WO2009018875A1 - Hmd-vorrichtung - Google Patents

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WO2009018875A1
WO2009018875A1 PCT/EP2008/005056 EP2008005056W WO2009018875A1 WO 2009018875 A1 WO2009018875 A1 WO 2009018875A1 EP 2008005056 W EP2008005056 W EP 2008005056W WO 2009018875 A1 WO2009018875 A1 WO 2009018875A1
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WO
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hmd device
image
lens
reflection surface
intermediate image
Prior art date
Application number
PCT/EP2008/005056
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English (en)
French (fr)
Inventor
Marco Pretorius
Original Assignee
Carl Zeiss Ag
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    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
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    • G02B2027/0174—Head mounted characterised by optical features holographic

Definitions

  • the present invention relates to an HMD device with an image module for generating an image, a downstream of the image module and at least one lens relay optics, which images the image generated distorted as a real curved intermediate image in an intermediate image area, and a the intermediate image surface downstream reflective deflecting element that images the real intermediate image as a virtual image so that it can perceive a user wearing the HMD device
  • Such an HMD device head mounted djsplay device
  • the lenses of the relay optics each have interfaces with at least two orthogonal mirror symmetry planes. Therefore, a correction element is arranged between the relay optics and the deflecting element, that has two decentered interfaces to each other Also, these interfaces have at least two orthogonal mirror symmetry planes
  • US 5,513,041 also shows an HMD device according to the aforementioned type. Also in this HMD device, an optical correction element with decentered interfaces is arranged between the relay optics and the deflection element. Furthermore, all interfaces of the lenses used have at least two mutually orthogonal planes of symmetry. so that many lenses are necessary for a possible distortion-free image, making the HMD Vor ⁇ chtung overall big, heavy and expensive
  • Image module for generating an image, an imaging optics downstream of the image module, and a reflective deflecting element downstream of the imaging optics for imaging the image generated by the image module as a virtual image Real intermediate image between the imaging optics and the deflection generated so that the image module and the imaging optics must be placed very close to the deflection and thus close to the user's eye.
  • the imaging optics and image module is in the field of view of the viewer and limits its direct environmental view, which is perceived as very disturbing.
  • an HMD device of the type mentioned in that at least two surfaces of the lens (s) of the relay optics are formed as non-rotationally symmetrical curved surfaces having a maximum mirror symmetry plane, and wherein the deflecting element has a reflection surface , which is designed as non-rotationally symmetrical curved surface with a maximum of a mirror symmetry plane such that the conditional by the relay optics predistortion of the intermediate image is compensated for reflection at the reflection surface.
  • the described design of the at least two surfaces of the lens (s) of the relay optics and the reflection surface is compared to the previously used lens interfaces with at least two mutually orthogonal planes of symmetry at least one more degree of freedom in the design of the corresponding surfaces of the lenses and the reflection surface in the According to the invention given HMD device that can be used for the optical distortion correction. If the at least two surfaces of the lens (s) and the reflection surface have no mirror symmetry plane, at least two further degrees of freedom are available in the design of these surfaces, whereby an excellent distortion correction is possible.
  • the described distortion correction is according to the invention with an extremely small total number of lenses in the relay optics possible, so that the HMD device according to the invention can be made compact and lightweight.
  • the at least two surfaces z. B. are formed as only meridionalsymmetrische polynomial surfaces, a plurality of additional degrees of freedom are present, which can be used to correct the non-rotationally symmetric aberration components, which arise due to the large angle of incidence of the beam at the reflective surface provided with refractive power.
  • these include in particular the non-rotationally symmetric
  • the lens of the relay optics is understood here any transparent optical component with exactly one refractive effective entrance surface and precisely a refractive effective exit surface, wherein between the entrance and the exit surface no internal reflection occurs, as for example in freeform prisms often used in the HMD area the case is.
  • the lenses of the HMD device according to the invention may have a homogeneous or inhomogeneous refractive index profile in the material.
  • the reflection surface may be formed as a mirror surface so that the user can not look through the reflection surface.
  • the reflection surface may also be partially transparent, so that a user wearing the HMD device can perceive the surroundings through the deflection element.
  • the reflection surface which preferably has a concave basic curvature, can be formed, for example, as a front surface or rear surface mirror.
  • the reflective layer may be a thin metallization on a corresponding support.
  • This dielectric layer package is in particular the
  • the deflection element may have a second interface that is substantially transparent and proceeds from the reflection surface by centric extension with respect to the center of the exit pupil of the HMD device.
  • the second interface as well as the transmissive beam path reflection surface viewing the environment through the deflector) are substantially neutral so that the user can perceive the environment undistorted.
  • the second interface may be farther from the intermediate image area than the reflective surface.
  • the reflection surface is further from the intermediate image area than the second interface.
  • the reflection surface is formed as an inner surface of two interconnected optical elements.
  • the connection can be realized for example by cementing or wringing.
  • the at least two surfaces of the lens (s) and the reflection surface can each be designed so that they can not be represented as a section of a rotationally symmetrical surface.
  • the HMD device may have exactly one, two or three lenses.
  • all lenses of the relay optics can be made of the same material. This leads to a reduction in production costs.
  • a diffractive structure for correcting chromatic aberrations is formed on at least one of the surfaces of the lens (s). This can correct chromatic aberrations without increasing the weight of the optics, as would be the case for example with the use of achromatic lens groups, cemented components, etc.
  • the diffractive structure may, for example, be rotationally symmetrical. A rotationally symmetric diffractive structure is comparatively easy to produce and is sufficient to correct the primary chromatic aberration of the image.
  • the non-rotationally symmetric diffractive structure provides a further degree of freedom, so that non-rotationally symmetric aberration components (monochromatic and polychromatic) can be corrected.
  • the mirror symmetry planes of the at least two surfaces and the mirror symmetry plane of the reflection surface can coincide. This facilitates the adjustment of the individual optical elements of the HMD device.
  • the at least two surfaces of the relay optics and the reflection surface which are each formed as a non-rotationally symmetric curved surface with a maximum of a mirror symmetry plane, can be shaped so that when a straight line in virtual image generated deflection is less than 3% of the image diagonal of the virtual Budes.
  • the deflection is preferably less than 2% and in particular less than 1% of the image diagonal. Deflection is understood to mean the maximum deviation of one point of the line from the connecting line of any two other points of the line in the virtual image.
  • the surfaces may also be formed such that the maximum deflection of a line arranged at the edge of the image field is less than 5 P, where P is exactly one pixel width in the virtual image.
  • P is thus the distance of two pixels in the plane of the virtual image of the HMD device, wherein the two pixels are conjugate to the centers of two adjacent pixels of the image module.
  • the maximum deflection of a line at the edge of the image field is less than 3 P or even less than 2 P.
  • the areas may be designed so that the maximum deviation of a beam piercing point of any beam passing through the center of the exit pupil of the HMD device from an object point of the image module from the piercing point of the paraxial principal ray of the same object point in the plane of the virtual image is less than 5 P and preferably less than 3 P or even less than 2 P.
  • This particularly effective distortion correction can be achieved in particular by arranging at least one of the non-rotationally symmetrically curved surfaces with a maximum of one mirror symmetry plane in a region of the optical beam path of the HMD device in which the following condition is met: D1 / D2 ⁇ 0.5 ,
  • D1 is the diameter of a light bundle used for the optical imaging, which emanates from an object point arranged in the center of the image module, at the location of the non-rotationally symmetrically curved surface.
  • D2 is the total diameter of the non-rotationally symmetric curved surface used for optical imaging.
  • D2 is understood to be twice the maximum distance of a point used for optical imaging on the non-rotationally symmetric curved surface from the local coordinate origin point of the non-rotationally symmetrically curved surface.
  • the condition may be satisfied that D1 / D2 is ⁇ 0.3 or even ⁇ 0.2.
  • the non-rotationally symmetrically curved surfaces with at most one mirror symmetry plane can be represented, for example, by the polynomial winding G1 given in the following description of the embodiments.
