DE102014107938A1

DE102014107938A1 - Anzeigevorrichtung

Info

Publication number: DE102014107938A1
Application number: DE102014107938.8A
Authority: DE
Inventors: Hans-Jürgen Dobschal
Original assignee: Carl Zeiss AG
Current assignee: Carl Zeiss AG
Priority date: 2014-06-05
Filing date: 2014-06-05
Publication date: 2015-12-17
Anticipated expiration: 2034-06-06
Also published as: DE102014107938B4; DE202014010406U1

Abstract

Es wird eine Anzeigevorrichtung mit einer auf den Kopf eines Benutzers aufsetzbaren Haltevorrichtung (2) und einer an der Haltevorrichtung (2) befestigten ersten Abbildungsoptik (15), die dafür ausgebildet ist, ein in einer Bildebene (E) erzeugtes Bild als virtuelles Bild so abzubilden, dass es der Benutzer im auf dem Kopf aufgesetzten Zustand der Haltevorrichtung (2) mit einem ersten Auge (LA, RA) wahrnehmen kann, bereitgestellt, wobei die erste Abbildungsoptik (15) eine erste Linse (16) mit negativer Brechkraft und eine von der ersten Linse (16) beabstandete zweite Linse (17) mit positiver Brechkraft aufweist, wobei die erste Linse (16) näher an der Bildebene (E) positioniert ist als die zweite Linse (17).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anzeigevorrichtung mit einer auf den Kopf eines Benutzers aufsetzbaren Haltevorrichtung und einer an der Haltevorrichtung befestigten ersten Abbildungsoptik, die dafür ausgebildet ist, ein in einer Bildebene erzeugtes Bild als virtuelles Bild so abzubilden, dass es der Benutzer im auf dem Kopf aufgesetzten Zustand der Haltevorrichtung mit einem ersten Auge wahrnehmen kann.
Bei solchen Anzeigevorrichtungen besteht der Wunsch, ein möglichst großes erzeugtes Bild in einem großen Sichtfeld dem Benutzer darzubieten. Dies ist aufgrund des begrenzten Bauraumes, da die Anzeigevorrichtung auf dem Kopf getragen werden soll, schwierig. Die Abbildungsoptik soll einerseits somit möglichst leicht sein und einen geringen Bauraum aufweisen. Dies führt zu Abbildungsoptiken, mit wenigen Optikelementen und geringen Abmessungen. Andererseits soll sie auch größere erzeugte Bilder in einem ausreichend großen Sichtfeld als virtuelles Bild darbieten. Dazu sind in der Regel größere und mehr Optikelemente notwendig.
Ausgehend hiervon ist es daher Aufgabe der Erfindung, eine Anzeigevorrichtung der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass die eingangs genannten Schwierigkeiten möglichst vollständig überwunden werden können.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einer Anzeigevorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die erste Abbildungsoptik eine erste Linse mit negativer Brechkraft und eine von der ersten Linse beabstandete zweite Linse mit positiver Brechkraft aufweist, wobei die erste Linse näher an der Bildebene positioniert ist als die zweite Linse.
Mit diesem Aufbau der ersten Abbildungsoptik wird vorteilhaft erreicht, dass alle vier Grenzflächen der beiden Linsen unterschiedlich ausgebildet sein können und dadurch die gewünschte hohe Abbildungsqualität bei gleichzeitig geringem Bauraumbedarf verwirklicht werden kann.
Insbesondere ist die erste Abbildungsoptik frei von Umlenkelementen zur Strahlengangfaltung. Dies führt zu einer kompakten Ausbildung der ersten Abbildungsoptik.
Die erste Linse weist eine erste und zweite Grenzfläche und die zweite Linse weist eine erste und zweite Grenzfläche auf, wobei bevorzugt alle vier Grenzflächen der beiden Linsen jeweils als Asphären ausgebildet sind. Insbesondere sind sie als rotationssymmetrische Asphären ausgebildet. Bevorzugt sind die Asphären bzw. die rotationssymmetrischen Asphären für alle vier Grenzflächen unterschiedlich. Damit kann in einfacher Art und Weise eine ausgezeichnete Abbildungsqualität bereitgestellt werden.
Die erste Abbildungsoptik führt die Abbildung rein refraktiv durch. Insbesondere enthält die erste Abbildungsoptik keine diffraktiven und/oder reflektiven Elemente.
Die erste Linse kann als Konkav-Konkav-Linse oder als Konvex-Konkav-Linse, deren konkave Seite der Bildebene zugewandt ist, ausgebildet sein. Die zweite Linse kann als Konvex-Konvex- Linse ausgebildet sein.
Bei der erfindungsgemäßen Anzeigevorrichtung kann die Bildebene im auf dem Kopf aufgesetzten Zustand der Haltevorrichtung im wesentlichen senkrecht zur Geradeausblickrichtung sein. Dies vereinfacht den Aufbau der ersten Abbildungsoptik. Unter im wesentlichen senkrecht wird hier insbesondere verstanden, dass der Winkel bevorzugt 90° oder nahezu 90° ist.
Insbesondere kann die erste Abbildungsoptik aus der ersten und zweiten Linse bestehen. In diesem Fall enthält die Abbildungsoptik keine weiteren optischen Elemente.
Die beiden Linsen können aus Kunststoff gebildet sein. Damit kann das Gewicht der ersten Abbildungsoptik gering gehalten werden. Es ist auch möglich, dass zumindest eine der beiden Linsen oder beide Linsen aus einem Glasmaterial gebildet sind.
Die beiden Linsen können aus unterschiedlichen Materialien gebildet sein. Insbesondere ist es bevorzugt, dass die erste Linse eine erste Abbe-Zahl und die zweite Linse eine zweite Abbe- Zahl aufweist, wobei die zweite Abbe-Zahl größer ist als die erste Abbe-Zahl.
