DE102010041343A1 - display device - Google Patents
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Abstract
Es wird bereitgestellt eine Anzeigevorrichtung mit einer auf den Kopf eines Benutzers aufsetzbaren Haltevorrichtung (2), einem an der Haltevorrichtung (2) befestigten Bildgeber (5) zur Erzeugung eines Bildes, einer Steuereinheit (9) zur Steuerung des Bildgebers (5) und einem an der Haltevorrichtung (2) befestigten Multifunktionsglas (3, 4), das einen ersten Einkoppelbereich (12) und einen ersten Auskoppelbereich (13) aufweist, wobei das erzeugte Bild über den ersten Einkoppelbereich (12) in das Multifunktionsglas (3) eingekoppelt, im Multifunktionsglas (3) bis zum ersten Auskoppelbereich (13) geführt und über den ersten Auskoppelbereich (13) so ausgekoppelt wird, daß der Benutzer im auf dem Kopf aufgesetzten Zustand der Haltevorrichtung (2) das ausgekoppelte Bild als virtuelles Bild wahrnehmen kann, wobei das Multifunktionsglas (3) zumindest einen weiteren Auskoppelbereich (60, 61) aufweist, der relativ zum ersten Auskoppelbereich (13) versetzt ist, wobei die Einkoppelrichtung und/oder der Einkoppelort des erzeugten Bildes einstellbar ist und in Abhängigkeit davon das erzeugte Bild vom ersten Auskoppelbereich (13) oder vom weiteren Auskoppelbereich (60, 61) als das virtuelle Bild ausgekoppelt wird.A display device is provided with a holding device (2) that can be placed on the head of a user, an imaging device (5) attached to the holding device (2) for generating an image, a control unit (9) for controlling the imaging device (5) and one The holding device (2) fastened multifunction glass (3, 4), which has a first coupling-in area (12) and a first coupling-out area (13), the generated image being coupled into the multifunction glass (3) via the first coupling-in area (12), in the multifunction glass (3) up to the first decoupling area (13) and is decoupled via the first decoupling area (13) so that the user can perceive the decoupled image as a virtual image when the holding device (2) is placed on the head, the multifunction glass ( 3) has at least one further coupling-out area (60, 61) which is offset relative to the first coupling-out area (13), the coupling-in direction and / or the coupling-in location of the generated image is adjustable and, as a function thereof, the generated image is decoupled from the first coupling-out area (13) or from the further coupling-out area (60, 61) as the virtual image.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anzeigevorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.The present invention relates to a display device according to the preamble of
Mit einer solchen Anzeigevorrichtung kann einem Benutzer beispielsweise ein Bild eines mit der Anzeigevorrichtung verbindbaren Gerätes dargeboten werden. Bei dem Gerät kann es sich zum Beispiel um einen Computer, ein Navigationsgerät, einen Organizer, ein Smartphone, etc. handeln. Da jedoch verschiedene Benutzer in der Regel unterschiedliche Nase-Augen-Abstände aufweisen, ist es schwierig, die virtuelle Bilderzeugung in einfacher Art daran anzupassen.With such a display device, a user can, for example, be presented with an image of a device that can be connected to the display device. The device may be, for example, a computer, a navigation device, an organizer, a smartphone, etc. However, since different users typically have different nose-to-eye distances, it is difficult to easily adapt virtual imaging to it.
Ausgehend hiervon ist es daher Aufgabe der Erfindung, die Anzeigevorrichtung der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß eine vereinfachte Anpassung an verschiedene Nase-Augen-Abstände möglich ist.Proceeding from this, it is therefore an object of the invention to develop the display device of the type mentioned so that a simplified adaptation to different nose-eye distances is possible.
Die Aufgabe wird bei einer Anzeigevorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß das Multifunktionsglas zumindest einen weiteren Auskoppelbereich aufweist, der relativ zum ersten Auskoppelbereich versetzt ist, wobei die Einkoppelrichtung und/oder der Einkoppelort des erzeugten Bildes einstellbar ist und in Abhängigkeit davon das erzeugte Bild vom ersten Auskoppelbereich oder vom weiteren Auskoppelbereich als das virtuelle Bild ausgekoppelt wird.The object is achieved in a display device of the type mentioned above in that the multifunction glass has at least one further decoupling region which is offset relative to the first decoupling region, wherein the coupling-in direction and / or the Einkoppelort the generated image is adjustable and depending on the generated image from the first decoupling area or from the further decoupling area is decoupled as the virtual image.