  • the corresponding polynomial coefficients for achieving the above-mentioned distortion correction can For example, in the manner known to the person skilled in the art, it is included in the soft merit function for numerical optimization as an additional requirement that the beam penetration points of the main beams of all field beams in the virtual image plane of the HMD device with the corresponding piercing points of the paraxial main beams coincide.
  • the polynomial spheres provide sufficient degrees of freedom to change the local tangent slope of the surface, so that the field bundles emanating from different object points of the image module respectively in the required manner (ie in the direction of the puncture points of the paraxial main rays with the virtual image plane of the HMD device) can be distracted.
  • the HMD device according to the invention can be designed such that no further refractive, reflective and / or diffractive surface with optical power is arranged between the relay optics and the deflection element.
  • the HMD device can also be designed so that no refractive, reflective and / or diffractive surface with optical power is contained between the deflecting element and the exit pupil of the HMD device.
  • the HMD device may be designed to be suitable for spectacle wearers. In this case, the spectacle lens is between deflecting element and exit pupil of the HMD device.
  • the spectacle lens is not part of the HMD device and only serves to correct the defective vision of the respective observer.
  • the HMD device may still have the necessary control unit for controlling the image module.
  • the desired image data can also be supplied to the image module via the control unit, on the basis of which the image module generates the image to be displayed.
  • the image module may in particular be an LCoS or OLED module.
  • the image module may in particular be a self-luminous or a non-self-luminous image module.
  • the image module preferably contains in rows and columns arranged and independently controllable pixels for image display.
  • the image module may be suitable for monochrome or multicolor image display.
  • the HMD device may also have a holding device for placing the HMD device on the head of the user.
  • the holding device can be designed, for example, in the form of a spectacle frame, a cap, a helmet or a clamping device. Such holding devices are known in the art, and are therefore not described here. Other common elements of an HMD device are known in the art and are not discussed here. 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.
  • FIG. 1 shows a lens section of a first embodiment of the HMD device according to the invention
  • FIG. 2 shows image error curves for the HMD device according to FIG. 1;
  • FIG. 3 shows image error curves for the HMD device according to FIG. 1;
  • Fig. 4 is a schematic diagram for explaining distortion caused by the image of the HMD device of Fig. 1;
  • FIG. 5 shows a lens section of a second embodiment of the HMD device according to the invention.
  • FIG. 6 shows image error curves for the HMD device according to FIG. 5;
  • FIG. 7 shows image error curves for the HMD device according to FIG. 5;
  • FIG. 8 is an illustration for explaining the distortion caused by the HMD apparatus of FIG. 5;
  • FIG. 9 shows a lens section of a third embodiment of the HMD device according to the invention.
  • FIG. 10 shows image error curves for the HMD device according to FIG. 9;
  • Fig. 11 image error curves for the HMD device of FIG. 9, and
  • Fig. 12 is a diagram for explaining the conditional by the HMD device of FIG. 9 distortion.
  • the HMD device 1 according to the invention comprises an image module 2 for generating an image, which has a relay optics 3 with two lenses 7, 8 arranged adjacent to it.
  • the relay optics 3 is in turn arranged downstream of a reflective deflecting element 4.
  • the relay optics 3 is designed such that it images the image generated by means of the image module 2 as a real curved (aerial) image in an intermediate image plane or surface 5 lying between the relay optics 3 and the reflective deflecting element 4.
  • the real intermediate image is imaged by means of the reflective deflection element 4 as a virtual image in the exit pupil 6 of the HMD device 1.
  • a user wearing the HMD device whose eye pupil lies in the area of the exit pupil 6, can display the image generated by the image module 2 as a virtual image at a predetermined distance (here 800 mm) from the exit pupil 6, in FIG the bundle beams combine, perceive.
  • a powerless spectacle lens 9 is also schematically drawn. It can be seen that the HMD device 1 is also suitable for spectacle wearers, since there is still enough space for a pair of spectacles when the HMD device is attached.
  • the exit pupil 6 has a diameter of 8 mm at a field of view of ⁇ 16.6 ° x ⁇ 11, 8 ° (horizontal x vertical).
  • the relay optics 3 in the embodiment described here have two lenses 7, 8.
  • the two lenses 7, 8 are formed of the same material and three surfaces F1, F2 and F4 of the four surfaces F1 - F4 of the two lenses 7 and 8 are formed as non-rotationally symmetric curved surfaces with exactly one mirror symmetry plane.
  • the mirror symmetry plane is the meridional plane (sectional plane of the illustration in FIG. 1).
  • the fourth surface F3 is designed as Rotationsaspotrore.
  • a diffractive element is formed, which serves to correct chromatic aberrations.
  • the areas F1, F2 and F4 can be selected to produce a predetermined distortion of the real intermediate image.
  • the predetermined distortion is set so that it cancels with the distortion that occurs due to the reflection at the concave curved reflecting surface F5 of the deflecting element 4.
  • the reflection surface RF1 of the deflection element 4 is also designed as a non-rotationally symmetrical curved surface with exactly one mirror symmetry plane (here the meridional plane).
  • the areas F1, F2, F4 and RF1 can be described by a polynomial winding according to the following formula G1:
  • x, y and z denote the coordinates of the points on the respective surfaces F1, F2, F4 and RF1 in the local area coordinate system whose origin coincides with the center of the respective area F1, F2, F4 and RF1. Since the surfaces F1, F2, F4 and RF1 are mirror-symmetrical to the meridional plane, in the above formula all terms with odd m are chosen to be identical. It has been shown that with a relay optics 3 with exactly two lenses 7, 8 a sufficiently good imaging can be achieved if the polynomial winding of the respective surface F1, F2, F4 and RF1 has terms up to the maximum order n + m ⁇ 8 contains. Of course it is possible to consider terms of order 10 or higher. However, the improvements that can be achieved thereby continue to decrease as the order increases.
  • the parameter R of the above formula is the peak radius, k is the conic constant, and N is a normalization radius.
  • Table 1 is given, wherein for ease of illustration, the index C mn in the table is designated C (m, n).
  • the values for R (in mm) are given in Table 2 below.
  • Table 1 Table 1 :
  • the above formula for the description of the areas F1, F2, F4 and RF 1 refers to the local coordinate system.
  • This local coordinate system arises from a global coordinate system whose origin coincides with the center of the exit pupil 6, by first determining the origin of the global coordinate system along the three axes of the global coordinate system by the distances XDE, YDE and ZDE (in mm ) and then rotated about the angle of rotation ADE indicated in Table 2 (in °) about the x-axis of the local coordinate system.
  • the x-axis is chosen so that it forms the direction perpendicular to the plane of symmetry (meridional plane) of the relay optics 3.
  • the meridional plane is spanned by the y and z coordinates.
  • the image module 2 comprises a cover glass with the surfaces D1 and FO, wherein the imaging region of the image module 2 as an assumption for the optical calculation is applied directly to the surface FO.
  • the cover glass will preferably not rest directly on the imaging area of the image module 2, but a predetermined distance will be provided therebetween. This corresponds to a shift of the cover glass along the optical axis, which has no negative influence on the imaging quality.
  • the coverslip may e.g. consist of N-BK7.
  • the rotationally symmetric asphere F3 can be described by the following surface equation G2: ⁇ ) 5
  • x, y and z designate the three Cartesian coordinates of a point lying on the surface in the local area-related coordinate system.
  • the parameter R denotes the peak radius and k is the conic section constant.
  • the value for the peak radius R is given in Table 2 above.
  • the values for the parameters A, B, C and D and for the conic constant k are given in Table 3 below. Table 3:
  • the lenses are made of the material with the trade name Zeonex E-48R.
  • This optical plastic has a refractive index of 1, 5334 and an Abbe number of 55.8 at a wavelength of 546.07 nm.
  • the aspheric surface F3 of the lens 8 is further configured as a diffractive surface, wherein the diffractive surface has a kinoform profile.
