WO2025022247A1 - Headmounted display system for displaying a virtual image in the field of view of a user, comprising phase-and amplitude-synchronized beam splitter elements - Google Patents
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Definitions
- the disclosure relates to a glasses display system for displaying a virtual image in a field of vision of a user, with a screen unit for emitting a light as computer-generated image information in an emission direction; and with a scanning-deflection unit for scanning the screen unit and for deflecting the computer-generated image information emitted by the scanned screen unit into an eye of the user, wherein the scanning-deflection unit has at least two beam splitter elements arranged one behind the other in the emission direction of the light, each with a partially transparent reflection surface, wherein the beam splitter elements are movably mounted, namely tiltable around a respective center position along a tilt axis between two reversal positions at which a tilting speed of the beam splitter elements is zero when used as intended.
- a glasses display system for displaying a virtual image in a user's field of view, which is based on a cell-shaped screen unit (in short augmented reality "AR" glasses with line display)
- the missing image dimension for a two-dimensional virtual image must be created using time multiplexing, also referred to below as scanning.
- a single beam splitter or mirror can be used for this, but this must have a large dimension for a desirable large field of view.
- Such a system is known, for example, from DE 10 2021 206 209 B3.
- Light or visible rays must be guided with great precision to avoid artifacts in the virtual image.
- the requirements are based on the resolution of the human eye at 1/60°, whereby a doubled angular accuracy of 1/120° is required for the parallelism of two reflecting beam splitter elements.
- the doubling results from the physical relationship between the angle of incidence and the angle of reflection, i.e. a movement of a reflecting beam splitter element by 1/120° results in an angular offset of 1/60° for the reflected light beam.
- the technical challenge is therefore to achieve the highest possible image quality for the largest possible virtual images while keeping the size of the glasses display system small.
- a glasses display system for displaying a virtual image in a user's field of vision, i.e. AR glasses.
- These have a line screen unit for emitting light as computer-generated image information in a direction of emission.
- the direction of emission is a vertical direction when used as intended.
- the direction of emission can be understood as the mean direction of an emitted parallel or essentially parallel light beam as emitted light.
- the screen unit can accordingly have one or more lens and/or mirror elements, in particular one or more free-form lens and/or mirror elements.
- the line screen unit can also be referred to as a cell-shaped screen unit, since at a given time it can only display one or a few lines of a two-dimensional (2D) image to be displayed.
- the second dimension of the image to be displayed is accessed by displaying further lines of the image to be displayed at other times (time multiplexing).
- a length as the main direction of extension of the display element of the cell-shaped screen unit can be at least one order of magnitude, i.e. a factor of 10, in particular at least 1.5 orders of magnitude, i.e. a factor of 50, greater than a width of the display element running transversely to the length.
- the width and/or length of the display element run transversely, i.e. essentially perpendicular (perpendicular or perpendicular up to a predetermined deviation) to the radiation direction.
- the glasses display system also has a scanning-deflection unit for scanning the screen unit and for deflecting the computer-generated image information emitted by the scanned screen unit into a second direction that is different from the direction of emission into the user's eyes.
- the second direction can also be understood as a directional range that covers various possible positions of the eye when used as intended, i.e., positions of the eye in a so-called eyebox, as well as a target position for the line of the 2D image displayed by the line screen unit at a given time in the user's field of vision.
- the second direction can be understood as an essentially horizontal direction or an essentially horizontal directional range.
- the second direction or the second directional range is then oriented horizontally up to a predetermined deviation of, for example, a maximum of 55 or a maximum of 45 degrees when used as intended, i.e. the second directional range then only includes directions that deviate from the horizontal by less than the predetermined deviation.
- the specified deviation can also be less, for example 25 or 15 degrees, and individually for a deviation from the horizontal in the positive and negative vertical direction.
- the scanning deflection unit has at least two, preferably more than two, for example four or five or six or seven or eight or nine or ten, in the Beam splitter elements arranged one behind the other in the direction of light emission, each with at least one reflection surface that is partially transparent to the light emitted by the screen unit.
- the reflection surface can also be referred to or understood as a mirror layer, ie a reflective layer.
- the reflection or mirroring of the surface can be achieved, for example, by a difference in the refractive index with or without a coating of a (for example glass) carrier.
- the beam splitter elements can also be arranged one behind the other in the direction of radiation, offset in the horizontal direction.
- the beam splitter elements are mounted so that they can be moved, namely around a respective central position around or along a tilt axis running perpendicular to the direction of radiation and the second direction, between two reversal positions.
- the tilting speed of the beam splitter elements is zero when used as intended, in which the scanning of the screen unit or the redirection of the computer-generated image information to different positions in the user's eye is achieved by tilting back and forth between the two reversal positions.
- the tilt axis runs along a main extension direction, a length of the beam splitter elements. Since the beam splitter elements only actively scan in one dimension, namely the dimension perpendicular to the tilt axis and thus perpendicular to the (main extension direction of the) line screen unit or the line display element, the scanning deflection unit can also be referred to as a one-dimensional (ID) scanning deflection unit.
- ID one-dimensional
- the screen unit and scanning deflection unit can be arranged on a common frame unit, a glasses frame unit, by means of which the glasses display system can be worn by the user on his head.
- the glasses display system can have a control unit for controlling the scanning deflection unit and the screen unit, which synchronizes the angular position of the beam splitter elements based on sensor data from a sensor unit for detecting the respective angular positions of the beam splitter elements with the image contents of the line screen, i.e. the light emitted as computer-generated image information at a given time.
- the scanning deflection unit has respective thread elements, each of which mechanically couples one (or more) beam splitter elements to a coupling rod element and is designed to hold the coupled beam splitter elements in a predetermined parallel position when the beam splitter elements coupled via thread elements and coupling rod element are moved around the tilt axis.
- the respective thread element thereby realizes a positive, tension-positive mechanical connection between the respectively assigned beam splitter element and coupling rod element.
- the thread element can be understood as a thread in the broader sense. Accordingly, the thread element can consist in particular of glass fiber, polyethylene, polyamide, nylon, steel, stainless steel, carbon fiber, aramid, natural fiber (such as silk or spider threads) or other fibers, or comprise one or more of the components mentioned.
- the thread element can also be chosen as a monofilament or as a filament bundle, as well as braided or twisted in some other way.
- a round cross-section does not have to be chosen for the thread element(s), the thread element can also be in the form of a Flat strip.
- thread elements are form-fitting mechanical connections which are implemented using thin and thus thread-like etched parts, for example using structures etched from silicon, glass or metal. This allows the mechanical coupling of the thread element in the form of a thin thread-like structure to the associated beam splitter elements to be integrated as a common etched part.
- the thread element can be connected to the beam splitter element in a form-fitting manner using adhesive, whereby alternatively or in addition other joining methods can be used such as welding and/or knotting and/or others.
- the thread element is a thin structure compared to the beam splitter element and the coupling rod element, which creates a mechanical connection between each of the beam splitter elements and the coupling rod element, is positively connected to the respective beam splitter element and the coupling rod element and enables a relative movement of the beam splitter elements preferably exclusively by means of elastic deformation.
- Spring energy can also be absorbed by the thread element, which stores kinematic energy as a participating spring element during an oscillating movement of the beam splitter elements and thus influences the natural frequency of the coupled beam splitter elements.
- the scanning deflection unit also has at least two spring elements, each of which additionally mechanically couples a beam splitter element to the coupling rod element and is designed to hold the beam splitter elements coupled by the coupling rod element in a predetermined parallel position when the beam splitter elements coupled by the coupling rod element are moved around the tilt axis.
- the spring element thereby creates a positive, force-locking mechanical connection between the respective beam splitter element and the coupling rod element and reduces the forces acting on the associated thread element.
- the spring element therefore refers to a structure that is thin compared to the beam splitter element and coupling rod element, but thick compared to the thread element.
- the thickness of the thread element and coupling rod element can be understood, for example, as a size of a cross-sectional area transverse to the radiation direction, the thickness of the beam splitter elements as a size of a cross-sectional area transverse to the tilt axis, and the thickness of the spring elements as a size of a cross-sectional area parallel to the plane spanned by the tilt axes.
- each of the at least two beam splitter elements is mechanically coupled to the coupling rod element via a respective spring element and via at least one respective thread element.
- the phase of the beam splitter elements is synchronized at least substantially by means of a first force transmission through the respective spring element, via which the respective beam splitter element is mechanically coupled to the coupling rod element, and the amplitude of the beam splitter elements is synchronized at least substantially by means of a second force transmission through the respective thread element, via which the respective beam splitter element is mechanically coupled to the coupling rod element.
- the beam splitter elements for scanning are best designed as a spring-mass system, which Natural frequency that corresponds to the desired half refresh rate of the virtual AR image. Since two images can be displayed per oscillation when scanning up and down, the full refresh rate is achieved.
- the "mass” of the spring-mass system is essentially given by the mass moments of inertia of the beam splitter elements.
- a "spring” is necessary in the spring-mass system to absorb the forces.
- the spring proposed here comprises the spring elements and the coupling rod element.
- the thread element can be neglected when viewed as a spring-mass system due to the low elastic deformation compared to the spring element.
- the phenomenon of weakly coupled systems and the phenomenon of isochronism are known from physics.
- metronomes that are placed on a common table form a weakly coupled system. If the natural frequencies in such a system are sufficiently similar but not the same, the individual sub-systems oscillate in phase after an initial settling time.
- the proposed scanning-deflection unit also forms a coupled spring-mass system, but with a very high coupling in order to promote oscillation of the sub-systems, namely the individual beam splitter elements with their respective associated components, in phase. In this case, one can also speak of a strongly coupled system.
- an (individual) natural frequency of each individual beam splitter with spring element is best chosen so that it is identical to the (total) natural frequency of the entire system, i.e. the scanning-deflection unit.
- the stiffness of the spring element can be individually adjusted in order to adapt the natural frequencies of the individual beam splitter elements to each other and/or to the overall natural frequency, i.e. to match them as precisely as possible.
