[0001] Die Erfindung betrifft ein optisches System zum Erzeugen eines virtuellen Bildes von einem von einer Bildgeberanordnung bereitgestellten Quellbild, mit zumindest einem vor einem Auge zu tragenden Lichtleiter, der dazu ausgelegt ist, vom Quellbild ausgehende und in den Lichtleiter eingekoppelte Lichtstrahlenbündel in einer Lichtausbreitungsrichtung zu einer reflektiven Auskoppelanordnung zu führen, die dazu ausgelegt ist, die Lichtstrah lenbündel aus dem Lichtleiter zum Auge hin auszukoppeln.

[0002] Die Erfindung betrifft ferner eine Datenbrille mit einem solchen optischen System.

[0003] Ein optisches System und eine Datenbrille der eingangs genannten Art ist aus dem

Dokument WO 2016/102190 A1 bekannt.

[0004] Ein optisches System der eingangs genannten Art kann in einem sog. Head Mounted

Display (HMD), d.h. einer kopfgetragenen Anzeigevorrichtung, verwendet werden. Eine gängige Form von HMDs verwendet Bildschirme, die vor den Augen getragen werden und dem Benutzer Computer-generierte Bilder oder von Kameras aufgenommene Bilder präsentieren. Derartige HMDs sind häufig voluminös und erlauben keine unmittelbare Wahrnehmung der Umgebung. Erst in jüngerer Zeit sind HMDs entwickelt worden, die in der Lage sind, dem Benutzer ein mit einer Kamera aufgenommenes Bild oder ein Compu- ter-generiertes Bild darzubieten, ohne die unmittelbare Wahrnehmung der Umgebung zu verhindern, indem der Benutzer durch das HMD hindurchblicken kann. Derartige HMDs, die auch Datenbrillen genannt werden, ermöglichen die Nutzung dieser Technologie im alltäglichen Leben.

[0005] Optische Systeme solcher Datenbrillen weisen typischerweise eine Bildgeberanordnung, einen Lichtleiter und eine Auskoppelanordnung auf. Die Auskopplung des im Lichtleiter typischerweise durch Totalreflexion an den Außenflächen des Lichtleiters propagierenden Lichtes aus dem Lichtleiter zum Auge des Benutzers kann durch unterschiedliche Ansätze realisiert werden, beispielsweise reflektiv, refraktiv, diffraktiv, holographisch usw., oder durch eine Kombination davon. Datenbrillen zeichnen sich durch hohe Anforderungen an die Abbildungsqualität bei einem relativ großen Gesichtsfeld aus. Gleichzeitig stehen bei solchen kopfgetragenen Systemen ein geringes Gewicht und Kompaktheit (kleiner Bauraum) im Vordergrund, was eine Abbildung des Quellbildes durch möglichst wenig optische Flächen verlangt, um das virtuelle Bild zu erzeugen, womit jedoch wiederum wenig Flächen für die Kompensation von optischen Aberrationen zur Verfügung stehen. Eine weitere Anforderung an eine Datenbrille ist die Akzeptanz bei Benutzern, die nicht zuletzt durch das äußere Erscheinungsbild der Datenbrille beeinflusst wird. Insbesondere sind geringe Dicken des Lichtleiters erwünscht, damit das Aussehen der Datenbrille sich von einer gewöhnlichen Brille nicht wesentlich unterscheidet.

[0006] Bei dem aus dem eingangs genannten Dokument bekannten optischen System erfolgt die

Auskopplung des im Lichtleiter propagierenden Lichtes über eine Reflexion an einer zusammenhängenden Freiform-Fresnel-Fläche mit einer Mehrzahl von spiegelnden Fresnel-Segmenten. Wie in dem Dokument beschrieben ist, hängt die optische Abbil dungsqualität des optischen Systems aufgrund der Lage der Auskoppelanordnung nahe zur Austrittspupille des optischen Systems und nahe zur Eintrittspupille des Auges sehr stark von der Oberflächentreue und -qualität der Freiform-Fresnel-Fläche ab. Ein Nachteil einer solchen Freiform-Fresnel-Fläche besteht dennoch in der eingeschränkten optischen Abbildungsfunktion der Fresnel-Flächen der Fresnel-Segmente sowie in einem reduzier ten Gesichtsfeldbereich bzw. einer reduzierten Eyebox-Größe. Die Eyebox ist derjenige dreidimensionale Bereich der Lichtröhre im Abbildungsstrahlengang, in dem sich die Augenpupille bewegen kann, ohne dass eine Vignettierung des Bildes erfolgt. Da der Abstand des Auges zur Datenbrille im Wesentlichen konstant ist, kann die Eyebox auf eine zweidimensionale Eyebox, die lediglich die Drehbewegungen des Auges berücksich tigt, reduziert werden. In diesem Fall entspricht die Eyebox im Wesentlichen der Aus trittspupille der Datenbrille am Ort der Eintrittspupille des Auges. Letztere ist in der Regel durch die Augenpupille gegeben.