Die erste Abbildungsoptik kann eine Austrittspupille aufweisen, die z.B. kreisförmig oder rund (z.B. oval) ist. Ferner kann die Austrittspupille auch als Eyebox bezeichnet werden, wobei die Eyebox insbesondere der Bereich ist, der durch die erste Abbildungsoptik bereitgestellt wird und in dem sich das Auge des Benutzers bewegen kann und er stets noch das erzeugte Bild als virtuelles Bild sehen kann.
Die Anzeigevorrichtung kann so ausgebildet sein, dass der Abstand zwischen der Austrittspupille und der Bildebene kleiner als 100 mm ist. Insbesondere kann der Abstand kleiner als 90 mm, 80 mm, 70 mm oder 60 mm und/oder größer als 20 mm, 30 mm oder 40 mm sein.
Insbesondere kann der Abstand zwischen der Austrittspupille und der zweiten Linse (bzw. der der Austrittspupille zugewandten Seite der zweiten Linse) mindestens 14 mm, 15 mm, 16 mm, 17 mm, 18 mm, 19 mm oder 20 mm betragen. Bei Werten von 15 mm und insbesondere bei Werten von mindestens 18 mm ist es möglich, dass ein Benutzer seine Brille, sofern er eine solche benötigt, bei Benutzung der erfindungsgemäßen Anzeigevorrichtung weiterhin tragen kann. Somit kann eine Fehlsichtigkeitskorrektur durch die entsprechende Brille des Benutzers erfolgen und der Benutzer kann trotzdem die Anzeigevorrichtung in der bestimmungsgemäßen Art und Weise nutzen.
Insbesondere kann der Abstand zwischen der der Bildebene zugewandten Seite der ersten Linse und der Bildebene kleiner oder gleich 25 mm, 24 mm, 23 mm, 21 mm, 20 mm oder 18 mm sein. Der Abstand wird hier entlang der optischen Achse bestimmt. Damit ist eine kompakte Ausbildung der erfindungsgemäßen Anzeigevorrichtung möglich.
Die Austrittspupille kann einen Durchmesser oder eine maximale Ausdehnung von größer oder gleich 5 mm, 6 mm, 7 mm, 8 mm, 9 mm oder 10 mm aufweisen. Insbesondere kann der Durchmesser oder die maximale Ausdehnung 6 mm, 7 mm, 8 mm, 9 mm, 10 mm, 11 mm, 12 mm, 13 mm, 14 mm oder 15 mm betragen.
Die erste Abbildungsoptik kann so ausgebildet sein, dass ein in der Bildebene erzeugtes Bild mit einer Diagonalen von mindestens 45 mm oder 50 mm vollständig als virtuelles Bild gebildet wird. Insbesondere kann die Diagonale 60 mm betragen und die erste Abbildungsoptik kann dieses Bild vollständig als virtuelles Bild abbilden. Das erzeugte Bild ist insbesondere quadratisch oder rechteckförmig. Insbesondere kann ein Seitenverhältnis von 4:3 oder auch 16:9 oder sonstige Seitenverhältnisse vorliegen.
Die erste Abbildungsoptik ist insbesondere so ausgebildet, dass das erzeugte Bild für eine zentral in der Austrittspupille positionierte Augenpupille vignettierungsfrei abgebildet wird.
Des weiteren kann die erste Abbildungsoptik so ausgebildet sein, dass sie das erzeugte Bild so abbildet, dass dem Benutzer ein Sichtfeld mit einer Diagonalen von größer als 60° und insbesondere von größer als 70° bereitgestellt ist. Die Diagonale kann z.B. kleiner oder gleich 90°, 85°, 80° oder 75° sein.
Bei der erfindungsgemäßen Anzeigevorrichtung ist die erste Abbildungsoptik dafür ausgebildet, ein in einer Bildebene erzeugtes Bild als virtuelles Bild so abzubilden, dass es der Benutzer im auf dem Kopf aufgesetzten Zustand der Haltevorrichtung mit einem ersten Auge wahrnehmen kann. Damit ist die Eigenschaft der ersten Abbildungsoptik näher beschrieben, ohne dass die erfindungsgemäße Anzeigevorrichtung ein Element zur Erzeugung des erzeugten Bildes enthalten muß. Die erfindungsgemäße Anzeigevorrichtung umfaßt somit bevorzugt nur die Haltevorrichtung und die erste Abbildungsoptik.
Bei der erfindungsgemäßen Anzeigevorrichtung kann in der Bildebene ein Bildgeber angeordnet sein, der das Bild erzeugt, das mittels der ersten Abbildungsoptik abgebildet ist. Der Bildgeber kann insbesondere ein selbstleuchtendes Display sein. Ferner kann der Bildgeber ein LCD-Modul, ein LCoS-Modul oder ein OLED-Modul aufweisen. Der Bildgeber kann eine Mehrzahl von (z.B. in Zeilen und Spalten angeordneten) Pixeln aufweisen, von denen jeweils ein Lichtbündel ausgehen kann, um das gewünschte Bild zu erzeugen.
Der Bildgeber kann auch Teil eines weiteren Gerätes bzw. einer Vorrichtung sein. So kann beispielsweise ein Mobiltelefon oder eine sonstige tragbare elektronische Vorrichtung mit einem entsprechenden Display eingesetzt werden. Auch ist es möglich, ein Display für eine solche Vorrichtung als solches zu benutzen.
Bevorzugt kann der Bildgeber auswechselbar in der Bildebene angeordnet sein. So kann z.B. eine Halterung für den Bildgeber vorgesehen sein. Beispielsweise kann die Halterung für ein spezielles Mobiltelefon angepaßt sein, so dass der Benutzer sein Mobiltelefon in die Anzeigevorrichtung einsetzen und benutzen kann.
Die erste Abbildungsoptik kann insbesondere so ausgebildet sein, dass der Abstand der beiden Linsen nicht änderbar ist. Es ist jedoch auch möglich, die beiden Linsen so zu haltern, dass sie entlang der optischen Achse verschiebbar sind. Die Halterung kann so ausgebildet sein, dass die erste Linse und/oder die zweite Linse entlang der optischen Achse verschiebbar ist. Diese Verschiebbarkeit kann z.B. für einen Dioptrienausgleich für einen Benutzer eingesetzt werden.
