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Die Erfindung betrifft eine Anzeigevorrichtung
zum Erzeugen eines Bildes, das für
einen Betrachter eines einer Objektebene befindlichen Objekts in
der Überlagerung
mit dem Objekt wahrnehmbar ist.
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Eine solche Vorrichtung ist beispielsweise eine
HMD-Vorrichtung (Head Mounted Display-Vorrichtung), wobei bei einer Überlagerung
des erzeugten Bildes mit dem Objekt häufig von einer augmentierten
Darstellung gesprochen wird.
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Es gibt HMD-Vorrichtungen, bei denen
keine Fokussiereinheit vorgesehen ist, um den Abstand des erzeugten
Bildes vom Betrachter ändern
zu können.
Solche Vorrichtungen sind insbesondere für ältere Betrachter mit reduziertem
Akkomodationsvermögen
nicht einsetzbar.
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Weiterhin sind HMD-Vorrichtungen
bekannt, bei denen eine Fokussiereinheit vorgesehen ist, um den
Abstand des erzeugten Bildes zum Betrachter einstellen zu können. Dazu
ist jedoch zumindest ein Drehgriff ausreichender Größe bei der
HMD-Vorrichtung vorzusehen, um Linsen und/oder ein Bilderzeugungselement
manuell zu verschieben. Wenn die HMD-Vorrichtung autofokusfähig sein
soll, ist zusätzlich
noch zwingend ein Motorantrieb erforderlich. Dies macht die HMD-Vorrichtung
schwer und unhandlich.
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Ausgehend hiervon ist es Aufgabe
der Erfindung, eine Anzeigevorrichtung zum Erzeugen eines Bildes,
das für
einen Betrachter eines in einer Objektebene befindlichen Objekts
in Überlagerung
mit dem Objekt wahrnehmbar ist, vorzusehen, die leichter und kleiner
ausgebildet sein kann.
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Die Aufgabe wird durch eine Anzeigevorrichtung
zum Erzeugen eines Bildes, das für
einen Betrachter eines in einer Objektebene befindlichen Objekts
in Überlagerung
mit dem Objekt wahrnehmbar ist, gelöst, die eine Bilderzeugungseinrichtung
zum Erzeugen des Bildes in einer Bildebene und eine Überlagerungseinheit
aufweist, wobei die Bilderzeugungseinrichtung und die Überlagerungseinheit
an einer auf den Kopf des Betrachters aufsetzbaren Tragevorrichtung
befestigt sind und die Bilderzeugungseinrichtung eine Fokussiereinheit
umfaßt,
mit der der Abstand der Bildebene zur Tragevorrichtung veränderbar
ist und die eine eine veränderbare
Brechzahl aufweisende Linse sowie eine Ansteuereinheit zur Einstellung
der Brechzahl der Linse enthält,
wobei bei auf den Kopf des Betrachters aufgesetzter Tragevorrichtung
die Überlagerungseinheit
für den
Betrachter eine Überlagerung
des erzeugten Bildes mit dem Objekt bewirkt und die Ansteuereinheit
die Brechzahl der Linse so einstellt, daß die Objektebene mit der Bildebene
zusammenfällt.
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Da bei der erfindungsgemäßen Anzeigevorrichtung
eine Linse mit veränderbarer
bzw. einstellbarer Brechzahl vorgesehen ist, kann die Lage der Bildebene
verändert
und eingestellt werden, ohne daß dazu
mechanische Bewegungen von Linsen oder sonstigen Elementen notwendig
sind. Dadurch muß weder
ein Drehgriff noch ein Motorantrieb zum mechanischen Bewegen der
Linse vorgesehen werden, so daß die
Anzeigevorrichtung insgesamt kleiner und leichter ausgebildet werden
kann. Die eingestellte Brechzahl kann für die ganze Linse die gleiche sein
oder auch verschieden (dann liegt eine gewünschte Brechzahlverteilung
vor).