[0007] Die nicht optimalen Abbildungseigenschaften der Freiform-Fresnel-Segmente der

Spiegelfläche sind durch den gegenseitigen unstetigen Versatz der einzelnen Fresnel- Flächen in Blickrichtung des Auges bedingt. Dieser gegenseitige unstetige Versatz der einzelnen Fresnel-Segmente in Blickrichtung erlaubt es nicht, die einzelnen Fresnel- Segmente so zu gestalten, dass sich mit zwei benachbarten Fresnel-Segmenten, die zur Abbildung eines gleichen Feldpunktes des Quellbildes beitragen, eine hinreichend gute Abbildung erreichen lässt. Man ist dadurch gezwungen, die einzelnen Fresnel-Flächen nur als Planspiegel auszuführen, oder allenfalls mit geringen Abweichungen von Plan spiegeln. Ein weiterer Nachteil der Fresnel-Segmente besteht darin, dass Schattenberei che zwischen unmittelbar benachbarten Fresnel-Segmenten, die nicht zur Auskopplung von Nutzlicht vorgesehen sind, Anlass zu Mehrfachreflexionen geben, die Geisterbilder erzeugen können.

[0008] Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein optisches System der eingangs

genannten Art dahingehend weiterzubilden, dass das virtuelle Bild aus dem Quellbild mit höherer Abbildungsqualität erzeugt werden kann, wobei ein möglichst großes Gesichts feld unter Beibehaltung einer geringen Baugröße des Systems erreicht wird.

[0009] Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass das Quellbild jeweils von einem ersten Bildgeberbereich und zumindest einem dem ersten Bildgeberbereich benachbarten zweiten Bildgeberbereich der Bildgeberanordnung bereitgestellt wird, dass die Auskop pelanordnung eine Mehrzahl von Einzelspiegeln aufweist, die in Lichtausbreitungsrichtung jeweils voneinander beabstandet angeordnet sind, wobei eine erste Gruppe von Einzel spiegeln erste Lichtstrahlenbündel, die von dem ersten Bildgeberbereich ausgehen, aus dem Lichtleiter zum Auge hin auskoppelt, und zumindest eine zweite Gruppe von Einzel spiegeln zweite Lichtstrahlenbündel, die von dem zumindest einen zweiten Bildgeberbe reich ausgehen, aus dem Lichtleiter zum Auge hin auskoppelt, und dass die Einzelspiegel der ersten Gruppe und die Einzelspiegel der zumindest einen zweiten Gruppe in Licht ausbreitungsrichtung abwechselnd angeordnet sind.

[0010] Die Auskoppelanordnung des erfindungsgemäßen optischen Systems weist somit eine

Mehrzahl an Einzelspiegeln auf, die in Richtung der Lichtausbreitung in dem Lichtleiter, die von der Bildgeberanordnung zur Auskoppelanordnung weist, jeweils voneinander beabstandet angeordnet sind. Die Lichtausbreitungsrichtung kann die horizontale Rich tung sein, wenn das optische System bestimmungsgemäß am Kopf getragen wird. Die Einzelspiegel sind vorzugsweise als separate Spiegel ausgeführt, insbesondere als Minispiegel. Im Unterschied zu einer Freiform-Fresnel-Spiegelfläche, die aus miteinander zusammenhängenden und aneinander anschließenden Fresnel-Segmenten besteht, hat die Ausgestaltung der Auskoppelanordnung mit voneinander beabstandeten Einzelspie geln den Vorteil, dass die Einzelspiegel mit einer optisch abbildenden Wirkung ausgebil det werden können, die für eine hohe Abbildungsqualität erforderlich ist. Es kann sogar die gesamte Abbildungsfunktion des optischen Systems durch die Einzelspiegel bereitge stellt werden. Hierdurch kann auf eine zusätzliche Abbildungsoptik, beispielsweise im Bereich der Bildgeberanordnung, verzichtet werden.

[0011] Des Weiteren ist das erfindungsgemäße optische System in zwei oder mehr Teilsysteme unterteilt. Das Quellbild wird von zwei oder, entsprechend der Anzahl an Teilsystemen, mehr Bildgeberbereichen der Bildgeberanordnung bereitgestellt. Unter zwei oder mehr Bildgeberbereichen wird im Sinne der Erfindung verstanden, dass das Quellbild von zwei oder mehr nebeneinander angeordneten Bildgeberbereichen eines einheitlichen Bildge bers oder von zwei oder mehr nebeneinander angeordneten eigenständigen Bildgebern bereitgestellt wird. Das Quellbild kann dabei von jedem der vorhandenen Bildgeberberei che vollständig bereitgestellt werden, d.h. das Quellbild wird entsprechend der Anzahl an Bildgeberbereichen vervielfacht bereitgestellt, oder es werden auf jedem Bildgeberbereich nur einzelne Abschnitte des Quellbildes bereitgestellt, die zusammen das vollständige Quellbild ergeben.

[0012] Entsprechend der Einteilung des optischen Systems in zwei oder mehr Teilsysteme sind die Einzelspiegel der Auskoppelanordnung in zwei oder mehr Gruppen unterteilt. Jede Gruppe von Einzelspiegeln ist einem jeweiligen der mehreren Bildgeberbereiche zuge ordnet und koppelt nur die von diesem Bildgeberbereich ausgehenden Lichtstrahlenbün del aus dem Lichtleiter zum Auge hin aus. Weiterhin sind die Einzelspiegel der zwei oder mehr Gruppen von Einzelspiegeln in Lichtausbreitungsrichtung abwechselnd angeordnet. Dies bedeutet, dass zwei in Lichtausbreitungsrichtung unmittelbar benachbarte Einzel spiegel zu zwei unterschiedlichen Gruppen von Einzelspiegeln gehören, und somit diese zwei unmittelbar benachbarten Einzelspiegel Lichtstrahlenbündel aus dem Lichtleiter auskoppeln, die von zwei unterschiedlichen Bildgeberbereichen ausgehen. Da zwei unmittelbar benachbarte Einzelspiegel i.A. vom Auge des Benutzers gleichzeitig gesehen werden können, werden somit Lücken in dem virtuellen Bild des Quellbildes sicher vermieden. Es ist lediglich dafür Sorge zu tragen, dass beim Benutzer stets der gleiche Bildeindruck entsteht, unabhängig davon, ob das wahrgenommene Licht von dem einen oder dem anderen Bildgeberbereich ausgeht. Dies kann durch einen softwaremäßigen Vorhalt in einem oder mehreren der Bildgeberbereiche erreicht werden, der dafür sorgt, dass Lichtstrahlenbündel, die von einem gleichen Feldpunkt des Quellbildes ausgehen, auf der Netzhaut ideal übereinander liegen, um Doppelbilder und Maßstabsverzerrungen zu vermeiden.

