated, for example, the installation of the retroreflector surface in a cube-like housing of the device according to the invention.
  • the retroreflector surface can have a
  • Taper cut by a flattening in the region of the apex to differ, for example, to simplify the production of the retroreflector surface.
  • the retroreflector surface may also have a shape that is curved only in a plane spanned by two spatial axes or directions x, y. Towards a third space axis or direction z, which is to the two first spatial axes x, y is perpendicular, but it is not curved, but runs straight. Thus, the retroreflector surface in the xy plane has a cross section that does not change in the z direction.
  • Such a shaped retroreflector surface is preferably used in light sources whose dimensions in the x and y direction are very small (preferably less than 10%) in comparison with the expansion in the z direction.
  • the inventive shape of the retroreflector surface results from the requirement that for each point on at least a portion of the
  • Retroreflector surface is to apply that the distance D and the angle A Pareto-minimal, with the restrictive condition (boundary condition) resulting from the additional requirement that those light rays that should reach a predetermined visibility range, not from the retroreflector surface are interrupted.
  • not all of the retroreflector surface exhibits this property, but only that portion of the surface that is essential to the visual properties of the virtual image.
  • the visibility area is given by the adjacent to the virtual light image space area from which the virtual light image should be visible.
  • the visibility area can be a geometric shape in space
  • the visibility range usually depends on the expected position of the observer from whom the virtual light image is to be perceived.
  • the requirement for the shape of the retroreflector surface is required, according to which the primary rays from the real light source to the semi-transparent mirror, which should finally reach the visibility range, should not be interrupted by the retroreflector surface.
  • the distance D and the angle A are defined as suitable parameters because they are particularly relevant for the sharpness and luminosity of the virtual light image. If the vector (A, D) composed of the two parameters A and D has the property of being Pareto-minimal, this means that not both components A and D of the vector at the same time, by a certain choice of retroreflector Surface shape, can be improved, here an improvement by a
  • a reasonable choice of the function f and of the weighting factors wa and wd can depend on the reflection properties of the retroreflector surface.
  • Other forms of function f other than those mentioned may also be advantageous under given circumstances, such as for example
  • f wd * D 2 + wa * D 2 * tan 2 A, giving greater weight to the angle term wa * D 2 * tan 2 A for larger D and the tangential position of the retroreflector surface with respect to the incoming beams.
  • the size of the visibility area for example by default
  • Retroreflection on the retroreflector surface is not ideal. Rather, only part of the light rays are reflected exactly in the direction from which they come. Another part of the rays is in accordance with the usual
  • Pareto minimum vectors (A, D) To determine the amount of Pareto minimum vectors (A, D) and to select a specific form of retroreflector surface from this set one of the usual analytical and / or numerical methods of multi-criteria optimization can be used.
  • Other examples of Pareto minimum retroreflector surfaces are shown in FIGS. 8 and 9.
  • Form deviations are 10 or even 5 percent.
  • the Device may be provided with a shield, which is arranged for example in the vicinity of the real light source.
  • the shield hides the real light source such that it blocks the light path from the real light source to the semitransparent mirror for the light rays corresponding to the predetermined light source
  • Visibility area should reach, if possible not hidden, for the observer positioned at the visibility area, however, the real light source is not visible.
  • a direct beam of light, which can get from the real light source in the given visibility range is interrupted by the shield.
  • the real light source can be considered to be nearly punctiform.
  • the virtual light image could be intended to represent a lettering, an image or the like, including a
  • the real light source comprises an optical diffuser which is intended to receive the light of a
  • Lighting element such as an LED to make as homogeneous as possible.
  • a tube-like reflector with the illumination element at one end and a light scattering element at the other end can be arranged between the illumination element and the diffuser.
  • the tube-like reflector can be made of a mirror material or a diffusely reflecting material and serves to increase the output brightness and homogeneity.
  • the real light source may comprise an alpha mask, wherein the alpha mask is disposed between the illumination element and the semitransparent mirror.
  • the alpha mask has areas of high light transmission and / or areas of low light transmission.
  • the alpha mask serves to control the light coming from the lighting element in such a way that a desired light image is created. That's it For example, it is possible to give the virtual image the form of a lettering, a light signal, a pictogram or the like. For some applications of the device, such as in advertising, a visual design of the virtual light image is advantageous.
  • the device further comprises a sensor element.
  • the sensor element may suitably be arranged close to the real light source and directed in the direction of the virtual light image.
  • the sensor element is intended to respond to an object that is located spatially in the region of the virtual light image.
  • the use of a sensor element allows the device to be used as a virtual switch.
  • the sensor element may be configured such that the detection of the object causes the triggering of a trigger signal.
  • the object may be, for example, the fingertip of a finger moved in the area of the virtual light image.
  • the trigger signal may then cause, for example, a change in state of the real light source, such that, for example, the real light source emits light of a different color.
  • the trigger signal can also be a
  • the sensor element can be designed, for example, as a passive or an active sensor.
  • the passive sensor may be configured to respond to changes in the virtual light image towards the sensor emitted light intensity can react.
  • the passive sensor can be sensitive to radiation, especially in a given frequency range.
  • the active sensor has a transmitter element and a receiver element. The transmitter element and the receiver element are directed to the spatial region of the virtual light image, so that the radiation emitted by the transmitter element is located at the location of the virtual light image
  • the receiver element can then register the radiation reflected by the object in the direction of the receiver element.
  • the sensor element may comprise an absorber mask.
  • the sensor element may use infrared radiation or any other suitable type of radiation. It can be used as a photosensor,
  • Triangulationssensor or in another suitable type of sensor such as
  • Photocell or time-of-flight sensor be formed.
  • the device comprises a second retroreflector surface.
  • the second retroreflector surface is arranged such that the semi-transparent mirror is located between the real light source and the retroreflector surface.
  • Retroreflector surface serves that portion of the real
  • Reflecting light source in the direction of the semi-transparent mirror emitted light, which is transmitted by the semi-transparent mirror, and is otherwise lost for the generation of the virtual light image.
  • the light reflected back from the second retroreflector surface is partially reflected by the semi-transparent mirror and thus contributes to the generation of the virtual light image.
  • an additional improvement in the light intensity of the virtual light image can be achieved.
  • a further improvement can be achieved if the shapes of the two retroreflector surfaces are substantially equal to each other and the two Retroreflector surfaces are arranged symmetrically with respect to the semi-transparent mirror.
  • the device according to the invention comprises an object which is arranged such that it is visible together with the virtual light image from an observation position.
  • the object can be represented by an object of any shape. It can be located in the vicinity of the virtual light image, between the semi-transparent mirror and the virtual light image or between the semi-transparent mirror and the retro-reflector. Any arrangement of the object is suitable, which allows a visual interaction of the object and the virtual light image. In this way, the representation of a so-called augmented reality can be achieved. A real object is thereby superimposed by a light effect that appears surrounding it in space.
  • the device according to the invention can be provided with a haptic element.
  • a force effect is produced at the location or in the vicinity of the virtual light image, so that the
  • Object is unfolded.
  • a haptic perception of the virtual light image can be simulated.
  • the haptic element can
  • the air pump When an object approaches the location of the virtual image of light, the air pump generates a stream of air directed against the movement of the object so that a sense of relative strength can be sensed with the counterforce.
  • the invention will be explained in more detail with reference to figures 1 to 9.
  • FIG. 1 shows a schematic sketch of a device according to the invention for clarifying its mode of operation.
  • Figure 2 shows schematically incoming and outgoing light rays on a retroreflector surface, on a mirror and a semi-transparent mirror.
  • FIG. 5 shows a perspective view of an embodiment of the device according to the invention.
  • FIG. 6 shows a retroreflector surface of the device from FIG. 5.
  • FIG. 7 shows a partial view of the device according to the invention from FIG. 5.
  • Figure 8 shows in cross section a retroreflector surface in another
  • Figure 9 shows in cross-section another retroreflector surface.
  • Device 1 comprises a real light source 1 1, a retroreflector surface 12 and a semi-transparent mirror 13.
  • the light path of part of the light emitted by the real light source 1 1 is schematically represented by the beam paths or light beams 4 in the form of broken lines 4 , Accordingly, that of the light source 1 1 in the direction of the semi- transparent mirror 13 emitted light from the mirror 13 partially reflected. From there, the rays 4 reach the retroreflector surface 12.
  • the retroreflector surface 12 throws the rays 4 in the opposite direction back to the semi-transparent mirror 13. A portion of these rays is transmitted by the mirror.
  • the transmitted beams 4 intersect at one point, and thus form the location of a virtual light image 2.
  • An observer located in a visibility area 3 thus gains the impression of a light source arranged there. Assuming that the semi-transparent mirror 13 is in the horizontal, the visibility region 3 is replaced by a first, vertically extending straight line 32
  • the second straight line 33 is inclined in Figure 1 by about 60 ° to the first straight line 32 and the vertical.
  • the angle between the straight lines 32, 33 can also assume other values.
  • the first straight line 32 which is perpendicular to the (horizontal) mirror 13 in the embodiment of Figure 1, deviate from the vertical and accordingly - in the illustration of Figure 1 - be inclined to the left or right.