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Als Linse wird hier ein optisches
Element verstanden, mit dem eine optische Abbildung durchgeführt werden
kann (d.h. die von einem Gegenstandspunkt ausgehenden Strahlen werden
mittels der Linse in ihrem Verlauf so verändert, daß sie durch einen anderen Punkt,
den Bildpunkt, gehen). Die Linse kann insbesondere als Fresnel-Linse
oder als diffraktives optisches Element ausgebildet sein. Beispiele
solcher Linsen sind in den Artikeln „Modal Liquid Crystal Lenses" der Firma Okotech
Delft, Niederlande, und „Modally
Addressed Liquid Crystals" der
University of Durham zu entnehmen. Unter dem Zusammenfallen von
Objekt- und Bildebene wird hier verstanden, daß die beiden Ebenen maximal
so weit voneinander beabstandet sind, daß für den Betrachter das Objekt
und das Bild gleichzeitig scharf wahrgenommen werden können. Bevorzugt
fallen die beiden Ebenen tatsächlich
zusammen.
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Insbesondere kann die Anzeigevorrichtung ein
an der Tragevorrichtung befestigtes Meßmodul aufweisen, das den Abstand
der Objektebene zur Tragevorrichtung erfaßt, wobei die Brechzahl der
Linse in Abhängigkeit
des mittels des Meßmoduls
erfaßten
Abstands eingestellt ist. Die Abstandserfassung mittels dem Meßmodul kann
direkt oder indirekt durchgeführt
werden. D.h., daß man
entweder direkt den Abstand ermittelt, oder eine Größe ermittelt,
aus der man den Abstand ableiten könnte. Dabei muß bei der
indirekten Abstandsermittlung gar kein konkreter Abstandswert selbst
ermittelt werden, sondern es langt, daß aufgrund der erfaßten Größe eine
Einstellung der Brechzahl der Linse möglich ist, so daß die Objektebene
mit der Bildebene zusammenfällt.
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Mit dieser Weiterbildung kann leicht
ein automatisches „Scharfstellen" des erzeugten Bildes
in der Objektebene erfolgen.
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Insbesondere kann die Fokussiereinheit
als Autofokussiereinheit ausgebildet sein, die bei Änderung
des Abstands zwischen der Objektebene und der Tragevorrichtung die
Brechzahl der Linse so ändert,
daß die
Bildebene weiterhin mit der Objektebene zusammenfällt. Damit
wird sichergestellt, daß der Betrachter
stets das erzeugte Bild in der Objektebene sieht (auch wenn es sich
beispielsweise bewegt), so daß eine
sehr gute Nutzbarkeit der Vorrichtung gegeben ist.
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Eine bevorzugte Ausgestaltung der
erfindungsgemäßen Anzeigevorrichtung
besteht darin, daß die
Linse zumindest teilweise aus einem elektrooptischen Material, insbesondere
Flüssigkristall,
gebildet ist. Solche Linsen sind kostengünstig zu fertigen, so daß eine preiswerte
Anzeigevorrichtung zur Verfügung
gestellt werden kann.
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Bei der erfindungsgemäßen Anzeigevorrichtung
kann die Ansteuereinheit zur Einstellung der Brechzahl der Linse
eine bestimmte elektrische Spannung an die Linse anlegen. Dies läßt sich
leicht und genau realisieren.
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Besonders vorteilhaft ist dies bei
der Verwendung von Flüssigkristallinsen,
wobei beispielsweise nematische Flüssigkristalle (verdrehte und
nicht-verdrehte Form) und auch ferroelektrische Flüssigkristalle
verwendet werden können.
Bei diesen Flüssigkristallen
läßt sich
schon bei geringen Spannungen (beispielsweise 2 bis 10 Volt) und
sehr geringem Energiebedarf eine Brechzahländerung von bis zu 0,2 erreichen.
Diese geringen Spannungen (und auch der geringe Energiebedarf) lassen
sich einfach und mit geringem Gewicht realisieren (z.B. mit einer
oder mehreren Batterien oder mittels zumindest einer Solarzelle),
so daß das
Gewicht der Anzeigevorrichtung gering gehalten werden kann.
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Die nematischen Flüssigkristallinsen
haben den Vorteil, daß sie
gerade im Temperaturbereich von 20 bis 50°C gute Eigenschaften aufweisen.
Bei den ferroelektrischen Flüssigkristallen
ist insbesondere die sehr schnelle Schaltzeit und somit die sehr kurzfristige Änderung
der Brechzahl von Vorteil.
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Des weiteren kann bei der Anzeigevorrichtung
die Überlagerungseinheit
einen Spiegel, einen Teilerspiegel oder ein Teilergitter aufweisen.