Somit ist erfindungsgemäß nur eine Einstellung der Einkoppelrichtung und/oder des Einkoppelortes des erzeugten Bildes notwendig, um eine Anpassung an die verschiedenen Nase-Augen-Abstände durchzuführen. Eine Änderung des Multifunktionsglases selbst ist dann nicht mehr notwendig. Somit kann in einfachster Art und Weise die gewünschte Anpassung an die Nase-Augen-Abstände durchgeführt werden.Thus, according to the invention, only one adjustment of the coupling-in direction and / or the coupling-in location of the generated image is necessary in order to adapt to the different nose-eye distances. A change of the multifunction glass itself is then no longer necessary. Thus, in the simplest way the desired adaptation to the nose-eye distances can be performed.
Bei der erfindungsgemäßen Anzeigevorrichtung kann das erzeugte Bild entweder nur vom ersten Auskoppelbereich oder nur vom weiteren Auskoppelbereich ausgekoppelt werden.In the display device according to the invention, the generated image can be coupled out either only from the first outcoupling region or only from the further outcoupling region.
Der weitere Auskoppelbereich kann den ersten Auskoppelbereich teilweise überlappen. Es ist jedoch auch möglich, daß der weitere Auskoppelbereich nicht den ersten Auskoppelbereich überlappt.The further decoupling region may partially overlap the first decoupling region. However, it is also possible that the further decoupling area does not overlap the first decoupling area.
Ferner können mehrere weitere Auskoppelbereiche vorgesehen sein, um eine feinere Anpassung der Anzeigevorrichtung an den vorliegenden Nase-Augen-Abstand durchzuführen.Furthermore, a plurality of further decoupling regions can be provided in order to carry out a finer adaptation of the display device to the present nose-eye distance.
Bei der erfindungsgemäßen Anzeigevorrichtung kann der Bildgeber zur Einstellung der Einkoppelrichtung um eine Achse kippbar sein. Ferner kann der Bildgeber zur Einstellung des Einkoppelortes entlang einer Achse verschiebbar sein. Jedoch trifft das eingekoppelte Bild stets auf den Einkoppelbereich, der die gewünschte Einkopplung bzw. Umlenkung durchführt.In the display device according to the invention, the imager can be tilted about an axis for adjusting the coupling-in direction. Furthermore, the imager may be displaceable along an axis for adjusting the coupling-in location. However, the coupled-in image always hits the coupling-in area which carries out the desired coupling or deflection.
Ferner kann die Anzeigevorrichtung eine Fixiereinheit aufweisen, die die eingestellte Verkippung bzw. Drehstellung und/oder die eingestellte Verschiebung und somit die eingestellte Stellung des Bildgebers fixiert. Die Fixiereinheit kann so ausgebildet sein, daß die Fixierung mittels Form-, Reib- und/oder Stoffschluß bewirkt ist.Furthermore, the display device may have a fixing unit which fixes the set tilt or rotational position and / or the set displacement and thus the set position of the image generator. The fixing unit may be designed so that the fixation is effected by means of form, friction and / or material connection.
Die Anzeigevorrichtung kann insbesondere in Art einer Brille ausgebildet sein. In diesem Fall ist die Haltevorrichtung als Brillengestell ausgestaltet. Insbesondere kann ein herkömmliches Brillenglas als Multifunktionsglas ausgebildet werden. Dazu muß im wesentlichen nur der erste Einkoppelbereich und der erste sowie der weitere Auskoppelbereich im Brillenglas ausgebildet werden.The display device can be designed in particular in the form of a pair of glasses. In this case, the holding device is designed as a spectacle frame. In particular, a conventional spectacle lens can be designed as a multifunctional glass. For this purpose, essentially only the first coupling-in region and the first and the further coupling-out region must be formed in the spectacle lens.
Ferner kann die erfindungsgemäße Anzeigevorrichtung so ausgebildet sein, daß der Benutzer – im auf dem Kopf aufgesetzten Zustand der Haltevorrichtung – das ausgekoppelte Bild in Überlagerung mit der Umgebung wahrnehmen kann.Furthermore, the display device according to the invention can be designed so that the user - in the mounted on the head state of the holding device - can perceive the decoupled image in superimposition with the environment.