  • the diffractive surface comprises concentric rings with the lens vertex and the local coordinate origin of the surface F3 as the center. Each ring has an inner and an outer radius. The inner radius of the first ring is zero. The outer radius r m of the mth ring is the inner radius of the m + 1th ring. The width of the rings becomes continuously smaller from the center to the edge of the lens. The groove depth at the inner radius is zero, at the outer radius it is d. In the transition from the mth ring to the m + 1th ring, there is thus a step of height d.
  • the diffractive surface can be described with the following phase profile function ⁇ :
  • r max is the maximum distance (distance of the Nth ring from the origin of coordination coinciding with the center of the diffractive surface and thus with the lens vertex of the surface F3).
  • the groove depth d at each ring is *. - ⁇ (G6)
  • n 0 is the refractive index of the material for X 0 .
  • C 1 and C 2 are given in Table 4 below.
  • the lens 8 may be trimmed such that only part of the lens 8 that is needed for imaging (ie actually traversed by the light beams) is present.
  • the surface F3 is truncated and with it the diffractive structure.
  • the diffractive structure then actually present can only have "concentric ring sections" with respect to the vertex of the surface F3.
  • FIGS. 2 and 3 Illustrations of the image error curves for the HMD device according to FIG. 1 are shown in FIGS. 2 and 3, two columns of image error curves being shown in FIGS. 2 and 3 in each case.
  • the left column refers to the meridional plane (y-z-plane) and the right column to the perpendicular plane (x-z-plane, also called sagittal plane).
  • the aberrations are shown in millimeters respectively for the wavelengths 656.27 nm, 546.07 nm and 486.13 nm (designated by the reference symbols W1, W2 and W3).
  • the relative x and y coordinates are shown next to each other.
  • the main beam angles in the image space ie field angles in the exit pupil 6 and thus on the eye of the observer.
  • the x and y coordinates are 0.00 and 1.00.
  • the main beam angle is 0.00 ° and 16.6 °.
  • a regular grid GR1 is shown by solid lines, covering the entire imaging area of the image module 2.
  • the dashed lines show the image GR2 of this grid, which results in a virtual image and is recalculated to the location of the imaging area.
  • the double arrow P1 indicates the horizontal field of view (y direction) and the double arrow P2 the vertical field of view (x direction). is indicated.
  • the lines of both grids run virtually parallel and almost congruently for the most part. The distortion is thus extremely low.
  • a second embodiment of the HMD device according to the invention is shown, in which, in contrast to the first embodiment of Fig. 1, the relay optics 3 comprises only a single lens 10 (Fig. 5).
  • the same elements in Fig. 5 are described with the same reference numerals, reference being made to the description of the above embodiments.
  • both surfaces F1 and F2 of the single lens 10 and the reflection surface RF 1 of the deflection element 4 are formed as non-rotationally symmetrical curved surfaces with exactly one mirror symmetry plane (here the meridional plane).
  • the areas F1, F2 and RF1 can be described according to the above formula G1, wherein the values of k, N and C mn are given in the same manner as in Table 1 in Table 5 below. In the present table, terms up to the maximum order n + m ⁇ 10 are taken into account.
  • a diffractive chromatic aberration correction structure having concentric rings with the lens vertex of the surface F1 centered on a kinoform profile in the same manner as in the above embodiment of FIG.
  • the diffractive element can be described by the same formulas G3-G6, the corresponding parameters being given in Table 7 below.
  • FIGS. 6 and 7 the image defect curves for the second embodiment of the HMD device according to FIG. 5 are shown in the same way as in FIGS. 2 and 3.
  • Fig. 8 the distortion is indicated in the same manner as in Fig. 3.
  • the resulting distortion is extremely small.
  • FIG. 9 shows a third exemplary embodiment of the HMD device 1 according to the invention, in which in turn the relay optics 3 comprises only a single lens 10.
  • the exit pupil has a diameter of 7 mm, and as the material of the lens 10, the same material as in the previously described second embodiment is used.
  • the same elements in Fig. 9 as in Fig. 5 are described with the same reference numerals, reference being made to the description of the above statements.
  • the two surfaces F1 and F2 of the single lens 10 and the reflection surface RF1 of the deflection element 4 are each formed as non-rotationally symmetric curved surface with exactly one mirror symmetry plane (here the meridional plane).
  • the areas F1, F2 and RF1 can be described according to the above form G1, wherein the values of k, N and C m-n are given in the same manner as in Table 1 in Table 8 below. In the present Table 8, terms up to the maximum order n + m ⁇ 10 are taken into account. Table 8:
  • a diffractive chromatic aberration correcting structure having concentric rings with the lens vertex of the surface F1 as a center having a kinoform profile in the same manner as in the above embodiment.
  • the diffractive element can be described with the same shapes G3, G6, the corresponding parameters of the following Table 10 are given.

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Abstract

Es wird bereitgestellt eine HMD-Vorrichtung mit einem Bildmodul (2) zum Erzeugen eines Bildes, einer dem Bildmodul (2) nachgeordneten und mindestens einer Linse (7, 8, 10) aufweisenden Relay-Optik (3), die das erzeugte Bild verzerrt als reelles gekrümmtes Zwischenbild in eine Zwischenbildfläche (5) abbildet, und einem der Zwischenbildfläche (5) nachgeordneten reflektiven Umlenkelement (4), das das reelle Zwischenbild als virtuelles Bild so abbildet, daß es ein die HMD-Vorrichtung tragender Benutzer wahrnehmen kann, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Flächen (F1, F2, F4) der Linse(n) (7, 8) der Relay-Optik (3) als nicht-rotationssymmetrisch gekrümmte Flächen ausgebildet sind, die maximal eine Spiegelsymmetrieebene aufweisen, und daß, das Umlenkelement (4) eine Reflexionsfläche (RF1 ) aufweist, die als nicht- rotationssymmetrisch gekrümmte Fläche mit maximal einer Spiegelsymmetrieebene derart ausgebildet ist, daß die durch die Relay-Optik (3) bedingte Vorverzerrung des Zwischenbildes bei Reflexion an der Reflexionsfläche (RF1) kompensiert wird.

Description

HMD-Vorrichtung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine HMD-Vorrichtung mit einem Bildmodul zum Erzeugen eines Bildes, einer dem Bildmodul nachgeordneten und mindestens eine Linse aufweisenden Relay-Optik, die das erzeugte Bild verzerrt als reelles gekrümmtes Zwischenbild in eine Zwischenbildflache abbildet, und einem der Zwischenbildflache nachgeordneten reflektiven Umlenkelement, das das reelle Zwischenbild als virtuelles Bild so abbildet, daß es ein die HMD- Vorπchtung tragender Benutzer wahrnehmen kann
Eine solche HMD- Vorrichtung (Head Mounted Djsplay-Vornchtung) ist beispielsweise aus der US 5,793,339 bekannt, bei der die Linsen der Relay-Optik jeweils Grenzflachen mit mindestens 2 orthogonalen Spiegelsymmetrieebenen aufweisen Daher ist zwischen der Relay-Optik und dem Umlenkelement ein Korrekturelement angeordnet, daß zwei zueinander dezentrierte Grenzflachen aufweist Auch diese Grenzflachen weisen zumindest zwei orthogonale Spiegelsymmetrieebenen auf
Ein solches Korrekturelement ist sehr aufwendig herzustellen und schwierig zu justieren, so daß die HMD-Vorπchtung insgesamt groß, teuer und schwer wird
Die US 5,513,041 zeigt ebenfalls eine HMD-Vorrichtung gemäß der eingangs genannten Art Auch bei dieser HMD-Vorrichtung ist zwischen der Relay-Optik und dem Umlenkelement ein optisches Korrekturelement mit dezentrierten Grenzflachen angeordnet Ferner weisen alle Grenzflachen der eingesetzten Linsen zumindest zwei zueinander orthogonale Symmetrieebenen auf, so daß viele Linsen für eine möglichst verzeichnungsfreie Abbildung notwendig sind, wodurch die HMD-Vorπchtung insgesamt groß, schwer und teuer wird
In der US 5,726,807 sind verschiedene Beispiele für eine HMD-Vorrichtung mit einem
Bildmodul zum Erzeugen eines Bildes, einer dem Bildmodul nachgeordneten Abbildungsoptik und einem der Abbildungsoptik nachgeordneten reflektiven Umlenkelement zur Abbildung des mittels dem Bildmodul erzeugten Bildes als virtuelles Bild bekannt Jedoch wird stets kein reelles Zwischenbild zwischen der Abbildungsoptik und dem Umlenkelement erzeugt, so daß das Bildmodul sowie die Abbildungsoptik sehr nahe am Umlenkelement und somit nahe am Auge des Benutzers angeordnet werden müssen. Dies führt zu einer sehr ungünstigen Gewichtsverteilung der optischen Komponenten mit einem mechanischen Schwerpunkt weit vor der Augenpupille des Betrachters. Femer befindet sich die Abbildungsoptik und Bildmodul im Gesichtsfeld des Betrachters und schränkt dessen direkte Umgebungssicht ein, was als sehr störend empfunden wird.
