EP4334772A1 - Anzeigevorrichtung - Google Patents

Anzeigevorrichtung

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Publication number
EP4334772A1
EP4334772A1 EP22726015.5A EP22726015A EP4334772A1 EP 4334772 A1 EP4334772 A1 EP 4334772A1 EP 22726015 A EP22726015 A EP 22726015A EP 4334772 A1 EP4334772 A1 EP 4334772A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
coupling
image
display device
section
imager
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.)
Pending
Application number
EP22726015.5A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Markus Schwab
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.)
Tooz Technologies GmbH
Original Assignee
Tooz Technologies GmbH
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 Tooz Technologies GmbH filed Critical Tooz Technologies GmbH
Publication of EP4334772A1 publication Critical patent/EP4334772A1/de
Pending 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
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/017—Head mounted
    • G02B27/0172—Head mounted characterised by optical features
    • 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
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/017—Head mounted
    • G02B2027/0178—Eyeglass type
    • 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
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/0179—Display position adjusting means not related to the information to be displayed
    • G02B2027/0181—Adaptation to the pilot/driver

Definitions

  • the present invention relates to a display device that can be placed on a user's head and offers him a virtual image through a spectacle lens.
  • the position of the exit pupil in the first direction is defined via the position of the coupling point of the generated image, an adjustment to different temple-to-eye distances can easily be carried out in this way.
  • the deflection structure along the first direction is always used over the entire predetermined extent, independently of the coupling point during the deflection by means of the deflection structure.
  • the deflection structure can be made very compact in the first direction.
  • the spectacle lens can be made very compact. It is also possible, due to the then present larger optical
  • the spectacle lens according to the invention alone (or with additional optics, which can be arranged between the image generator and the entry surface of the spectacle lens) implements imaging optics that depict the image generated by the image generator in such a way that the user can perceive it as a virtual image.
  • the imaging optics are designed in such a way that the in-coupling point of the entry surface, at which the generated image is in-coupled, defines the out-coupling direction of the out-coupling section and thus the position of the exit pupil in the first direction.
  • the imaging optics can be implemented telecentrically, for example, on the imager side.
  • the virtual position can then also be shifted in the z-direction by means of a z-shift of the imager (or changing the distance between the imager and the spectacle lens), without the field of view being changed.
  • the spectacle lens can be made of plastic or glass.
  • the spectacle lens can be designed in one or more parts.
  • the deflection structure can be designed as a single continuous mirror surface.
  • the mirror surface can be partially reflective. However, it is also possible for it to have the highest possible reflectivity of almost 100%.
  • the deflection structure can have a plurality of mirror surfaces that are offset relative to one another and can be designed in particular as a reflective or partially reflective Fresnel structure.
  • FIG. 1 shows a schematic perspective illustration of an embodiment of the display device according to the invention
  • FIG. 2 shows an enlarged partial sectional view of the first spectacle lens including a schematic representation of the image generation module
  • FIG. 3 shows a representation according to FIG. 2
  • FIG. 4 shows a representation according to FIG. 2
  • FIG. 5 shows a representation according to FIG. 2 of a further embodiment
  • FIG. 6 shows a representation according to FIG. 2 of a further embodiment
  • FIG. 7 shows a representation according to FIG. 2 of a further embodiment.
  • the display device 1 comprises a folding device 2 that can be placed on the head of a user, which can be designed in the manner of a conventional spectacle frame, for example, and a first and a second spectacle lens 3, 4, which are attached to the folding device 2 are attached.
  • the holding device 2 with the lenses 3, 4 can e.g. as sports glasses, sunglasses and/or glasses for correcting a
  • the display device 1 comprises an image generation module 5, which can be arranged in the area of the right side piece of the spectacles of the holding device 2, as is shown schematically in FIG.
  • the image generation module 5 can have a flat image generation element 6 (FIG. 2), such as an OLED, an LCD or an LCoS chip or a tilting mirror matrix, with a large number of pixels arranged in rows and columns, for example.
  • the first spectacle lens 3 has a rear side 7 and a front side 8 .
  • the back 7 and the front 8 are shown here as flat surfaces.
  • the Back 7 and / or the front 8 are curved.
  • the spectacle lens 3 has a coupling section 9 with an entry surface 10, which can be flat or curved, and a deflection surface 11, which can also be flat or curved.
  • the deflection surface 11 can in particular be designed as a reflective surface. However, the deflection can also be brought about by total internal reflection.
  • the first spectacle lens 3 has a decoupling section 12 with a deflection structure 13 .
  • the decoupling section 12 is spaced apart from the incoupling section 9 along a first direction (here the y-direction).
  • the deflection structure 13 can be embodied as a mirror surface 13 which has a predetermined extent along the first direction.
  • the mirror surface 13 can be flat. Depending on the application, it can be partially transparent. In this case, the user can perceive the created virtual image in superimposition with the environment. However, it is also possible for the mirror surface 13 to have the highest possible reflectivity. This is particularly advantageous for applications in which the user should only perceive the virtual image and not the environment.
  • a light beam 14 can emanate from each pixel of the imaging device 6 .