  • the luminosity of the virtual light image 2 is smaller than the luminosity of the real light source 11, since, among other things, a part of the light of the real light source 11, since, among other things, a part of the light of the real light source 11, since, among other things, a part of the light of the real light source 11, since, among other things, a part of the light of the real light source 11, since, among other things, a part of the light of the real light source 11, since, among other things, a part of the light of the real
  • the device 1 further comprises a shield 14 which serves to control the perception of the real light source 11 by the observer
  • FIG. 1 Before the device according to the invention of FIG. 1 is discussed in greater detail, the fundamental differences between FIG. 1 is discussed in greater detail, the fundamental differences between FIG. 1
  • Retroreflector surface, mirrors and semi-transparent mirrors are shown.
  • a retroreflector surface which is provided with the reference numeral 12 as in Figure 1, an incoming or incident light beam 42 reflected back in the direction of the light beam
  • a light beam denoted by 43 coincides with the incoming light beam 42, the directions of the light beams 42, 43 being opposite to each other.
  • Figure 2B shows the beam path according to the usual law of reflection on a mirror 5. The incident or incoming light beam 42, the outgoing or outgoing light beam
  • FIG. 43 and a normal N at the light incident point on the surface of the mirror 5 lie in a plane, wherein an angle ⁇ between incident light beam 42 and normal N corresponds to an angle ⁇ between the normal N and the outgoing light beam 43.
  • the emergent light beam 42 and the incident light beam 43 lie on different sides of the normal N.
  • Figure 2C shows the reflection on a semi-transparent mirror 13.
  • the incident light beam 42 is only partially according to the conventional reflection law reflects, so that a reflected emergent light beam 43a arises in accordance with the usual law of reflection. A certain portion of the incident light beam 42 is transmitted, resulting in a light beam 43b.
  • Incident light beam 42 and light beam 43b lie on a straight line and point in the same direction.
  • the retroreflection at the retroreflector surface 12 is the better - in the sense that a greater proportion of the reflected light can contribute to the generation of the virtual light image 2, and that generates the virtual light image 2 as sharply becomes - the smaller the distance D between a given point the
  • the retroreflector surface 12 has a curved shape. Due to the curved shape of the retroreflector surface 12, the luminosity and the Sharpness of the virtual light image 2 are improved over a flat shape.
  • the retroreflector surface 12 is arranged with respect to the real light source 1 1 and with respect to the semi-transparent mirror 13, that directly from the light source 11 coming rays, which are transmitted by the mirror 13, the retroreflector surface 12 can not reach, wherein Here further reflections and scattering of objects outside the illustrated parts of the device 1 are neglected.
  • a suitable shape of the retroreflector surface 12 may be provided by a minimum pareto-sense choice of the two sizes A and D for each point of the
  • Retroreflector surface 12 can be achieved.
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a further embodiment of the device 1.
  • the shape of the retroreflector surface 12 in Figure 3 is different from that in Figure 1. With the shape of Figure 3 results for the beam paths 4 each have a shorter distance D. Any, however, in the arrangement in Figure 3 for determining the Pareto optimal Shape of the retroreflector surface 12 of the
  • FIG. 4 shows a further exemplary embodiment of the invention
  • the device 1 shown schematically.
  • the device 1 comprises a second retroreflector surface 19, which is arranged opposite to the semi-transparent mirror 13 of the retroreflector surface 12. Furthermore, the device 1 comprises two objects 161, 162. From
  • Visibility area 3 seen from the objects 161, 162 interact with the virtual light image 2 visually to a visual overall impression.
  • the object 161 is arranged substantially next to the location of the virtual light image 2, so that the light rays of the real light source 1 1 generating the virtual light image are not disturbed by the object 161.
  • the object 162 is disposed between the semi-transparent mirror 13 and the retroreflector surface 12. Through object 162, some of the retroreflected light rays 4 from the retroreflector surface 12 are
  • Light source 11 is interrupted so that they are used to generate the virtual
  • Creating the virtual light image 2 can contribute. In this way, the reduction of the luminosity, or an interruption of the
  • FIG. 5 shows an external perspective view of an embodiment of the device 1 according to the invention.
  • the device 1 comprises the real one
  • Light source with a diffuser and an alpha mask 112 wherein in the illustration of Figure 5, only the alpha mask 112 is visible.
  • the alpha mask 112 has regions of different translucency.
  • the areas of high light transmission form a pictogram, whereby the usual circuit diagram for electronic devices is displayed.
  • the device 1 comprises the retroreflector surface 12, a box-shaped housing 18 and a cover 17.
  • the semi-transparent mirror is arranged parallel to the cover 17 and above the retroreflector surface 12, but is not visible in this illustration.
  • the device 1 comprises a sensor element, which is arranged in the illustration of Figure 5 below the cover 17 and therefore not visible, with two openings 171 in the cover 17 accesses to a
  • Transmitter element and a receiver element of the sensor element 15 are given.
  • FIG. 6 shows a perspective view of the retroreflector surface 12 of the device 1 of Figure 5.
  • the shape of the retroreflector surface 12 is defined by a section of a cone with a conical tip, a base and a spanned between the apex and the base
  • the retroreflector surface also has two
  • Recesses 124 which form subregions 125b, 125c of the rim 125.
  • the retroreflector surface forming conical section extends over an angular range of about 180 degrees.
  • the curved edge 125 and the edge of the cone base coincide on an angular range which is smaller than 180 degrees, in the illustration of Figure 5 to about 90 degrees.
  • the lines 122 and 123 drawn in FIG. 6 are intended to illustrate the course of the conical section of the retroreflector surface.
  • the connecting lines 122 between the apex 121 and the edge 125 are each defined by straight lines.
  • the retroreflector surface 12 is curved along the line 123.
  • FIG. 7 shows a perspective partial view of the invention
  • the light source 11 comprises a LED for light generation and a diffuser 111, in which case only a tube-like reflector of the diffuser is visible.
  • the sensor element 15 is arranged in the immediate vicinity of the light source 11 and comprises an aligner 151 consisting of two channels.
  • the sensor element is realized as an active IR sensor with a transmitter element and a receiver element.
  • the aligner 151 serves to direct the radiation emitted by the transmitter element of the sensor element as precisely as possible to the location of the virtual light image and correspondingly, as far as possible, to receive the radiation received by the receiver element to protect from disturbing influences.
  • FIG. 8 shows in cross section a further embodiment for a Pareto-minimal retroreflector surface 12. It is preferably used in a device, in that the real light source 11 has an elongated shape so that its length is much larger than its extension across it
  • the light source 11 extends transversely to the image plane in the image plane, ie transverse to the plane which is spanned by the axes x and y.
  • the visibility area (not shown) should be replaced by a first straight line perpendicular to the mirror 13 and be limited to the first straight line inclined by 60 ° second straight line.
  • Figure 9 shows a further proposal for the retroreflector surface 12 for the same light source 11 as in Figure 8.
  • Light source 11 and semi-transparent mirror 13 are arranged as in the embodiment of Figure 8.
  • the visibility range (not shown) of Figure 9 should now be limited by the vertical (perpendicular to the semi-transparent mirror) and a straight line inclined by 70 °.
  • the retroreflector surface 12 may have a glossy or mirror-like surface. All light rays which are reflected by the mirror-like retroreflector surface 12 in addition to the actual retroreflection according to the usual law of reflection do not reach the visibility region 3.
  • the shape of the retroreflector surface 12 may be changed by an adjustment factor, and the curves of FIGS. 8 and 9 may be used as a fabrication template for optimal retroreflector surfaces.
  • the retroreflector surface can be designed as a developable surface. It can be cut out of a flat sheet and then bent into the desired shape without any distortion. This simplifies the production of the devices according to the invention presented here. LIST OF REFERENCE NUMBERS

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zur Erzeugung eines virtuellen Lichtabbilds (2). Die Vorrichtung (1) umfasst eine reale Lichtquelle (11), eine gekrümmte Retroreflektor-Fläche (12) und einen semi-transparenten Spiegel (13). Die Retroreflektor-Fläche (12) ist dabei derart angeordnet, dass das durch den semi-transparenten Spiegel (13) transmittierte Licht der realen Lichtquelle (11) die Retroreflektor-Fläche (12) nicht erreicht. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, die Form der Retroreflektor-Fläche (12) für einen gegebenen Sichtbarkeitsbereich (3) zumindest in einem Teilbereich der Fläche (12), der für die Abbildung im Sichtbarkeitsbereich (3) wesentlich ist, dadurch festgelegt ist, dass in jedem Punkt des Teilbereichs das Paar (A, D) aus einem Reflexionswinkel A und einer optischen Distanz D zwischen diesem Punkt des Teilbereichs der Retroreflektor-Fläche (12) und dem virtuellen Lichtabbild (2) Pareto-minimal ist unter der Vorgabe, dass der Teilbereich der Retroreflektor-Fläche (12) Primärstrahlen von der realen Lichtquelle (11) zum semi-transparenten Spiegel (13) nicht unterbricht.

Description

Vorrichtung zur Erzeugung eines virtuellen Lichtabbilds
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung eines virtuellen
Lichtabbilds. Die Vorrichtung umfasst eine reale Lichtquelle, eine Retroreflektor- Fiäche und einen semi-transparenten Spiegel.