Aus der US 5,923,477 ist eine HMD-Vorrichtung gemäß der eingangs genannten Art bekannt. Die Grenzflächen der Linsen weisen stets zumindest zwei zueinander orthogonale Symmetrieebenen auf. Des weiteren ist zwischen dem Umlenkelement und der Austrittspupille der HMD-Vorrichtung eine weitere refraktive Fläche mit optischer Brechkraft angeordnet, was wiederum zu einer ungünstigen Gewichtsverteilung führt.
Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der Erfindung, eine HMD-Vorrichtung der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß eine kompakte und leichte HMD-Vorrichtung mit einer sehr guten Korrektur optischer Bildfehler, insbesondere der Verzeichnung, und einer minimalen Anzahl optischer Komponenten bereitgestellt werden kann.
Die Aufgabe wird bei einer HMD-Vorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß mindestens zwei Flächen der Linse(n) der Relay-Optik als nicht-rotationssymmetrisch gekrümmte Flächen ausgebildet sind, die maximal eine Spiegelsymmetrieebene aufweisen, und wobei das Umlenkelement eine Reflexionsfläche aufweist, die als nicht-rotationssymmetrisch gekrümmte Fläche mit maximal einer Spiegelsymmetrieebene derart ausgebildet ist, daß die durch die Relay-Optik bedingte Vorverzerrung des Zwischenbildes bei Reflexion an der Reflexionsfläche kompensiert wird.
Durch die beschriebene Ausbildung der mindestens zwei Flächen der Linse(n) der Relay-Optik sowie der Reflexionsfläche ist im Vergleich zu den bisher verwendeten Linsengrenzflächen mit zumindest zwei zueinander orthogonale Symmetrieebenen zumindest ein weiterer Freiheitsgrad beim Design der entsprechenden Flächen der Linsen sowie der Reflexionsfläche bei der erfindungsgemäßen HMD-Vorrichtung gegeben, der für die optische Verzeichnungskorrektur genutzt werden kann. Wenn die zumindest beiden Flächen der Linse(n) sowie die Reflexionsfläche keine Spiegelsymmetrieebene aufweisen, stehen sogar zumindest zwei weitere Freiheitsgrade beim Design dieser Flächen zur Verfügung, wodurch eine ausgezeichnete Verzeichnungskorrektur möglich ist. Die beschriebene Verzeichnungskorrektur ist erfindungsgemäß mit einer äußerst geringen Gesamtanzahl von Linsen in der Relay-Optik möglich, so daß die erfindungsgemäße HMD-Vorrichtung kompakt und leicht ausgebildet werden kann.
Wenn die zumindest zwei Flächen z. B. als lediglich meridionalsymmetrische Polynomflächen ausgebildet sind, sind eine Vielzahl an zusätzlichen Freiheitsgraden vorhanden, die dazu benutzt werden können, die nicht-rotationssymmetrischen Bildfehleranteile, die aufgrund der großen Einfallswinkel der Strahlbündel an der mit Brechkraft versehenen Reflexionsfläche entstehen, zu korrigieren. Dazu gehören insbesondere auch die nicht-rotationssymmetrischen
Anteile der Verzeichnung, wie beispielsweise Trapez- und Keystone-Verzeichnung. Es läßt sich dadurch z. B. insbesondere erreichen, daß die Bildkanten nahezu gerade bleiben.
Als Linse der Relay-Optik wird hier jedes transparente optische Bauteil mit genau einer refraktiv wirksamen Eintrittsfläche und genau einer refraktiv wirksamen Austrittsfläche verstanden, wobei zwischen der Eintritts- und der Austrittsfläche keine interne Reflexion auftritt, wie das beispielsweise bei häufig im HMD-Bereich eingesetzten Freiformprismen der Fall ist. Die Linsen der erfindungsgemäßen HMD-Vorrichtung können einen homogenen oder inhomogenen Brechzahlverlauf im Material aufweisen.
Bei der HMD-Vorrichtung kann die Reflexionsfläche als Spiegelfläche so ausgebildet sein, daß der Benutzer durch die Reflexionsfläche nicht hindurch blicken kann. Die Reflexionsfläche kann jedoch auch teiltransparent ausgebildet sein, so daß ein die HMD-Vorrichtung tragender Benutzer durch das Umlenkelement hindurch die Umgebung wahrnehmen kann.
Die Reflexionsfläche, die bevorzugt eine konkave Grundkrümmung aufweist, kann beispielsweise als Vorderflächen- oder Rückflächenspiegel ausgebildet sein. Insbesondere kann die Reflexionsschicht eine dünne Metallisierung auf einem entsprechenden Träger sein.
Es ist jedoch auch möglich, ein wellenlängenselektives dielektrisches Schichtpaket auf einem
Träger aufzubringen. Dieses dielektrische Schichtpaket ist insbesondere den
Schwerpunktwellenlängen des Bildmoduls angepaßt. Es ist jedoch auch möglich, die gewünschte Reflexionseigenschaft durch eine diffraktiv wirksame Struktur (beispielsweise ein
Phasenhologramm) zu realisieren.
Bei der HMD-Vorrichtung kann das Umlenkelement eine zweite Grenzfläche aufweisen, die im wesentlichen transparent ist und aus der Reflexionsfläche durch zentrische Streckung bezüglich des Mittelpunkts der Austrittspupille der HMD-Vorrichtung vorgeht. In diesem Fall sind die zweite Grenzfläche sowie die Reflexionsfläche für den transmissiven Strahlenpfad (Betrachtung der Umgebung durch das Umlenkelement hindurch) im wesentlichen neutral, so daß der Benutzer die Umgebung unverzerrt wahrnehmen kann. Die zweite Grenzfläche kann von der Zwischenbildfläche weiter entfernt sein als die Reflexionsfläche. Natürlich ist es auch möglich, daß die Reflexionsfläche weiter von der Zwischenbildfläche entfernt ist als die zweite Grenzfläche.
Ferner ist es möglich, daß die Reflexionsfläche als Innenfläche zweier miteinander verbundener optischer Elemente ausgebildet ist. Die Verbindung kann beispielsweise durch Verkitten oder Ansprengen realisiert sein.
Bei der erfindungsgemäßen HMD-Vorrichtung können die mindestens zwei Flächen der Linse(n) sowie die Reflexionsfläche jeweils so ausgebildet sein, daß sie nicht als Ausschnitt einer rotationssymmetrischen Fläche darstellbar sind.
Die HMD-Vorrichtung kann genau eine, zwei oder drei Linsen aufweisen. Bei der HMD- Vorrichtung können alle Linsen der Relay-Optik aus demselben Material hergestellt sein. Dies führt zu einer Reduzierung der Herstellungskosten.