- the natural frequencies of the respective beam splitter elements are at least essentially the same as each other and/or a natural frequency of the scanning deflection unit. This minimizes the forces occurring in the system and which have to be absorbed by the thread element, spring element and coupling rod element, which is advantageous for the amplitude synchronization of the beam splitters.
- the phenomenon of isochronism states that a spring-mass system can oscillate at the same natural frequency, independent of the amplitude, to a very good approximation.
- the entire system of the scanning deflection unit can oscillate at a natural frequency at which each spring element oscillates with its own amplitude.
- synchronizing the amplitude is also necessary.
- a thread kinematics for which a round or elliptical or other shaped run-off surface is preferably present on the beam splitter elements, as described below.
- a thread element is attached to the coupling rod element as described and connects one or more beam splitter elements with the coupling rod element.
- the mechanical coupling can also be bilateral:
- an angular movement of the beam splitter elements results in a vertical, predominantly translational movement of the thread element because it is pulled up and down.
- the angular amplitude is also mechanically coupled to the coupling rod element, i.e. synchronized with the other beam splitter elements via the coupling rod element.
- the attachment to the coupling rod also allows the system to be pre-tensioned in order to achieve a play-free coupling.
- an upper and a lower thread connection is symmetrically present for each beam splitter element, i.e. each of the at least two beam splitter elements is mechanically coupled to the corresponding thread element in an area of the coupling rod element that is closer to the screen unit and in an area of the coupling rod element that is further away from the screen unit.
- the respective areas of the coupling in which the thread element(s) are attached to the coupling rod element are preferably located on a respective holding arm of the coupling rod element.
- a holding arm can be a projection of the coupling rod element in the second direction, which projects into the area between two adjacent beam splitter elements in a projection on a plane running perpendicular to the tilt axis, or can comprise such a projection.
- the coupling rod element has a first coupling rod element part and a second coupling rod element part, the main extension directions of which each run transversely to the tilt axes along a vertical direction and at least substantially parallel to one another, wherein the respective tilt axes run through an area between the two coupling rod element parts.
- the first coupling rod element part is further away than the second coupling rod element part according to the user.
- the pair of first and second coupling rod element parts is preferably arranged laterally, i.e. in a beam splitter element end area, on the beam splitter elements.
- the mechanical coupling described for the coupling rod element via the corresponding thread and/or spring element is then designed for each coupling rod element part and thus multiple times. This has the advantage that the symmetry is increased again and the forces that occur are better distributed.
- the two coupling rod element parts are each anchored via a respective flexible anchor arm to at least one - preferably common - anchor element.
- the respective anchor element is relatively arranged in a fixed position relative to the screen unit, in particular with an anchor element arranged in the direction of radiation between the screen unit and the beam splitter elements and/or a further anchor element arranged behind the beam splitter elements in the direction of radiation from the screen unit.
- the anchor arms are preferably dimensioned such that the vertical movement of the coupling rod element and the inward movement of the coupling rod element corresponds to the movement of the anchor arms.
- the coupling rod element and anchor arms then form the kinematics of a parallelogram. The tilting forces of the entire system can thus be absorbed without play.
- a torsion bearing element with a torsion bar or a torsion thread cannot absorb radial forces, but can mount them without friction. This creates additional torsional spring moments in the torsion bar, which can be designed as a thin wire, for example, which must be taken into account when designing the natural frequency.
- a circle radius assigned to the anchor arms when the coupling rod element parts move along the direction of radiation is different from a corresponding spring arm of the respective spring elements when the coupling rod element parts move along the direction of radiation.
- the anchor arms can thus be longer or shorter than the corresponding components of the spring elements, i.e. spring arms extending from a receptacle on the beam splitter elements to the coupling rod element in order to minimize the effects of force on the coupling rod element parts when the coupling rod element parts are moved.
- the spring elements are each designed with at least one spring arm, preferably two spring arms, which in particular each form a spiral spring with the associated tilting axis as the spiral spring axis or are part of such a spiral spring.
- spring elements, in particular spring arms, of different groups of beam splitter elements are designed with different thicknesses, each of which is an integer multiple of a unit thickness.
- the thickness is preferably measured in the direction of the tilt axis.
- This is advantageously combined with dimensions of the beam splitter elements, which are selected such that the mass moments of inertia of the beam splitter elements of different groups are, for each group, the integer multiple of a unit mass moment of inertia corresponding to the multiple of the unit thickness.
- This has the advantage that different dimensions can be selected for the beam splitter elements, and yet an essentially identical natural frequency can be achieved for the beam splitter elements and/or the beam splitter element groups.
- the respective spring elements can be composed of one or more base spring elements with a uniform thickness, for example glued or welded together.
- a rolling surface for the at least one thread element is arranged on each of the beam splitter elements, the length of the rolling surface corresponding to the angular range between the two reversal positions.
- the rolling surface therefore has at least a length which, in terms of radians, corresponds to the maximum angular movement of the associated beam splitter. This prevents the thread element from buckling, which improves the longevity and accuracy of the mechanical coupling, in particular ensuring fatigue strength.
- the respective rolling surface viewed in the plane transverse to the respective tilt axis, has the shape of an ellipse or an ellipse segment.
- This has the advantage that the thread element always remains vertically aligned at least for a small angle range of, for example, +/-20° around the center position, since the elliptical shape compensates for an internal movement of the coupling rod element in the direction of the tilt axis during the tilting movement of the thread element. This not only prevents acoustic vibrations, but also increases the fatigue strength because buckling is avoided in a particularly gentle manner.
- the respective thread element is arranged on the rolling surface in a plane transverse to the respective tilt axis, circulating once around the tilt axis.
- the corresponding thread element can run between the assigned beam splitter element and the area further away from the screen unit essentially parallel to the thread element between the assigned beam splitter element and the area closer to the screen unit, in particular along the direction of radiation. This allows the forces that occur to be diverted as best as possible and the respective thread element to be pre-tensioned without additional forces being introduced into a bearing element of the beam splitter elements. This again improves durability and precision.
- each of the at least two beam splitter elements is mechanically coupled to the coupling rod element by means of two thread elements, with a thread element closer to the user being arranged essentially between a plane spanned by the tilting axes and the user, and a thread element further away from the user being arranged essentially behind the plane spanned by the tilting axes when viewed from the user.
- This also serves to distribute the forces that occur more symmetrically and thus contributes to increased longevity and precision.
- the tilting axis is fixed in its position, since neither rotation of the beam splitter is possible nor is vertical or horizontal movement possible without the system oscillating in the desired mode in which the coupling rod moves vertically and the beam splitters oscillate with a rotational movement. This is particularly advantageous when torsion bearings are used that cannot absorb radial forces or can only absorb them when there is a deflection from the central position.
- the beam splitter elements are movably mounted around the tilt axis by means of respective torsion bearing elements.
- the Torsion bearing elements can, for example, have a wire that functions as a torsion bar. This has the advantage that a very small, play-free bearing is created, which, in contrast to known systems, can easily be implemented as a miniaturized system.
- the play-free design avoids vibration noises and also improves the precision of the deflection of the beam splitter elements.
- friction plays no role in torsion bearing elements, which saves noise, vibrations and energy and also results in less wear. This also improves the precision of the deflection of the beam splitter elements.
- a further aspect relates to a method for synchronizing the amplitude and phase of a scanning movement of beam splitter elements of a glasses display system for displaying a virtual image in a field of vision of a user.
- the glasses display system has a screen unit for emitting light as computer-generated image information in a radiation direction, and a scanning-deflection unit for scanning the screen unit and for deflecting the computer-generated image information emitted by the scanned screen unit into an eye of the user.
- the scanning-deflection unit has at least two beam splitter elements arranged one behind the other in the radiation direction of the light, each with a partially transparent reflection surface.
- the beam splitter elements are movably mounted and can be tilted around a respective center position along a tilt axis between two reversal positions at which a tilt speed of the beam splitter elements is zero when used as intended.
- the method has the method steps of synchronizing the phase of the beam splitter elements at least substantially by means of a first force transmission through a respective spring element, via which the respective beam splitter element is mechanically coupled to a coupling rod element; and synchronizing the amplitude of the beam splitter elements at least substantially by means of a second force transmission through at least one respective thread element, via which the respective beam splitter element is mechanically coupled to the coupling rod element.
- transverse/along can be understood as “at least substantially perpendicular/parallel”, i.e. “vertical/parallel” or “substantially perpendicular/parallel”, i.e. perpendicular/parallel up to a predetermined deviation.
- the predetermined deviation can be, for example, at most 15°, preferably at most 5°, particularly preferably at most 3°.
- oppositely oriented in the context of this disclosure can be understood as “at least substantially oppositely oriented", i.e. “at least substantially antiparallel oriented”.
- the restriction “substantially” can also refer to a maximum permissible deviation specified as a percentage, for example at most 15%, preferably at most 5%, particularly preferably at most 3%.
- Fig. 1 shows an exemplary embodiment of a glasses display system for displaying a virtual image in a field of view of a user at two different times;
- Fig. 2 shows an exemplary embodiment of a scanning deflection unit
- Fig. 3 further exemplary embodiments of a scanning deflection unit
- Fig. 4 shows yet another exemplary embodiment of a scanning deflection unit
- Fig. 5 shows a part of another exemplary embodiment of a scanning deflection unit.
- Fig. 1 an exemplary embodiment of a glasses display system for displaying a virtual image in a field of view of a user at two different times is shown.
- the glasses display system 1 has a screen unit 2 for emitting light as computer-generated image information in a direction of emission, here the negative y-direction and, when used as intended, a vertical direction.
- the light is symbolized here with the light beam 142 as part of the light.
- the screen unit 2 comprises a cell-shaped display element 131 with pixels arranged in rows mainly in the z-direction, which emits a light 141 that is imaged to infinity, i.e. parallelized, by a lens and/or mirror element 132.
- the light beam 142 is a light beam of the parallelized light.