Das virtuelle Lichtabbild der realen Lichtquelle wird erzeugt, indem Lichtstrahlen von der realen Lichtquelle kommend an der Oberfläche des semi-transparenten Spiegels reflektiert werden, dann auf die Oberfläche der Retroreflektor-Fiäche treffen, und von dort aus durch Retroreflexion zurück zum semi-transparenten Spiegel gelangen. Ein Teil dieser Strahlen wird vom semi-transparenten Spiegel durchgelassen. Die vom semi-transparenten Spiegel durchgelassenen Strahlen schneiden sich anschließend im Wesentlichen in einem Punkt. Auf diese Weise nimmt ein geeignet postierter Betrachter eine scheinbar in diesem Schnittpunkt positionierte (virtuelle) Lichtquelle wahr.
Aus dem Stand der Technik sind Vorrichtungen bekannt, die das oben beschriebene Konzept umsetzen.
In der WO 82/0091 1 ist die Vorrichtung zur Erzeugung einer virtuellen
Lichtquelle der eingangs genannten Art offenbart. Die Vorrichtung verwendet dazu die reale Lichtquelle, die Retroreflektor-Fiäche und den semi- transparenten Spiegel wie oben beschrieben. Die Retroreflektor-Fiäche ist eben ausgebildet, der ebenfalls eben ausgebildete semi-transparente Spiegel ist in einem Winkel von etwa 45 Grad gegenüber der Retroreflektor-Fiäche gedreht angeordnet. Die Retroreflektor-Fiäche ist dabei derart angeordnet, dass das durch den semi-transparenten Spiegel transmittierte Licht der realen Lichtquelle die Retroreflektor-Fiäche nicht erreicht. Die EP 0 460 873 A1 beschreibt die Vorrichtung zur Erzeugung einer virtuellen Lichtquelle mittels der realen Lichtquelle, des semi-transparenten Spiegels und zwei Retroreflektor-Flächen. Die eben ausgebildeten Retroreflektor-Flächen sind rechtwinklig zueinander angeordnet. Der semi-transparente Spiegel ist zwischen den Retroreflektor-Flächen platziert, so dass die beiden Flächen symmetrisch bezüglich des Spiegels positioniert sind.
In der Schrift DE 10 2008 022 011 A1 ist eine weitere Vorrichtung zur
Erzeugung eines virtuellen Lichtabbildes beschrieben. Die Vorrichtung der DE 10 2008 022 01 1 A1 ist durch Parallelität der Retrorefiektor-Fläche und des semi-transparenten Spiegels gekennzeichnet.
Die WO 83/03019 A1 zeigt eine Ausführung der Vorrichtung zur Erzeugung des virtuellen Lichtabbildes, bei der die Retrorefiektor-Fläche die Form eines Ausschnitts eines Zylinders aufweist. Diese Ausführung hat den Nachteil, dass das virtuelle Lichtabbild vom Licht der realen Lichtquelle überlagert ist, sobald ein Betrachter frontal in die Vorrichtung schaut. Eine weitere Ausführung der WO 83/03019 A1 zeigt eine Retrorefiektor-Fläche, die bereichsweise gekrümmt ist, und die Perforierungen umfasst, durch die das Licht der dahinter
angeordneten realen Lichtquelle in Richtung des semi-transparenten Spiegels tritt. Diese Ausführung weist wiederum nachteilig eine schlechte Lichtausbeute auf, die zu einer niedrigen Intensität des virtuellen Lichtabbildes führt.
Eine weitere Vorrichtung der eingangs genannten Art mit zwei auf beiden Seiten eines Strahlenteilers angeordneten Retroreflektor-Flächen ist in der DE 691 08 609 T2 offenbart.
Die in den genannten Schriften offenbarte Flächenform und Positionierung der Retrorefiektor-Fläche zeigen Nachteile, die sich vor allem aus den
Eigenschaften retroreflektierender Materialien ergeben. Die Eigenschaft der Retroreflektoren, einfallendes Licht in diejenige Richtung zur reflektieren, aus der das Licht kommt, ist nicht ideal, so dass ein gegebener Lichtstrahl üblicherweise als Lichtkegel von der Retroreflektor-Fläche
zurückgeworfen wird. Wird mit D der Abstand (optische Distanz) zwischen einem Punkt der Retroreflektor-Fläche und dem virtuellen Lichtabbild
bezeichnet, so sinkt aufgrund dieser nicht idealen Reflexion die Schärfe des Abbildes mit wachsendem D.
Darüber hinaus ist die Retroreflexion richtungsabhängig. Wird mit A der Winkel (Einfallswinkel) zwischen der Normalen in einem gegebenen Punkt der
Retroreflektor-Fläche und dem einfallenden Lichtstrahl bezeichnet, wobei der Winkel A auch dem Winkel (Reflexionswinkel) zwischen der Normalen und der Achse des zurückgeworfenen Lichtkegels entspricht, so vergrößert sich der Öffnungswinkel des Lichtkegels mit wachsendem A. Dies hat eine Unschärfe und eine Senkung der Helligkeit des Lichtabbilds zur Folge.
Die Verwendung einer unangepassten Retroreflektor-Fläche führt zwangsläufig zur Entstehung der genannten Abbildungsverschlechterungen. Insbesondere ist die Anordnung der Retroreflektor-Fläche in einem Winkel von 45 Grad gegenüber dem semi-transparenten Spiegel auch bezüglich der Größe des Sichtbarkeitsbereiches unvorteilhaft.
Daher liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Vorrichtung der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass die Schärfe, Helligkeit und Sichtbarkeit des virtuellen Lichtabbilds erhöht werden kann.
Die gestellte Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Die Patentansprüche 2 bis 12 stellen vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung dar. Dementsprechend ist die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erzeugung eines virtuellen Lichtabbildes dadurch gekennzeichnet, dass die Form der
Retroreflektor-Fläche für einen gegebenen Sichtbarkeitsbereich zumindest in einem Teilbereich der Fläche, der für die Abbildung im Sichtbarkeitsbereich wesentlich ist, dadurch festgelegt ist, dass in jedem Punkt des Teilbereichs das Paar aus dem Reflexionswinkel A und der optischen Distanz D Pareto-minimal ist unter der Vorgabe, dass der Teilbereich der Retroreflektor-Fläche
Primärstrahlen von der realen Lichtquelle zum semi-transparenten Spiegel nicht unterbricht.
Im Sinne der vorliegenden Erfindung wird eine Fläche als Retroreflektor-Fläche bezeichnet, wenn sie im Wesentlichen in einer jeden Teilfläche die Eigenschaft der Retroreflexion aufweist. Insbesondere sollen damit durch einen einzelnen Doppel- oder Trippelspiegel realisierte Anordnungen nicht als Retroreflektor- Flächen gelten.
Die erfindungsgemäß gekrümmte Retroreflektor-Fläche weist insbesondere den Vorteil auf, dass die Abbildungseigenschaften der Vorrichtung in Bezug auf die Schärfe, Helligkeit und Sichtbarkeit der virtuellen Abbildung oder Lichtabbildes durch günstige Wahl des Abstandes D und des Winkels A in jedem Punkt der Retroreflektor-Fläche verbessert werden kann.
Der semi-transparente Spiegel ist derart beschaffen, dass er einen Teil des Lichts der realen Lichtquelle reflektiert und einen Teil des Lichts durchlässt. Erfindungsgemäß ist die Anordnung der Retroreflektor-Fläche derart gewählt, dass das durch den semi-transparenten Spiegel transmittierte Licht der realen Lichtquelle die Retroreflektor-Fläche nicht erreicht. Dies kann zum Beispiel dadurch realisiert sein, dass die Retroreflektor-Fläche auf der gleichen Seite des semi-transparenten Spiegels positioniert ist, wie die reale Lichtquelle. In diesem Fall wird das vom semi-transparenten Spiegel reflektierte Licht der realen Lichtquelle an der Retroreflektor-Fläche in Richtung des semi- transparenten Spiegels zurück geworfen. Das virtuelle Lichtabbild wird demnach von demjenigen Anteil des zurück geworfenen Lichts erzeugt, der vom semi-transparenten Spiegel durchgelassen wird. Gemäß der Anordnung der Vorrichtung erreicht der durchgelassene Anteil des zurück geworfenen Lichtes die Retroreflektor-Fläche nicht mehr.
Ein Teil des durchgelassenen Anteils des zurück geworfenen Lichts kann theoretisch durch zusätzliche (mehrfach-) Reflexion an weiteren Oberflächen (zum Beispiel Gegenständen außerhalb der Vorrichtung) die Retroreflektor- Fläche wiederholt erreichen. Dieser Teil wird hierbei jedoch als
vernachlässigbar betrachtet.
Die Güte des virtuellen Lichtabbildes, insbesondere dessen Schärfe und Helligkeit, hängt außer von der Form der Retroreflektor-Fläche auch von der Anordnung der Retroreflektor-Fläche im Bezug auf die reale Lichtquelle und den semi-transparenten Spiegel. Zur Vermeidung der bereits genannten Nachteile, die sich aus der Winkelabhängigkeit der
Retroreflexionseigenschaften der Retroreflektor-Fläche ergeben, ist
insbesondere eine Anordnung geeignet, bei der die Retroreflektor-Fläche derart positioniert ist, dass der Punkt-zu-Punkt-Abstand zwischen der realen
Lichtquelle und der Retroreflektor-Fläche zu dem semi-transparenten Spiegel hin zunimmt. Je nach Anwendung und den jeweiligen Reflexionseigenschaften des verwendeten Retroreflektors kann jedoch auch eine andere Anordnung der Retroreflektor-Fläche und des semi-transparenten Spiegels sinnvoll sein.
Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Form der
Retroreflektor-Fläche sich an der Form eines Kegels orientiert, wobei sie als Ausschnitt des Kegels realisiert ist. Dabei ist der Kegel durch eine Kegelspitze und eine Kegel-Grundfläche definiert, wobei ein Kegelmantel zwischen der Kegelspitze und der Grundfläche gespannt ist. Die Form der Retroreflektor- Fläche gleicht im Wesentlichen einem Ausschnitt des Kegelmantels. Die gesamte Anordnung der Vorrichtung kann in diesem Fall anhand des
gedachten Kegels beschrieben sein. Der semi-transparente Spiegel kann beispielsweise außerhalb des Kegels in unmittelbarer Nähe der Grundfläche und im Wesentlichen parallel zu ihr angeordnet sein. Die reale Lichtquelle kann geeignet innerhalb des Kegels und zwischen der Kegelspitze und der
Grundfläche angeordnet sein. Die Retroreflektor-Fläche in Form eines
Kegelausschnitts ist gekrümmt, obwohl jede direkte Verbindungslinie von der Kegelspitze zur Grundfläche entlang der Retroreflektor-Fläche gerade ist. Die Krümmung der Retroreflektor-Fläche verläuft in diesem Fall quer zu einer solchen Verbindungslinie. Obwohl hier die Anordnung der realen Lichtquelle innerhalb des Kegels als geeignet beschrieben ist, kann je nach Anwendung und abhängig von den Eigenschaften der Lichtquelle und des Retroreflektors eine andere Positionierung der realen Lichtquelle, zum Beispiel außerhalb des Kegels, ebenfalls als geeignet erachtet werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die Retroreflektor-Fläche im
Wesentlichen die Form eines sich über 180 bis 270 Grad erstreckenden
Ausschnitt des Kegels auf, wobei die Retroreflektor-Fläche zwei Aussparungen aufweisen kann, so dass der Rand der Retroreflektor-Fläche mit dem Rand der Kegel-Grundfläche in einem Winkelbereich übereinstimmt, der kleiner als 270 Grad bzw. kleiner als 180 Grad ist. Durch die Aussparungen an der
Retroreflektor-Fläche kann beispielsweise den Einbau der Retroreflektor-Fläche in ein kubusartiges Gehäuse der erfindungsgemäßen Vorrichtung erleichtert sein. Im Bereich der Kegelspitze kann die Retroreflektor-Fläche eine
Ausnehmung aufweisen, sie kann aber auch von der Form des
Kegelausschnitts durch eine Abflachung im Bereich der Kegelspitze abweichen, um beispielsweise die Fertigung der Retroreflektor-Fläche zu vereinfachen.
Die Retroreflektor-Fläche kann auch eine Form aufweisen, die nur in einer durch zwei Raumachsen oder Richtungen x, y aufgespannten Ebene gekrümmt ist. In Richtung einer dritten Raumachse oder Richtung z, die zu den beiden ersten Raumachsen x, y senkrecht verläuft, ist sie jedoch nicht gekrümmt, sondern verläuft geradlinig. So weist die Retroreflektor-Fläche in der x-y-Ebene einen Querschnitt auf, der sich in z-Richtung nicht ändert. Eine derartig geformte Retroreflektor-Fläche wird bevorzugt bei Lichtquellen eingesetzt, deren Ausdehnungen in x- und y-Richtung gegenüber der Ausdehnung in z- Richtung sehr klein (bevorzugt kleiner 10 %) ist.
Die erfindungsgemäße Form der Retroreflektor-Fläche ergibt sich aus der Forderung, dass für jeden Punkt auf zumindest einem Teilbereich der
Retroreflektor-Fläche gelten soll, dass die Entfernung D und der Winkel A Pareto-minimal sind, wobei die einschränkende Bedingung (Randbedingung) sich aus der zusätzlichen Forderung ergibt, dass diejenigen Lichtstrahlen, die einen vorbestimmten Sichtbarkeitsbereich erreichen sollen, nicht von der Retroreflektor-Fläche unterbrochen sind.
Gemäß einer Ausführungsform weist nicht die gesamte Retroreflektor-Fläche diese Eigenschaft aus, sondern lediglich derjenige Teilbereich der Fläche, der für die visuellen Eigenschaften des virtuellen Abbildes wesentlich ist. Das bedeutet, dass beispielsweise Randbereiche, oder der realen Lichtquelle abgewandte Bereiche der Retroreflektor-Fläche eine beliebig anders bestimmte Form haben können. Es ist aber selbstverständlich auch möglich, die gesamte Retroreflektor-Fläche mit der oben beschriebenen Eigenschaft auszustatten.
Eine möglichst gute Wahl der Form der Retroreflektor-Fläche setzt die
Bestimmung des gewünschten Sichtbarkeitsbereiches voraus, wobei der Sichtbarkeitsbereich durch den an das virtuelle Lichtabbild angrenzenden Raumbereich gegeben ist, von dem aus das virtuelle Lichtabbild sichtbar sein soll. Der Sichtbarkeitsbereich kann eine geometrische Form im Raum
aufweisen, zum Beispiel eine Konische, eine Halbkonische oder eine
Pyramidenform, wobei sich die Spitze des zugehörigen Kegels bzw. der
Pyramide im Bereich des virtuellen Lichtabbilds befindet. Es ist jedoch ebenfalls möglich, für den Sichtbarkeitsbereich eine andere Form im Raum zu
bestimmen, wenn die jeweilige Anwendung der Vorrichtung dies erfordert, insbesondere richtet sich der Sichtbarkeitsbereich üblicherweise nach der zu erwartenden Position des Betrachters, von dem das virtuelle Lichtabbild wahrgenommen werden soll. Durch die Festlegung des Sichtbarkeitsbereiches ist die Forderung an die Form der Retroreflektor-Fläche bedingt, wonach diejenigen Primärstrahlen von der realen Lichtquelle zum semi-transparenten Spiegel, die schließlich in den Sichtbarkeitsbereich gelangen sollen, von der Retroreflektor-Fläche nicht unterbrochen werden sollen.
Die Distanz D und der Winkel A sind dabei als geeignete Parameter festgelegt, weil sie für die Schärfe und die Leuchtkraft des virtuellen Lichtabbildes besonders relevant sind. Besitzt der aus den beiden Parametern A und D zusammengesetzte Vektor (A,D) die Eigenschaft, Pareto-minimal zu sein, so bedeutet das, dass nicht beide Komponenten A bzw. D des Vektors zur gleichen Zeit, durch eine bestimmte Wahl der Retroreflektor-Flächen-Form, verbessert werden können, wobei hier eine Verbesserung durch eine
Verkleinerung der Distanz D bzw. des Winkels A gegeben ist. Daher bedeutet eine optimale Wahl der Parameter, dass D und A unter den gegebenen
Einschränkungen in dem zuvor beschriebenen Sinne minimal sind. Aus der Definition des Pareto-Minimums geht hervor, dass eine Wahl zweier Pareto- minimaler Parameter A und D, und damit der Form der Retroreflektor-Fläche (in einem gegebenen Punkt der Fläche), nicht notwendigerweise die einzig mögliche ist. Vielmehr existiert für jeden Punkt der Retroreflektor-Fläche eine Menge von Vektoren (A,D), die den vorgegebenen Anforderungen (Pareto- minimal + Randbedingung) genügen. Die Auswahl einer konkreten Form der Retroreflektor-Fläche aus dieser Menge kann nach zusätzlichen Kriterien, wie etwaige Konstruktionsvorgaben an die Vorrichtung oder auch
Herstellungskosten u.Ä. getroffen werden. Es ist ebenfalls möglich, die Auswahl durch eine Minimierung einer vordefinierten Optimierungsfunktion f, wie z.B. f=wd*D2+wa*A2, durchzuführen, wobei die Gewichtungsfaktoren wd und wa geeigneterweise beliebige nichtnegative Werte annehmen können.