Bevorzugt sind der erste Einkoppelbereich und der erste sowie der weitere Auskoppelbereich an der – im auf dem Kopf aufgesetzten Zustand der Haltevorrichtung – dem Auge des Benutzers abgewandten Vorderseite des Multifunktionsglases ausgebildet. Insbesondere sind der erste Einkoppelbereich und der erste sowie der weitere Auskoppelbereich jeweils als reflektive Bereiche ausgestaltet.Preferably, the first coupling region and the first and the further decoupling region are formed on the front side of the multifunctional glass facing away from the user's eye in the state of the holding device mounted on the head. In particular, the first coupling-in region and the first and the further coupling-out region are each designed as reflective regions.
Die Steuereinheit kann bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung insbesondere dazu eingerichtet sein, den Bildgeber so anzusteuern, daß das gewünschte Bild erzeugt wird.In the case of the device according to the invention, the control unit can be set up, in particular, to control the imager such that the desired image is generated.
Bei der erfindungsgemäßen Anzeigevorrichtung können der erste Einkoppelbereich, der erste Auskoppelbereich und/oder der weitere Auskoppelbereich jeweils als Fresnel-Struktur ausgebildet sein. In the display device according to the invention, the first coupling-in region, the first coupling-out region and / or the further coupling-out region can each be designed as a Fresnel structure.
Die jeweilige Fresnel-Strukturen kann eine abbildende Eigenschaft aufweisen. Die abbildende Eigenschaft kann zum Beispiel dazu benutzt werden, eventuell bei der Führung im Multifunktionsglas auftretende Abbildungsfehler zu korrigieren.The respective Fresnel structures may have an imaging property. The imaging feature can be used, for example, to correct any aberrations that may occur during the guidance in the multifunctional glass.
Die jeweilige Fresnel-Struktur kann insbesondere an der Materialgrenzfläche des Multifunktionsglases ausgebildet sein, wobei die Materialgrenzfläche insbesondere eine gekrümmte Materialgrenzfläche ist. Damit wird eine hohe Designfreiheit für das Multifunktionsglas bereitgestellt, die kaum oder gar nicht durch die notwendige optische Funktion des Einkoppel- oder Auskoppelbereiches beschränkt wird, da die optische Funktion des Einkoppel- bzw. Auskoppelbereich mittels der Fresnel-Struktur verwirklicht wird.The respective Fresnel structure may in particular be formed on the material interface of the multi-functional glass, wherein the material interface is in particular a curved material interface. This provides a high freedom of design for the multifunctional glass, which is hardly or not at all limited by the necessary optical function of the coupling-in or coupling-out region, since the optical function of the coupling-in or coupling-out region is realized by means of the Fresnel structure.
Die jeweilige Fresnel-Struktur kann transmissiv oder reflektiv ausgebildet sein. Wenn sie transmissiv ausgebildet ist, ist sie bevorzugt auf der dem Auge des Benutzers zugewandter Materialgrenzfläche des Multifunktionsglases gebildet, wenn die Haltevorrichtung auf dem Kopf des Benutzers aufgesetzt ist. Wenn die Fresnel-Struktur reflektiv ist, ist sie bevorzugt für den ersten Einkoppelbereich und den ersten und zweiten Auskoppelbereich jeweils an der im auf dem Kopf aufgesetzten Zustand der Haltevorrichtung dem Auge des Benutzers abgewandten Vorderseite des Multifunktionsglases ausgebildet und ist sie bevorzugt für den zweiten Einkoppelbereich an der Rückseite des Multifunktionsglases ausgebildet.The respective Fresnel structure may be transmissive or reflective. If it is of a transmissive nature, it is preferably formed on the material interface of the multifunctional glass facing the user's eye when the holding device is placed on the head of the user. If the Fresnel structure is reflective, it is preferably designed for the first coupling-in region and the first and second coupling-out regions respectively at the front side of the multifunctional glass facing away from the user's eye in the head-mounted state of the holding device and is preferably for the second coupling-in region formed the back of the multi-functional glass.