- the glasses display system 1 also has a scanning deflection unit 3 for scanning the screen unit 2 and for deflecting the computer-generated image information emitted by the scanned screen unit into an eye 15 of the user.
- the scanning deflection unit 3 has at least two, in this case four, beam splitter elements 17, 17', 17", 17'” arranged one behind the other in the direction of emission of the light with at least one (here two) respective partially transparent reflection surface 17a, 17a', 17a", 17a'", 17b, 17b', 17b", 17b'", in this case with one reflection surface 17a, 17a', 17a", 17a'" on a front side facing the screen unit 2 and with one reflection surface 17b, 17b', 17b", 17b'" on a rear side facing away from the screen unit 2.
- the beam splitter elements 17, 17', 17", 17'” are movably mounted, namely around a respective center position along a tilt axis 18, 18', 18", 18'” tiltable between two reversal positions at which a tilt speed of the beam splitter elements is zero when used as intended.
- the tilt axes 18, 18', 18", 18'" run in the z-direction in the Fig. 1 shown.
- a two-dimensional virtual image becomes visible to the user by performing time multiplexing.
- the beam splitter elements 17, 17', 17", 17'" arranged parallel to the reflection surfaces 17a, 17a', 17a", 17a'" and 17b, 17b', 17b", 17b'” move with an angular range of, for example, +/-20° around the center position with, for example, a sinusoidal movement profile around their respective tilt axis 18, 18', 18", 18'".
- the light beams 142 are deflected at each beam splitter element 17, 17', 17", 17'” such that corresponding subsequent light beams 143a, 143a', 143a", 143a'” and 143b, 143b', 143b", 143b'” are deflected in the direction of the user.
- the beam splitter elements 17, 17', 17", 17'” are arranged in such a way that a portion of these subsequent light rays 143a, 143a', 143a", 143a'" and 143b, 143b', 143b", 143b'" hit the pupil 151 of the eye 15. This creates virtual light rays 144a and 144b, which the eye 15 perceives under the assumption that light always propagates in a straight line.
- the time multiplexing is shown for a different point in time, in which the beam splitter elements 17, 17', 17", 17'" have assumed a different angular deflection 171.
- the light is deflected in the direction of the subsequent light beam 18 and the observing eye sees a virtual light beam 181.
- a scanning movement of the beam splitter elements 17, 17', 17", 17'" a scanning of the screen unit 2 and a deflection of the light beams 142 at changing angles is therefore necessary.
- the beam splitter elements 17, 17', 17", 17'" and thus the scanning-deflection unit 3 are designed as a spring-mass system oscillating with a sinusoidal movement profile. This has the advantage that only a small amount of energy needs to be introduced to maintain the oscillation and the scanning-deflection unit 3 carries out a sinusoidal scanning movement without additional movement control.
- the mass of the mass-spring system to be considered is essentially given by the mass moment of inertia of the beam splitter elements 17, 17', 17", 17'".
- a system of spring elements 11, 11', 11", 11'" serves as the spring, each of which mechanically couples an associated beam splitter element 17, 17', 17", 17'" to a coupling rod element 12.
- the coupling rod element 12 has a first coupling rod element part 12a and a second coupling rod element part 12b, the main extension directions of which each run transversely to the tilt axes 18, 18', 18", 18'" along the vertical direction -y and at least substantially parallel to one another, wherein the respective tilt axes 18, 18', 18", 18'” run through an area between the two coupling rod element parts 12a, 12b.
- the beam splitter elements 17, 17', 17", 17'" are also mechanically coupled to the coupling rod element 12 via at least one, preferably two respective thread elements 43, 43' (Fig. 4).
- the thread elements are also mechanically coupled to the coupling rod element 12 via at least one, preferably two respective thread elements 43, 43' (Fig. 4).
- An angular deflection such as the angular deflection 171 of the beam splitter elements 17, 17', 17", 17'" shown in Fig. lb results in a displacement of the coupling rod element parts 12a, 12b in a positive or negative vertical direction and thus a mechanical elastic deformation of the spring elements 11, 11', 11", 11'".
- Kinetic energy is stored in the spring elements 11, 11', 11", 11'", so that the spring-mass system oscillates at a designable natural frequency.
- the natural frequency is best designed as half the refresh rate because the image is scanned twice per oscillation.
- the spring elements 11, 11', 11", 11'" can be made, for example, from spring steel, silicon, glass or from a combination of these or other, particularly hybrid materials.
- the spring elements 11, 11', 11", 11'" are comparatively thin so that spring energy can be stored in them in the form of elastic deformation.
- the material-dependent maximum permissible stress in the material must not be exceeded. The maximum stress is reached at the maximum angular deflection, which must be taken into account accordingly in the design.
- the spring elements 11, 11', 11", 11'" can be enlarged in the z-direction, i.e. in their thickness, in order to set the necessary spring constant to achieve a desired natural frequency.
- the first group A and the second group B each comprise a beam splitter element 17, 17' and the third group C comprises two beam splitter elements 17", 17'".
- the spring elements 11", 11'" of the third group C can, for example, be designed with the unit thickness, the spring elements 11' of the second group B with twice the unit thickness and the spring elements 11 of the first group A with three times the unit thickness.
- the respective spring elements 11, 11', 11", 11'” can consist of or include one (group C), two (group B) or three (group A) base spring elements with the corresponding unit thickness.
- the respective base spring elements can then be lined up along the tilt axes 18, 18', 18", 18'" in the z direction and couple the beam splitter elements 17, 17', 17", 17'" to the coupling rod element 12.
- the base spring elements of a beam splitter element 17, 17', 17", 17'" can be materially connected to one another, so that the corresponding spring element 11, 11' is a one-piece spring element 11, 11', or not be materially connected to one another, so the corresponding spring element 11, 11' can be a multi-part spring element 11, 11'.
- Fig. 2b the forces F, G and moments M that arise when the beam splitter elements 17, 17', 17", 17'" are deflected are shown.
- Each beam splitter element 17, 17', 17", 17'” generates a moment M that causes the elastic deformation of the spring elements 11, 11', 11", 11'".
- the forces F, G can be absorbed by bearings on the tilt axes 18, 18', 18", 18'". Since these are oscillating forces, it is advantageous to design the bearings without play.
- a scanning deflection unit is shown in Fig. 3.
- the two coupling rod element parts 12a, 12b are each anchored to at least one anchor element 32 or 32' via a respective flexible anchor arm 31, 31' or 31", 31'".
- the respective anchor element 32, 32' is arranged in a fixed position relative to the screen unit 2.
- the first anchor element 32 is arranged here in the radiation direction between the screen unit 2 and the beam splitter elements 17, 17', 17", 17'", the second anchor element 32' is arranged behind the beam splitter elements 17, 17', 17", 17'" when viewed from the screen unit 2.
- the anchor elements 32, 32' thus limit the movement of the coupling rod element parts 12a, 12b according to parallel kinematics. Lateral forces F (Fig. 2b) are absorbed by the anchor elements 32, 32' and lateral movements in the x-direction are thus reduced or avoided.
- Fig. 3a) the movement of the beam splitter elements 17, 17', 17", 17'" is shown for three angular positions 34, 34', 34".
- the coupling rod element parts 12a, 12b make a stroke of d.
- a circle radius assigned to the anchor arms 31, 31' when the coupling rod element parts 12a, 12b move along the radiation direction is different from a circle radius assigned to the spring arms 11a, 11b of the respective spring elements 11 when the coupling rod element parts 12a, 12b move along the radiation direction.
- the anchor arms 31, 31' are longer than the spring arms 11a, 11b in this case, corresponding to a larger circle radius.
- the coupling rod element parts 12a, 12b essentially make a movement in the y-direction with stroke d, as shown in Fig. 3a). However, a (smaller) movement also occurs in the x-direction, since the spring elements 11 rotate around the tilt axis 18.
- the variant in Fig. 3b enables a design that allows the same movements of the coupling rod element parts 12a, 12b in the y- and x-direction as a function of the angular deflection caused by the spring elements 11 and the anchor arms 31, 31'.
- the length of the anchor arms 31, 31' is selected to be different from the length of the spring elements 11 or the spring arms 11a, 11b.
- a thread element 43 here (preferably symmetrically) two thread elements 43 and 43' are guided around a respective rolling surface 42, 42', 42", 42'” and attached to respective holding arms 41, 41', 41", 41'", ... on the coupling rod element 12.
- the holding arms 41, 41', 41", 41'", ... protrude in the selected representation, i.e. an orthogonal projection into the drawing plane running perpendicular to the tilt axes 18, 18', 18", 18'", into areas between the next adjacent beam splitter elements 17, 17', 17", 17'".
- Each of the at least two beam splitter elements 17, 17', 17", 17'” is thus mechanically coupled to the coupling rod element 12 by means of two thread elements 43, 43'.
- a thread element 42 closer to the user is arranged essentially between a plane spanned by the tilt axes 18, 18', 18", 18'" and the user, and a thread element 43' further away from the user is arranged essentially behind the plane spanned by the tilt axes 18, 18', 18", 18'” when viewed from the user.
- the respective rolling surface 42, 42', 42", 42'” has the shape of an ellipse or an ellipse segment when viewed in the plane transverse to the respective tilt axis 18, but can also have other shapes such as a circle.
- the rolling surfaces 42, 42', 42", 42'" are arranged on the associated beam splitter elements 17, 17', 17", 17'".
- the length of the rolling surfaces 42, 42', 42", 42'" corresponds at least to the angular range between the two reversal positions.
- the respective thread element 43, 43' is arranged on the rolling surface 42 in a plane transverse to the respective tilt axis 18, i.e. the plane of the drawing, so as to encircle the tilt axis 18 once.
- each of the at least two beam splitter elements 17, 17', 17", 17'” is mechanically coupled to the coupling rod element 12 with the corresponding thread element 43, 43' in an area closer to the screen unit 2 and an area further away from the screen unit 2.
- the respective areas are located on the holding arms 41, 41', 41", 41'", ...