Auf zumindest einer der Flächen der Linse(n) ist eine diffraktive Struktur zur Korrektur chromatischer Bildfehler ausgebildet. Damit lassen sich chromatische Bildfehler korrigieren, ohne daß sich das Gewicht der Optik erhöht, wie es beispielsweise bei der Verwendung von achromatischen Linsengruppen, Kittglieder usw. der Fall wäre. Die diffraktive Struktur kann beispielsweise rotationssymmetrisch ausgebildet sein. Eine rotationssymmetrische diffraktive Struktur ist vergleichsweise einfach herzustellen und reicht aus, um den primären Farblängsfehler der Abbildung zu korrigieren.
Es ist jedoch auch möglich, die diffraktive Struktur nicht rotationssymmetrisch auszubilden. Die nicht-rotationssymmetrische diffraktive Struktur stellt einen weiteren Freiheitsgrad zur Verfügung, so daß nicht-rotationssymmetrische Bildfehleranteile (mono- und polychromatisch) korrigiert werden können.
Bei der erfindungsgemäßen HMD-Vorrichtung können die Spiegelsymmetrieebenen der mindestens zwei Flächen sowie die Spiegelsymmetrieebene der Reflexionsfläche zusammenfallen. Dies erleichtert die Justierung der einzelnen optischen Elemente der HMD- Vorrichtung.
Die mindestens zwei Flächen der Relay-Optik sowie die Reflexionsfläche, die jeweils als nicht- rotationssymmetrisch gekrümmte Fläche mit maximal einer Spiegelsymmetrieebene ausgebildet sind, können so geformt sein, daß die bei Abbildung einer geraden Linie im virtuellen Bild erzeugte Durchbiegung weniger als 3 % der Bilddiagonalen des virtuellen Budes beträgt. Bevorzugt ist die Durchbiegung kleiner als 2 % und insbesondere kleiner als 1 % der Bilddiagonalen. Unter der Durchbiegung wird hier die maximale Abweichung eines Punktes der Linie zu der Verbindungsgerade von zwei beliebigen anderen Punkten der Linie im virtuellen Bild verstanden.
Die Flächen können insbesondere auch so ausgebildet sein, daß die maximale Durchbiegung einer am Rand des Bildfeldes angeordneten Linie weniger als 5 P beträgt, wobei P genau eine Pixelbreite im virtuellen Bild ist. P ist also der Abstand zweier Bildpunkte in der Ebene des virtuellen Bildes der HMD-Vorrichtung, wobei die zwei Bildpunkte zu den Mittelpunkten zweier benachbarter Pixel des Bildmoduls konjugiert sind. Bevorzugt beträgt die maximale Durchbiegung einer Linie am Rand des Bildfeldes weniger als 3 P oder sogar weniger als 2 P.
Des weiteren können die Flächen so ausgelegt sein, daß die maximale Abweichung eines Strahldurchstoßpunktes eines beliebigen durch den Mittelpunkt der Austrittspupille der HMD- Vorrichtung tretenden Strahles von einem Objektpunkt des Bildmoduls vom Durchstoßpunkt des paraxialen Hauptstrahles des selben Objektpunktes in der Ebene des virtuellen Bildes weniger als 5 P und bevorzugt weniger als 3 P bzw. sogar weniger als 2 P beträgt.
Diese besonders effektive Verzeichnungskorrektion kann man insbesondere dadurch erreichen, daß man mindestens eine der nicht-rotationssymmetrisch gekrümmten Flächen mit maximal einer Spiegelsymmetrieebene in einem Bereich des optischen Strahlengangs der HMD- Vorrichtung anordnet, in dem folgende Bedingung erfüllt ist: D1/D2 < 0,5. Dabei ist D1 der Durchmesser eines für die optische Abbildung genutzten Lichtbündels, welches von einem in der Mitte des Bildmoduls angeordneten Objektpunkt ausgeht, am Ort der nicht- rotationssymmetrisch gekrümmten Fläche. D2 ist der gesamte zur optischen Abbildung genutzte Durchmesser der nicht-rotationssymmetrisch gekrümmten Fläche. Sofern der gesamte zur optischen Abbildung genutzte Bereich der nicht-rotationssymmetrisch gekrümmten Fläche nicht kreisförmig ist, wird unter D2 der doppelte maximale Abstand eines zur optischen Abbildung genutzten Punktes auf der nicht-rotationssymmetrisch gekrümmten Fläche vom lokalen Koordinatenursprungspunkt der nicht-rotationssymmetrisch gekrümmten Fläche verstanden. Insbesondere kann die Bedingung erfüllt sein, daß D1/D2 < 0,3 oder sogar < 0,2 ist.
Die nicht-rotationssymmetrisch gekrümmten Flächen mit maximal einer Spiegelsymmetrieebene können beispielsweise durch die in der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen angegebene Polynomentwicklung G1 dargestellt werden. Die entsprechenden Polynomkoeffizienten zur Erzielung der oben angegebenen Verzeichnungskorrektur können beispielsweise in der für den Fachmann bekannten Weise dadurch ermittelt werden, daß in die Soft-Meritfunktion für die numerische Optimierung als zusätzliche Forderung aufgenommen wird, daß die Strahidurchstoßpunkte der Hauptstrahlen sämtlicher Feldbündel in der virtuellen Bildebene der HMD-Vorrichtung mit den entsprechenden Durchstoßpunkten der paraxialen Hauptstrahlen zusammenfallen. Die Polynomasphären stellen ausreichend viele Freiheitsgrade zur Änderung der lokalen Tangentensteigung der Fläche zur Verfügung, so daß die von unterschiedlichen Objektpunkten des Bildmoduls ausgehenden Feldbündel jeweils in der erforderlichen Weise (also in Richtung auf die Durchstoßpunkte der paraxialen Hauptstrahlen mit der virtuellen Bildebene der HMD-Vorrichtung) abgelenkt werden können.
Femer kann die erfindungsgemäße HMD-Vorrichtung so ausgebildet sein, daß zwischen der Relay-Optik und dem Umlenkelement keine weitere refraktive, reflektive und/oder diffraktive Fläche mit optischer Brechkraft angeordnet ist. Insbesondere kann die HMD-Vorrichtung auch so ausgebildet sein, daß zwischen dem Umlenkelement und der Austrittspupille der HMD- Vorrichtung keine refraktive, reflektive und/oder diffraktive Fläche mit optischer Brechkraft enthalten ist. Natürlich kann die HMD-Vorrichtung so ausgebildet sein, daß sie für Brillenträger geeignet ist. In diesem Fall ist das Brillenglas zwischen Umlenkelement und Austrittspupille der HMD-Vorrichtung. Jedoch ist das Brillenglas nicht Bestandteil der HMD-Vorrichtung und dient nur zur Korrektur der Fehlsichtigkeit des jeweiligen Betrachters.
Die HMD-Vorrichtung kann noch die notwendige Steuereinheit zur Ansteuerung des Bildmoduls aufweisen. Über die Steuereinheit können auch die gewünschten Bilddaten dem Bildmodul zugeführt werden, anhand dem das Bildmodul das darzustellende Bild erzeugt.
Bei dem Bildmodul kann es sich insbesondere um ein LCoS- oder OLED-Modul handeln. Das Bildmodul kann insbesondere ein selbstleuchtendes oder ein nicht selbstleuchtendes Bildmodul sein. Das Bildmodul enthält bevorzugt in Zeilen und Spalten angeordnete und voneinander unabhängig ansteuerbare Pixel zur Bilddarstellung. Das Bildmodul kann für eine einfarbige oder mehrfarbige Bilddarstellung geeignet sein.