Zusätzlich oder alternativ kann die Halterung der beiden Linsen so ausgebildet sein, dass eine Verstellung oder Verschiebung quer oder senkrecht zur optischen Achse möglich ist. Damit kann eine Anpassung der Lage der ersten Abbildungsoptik an die Position des Auges durchgeführt werden. Insbesondere kann eine Anpassung an den Pupillenabstand des Benutzers erfolgen.
Die Linsen der ersten Abbildungsoptik sind bevorzugt koaxial angeordnet und weisen somit eine gemeinsame optische Achse auf.
Die erste Abbildungsoptik kann insbesondere so ausgebildet sein, dass das Strehl-Verhältnis für jeden Feldwinkel größer oder gleich 0,3 und insbesondere größer oder gleich 0,4 ist.
Die erste Abbildungsoptik kann insbesondere so ausgebildet sein, dass der Betrag der Brennweite der ersten Linse in etwa dem Betrag der Brennweite der zweiten Linse entspricht. Insbesondere kann der Unterschied zwischen den Beträgen der Brennweiten nicht mehr als 30% und insbesondere nicht mehr als 20 % betragen. Der Betrag der Brennweite der zweiten Linse kann größer oder kleiner als der Betrag der Brennweite der ersten Linse sein. Insbesondere kann der Betrag der Brennweite der zweiten Linse dem 0,9- bis 1,2-fachen des Betrages der Brennweite der ersten Linse betragen.
Bei der erfindungsgemäßen Anzeigevorrichtung kann die erste Linse als Konvex-Konkav-Linse ausgebildet sein, deren konkave Seite der Bildebene zugewandt ist. Damit lassen sich sehr gute Abbildungseigenschaften verwirklichen. Insbesondere ist die Bereitstellung einer großen Austrittspupille möglich.
Die konkave Seite der ersten Linse kann insbesondere im wesentlichen kegelförmig ausgebildet sein, wobei die kegelförmige Ausbildung eine abgerundete Spitze (im Bereich der optischen Achse) aufweist. Insbesondere kann die kegelförmige Ausbildung einem geraden Kreiskegel entsprechen, dessen Spitze abgerundet ist.
Die erfindungsgemäße Anzeigevorrichtung kann neben der ersten Abbildungsoptik eine zweite Abbildungsoptik aufweisen, die in gleicher Weise ausgebildet ist wie die erste Abbildungsoptik, wobei die zweite Abbildungsoptik dafür ausgebildet ist, ein erzeugtes zweites Bild einem zweiten Auge des Benutzers als virtuelles Bild bereitzustellen, wenn dieser die Haltevorrichtung auf dem Kopf trägt.
Die zweite Abbildungsoptik kann insbesondere so ausgebildet sein, dass der Abstand der beiden Linsen nicht änderbar ist. Es ist jedoch auch möglich, die beiden Linsen so zu haltern, dass sie entlang der optischen Achse verschiebbar sind. Die Halterung kann so ausgebildet sein, dass die erste Linse und/oder die zweite Linse der zweiten Abbildungsoptik entlang der optischen Achse verschiebbar ist. Diese Verschiebbarkeit kann z.B. für einen Dioptrienausgleich für einen Benutzer eingesetzt werden. Zusätzlich oder alternativ kann die Halterung so ausgebildet sein, dass die beiden Linsen der zweiten Abbildungsoptik quer oder senkrecht zur optischen Achse positioniert werden können. Damit ist eine Anpassung an den vorliegenden Pupillenabstand des jeweiligen Benutzers leicht möglich.
Für beide Abbildungsoptiken kann ein separater Bildgeber in der Anzeigevorrichtung angeordnet sein. Es ist jedoch auch möglich, dass ein gemeinsamer Bildgeber vorgesehen ist, der einen Abschnitt für die erste Abbildungsoptik und einen Abschnitt für die zweite Abbildungsoptik aufweist. Die beiden Abschnitte sind bevorzugt voneinander getrennt. Dies kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass, wenn der Benutzer sein Mobiltelefon als Bildgeber nutzt, ein Teil des Bildschirms des Mobiltelefons für die erste Abbildungsoptik das Bild erzeugt und ein anderer Teil des Bildschirms des Mobiltelefons das Bild für die zweite Abbildungsoptik erzeugt.
Der Bildgeber kann so ausgebildet sein, dass er ein monochromatisches oder ein mehrfarbiges Bild erzeugt.
Die Haltevorrichtung kann brillenartig ausgebildet sein. Insbesondere kann sie eine Nasenauflage aufweisen. Es ist jedoch auch jede andere Art der Haltevorrichtung möglich, die ein Tragen der Anzeigevorrichtung auf dem Kopf des Benutzers zuläßt.
Die erfindungsgemäße Anzeigevorrichtung kann weitere, dem Fachmann bekannte Elemente aufweisen, die zu ihrem Betrieb notwendig sind.
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 beispielsweise anhand der beigefügten Zeichnungen, die auch erfindungswesentliche Merkmale offenbaren, noch näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische perspektivische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anzeigevorrichtung 1;
2 eine schematische Draufsicht der Ausführungsform von 1;
3 eine Schnittdarstellung durch die erste Bildeinheit 11 der erfindungsgemäßen Anzeigevorrichtung;
4 eine Darstellung zur Erläuterung des bereitgestellten Sichtfeldes;
5 eine Darstellung zur Erläuterung der bei der Abbildung mittels der ersten Abbildungsoptik auftretenden Verzeichnung;
6 eine Darstellung der Modulationsübertragungsfunktion der ersten Bildeinheit 11;
7–9 Darstellungen der Punktbildfunktion der ersten Bildeinheit 11 für verschiedene Feldwinkel;
10 eine Schnittdarstellung gemäß 3 durch eine weiteren Ausführungsform der ersten Bildeinheit 11;
11 eine Schnittdarstellung gemäß 10 einer weiteren Ausführungsform der ersten Bildeinheit 11;
12 eine Darstellung gemäß 2 einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anzeigevorrichtung, und