- the respective thread element 43, 43' runs between the associated beam splitter element 17 and the area further away from the screen unit 2 essentially parallel to the thread element 43, 43' between the associated beam splitter element 17 and the area closer to the screen unit.
- the holding arms 41 and 41" between the next adjacent beam splitter elements 17, 17', 17", 17"' allow a pre-tension to be given to the respective thread elements 43, 43' without this force having to be absorbed in the bearings of the tilting axes 18, 18', 18", 18'” or the anchor elements 32, 32', since the fastening leads to a balance of forces and the forces cancel each other out.
- the thread 43 is shown in Fig. 4 with some distance around the run-off surface 42. Due to the advantageous freedom of play, however, a tight winding should be aimed for in the actual implementation, e.g. by giving a pre-tension to the respective thread elements 43, 43' during winding.
- a representation has been chosen for the thread element 43' which is designed tightly around the ellipses. Depending on the angle range used, only partial sections and thus segments of the ellipses are used as rolling surfaces 42, 42', 42", 42"'.
- Figure 5 shows part of another exemplary embodiment of a scanning deflection unit.
- the spring elements 11, 11', 11", 11'" are each designed with at least one, here two spring arms 11a, 11b, which each form a spiral spring with the associated tilt axis 18 as a spiral spring axis or are part of such a spiral spring.
- the spring elements 11, 11', 11", 11'" are not designed as a substantially straight structure, but as a spiral spring-like structure.
- This can be an advantageous variant if the spring stiffness of the spring elements 11, 11', 11", 11'” has to be further reduced due to the maximum permissible stresses in the material.
- This variant is also compatible with amplitude synchronization by means of run-off surfaces as shown in Fig. 4.
- the spring elements 11, 11', 11", 11'" are advantageously designed to be point-symmetrical about tilting axes 18, 18', 18", 18'", which prevents imbalances.
Landscapes
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Abstract
Description
Titel title
Brillen-Anzeige-System zum Anzeigen eines virtuellen Bildes in einem Sichtfeld eines Nutzers mit phasen- und amplitudensynchronisierten Strahlteiler-Elementen Glasses display system for displaying a virtual image in a field of view of a user with phase and amplitude synchronized beam splitter elements
Bereich der Erfindung area of the invention
Die Offenbarung betrifft ein Brillen-Anzeige-System zum Anzeigen eines virtuellen Bildes in einem Sichtfeld eines Nutzers, mit einer Bildschirmeinheit zum Abstrahlen eines Lichtes als computergenerierte Bildinformation in eine Abstrahlrichtung; und mit einer Abtast- Umlenkeinheit zum Abtasten der Bildschirmeinheit und zum Umlenken der von der abgetasteten Bildschirmeinheit abgestrahlten computergenerierten Bildinformation in ein Auge des Nutzers, wobei die Abtast-Umlenkeinheit zumindest zwei in der Abstrahlrichtung des Lichtes hintereinander angeordnete Strahlteiler-Elemente mit einer jeweiligen teildurchlässigen Reflektionsoberfläche aufweist, wobei die Strahlteiler-Elemente beweglich gelagert sind, und zwar um eine jeweilige Mittelposition herum entlang einer Kippachse verkippbar zwischen zwei Umkehrpositionen, an welchen eine Kipp-Geschwindigkeit der Strahlteiler-Elemente bei bestimmungsgemäßem Gebrauch Null ist. The disclosure relates to a glasses display system for displaying a virtual image in a field of vision of a user, with a screen unit for emitting a light as computer-generated image information in an emission direction; and with a scanning-deflection unit for scanning the screen unit and for deflecting the computer-generated image information emitted by the scanned screen unit into an eye of the user, wherein the scanning-deflection unit has at least two beam splitter elements arranged one behind the other in the emission direction of the light, each with a partially transparent reflection surface, wherein the beam splitter elements are movably mounted, namely tiltable around a respective center position along a tilt axis between two reversal positions at which a tilting speed of the beam splitter elements is zero when used as intended.
Hintergrund background
Für ein Brillen-Anzeige-System zum Anzeigen eines virtuellen Bildes in einem Sichtfeld eines Nutzers, welche auf einer zellenförmigen Bildschirmeinheit basiert (kurz Augmented-Reality „AR" Brille mit Zeilendisplay) muss für ein zweidimensionales virtuelles Bild die fehlende Bilddimension mittels Zeitmultiplexing, im Folgenden auch Scannen genannt, das virtuelle Bild aufgebaut werden. Dazu kann ein einzelner Strahlteiler oder Spiegel verwendet werden, jedoch muss dieser für ein wünschenswert großes Sichtfeld eine große Abmessung aufweisen. Als vorteilhafte Variante ist es möglich mit mehreren teiltransparentenFor a glasses display system for displaying a virtual image in a user's field of view, which is based on a cell-shaped screen unit (in short augmented reality "AR" glasses with line display), the missing image dimension for a two-dimensional virtual image must be created using time multiplexing, also referred to below as scanning. A single beam splitter or mirror can be used for this, but this must have a large dimension for a desirable large field of view. As an advantageous variant, it is possible to use several partially transparent
Strahlteiler-Elementen zu arbeiten. Ein derartiges System ist beispielsweise aus der DE 10 2021 206 209 B3 bekannt. beam splitter elements. Such a system is known, for example, from DE 10 2021 206 209 B3.
Dabei müssen Licht- bzw. Sichtstrahlen mit großer Genauigkeit geführt werden um Artefakte im virtuellen Bild zu vermeiden. Die Anforderungen ergeben sich gemäß der Auflösung des menschlichen Auges mit 1/60° wobei für die Parallelität zweier reflektierender Strahlteiler- Elemente zueinander eine verdoppelte Winkelgenauigkeit von 1/120° erforderlich ist. Die Verdopplung ergibt sich aus dem physikalischen Zusammenhang von Einfallswinkel gleich Ausfallswinkel, d.h. eine Bewegung eines reflektierenden Strahlteiler-Elements um 1/120° resultiert in einem Winkelversatz von 1/60° für den reflektierten Lichtstrahl. Light or visible rays must be guided with great precision to avoid artifacts in the virtual image. The requirements are based on the resolution of the human eye at 1/60°, whereby a doubled angular accuracy of 1/120° is required for the parallelism of two reflecting beam splitter elements. The doubling results from the physical relationship between the angle of incidence and the angle of reflection, i.e. a movement of a reflecting beam splitter element by 1/120° results in an angular offset of 1/60° for the reflected light beam.
Es stellt sich also die technische Aufgabe, für möglichst große virtuelle Bilder bei geringer Größe des Brillen-Anzeige-Systems eine möglichst hohe Bildqualität zu erreichen. Überblick The technical challenge is therefore to achieve the highest possible image quality for the largest possible virtual images while keeping the size of the glasses display system small. overview
Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Figuren. This object is achieved by the subject matter of the independent claims. Advantageous embodiments emerge from the dependent claims, the description and the figures.
Ein Aspekt betrifft ein Brillen-Anzeige-System zum Anzeigen eines virtuellen Bildes in einem Sichtfeld eines Nutzers, d. h. eine AR-Brille. Diese weist eine Linien-Bildschirmeinheit zum Abstrahlen eines Lichtes als computergenerierte Bildinformation in eine Abstrahlrichtung auf. Die Abstrahlrichtung ist bei bestimmungsgemäßem Gebrauch eine Vertikalrichtung. Die Abstrahlrichtung kann dabei als mittlere Richtung eines emittierten parallelen oder im Wesentlichen parallelen Lichtbündels als abgestrahltes Licht verstanden werden. Zum Parallelisieren des beispielsweise in einem zellenförmigen Anzeigeelement erzeugten Lichtes kann die Bildschirmeinheit entsprechend ein oder mehrere Linsen- und/oder Spiegel Elemente, insbesondere eine oder mehrere Freiform-Linsen-und/oder Spiegel-Elemente aufweisen. Die Linien-Bildschirmeinheit kann auch als zellenförmige Bildschirmeinheit bezeichnet werden, da sie zu einem vorgegeben Zeitpunkt lediglich eine oder wenige Zeilen eines anzuzeigenden zweidimensionalen (2D) Bildes darstellen kann. Die zweite Dimension des anzuzeigenden Bildes wird durch eine Darstellung weiterer Zeilen des anzuzeigenden Bildes zu anderen Zeitpunkten erschlossen (Zeitmultiplexing). Dabei kann eine Länge als Haupterstreckungsrichtung des Anzeigeelements der zellenförmigen Bildschirmeinheit um mindestens eine Größenordnung, d. h., den Faktor 10, insbesondere um zumindest 1,5 Größenordnungen, also den Faktor 50, größer sein als eine quer zur Länge verlaufende Breite des Anzeige-Elementes. Insbesondere verlaufen Breite und/oder Länge des Anzeige- Elementes dabei quer, also im Wesentlichen senkrecht (senkrecht oder bis auf eine vorgegeben Abweichung senkrecht) zur Abstrahlrichtung. One aspect relates to a glasses display system for displaying a virtual image in a user's field of vision, i.e. AR glasses. These have a line screen unit for emitting light as computer-generated image information in a direction of emission. The direction of emission is a vertical direction when used as intended. The direction of emission can be understood as the mean direction of an emitted parallel or essentially parallel light beam as emitted light. To parallelize the light generated, for example, in a cell-shaped display element, the screen unit can accordingly have one or more lens and/or mirror elements, in particular one or more free-form lens and/or mirror elements. The line screen unit can also be referred to as a cell-shaped screen unit, since at a given time it can only display one or a few lines of a two-dimensional (2D) image to be displayed. The second dimension of the image to be displayed is accessed by displaying further lines of the image to be displayed at other times (time multiplexing). In this case, a length as the main direction of extension of the display element of the cell-shaped screen unit can be at least one order of magnitude, i.e. a factor of 10, in particular at least 1.5 orders of magnitude, i.e. a factor of 50, greater than a width of the display element running transversely to the length. In particular, the width and/or length of the display element run transversely, i.e. essentially perpendicular (perpendicular or perpendicular up to a predetermined deviation) to the radiation direction.