Wenn sie einen Spiegel aufweist, findet für den Betrachter eine derartige Überlagerung
statt, daß das
erzeugte Bild und das Objekt nebeneinander bzw. unmittelbar aneinander
angrenzend wahrnehmbar sind. Bei der Überlagerung mittels des Teilerspiegels
kann man das erzeugte Bild und das Objekt für den Betrachter aufeinander
legen. Natürlich
ist es auch möglich,
daß die Überlagerungseinheit
eine Kombination aus einem Spiegel und einem Teilerspiegel aufweist,
so daß teilweise
ein Aufeinanderlegen und teilweise eine Darstellung, bei der Objekt
und Bild nebeneinander liegen, für
den Betrachter wahrnehmbar ist.
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Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Anzeigevorrichtung
liegt darin, daß eine
stufenlose Einstellung möglich
ist und daß auch
keine sich bewegenden Teile zur Verschiebung der Bildebene notwendig
sind.
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Bevorzugt ist es, wenn bei der erfindungsgemäßen Anzeigevorrichtung
das Meßmodul
bei auf dem Kopf aufgesetzter Tragevorrichtung anhand des Auges
des Betrachters den Abstand zwischen Tragevorrichtung und Objektebene
erfaßt.
Dies läßt sich beispielsweise
durch die Vermessung des Augenhintergrunds des Betrachters realisieren.
Bei dieser Art der Abstandserfassung kann man schnell und genau den
notwendigen Abstand ermitteln, ohne das Objekt bzw. den entsprechenden
Teil des Objekts, den der Betrachter gerade wahrnimmt, erfassen
zu müssen. Ferner
kann bei dieser Variante der Benutzer sogar eine Gleitsichtbrille
tragen.
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Alternativ ist es möglich, daß bei der
erfindungsgemäßen Anzeigevorrichtung
das Meßmodul bei
auf dem Kopf aufgesetzter Tragevorrichtung anhand des Objekts selbst
den Abstand zwischen der Objektebene und der Tragevorrichtung erfaßt. Dies bringt
den Vorteil mit sich, daß unabhängig von
kurzfristigen Augen- und/oder Lidbewegungen immer der korrekte Abstand
zwischen dem Betrachter und dem Objekt ermittelt werden kann. Weiterhin
kann bei der Erfassung des Abstands das Objekt aufgenommen und auch
noch hinsichtlich des zu erzeugenden Bildes ausgewertet werden.
So ist beispielsweise bei der Wartung von Geräten die Möglichkeit gegeben, anhand des
Bereichs des Geräts
(bzw. des Objekts), den der Betrachter gerade wahrnimmt, entsprechend geeignete
Informationen mittels dem erzeugten Bild dem Betrachter darzubieten.
Dabei kann es sich um die Montageanweisungen oder um Mitteilungen
hinsichtlich von zu überprüfenden Werten
handeln.
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Bei einer bevorzugten Ausgestaltung
der erfindungsgemäßen Anzeigevorrichtung
umfaßt
die Bilderzeugungseinrichtung eine Bildmodul zur Bilderzeugung sowie,
bei auf den Kopf aufgesetzter Tragevorrichtung, einen Projektionsstrahlengang
vom Bildmodul über
die Fokussiereinheit bis zum Auge des Betrachters und das Meßmodul weist
einen Sensor sowie im Projektionsstrahlengang zwischen dem Bildmodul
und der Linse eine Strahlteilereinheit auf, die vom Objekt ausgehendes
Licht, das durch die Linse läuft,
auf den Sensor lenkt, der in Abhängigkeit der
Schärfe
der Abbildung des Objekts auf den Sensor ein Signal an die Ansteuereinheit
abgibt, wobei die Bilderzeugungseinrichtung und das Meßmodul so ausgebildet sind,
daß bei
Scharfstellung des Objekts für
den Sensor mittels der Einstellung der Brechzahl der Linse gleichzeitig
die Bildebene mit der Objektebene zusammenfällt. Damit wird eine kompakte
und leichte Anzeigevorrichtung bereitgestellt, bei der die Scharfstellung
des Bildes in der Objektebene (Bildebene fällt mit der Objektebene zusammen)
unkompliziert durchführbar
ist.
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Als Bildmodul kann eine selbstleuchtende Anzeige,
wie z.B. eine hintergrundbeleuchtete LCD-Anzeige oder eine LED-Anzeige verwendet werden.