Ferner kann die HMD-Vorrichtung noch eine Haltevorrichtung zum Aufsetzen der HMD- Vorrichtung auf den Kopf des Benutzers aufweisen. Die Haltevorrichtung kann beispielsweise in Form eines Brillengestells, einer Kappe, eines Helmes oder einer Klemmeinrichtung ausgebildet sein. Solche Haltevorrichtungen sind dem Fachmann bekannt, und werden daher hier nicht näher beschrieben. Auch weitere übliche Elemente einer HMD-Vorrichtung sind dem Fachmann bekannt und werden hier nicht näher erläutert. 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:
Fig. 1 einen Linsenschnitt einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen HMD- Vorrichtung;
Fig. 2 Bildfehlerkurven für die HMD-Vorrichtung gemäß Fig. 1;
Fig. 3 Bildfehlerkurven für die HMD-Vorrichtung gemäß Fig. 1 ;
Fig. 4 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der bei der Abbildung der HMD- Vorrichtung von Fig. 1 bedingten Verzeichnung;
Fig. 5 einen Linsenschnitt einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen HMD- Vorrichtung;
Fig. 6 Bildfehlerkurven für die HMD-Vorrichtung gemäß Fig. 5;
Fig. 7 Bildfehlerkurven für die HMD-Vorrichtung gemäß Fig. 5;
Fig. 8 eine Darstellung zur Erläuterung der von der HMD-Vorrichtung gemäß Fig. 5 bedingten Verzeichnung;
Fig. 9 einen Linsenschnitt einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen HMD- Vorrichtung;
Fig. 10 Bildfehlerkurven für die HMD-Vorrichtung gemäß Fig. 9;
Fig. 11 Bildfehlerkurven für die HMD-Vorrichtung gemäß Fig. 9, und
Fig. 12 eine Darstellung zur Erläuterung der durch die HMD-Vorrichtung gemäß Fig. 9 bedingten Verzeichnung. Bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform umfaßt die erfindungsgemäße HMD-Vorrichtung 1 ein Bildmodul 2 zum Erzeugen eines Bildes, dem eine Relay-Optik 3 mit zwei Linsen 7, 8 nacngeordnet ist. Der Relay-Optik 3 ist wiederum ein reflektives Umlenkelement 4 nachgeordnet.
Die Relay-Optik 3 ist so ausgelegt, daß sie das mittels dem Bildmodul 2 erzeugte Bild als reelles gekrümmtes (Luft-)Bild in eine zwischen der Relay-Optik 3 und dem reflektiven Umlenkelement 4 liegenden Zwischenbildebene bzw. -fläche 5 abbildet. Das reelle Zwischenbild wird mittels des reflektiven Umlenkelementes 4 als virtuelles Bild in die Austrittspupille 6 der HMD-Vorrichtung 1 abgebildet. Somit kann ein die HMD-Vorrichtung tragender Benutzer, dessen Augenpupille im Bereich der Austrittspupille 6 liegt, das mittels dem Bildmodul 2 erzeugte Bild als virtuelles Bild in einem durch die HMD-Vorrichtung 1 vorbestimmten Abstand (hier 800 mm) von der Austrittspupille 6, in der sich die Bündel- Schwerstrahlen vereinigen, wahrnehmen.
In Fig. 1 ist schematisch ferner ein brechkraftloses Brillenglas 9 eingezeichnet. Daraus ist ersichtlich, daß die HMD-Vorrichtung 1 auch für Brillenträger geeignet ist, da bei aufgesetzter HMD-Vorrichtung noch ausreichend Platz für eine Brille vorhanden ist.
Bei der Ausführungsform von Fig. 1 weist die Austrittspupille 6 einen Durchmesser von 8 mm bei einem Sehfeld von ± 16,6° x ± 11 ,8° (horizontal x vertikal) auf.
Um eine möglichst verzeichnungsfreie Abbildung bei diesen Werten der Austrittspupille und des Sehfeldes zu erzielen, weist die Relay-Optik 3 bei der hier beschriebenen Ausführungsform zwei Linsen 7, 8 auf. Die beiden Linsen 7, 8 sind aus demselben Material gebildet sind und drei Flächen F1 , F2 und F4 der vier Flächen F1 - F4 der beiden Linsen 7 und 8 sind als nicht- rotationssymmetrisch gekrümmte Flächen mit genau einer Spiegelsymmetrieebene ausgebildet. Bei der Spiegelsymmetrieebene handelt es sich um die Meridionalebene (Schnittebene der Darstellung in Fig. 1 ). Die vierte Fläche F3 ist als Rotationsasphäre ausgebildet. Auf der Fläche F3 ist ein diffraktives Element ausgebildet, das zur Korrektur chromatischer Aberrationen dient.
Da bei den Flächen F1 , F2 und F4 innerhalb der Meridionalebene keine Symmetrie vorliegt, können die Flächen F1 , F2 und F4 so gewählt werden, daß eine vorbestimmte Verzerrung des reellen Zwischenbildes erzeugt wird. Die vorbestimmte Verzerrung ist dabei so festgelegt, daß sie sich mit der Verzerrung aufhebt, die durch die Reflexion an der konkav gekrümmten Reflexionsfläche F5 des Umlenkelementes 4 auftritt. Die Reflexionsfläche RF1 des Umlenkelementes 4 ist ebenfalls als nicht-rotationssymmetrisch gekrümmte Fläche mit genau einer Spiegelsymmetrieebene (hier die Meridionalebene) ausgebildet.
Durch die Verwendung dieser nicht-rotationssymmetrisch gekrümmten Flächen F1 , F2, F4 und RF1 mit genau einer Spiegelsymmetrieebene ist es möglich, mit nur zwei Linsen und einem Umlenkelement eine qualitativ sehr hochwertige (mit geringen Verzeichnungen) virtuelle Abbildung des mittels des Bildmoduls 2 erzeugten Bildes zu verwirklichen. Eine elektronische Vorverzerrung mittels des Bildmoduls 2 ist dann nicht notwendig, wodurch die elektronische Ansteuerung des Bildmoduls 2 vereinfacht ist. Auch entfällt dann der üblicherweise bei einer elektronischen Vorverzerrung auftretende nachteilige Effekt der geringeren Schärfe im Randbereich der Bilddarstellung.
Die Flächen F1 , F2, F4 und RF1 können durch eine Polynomentwicklung gemäß der nachfolgenden Formel G1 beschrieben werden:
Figure imgf000011_0001
Hierbei bezeichnet x, y und z die Koordinaten der auf der jeweiligen Fläche F1 , F2, F4 und RF1 liegenden Punkte im lokalen flächenbezogenen Koordinatensystem, dessen Ursprung mit der Mitte der jeweiligen Fläche F1 , F2, F4 und RF1 zusammenfällt. Nachdem die Flächen F1 , F2, F4 und RF1 spiegelsymmetrisch zur Meridionalebene sind, werden in der obigen Formel alle Terme mit ungeradem m identisch 0 gewählt. Es hat sich gezeigt, daß bei einer Relay-Optik 3 mit genau zwei Linsen 7, 8 eine ausreichend gute Abbildung erreicht werden kann, wenn die Polynomentwicklung der jeweiligen Fläche F1 , F2, F4 und RF1 Terme bis zur maximalen Ordnung n+m < 8 enthält. Natürlich ist es möglich, Terme der Ordnung 10 oder höher zu berücksichtigen. Die dadurch erzielbaren Verbesserungen nehmen jedoch mit höher werdender Ordnung immer weiter ab.
Bei dem Parameter R der obigen Formel handelt es sich um den Scheitelradius, k ist die Kegelschnittkonstante und N ist ein Normierungsradius.
Für die vier Flächen F1 , F2, F4 und RF1 sind die Werte für k, N und Cn, n in der nachfolgenden
Tabelle 1 angegeben, wobei zur Vereinfachung der Darstellung der Index Cm n in der Tabelle als C(m,n) bezeichnet ist. Die Werte für R (in mm) sind in der nachfolgenden Tabelle 2 angegeben. Tabelle 1 :
Figure imgf000012_0001
Tabelle 2:
Figure imgf000012_0002
Figure imgf000013_0002
Die obige Formel für die Beschreibung der Flächen F1, F2, F4 und RF 1 bezieht sich jeweils auf das lokale Koordinatensystem. Dieses lokale Koordinatensystem entsteht aus einem globalen Koordinatensystem, dessen Ursprung mit dem Mittelpunkt der Austrittspupille 6 zusammenfällt, dadurch, daß zunächst der Ursprungspunkt des globalen Koordinatensystems entlang der drei Achsen des globalen Koordinatensystems um die in Tabelle 2 angegebenen Strecken XDE, YDE und ZDE (in mm) verschoben und anschließend um den in der Tabelle 2 angegebenen Drehwinkel ADE (in °) um die x-Achse des lokalen Koordinatensystems gedreht wird. Die x- Achse ist so gewählt, daß sie die Richtung senkrecht zur Symmetrieebene (Meridionalebene) der Relay-Optik 3 bildet. Die Meridionalebene wird von den y- und z-Koordinaten aufgespannt.