Das Brillen-Anzeige-System weist auch eine Abtast-Umlenkeinheit zum Abtasten („Scannen") der Bildschirmeinheit und zum Umlenken der von der abgetasteten Bildschirmeinheit abgestrahlten computergenerierten Bildinformation in eine von der Abstrahlrichtung verschiedene zweite Richtung in ein Augen des Nutzers auf. Die zweite Richtung kann dabei auch als Richtungsbereich verstanden werden, der verschiedene mögliche Positionen des Auges bei bestimmungsgemäßem Gebrauch, d.h., Positionen des Auges in einer sog. Eyebox, abdeckt, sowie eine Sollposition für die jeweils zu einem gegebenen Zeitpunkt von der Linien-Bildschirmeinheit dargestellte Zeile des 2D Bildes im Sichtfeld des Nutzers. Die zweite Richtung kann dabei als im Wesentlichen horizontale Richtung oder im Wesentlichen horizontaler Richtungsbereich verstanden werden. Die zweite Richtung oder der zweite Richtungsbereich ist dann entsprechend bis auf eine vorgegebene Abweichung von beispielsweise maximal 55 oder maximal 45 Grad bei bestimmungsgemäßem Gebrauch horizontal orientiert, d. h., der zweite Richtungsbereich umfasst dann ausschließlich Richtungen, welche von der Horizontalen um weniger als die vorgegebene Abweichung abweichen. Die vorgegebene Abweichung kann auch weniger, beispielsweise 25 oder 15 Grad betragen und einzeln für eine Abweichung von der Horizontalen in positiver und negativer Vertikalrichtung. The glasses display system also has a scanning-deflection unit for scanning the screen unit and for deflecting the computer-generated image information emitted by the scanned screen unit into a second direction that is different from the direction of emission into the user's eyes. The second direction can also be understood as a directional range that covers various possible positions of the eye when used as intended, i.e., positions of the eye in a so-called eyebox, as well as a target position for the line of the 2D image displayed by the line screen unit at a given time in the user's field of vision. The second direction can be understood as an essentially horizontal direction or an essentially horizontal directional range. The second direction or the second directional range is then oriented horizontally up to a predetermined deviation of, for example, a maximum of 55 or a maximum of 45 degrees when used as intended, i.e. the second directional range then only includes directions that deviate from the horizontal by less than the predetermined deviation. The specified deviation can also be less, for example 25 or 15 degrees, and individually for a deviation from the horizontal in the positive and negative vertical direction.
Dabei weist die Abtast-Umlenkeinheit zumindest zwei, bevorzugt mehr als zwei, beispielsweise vier oder fünf oder sechs oder sieben oder acht oder neun oder zehn, in der Abstrahlrichtung des Lichtes hintereinander angeordnete Strahlteiler-Elemente mit jeweils zumindest einer für das von der Bildschirmeinheit abgestrahlte Licht teildurchlässigen Reflektionsoberfläche auf. Die Reflektionsoberfläche kann auch als Spiegelschicht, d.h. eine spiegelnde Schicht bezeichnet oder verstanden werden. Dabei kann das Reflektieren bzw. Spiegeln der Oberfläche beispielsweise durch einen Unterschied im Brechungsindex mit oder ohne Beschichtung eines (beispielsweise Glas-)Trägers erreicht werden. The scanning deflection unit has at least two, preferably more than two, for example four or five or six or seven or eight or nine or ten, in the Beam splitter elements arranged one behind the other in the direction of light emission, each with at least one reflection surface that is partially transparent to the light emitted by the screen unit. The reflection surface can also be referred to or understood as a mirror layer, ie a reflective layer. The reflection or mirroring of the surface can be achieved, for example, by a difference in the refractive index with or without a coating of a (for example glass) carrier.
Die Strahlteiler-Elemente können dabei auch in der Abstrahlrichtung hintereinander in der horizontalen Richtung versetzt angeordnet sein. Dabei sind die Strahlteiler-Elemente beweglich gelagert, und zwar um eine jeweilige Mittelposition herum um oder entlang einer senkrecht zur Abstrahlrichtung und zur zweiten Richtung verlaufenden Kippachse verkippbar zwischen zwei Umkehrpositionen gelagert. An den Umkehrpositionen ist eine Kippgeschwindigkeit der Strahlteilerelemente bei bestimmungsgemäßem Gebrauch, bei welchem durch ein Hin- und Herkippen zwischen den beiden Umkehrpositionen das Abtasten der Bildschirmeinheit bzw. das Umlenken der computergenerierten Bildinformation an unterschiedliche Positionen in dem Auge des Nutzers realisiert wird, Null. The beam splitter elements can also be arranged one behind the other in the direction of radiation, offset in the horizontal direction. The beam splitter elements are mounted so that they can be moved, namely around a respective central position around or along a tilt axis running perpendicular to the direction of radiation and the second direction, between two reversal positions. At the reversal positions, the tilting speed of the beam splitter elements is zero when used as intended, in which the scanning of the screen unit or the redirection of the computer-generated image information to different positions in the user's eye is achieved by tilting back and forth between the two reversal positions.
Die Kippachse verläuft dabei entlang einer Haupterstreckungsrichtung, einer Länge der Strahlteiler-Elemente. Da die Strahlteiler-Elemente nur in einer Dimension aktiv abtasten, nämlich der Dimension senkrecht zur Kippachse und somit senkrecht zur (Haupterstreckungsrichtung der) Linien-Bildschirmeinheit bzw. des Linien-Anzeigeelements, kann die Abtast-Umlenkeinheit auch als eindimensionale (ID) Abtast-Umlenkeinheit bezeichnet werden. The tilt axis runs along a main extension direction, a length of the beam splitter elements. Since the beam splitter elements only actively scan in one dimension, namely the dimension perpendicular to the tilt axis and thus perpendicular to the (main extension direction of the) line screen unit or the line display element, the scanning deflection unit can also be referred to as a one-dimensional (ID) scanning deflection unit.
Bildschirmeinheit und Abtast-Umlenkeinheit können an einer gemeinsamen Gestelleinheit, einer Brillengestell-Einheit angeordnet sein, mittels welcher das Brillen-Anzeige-System von dem Nutzer auf seinem Kopf getragen werden kann. Das Brillen-Anzeige-System kann eine Steuereinheit zum Steuern der Abtast-Umlenkeinheit und der Bildschirmeinheit aufweisen, welche die Winkelposition der Strahlteiler-Elemente basierend auf Sensordaten einer Sensoreinheit zum Erfassen der jeweiligen Winkelpositionen der Strahlteiler-Elemente mit den Bildinhalten des Zeilenbildschirms, d.h. dem als computergenerierte Bildinformation zu einem gegebenen Zeitpunkt abgestrahlten Licht, synchronisiert. The screen unit and scanning deflection unit can be arranged on a common frame unit, a glasses frame unit, by means of which the glasses display system can be worn by the user on his head. The glasses display system can have a control unit for controlling the scanning deflection unit and the screen unit, which synchronizes the angular position of the beam splitter elements based on sensor data from a sensor unit for detecting the respective angular positions of the beam splitter elements with the image contents of the line screen, i.e. the light emitted as computer-generated image information at a given time.
Die Abtast-Umlenkeinheit weist jeweilige Faden-Elemente auf, welche je ein (oder mehr) Strahlteiler-Element mechanisch mit einem Koppelstangen-Element koppeln und dazu ausgebildet sind, bei Bewegen der über Faden-Elemente und Koppelstangen-Element gekoppelten Strahlteiler-Elemente um die Kippachse die gekoppelten Strahlteiler-Elemente in einer vorgegebenen Parallel-Position zu halten. Das jeweilige Faden-Element realisiert dabei eine formschlüssige, auf Zug kraftschlüssig wirkende mechanische Verbindung zwischen dem jeweils zugeordneten Strahlteiler-Element und Koppelstangen-Element. Das Faden-Element kann als Faden im weiteren Sinne verstanden werden. Entsprechend kann das Faden-Element insbesondere aus Glasfaser, Polyethylen, Polyamid, Nylon, Stahl, rostfreiem Stahl, Carbonfaser, Aramid, Naturfaser (wie beispielsweise Seide oder Spinnenfäden) oder sonstigen Fasern bestehen, oder eine oder mehrere der genannten Komponenten umfassen. Auch kann das Faden-Element als Monofilament oder aber als Filamentbündel gewählt werden, sowie geflochten oder auf sonstige Art und Weise verzwirnt ausgeführt werden. Es muss auch kein runder Querschnitt für das oder die Faden- Elemente gewählt werden, das Faden-Element kann beispielsweise auch in Form eines Flachbandes ausgeführt werden. Ebenfalls als Faden-Element bezeichnet werden hier formschlüssige mechanische Verbindungen, welche durch dünne und damit fadenartige Ätzteile realisiert werden, beispielsweise durch aus Silizium, Glas, oder Metall geätzte Strukturen. Dadurch kann die mechanische Ankopplung des Faden-Elements in Form einer dünnen fadenartigen Struktur an die zugehörigen Strahlteiler-Elemente als gemeinsames Ätzteil integriert werden. Alternativ zu dieser Integration kann das Faden-Element mittels Kleben formschlüssig mit dem Strahlteiler-Element verbunden werden, wobei alternativ oder ergänzend weitere Fügeverfahren genutzt werden können wie beispielsweise Schweißen und/oder Knoten und/oder weitere. The scanning deflection unit has respective thread elements, each of which mechanically couples one (or more) beam splitter elements to a coupling rod element and is designed to hold the coupled beam splitter elements in a predetermined parallel position when the beam splitter elements coupled via thread elements and coupling rod element are moved around the tilt axis. The respective thread element thereby realizes a positive, tension-positive mechanical connection between the respectively assigned beam splitter element and coupling rod element. The thread element can be understood as a thread in the broader sense. Accordingly, the thread element can consist in particular of glass fiber, polyethylene, polyamide, nylon, steel, stainless steel, carbon fiber, aramid, natural fiber (such as silk or spider threads) or other fibers, or comprise one or more of the components mentioned. The thread element can also be chosen as a monofilament or as a filament bundle, as well as braided or twisted in some other way. A round cross-section does not have to be chosen for the thread element(s), the thread element can also be in the form of a Flat strip. Also referred to as thread elements are form-fitting mechanical connections which are implemented using thin and thus thread-like etched parts, for example using structures etched from silicon, glass or metal. This allows the mechanical coupling of the thread element in the form of a thin thread-like structure to the associated beam splitter elements to be integrated as a common etched part. As an alternative to this integration, the thread element can be connected to the beam splitter element in a form-fitting manner using adhesive, whereby alternatively or in addition other joining methods can be used such as welding and/or knotting and/or others.