  • the desired image can be generated by correspondingly driving the pixels of the image generator 6 by means of a control unit 15 which has a processor 19 and which can be part of the image generation module 5 .
  • the beam path of a light bundle 14 is shown in FIG. 2 as a representative of the light bundle 14 .
  • the light beam 14 emanating from the image generator 6 enters the spectacle lens 3 via the entry surface 10 and is deflected by the deflection surface 11 in such a way that reflection takes place on the rear side 7 (e.g. total internal reflection) and the light beam 14 thus strikes the mirror surface 13. which causes a deflection towards the rear 7 in such a way that the light beam 14 exits the first spectacle lens 3 via the rear 7 .
  • the deflection is effected in such a way that the decoupling direction, along which the light beam 14 emerges via the rear side 7, corresponds to the ⁇ z direction.
  • the first spectacle lens 3 is designed here such that an intermediate image of the image generated by the imaging device 6 is present within the spectacle lens 3 between the coupling-in section 9 and the coupling-out section 12 .
  • an intermediate mapping is not absolutely necessary.
  • the extent of the imager 6 in the first direction (y-direction) is smaller than the corresponding extent of the entry surface 10 and the imager 6 is arranged centrally in front of the entry surface 10 in relation to the first direction.
  • the exit pupil 16 of the display device 1 is at the position indicated by the arrow P1, so that a user who wears the display device on his head and has his eye A positioned at this position P1 perceives a virtual image in front of the front face 8 can, as shown in Fig. 2 schematically.
  • the corresponding field of view is indicated by the double arrow K1.
  • a user can thus perceive the virtual image 17 in the eye position according to FIG. 2 and looking straight ahead (viewing direction 18 in FIG. 2).
  • the image generator 6 can be displaced along the first direction (y direction) by means of a positioning unit 20 under the control of the control unit 15, so that different coupling points can be set.
  • the coupling point can relate to a predetermined point of the imager 6 (for example the center of the imager 6 or the upper or lower edge in the y-direction).
  • the imaging of the display device means that the decoupling direction no longer runs along the ⁇ z direction, but is inclined thereto. This leads to a lateral (in the y-direction) displacement of the exit pupil 16, so that the user's eye A must be positioned at position P2 in order to be able to perceive the virtual image (double arrow K2).
  • the user's line of sight 18 is also tilted compared to Figure 2.
  • the decoupling direction changes again, so that the exit pupil 16 is shifted laterally.
  • the user's eye A must be positioned at the appropriate point (arrow P3) in order to be able to perceive the virtual image (double arrow K3).
  • the user's line of sight 18 is also tilted compared to Fig.
  • the lateral position of the exit pupil 16 (along the y-direction) can be adjusted by selecting the coupling point of the image generator 6 in front of the entrance surface 10, so that the display device 1 can be adjusted to different temple-to-eye distances easily adjustable by the individual user.
  • the range 21 of the possible pupil positions leads to an angular range 22 of the associated viewing direction 18.
  • the deflection structure 13 is always used along the first direction over the entire predetermined extent, regardless of the coupling point when deflecting by means of the deflection structure 13 .
  • the extent of the imager 6 in the first direction is just as large or larger than the corresponding extent of the entry surface 10, so that the imager 6 itself does not have to be shifted to different coupling points for the generated image. Only the corresponding area on the image generator 6 is controlled in order to generate the image, so that the coupling point for the generated image can vary in the y-direction. In this case, the positioning unit 20 can be omitted.
  • the spectacle lens 3 for the image of the imager 6 is designed as imaging optics, which images the image generated by the imager 6 in such a way that the user can perceive it as a virtual image.
  • the imaging optics can be designed in such a way that there is an intermediate image and thus an intermediate image within the spectacle lens 3 .
  • the cross section of the spectacle lens 3 can be reduced, so that a compact construction can be implemented.
  • the intermediate image increases the optical path length into which, for example, one or two additional correction mirrors can then be introduced. This allows the imaging optics to be corrected more easily and flexibly, and better distortion and spot size can be achieved.
  • FIG. 6 further optics (shown here schematically as a lens 23 ) can be provided between the imaging device 6 and the entry surface 10 .
  • a lens 23 can be provided between the imaging device 6 and the entry surface 10 .
  • This in turn allows for easier and more flexible correction with better distortion and spot size.
  • the embodiment of Fig. 6 is a modification of the embodiment of Fig. 5.
  • this modification described in connection with Fig. 6 can also be provided in the embodiment according to Figs. 2 to 4.
  • FIG. 7 a modification of the embodiment of FIG. 2 is shown.
  • the imaging device 6 is at a distance from the entry surface 10 .
  • no further optical element can be present between the imaging device 6 and the entry surface 10 .
  • Such a spacing of the imaging device 6 from the entry surface can also be provided in the embodiments according to FIGS. 2 to 5.
  • the deflection surface 11 is designed to be tiltable in such a way that there is an air space between the spectacle lens 3 and the deflection surface 11 . The light beam 14 therefore emerges from the spectacle lens 3 via the surface 11', impinges on the deflection surface 11, is reflected on it and again enters the spectacle lens 3 via the surface 11'.