Das Bildmodul 2 umfaßt ein Deckglas mit den Flächen D1 und FO, wobei der bildgebende Bereich des Bildmoduls 2 als Annahme für die Optikrechung direkt an der Fläche FO anliegt. Natürlich wird bei der HMD-Vorrichtung 1 das Deckglas bevorzugt nicht direkt auf dem bildgebenden Bereich des Bildmoduls 2 aufliegen, sondern es wird ein vorbestimmter Abstand dazwischen vorgesehen sein. Dies entspricht einer Verschiebung des Deckglases entlang der optischen Achse, was keinen negativen Einfluß auf die Abbildungsgüte hat. Das Deckglas kann z.B. aus N-BK7 bestehen.
Die rotationssymmetrische Asphäre F3 läßt sich durch folgende Flächengleichung G2 beschreiben: \)5
Figure imgf000013_0001
Hierbei bezeichnet wiederum x, y und z die drei kartesischen Koordinaten eines auf der Fläche liegenden Punktes im lokalen flächenbezogenen Koordinatensystem. Der Parameter R bezeichnet den Scheitelradius und k ist die Kegelschnittkonstante. Der Wert für den Scheitelradius R ist in der obigen Tabelle 2 angegeben. Die Werte für die Parameter A, B, C und D sowie für die Kegelschnittkonstante k sind in der nachfolgenden Tabelle 3 angegeben. Tabelle 3:
Figure imgf000014_0003
Die Linsen sind aus dem Material mit der Handelsbezeichnung Zeonex E-48R hergestellt. Dieser optische Kunststoff weist bei einer Wellenlänge von 546,07 nm einen Brechungsindex von 1 ,5334 und eine Abbesche Zahl von 55,8 auf.
Die asphärische Fläche F3 der Linse 8 ist ferner noch als diffraktive Fläche ausgestaltet, wobei die diffraktive Fläche ein Kinoform-Profil aufweist. Im Detail umfaßt die diffraktive Fläche konzentrische Ringe mit dem Linsenscheitel bzw. dem lokalen Koordinatenursprungspunkt der Fläche F3 als Mittelpunkt. Jeder Ring hat einen inneren und einen äußeren Radius. Der innere Radius des ersten Rings ist null. Der äußere Radius rm des m-ten Rings ist der innere Radius des m+1-ten Ringes. Die Breite der Ringe wird von der Mitte zum Rand der Linse kontinuierlich kleiner. Die Furchentiefe am inneren Radius ist null, am äußeren Radius beträgt sie d. Beim Übergang vom m-ten Ring auf den m+1-ten Ring ist somit eine Stufe der Höhe d vorhanden. Die diffraktive Fläche kann mit der nachfolgenden Phasenprofilfunktion φ beschrieben werden:
Figure imgf000014_0001
dabei steht X0 für die Referenzwellenlänge und Cn sind die Koeffizienten des Phasenpolynoms. Der Radius r des m-ten Ringes berechnet sich aus
m X0 = ∑ Cn (x2 + y2 )" m = 1 , 2, 3, ... mit r2= x2 + y2 (G4)
Es gibt maximal N Ringe, wobei
Figure imgf000014_0002
dabei steht rmax für den maximalen Abstand (Abstand des N-ten Ringes vom Koordinationsursprungspunkt, der mit dem Zentrum der diffraktiven Fläche und somit mit dem Linsenscheitel der Fläche F3 zusammenfällt).
Die Furchentiefe d an jedem Ring beträgt *. -± (G6)
- 1
wobei n0 der Brechungsindex des Materials für X0 ist. Bei der hier beschriebenen Ausführungsform hat sich gezeigt, daß es ausreichend war, die diffraktive Fläche mit den Koeffizienten C1 und C2 zu beschreiben. Diese sind in der nachfolgenden Tabelle 4 angegeben.
Tabelle 4:
Figure imgf000015_0001
Natürlich kann die Linse 8 so beschnitten sein, daß nur Teil der Linse 8 vorhanden ist, der zur Abbildung benötigt wird (also von den Lichtbündeln tatsächlich durchsetzt wird). In diesem Fall ist dann natürlich die Fläche F3 und mit ihr die diffraktive Struktur beschnitten. Somit kann die dann tatsächlich vorliegende diffraktive Struktur nur „konzentrische Ringabschnitte" bezogen auf den Scheitel der Fläche F3 aufweisen.
In den Figuren 2 und 3 sind Darstellungen der Bildfehlerkurven für die HMD-Vorrichtung gemäß Fig. 1 gezeigt, wobei in Figur 2 und 3 jeweils zwei Spalten von Bildfehlerkurven gezeigt sind. Die linke Spalte bezieht sich auf die Meridionalebene (y-z-Ebene) und die rechte Spalte auf die dazu senkrechte Ebene (x-z-Ebene; nachfolgend auch Sagittalebene genannt). Die Bildfehler sind in Millimetern jeweils für die Wellenlängen 656,27 nm, 546,07 nm und 486,13 nm (mit dem Bezugszeichen W1 , W2 und W3 bezeichnet) dargestellt. Zwischen den entsprechenden Bildfehlerkurven für die Meridionalebene und die Sagittalebene sind jeweils die relative x- und y-Koordinate nebeneinander angegeben. Darunter sind die Hauptstrahlwinkel im Bildraum (also Feldwinkel in der Austrittspupille 6 und somit am Auge des Betrachters) aufgeführt. So sind beispielsweise bei der obersten Darstellung in Fig. 2 die x- und y-Koordinate 0,00 und 1 ,00. Der Hauptstrahlwinkel beträgt 0,00° und 16,6°.
In Fig. 4 ist die durch die HMD-Vorrichtung 1 von Fig. 1 bedingte Verzeichnung schematisch dargestellt. Dazu ist mit durchgezogenen Linien ein regelmäßiges Raster GR1 gezeigt, das den gesamten bildgebenden Bereich des Bildmoduls 2 abdeckt. Mit gestrichelten Linien ist die in virtuellem Bild resultierende, auf den Ort des bildgebenden Bereiches zurückgerechnete Abbildung GR2 dieses Rasters dargestellt, wobei durch den Doppelpfeil P1 das horizontale Sehfeld (y-Richtung) und durch den Doppelpfeil P2 das vertikale Sehfeld (x-Richtung) angedeutet ist. Wie der Darstellung von Fig. 4 entnommen werden kann, verlaufen die Linien beider Raster quasi parallel und zum großen Teil fast deckungsgleich. Die Verzeichnung ist somit außerordentlich gering.
In Fig. 5 ist ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen HMD-Vorrichtung gezeigt, bei dem im Unterschied zu dem ersten Ausführungsbeispiel von Fig. 1 die Relay-Optik 3 nur noch eine einzige Linse 10 (Fig. 5) umfaßt. Gleiche Elemente in Fig. 5 sind mit gleichen Bezugszeichen beschrieben, wobei zu der Beschreibung auf die obigen Ausführungen verwiesen wird.
Bei der Ausführungsform von Fig. 5 sind beide Flächen F1 und F2 der einzigen Linse 10 sowie die Reflexionsfläche RF 1 des Umlenkelementes 4 als nicht-rotationssymmetrisch gekrümmte Flächen mit genau einer Spiegelsymmetrieebene (hier die Meridionalebene) ausgebildet. Die Flächen F1 , F2 und RF1 können gemäß der obigen Formel G1 beschrieben werden, wobei die Werte für k, N und Cm n in gleicher Weise wie in Tabelle 1 in der nachfolgenden Tabelle 5 angegeben sind. In der vorliegenden Tabelle sind Terme bis zur maximalen Ordnung n + m < 10 berücksichtigt.