Das Faden-Element bezeichnet also eine im Vergleich zu Strahlteiler-Element und Koppelstangen-Element dünne Struktur, welche eine mechanische Verbindung zwischen je einem der Strahlteiler-Elemente und dem Koppelstangen-Element herstellt, dabei formschlüssig mit dem jeweiligen Strahlteiler-Element und dem Koppelstangen-Element verbunden ist und eine Relativbewegung der Strahlteiler-Elemente bevorzugt ausschließlich mittels einer elastischen Verformung ermöglicht. Dabei kann auch Federenergie durch das Faden-Element aufgenommen werden, welche bei einer schwingenden Bewegung der Strahlteiler-Elemente als beteiligtes Feder-Element kinematische Energie speichert und damit die Eigenfrequenz der gekoppelten Strahlteiler-Elemente beeinflusst. The thread element is a thin structure compared to the beam splitter element and the coupling rod element, which creates a mechanical connection between each of the beam splitter elements and the coupling rod element, is positively connected to the respective beam splitter element and the coupling rod element and enables a relative movement of the beam splitter elements preferably exclusively by means of elastic deformation. Spring energy can also be absorbed by the thread element, which stores kinematic energy as a participating spring element during an oscillating movement of the beam splitter elements and thus influences the natural frequency of the coupled beam splitter elements.
Die Abtast-Umlenkeinheit weist auch zumindest zwei Feder-Elemente auf, welche jeweils ein Strahlteiler-Element zusätzlich mechanisch mit dem Koppelstangen-Element koppelt und dazu ausgebildet sind, bei Bewegen der durch das Koppelstangen-Element gekoppelten Strahlteiler-Elemente um die Kippachse die durch das Koppelstangen-Element gekoppelten Strahlteiler-Elemente in einer vorgegebenen Parallel-Position zu halten. Das Feder-Element realisiert dabei eine formschlüssige, auf Zug und Schub kraftschlüssig wirkende mechanische Verbindung zwischen dem jeweiligen Strahlteiler-Element und dem Koppelstangen-Element und reduziert die auf das zugeordnete Faden-Element wirkenden Kräfte. Das Feder-Element bezeichnet also eine im Vergleich zu Strahlteiler-Element und Koppelstangen-Element dünne, aber im Vergleich zum Faden-Element dicke Struktur. Die Dicke von Faden-Element und Koppelstangen-Element kann dabei beispielsweise als eine Größe einer Querschnittsfläche quer zur Abstrahlrichtung verstanden werden, die Dicke der Strahlteiler- Elemente als eine Größe einer Querschnittsfläche quer zur Kippachse, und die Dicke der Feder-Elemente als eine Größe einer Querschnittsfläche parallel zur durch die Kippachsen aufgespannten Ebene. The scanning deflection unit also has at least two spring elements, each of which additionally mechanically couples a beam splitter element to the coupling rod element and is designed to hold the beam splitter elements coupled by the coupling rod element in a predetermined parallel position when the beam splitter elements coupled by the coupling rod element are moved around the tilt axis. The spring element thereby creates a positive, force-locking mechanical connection between the respective beam splitter element and the coupling rod element and reduces the forces acting on the associated thread element. The spring element therefore refers to a structure that is thin compared to the beam splitter element and coupling rod element, but thick compared to the thread element. The thickness of the thread element and coupling rod element can be understood, for example, as a size of a cross-sectional area transverse to the radiation direction, the thickness of the beam splitter elements as a size of a cross-sectional area transverse to the tilt axis, and the thickness of the spring elements as a size of a cross-sectional area parallel to the plane spanned by the tilt axes.
Somit ist jedes der zumindest zwei Strahlteiler-Elemente über ein jeweiliges Feder-Element und über zumindest ein jeweiliges Faden-Element mit dem Koppelstangen-Element mechanisch gekoppelt. Als Folge wird die Phase der Strahlteiler-Elemente zumindest im Wesentlichen mittels einer ersten Kraftübertragung durch das jeweilige Feder-Element, über welches das jeweilige Strahlteiler-Element mechanisch mit dem Koppelstangen-Element gekoppelt ist, synchronisiert, sowie die Amplitude der Strahlteiler-Elemente zumindest im Wesentlichen mittels einer zweiten Kraftübertragung durch das jeweilige Faden-Element, über welches das jeweilige Strahlteiler-Element mechanisch mit dem Koppelstangen- Element gekoppelt ist. Thus, each of the at least two beam splitter elements is mechanically coupled to the coupling rod element via a respective spring element and via at least one respective thread element. As a result, the phase of the beam splitter elements is synchronized at least substantially by means of a first force transmission through the respective spring element, via which the respective beam splitter element is mechanically coupled to the coupling rod element, and the amplitude of the beam splitter elements is synchronized at least substantially by means of a second force transmission through the respective thread element, via which the respective beam splitter element is mechanically coupled to the coupling rod element.
Dem vorliegenden Ansatz liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass die Strahlteiler-Elemente für das Abtasten am Besten als Feder-Masse-System ausgelegt werden, welches eine Eigenfrequenz aufweist, die der angestrebten halben Bildwiederholfrequenz des virtuellen AR-Bildes entspricht. Da pro Osszillation zwei Bilder beim hoch und runter Scannen dargestellt werden können, ergibt sich die volle Bildwiederholfrequenz. Die , Masse' des Feder-Masse-Systems ist dabei im Wesentlichen durch die Massenträgheitsmomente der Strahlteiler-Elemente gegeben. Zudem ist im Feder-Masse-System eine , Feder' zur Aufnahme der Kräfte notwendig. Die hier vorgeschlagene Feder umfasst jeweils die Feder- Elemente und das Koppelstangen-Element. Das Faden-Element kann auf Grund der im Vergleich zum Feder-Element geringen elastischen Verformung in der Betrachtung als Feder- Masse-System vernachlässigt werden. The present approach is based on the realization that the beam splitter elements for scanning are best designed as a spring-mass system, which Natural frequency that corresponds to the desired half refresh rate of the virtual AR image. Since two images can be displayed per oscillation when scanning up and down, the full refresh rate is achieved. The "mass" of the spring-mass system is essentially given by the mass moments of inertia of the beam splitter elements. In addition, a "spring" is necessary in the spring-mass system to absorb the forces. The spring proposed here comprises the spring elements and the coupling rod element. The thread element can be neglected when viewed as a spring-mass system due to the low elastic deformation compared to the spring element.
Aus der Physik ist das Phänomen der schwach gekoppelten Systeme und das Phänomen des Isochronismus bekannt. So bilden beispielsweise Metronome die auf einem gemeinsamen Tisch stehen ein schwach gekoppeltes System. Sind in einem solchen System die Eigenfrequenzen hinreichend ähnlich aber nicht gleich, schwingen die einzelnen Sub- Systeme nach einer initialen Einschwingzeit in Phase. Die vorgeschlagene Abtast- Umlenkeinheit bildet auch ein gekoppeltes Feder-Masse-System, jedoch mit einer sehr hohen Kopplung, um ein Schwingen der Sub-Systeme, nämlich der einzelnen Strahlteiler- Elemente mit ihren jeweils zugeordneten Komponenten in Phase zu begünstigen. Man kann in dem hier Fall auch von einem stark gekoppelten System sprechen. Jedoch wird auch hier als technisches Merkmal eine (Einzel-)Eigenfrequenz jedes einzelnen Strahlteilers mit Feder- Element am besten so gewählt, dass sie je identisch mit der (Gesamt-)Eigenfrequenz des ganzen Systems, d.h. der Abtast-Umlenkeinheit ist. Sind die Strahlteiler-Elemente nicht identisch, d.h. besitzen sie beispielsweise aufgrund unterschiedlicher geometrischer Abmessungen unterschiedliche Massenträgheitsmomente, dann kann die Steifigkeit des Feder-Elements individuell angepasst werden um die Eigenfrequenzen der einzelnen Strahlteiler-Elemente aneinander und/oder an die Gesamt-Eigenfrequenz anzupassen, d.h. möglichst genau anzugleichen. Bevorzugt gleichen die Eigenfrequenzen der jeweiligen Strahlteiler-Elemente zumindest im Wesentlichen einander und/oder einer Eigenfrequenz der Abtast-Umlenkeinheit. Damit werden die im System auftretenden und durch Faden- Element, Feder-Element und Koppelstangen-Element aufzunehmenden Kräfte minimiert, was vorteilhaft für die Amplitudensynchronisation der Strahlteiler ist. The phenomenon of weakly coupled systems and the phenomenon of isochronism are known from physics. For example, metronomes that are placed on a common table form a weakly coupled system. If the natural frequencies in such a system are sufficiently similar but not the same, the individual sub-systems oscillate in phase after an initial settling time. The proposed scanning-deflection unit also forms a coupled spring-mass system, but with a very high coupling in order to promote oscillation of the sub-systems, namely the individual beam splitter elements with their respective associated components, in phase. In this case, one can also speak of a strongly coupled system. However, here too, as a technical feature, an (individual) natural frequency of each individual beam splitter with spring element is best chosen so that it is identical to the (total) natural frequency of the entire system, i.e. the scanning-deflection unit. If the beam splitter elements are not identical, i.e. if they have different mass moments of inertia due to different geometric dimensions, for example, then the stiffness of the spring element can be individually adjusted in order to adapt the natural frequencies of the individual beam splitter elements to each other and/or to the overall natural frequency, i.e. to match them as precisely as possible. Preferably, the natural frequencies of the respective beam splitter elements are at least essentially the same as each other and/or a natural frequency of the scanning deflection unit. This minimizes the forces occurring in the system and which have to be absorbed by the thread element, spring element and coupling rod element, which is advantageous for the amplitude synchronization of the beam splitters.