[0013] Das erfindungsgemäße optische System hat des Weiteren den Vorteil, dass jeder

Einzelspiegel der mehreren Gruppen von Einzelspiegeln über sehr viel Freiheitsgrade der optischen Abbildung verfügt, wie beispielsweise eine große Anzahl von Koeffizienten eines Freiformpolynomes und/oder einer individuellen Kippung des Einzelspiegels, so dass sich mit dem erfindungsgemäßen optischen System eine sehr gute Abbildungsquali tät und Verzeichnungsfreiheit erreichen lässt.

[0014] Da die gesamte optisch abbildende Wirkung in die Einzelspiegel gelegt werden kann und außerdem die Richtung der Lichtführung im Lichtleiter durch die Ausrichtung der Einzel spiegel individuell angepasst werden kann, lässt sich ein sehr schmales, kompaktes HMD mit großem Gesichtsfeldbereich mit minimalem Aufwand bereitstellen. Wie bereits er wähnt, werden im Idealfall keine weiteren optisch abbildenden Bauelemente benötigt, wie sie bei den im Stand der Technik bekannten HMDs beispielsweise an den äußeren Ecken des Lichtleiters in der Nähe des Bildgebers notwendig werden.

[0015] Die Propagation des Lichtes im Lichtleiter kann durch Reflexion an gegenüberliegenden

Flächen des Lichtleiters erfolgen. Es ist aber ebenso im Rahmen der vorliegenden Erfindung möglich, dass die Lichtstrahlenbündel, die vom Quellbild ausgehen, ohne vorherige Reflexion unmittelbar auf die Einzelspiegel einfallen.

[0016] Bevorzugte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen optischen Systems werden

nachfolgend beschrieben.

[0017] Vorzugsweise weisen alle oder einige der Einzelspiegel eine gekrümmte optisch

abbildende Spiegelfläche auf. Für die Form der gekrümmten optisch abbildenden Spiegel fläche der Einzelspiegel sowie die Kippung der einzelnen Spiegelflächen stehen viele optische Freiheitsgraden zur Verfügung, so dass die optimale optische Abbildungsqualität erreicht werden kann. So ist es möglich, die Spiegelfläche einiger oder aller Einzelspiegel als Freiformfläche auszubilden.

[0018] Brennpunkte der Einzelspiegel liegen vorzugsweise in einer Ebene, in der das Quellbild von dem ersten bzw. zumindest einem zweiten Bildgeberbereich bereitgestellt wird. Mit anderen Worten befindet sich in dieser Ausgestaltung das Quellbild in der durch die Brennpunkte der Einzelspiegel aufgespannten Brennebene der Auskoppelanordnung. Der gesamte Lichtbündeldurchmesser am Einkoppelort des vom Quellbild ausgehenden Lichtes in den Lichtleiter kann somit klein gehalten werden. Von einzelnen Feldpunkten des Quellbildes ausgehende und in den Lichtleiter eingekoppelte Lichtstrahlenbündel werden über die Einzelspiegel entsprechend in parallele Lichtstrahlenbündel überführt.

Die Gesamtheit der parallelen Lichtstrahlenbündel überlagert sich dann in der Austrittspu pille des optischen Systems. [0019] Vorzugsweise sind quellbildseitige Gesichtsfeldbereiche von jeweils zwei in

Lichtausbreitungsrichtung aufeinanderfolgenden Einzelspiegeln der ersten Gruppe disjunkt, und ebenso sind quellbildseitige Gesichtsfeldbereiche von jeweils zwei in Licht ausbreitungsrichtung aufeinanderfolgenden Einzelspiegeln der zumindest einen zweiten Gruppe vorzugsweise disjunkt.

[0020] In dieser Ausgestaltung werden auf dem jeweiligen Bildgeberbereich nur diskret

beabstandete Quellbildbereiche des Quellbildes benötigt, so dass nicht auf jedem Bildge berbereich das vollständige Quellbild bereitgestellt werden muss. Da die Abstände und damit die Brennweiten der Einzelspiegel zu den Bildgeberbereichen unterschiedlich sind, ist es vorteilhaft, wenn diese Brennweitendifferenzen softwaremäßig auf dem jeweiligen Bildgeberbereich vorgehalten werden.

[0021] Weiter vorzugsweise sind ein quellbildseitiger Gesichtsfeldbereich eines Einzelspiegels der ersten Gruppe und ein quellbildseitiger Gesichtsfeldbereich eines zu diesem Einzel spiegel unmittelbar benachbarten Einzelspiegels der zumindest einen zweiten Gruppe überlappend.