  • the selection of the tilting angle of the deflection surface 11 can be used in addition to the position of the imaging device 6 along the y-direction in order to bring about the described displacement of the exit pupil 16 in the y-direction.
  • the two described features of the distance between the imaging device 6 and the entry surface 10 as well as the tiltable arrangement of the deflection surface 11 can be provided individually or together in all of the described embodiments.
  • the spectacle lens according to the invention is easy to manufacture, since the entry surface 10 and adjacent surfaces are located in relatively similar positions in the z-direction, although they are at a sufficient distance from one another. These are preferably optically used surfaces, such as the entry surface 10, the deflection surface 11 and the front and rear sides 8, 7. This makes it possible to provide an injection molding tool for producing the spectacle lens 3 with a transition between the surfaces that can be easily removed from the mold.
  • the imaging optics can be implemented telecentrically on the imager side. This achieves the advantage that a z-displacement of the image generator 6 leads to a displacement of the virtual image position along the z-direction without affecting the field of view for the user and thus the position of the exit pupil 16, which can also be referred to as the eyebox , is changed.
  • the positioning unit 20 can be designed accordingly for the displacement of the imaging device 6 along the z-direction and can then be controlled via the control unit 15 .
  • FIGS. 2 to 6 The representation in FIGS. 2 to 6 is very schematic.
  • there is a reflection at the front side 8 followed by a reflection at the back and the deflection at the mirror surface 13.
  • the virtual image is reflected into the field of vision of the user via the first spectacle lens 3.
  • reflection via the second spectacle lens 4 is also possible.
  • the display device 1 can be designed in such a way that information or virtual images about both Eyeglass lenses 3, 4 are reflected. The reflection can take place in such a way that a three-dimensional image impression is created. However, this is not absolutely necessary.
  • the spectacle lenses 3, 4 can have a refractive power of zero or a non-zero refractive power (in particular to correct ametropia).
  • both the front side 8 and the back side 7 can be curved.
  • the front side is spherically curved. If the spectacle lens 3, 4 has a non-zero refractive power in order to correct an ametropia, the curvature of the rear side 7 is usually selected accordingly in order to achieve the corresponding correction.
  • the back 7 can have a curvature that deviates from the spherical shape.
  • the holding device 2 does not have to be in the form of a spectacle-like holding device. Any other type of holding device is also possible, with which the display device 1 can be placed and carried on the head.

Landscapes

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Abstract

Es wird eine Anzeigevorrichtung mit einer auf den Kopf eines Benutzers aufsetzbaren Haltevorrichtung (2), einem an der Haltevorrichtung (2) befestigten Bildgeber (6) zur Erzeugung eines Bildes, einer Steuereinheit (15) zur Steuerung des Bildgebers (6) und einem an der Haltevorrichtung (2) befestigten Brillenglas (3, 4), das einen Einkoppelabschnitt (9) und einen davon entlang einer ersten Richtung beabstandeten Auskoppelabschnitt (12) aufweist, bereitgestellt, wobei der Auskoppelabschnitt (12) eine Umlenkstruktur (13) mit einer vorbestimmten Ausdehnung in der ersten Richtung aufweist und wobei das erzeugte Bild über den Einkoppelabschnitt (9) in das Brillenglas (3, 4) eingekoppelt, im Brillenglas (3, 4) durch mindestens eine Reflexion bis zum Auskoppelabschnitt (12) geführt und über den Auskoppelabschnitt (12) durch Umlenkung an der Umlenkstruktur (13) entlang einer Auskoppelrichtung in eine Austrittspupille (16) ausgekoppelt wird, so dass der Benutzer im auf dem Kopf aufgesetzten Zustand der Haltevorrichtung (2) das ausgekoppelte Bild als virtuelles Bild wahrnehmen kann, wobei der Einkoppelabschnitt (9) eine Eintrittsfläche (10) aufweist, die in der ersten Richtung breiter ist als das Bild des Bildgebers (6), und wobei einstellbar ist, an welcher Einkoppelstelle der Eintrittsfläche (10) in der ersten Richtung das Bild über die Eintrittsfläche (10) eingekoppelt wird, wobei die Einkoppelstelle die Auskoppelrichtung des Auskoppelabschnitts (12) und somit die Position der Austrittspupille (16) in der ersten Richtung festlegt, so dass der Abstand der Austrittspupille (16) vom Einkoppelabschnitt entlang der ersten Richtung einstellbar ist, und wobei unabhängig von der Einkoppelstelle bei der Umlenkung mittels der Umlenkstruktur (13) die Umlenkstruktur (13) entlang der ersten Richtung stets über die gesamte vorbestimmte Ausdehnung genutzt wird.

Description

Anzeigevorrichtung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anzeigevorrichtung, die auf den Kopf eines Benutzers aufsetzbar ist und ihm über ein Brillenglas ein virtuelles Bild anbietet.
Bei solchen Anzeigevorrichtungen besteht die Problematik, dass verschiedene Benutzer verschiedene Schläfen-Augen-Abstände haben, so dass bezogen auf die Schläfe des Benutzers die Position für das virtuelle Bild in lateraler Richtung von Benutzer zu Benutzer unterschiedlich sein kann.