13 eine perspektivische schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anzeigevorrichtung.
In 1 ist eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anzeigevorrichtung 1 schematisch in einer perspektivischen Darstellung gezeigt. Die Anzeigevorrichtung 1 weist eine brillenartige Haltevorrichtung 2 mit einem Vorderteil 3, das eine Nasenauflage 4 umfaßt, sowie zwei mit dem Vorderteil 3 verbundene Bügel 5 auf.
Die Anzeigevorrichtung 1 kann wie eine herkömmliche Brille auf den Kopf eines Benutzers aufgesetzt werden, wobei dann die Nasenauflage 4 auf der Nase des Benutzers und die von dem Vorderteil 3 wegweisenden Enden der Bügel 5 an den Ohren des Benutzers aufliegen.
Die Anzeigevorrichtung 1 kann optional Ohrhörer 6 aufweisen, die jeweils über einen Verbindungsabschnitt 7 mit dem Vorderteil 3 verbunden sind. Die Verbindungsabschnitte 7 sind so ausgebildet, dass die Ohrhörer 6 im auf dem Kopf aufgesetzten Zustand der Haltevorrichtung 2 so bezüglich der Ohren des Benutzers positioniert werden können, dass der Benutzer über die Ohrhörer 6 abgegebene Signale wahrnehmen kann. Die Ohrhörer 6 können insbesondere als In-Ohr-Hörer oder Auf-Ohr-Hörer ausgebildet sein.
Die erfindungsgemäße Anzeigevorrichtung 1 kann ferner optional eine Verbindungsleitung K aufweisen, die hier in den rechten Bügel 5 mündet. Über diese Leitung K kann eine Energieversorgung und/oder können Daten übertragen werden. Es ist jedoch auch möglich, die Leitung K wegzulassen. In diesem Fall kann z.B. ein Akku oder eine Batterie vorgesehen sein, um die Energieversorgung, soweit notwendig, sicherzustellen. Daten, sofern sie übertragen werden müssen, können beispielsweise über Funk übertragen werden.
Die Anzeigevorrichtung 1 ist insbesondere so ausgebildet, dass sie jedem Auge des Benutzers im aufgesetzten Zustand der Haltevorrichtung 2 ein virtuelles Bild so bereitstellt, dass der Benutzer nur das virtuelle Bild und nicht die Umgebung wahrnehmen kann. In diesem Fall kann die Anzeigevorrichtung 1 auch als HMD-Vorrichtung (Head Mounted Display)-Vorrichtung bezeichnet werden. Somit kann ein Benutzer bei aufgesetzter Anzeigevorrichtung nur die dargestellten Bilder und nicht die Umgebung wahrnehmen.
In 2 ist in einer schematischen Draufsicht im wesentlichen ein im Vorderteil 3 angeordnetes Bildmodul 10 dargestellt, das eine erste Bildeinheit 11 für ein linkes Auge LA des Benutzers und eine zweite Bildeinheit 12 für ein rechtes Auge RA des Benutzers aufweist. Da die beiden Bildeinheiten 11, 12 grundsätzlich gleich ausgebildet sind, sind gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet und wird nachfolgend im wesentlichen nur die erste Bildeinheit 11 im Detail beschrieben. In der Darstellung von 2 ist das Vorderteil 3 als oben offen dargestellt, damit das Bildmodul 10 sichtbar ist. Es ist jedoch bevorzugt, dass das Vorderteil 3 geschlossen ausgebildet ist.
Die erste Bildeinheit 11 umfaßt einen flächigen Bildgeber 13, eine Steuereinheit 14 für den Bildgeber 13 sowie eine Abbildungsoptik 15 mit zwei voneinander beabstandeten Linsen 16 und 17.
Der flächige Bildgeber, der ein selbstleuchtendes Display sein und z.B. ein LCD-Modul, ein LCoS-Modul oder ein OLED-Modul umfassen kann, erzeugt unter der Steuerung der Steuereinheit 14 ein Bild, das mittels der Abbildungsoptik 15 so abgebildet wird, dass es ein Benutzer, wenn er die Haltevorrichtung 2 auf dem Kopf trägt, mit seinem linken Auge LA als virtuelles Bild wahrnehmen kann.
Der flächige Bildgeber 13 erstreckt sich in der y- und x-Richtung und somit senkrecht zur Zeichenebene gemäß 2. Der Bildgeber 13 liegt somit in einer Bildebene E, die durch die y- und x-Richtung aufgespannt ist. Der Bildgeber 13 kann beispielsweise ein Bild erzeugen, das viereckig oder rechteckig ist, wobei sich die entsprechenden Seiten des viereckigen oder rechteckigen Bildes bevorzugt in x- und y-Richtung erstrecken. Bei rechteckigen Bildern erstreckt sich die längere Seite bevorzugt in der y-Richtung. Bei der hier beschriebenen Ausführungsform beträgt das Seitenverhältnis des erzeugten Bildes 4:3, wobei die Diagonale 62,5 mm beträgt.
Die in 3 gezeigte vergrößerte Schnittdarstellung von einigen Elementen der ersten Bildeinheit 11 ist entlang der Diagonalen des mittels des Bildgebers 13 bereitgestellten Bildfeldes bzw. des erzeugten Bildes, wobei der Strahlenverlauf für eine Hälfte der Diagonalen schematisch dargestellt ist.
Wie insbesondere der Darstellung in 3 zu entnehmen ist, ist die erste Linse 16 der Abbildungsoptik 15 als Linse mit negativer Brechkraft ausgebildet und ist die zweite Linse 17, die von der ersten Linse 16 beabstandet ist, als Linse mit positiver Brechkraft ausgebildet.
Die erste Linse 16 weist eine erste und eine zweite Grenzfläche 18, 19 und die zweite Linse 16 weist eine erste und zweite Grenzfläche 20 und 21 auf. Alle vier Grenzflächen 18–21 sind als asphärische Flächen ausgebildet. Insbesondere können sie als rotationssymmetrische Asphären ausgebildet sein, die bezüglich der optischen Achse OA rotationssymmetrisch sind. Die optische Achse OA steht senkrecht auf der Bildebene.
Die vier Grenzflächen können durch die folgende Flächengleichung beschrieben werden, wobei r die radiale Höhe auf der Fläche ist.