[0022] Wie bereits oben erwähnt, kann durch einen softwaremäßigen Vorhalt bei zumindest einem der Bildgeberbereiche dafür gesorgt werden, dass Lichtstrahlenbündel, die von den beiden Bildgeberbereichen von einem selben Feldpunkt des Quellbildes ausgehen, auf der Netzhaut ideal übereinander liegen, so dass Doppelbilder und Maßstabsverzerrungen vermieden werden.

[0023] Ein bevorzugter Abstand von in der Lichtausbreitungsrichtung aufeinanderfolgenden

Einzelspiegeln der ersten Gruppe liegt in einem Bereich von 3 mm bis 5 mm, und kann beispielsweise 4 mm betragen.

[0024] Ein solcher Abstand ist gut an die typische Größe der Augenpupille eines erwachsenen

Menschen angepasst, die bei etwa 3 mm liegt. Mit einem Abstand von in dem angegebe nen Bereich sieht das Auge stets nur einen Einzelspiegel jeder Gruppe gleichzeitig. [0025] Ein Abstand in Lichtausbreitungsrichtung zwischen einem Einzelspiegel der ersten Gruppe und einem zu diesem Einzelspiegel unmittelbar benachbarten Einzelspiegel der zumindest einen zweiten Gruppe liegt vorzugsweise in einem Bereich von 1 bis 3 mm.

[0026] Somit befinden sich bei einer typischen Augenpupillengröße von 3 mm in einem Gebiet des Lichtleiters, das vom Auge des Benutzer mit einer festen Blickrichtung gleichzeitig erfasst wird, stets jeweils ein Einzelspiegel aus mehreren unterschiedlichen Gruppen, so dass gleichzeitig Lichtstrahlenbündel aus allen Bildgeberbereichen zur Übertragung des gleichen Feldpunktes des Quellbildes zum Auge beitragen.

[0027] Die Einzelspiegel sind vorzugsweise miniaturisiert ausgebildet und weisen jeweils eine

Kantenabmessung in Lichtausbreitungsrichtung in einem Bereich von 0,5 bis 2 mm auf. Die Einzelspiegel können rechteckig, insbesondere quadratisch, aber auch rund sein. Im letzteren Fall ist unter der Kantenabmessung der Durchmesser der Einzelspiegel zu verstehen. In Richtung senkrecht zur Lichtausbreitungsrichtung und parallel zu den Außenflächen des Lichtleiters können die Einzelspiegel eine größere Abmessung als 2 mm aufweisen, d.h. die Einzelspiegel können streifenförmig ausgebildet sein.

[0028] Mit einer Dimensionierung der Einzelspiegel wie vorstehend angegeben wird eine

hinreichend gute Auflösung der Abbildung erzeugt. Andererseits beeinträchtigen die Einzelspiegel die„See Through“-Funktion des optischen Systems kaum, so dass der Benutzer gut durch den Lichtleiter hindurchblicken und die Umgebung wahrnehmen kann.

[0029] Die Einzelspiegel können vollreflektierend sein, was den Vorteil einer hohen

Kontraststärke des virtuellen Bildes hat. Die Einzelspiegel können jedoch auch teilreflek tierend und teildurchlässig sein, was den Vorteil hat, dass die Einzelspiegel die Wahr nehmung der Umgebung durch den Lichtleiter hindurch noch weniger beeinträchtigen.

[0030] Die Einzelspiegel können durch lokale Brechungsindex-Sprünge im Material des

Lichtleiters realisiert sein, wodurch sie teilreflektiv und -durchlässig sind. Die Einzelspiegel können aber auch durch reflektierende plättchenförmige Elemente, die in den Lichtleiter eingebettet sind, realisiert sein. [0031] Die Auskoppelanordnung kann ein Array von Einzelspiegeln aufweisen, wobei das Array mehrere Reihen von Einzelspiegeln aufweist, wobei sich jede Reihe in Lichtausbreitungs richtung erstreckt und in jeder Reihe Einzelspiegel der ersten Gruppe und Einzelspiegel der zumindest einen zweiten Gruppe abwechselnd angeordnet sind. Wie bereits oben erwähnt, kann anstelle einer mehrreihigen Anordnung auch eine einreihige Anordnung aus streifenförmigen Einzelspiegeln gewählt werden.

[0032] Vorzugsweise ist der Lichtleiter ein Brillenglas. Es versteht sich, dass ein solches

Brillenglas auch aus Kunststoff bestehen kann.

[0033] Typischerweise ist ein Brillenglas gekrümmt. Das erfindungsgemäße optische System erlaubt ohne Einschränkung die Verwendung eines gekrümmten Lichtleiters aufgrund der Ausgestaltung der Auskoppelanordnung mit Einzelspiegeln, wie oben beschrieben. Das erfindungsgemäße optische System zeichnet sich somit durch eine hohe Ästhetik aus, die die zur Akzeptanz bei Nutzern beiträgt.

[0034] Weiter erfindungsgemäß wird eine Datenbrille mit einem optischen System nach einer oder mehreren der oben beschriebenen Ausgestaltungen bereitgestellt.

[0035] Die erfindungsgemäße Datenbrille hat die gleichen Vorteile und Merkmale wie das

erfindungsgemäße optische System wie oben beschrieben.

[0036] Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und der beigefügten Zeichnung.

[0037] Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und nachstehend noch zu erläuternden

Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegen den Erfindung zu verlassen.

[0038] Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird mit Bezug auf diese hiernach näher beschrieben. Es zeigen: Fig. 1 eine Ansicht von oben auf ein optisches System zum Erzeugen eines virtuellen Bildes aus einem Quellbild;

Fig. 2 eine Ansicht von vorn auf das optische System; und

Fig. 3 eine weitere Ansicht von oben auf das optische System in Fig. 1 mit Lichtstrahlen gang.