Ausgehend hiervon ist es daher Aufgabe der Erfindung, eine Anzeigevorrichtung bereitzustellen, mit der eine einfache Anpassung an unterschiedliche Schläfen-Augen-Abstände möglich ist.
Die Erfindung ist im unabhängigen Anspruch 1 definiert. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Da erfindungsgemäß über die Position der Einkoppelstelle des erzeugten Bildes die Position der Austrittspupille in der ersten Richtung festgelegt ist, kann in dieser Art und Weise leicht eine Anpassung an unterschiedliche Schläfen-Augen-Abstände durchgeführt werden.
Ferner wird erfindungsgemäß unabhängig von der Einkoppelstelle bei der Umlenkung mittels der Umlenkstruktur die Umlenkstruktur entlang der ersten Richtung stets über die gesamte vorbestimmte Ausdehnung genutzt. Dadurch kann die Umlenkstruktur in der ersten Richtung sehr kompakt ausgebildet werden.
Wenn eine Zwischenabbildung des Bildes innerhalb des Brillenglases zwischen Einkoppelabschnitt und Auskoppelabschnitt vorliegt, kann das Brillenglas sehr kompakt ausgebildet werden. Ferner ist es möglich, durch die dann vorliegende größere optische
Weglänge beispielsweise ein oder zwei zusätzliche Korrekturspiegel einzubringen. Dadurch lässt sich das System leichter und flexibler korrigieren, wobei eine bessere Verzeichnung und Spotgröße erreicht werden kann. Das erfindungsgemäße Brillenglas realisiert alleine (oder mit einer Zusatzoptik, die zwischen Bildgeber und Eintrittsfläche des Brillenglases angeordnet sein kann) eine Abbildungsoptik, die das erzeugte Bild des Bildgebers so abbildet, dass der Benutzer es als virtuelles Bild wahrnehmen kann. Dabei ist die Abbildungsoptik so ausgebildet, dass die Einkoppelstelle der Eintrittsfläche, an der das erzeugte Bild eingekoppelt wird, die Auskoppelrichtung des Auskoppelabschnitts und somit die Position der Austrittspupille in der ersten Richtung festlegt.
Ferner kann die Abbildungsoptik beispielsweise bildgeberseitig telezentrisch realisiert werden. Dann kann mittels einer z-Verschiebung des Bildgebers (bzw. Änderung des Abstands zwischen Bildgeber und Brillenglas) die virtuelle Lage ebenfalls in z-Richtung verschoben werden, ohne dass das Sichtfeld verändert wird.
Das Brillenglas kann aus Kunststoff oder Glas hergestellt sein. Insbesondere kann das Brillenglas ein- oder mehrteilig ausgebildet sein.
Die Umlenkstruktur kann als eine einzige durchgehende Spiegelfläche ausgebildet sein. Die Spiegelfläche kann teilreflektiv sein. Es ist jedoch auch möglich, dass sie eine möglichst hohe Reflektivität von nahezu 100% aufweist.
Ferner kann die Umlenkstruktur mehrere zueinander versetzte Spiegelflächen aufweisen und insbesondere als reflektive oder teilreflektive Fresnel-Struktur ausgebildet sein.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, die ebenfalls erfindungswesentliche Merkmale offenbaren, noch näher erläutert. Diese Ausführungsbeispiele dienen lediglich der Veranschaulichung und sind nicht als einschränkend auszulegen. Beispielsweise ist eine Beschreibung eines Ausführungsbeispiels mit einer Vielzahl von Elementen oder Komponenten nicht dahingehend auszulegen, dass alle diese Elemente oder Komponenten zur Implementierung notwendig sind. Vielmehr können andere Ausführungsbeispiele auch alternative Elemente und Komponenten, weniger Elemente oder Komponenten oder zusätzliche Elemente oder Komponenten enthalten. Elemente oder Komponenten verschiedener Ausführungsbeispiele können miteinander kombiniert werden, sofern nichts anderes angegeben ist. Modifikationen und Abwandlungen, welche für eines der Ausführungsbeispiele beschrieben werden, können auch auf andere Ausführungsbeispiele anwendbar sein. Zur Vermeidung von Wiederholungen werden gleiche oder einander entsprechende Elemente in verschiedenen Figuren mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet und nicht mehrmals erläutert. Von den Figuren zeigen:
Fig. 1 eine schematische perspektivische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anzeigevorrichtung;
Fig. 2 eine vergrößerte Teilschnittansicht des ersten Brillenglases einschließlich einer schematischen Darstellung des Bilderzeugungsmoduls;
Fig. 3 eine Darstellung gemäß Fig. 2;
Fig. 4 eine Darstellung gemäß Fig. 2;
Fig. 5 eine Darstellung gemäß Fig. 2 einer weiteren Ausführungsform
Fig. 6 eine Darstellung gemäß Fig. 2 einer weiteren Ausführungsform, und
Fig. 7 eine Darstellung gemäß Fig. 2 einer weiteren Ausführungsform.
Bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform umfasst die erfindungsgemäße Anzeigevorrichtung 1 eine auf den Kopf eines Benutzers aufsetzbare Flaltevorrichtung 2, die z.B. in Art eines herkömmlichen Brillengestells ausgebildet sein kann, sowie ein erstes und ein zweites Brillenglas 3, 4, die an der Flaltevorrichtung 2 befestigt sind. Die Haltevorrichtung 2 mit den Brillengläsern 3, 4 kann z.B. als Sportbrille, Sonnenbrille und/oder Brille zur Korrektur einer
Fehlsichtigkeit ausgebildet sein, wobei dem Benutzer über das erste Brillenglas 3 ein virtuelles Bild in sein Gesichtsfeld eingespiegelt werden kann, wie nachfolgend beschrieben wird.
Dazu umfasst die Anzeigevorrichtung 1 ein Bilderzeugungsmodul 5, das im Bereich des rechten Brillenbügels der Haltevorrichtung 2 angeordnet sein kann, wie in Fig. 1 schematisch dargestellt ist. Das Bilderzeugungsmodul 5 kann ein flächiges Bilderzeugungselement 6 (Fig. 2), wie z.B. einen OLED-, einen LCD- oder ein LCoS-Chip oder eine Kippspiegelmatrix, mit einer Vielzahl von z.B. in Zeilen und Spalten angeordneten Pixeln aufweisen. Wie am besten aus der vergrößerten, schematischen Teilschnittansicht in Fig. 2 ersichtlich ist, weist das erste Brillenglas 3 eine Rückseite 7 und eine Vorderseite 8 auf. Die Rückseite 7 und die Vorderseite 8 sind hier als plane Flächen gezeigt. Es ist jedoch auch möglich, dass die Rückseite 7 und/oder die Vorderseite 8 gekrümmt ausgebildet sind. Beispielsweise kann eine sphärische Krümmung oder eine asphärische Krümmung vorliegen.
Seitlich weist das Brillenglas 3 einen Einkoppelabschnitt 9 mit einer Eintrittsfläche 10, die plan oder gekrümmt ausgebildet sein kann, und eine Umlenkfläche 11 , die ebenfalls plan oder gekrümmt ausgebildet sein kann, auf. Die Umlenkfläche 11 kann insbesondere als reflektive Fläche ausgebildet sein. Die Umlenkung kann aber auch durch innere Totalreflexion bewirkt werden.
Ferner weist das erste Brillenglas 3 einen Auskoppelabschnitt 12 mit einer Umlenkstruktur 13 auf. Der Auskoppelabschnitt 12 ist vom Einkoppelabschnitt 9 entlang einer ersten Richtung (hier die y-Richtung) beabstandet. Die Umlenkstruktur 13 kann als Spiegelfläche 13 ausgebildet sein, die entlang der ersten Richtung eine vorbestimmte Ausdehnung aufweist. Die Spiegelfläche 13 kann plan ausgebildet sein. Je nach Anwendung kann sie teiltransparent sein. In diesem Fall kann der Benutzer das erzeugte virtuelle Bild in Überlagerung mit der Umgebung wahrnehmen. Es ist jedoch auch möglich, dass die Spiegelfläche 13 eine möglichst hohe Reflektivität aufweist. Dies ist insbesondere für Anwendungen von Vorteil, bei denen der Benutzer nur das virtuelle Bild und nicht die Umgebung wahrnehmen soll.
Von jedem Pixel des Bildgebers 6 kann ein Lichtbündel 14 ausgehen. Durch eine entsprechende Ansteuerung der Pixel des Bildgebers 6 mittels einer Steuereinheit 15, die einen Prozessor 19 aufweist und die Teil des Bilderzeugungsmoduls 5 sein kann, kann das gewünschte Bild erzeugt werden. In Fig. 2 ist stellvertretend für die Lichtbündel 14 der Strahlengang eines Lichtbündels 14 eingezeichnet.
Das vom Bildgeber 6 ausgehende Lichtbündel 14 tritt über die Eintrittsfläche 10 in das Brillenglas 3 ein und wird von der Umlenkfläche 11 so umgelenkt, dass eine Reflexion an der Rückseite 7 (z.B. innere Totalreflexion) stattfindet und dadurch das Lichtbündel 14 auf die Spiegelfläche 13 trifft, die eine Umlenkung in Richtung zur Rückseite 7 derart bewirkt, dass das Lichtbündel 14 über die Rückseite 7 aus dem ersten Brillenglas 3 austritt. Die Umlenkung wird dabei so bewirkt, dass die Auskoppelrichtung, entlang der das Lichtbündel 14 über die Rückseite 7 austritt, der -z-Richtung entspricht.