Die Asphärenkonstanten für die Flächen sind in nachfolgender Tabelle 1 angegeben. Tabelle 1

Fläche	c	k	A	B	C	D	E	F
21	0.02458985	–34.37620747	0	0	0	0	0	0
20	–0.08089100	–1.20132548	–1.02404E-06	0	0	0	0	0
19	–0.05245461	–0.82014849	2.70981E-05	–4.48079E-09	0	0	0	0
18	0.03588622	–7.51958853	–1.60900E-06	8.73574E-09	0	0	0	0

Die Abstände entlang der optischen Achse OA sind in der nachfolgenden Tabelle 2 angegeben. Tabelle 2

Fläche-Fläche Abstand [mm]

22–21 16,0

21–20 13,9

20–19 8,83

19–18 3,0

18–E 16,27
Die erste Linse 16 ist aus Polycarbonat mit einer Brechzahl n1 von 1,585 und einer Abbe-Zahl ν1 von 30,0 gebildet. Die zweite Linse 17 ist aus PMMA mit einer zweiten Brechzahl n2 von 1,492 und einer zweiten Abbe-Zahl ν2 von 57,2 gebildet. Die Brechzahlen und Abbe-Zahlen sind hier für die Wellenlänge von 589 nm angegeben.
Da die beiden Linsen 16 und 17 voneinander beabstandet und nicht als Kittglied ausgebildet sind, können alle vier Grenzflächen 18–21 genutzt werden, um die gewünschte Abbildung zu erzielen. Damit ist es möglich, das Bild des Bildgebers 13 als virtuelles Bild abzubilden, wobei die Austrittspupille 22 einen Durchmesser von 6 mm aufweist. Die Austrittspupille 22 ist von der Bildebene E und somit von dem Bildgeber 13 um einen Abstand d von 58 mm beabstandet. Somit liegt ein äußerst kompakter Aufbau vor, der, wie nachfolgend gezeigt wird, hervorragende optische Abbildungseigenschaften bereitstellt.
Die Brennweite der ersten Linse beträgt bei der hier beschriebenen Ausführungsform –18,7 mm und die Brennweite der zweiten Linse 17 beträgt hier +21,02 mm. Damit ist eine gute Farbfehlerkompensation möglich, obwohl die beiden Linsen 16, 17 nicht als Kittglied ausgebildet sind. Insbesondere können die Brennweiten so gewählt sein, dass der Betrag der Brennweite der zweiten Linse 17 größer ist als der Betrag der Brennweite der ersten Linse 16. Bevorzugt liegt der Betrag der Brennweite der zweiten Linse in einem Bereich, der von dem Betrag der Brennweite der ersten Linse bis zu dem 1,2-fachen des Betrages der Brennweite der ersten Linse verläuft. Anders gesagt beträgt das Verhältnis des Betrages der Brennweite der ersten Linse 16 zum Betrag der Brennweite der zweiten Linse 1:1 bis zu 1:1,2.
So wird das virtuelle Bild dem Benutzer mit einem Sichtfeld S mit α1 = 60° in y-Richtung und α2 = 45° in x-Richtung (4) bereitgestellt, so dass das Sichtfeld S in der Diagonalen 75° beträgt.
Die auftretenden Verzeichnungen innerhalb dieses Sichtfeldes α1 und α2 sind in 5 schematisch dargestellt, wobei der ideale Fall mit den Rechtecken 23 und die tatsächliche Abbildung mit den leicht verzeichneten Vierecken 24 dargestellt ist. Insgesamt ergibt sich aus der Darstellung, dass eine äußerst geringe Verzeichnung vorliegt. Sie ist im Bereich von < 4%.
In 6 ist die polychromatische Modulationsübertragungsfunktion für eine Augenpupille eines Auges eines Benutzers mit einem Durchmesser von 3 mm dargestellt, wobei entlang der Ordinate die Modulation von 0 bis 1 und entlang de Abszisse die Linienpaare pro Millimeter aufgetragen sind.
Die Kurve K1 zeigt den theoretischen Idealfall und die restlichen Kurven zeigen die Modulationsübertragungsfunktion für verschiedene Feldwinkel im Sichtfeld, wobei mit durchgezogenen Linien die Modulationsübertragungsfunktion für die y-Richtung und mit gestrichelten Linien für die x-Richtung dargestellt sind. Des weiteren sind für jeden Feldwinkel Wellenlängen 643 nm, 546 nm und 480 nm mit den Wichtungen 5:10:3 berücksichtigt.