Das Phänomen des Isochronismus besagt, dass eine Feder-Masse-System unabhängig von der Amplitude in sehr guter Näherung mit der gleichen Eigenfrequenz schwingen kann. Mit Blick auf die Anforderung der (parallelen) Ausrichtung der Strahlteiler-Elemente bzw. der Reflektionsoberflächen ist es somit möglich, dass selbst wenn die gleiche Eigenfrequenz für jedes individuelle System der jeweiligen Strahlteiler-Elemente gewählt wurde, das Gesamtsystem der Abtast-Umlenkeinheit mit einer Eigenfrequenz schwingen kann, bei welcher jedes Feder-Element mit einer eigenen Amplitude schwingt. Somit ist neben der Synchronisierung der Phase auch eine Synchronisierung der Amplitude notwendig. The phenomenon of isochronism states that a spring-mass system can oscillate at the same natural frequency, independent of the amplitude, to a very good approximation. With regard to the requirement of the (parallel) alignment of the beam splitter elements or the reflection surfaces, it is therefore possible that even if the same natural frequency was selected for each individual system of the respective beam splitter elements, the entire system of the scanning deflection unit can oscillate at a natural frequency at which each spring element oscillates with its own amplitude. Thus, in addition to synchronizing the phase, synchronizing the amplitude is also necessary.
Zum Zweck der Synchronisierung der Amplitude wird eine (bevorzugt spielfreie vorgespannte) Fadenkinematik vorgeschlagen, wozu an den Strahlteiler-Elementen bevorzugt eine runde oder elliptische oder sonstig geformte Ablauffläche vorhanden ist wie sie weiter unten noch beschrieben wird. Ein Faden-Element ist wie beschrieben sowohl an dem Koppelstangen-Element befestigt und verbindet einen oder mehrere Strahlteiler- Elemente mit dem Koppelstangen-Element. Im Sinne einer erhöhten Symmetrie und damit einer vorteilhaften Verteilung der auftretenden Kräfte kann die mechanische Kopplung auch zweiseitig erfolgen: For the purpose of synchronizing the amplitude, a (preferably play-free pre-tensioned) thread kinematics is proposed, for which a round or elliptical or other shaped run-off surface is preferably present on the beam splitter elements, as described below. A thread element is attached to the coupling rod element as described and connects one or more beam splitter elements with the coupling rod element. In the sense of increased symmetry and thus For an advantageous distribution of the forces occurring, the mechanical coupling can also be bilateral:
So hat eine Winkelbewegung der Strahlteiler-Elemente eine vertikale vorwiegend translatorische Bewegung des Faden-Elements zur Folge, weil dieses hinauf- und hinabgezogen wird. Auf diese Weise wird auch die Winkel-Amplitude mechanisch mit dem Koppelstangen-Element gekoppelt, d.h. über das Koppelstangen-Element mit den anderen Strahlteiler-Elementen synchronisiert. Die Befestigung an der Koppelstange ermöglicht zudem, dass das System vorgespannt werden kann, um eine Spielfreie Kopplung zu erreichen. Dazu ist symmetrisch für jedes Strahlteiler-Element eine obere und eine untere Fadenanbindung vorhanden, d.h. jedes der zumindest zwei Strahlteiler-Elemente ist mit dem entsprechenden Faden-Element jeweils in einem der Bildschirmeinheit näheren und einem der Bildschirmeinheit ferneren Bereich des Koppelstangen-Elements mechanisch mit dem Koppelstangen-Element gekoppelt. Die jeweiligen Bereiche der Kopplung, in welchen das oder die Faden-Elemente an dem Koppelstangen-Element befestigt sind, sind bevorzugt an einem jeweiligen Halte-Arm des Koppelstangen-Elements verortet sind. Solch ein Halte-Arm kann ein Vorsprung des Koppelstangen-Elements in der zweiten Richtung sein, welcher in einer Projektion auf eine senkrecht zur Kippachse verlaufenden Ebene in den Bereich zwischen zwei benachbarten Strahlteiler-Elementen ragt, oder einen solchen Vorsprung umfassen. Das hat den Vorteil, dass die Vorspannung wird dabei komplett in dem Koppelstange-Element aufgenommen werden kann und insbesondere nicht über Lager aufgenommen werden muss. An angular movement of the beam splitter elements results in a vertical, predominantly translational movement of the thread element because it is pulled up and down. In this way, the angular amplitude is also mechanically coupled to the coupling rod element, i.e. synchronized with the other beam splitter elements via the coupling rod element. The attachment to the coupling rod also allows the system to be pre-tensioned in order to achieve a play-free coupling. For this purpose, an upper and a lower thread connection is symmetrically present for each beam splitter element, i.e. each of the at least two beam splitter elements is mechanically coupled to the corresponding thread element in an area of the coupling rod element that is closer to the screen unit and in an area of the coupling rod element that is further away from the screen unit. The respective areas of the coupling in which the thread element(s) are attached to the coupling rod element are preferably located on a respective holding arm of the coupling rod element. Such a holding arm can be a projection of the coupling rod element in the second direction, which projects into the area between two adjacent beam splitter elements in a projection on a plane running perpendicular to the tilt axis, or can comprise such a projection. This has the advantage that the preload can be completely absorbed in the coupling rod element and in particular does not have to be absorbed via bearings.
Der beschriebene Ansatz mit der doppelten Kopplung der Stahlteiler-Elemente sowohl mit Faden- als auch mit Feder-Element bringt so den Effekt der optimalen Verteilung der auftretenden Kräfte auf unterschiedliche mechanische Systeme, welche das separate und damit auch langfristig genaue Synchronisieren von Phase und Amplitude ermöglicht. Damit kann eine besonders genaue Positionierung der unterschiedlichen Strahlteiler-Elemente relativ zueinander und somit eine besonders gute Bildqualität bei geringem Raumbedarf erreicht werden. The described approach with the double coupling of the beam splitter elements with both thread and spring elements thus creates the effect of optimal distribution of the forces occurring on different mechanical systems, which enables the separate and therefore long-term precise synchronization of phase and amplitude. This enables a particularly precise positioning of the different beam splitter elements relative to each other and thus a particularly good image quality with little space requirement.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Koppelstangen-Element ein erstes Koppelstangen-Element-Teil und ein zweites Koppelstangen-Element-Teil aufweist, deren Haupterstreckungsrichtungen jeweils quer zu den Kippachsen entlang einer Vertikalrichtung und zumindest im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen, wobei die jeweiligen Kippachsen durch einen Bereich zwischen den beiden Koppelstangen-Element-Teilen verlaufen. Der erste Koppelstangen-Element-Teil ist entsprechend dem Nutzer ferner als der zweite Koppelstangen-Element-Teil. Bevorzugt ist das Paar aus erstem und zweiten Koppelstangen-Element-Teil seitlich, also in einem Strahlteiler-Element-Endbereich, an den Strahlteiler-Elementen angeordnet. Die für das Koppelstangen-Element beschriebene mechanische Kopplung über das entsprechende Faden- und/oder Feder-Element ist dann jeweils für jedes Koppelstangen-Element-Teil und damit mehrfach ausgebildet. Das hat den Vorteil, dass die Symmetrie nochmals erhöht wird und die auftretenden Kräfte besser verteilt werden. In one embodiment, it is provided that the coupling rod element has a first coupling rod element part and a second coupling rod element part, the main extension directions of which each run transversely to the tilt axes along a vertical direction and at least substantially parallel to one another, wherein the respective tilt axes run through an area between the two coupling rod element parts. The first coupling rod element part is further away than the second coupling rod element part according to the user. The pair of first and second coupling rod element parts is preferably arranged laterally, i.e. in a beam splitter element end area, on the beam splitter elements. The mechanical coupling described for the coupling rod element via the corresponding thread and/or spring element is then designed for each coupling rod element part and thus multiple times. This has the advantage that the symmetry is increased again and the forces that occur are better distributed.
Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass die beiden Koppelstangen-Element-Teile jeweils über einen jeweiligen flexiblen Anker-Arm an zumindest einem -bevorzugt jeweils gemeinsamen- Anker-Element verankert sind. Dabei ist das jeweilige Anker-Element relativ zur Bildschirmeinheit ortsfest angeordnet, insbesondere mit einem in der Abstrahlrichtung zwischen der Bildschirmeinheit und den Strahlteiler-Elementen angeordneten Anker- Element und/oder einem in der Abstrahlrichtung von der Bildschirmeinheit aus betrachtet hinter den Strahlteiler-Elementen angeordneten weiteren Anker-Element. Die Anker-Arme sind bevorzugt so dimensioniert, dass die vertikale Bewegung des Koppelstangen-Elements und die Bewegung nach innen des Koppelstangen-Elements der Bewegung der Anker-Arme entspricht. Koppelstangen-Element und Anker-Arme bilden dann eine Kinematik eines Parallelogramms. Somit können die Kipp-Kräfte des Gesamtsystems spielfrei aufgenommen werden. Dies ist besonders vorteilhaft mit einer Lagerung der Strahlteiler-Elemente mit einem Torsionsstab. Ein Torsionslager-Element mit einem Torsionsstab oder einem Torsionsfaden kann zwar keine radialen Kräfte aufnehmen, dafür jedoch reibungsfrei lagern. Dabei entstehen im Torsionsstab, der beispielsweise als ein dünner Draht ausgeführt sein kann, weitere Torsions-Federmomente, die bei der Auslegung der Eigenfrequenz berücksichtigt werden müssen. In particular, it is provided that the two coupling rod element parts are each anchored via a respective flexible anchor arm to at least one - preferably common - anchor element. The respective anchor element is relatively arranged in a fixed position relative to the screen unit, in particular with an anchor element arranged in the direction of radiation between the screen unit and the beam splitter elements and/or a further anchor element arranged behind the beam splitter elements in the direction of radiation from the screen unit. The anchor arms are preferably dimensioned such that the vertical movement of the coupling rod element and the inward movement of the coupling rod element corresponds to the movement of the anchor arms. The coupling rod element and anchor arms then form the kinematics of a parallelogram. The tilting forces of the entire system can thus be absorbed without play. This is particularly advantageous when the beam splitter elements are mounted with a torsion bar. A torsion bearing element with a torsion bar or a torsion thread cannot absorb radial forces, but can mount them without friction. This creates additional torsional spring moments in the torsion bar, which can be designed as a thin wire, for example, which must be taken into account when designing the natural frequency.