Wie ferner in der schematischen Darstellung in Fig. 2 angedeutet ist, ist das erste Brillenglas 3 hier so ausgebildet, dass innerhalb des Brillenglases 3 zwischen Einkoppelabschnitt 9 und Auskoppelabschnitt 12 eine Zwischenabbildung des mittels des Bildgebers 6 erzeugten Bildes vorliegt. Jedoch ist eine solche Zwischenabbildung nicht zwingend notwendig. Wie in Fig. 2 gezeigt ist, ist die Ausdehnung des Bildgebers 6 in der ersten Richtung (y- Richtung) kleiner als die entsprechende Ausdehnung der Eintrittsfläche 10 und ist der Bildgeber 6 mittig vor der Eintrittsfläche 10 bezogen auf die erste Richtung angeordnet. In diesem Fall liegt die Austrittspupille 16 der Anzeigevorrichtung 1 an der durch die Pfeil P1 gekennzeichneten Position, so dass ein Benutzer, der die Anzeigevorrichtung auf dem Kopf trägt und sein Auge A an dieser Position P1 positioniert hat, ein virtuelles Bild vor der Vorderseite 8 wahrnehmen kann, wie in Fig. 2 schematisch dargestellt ist. Das entsprechende Sehfeld (field of view) ist mit dem Doppelpfeil K1 angedeutet. Somit kann ein Benutzer bei der Augenposition gemäß Fig. 2 und Geradeausblick (Blickrichtung 18 in Fig. 2) das virtuelle Bild 17 wahrnehmen.
Bei der erfindungsgemäßen Anzeigevorrichtung kann der Bildgeber 6 mittels einer Positioniereinheit 20 unter Steuerung der Steuereinheit 15 entlang der ersten Richtung (y- Richtung) verschoben werden, so dass verschiedene Einkoppelstellen eingestellt werden können. Die Einkoppelstelle kann sich auf einen vorbestimmten Punkt des Bildgebers 6 beziehen (beispielsweise die Mitte des Bildgebers 6 oder der obere oder der untere Rand in y- Richtung).
Wenn der Bildgeber 6 so positioniert ist, wie in Fig. 3 gezeigt ist, führt die Abbildung der Anzeigevorrichtung dazu, dass die Auskoppelrichtung nun nicht mehr entlang der -z-Richtung verläuft, sondern dazu geneigt ist. Dies führt zu einer lateralen (in y-Richtung) Verschiebung der Austrittspupille 16, so dass das Auge A des Benutzers an der Position P2 positioniert sein muss, um das virtuelle Bild wahrnehmen zu können (Doppelpfeil K2). Die Blickrichtung 18 des Benutzers ist ebenfalls geneigt im Vergleich zu Fig. 2.
Bei der Position des Bildgebers 6 gemäß Fig. 4 ändert sich wiederum die Auskoppelrichtung, so dass die Austrittspupille 16 lateral verschoben ist. Das Auge A des Benutzers muss an der entsprechenden Stelle (Pfeil P3) positioniert sein, um das virtuelle Bild wahrnehmen zu können (Doppelpfeil K3). Die Blickrichtung 18 des Benutzers ist ebenfalls geneigt im Vergleich zu Fig.
2.
Wie aus Fig. 2 bis 4 erkennbar ist, ist durch die Wahl der Einkoppelstelle des Bildgebers 6 vor der Eintrittsfläche 10 die laterale Position der Austrittspupille 16 (entlang der y-Richtung) einstellbar, so dass die Anzeigevorrichtung 1 auf unterschiedliche Schläfen-Augen-Abstände der individuellen Benutzer leicht einstellbar ist.
Der Bereich 21 der möglichen Pupillenpositionen führt zu einem Winkelbereich 22 der zugeordneten Blickrichtung 18. Wie ferner aus Fig. 2 bis 4 erkennbar ist, wird unabhängig von der Einkoppelstelle bei der Umlenkung mittels der Umlenkstruktur 13 die Umlenkstruktur 13 entlang der ersten Richtung stets über die gesamte vorbestimmte Ausdehnung genutzt.
In einer Abwandlung (Fig. 5) ist die Ausdehnung des Bildgebers 6 in der ersten Richtung (y- Richtung) genau so groß oder größer wie die entsprechende Ausdehnung der Eintrittsfläche 10, so dass der Bildgeber 6 selbst nicht verschoben werden muss, um unterschiedliche Einkoppelstellen für das erzeugte Bild zu erzeugen. Es wird lediglich der entsprechende Bereich auf dem Bildgeber 6 angesteuert, um das Bild zu erzeugen, so dass die Einkoppelstelle für das erzeugte Bild in y-Richtung variieren kann. In diesem Fall kann die Positioniereinheit 20 entfallen.
Bei den beschriebenen Ausführungsformen ist das Brillenglas 3 für das Bild des Bildgebers 6 als Abbildungsoptik ausgebildet, die das mittels des Bildgebers 6 erzeugte Bild so abbildet, dass er der Benutzer als virtuelles Bild wahrnehmen kann. Wie bereits erwähnt, kann die Abbildungsoptik so ausgebildet sein, dass innerhalb des Brillenglases 3 eine Zwischenabbildung und somit ein Zwischenbild vorliegt. Dadurch kann der Querschnitt des Brillenglases 3 reduziert werden, so dass eine kompakte Bauweise realisiert werden kann. Ferner wird durch das Zwischenbild die optische Weglänge größer, in die dann beispielsweise ein oder zwei zusätzliche Korrekturspiegel eingebracht werden können. Dadurch lässt sich die Abbildungsoptik leichter und flexibler korrigieren und es kann eine bessere Verzeichnung und Spotgröße erreicht werden.