Die jeweilige Fresnel-Struktur kann mehrere Fresnel-Segmente aufweisen, wobei die optisch wirksamen Facetten der Fresnel-Segmente optisch eine gedachte optische Wirkfläche nachahmen. Die optische Wirkfläche ist insbesondere gekrümmt. Ferner kann sie keine Spiegelsymmetrie, keine Rotationssymmetrie und/oder keine Translationssymmetrie aufweisen.The respective Fresnel structure may have a plurality of Fresnel segments, wherein the optically active facets of the Fresnel segments optically emulate an imaginary optical active surface. The optical active surface is in particular curved. Furthermore, it can not have mirror symmetry, rotational symmetry and / or translational symmetry.
Ferner kann die Fresnel-Struktur eine Strahlengangfaltung bewirken.Furthermore, the Fresnel structure can cause a beam path convolution.
Die Führung des Bildes im Multifunktionsglas vom ersten Einkoppelbereich zum ersten Auskoppelbereich bzw. zum weiteren Auskoppelbereich erfolgt jeweils bevorzugt durch innere Totalreflexion an Vorder- und Rückseite des Multifunktionsglases.The guidance of the image in the multifunction glass from the first coupling-in region to the first coupling-out region or to the further coupling-out region is preferably carried out in each case by total internal reflection at the front and rear sides of the multifunctional glass.
Die maximale Höhe jeder Facette ist bei der Fresnel-Struktur bevorzugt gleich groß. Sie liegt beispielsweise im Bereich von 5 bis 500 μm, insbesondere im Bereich von 0,01 bis 0,1 mm.The maximum height of each facet is preferably equal in the Fresnel structure. It is for example in the range of 5 to 500 .mu.m, in particular in the range of 0.01 to 0.1 mm.
Besonders bevorzugt ist ein Bereich von 200 bis 300 μm sowie ein Bereich von 0,05 bis 0,3 mm.Particularly preferred is a range of 200 to 300 microns and a range of 0.05 to 0.3 mm.
Die Facettenform kann eine Nahrung, insbesondere eine lineare Nahrung der Form des entsprechenden Flächenabschnitts der gedachten Wirkfläche sein. Insbesondere können die Facetten im Schnitt konkav, konvex oder linear sein.The facet shape may be a food, in particular a linear food of the shape of the corresponding surface portion of the imaginary effective surface. In particular, the facets may be concave, convex or linear in section.
Die Fresnel-Segmente können direkt benachbart sein, wie dies bei einer „klassischen” Fresnel-Struktur ist. Es ist jedoch möglich, daß die Fresnel-Segmente voneinander beabstandet sind, wobei zwischen ihnen dann bevorzugt der normale Verlauf der Materialgrenzfläche vorliegt.The Fresnel segments may be directly adjacent, as in a "classic" Fresnel structure. However, it is possible that the Fresnel segments are spaced apart from one another, with the normal course of the material interface then preferably existing between them.
Die erfindungsgemäße Anzeigevorrichtung kann ein zweites Multifunktionsglas, das an der Haltevorrichtung befestigt ist, sowie einen zweiten Bildgeber aufweisen. Das zweite Multifunktionsglas ist bevorzugt in gleicher bzw. entsprechender Weise ausgebildet. Insbesondere kann es spiegelsymmetrisch zum ersten Multifunktionsglas ausgebildet sein. Somit können beiden Augen des Benutzers Bilder dargeboten werden. Dies kann beispielsweise zu einer dreidimensionalen Bilddarstellung genutzt sein. Das zweite Multifunktionsglas, kann, muß aber nicht, einen Rückkanal aufweisen.The display device according to the invention may comprise a second multifunction glass, which is attached to the holding device, and a second imager. The second multi-functional glass is preferably formed in the same or corresponding manner. In particular, it may be mirror-symmetrical to the first multifunction glass. Thus, both eyes of the user images can be presented. This can be used for example for a three-dimensional image representation. The second multifunctional glass may, but need not, have a return channel.
Ferner weist die erfindungsgemäße Anzeigevorrichtung bevorzugt eine Schnittstelle auf, um ein Gerät mit der Anzeigevorrichtung zu verbinden. Dabei handelt es sich insbesondere um eine Datenschnittstelle. Bei dem Gerät kann es sich beispielsweise um einen Computer, ein Smartphone, ein Navigationsgerät, etc. handeln. In diesem Fall wird eine kombinierte Anzeigevorrichtung bereitgestellt, die die erfindungsgemäße Anzeigevorrichtung sowie das mit ihr verbundene Gerät umfaßt.Furthermore, the display device according to the invention preferably has an interface in order to connect a device to the display device. This is in particular a data interface. The device may be, for example, a computer, a smartphone, a navigation device, etc. In this case, a combined display device is provided which comprises the display device according to the invention and the device connected to it.