Eine sinnvolle Wahl der Funktion f und der Gewichtungsfaktoren wa und wd kann darüber hinaus in Abhängigkeit von den Reflexionseigenschaften der Retroreflektor-Fläche. Zum Beispiel besitzen Glasperlen-Retroreflektoren gute Winkel-Reflexionscharakteristiken, sie funktionieren also in einem relativ großen Winkelbereich, so dass wd=1 und wa=0 gesetzt werden kann. Auf der anderen Seite weisen Trippelspiegel-Retroreflektoren relativ gute Schärfecharakteristik und relativ schlechte Winkelcharakteristik der Abbildung auf, so dass hier eine Wahl wa>0 und wd>0, z.B. wd=1 , wa=2, sinnvoll sein kann. Insbesondere können die Gewichte derart gewählt werden, dass für wd nach Normierung gilt, dass 0<wd<1 ist, wobei die Gewichte normiert sind, falls gilt, dass wa+wd=1 ist. Auch andere Formen der Funktion f außer der genannten können unter gegebenen Umständen von Vorteil sein, wie zum Beispiel
f=wd*D2+wa*D2*tan2A, die den Winkelterm wa*D2*tan2A bei größerem D sowie die tangentiale Position der Retroreflektor-Fläche bezüglich der ankommenden Strahlen stärker gewichtet. Die Größe des Sichtbarkeitsbereiches, zum Beispiel durch Vorgaben
horizontaler und/oder vertikaler Winkelbereiche des Sichtbarkeitsbereiches, kann ebenfalls als ein, beispielsweise zusätzlicher Faktor in die Funktion f mit einem geeigneten Gewichtsfaktor eingebunden werden. Die Retroreflexion an der Retroreflektor-Fläche ist nicht ideal. Vielmehr wird nur ein Teil der Lichtstrahlen genau in die Richtung reflektiert, aus dem sie kommen. Ein weiterer Teil der Strahlen wird gemäß dem üblichen
Reflexionsgesetz reflektiert. Für diese Strahlen gilt also die Gleichung, wonach der Einfallswinkel des Lichtstrahls gleich dem Ausfallswinkel des Lichtstrahls ist. Gelangen die nach dem Reflexionsgesetz reflektierten Strahlen in den
Sichtbarkeitsbereich, hat dies negativen Einfluss auf die Abbildungsgüte des virtuellen Lichtabbildes. Eine weitere Verbesserung des virtuellen Lichtabbildes ergibt sich daher, wenn der Vektor (A,D) unter der zusätzlichen Bedingung Pareto-minimal ist, dass Lichtstrahlen, die von der Retroreflektor-Fläche gemäß dem Reflexionsgesetz reflektiert werden, nicht in den Sichtbarkeitsbereich gelangen.
Zur Bestimmung der Menge der Pareto-minimalen Vektoren (A,D) und der Auswahl einer konkreten Form der Retroreflektor-Fläche aus dieser Menge kann eines der üblichen analytischen und/oder numerischen Verfahren der multikriteriellen Optimierung angewandt werden.
Beispielsweise führt der oben beschriebene Kegel zu einer Pareto-minimalen Retroreflektor-Fläche, wenn angenommen wird, dass eine punktförmige reale Lichtquelle sich in oder in der Nähe der Kegelspitze befindet, und wenn die Gewichtungsfaktoren mit wd=1 und wa=0 festgelegt werden. Andere Beispiele von Pareto-minimalen Retroreflektorflächen sind in den Figuren 8 und 9 dargestellt.
In der Praxis (zum Beispiel bedingt durch Fertigungstoleranzen), kommen erfindungsgemäß nicht nur exakt Pareto-minimale Flächen, sondern im
Wesentlichen Pareto-minimale Flächen in Betracht. Formabweichungen von der exakt Pareto-minimalen Form kleiner als 15 Prozent sollen als Pareto-minimal im Sinne dieser Erfindung gelten. Engere Grenzen für akzeptable
Formabweichungen liegen bei 10 oder gar 5 Prozent.
Für bestimmte Anwendungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann es von Vorteil sein, wenn ein Beobachter des virtuellen Lichtabbildes das von der realen Lichtquelle direkt kommende Licht nicht wahrnimmt. Da die reale
Lichtquelle heller als das virtuelle Lichtabbild erscheint, kann es für den
Beobachter irritierend sein, beide Lichtquellen (die reale und ihr virtuelles Abbild) gleichzeitig zu sehen. Zur Vermeidung dieses Nachteils kann die Vorrichtung mit einer Abschirmung versehen sein, die beispielsweise in der Nähe der realen Lichtquelle angeordnet ist. Die Abschirmung verdeckt die reale Lichtquelle derart, dass sie den Lichtweg von der realen Lichtquelle zum semitransparenten Spiegel für die Lichtstrahlen, die den vorbestimmten
Sichtbarkeitsbereich erreichen sollen, möglichst nicht verdeckt, für den am Sichtbarkeitsbereich positionierten Beobachter die reale Lichtquelle jedoch nicht sichtbar ist. Ein direkter Lichtstrahl, der von der realen Lichtquelle in den vorgegebenen Sichtbarkeitsbereich gelangen kann, wird von der Abschirmung unterbrochen.
Zur vereinfachten Bestimmung der geeigneten Form der Retroreflektor-Fläche kann die reale Lichtquelle als nahezu punktförmig angenommen werden. Für eine Vielzahl von Anwendungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann es allerdings geeignete reale Lichtquellen mit einer ausgedehnten Lichtverteilung geben. Beispielsweise könnte das virtuelle Lichtabbild dazu bestimmt sein, einen Schriftzug, ein Bild oder dergleichen darzustellen, wozu eine
entsprechende Beschaffenheit der realen Lichtquelle erforderlich ist. Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst die reale Lichtquelle einen optischen Diffusor, der dazu vorgesehen ist, das Licht eines
Beleuchtungselements, wie zum Beispiel einer LED, möglichst homogen zu machen. Zwischen dem Beleuchtungselement und dem Diffusor kann ferner ein tubenartiger Reflektor mit dem Beleuchtungselement an einem Ende und einem Lichtstreuelement am anderen Ende angeordnet sein. Der tubenartige Reflektor kann aus einem Spiegelmaterial oder einem diffus reflektierenden Material gefertigt sein und dient dazu, die Ausgangshelligkeit und Homogenität zu erhöhen. Des Weiteren kann die reale Lichtquelle eine Alpha-Maske umfassen, wobei die Alpha-Maske zwischen dem Beleuchtungselement und dem semitransparenten Spiegel angeordnet ist. Die Alpha-Maske weist Bereiche hoher Lichtdurchlässigkeit und/oder Bereiche niedriger Lichtdurchlässigkeit auf. Die Alpha-Maske dient dazu, das vom Beleuchtungselement kommende Licht derart zu steuern, dass ein gewünschtes Lichtbild entsteht. Dadurch ist es beispielsweise möglich, dem virtuellen Bild die Form eines Schriftzugs, eines Lichtzeichens, eines Piktogramms oder dergleichen zu geben. Für einige Anwendungen der Vorrichtung, wie zum Beispiel in der Werbung, ist eine visuelle Ausgestaltung des virtuellen Lichtabbilds von Vorteil.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst die Vorrichtung ferner ein Sensorelement. Das Sensorelement kann geeigneterweise nah an der realen Lichtquelle angeordnet und in Richtung des virtuellen Lichtabbildes gerichtet sein. Das Sensorelement ist dazu vorgesehen, auf einen Gegenstand zu reagieren, die sich räumlich im Bereich des virtuellen Lichtabbildes befindet. Die Verwendung eines Sensorelements ermöglicht eine Anwendung der Vorrichtung als virtuellen Schalter. In diesem Fall kann das Sensorelement derart konfiguriert sein, das die Detektion des Gegenstands die Auslösung eines Triggersignals bewirkt. Dabei kann der Gegenstand zum Beispiel die Fingerspitze eines in den Bereich des virtuellen Lichtabbildes bewegten Fingers sein. Das Triggersignal kann dann beispielsweise eine Zustandsänderung der realen Lichtquelle bewirken, so dass zum Beispiel die reale Lichtquelle Licht anderer Farbe ausstrahlt. Das Triggersignal kann jedoch auch einen
Schaltvorgang an der Vorrichtung selbst oder an einem mit der Vorrichtung verbundenen Gerät bewirken. Die Anwendung der erfindungsgemäßen
Vorrichtung als Schalter ermöglicht ein berührungsloses Schalten,
insbesondere Ein- und/oder Ausschalten, das lediglich durch das Bewegen des Gegenstandes in die nähe des virtuellen Lichtabbildes durchgeführt werden kann. Für viele sicherheitsrelevante Anwendungen, in denen ein
entsprechender mechanischer Schalter an einem schwer zugänglichen und/oder gefährlichen Ort angeordnet ist, kann diese Anordnung von Vorteil sein.