[0039] In Fig. 1 ist ein mit dem allgemeinen Bezugszeichen 10 versehenes optisches System zum Erzeugen eines virtuellen Bildes von einem Quellbild, das von einer Bildgeberanord nung 12 bereitgestellt wird, dargestellt. Das optische System 10 wird im bestimmungsge mäßen Gebrauch am Kopf eines Benutzers getragen. Fig. 1 zeigt eine Ansicht von oben auf das optische System 10, wenn es am Kopf getragen wird.

[0040] Die Bildgeberanordnung 12 weist einen ersten Bildgeberbereich 14 und einen zweiten

Bildgeberbereich 16 auf. Der erste und zweite Bildgeberbereich 14 und 16 sind nebenei nander angeordnet und können zwei separate Displays sein, oder die beiden Bildgeber bereiche 14 und 16 können zwei nebeneinander angeordnete Bereiche eines einzelnen Displays sein. Eine Linie 15 in Fig. 1 deutet die Trennlinie zwischen den beiden Bildge berbereichen 14 und 16 an.

[0041] Das Quellbild kann auf den Bildgeberbereichen 14 und 16 als von einer Kamera (nicht dargestellt) generiertes Bild oder Video oder als Computer-generiertes Bild bzw. Video bereitgestellt werden. Das Quellbild kann auf beiden Bildgeberbereichen 14 und 16 jeweils als Ganzes, d.h. vollständig bereitgestellt werden, öder es werden auf den beiden Bildgebern 14 und 16 nur einzelne Quellbildbereiche bereitgestellt, derart, dass die Vereinigungsmenge dieser Quellbildbereiche das vollständige Quellbild ergibt.

[0042] Das optische System 10 weist weiterhin einen Lichtleiter 18 auf, in den Licht, das von dem von den Bildgeberbereichen 14 und 16 bereitgestellten Quellbild ausgeht, eingekoppelt wird. Ein Lichtstrahlengang ausgehend von den Bildgebern 14 und 16 zum Auge des Benutzers wird später mit Bezug auf Fig. 3 noch beschrieben. [0043] Der Lichtleiter 18 ist als Brillenglas ausgebildet, das aus einem Glas oder Kunststoff gefertigt sein kann. Der Lichtleiter 18 wird im bestimmungsgemäßen Gebrauch vor einem Auge 19 des Benutzers getragen. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist dies das linke Auge des Benutzers. Der Lichtleiter 18 kann wie dargestellt insbesondere gekrümmt sein, wie dies bei üblichen Brillengläsern ebenso der Fall ist.

[0044] Fig. 1 zeigt eine Ansicht von oben auf den Lichtleiter 18, d.h. auf die obere Schmalseite des Brillenglases. In Fig. 1 ist zur Vereinfachung der Beschreibung ein Koordinatensys tem mit einer z-Achse, einer x-Achse und einer y-Achse gezeigt, wobei die y-Achse senkrecht zur Zeichenebene in Fig. 1 verläuft. Die x-Achse ist die Lichtausbreitungsrich tung des Lichts im Lichtleiter 18 und verläuft, wenn das optische System 10 am Kopf des Benutzers getragen wird, in horizontaler Richtung. Die z-Richtung ist die Blickrichtung des Auges 19 durch den Lichtleiter 18 hindurch. Die y-Richtung bezeichnet entsprechend die vertikale Richtung.

[0045] Der Lichtleiter 18 weist eine erste Außenfläche 20 und eine zweite Außenfläche 22 auf.

Wenn das optische System 10 am Kopf eines Benutzers getragen wird, bildet die Außen fläche 20 die vom Auge 19 abgewandte vordere Außenfläche des Lichtleiters 18, und die Außenfläche 22 bildet die dem Auge 19 des Benutzers zugewandte rückwärtige Außen fläche des Lichtleiters 18.

[0046] Zwischen diesen beiden Außenflächen 20 und 22 kann Licht, das von den Bildgebern 14 und 16 ausgehend in den Lichtleiter 18 eingekoppelt wird, gegebenenfalls durch Totalre flexion an den Außenflächen 20 und 22, oder ohne Reflexionen in dem Lichtleiter 18 propagieren. Die Propagationshauptrichtung des Lichtes (x-Richtung) wird in der vorlie genden Beschreibung als die Lichtausbreitung des Lichtleiters 18 bezeichnet.

[0047] Das optische System 10 weist weiterhin eine Auskoppelanordnung 24 auf, die dazu dient,

Lichtstrahlenbündel, die ausgehend von den Bildgeberbereichen 14 und 16 in den Licht leiter 18 eingekoppelt werden, aus dem Lichtleiter 18 zum Auge 19 hin auszukoppeln, wie dies später noch beschrieben wird. [0048] Zusätzlich mit Bezug auf Fig. 2 wird die Auskoppelanordnung 24 zunächst beschrieben. In Fig. 2 ist die Bildgeberanordnung 12 nicht gezeigt.