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. It is understood that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the specified combinations but also in other combinations or alone, without departing from the scope of the present invention.
Nachfolgend wird die Erfindung beispielsweise anhand der beigefügten Zeichnungen, die auch erfindungswesentliche Merkmale offenbaren, noch näher erläutert. Es zeigen:The invention will be explained in more detail for example with reference to the accompanying drawings, which also disclose characteristics essential to the invention. Show it:
Bei der in
Wie am besten aus der vergrößerten Detailansicht in
Wie wiederum aus
Der Bildgeber
Das Licht vom Bildgeber
Welche der drei zweiten Fresnel-Strukturen
Somit wird das Multifunktionsglas
Der Vorwärtskanal
Ferner kann der Bildgeber
Die ersten Auskoppelbereiche
Es kann ferner ein Gerät
Nachfolgend wird ein Beispiel der Ausbildung der ersten Fresnel-Struktur
Jedes Fresnel-Segment
Die gemeinsame optische Wirkung der Facetten
Die Wirkfläche
Die durchzuführenden Schritte, um von der gedachten optischen Wirkfläche
In der vergrößerten Darstellung des Details CC in
Für die erste Fresnel-Struktur
Die Fläche zFacette der Facetten, die auch als ”gefresnelte” Freiformfläche bezeichnet werden kann, berechnet sich nach der folgenden Formel 2
Durch die Anwendung der Modulo-Funktion auf die Wirkfläche
Gemäß dem oben beschriebenen Vorgehen kann basierend auf einer gewünschten optischen Wirkfläche
Wie der Darstellung in
Es ist jedoch auch möglich, die Facetten mit einer konvexen Krümmung (
In
In
Diese Art der Berechnung von zF ist natürlich auch bei allen bereits beschriebenen Ausführungsformen sowie bei allen noch nachfolgenden Ausführungsformen möglich.This type of calculation of z F is, of course, also possible in all the embodiments already described as well as in all subsequent embodiments.
In
In
In
Es ist jedoch auch möglich, die Fresnel-Struktur
In
Alle bisher beschriebenen Fresnel-Strukturen
Wenn man die Fresnel-Facetten
Der Teil des Umgebungsstrahlenbündels US, der (in
Die nicht zusammenhängende Fresnel-Struktur
Bevorzugt können die zweiten Fresnel-Strukturen
Um eine regelmäßige Anordnung bzw. Struktur der Fresnel-Abschnitte
Wobei T die geforderte Transmission für das Umgebungslicht in Prozent, N die Anzahl der Kreise in x-Richtung und APX die Aperturbreite in x-Richtung ist. Die Kreise werden zunächst in einem festen Raster mit Rasterabstand APX/N in x und y äquidistant angeordnet. Danach werden die Kreismittelpunktslagen leicht modifiziert, indem die Richtung und Länge der Mittelpunktverschiebung ausgewürfelt werden. Die Länge wird hier so gewählt, daß kein Überlappungseffekt zwischen benachbarten Kreisen auftritt.Where T is the required transmission for the ambient light in percent, N is the number of circles in the x-direction and APX is the aperture width in the x-direction. The circles are first arranged equidistantly in a fixed grid with grid spacing APX / N in x and y. Thereafter, the circle center locations are slightly modified by dicing the direction and length of the midpoint shift. The length is chosen here so that no overlap effect between adjacent circles occurs.
Als Statistikfunktionen für Länge und Winkel können folgende Formeln angewendet werden.The following formulas can be used as statistic functions for length and angle.
Statistische Verschiebungslänge:Statistical shift length:
-
r = (APX/N/2 – D/2)·randfr = (APX / N / 2 - D / 2) · edge f
Statistische Verschiebungsrichtung:Statistical shift direction:
-
w = 360·randfw = 360 · edgef
Wobei randf einen Zufallswert zwischen 0 und 1 liefert. Die modifizierte Position der Kreise
Wobei die Funktion round das Argument (APY/APX) auf ganze Zahlen rundet.The round function rounds the argument (APY / APX) to integers.
Natürlich kann auch jede andere Art der Verteilung der Fresnel-Abschnitte
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