Das Sensorelement kann beispielsweise als ein passiver oder ein aktiver Sensor ausgeführt sein. Der passive Sensor kann derart ausgebildet sein, dass er auf Änderungen der von dem virtuellen Lichtabbild in Richtung des Sensors ausgestrahlten Lichtstärke reagieren kann. Dabei kann der passive Sensor speziell in einem gegebenen Frequenzbereich der Strahlung empfindlich sein. Der aktive Sensor verfügt über ein Senderelement und ein Empfängerelement. Das Senderelement und das Empfängerelement sind auf den Raumbereich des virtuellen Lichtabbildes gerichtet, so dass die vom Senderelement ausgestrahlte Strahlung von dem sich am Ort des virtuellen Lichtabbilds befindenden
Gegenstand reflektiert wird. Das Empfängerelement kann anschließend die vom Gegenstand in Richtung des Empfängerelements reflektierte Strahlung registrieren. Um eine möglichst genaue Ausrichtung des Senderelements auf den Ort des virtuellen Lichtabbildes sowie eine Abschirmung gegen störende Fremdstrahlung zu erreichen kann das Sensorelement eine Absorber-Maske umfassen. Das Sensorelement kann Infrarotstrahlung oder jede andere geeignete Art der Strahlung nutzen. Es kann als Photosensor,
Triangulationssensor oder in einer anderen geeigneten Sensorart, wie
Lichtschranke oder Time-of-Flight-Sensor, ausgebildet sein.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung sieht vor, dass die Vorrichtung eine zweite Retroreflektor-Fläche umfasst. Die zweite Retroreflektor-Fläche ist derart angeordnet, dass sich der semi-transparente Spiegel zwischen der realen Lichtquelle und der Retroreflektor-Fläche befindet. Die zweite
Retroreflektor-Fläche dient dazu, denjenigen Anteil des von der realen
Lichtquelle in Richtung des semi-transparenten Spiegels ausgestrahlten Lichts zu reflektieren, der vom semi-transparenten Spiegel durchgelassen wird, und damit sonst für die Erzeugung des virtuellen Lichtabbilds verloren ist. Das von der zweiten Retroreflektor-Fläche zurück geworfene Licht wird vom semi- transparenten Spiegel teilweise reflektiert und trägt somit zur Erzeugung des virtuellen Lichtabbildes bei. Dadurch kann eine zusätzliche Verbesserung der Lichtstärke des virtuellen Lichtabbildes erreicht werden. Eine weitere Verbesserung kann erreicht werden, wenn die Formen der beiden Retroreflektor-Fläche einander im Wesentlichen gleichen und die beiden Retroreflektor-Flächen bezüglich des semi-transparenten Spiegels symmetrisch angeordnet sind. Die oben beschriebenen Vorteile der Retroreflektor-Fläche bezüglich ihrer Abbildungseigenschaften können auf diese Weise auch auf die zweite Retroreflektor-Fläche sinngemäß übertragen werden.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung ein Objekt, das derart angeordnet ist, dass es zusammen mit dem virtuellen Lichtabbild von einer Beobachtungsposition sichtbar ist. Das Objekt kann durch einen Gegenstand beliebiger Gestalt dargestellt sein. Es kann in der Nähe des virtuellen Lichtabbildes, zwischen dem semi-transparenten Spiegel und dem virtuellen Lichtabbild oder auch zwischen dem semi-transparenten Spiegel und dem Retroreflektor angeordnet sein. Jede Anordnung des Objektes ist geeignet, die ein visuelles Zusammenwirken des Objekts und des virtuellen Lichtabbilds ermöglicht. Auf diese Weise kann die Darstellung einer so genannten erweiterten Realität erreicht werden. Ein realer Gegenstand wird dabei von einem als ihn im Raum umgebend erscheinenden Lichteffekt überlagert.
Zur weiteren Verstärkung des visuellen Eindrucks des virtuellen Lichtabbildes kann die erfindungsgemäße Vorrichtung mit einem haptischen Element versehen sein. Mittels des haptischen Elements ist am Ort bzw. in der Nähe des virtuellen Lichtabbilds eine Kraftwirkung hergestellt werden, so dass die
Kraftwirkung auf den in die Nähe des virtuellen Lichtabbildes geführten
Gegenstand entfaltet wird. Dadurch kann eine haptische Wahrnehmung des virtuellen Lichtabbildes simuliert werden. Das haptische Element kann
beispielsweise als eine elektronisch gesteuerte Luftpumpe realisiert sein.
Nähert sich ein Gegenstand dem Ort des virtuellen Lichtabbildes, so erzeugt die Luftpumpe einen Luftstrom der gegen die Bewegung des Gegenstandes gerichtet ist, so dass mit der Gegenkraft ein Gefühl von relativer Festigkeit wahrgenommen werden kann. Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Figuren 1 bis 9 näher erläutert.
Figur 1 zeigt eine schematische Skizze einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Verdeutlichung ihrer Funktionsweise.
Figur 2 zeigt schematisch eingehende und ausgehende Lichtstrahlen an einer Retroreflektor-Fläche, an einem Spiegel und einem semi-transparenten Spiegel.
Figuren 3 und 4 zeigen schematische Skizzen zweier weiterer
Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Figur 5 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Figur 6 zeigt eine Retroreflektor-Fläche der Vorrichtung aus Figur 5.
Figur 7 zeigt eine Teilansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung aus Figur 5.
Figur 8 zeigt im Querschnitt eine Retroreflektor-Fläche in einer anderen
Ausführungsform.
Figur 9 zeigt im Querschnitt eine weitere Retroreflektor-Fläche.
Im Einzelnen zeigt Figur 1 eine Skizze der Anordnung eines
Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 . Anhand der Skizze soll die Funktionsweise der Vorrichtung 1 erläutert werden. Die
Vorrichtung 1 umfasst eine reale Lichtquelle 1 1 , eine Retroreflektor-Fläche 12 sowie einen semi-transparenten Spiegel 13. Der Lichtweg eines Teils des von der realen Lichtquelle 1 1 ausgestrahlten Lichts wird durch die Strahlengänge oder Lichtstrahlen 4 in Form von unterbrochenen Linien 4 schematisch dargestellt. Demnach wird das von der Lichtquelle 1 1 in Richtung des semi- transparenten Spiegels 13 ausgestrahlte Licht von dem Spiegel 13 teilweise reflektiert. Von dort aus erreichen die Strahlen 4 die Retroreflektor-Fläche 12. Die Retroreflektor-Fläche 12 wirft die Strahlen 4 in die entgegen gesetzte Richtung zurück zum semi-transparenten Spiegel 13. Ein Teil dieser Strahlen wird vom Spiegel durchgelassen. Die durchgelassenen Strahlen 4 schneiden sich in einem Punkt, und bilden somit den Ort eines virtuellen Lichtabbildes 2. Ein sich in einem Sichtbarkeitsbereich 3 befindender Beobachter gewinnt somit den Eindruck einer dort angeordneten Lichtquelle. Unter der Annahme, dass sich der semi-transparente Spiegel 13 in der Waagerechten befindet, wird der Sichtbarkeitsbereich 3 durch eine erste, vertikal verlaufende Gerade 32
(senkrecht zum Spiegel 13) und durch eine zweite Gerade 33 begrenzt. Die zweite Gerade 33 ist in Figur 1 um etwa 60° zur ersten Gerade 32 bzw. zur Vertikalen geneigt. Der Winkel zwischen den Geraden 32, 33 kann auch andere Werte annehmen. Auch kann die erste Gerade 32, die im Ausführungsbeispiel der Figur 1 senkrecht zum (waagerechten) Spiegel 13 ist, von der Senkrechten abweichen und entsprechend - in der Darstellung der Figur 1 - nach links oder rechts geneigt sein.
Die Leuchtkraft des virtuellen Lichtabbildes 2 ist kleiner als die Leuchtkraft der realen Lichtquelle 11 , da unter anderen ein Teil des Lichts der realen
Lichtquelle bei der Reflexion am semi-transparenten Spiegel 13 verloren geht und das Licht an der Retroreflektor-Fläche 12 nicht ideal retroreflektiert wird. Daher umfasst die Vorrichtung 1 ferner eine Abschirmung 14, die dazu dient, die Wahrnehmung der realen Lichtquelle 11 durch den Beobachter im
Sichtbarkeitsbereich 3 zu verhindern.
Bevor auf die erfindungsgemäße Vorrichtung der Figur 1 näher eingegangen wird, sollen anhand Figur 2 die grundsätzlichen Unterschiede zwischen
Retroreflektor-Fläche, Spiegel und semi-transparenter Spiegel gezeigt werden. Bei der Retroreflektion an einer Retroreflektor-Fläche (siehe Figur 2A), die wie in Figur 1 mit dem Bezugszeichen 12 versehen ist, wird ein eingehender oder einfallender Lichtstrahl 42 in die Richtung zurückreflektiert, aus der Lichtstrahl
42 kommt. Entsprechend fällt ein mit 43 bezeichneter Lichtstrahl mit dem eingehenden Lichtstrahl 42 zusammen, wobei die Richtungen der Lichtstrahlen 42, 43 zueinander entgegengesetzt sind. Figur 2B zeigt den Strahlengang gemäß dem üblichen Reflexionsgesetz an einem Spiegel 5. Der einfallende oder eingehende Lichtstrahl 42, der ausgehende oder austretende Lichtstrahl
43 und eine Normale N an dem Lichteinfallspunkt an der Oberfläche des Spiegels 5 liegen in einer Ebene, wobei ein Winkel α zwischen einfallendem Lichtstrahl 42 und Normalen N einem Winkel ß zwischen der Normalen N und dem austretenden Lichtstrahl 43 entspricht. Der ausfallende Lichtstrahl 42 und der einfallende Lichtstrahl 43 liegen dabei auf unterschiedlichen Seiten der Normalen N. Figur 2C zeigt die Reflexion an einem semi-transparenten Spiegel 13. Im Unterschied zu der Reflexion am Spiegel gemäß Figur 2B wird der einfallende Lichtstrahl 42 nur teilweise gemäß dem üblichen Reflexionsgesetz reflektiert, sodass ein reflektierter austretender Lichtstrahl 43a gemäß dem üblichen Reflexionsgesetz entsteht. Ein gewisser Anteil des einfallenden Lichtstrahls 42 wird durchgelassen, was zu einem Lichtstrahl 43b führt.
Einfallender Lichtstrahl 42 und Lichtstrahl 43b liegen auf einer Geraden und weisen in dieselbe Richtung.