Wie in dem Ausführungsbeispiel von Fig. 6 gezeigt ist, kann zwischen dem Bildgeber 6 und der Eintrittsfläche 10 eine weitere Optik (hier schematisch als Linse 23 dargestellt) vorgesehen sein. Dadurch kann wiederum eine leichtere und flexiblere Korrektur mit besserer Verzeichnung und Spotgröße erreicht werden. Die Ausführungsform von Fig. 6 ist eine Abwandlung der Ausführungsform von Fig. 5. Natürlich kann diese in Verbindung mit Fig. 6 beschriebene Abwandlung auch bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 bis 4 vorgesehen sein.
In Fig. 7 ist eine Abwandlung der Ausführungsform gemäß Fig. 2 dargestellt.
Einerseits ist bei dieser Ausführungsform der Bildgeber 6 von der Eintrittsfläche 10 beabstandet. Dabei kann insbesondere kein weiteres optisches Element zwischen dem Bildgeber 6 und der Eintrittsfläche 10 vorliegen. Eine solche Beabstandung des Bildgebers 6 von der Eintrittsfläche kann auch bei den Ausführungsformen gemäß Fig. 2 bis 5 vorgesehen sein. Andererseits ist die Umlenkfläche 11 in der Art und Weise kippbar gestaltet, dass ein Luftraum zwischen dem Brillenglas 3 und der Umlenkfläche 11 vorliegt. Das Lichtbündel 14 tritt daher über die Fläche 11 ‘ aus dem Brillenglas 3 aus, trifft auf die Umlenkfläche 11 , wird an dieser reflektiert und tritt wiederum über die Fläche 11 ‘ in das Brillenglas 3 ein. Die Wahl des Kippwinkels der Umlenkfläche 11 kann zusätzlich zur Position des Bildgebers 6 entlang der y- Richtung genutzt werden, um die beschriebene Verschiebung der Austrittpupille 16 in der y- Richtung zu bewirken. Alternativ ist es möglich, die erfindungsgemäße Anzeigevorrichtung so auszubilden, dass nur über die Wahl des Kippwinkels der Umlenkfläche 11 die beschriebene Verschiebung der Austrittspupille 16 entlang der y-Richtung erfolgt.
Die beiden beschriebenen Merkmale des Abstands zwischen dem Bildgeber 6 und der Eintrittsfläche 10 sowie der kippbaren Anordnung der Umlenkfläche 11 können einzeln oder zusammen bei sämtlichen beschriebenen Ausführungsformen vorgesehen werden.
Ferner ist das erfindungsgemäße Brillenglas fertigungsfreundlich, da die Eintrittsfläche 10 sowie angrenzende Flächen sich auf relativ ähnlichen Positionen in z-Richtung befinden, wobei diese jedoch zueinander einen ausreichenden Abstand haben. Es handelt sich hierbei bevorzugt um optisch genutzte Flächen, wie die Eintrittsfläche 10, die Umlenkfläche 11 sowie Vorder- und Rückseite 8, 7. Damit ist es möglich, ein Spritzgusswerkzeug zur Herstellung des Brillenglases 3 mit gut entformbarem Übergang zwischen den Flächen bereitzustellen.
Die Abbildungsoptik kann bildgeberseitig telezentrisch realisiert werden. Damit wird der Vorteil erreicht, dass eine z-Verschiebung des Bildgebers 6 zu einer Verschiebung der virtuellen Bildlage entlang der z-Richtung führt, ohne dass dabei das Sehfeld für den Benutzer und somit die Lage der Austrittspupille 16, die auch als Eyebox bezeichnet werden kann, verändert wird. Zur Verschiebung des Bildgebers 6 entlang der z-Richtung kann beispielsweise die Positioniereinheit 20 entsprechend ausgebildet sein und dann über die Steuereinheit 15 angesteuert werden.
Die Darstellung in den Fig. 2 bis 6 ist sehr schematisch. Bevorzugt erfolgt nach der Umlenkung an der Umlenkfläche 11 eine Reflexion an der Vorderseite 8 gefolgt von einer Reflexion an der Rückseite und der Umlenkung an der Spiegelfläche 13.
Bei der erfindungsgemäßen Anzeigevorrichtung 1 erfolgt die Einspiegelung des virtuellen Bildes in das Gesichtsfeld des Benutzers über das erste Brillenglas 3. Natürlich ist auch eine Einspiegelung über das zweite Brillenglas 4 möglich. Des Weiteren kann die Anzeigevorrichtung 1 so ausgebildet sein, dass Informationen bzw. virtuelle Bilder über beide Brillengläser 3, 4 eingespiegelt werden. Dabei kann die Einspiegelung so erfolgen, dass ein dreidimensionaler Bildeindruck entsteht. Dies ist jedoch nicht zwingend notwendig.