Natürlich
sind auch nicht-selbstleuchtende Anzeigen verwendbar. In diesem
Fall kann das Bildmodul ein sogenanntes (räumliches) Lichtventil (beispielsweise
eine Kippspiegelmatrix mit einer Vielzahl von in Zeilen und Spalten
angeordneten und einzeln ansteuerbaren Kippspiegeln) sein, das beleuchtet wird
und selektiv (in Abhängigkeit
der Stellung der einzelnen Kippspiegel) Licht reflektiert, das zusammen
dann das erzeugte Bild ergibt. Das Bildmodul kann einfarbige oder
auch mehrfarbige Bilder erzeugen.
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Bei einer bevorzugten Weiterbildung
der erfindungsgemäßen Anzeigevorrichtung
umfaßt
die Fokussiereinheit zwei oder mehr Linsen mit veränderbarer
Brechzahl, wobei die Brechzahlen mittels der Ansteuereinheit ein-
bzw. verstellbar sind.
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Die erfindungsgemäße Anzeigevorrichtung kann
so ausgebildet sein, daß sie
für ein
oder für
beide Augen des Betrachters ausgebildet ist. Wenn sie für beide
Augen des Betrachters ausgebildet ist, können die Bilder für beide
Augen gleich oder auch unterschiedlich sein. Insbesondere ist eine
räumliche Darstellung
des Bildes möglich.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand
der Zeichnungen im Prinzip beispielhalber noch näher erläutert. Es zeigen:
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1 schematisch
eine Seitenansicht der erfindungsgemäßen Anzeigevorrichtung, die
auf dem Kopf eines Betrachters aufgesetzt ist, und
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2 schematisch
eine vergrößerte Darstellung
der Anzeigevorrichtung von 1.
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Wie insbesondere aus 2 ersichtlich ist, umfaßt die Anzeigevorrichtung
in der beschriebenen Ausführungsform
eine Bilderzeugungseinheit 1 mit einem Bildmodul 2 (was
hier eine selbstleuchtende Anzeige ist) und einer Fokussiereinheit 3.
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Die Fokussiereinheit 3 umfaßt eine
Flüssigkristallinse 4 sowie
eine weitere Linse 5, wobei mittels einer Ansteuereinheit 6 der
Anzeigevorrichtung die Flüssigkristallinse 4 mit
einer elektrischen Spannung beaufschlagbar ist. In Abhängigkeit
der Größe der beaufschlagten Spannung
wird eine bestimmte Brechzahl bzw. eine Brechzahlerteilung der Flüssigkristallinse 4 eingestellt.
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Weiterhin enthält die Anzeigevorrichtung eine Überlagerungseinheit 7,
die einen ersten und einen zweiten Teilerwürfel 8, 9 umfaßt. Die
Teilerwürfel 8, 9 sind
so angeordnet, daß das
von dem Bildmodul 2 kommende Licht am ersten Teilerwürfel um
90° umgelenkt
wird und auf den zweiten Teilerwürfel 9 trifft, der
wiederum eine Umlenkung um 90° bewirkt.
Das am zweiten Teilerwürfel 9 umgelenkte
Licht trifft dann auf das Auge A des Betrachters M. Durch den zweiten
Teilerwürfel 9 hindurch
kann der Betrachter M die Umwelt wahrnehmen. In dem hier beschriebenen Beispiel
betrachtet er ein Objekt (nicht gezeigt), das sich in der Objektebene
O befindet. Statt der Teilerwürfel 8, 9 können natürlich auch
andere, dem Fachmann bekannte Strahlteiler verwendet werden.
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Ferner umfaßt die Anzeigevorrichtung noch ein
Meßmodul
mit einem Strahlteiler 10, der zwischen dem Bildmodul 2 und
der Fokussiereinheit 3 angeordnet ist, und einem Autofokussensor 11.
Der Strahlteiler 10 ist so angeordnet, daß Licht
vom Objekt, das durch den ersten Teilerwürfel 8 und die Fokussiereinheit 3 läuft, am
Strahlteiler 10 auf den Autofokussensor 11 umgelenkt
wird. Der Autofokussensor 11 gibt in Abhängigkeit
der Schärfe
des auf ihn abgebildeten Objekts ein Signal ab, das an die Ansteuereinheit 6 angelegt
wird.