Die Kurve K2 betrifft einen Feldwinkel von 0° und somit den Punkt des virtuellen Bildes auf der optischen Achse OA. Hier fallen die Modulationsübertragungsfunktionen für die x-Richtung und die y-Richtung zusammen. Von der Kurve K2 hin zu den Kurven K3 und K4 nehmen die Feldwinkel zu. Die Kurve K3 betrifft einen Feldwinkel von 37,5° für die y-Richtung und die Kurve K4 betrifft einen Feldwinkel von 37,5° für die x-Richtung. Die Kurven K3 und K4 betreffen somit die diagonalen Ecken des virtuellen Bildes. Wesentlich an der Darstellung in 6 ist, dass die Modulationsübertragungsfunktion für alle Feldwinkel des virtuellen Bildes zwischen der Kurve K2 und der Kurve K3 bzw. K4 liegt.
Aus der Darstellung von 6 läßt sich entnehmen, dass die Abbildungsoptik 15 ausgezeichnete Abbildungseigenschaften aufweist.
In 7 ist die Punktbildfunktion für einen Punkt auf der optischen Achse OA dargestellt, wobei entlang der Richtung des Doppelpfeils P1 die Ausdehnung in x-Richtung in mm, entlang der Richtung des Doppelpfeils P2 die Ausdehnung in der y-Richtung in mm und entlang der Ordinate die Intensität in Prozent aufgetragen ist. Bei dieser Darstellung wurde die gleiche Wellenlängenwichtung durchgeführt, wie bei der Darstellung gemäß 6. Wie der Darstellung in 7 zu entnehmen ist, liegen ausgezeichnete Abbildungseigenschaften vor.
Bei der Darstellung gemäß 7 beträgt das Strehl-Verhältnis 0,756. Das Strehl-Verhältnis ist das Verhältnis der beobachteten maximalen Intensität in der Abbildungsebene zur theoretisch maximalen Intensität eines perfekten optischen Systems.
Die gleiche Darstellung wie in 7 ist in 8 und 9 gezeigt, wobei 8 einen diagonalen Feldwinkel von 18,7° und 9 einen diagonalen Feldwinkel von 37,5° betreffen. Auch aus diesen Darstellungen läßt sich die ausgezeichnete Abbildungseigenschaft entnehmen, dass Strehl-Verhältnis beträgt hier 0,419 (für 8) und 0,650 (für 9).
Des weiteren stellt die Abbildungsoptik 15 eine vignettierungsfreie Abbildung zur Verfügung, so dass insgesamt ausgezeichnete Abbildungsqualitäten trotz des großen Sichtfeldes und des sehr kurzen Bauraums vorliegen.
In 10 ist in einer Schnittdarstellung in gleicher Weise wie in 3 eine weitere Ausführungsform der ersten Bildeinheit und insbesondere der Abbildungsoptik 15 gezeigt.
Die Abbildungsoptik 15 umfaßt wiederum die zwei voneinander beabstandeten Linsen 16 und 17, wobei die Linse 16, die näher an der Bildebene E liegt, als Negativlinse und die Linse 17 als Positivlinse ausgebildet ist.
Während bei den bisher beschriebenen Ausführungsbeispielen die erste Linse 16 als Konkav- Konkav-Linse ausgebildet ist, ist bei der hier beschriebenen Ausführungsform gemäß 10 die erste Linse 16 als Konvex-Konkav-Linse ausgebildet, deren konkave Seite der Bildebene E zugewandt ist. Damit ist es möglich, eine größere Austrittspupille 22 bereitzustellen. Die Austrittspupille 22 weist hier einen Durchmesser von 8 mm auf. Der Durchmesser der Austrittspupille 22 ist hier somit um ein Drittel größer im Vergleich zu den bisher beschriebenen Ausführungsformen. Dabei ist die erste Linse 16 in gleicher Weise wie bei den bisher beschriebenen Ausführungsformen aus Polycarbonat und die zweite Linse 17 aus PMMA gebildet.

Die vier Grenzflächen 18–21 der ersten und zweiten Linse 16, 17 sind wiederum als rotationssymmetrische Asphären ausgebildet, die bezüglich der optischen Achse OA rotationssymmetrisch sind. Sie sind durch die oben angegebene Flächengleichung beschrieben, wobei die Asphärenkonstanten für die Flächen 18–21 in den nachfolgenden Tabellen 3, 4 angegeben sind. Tabelle 3

Fläche	c	k	A	B
21	0.02755029	–1.19257843	–4.02478E-05	6.53210E-08
20	–0.13372702	–3.43219655	–7.94677E-05	2.61207E-07
19	0.04566567	–47.19842611	–1.01677E-04	6.67058E-07
18	0.18275401	–3.65018645	–2.25585E-05	2.97105E-07

Tabelle 4

Fläche	C	D	E	F
21	0	0	0	0
20	–6.57144E-10	8.27311E-13	0	0
19	–2.78498E-09	7.08411E-12	–9.16515E-15	4.10729E-18
18	–1.72556E-09	5.06512E-12	–7.20390E-15	3.88235E-18

Die Abstände entlang der optischen Achse OA sind in der nachfolgenden Tabelle 5 angegeben. Tabelle 5