[0049] Gemäß Fig. 1 und 2 weist die Auskoppelanordnung 24 eine Mehrzahl an Einzelspiegeln

26 _! bis 26 ₇ und 27i bis 27 ₇ auf. Unter dem Begriff .Spiegel' ist in der vorliegenden Be schreibung synonym die Spiegelfläche des Spiegels zu verstehen, da die Einzelspiegel keinen Rahmen oder Fassung aufweisen. Die Einzelspiegel 26 _! bis 26 ₇ und die Einzel spiegel 27i bis 27 ₇ sind in Lichtausbreitungsrichtung des Lichtleiters 18 jeweils voneinan der beabstandet. Die Einzelspiegel 26i bis 26 ₇ bilden eine erste Reihe von Einzelspiegeln, die sich in Lichtausbreitungsrichtung des Lichtleiters 18 erstreckt, und die Einzelspiegel 27i bis 27 ₇ bilden eine zweite Reihe von Einzelspiegeln, die sich ebenfalls in Lichtausbrei tungsrichtung des Lichtleiters 18 erstreckt und von der ersten Reihe der Einzelspiegel 26i bis 26 ₇ senkrecht (y-Richtung) zur Lichtausbreitungsrichtung beabstandet ist. Sowohl die Gesamtanzahl an Einzelspiegeln als auch die Anzahl an Reihen von Einzelspiegeln sind hier nur exemplarisch zu verstehen, wobei die Gesamtanzahl an Einzelspiegeln größer oder kleiner als die in der Zeichnung gezeigte Gesamtanzahl sein kann, und es können weniger oder mehr als zwei Reihen von Einzelspiegeln vorgesehen sein. Anstelle einer zweiten Reihe von Einzelspiegeln 27i bis 27 ₇ kann beispielsweise nur eine Reihe von Einzelspiegeln 26i bis 26 ₇ vorhanden sein, wobei die Einzelspiegel 26i bis 26 ₇ in der y- Richtung dann vorzugsweise eine größere Erstreckung als gezeigt aufweisen. Beispiels weise können sich die Einzelspiegel 26i bis 26 ₇ in y-Richtung bis zu der Stelle erstrecken, an der sich in dem gezeigten Ausführungsbeispiel die unteren Kanten (in y-Richtung) der Einzelspiegel 27i bis 27 ₇ befinden.

[0050] Die Einzelspiegel 26i bis 26 ₇ und 27i bis 27 ₇ sind in den Lichtleiter 18 eingebettet und können als Brechungsindexsprünge im Material des Lichtleiters 18 ausgebildet sein, oder als beispielsweise reflektive, bspw. sehr dünne metallische Plättchen, die in das Material des Lichtleiters 18 eingebettet sind.

[0051] Entsprechend der Anzahl an Bildgebern, hier zwei Bildgeberbereichen 14 und 16, sind die

Einzelspiegel 26i bis 26 ₇ sowie die Einzelspiegel 27i bis 27 ₇ in Gruppen, hier zwei Gruppen, eingeteilt. Eine erste Gruppe von Einzelspiegeln 26i, 26 ₃ , 26 ₅ und 26 ₇ und von Einzelspiegeln 27i, 27 ₃ , 27 ₅ und 27 ₇ ist dazu angeordnet und ausgelegt, nur Lichtstrah- lenbündel, die von einem der beiden Bildgeberbereiche 14 oder 16 ausgehen, aus dem Lichtleiter 18 zum Auge 19 hin auszukoppeln, und eine zweite Gruppe von Einzelspiegeln 26 ₂ , 26 ₄ , 26 ₆ und von Einzelspiegeln 27 ₂ , 27 ₄ , 27 ₆ sind dazu ausgelegt, nur Lichtstrahlen bündel, die von dem anderen der beiden Bildgeberbereiche 14 und 16 ausgehen, zum Auge hin auszukoppeln. Zur einfacheren Unterscheidung sind die Einzelspiegel 26^ 26 ₃ , 26 ₅ , 26 ₇ und 27i, 27 ₃ , 27 ₅ , 27 ₇ der ersten Gruppe schraffiert und die Einzelspiegel 26 ₂ , 26 ₄ , 26 ₆ sowie 27 ₂ , 27 ₄ , 27 ₆ der zweiten Gruppe weiß dargestellt.

[0052] Wie aus Fig. 2 hervorgeht, wechseln sich Einzelspiegel der ersten Gruppe von Einzel spiegeln mit Einzelspiegeln der zweiten Gruppe von Einzelspiegeln in Lichtausbreitungs richtung des Lichtleiters 18 (x-Richtung) ab. Somit gehören jeweils unmittelbar einander benachbarte Einzelspiegel, beispielsweise die Einzelspiegel 26 ₆ und 26 ₇ , zwei verschie denen Gruppen von Einzelspiegeln an.

[0053] Ein Abstand di von in Lichtausbreitungsrichtung des Lichtleiters 18 aufeinanderfolgenden

Einzelspiegeln 27i, 27 ₃ , 27 ₅ , 27 ₇ der ersten Gruppe, wie für die Einzelspiegel 27 ₃ und 27 ₅ gezeigt, liegt in einem Bereich von 3 mm bis 5 mm und beträgt beispielsweise 4 mm. Der Abstand di ist gleich oder größer als die Größe der Augenpupille eines erwachsenen Menschen, die bei etwa 3 mm liegt. Ein Abstand d ₂ von in Lichtausbreitungsrichtung des Lichtleiters 18 aufeinanderfolgenden Einzelspiegeln 26 ₂ , 26 ₄ , 26 ₆ bzw. 27 ₂ , 27 ₄ , 27 ₆ der zweiten Gruppe, wie für die Einzelspiegel 26 ₄ und 26 ₆ gezeigt, liegt ebenfalls in einem Bereich von 3 mm bis 5 mm und beträgt beispielsweise 4 mm.