Tabelle 5:
Figure imgf000016_0001
Figure imgf000017_0001
Die globalen Koordinatenbezüge und Grundradien der Flächen F1 , F2 und RF1 sowie die Abstände der einzelnen optischen Elemente sind in der nachfolgenden Tabelle 6 in gleicher Weise wie in Tabelle 2 angegeben.
Tabelle 6:
Figure imgf000017_0002
Die Austrittspupille der HMD-Vorrichtung 1 von Fig. 5 hat einen Durchmesser von 7 mm bei einem Sehfeld von ± 9,0° in x-Richtung (= Vertikale) und ± 12,0° in y-Richtung (= Horizontale). Das Material der Linse 10 trägt die Handelsbezeichnung KPFK85 und weist bei λ = 546,7 nm einen Brechungsindex von 1 ,4869 und eine Abbesche Zahl von 84,7 auf.
Auf der Fläche F1 ist ferner noch eine diffraktive Struktur zur Korrektur chromatischer Aberrationen ausgebildet, die in gleicher Weise wie bei der obigen Ausführungsform von Fig. 1 konzentrische Ringe mit dem Linsenscheitel der Fläche F1 als Mittelpunkt mit einem Kinoform- Profil aufweist. Das diffraktive Element läßt sich mit den gleichen Formeln G3 - G6 beschreiben, wobei die entsprechenden Parameter in der nachfolgenden Tabelle 7 angegeben sind.
Tabelle 7:
Figure imgf000018_0001
In den Figuren 6 und 7 sind in gleicher Weise wie in den Figuren 2 und 3 die Bildfehlerkurven für die zweite Ausführungsform der HMD-Vorrichtung gemäß Fig. 5 dargestellt. In Fig. 8 ist in gleicher Weise wie in Fig. 3 die Verzeichnung angedeutet. Wie aus der Darstellung zu entnehmen ist, ist selbst bei der Verwendung nur einer einzigen Linse die resultierende Verzeichnung äußerst gering.
In Fig. 9 ist ein drittes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen HMD-Vorrichtung 1 gezeigt, bei dem wiederum die Relay-Optik 3 nur eine einzige Linse 10 umfaßt. Die dritte Ausführungsform ist insbesondere dadurch gekennzeichnet, daß das Sehfeld relativ schmal ausgebildet ist, da es in x-Richtung (= vertikale) ± 3,0° und in y-Richtung (= horizontale) ± 12,5° aufweist. Die Austrittspupille weist einen Durchmesser von 7 mm auf und als Material der Linse 10 wird das gleiche Material verwendet wie bei der vorher beschriebenen zweiten Ausführungsform. Gleiche Elemente in Fig. 9 wie in Fig. 5 sind mit gleichem Bezugszeichen beschrieben, wobei zur Beschreibung auf die obigen Ausführungen verwiesen wird.
Bei der dritten Ausführungsform von Fig. 9 sind die beiden Flächen F1 und F2 der einzigen Linse 10 sowie die Reflexionsfläche RF1 des Umlenkelementes 4 jeweils als nicht- rotationssymmetrisch gekrümmte Fläche mit genau einer Spiegelsymmetrieebene (hier die Meridionalebene) ausgebildet. Die Flächen F1 , F2 und RF1 können gemäß der obigen Form G1 beschrieben werden, wobei die Werte für k, N und Cm- n in gleicher Weise wie in Tabelle 1 in der nachfolgenden Tabelle 8 angegeben sind. In der vorliegenden Tabelle 8 sind Terme bis zur maximalen Ordnung n+m < 10 berücksichtigt. Tabelle 8:
Figure imgf000019_0001
Figure imgf000020_0001
Die globalen Koordinaten, Bezüge und Grundradien der Fläche F1 , F2 und RF1 sowie die Abstände der einzelnen optischen Elemente sind in der nachfolgenden Tabelle 9 in gleicher Weise wie in Tabelle 2 angegeben.
Tabelle 9:
Figure imgf000020_0002
Auf der Fläche F1 ist ferner noch eine diffraktive Struktur zur Korrektur chromatischer Aberration ausgebildet, die in gleicher Weise wie bei der obigen Ausführungsform konzentrische Ringe mit dem Linsenscheitel der Fläche F1 als Mittelpunkt mit einem Kinoform-Profil aufweist. Das diffraktive Element lässt sich mit den gleichen Formen G3, G6 beschreiben, wobei die entsprechenden Parameter der nachfolgenden Tabelle 10 angegeben sind.
Tabelle 10:
Figure imgf000020_0003

Claims

Patentansprüche
1. HMD-Vorrichtung mit einem Bildmodul (2) zum Erzeugen eines Bildes, einer dem Bildmodul (2) nachgeordneten und mindestens einer Linse (7, 8, 10) aufweisenden Relay-Optik (3), die das erzeugte Bild verzerrt als reelles gekrümmtes Zwischenbild in eine Zwischenbildfläche (5) abbildet, und einem der Zwischenbildfläche (5) nachgeordneten reflektiven Umlenkelement (4), das das reelle Zwischenbild als virtuelles Bild so abbildet, daß es ein die HMD-Vorrichtung tragender Benutzer wahrnehmen kann, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Flächen (F1 , F2, F4) der Linse(n) (7, 8) der Relay-Optik (3) als nicht-rotationssymmetrisch gekrümmte Flächen ausgebildet sind, die maximal eine Spiegelsymmetrieebene aufweisen, und daß das Umlenkelement (4) eine Reflexionsfläche (RF 1 ) aufweist, die als nicht- rotationssymmetrisch gekrümmte Fläche mit maximal einer Spiegelsymmetrieebene derart ausgebildet ist, daß die durch die Relay-Optik (3) bedingte Vorverzerrung des Zwischenbildes bei Reflexion an der Reflexionsfläche (RF1) kompensiert wird.
2. HMD-Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Reflexionsfläche (RF1 ) teiltransparent ausgebildet ist, so daß ein die HMD-Vorrichtung tragender Benutzer durch das Umlenkelement (4) hindurch die Umgebung wahrnehmen kann.
3. HMD-Vorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Umlenkelement eine zweite Grenzfläche aufweist, die im wesentlichen transparent ist und aus der Reflexionsfläche (RF1) durch zentrische Streckung bezüglich des Mittelpunktes der Austrittspupille (6) der HMD-Vorrichtung hervorgeht.
4. HMD-Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Grenzfläche von der Zwischenbildfläche weiter entfernt ist als die Reflexionsfläche (RF 1 ).
5. HMD-Vorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflexionsfläche (RF1 ) als Innenfläche zweier miteinander verbundener optischer Elemente ausgebildet ist.
6. HMD-Vorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich die mindestens zwei Flächen der Linse(n) sowie die Reflexionsfläche jeweils nicht als Abschnitt einer rotationssymmetrischen Fläche darstellen lassen.
7. HMD-Vorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf zumindest einer der Flächen (F1 - F4) der Linse(n) eine diffraktive Struktur zur Korrektur chromatischer Bildfehler ausgebildet ist.
8. HMD-Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die diffraktive Struktur nicht rotationssymmetrisch ausgebildet ist.
9. HMD-Vorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegelsymmetrieebenen der mindestens zwei Flächen und die Spiegelsymmetrieebene der Reflexionsfläche zusammenfallen.
10. HMD-Vorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Replay-Optik genau eine Linse (10) enthält.
11. HMD-Vorrichtung nach einem der obigen Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Relay-Optik genau zwei oder drei Linsen (8, 9) enthält.
12. HMD-Vorrichtung nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, daß alle Linsen der Relay-Optik (3) aus demselben Material hergestellt sind.
13. HMD-Vorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die nicht-rotationssymmetrisch gekrümmten Flächen mit maximal einer Spiegelsymmetrieebene so ausgebildet sind, daß die maximale Durchbiegung einer in das virtuelle Bild abgebildeten geraden Linie des Bildes kleiner als 3 % der Diagonalen des virtuellen Bildes ist.
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