Insbesondere wird, nun wieder zurückkommend auf Figur 1 , die Retroreflexion an der Retroreflektor-Fläche 12 umso besser - in dem Sinne, dass ein größerer Anteil des reflektierten Lichts zur Erzeugung des virtuellen Lichtabbildes 2 beitragen kann, und dass das virtuelle Lichtabbild 2 möglichst scharf erzeugt wird - je kleiner die Entfernung D zwischen einem gegebenen Punkt der
Retroreflektor-Fläche und dem virtuellen Abbild 2 und je kleiner der Winkel A zwischen dem Lichtstrahl 4 und einem Normalenvektor oder der Normalen N in dem Punkt der Retroreflektor-Fläche sind. Die Retroreflektor-Fläche 12 weist eine gekrümmte Form auf. Durch die gekrümmte Form der Retroreflektor-Fläche 12 kann die Leuchtkraft und die Schärfe des virtuellen Lichtabbildes 2 gegenüber einer ebenen Form verbessert werden. Die Retroreflektor-Fläche 12 ist derart bezüglich der realen Lichtquelle 1 1 und bezüglich des semi-transparenten Spiegels 13 angeordnet, dass direkt von der Lichtquelle 11 kommende Strahlen, die vom Spiegel 13 durchgelassen werden, die Retroreflektor-Fläche 12 nicht mehr erreichen können, wobei hier weitere Reflexionen und Streuung an Objekten außerhalb der dargestellten Teile der Vorrichtung 1 vernachlässigt werden.
Eine geeignete Form der Retroreflektor-Fläche 12 kann durch eine im Pareto- Sinn minimale Wahl der beiden Größen A und D für jeden Punkt der
Retroreflektor-Fläche 12 erreicht werden.
Zu einer Bestimmung der Pareto-optimalen Form der Retroreflektor-Fläche 12 ist es notwendig, den Sichtbarkeitsbereich 3 zu bestimmen. Durch diese
Vorgabe wird gleichzeitig eine Randbedingung definiert, wonach diejenigen Primärstrahlen von der realen Lichtquelle 11 zum semi-transparenten Spiegel 13, die schließlich den Sichtbarkeitsbereich 3 erreichen, von der Retroreflektor- Fläche 12 nicht unterbrochen werden dürfen. Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung 1.
Gleiche und gleichartige Elemente der Abbildungen 1 und 2 sind dabei mit gleichen Bezugszeichen versehen. Entsprechendes gilt auch für alle
nachfolgenden Figuren.
Die Form der Retroreflektor-Fläche 12 in Figur 3 ist anders als diejenige in Figur 1. Mit der Form der Figur 3 ergibt sich für die Strahlengänge 4 jeweils eine kürzere Distanz D. Würde jedoch in der Anordnung in Figur 3 zur Bestimmung der Pareto-optimalen Form der Retroreflektor-Fläche 12 der
Sichtbarkeitsbereich 3 aus der Anordnung in Figur 1 vorgegeben, so könnte die Form der Retroreflektor-Fläche in Figur 3 die daraus folgende Randbedingung nicht erfüllen. Ein Strahlengang 41 von der Lichtquelle 1 1 zum semitransparenten Spiegel 13 wird durch die Retroreflektor-Fläche 12 unterbrochen. Daraus ergibt sich der gegenüber dem Sichtbarkeitsbereich 3 der Figur 1 eingeschränkte Sichtbarkeitsbereich 31. Somit kann die in Figur 3 skizzierte Form der Retroreflektor-Fläche 12 nicht als Pareto-optimal unter der Vorgabe des Sichtbarkeitsbereiches 3 aus Figur 1 betrachtet werden (sondern höchstens unter der Vorgabe des eingeschränkten Sichtbarkeitsbereiches 31). In Figur 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Vorrichtung 1 schematisch dargestellt. Die Vorrichtung 1 umfasst eine zweite Retroreflektor-Fläche 19, die bezüglich des semi-transparenten Spiegels 13 der Retroreflektor-Fläche 12 gegenüber liegend angeordnet ist. Ferner umfasst die Vorrichtung 1 zwei Objekte 161 , 162. Vom
Sichtbarkeitsbereich 3 aus gesehen wirken die Objekte 161 , 162 mit dem virtuellen Lichtabbild 2 visuell zu einem visuellen Gesamteindruck zusammen. Das Objekt 161 ist im Wesentlichen neben dem Ort des virtuellen Lichtabbildes 2 angeordnet, so dass die das virtuelle Lichtabbild erzeugenden Lichtstrahlen der realen Lichtquelle 1 1 durch das Objekt 161 nicht gestört bzw. unterbrochen werden. Das Objekt 162 ist zwischen dem semi-transparenten Spiegel 13 und der Retroreflektor-Fläche 12 angeordnet. Durch das Objekt 162 sind einige der von der Retroreflektor-Fläche 12 retroreflektierten Lichtstrahlen 4 der
Lichtquelle 11 unterbrochen, so dass diese zur Erzeugung des virtuellen
Lichtabbildes 2 nicht beitragen können. Allerdings wird das von der Lichtquelle 11 kommende, vom semi-transparenten Spiegel 13 transmittierte Licht durch die zweite Retroreflektor-Fläche 19 retroreflektiert, so dass dieses zur
Erzeugung des virtuellen Lichtabbildes 2 beitragen kann. Auf diese Weise lässt sich die Verminderung der Leuchtstärke, bzw. eine Unterbrechung des
Lichtabbildes 2 aufgrund der gewählten Anordnung des Objektes 162 durch die zweite Retroreflektor-Fläche 19 zumindest teilweise wieder ausgleichen, wobei die zweite Retroreflektor-Fläche 19 unter Inkaufnahme einer verminderten Leuchtschärfe des virtuellen Lichtabbildes auch weggelassen werden kann.
Figur 5 zeigt eine perspektivische Außenansicht einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1. Die Vorrichtung 1 umfasst die reale
Lichtquelle mit einem Diffusor und einer Alpha-Maske 112, wobei in der Darstellung der Figur 5 lediglich die Alpha-Maske 112 sichtbar ist. Die Alpha- Maske 112 weist Bereiche unterschiedlicher Lichtdurchlässigkeit auf. Die Bereiche hoher Lichtdurchlässigkeit bilden ein Piktogramm, wodurch das übliche Schaltzeichen für elektronische Geräte dargestellt wird.
Darüber hinaus umfasst die Vorrichtung 1 die Retroreflektor-Fläche 12, ein kastenförmiges Gehäuse 18 und eine Abdeckung 17. Der semi-transparente Spiegel ist parallel zur Abdeckung 17 und über der Retroreflektor-Fläche 12 angeordnet, ist jedoch in dieser Darstellung nicht sichtbar. Des Weiteren umfasst die Vorrichtung 1 ein Sensorelement, das in der Darstellung der Figur 5 unterhalb der Abdeckung 17 angeordnet und daher nicht sichtbar ist, wobei durch zwei Öffnungen 171 in der Abdeckung 17 Zugänge zu einem
Senderelement und einem Empfängerelement des Sensorelements 15 gegeben sind.
Wird ein Gegenstand an den Ort des virtuellen Lichtabbildes (in dieser Ansicht nicht dargestellt) bewegt, so werden die von dem Senderelement des
Sensorelements 15 durch eine der Öffnungen 171 in Richtung des virtuellen Lichtabbildes ausgesandten Strahlen an der Oberfläche des Gegenstandes reflektiert, so dass sie zumindest teilweise durch die andere der Öffnungen 171 zum Empfangselement des Sensorelements 15 gelangen und dort registriert werden. Das Sensorelement 15 kann dann ein Triggersignal generieren, das zum Beispiel als Schaltsignal an eine entsprechende Steuereinheit weiter geleitet wird. Figur 6 zeigt eine perspektivische Darstellung der Retroreflektor-Fläche 12 der Vorrichtung 1 aus Figur 5. Die Form der Retroreflektor-Fläche 12 ist durch einen Ausschnitt eines Kegels mit einer Kegelspitze, einer Grundfläche und einem zwischen der Kegelspitze und der Grundfläche aufgespannten
Kegelmantel. Ein Teil 125a des Randes 125 der Retroreflektor-Fläche 12 fällt teilweise mit dem Rand der Grundfläche des gedachten Kegels zusammen. Im Bereich der Kegelspitze 121 ist in der Retroreflektor-Fläche 12 eine
Ausnehmung ausgebildet. Die Retroreflektor-Fläche weist zudem zwei
Aussparungen 124 auf, die Teilbereiche 125b, 125c des Randes 125 bilden. Der die Retroreflektor-Fläche formender Kegelausschnitt erstreckt sich über einen Winkelbereich von etwa 180 Grad. Der gekrümmte Rand 125 und der Rand der Kegelgrundfläche fallen auf einem Winkelbereich zusammen, der kleiner als 180 Grad ist, in der Darstellung der Figur 5 auf etwa 90 Grad. Die in Figur 6 eingezeichneten Linien 122 und 123 sollen dazu dienen, den Verlauf des Kegelausschnitts der Retroreflektor-Fläche zu verdeutlichen. Die Verbindungslinien 122 zwischen der Kegelspitze 121 und dem Rand 125 sind jeweils durch Gerade definiert. Die Retroreflektor-Fläche 12 ist entlang der Linie 123 gekrümmt.