[0054] Ein Abstand d ₃ in Lichtausbreitungsrichtung zwischen einem jeweiligen Einzelspiegel der ersten Gruppe und einem zu diesem Einzelspiegel unmittelbar benachbarten Einzelspie gel der zumindest einen zweiten Gruppe, wie für die Einzelspiegel 26 ₆ und 26 ₇ gezeigt ist, liegt in einem Bereich von 1 bis 3 mm und beträgt beispielsweise 2 mm.

[0055] Eine Kreislinie 28 in Fig. 2 deutet das Gebiet der Auskoppelanordnung 24 an, das von dem Auge 19 mit einer Pupillengröße von ca. 3 mm bei einer festen Blickrichtung (z- Richtung) gleichzeitig erfasst wird. Der Durchmesser dieses Bereichs, der durch die Kreislinie 28 angedeutet wird, ist somit kleiner als der Abstand d ₂ bzw. di zwischen benachbarten Einzelspiegeln derselben Gruppe. Das Auge 19 sieht also keine zwei in Lichtausbreitungsrichtung des Lichtleiters 18 aufeinander folgende Einzelspiegel dersel ben Gruppe gleichzeitig, kann jedoch und wird in der Regel zwei unmittelbar benachbarte Einzelspiegel verschiedener Gruppen gleichzeitig sehen.

[0056] In Fig. 2 sind die Einzelspiegel 26 _! bis 26 ₇ und 27i bis 27 ₇ als quadratische Einzelspiegel gezeigt, wobei dies jedoch nur beispielhaft ist. Die Einzelspiegel können auch allgemein mehreckig oder rund ausgebildet sein. Die Größe der Einzelspiegel kann miniaturisiert sein, beispielsweise in einem Bereich von 0,5 bis 2 mm liegen, wobei hierunter eine Kantenabmessung der Einzelspiegel in Lichtausbreitungsrichtung zu verstehen ist.

Beispielsweise weisen die Einzelspiegel 26 _! bis 26 ₇ und 27i und 27 ₇ jeweils eine Kanten abmessung von 1 mm in Lichtausbreitungsrichtung auf. In y-Richtung können sie eine größere Abmessung aufweisen, insbesondere wenn nur eine Reihe von Einzelspiegeln vorhanden ist.

[0057] Weitere Einzelheiten des optischen Systems 10 werden zusätzlich mit Bezug auf Fig. 3 beschrieben. Fig. 3 zeigt einen Gesamtlichtstrahlengang, ausgehend von den Bildgeber bereichen 14 und 16, bis zu einer Austrittspupille 30 des optischen Systems 10. Die Austrittspupille 30 fällt, wenn das optische System 10 am Kopf eines Benutzers getragen wird, etwa mit der Eintrittspupille bzw. der Eyebox des Auges 19 (Fig. 1) des Benutzers zusammen. Der Benutzer sieht ein virtuelles Bild des Quellbildes, das jenseits der Außen fläche 20 des Lichtleiters 18 mit der real wahrgenommenen Umgebung überlagert er scheint.

[0058] In Fig. 3 sind beispielhaft sieben Lichtstrahlenbündel gezeigt, wobei Lichtstrahlenbündel

32i, 32 ₂ und 32 ₃ , die von dem Bildgeberbereich 16 ausgehen, mit unterbrochenen Linien dargestellt sind, und wobei Lichtstrahlenbündel 34i, 34 ₂ , 34 ₃ , 34 ₄ , die von dem Bildgeber bereich 14 ausgehen, mit durchgezogenen Linien gezeigt sind.

[0059] Die Lichtstrahlenbündel 32i bis 32 ₃ und 34i bis 34 ₄ werden, nachdem sie ausgehend von dem Quellbild, das von den Bildgeberbereichen 14 und 16 bereitgestellt wird, in den Lichtleiter 18 eingekoppelt sind, im gezeigten Ausführungsbeispiel unter Reflexion, insbesondere Totalreflexion, an den Außenflächen 20 und 22 in dem Lichtleiter 18 in Lichtausbreitungsrichtung des Lichtleiters 18 zu der Auskoppelanordnung 24 geführt. Die Lichtstrahlenbündel 32i, 32 ₂ , 32 ₃ , die von dem Bildgeberbereich 16 ausgehen, fallen dann auf die Einzelspiegel 26 ₆ , 26 ₄ , 26 ₂ der zweiten Gruppe von Einzelspiegeln ein. Die Licht strahlenbündel 34i, 34 ₂ , 34 ₃ , 34 ₄ , die von dem Bildgeberbereich 14 ausgehen, fallen auf die Einzelspiegel 26 ₇ , 26 ₅ , 26 ₃ , 26 _! der ersten Gruppe von Einzelspiegeln ein. Die Einzel spiegel 27i bis 27 ₇ sind in Fig. 3 nicht zu sehen, es gilt aber das Gleiche wie für die Einzelspiegel 26 _! bis 26 ₇ . In anderen Ausführungsvarianten können einzelne oder alle Lichtstrahlenbündel 32i bis 32 ₃ und 34i bis 34 ₄ nach ihrer Einkopplung in den Lichtleiter 18 unmittelbar auf die Einzelspiegel einfallen, ohne zuvor ein- oder mehrfach durch Reflexion umgelenkt worden zu sein.