Fläche-Fläche Abstand [mm]

22–21 18,0

21–20 19,34

20–19 0,39

19–18 4,0

18–E 20,27
Neben dem großen Durchmesser der Austrittspupille 22 ist bei der hier beschriebenen Ausführungsform noch von Vorteil, dass der Abstand zwischen der Austrittspupille 22 und der Fläche 21 (und somit der Abstand zur zweiten Linse 17) 18 mm beträgt. Dies ermöglicht auch Brillenträgern, die erfindungsgemäße Anzeigevorrichtung bestimmungsgemäß zusammen mit ihrer Brille auf dem Kopf zu tragen. Damit ist ein eventuell notwendiger Dioptrienausgleich durch die Brille des Benutzers gewährleistet und dem Benutzer wird ein ausgezeichnetes Seherlebnis bereitgestellt.
In 11 ist in einer Schnittdarstellung in gleicher Weise wie in 10 eine Abwandlung der Ausführungsform der ersten Bildeinheit 11 und insbesondere der Abbildungsoptik 15 gemäß 10 gezeigt.
Bei dieser Abwandlung umfasst die Abbildungsoptik 15 wiederum zwei voneinander beabstandeten Linsen 16 und 17, wobei die erste Linse 16, die näher an der Bildebene E liegt, als Negativlinse und die zweite Linse 17 als Positivlinse ausgebildet ist. Ferner ist die erste
Linse 16 als Konvex-Konkav-Linse ausgebildet, deren konkave Seite der Bildebene E zugewandt ist. Die zweite Linse 17 ist als Konvex-Konvex-Linse ausgebildet. Des weiteren ist die erste Linse 16 in gleicher Weise wie bei den bisher beschriebenen Ausführungsformen aus Polycarbonat und die zweite Linse aus PMMA gebildet. Es wurden die gleichen Materialien wie bei den bisher beschriebenen Ausführungsformen verwendet.

Die vier Grenzflächen 18–21 der ersten und zweiten Linse 16, 17 sind als rotationssymmetrische Asphären ausgebildet, die bezüglich der optischen Achse OA rotationssymmetrisch sind. Sie können durch die oben angegebene Flächengleichung beschrieben werden, wobei die Asphärenkonstanten der Flächen 18–21 in den nachfolgenden Tabellen 6 und 7 angegeben sind. Tabelle 6

Fläche	c	k	A	B
21	0.03033007	–1.60209948	–4.30003E-05	6.46580E-08
20	–0.12496804	–3.35679383	–8.06124E-05	2.67804E-07
19	0.04115641	–43.59420143	–8.60171E-05	5.94804E-07
18	0.16131129	–3.81629776	5.94271E-06	1.79555E-07

Tabelle 7

Fläche	C	D	E	F
21	0	0	0	0
20	–6.80472E-10	8.06005E-13	0	0
19	–2.59066E-09	6.83841E-12	–9.37934E-15	4.79164E-18
18	–1.58643E-09	5.55020E-12	–9.00686E-15	5.57075E-18

Die Abstände entlang der optischen Achse OA sind in der nachfolgenden Tabelle 8 angegeben. Tabelle 8

Fläche-Fläche Abstand [mm]

22–21 18,0

21–20 19,92

20–19 0,40

19–18 4,15

18–E 18,05
Bei dieser Ausführungsform weist die runde Austrittspupille 22 einen Durchmesser von 8 mm auf. Auch ist wiederum der Abstand zwischen der Austrittspupille 22 und der Fläche 21 18 mm, so dass Brillenträger die erfindungsgemäße Anzeigevorrichtung 1 bestimmungsgemäß zusammen mit ihrer Brille auf dem Kopf tragen können. Des weiteren ist die Verzeichnung bei dieser Ausführungsform sehr gering. Sie ist kleiner gleich 1 %.
Im Unterschied zu der Ausführungsform gemäß 10 ist bei der vorliegenden Ausführungsform der Abstand d von der Austrittspupille 22 bis zur Bildebene etwas kleiner. Bei der Ausführungsform gemäß 11 beträgt der Abstand 60,52 mm wohingegen er bei der Ausführungsform gemäß 10 62 mm beträgt.
Bei der bisherigen Beschreibung wurde davon ausgegangen, dass jede Bildeinheit 11, 12 einen eigenen flächigen Bildgeber 13 aufweist. Natürlich ist es auch möglich (wie schematisch in 12 dargestellt ist), einen durchgehenden flächigen Bildgeber 13 vorzusehen, wobei ein Teil des Bildgebers 13 mittels der Abbildungsoptik 15 für das linke Auge LA und ein davon beabstandeter oder direkt angrenzender Bereich des Bildgebers 13 mittels der Abbildungsoptik 15 für das rechte Auge RA abgebildet wird. Insbesondere kann ein Mobiltelefon, z.B. ein sogenanntes Smartphone, oder eine sonstige Vorrichtung mit einer entsprechenden Anzeige (wie z.B. der sogenannte iPod touch der Firma Apple Inc., Kalifornien, USA) als flächiger Bildgeber 13 genutzt werden. In diesem Fall weist das Vorderteil 3 z.B. eine Aufnahme (nicht gezeigt) auf, in die das Mobiltelefon bzw. die sonstige Vorrichtung eingesetzt werden kann. Es ist auch möglich, nur eine in einem Mobiltelefon oder ähnlichen Geräten verwendete Anzeige als solche zu verwenden.
Eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anzeigevorrichtung 1 ist in 13 schematisch dargestellt.
Das Vorderteil 3 ist im wesentlichen kastenförmig ausgebildet und weist eine Nasenauflage 4 auf, wobei die dem Benutzer zugewandte Seite des Vorderteils 3 offen ausgebildet ist. Die Kontur der offenen Seite ist so, dass beim Tragen der Haltevorrichtung 2 der Rand der offenen Seite am Kopf anliegt, wobei dieses Anliegen bevorzugt lichtdicht ist.
Statt der Bügel 5 der bisherigen Ausführungsformen ist ein elastisches Band 25 oder ein Band 25 mit einstellbarer Länge (das auch elastisch sein kann) mit seinen beiden Enden seitlich am Vorderteil 3 befestigt, so dass man das Band 25 über den Hinterkopf führen kann und somit ein Anpreßdruck vorliegt, der das Vorderteil 3 gegen den Kopf in ergonomisch angenehmer Weise drückt.
Ferner sind schematisch die erste und zweite Abbildungsoptik 15 gezeigt. Wenn der Benutzer die Anzeigevorrichtung 1 auf dem Kopf trägt, kann er somit ein in der Bildebene E erzeugtes Bild mit seinem linken und rechten Auge in der beschriebenen Art und Weise wahrnehmen.
Die Anzeigevorrichtung gemäß 13 ist insbesondere so ausgebildet, dass ein herkömmliches Mobiltelefon oder eine sonstige Vorrichtung mit entsprechender Anzeige austauschbar einsetzbar ist und im eingesetzten Zustand der Bildschirm des Mobiltelefons bzw. die Anzeige der Vorrichtung in der Bildebene E liegt.