Figur 7 zeigt eine perspektivische Teilansicht der erfindungsgemäßen
Vorrichtung 1 aus Figur 5, wobei in dieser Darstellung das Sensorelement 15 und die reale Lichtquelle 11 sichtbar sind. Die Lichtquelle 11 umfasst eine LED zur Lichterzeugung und einen Diffusor 111 , wobei hier lediglich ein tubenartiger Reflektor des Diffusors sichtbar ist. Das Sensorelement 15 ist in unmittelbarer Nähe der Lichtquelle 11 angeordnet und umfasst einen aus zwei Kanälen bestehenden Ausrichter 151. Das Sensorelement ist als aktiver IR-Sensor mit einem Senderelement und einem Empfängerelement realisiert. Der Ausrichter 151 dient dazu, die vom Senderelement des Sensorelements ausgestrahlte Strahlung möglichst genau auf den Ort des virtuellen Lichtabbildes zu richten und entsprechend die vom Empfängerelement empfangene Strahlung möglichst von Störeinflüssen zu schützen. Die in Figur 7 oben dargestellten Öffnungen des Ausrichters 151 münden in den in Figur 7 nicht sichtbaren Öffnungen 171 der Abdeckung 17. Figur 8 zeigt im Querschnitt eine weitere Ausführung für eine Pareto-minimale Retroreflektor-Fläche 12. Sie findet Anwendung vorzugsweise in einer Vorrichtung, in der die reale Lichtquelle 11 eine längliche Form ausweist, so dass deren Länge viel größer ist als ihre Ausdehnung quer dazu
(beispielsweise könnte es sich bei einer derartigen Lichtquelle um Laufschrift oder einer Lichtkette handeln). In der Darstellung der Figur 8 erstreckt sich die Lichtquelle 11 quer zu Bildebene in die Bildebene hinein, also quer zu der Ebene, die durch die Achsen x und y aufgespannt wird. Die Lichtquelle 11 befindet sich in dem Punkt mit den Koordinaten x=0 und y— 0,5. Der semitransparente Spiegel 13 erstreckt sich parallel zur x-Achse bei y=0. Die Retroreflektor-Fläche 12 folgt dabei folgenden Funktionen: x = r(t) · sin(/)
y = - r( cos( t) + 0 ,5
Mit
In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel der Figur 8 sind für die
Retroreflektor-Fläche 12 bzw. die Funktion y(x) die Werte wd=1 und wa=2 gewählt worden. Der Sichtbarkeitsbereich (nicht dargestellt) soll durch eine erste Gerade senkrecht zum Spiegel 13 und eine zur ersten Geraden um 60° geneigte zweite Gerade begrenzt sein.
Figur 9 zeigt einen weiteren Vorschlag für die Retroreflektor-Fläche 12 für dieselbe Lichtquelle 11 wie in Figur 8. Lichtquelle 11 und semi-transparenter Spiegel 13 sind wie beim Ausführungsbeispiel der Figur 8 angeordnet. Die Retroreflektor-Fläche folgt der Funktion: y = 0,25 - x2 - 0,5
Mit
0 < x < 1,4.
Der Sichtbarkeitsbereich (nicht dargestellt) der Figur 9 soll nun durch die Vertikale (senkrecht zum semi-transparenten Spiegel) und einer dazu um 70° geneigten Gerade beschränkt sein. Die Gewichtungsfaktoren sind auf wd=1 und wa=0 gesetzt worden. Die Retroreflektor-Fläche 12 kann eine glänzende oder spiegelähnliche Oberfläche aufweisen. Alle Lichtstrahlen, die von der spiegelähnlichen Retroreflektor-Fläche 12 neben der eigentlichen Retroreflexion nach dem üblichen Reflexionsgesetz reflektiert werden, gelangen nicht in den Sichtbarkeitsbereich 3.
In den obigen Ausführungsbeispielen kann die Form der Retroreflektor-Fläche 12 durch einen Anpassungsfaktor verändert werden, wobei die Kurven der Figuren 8 und 9 als Fertigungsschablone für optimale Retroreflektor-Flächen verwendet werden können. Eine gemeinsame Eigenschaft der obigen
Lösungen liegt darin, dass die Retroreflektor-Fläche als abwickelbare Fläche ausgebildet sein kann. Sie kann aus einem flachen Blech geschnitten werden und dann in die gewünschte Form ohne Verwerfungen gebogen werden. Dies vereinfacht die Herstellung von den hier vorgestellten, erfindungsgemäßen Vorrichtungen. Bezugszeichenliste
1 Vorrichtung
1 1 reale Lichtquelle
1 1 1 Diffusor
1 12 Alpha-Maske
1 13 LED
12 Retroreflektor-Fläche
121 Kegelspitze
122 Linie
123 Linie
124 Aussparung
125 Rand der Retroreflektor-Fläche 125a Teil des Randes
125b gerader Teilbereich
125c gerader Teilbereich
13 semi-transparenter Spiegel
14 Abschirmung
15 Sensorelement
151 Ausrichter
161 Objekt
162 Objekt
17 Abdeckung
171 Öffnung in Abdeckung
18 Gehäuse
19 zweite Retroreflektor-Fläche
2 Lichtabbild
3 Sichtbarkeitsbereich
31 verkleinerter Sichtbarkeitsbereich
32 Erste Gerade Zweite Gerade
Strahlengang, Lichtstrahl unterbrochener Strahlengang einfallender Lichtstrahl austretender Lichtstrahl

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung (1) zur Erzeugung eines virtuellen Lichtabbilds (2),
umfassend wenigstens eine reale Lichtquelle (1 1), eine gekrümmte
Retroreflektor-Fläche (12) und einen semi-transparenten Spiegel (13), wobei das durch den semi-transparenten Spiegel (13) transmittierte Licht der realen Lichtquelle (1 1 ) die Retroreflektor-Fläche (12) nicht erreicht, dadurch
gekennzeichnet, dass die Form der Retroreflektor-Fläche (12) für einen gegebenen Sichtbarkeitsbereich (3) zumindest in einem Teilbereich der Fläche
(12) , der für die Abbildung im Sichtbarkeitsbereich (3) wesentlich ist, dadurch festgelegt ist, dass in jedem Punkt des Teilbereichs das Paar (A,D) aus einem Reflexionswinkel A und einer optischen Distanz D zwischen diesem Punkt des Teilbereichs der Retroreflektor-Fläche (12) und dem virtuellen Lichtabbild (2) Pareto-minimal ist unter der Vorgabe, dass der Teilbereich der Retroreflektor- Fläche (12) Primärstrahlen von der realen Lichtquelle (1 1) zum semi- transparenten Spiegel (13) nicht unterbricht.
2. Vorrichtung (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Paar (A,D) unter der zusätzlichen Vorgabe Pareto-minimal ist, wonach
Lichtstrahlen, die von der Retroreflektor-Fläche (12) gemäß dem üblichen Reflexionsgesetz reflektiert werden, nicht in den Sichtbarkeitsbereich (3) gelangen.
3. Vorrichtung (1 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Form der Retroreflektor-Fläche (12) einem Ausschnitt eines Kegels gleicht, wobei die reale Lichtquelle (1 1 ) innerhalb des Kegels und zwischen der Spitze des Kegels (121 ) und dem semi-transparenten Spiegel
(13) angeordnet ist.
4. Vorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Retroreflektor-Fläche (12) die Form eines sich über 180 Grad erstreckenden Ausschnitt eines Kegels mit einer Kegelspitze (121 ) und einer Kegel-Grundfläche aufweist, wobei die Retroreflektor-Fläche (12) zwei Aussparungen (124) aufweist, so dass der Rand (125) der Retroreflektor- Fläche (12) mit dem Rand der Kegel-Grundfläche in einem Winkelbereich übereinstimmt, der kleiner als 180 Grad ist.
5. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch
gekennzeichnet, dass es sich bei der realen Lichtquelle im Wesentlichen um eine in Längsrichtung sich erstreckende längliche Lichtquelle handelt, wobei die Retroreflektor-Fläche (12) in der Ebene senkrecht zur Längsrichtung einen gleichbleibenden Querschnitt aufweist.
6. Vorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (3) ferner eine Abschirmung (14) zur Abschirmung der realen Lichtquelle (11) umfasst.
7. Vorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die reale Lichtquelle (11 ) einen Diffusor (111 ) sowie eine Alpha-Maske (112) umfasst.
8. Vorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) ein Sensorelement (15) umfasst, das sich in unmittelbarer Nähe des virtuellen Lichtabbildes (2) befindende
Gegenstände detektieren kann.
9. Vorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) eine zweite Retroreflektor-Fläche (19) umfasst, wobei der semi-transparente Spiegel (13) zwischen der realen
Lichtquelle (11) und der zweiten Retroreflektor-Fläche (19) angeordnet ist.
10. Vorrichtung (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Retroreflektor-FIächen (12, 19) gleiche Form aufweisen und
symmetrisch bezüglich des semi-transparenten Spiegels (13) angeordnet sind.
1 1. Vorrichtung (1 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) ferner ein Objekt (161 , 162) umfasst, der derart angeordnet ist, dass er zusammen mit dem virtuellen Lichtabbild (2) sichtbar ist.
12. Vorrichtung (1 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) ferner ein haptisches Element umfasst, das bei Berührung des virtuellen Lichtabbilds (2) eine entsprechende haptische Wahrnehmung erzeugen kann.
13. Vorrichtung (1 ) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das haptische Element eine elektronisch gesteuerte Luftpumpe ist.
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