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Die Bilderzeugungseinrichtung 1,
die Fokussiereinheit 3 sowie die Überlagerungseinheit 7 sind alle
an einer Tragevorrichtung 12 (nur in 1 gezeigt) befestigt, die in Art einer
Brille auf dem Kopf so aufsetzbar ist, daß im aufgesetzten Zustand der
Betrachter durch den zweiten Teilerwürfel 9 die Umgebung
wahrnimmt.
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Die Ansteuereinheit 6 kann
an der Tragevorrichtung 12 befestigt sein. Sie kann jedoch
auch getrennt von dieser vorgesehen werden. Das gleiche gilt für eine Bildsteuereinheit 13,
die zur Ansteuerung des Bildmoduls 2 verwendet wird. Daher
sind die Ansteuereinheit 6 sowie die Bildsteuereinheit 13 in 1 nicht eingezeichnet, da
sie im beschriebenen Beispiel nicht an der Tragevorrichtung 12 befestigt sind.
Die Verbindungen zwischen der Bildsteuereinheit 13 und
dem Bildmodul 2 sowie zwischen der Ansteuereinheit 6 und
der Linse 4 sowie dem Autofokussensor 11 können drahtlos
(z.B. Funkverbindungen) und mit Leitungen realisiert werden.
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Der Optikaufbau der Anzeigevorrichtung
ist so gewählt,
daß, wenn
mittels des Autofokussensors 11 festgestellt wird, daß der Betrachter
M das Objekt in der Objektebene O schart wahrnimmt, die Bildebene
B, in der das erzeugte Bild für
den Betrachter M wahrnehmbar ist, mit der Objektebene O zusammenfällt. Das
Scharfstellen auf die Objektebene O wird durch entsprechendes Einstellen
der Brechzahl der Flüssigkristallinse 4 erreicht,
wobei dies in Abhängigkeit
des vom Autofokussensor 11 abgegebenen Signals bzw. dessen
Wert erfolgt. Es liegt somit ein Regelkreis vor, mit dem der Abstand
vom Objekt zur Tragevorrichtung 12 erfaßt wird. Diese Abstandserfassung
ist so ausgelegt, daß damit
auch gleich die Bildebene B in die Objektebene O gelegt wird. Die
Ermittlung des Abstands vom Objekt zur Tragevorrichtung 12 (bzw.
zum Betrachter M) mittels gezielter Einstellung der Brechzahl der
Flüssigkristallinse 4 wird damit
auch gleich dazu genutzt, daß die
Bildebene B mit der Objektebene O zusammenfällt.
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Die Ansteuereinheit 6 und
das Meßmodul sind
insbesondere so ausgebildet, daß sie
laufend den Abstand zwischen Objektebene O und dem Betrachter M
ermitteln und die Brechzahl der Flüssigkristallinse 4 entsprechend
nachregeln bzw. einstellen. Dadurch wird eine Autofokussierung bereitgestellt,
mit der der Betrachter M das erzeugte Bild immer scharf in der Objektebene
O wahrnehmen kann. Diese Autofokus-Funktion benötigt in vorteilhafter Weise
keine mechanisch zu bewegenden Teile.
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In einer Weiterbildung (nicht gezeigt)
der Anzeigevorrichtung umfaßt
die Fokussiereinheit zwei oder mehr Flüssigkristallinsen, deren Brechzahlen mittels
der Ansteuereinheit einstellbar sind.
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Anstatt des zweiten Teilerwürfels 9 kann auch
ein Umlenkspiegel (nicht gezeigt) verwendet werden. Der Umlenkspiegel
ist dabei so dimensioniert, daß nur
ein Teil des Sehfeldes durch den Umlenkspiegel abgedeckt ist. In
diesem Fall findet die Überlagerung
von dem erzeugten Bild mit dem wahrnehmbaren Objekt nebeneinander
statt.
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Die in Verbindung mit 1 und 2 beschriebene Anzeigevorrichtung ist
nur für
ein Auge A des Betrachters M ausgebildet. Natürlich kann sie auch für beide
Augen ausgebildet werden. Dies läßt sich beispielsweise
dadurch realisieren, daß die Überlagerungseinheit 7 entsprechend
erweitert wird. Natürlich
kann auch für
das zweite Auge eine eigene Bilderzeugungseinheit, eine eigene Fokussiereinheit mit
Meßmodul
und eine eigene Überlagerungseinheit vorgesehen
werden.