Claims

Anzeigevorrichtung mit einer auf den Kopf eines Benutzers aufsetzbaren Haltevorrichtung (2) und einer an der Haltevorrichtung (2) befestigten ersten Abbildungsoptik (15), die dafür ausgebildet ist, ein in einer Bildebene (E) erzeugtes Bild als virtuelles Bild so abzubilden, dass es der Benutzer im auf dem Kopf aufgesetzten Zustand der Haltevorrichtung (2) mit einem ersten Auge (LA, RA) wahrnehmen kann, wobei die erste Abbildungsoptik (15) eine erste Linse (16) mit negativer Brechkraft und eine von der ersten Linse (16) beabstandete zweite Linse (17) mit positiver Brechkraft aufweist, wobei die erste Linse (16) näher an der Bildebene (E) positioniert ist als die zweite Linse (17).
Anzeigevorrichtung nach Anspruch 1, bei der die erste Abbildungsoptik (15) frei von Umlenkelementen zur Strahlengangfaltung ist.
Anzeigevorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die erste Linse (16) eine erste und zweite Grenzfläche (18, 19) und die zweite Linse (17) eine erste und zweite Grenzfläche (20, 21) aufweisen und alle vier Grenzflächen (18–21) der beiden Linsen (16, 17) jeweils als rotationssymmetrische Asphären ausgebildet sind.
Anzeigevorrichtung nach Anspruch 3, bei der alle vier rotationssymmetrischen Asphären unterschiedlich sind.
Anzeigevorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, bei der die Bildebene (E) im auf dem Kopf aufgesetzten Zustand der Haltevorrichtung (2) im wesentlichen senkrecht zur Geradeausblickrichtung ist.
Anzeigevorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, bei der die erste Abbildungsoptik (15) aus der ersten und zweiten Linse (16, 17) besteht.
Anzeigevorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, bei der die beiden Linsen (16, 17) aus Kunststoff gebildet sind.
Anzeigevorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, bei der die beiden Linsen (16, 17) aus unterschiedlichen Materialen gebildet sind.
Anzeigevorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, bei der die erste Linse (16) eine erste Abbe-Zahl und die zweite Linse (17) eine zweite Abbe-Zahl aufweist, wobei die zweite Abbe-Zahl größer ist als die erste Abbe-Zahl.
Anzeigevorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, bei der die erste Abbildungsoptik (15) eine Austrittspupille (22) aufweist, wobei der Abstand (d) zwischen der Austrittspupille (22) und der Bildebene (E) kleiner ist als 100 mm und bevorzugt kleiner als 65 mm ist.
Anzeigevorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, bei der die erste Abbildungsoptik (15) eine Austrittspupille (22) aufweist, die eine maximale Ausdehnung von größer oder gleich 5 mm aufweist.
Anzeigevorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, bei der die erste Abbildungsoptik (15) ein in der Bildebene (E) erzeugtes Bild mit einer Diagonalen von mindestens 45 mm vollständig als virtuelles Bild abbildet.
Anzeigevorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, bei der die erste Abbildungsoptik (15) das erzeugte Bild zentral vignettierungsfrei abbildet.
Anzeigevorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, bei der die erste Abbildungsoptik (15) das erzeugte Bild so abbildet, dass dem Benutzer ein Sichtfeld mit einer Diagonalen von größer als 60° und insbesondere von größer als 70° bereitgestellt ist.
Anzeigevorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, bei der in der Bildebene (E) ein Bildgeber (13) angeordnet ist, der das Bild erzeugt, das mittels der ersten Abbildungsoptik (15) abgebildet ist.
Anzeigevorrichtung nach Anspruch 15, bei der der Bildgeber (13) auswechselbar in der Bildebene (E) angeordnet ist.
Anzeigevorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, bei der der Betrag der Brennweite der zweiten Linse (17) in einem Bereich liegt, der sich vom Betrag der Brennweite der ersten Linse (16) bis zum 1,2-fachen des Betrages der Brennweite der ersten Linse (16) erstreckt.
Anzeigevorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, bei der die erste Linse (16) als Konvex-Konkav-Linse ausgebildet ist, wobei die konkave Seite (18) der ersten Linse (16) der Bildebene (E) zugewandt ist.