[0060] Betrachtet man die Lichtstrahlenbündel 32i und 34i, die von dem Bildgeberbereich 14 und von dem Bildgeberbereich 16 von zumindest näherungsweise gleichen Feldpunkten des Quellbildes ausgehen, so fallen diese Lichtstrahlenbündel auf unmittelbar benachbarte Einzelspiegel 26 ₆ und 26 ₇ ein, die zu verschiedenen Gruppen von Einzelspiegeln wie oben beschrieben gehören. Die beiden Einzelspiegel 26 ₆ und 26 ₇ liegen innerhalb eines Gebietes des Lichtleiters 18, der vom Auge 19 des Benutzers gleichzeitig erfasst wird, wie bereits zuvor mit Bezug auf die Kreislinie 28 in Fig. 2 beschrieben wurde. Durch einen softwaremäßigen Vorhalt an einem der oder beiden Bildgeberbereichen 14 oder 16 kann dafür Sorge getragen werden, dass Lichtstrahlenbündel, die von einem selben Feldpunkt des Quellbildes ausgehen, auf der Netzhaut des Auges ideal Übereinanderliegen, um Doppelbilder und Maßstabsverzerrungen zu vermeiden.

[0061] Wie in Fig. 3 angedeutet ist, weisen die Einzelspiegel 26i bis 26 ₇ (ebenso die

Einzelspiegel 27i bis 27 ₇ ) jeweils eine gekrümmte optisch abbildende Spiegelfläche auf. Insbesondere können alle Einzelspiegel mit einer gekrümmten optisch abbildenden Spiegelfläche ausgebildet sein. Die Spiegelfläche einzelner oder aller Einzelspiegel 26i bis 26 ₇ und 27i bis 27 ₇ kann als Freiformfläche ausgebildet sein. Aufgrund der Ausgestal tung der Auskoppelanordnung 24 mit Einzelspiegeln besteht beim Optikdesign der Einzelspiegel ein sehr großer Bereich an Freiheitsgraden für die optische Abbildung, so dass die Qualität des virtuellen Bildes, das aus dem Quellbild erzeugt wird, optimiert werden kann. [0062] Wie aus Fig. 3 weiter hervorgeht, liegen Brennpunkte der Einzelspiegel 26 _! bis 26 ₇ (und das Gleiche gilt für die Einzelspiegel 27i bis 27 ₇ ) in der Ebene 36 des Quellbildes. Da die Abstände und damit die Brennweiten der Einzelspiegel zu den Bildgeberbereichen 14 und 16 unterschiedlich sind, ist es vorteilhaft, wenn diese Brennweitendifferenzen software mäßig auf dem jeweiligen Bildgeberbereich 14 und/oder 16 vorgehalten werden.

[0063] Aufgrund des Abstandes di bzw. d ₂ in Lichtausbreitungsrichtung zwischen

aufeinanderfolgenden Einzelspiegeln derselben Gruppe, der gleich oder größer als die Pupillengröße der Augenpupille gewählt ist, sind quellbildseitige Gesichtsfeldbereiche von jeweils zwei in der Lichtausbreitungsrichtung aufeinanderfolgenden Einzelspiegeln derselben Gruppe disjunkt. Demgegenüber sind quellbildseitige Gesichtsfeldbereiche unmittelbar benachbarter Einzelspiegel, die der ersten und der zweiten Gruppe angehö ren, einander überlappend. Wie bereits zuvor erwähnt, kann durch einen softwaremäßi gen Vorhalt an einem der Bildgeber 14 und 16 dafür Sorge getragen werden, dass diese Gesichtsfeldbereiche, die vom Auge 19 des Benutzers gleichzeitig erfasst werden, in der Austrittspupille 30 optimal aneinander liegen.

[0064] Aufgrund der Ausgestaltung der Auskoppelanordnung 24 durch eine Vielzahl von

Einzelspiegeln 26 _! bis 26 ₇ und 27i bis 27 ₇ bringen diese Einzelspiegel vorzugsweise die gesamte optische Abbildungswirkung zum Erzeugen des virtuellen Bildes aus dem Quellbild auf.

[0065] Die Einzelspiegel 26i bis 26 ₇ bzw. 27i bis 27 ₇ können vollreflektierend oder

teilreflektierend/teildurchlässig für Licht im sichtbaren Spektrum sein. Die "See-Through"- Funktion des optischen Systems 10 ist sowohl bei vollreflektierender als auch bei teilre flektierender/teildurchlässiger Ausgestaltung der Einzelspiegel gewährleistet.

[0066] In einem Beispiel weist der Lichtleiter 18, der als Brillenglas ausgebildet sein kann, eine

Dicke (in z-Richtung) von etwa 5 mm auf. Der Lichtleiter 18 kann beispielsweise einen Krümmungsradius von 100 mm aufweisen. Mit diesen Parametern kann ein Gesichtsfeld des optischen Systems 10 von 45° in der horizontalen Richtung erreicht werden, was bereits sehr gut ist. [0067] Es versteht sich, dass die Darstellungen in Fig. 1 , 2 und 3 stark vergrößert sind. In der Praxis entspricht die Ausdehnung des Lichtleiters 18 insgesamt der Ausdehnung eines üblichen Brillenglases.

[0068] Weiterhin ist es möglich, das optische System 10 nicht nur in zwei Teilsysteme mit zwei

Bildgeberbereichen und zwei Gruppen von Einzelspiegeln wie in der Zeichnung gezeigt ist, sondern auch in drei oder mehr Teilsysteme mit einer entsprechenden Anzahl an Bildgerbereichen und Gruppen von Einzelspiegeln unterteilt sein kann.

[0069] Das optische System 10 ist vorzugsweise als Datenbrille ausgebildet bzw. eine

Datenbrille weist ein solches System 10 auf.