Die Brillengläser 3, 4 können eine Brechkraft von Null oder eine von Null verschiedene Brechkraft (insbesondere zur Korrektur einer Fehlsichtigkeit) aufweisen. Insbesondere kann sowohl die Vorderseite 8 als auch die Rückseite 7 gekrümmt ausgebildet sein. Die Vorderseite ist insbesondere sphärisch gekrümmt. Wenn das Brillenglas 3, 4 eine von Null verschiedene Brechkraft aufweist, um eine Fehlsichtigkeit zu korrigieren, ist in der Regel die Krümmung der Rückseite 7 entsprechend gewählt, um die entsprechende Korrektur zu erreichen. Die Rückseite 7 kann eine von der sphärischen Form abweichende Krümmung aufweisen.
Die Haltevorrichtung 2 muss nicht als brillenartige Haltevorrichtung ausgebildet sein. Es ist auch jede andere Art der Haltevorrichtung möglich, mit der ein Aufsetzen und Tragen der Anzeigevorrichtung 1 auf dem Kopf erfolgen kann.

Claims

Patentansprüche
1. Anzeigevorrichtung mit einer auf den Kopf eines Benutzers aufsetzbaren Haltevorrichtung (2), einem an der Haltevorrichtung (2) befestigten Bildgeber (6) zur Erzeugung eines Bildes, einer Steuereinheit (15) zur Steuerung des Bildgebers (6) und einem an der Haltevorrichtung (2) befestigten Brillenglas (3, 4), das einen Einkoppelabschnitt (9) und einen davon entlang einer ersten Richtung beabstandeten Auskoppelabschnitt (12) aufweist, wobei der Auskoppelabschnitt (12) eine Umlenkstruktur (13) mit einer vorbestimmten Ausdehnung in der ersten Richtung aufweist und wobei das erzeugte Bild über den Einkoppelabschnitt (9) in das Brillenglas (3, 4) eingekoppelt, im Brillenglas (3, 4) durch mindestens eine Reflexion bis zum Auskoppelabschnitt (12) geführt und über den Auskoppelabschnitt (12) durch Umlenkung an der Umlenkstruktur (13) entlang einer Auskoppelrichtung in eine Austrittspupille (16) ausgekoppelt wird, so dass der Benutzer im auf dem Kopf aufgesetzten Zustand der Haltevorrichtung (2) das ausgekoppelte Bild als virtuelles Bild wahrnehmen kann, wobei der Einkoppelabschnitt (9) eine Eintrittsfläche (10) aufweist, die in der ersten Richtung breiter ist als das Bild des Bildgebers (6), und wobei einstellbar ist, an welcher
Einkoppelstelle der Eintrittsfläche (10) in der ersten Richtung das Bild über die Eintrittsfläche (10) eingekoppelt wird, wobei die Einkoppelstelle die Auskoppelrichtung des Auskoppelabschnitts (12) und somit die Position der Austrittspupille (16) in der ersten Richtung festlegt, so dass der Abstand der Austrittspupille (16) vom Einkoppelabschnitt entlang der ersten Richtung einstellbar ist, und wobei unabhängig von der Einkoppelstelle bei der Umlenkung mittels der Umlenkstruktur (13) die Umlenkstruktur (13) entlang der ersten Richtung stets über die gesamte vorbestimmte Ausdehnung genutzt wird.
2. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 1 , wobei die Anzeigevorrichtung so ausgebildet ist, dass zwischen Einkoppelabschnitt (9) und Auskoppelabschnitt (12) eine Zwischenabbildung des Bildes vorliegt.
3. Anzeigevorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, wobei das Brillenglas (3) eine Vorderseite (8) und eine Rückseite (7) aufweist und der Einkoppelabschnitt (9) eine der Eintrittsfläche (10) nachgeordnete Umlenkfläche (11) aufweist, an der das über die Eintrittsfläche (10) eingekoppelte Bild zur Vorderseite (8) reflektiert wird, so dass an der Vorderseite (8) eine Reflexion in Richtung zur Rückseite (7) stattfindet, an der das Bild reflektiert und direkt auf die Umlenkstruktur (13) trifft.
4. Anzeigevorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, wobei die Umlenkstruktur (13) als eine einzige durchgehende Spiegelfläche ausgebildet ist.
5. Anzeigevorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, wobei eine Positioniereinheit (20) vorgesehen ist, die zur Einstellung der Einkoppelstelle den Bildgeber (6) entlang der ersten Richtung bewegt.
6. Anzeigevorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, wobei der Bildgeber (6) das Bild so erzeugt, dass es in der ersten Richtung eine geringere Ausdehnung aufweist als die Ausdehnung des Bildgebers (6) in der ersten Richtung beträgt und durch Wahl der Position des erzeugten Bildes auf dem Bildgeber (6) die Einstellung der Einkoppelstelle durchgeführt wird.
7. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Ausdehnung des Bildgebers (6) in der ersten Richtung mindestens der Ausdehnung der Eintrittsfläche (10) in der ersten Richtung entspricht.
8. Anzeigevorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, wobei zwischen dem Bildgeber (6) und der Eintrittsfläche (10) eine Zusatzoptik (23) angeordnet ist, die zusammen mit dem Brillenglas (3, 4) die Abbildung des erzeugten Bildes als virtuelles Bild (17) bewirkt.
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