Dabei kann auch vorgesehen sein, dass ein den Anker-Armen bei einer Bewegung der Koppelstangen-Element-Teile entlang der Abstrahlrichtung zugeordneter Kreisradius verschieden ist von einem entsprechenden Feder-Armen der jeweiligen Feder-Elemente bei der Bewegung der Koppelstangen-Element-Teile entlang der Abstrahlrichtung zugeordneten Kreisradius. Die Anker-Arme können somit länger oder kürzer sein als die entsprechenden Komponenten der Feder-Elemente, d.h. sich von einer Aufnahme an den Strahlteiler- Elementen zu dem Koppelstangen-Element erstreckenden Feder-Arme, um bei der Verschiebung der Koppelstangen-Element-Teile Krafteinwirkungen auf die Koppelstangen- Element-Teile zu minimieren It can also be provided that a circle radius assigned to the anchor arms when the coupling rod element parts move along the direction of radiation is different from a corresponding spring arm of the respective spring elements when the coupling rod element parts move along the direction of radiation. The anchor arms can thus be longer or shorter than the corresponding components of the spring elements, i.e. spring arms extending from a receptacle on the beam splitter elements to the coupling rod element in order to minimize the effects of force on the coupling rod element parts when the coupling rod element parts are moved.
In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Feder-Elemente jeweils mit zumindest einem Feder-Arm, bevorzugt zwei Feder-Armen ausgeführt sind, welche insbesondere jeweils eine Spiralfeder mit der zugeordneten Kippachse als Spiralfederachse bilden oder Teil einer solchen Spiralfeder sind. Das hat den Vorteil, dass die entsprechenden Federkonstanten fertigungstechnisch günstig angepasst werden können. In a further embodiment, it is provided that the spring elements are each designed with at least one spring arm, preferably two spring arms, which in particular each form a spiral spring with the associated tilting axis as the spiral spring axis or are part of such a spiral spring. This has the advantage that the corresponding spring constants can be adapted favorably in terms of production technology.
Insbesondere kann hierbei vorgesehen sein, dass Feder-Elemente, insbesondere Feder- Arme, unterschiedlicher Gruppen von Strahlteiler-Elementen mit unterschiedlichen Dicken ausgeführt sind, welche jeweils ein ganzzahliges Vielfaches einer Einheits-Dicke sind. Die Dicke wird dabei bevorzugt in Richtung der Kippachse gemessen. Die wird vorteilhafterweise mit Abmessungen der Strahlteiler-Elemente kombiniert, welche derart gewählt sind, dass die Massenträgheitsmomente der Strahlteiler-Elemente unterschiedlicher Gruppen je Gruppe das dem Vielfachen der Einheits-Dicke entsprechende ganzzahlige Vielfache eines Einheits-Massenträgheitsmomentes sind. Das hat den Vorteil, dass unterschiedliche Abmessungen für die Strahlteiler-Elemente gewählt werden können, und dennoch eine im Wesentlichen gleiche Eigenfrequenz für die Strahlteiler-Elemente und/oder die Strahlteiler- Element-Gruppen erreicht werden kann. Gleichzeitig ist dann nur noch der relative Unterschied der Fertigungsabweichung zwischen den jeweiligen Feder-Elementen relevant. Beispielsweise können die jeweiligen Feder-Elemente aus einem oder mehreren Basis-Feder- Elementen mit der Einheits-Dicke zusammengesetzt werden, beispielsweise miteinander verklebt oder verschweißt. In einer anderen Ausführungsform ist vorgesehen, dass an den Strahlteiler-Elementen jeweils eine Abrollfläche für das zumindest eine Faden-Element angeordnet ist, wobei die Abrollfläche in ihrer Länge dem Winkelbereich zwischen den beiden Umkehrpositionen entspricht. Die Abroll-Fläche hat also zumindest eine Länge, welche gemäß dem Bogenmaß der maximalen Winkelbewegung des zugeordneten Strahlteilers entspricht. Damit wird ein Knicken des Faden-Elements verhindert, was Langlebigkeit und Genauigkeit der mechanischen Kopplung verbessert, insbesondere eine Dauerschwingfestigkeit sicherstellt. In particular, it can be provided that spring elements, in particular spring arms, of different groups of beam splitter elements are designed with different thicknesses, each of which is an integer multiple of a unit thickness. The thickness is preferably measured in the direction of the tilt axis. This is advantageously combined with dimensions of the beam splitter elements, which are selected such that the mass moments of inertia of the beam splitter elements of different groups are, for each group, the integer multiple of a unit mass moment of inertia corresponding to the multiple of the unit thickness. This has the advantage that different dimensions can be selected for the beam splitter elements, and yet an essentially identical natural frequency can be achieved for the beam splitter elements and/or the beam splitter element groups. At the same time, only the relative difference in the manufacturing deviation between the respective spring elements is then relevant. For example, the respective spring elements can be composed of one or more base spring elements with a uniform thickness, for example glued or welded together. In another embodiment, a rolling surface for the at least one thread element is arranged on each of the beam splitter elements, the length of the rolling surface corresponding to the angular range between the two reversal positions. The rolling surface therefore has at least a length which, in terms of radians, corresponds to the maximum angular movement of the associated beam splitter. This prevents the thread element from buckling, which improves the longevity and accuracy of the mechanical coupling, in particular ensuring fatigue strength.
Dabei kann vorgesehen sein, dass die jeweilige Abrollfläche in der Ebene quer zur jeweiligen Kippachse betrachtet die Form eine Ellipse oder eines Ellipsensegments hat. Das hat den Vorteil, dass das Fadenelement zumindest für einen kleinen Winkelbereich von beispielsweise +/-20° um die Mittelposition immer vertikal ausgerichtet bleibt, da die Ellipsenform eine Innenbewegung des Koppelstangenelements in Richtung der Kippachse bei der Kippbewegung am Faden-Element kompensiert. Das verhindert nicht nur akustische Schwingungen, sondern erhöht überdies die Dauerschwingfestigkeit da das Knicken besonders schonend vermieden wird. It can be provided that the respective rolling surface, viewed in the plane transverse to the respective tilt axis, has the shape of an ellipse or an ellipse segment. This has the advantage that the thread element always remains vertically aligned at least for a small angle range of, for example, +/-20° around the center position, since the elliptical shape compensates for an internal movement of the coupling rod element in the direction of the tilt axis during the tilting movement of the thread element. This not only prevents acoustic vibrations, but also increases the fatigue strength because buckling is avoided in a particularly gentle manner.
Insbesondere kann auch vorgesehen sein, dass das jeweilige Faden-Element in einer Ebene quer zur jeweiligen Kippachse betrachtet einmal um die Kippachse umlaufend auf der Abrollfläche angeordnet ist. Das hat fertigungstechnische Vorteile und erlaubt eine einstückige Faden-Kopplung der Strahlteiler-Elemente an das Koppelstangen-Element die zu besonders großer Genauigkeit führt. In particular, it can also be provided that the respective thread element is arranged on the rolling surface in a plane transverse to the respective tilt axis, circulating once around the tilt axis. This has manufacturing advantages and allows a one-piece thread coupling of the beam splitter elements to the coupling rod element, which leads to particularly high precision.
Dabei kann das entsprechende Faden-Element jeweils zwischen dem zugeordneten Strahlteiler-Element und dem der Bildschirmeinheit ferneren Bereich im Wesentlichen parallel zu dem Faden-Element zwischen dem zugeordneten Strahlteiler-Element und dem der Bildschirmeinheit näheren Bereich verlaufen, insbesondere entlang der Abstrahlrichtung. Damit können die auftretenden Kräfte bestmöglich abgeleitet werden und das jeweilige Faden-Element mit einer Vorspannung versehen werden ohne dass zusätzliche Kräfte in ein Lager-Element der Strahlteiler-Elemente eingeleitet werden. Damit wird erneut Langlebigkeit und Präzision verbessert. The corresponding thread element can run between the assigned beam splitter element and the area further away from the screen unit essentially parallel to the thread element between the assigned beam splitter element and the area closer to the screen unit, in particular along the direction of radiation. This allows the forces that occur to be diverted as best as possible and the respective thread element to be pre-tensioned without additional forces being introduced into a bearing element of the beam splitter elements. This again improves durability and precision.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn jedes der zumindest zwei Strahlteiler-Elemente mittels zweier Faden-Elemente mechanisch mit dem Koppelstangen-Element gekoppelt ist, wobei ein dem Nutzer näheres Faden-Element im Wesentlichen zwischen einer von den Kippachsen aufgespannten Ebene und dem Nutzer angeordnet ist und ein dem Nutzer ferneres Faden-Element von dem Nutzer aus betrachtet im Wesentlichen hinter der von den Kippachsen aufgespannten Ebene. Auch das dient dem symmetrischeren Verteilen der auftretenden Kräfte und trägt so zu erhöhter Langlebigkeit und Präzision bei. Zudem ist dadurch die Kippachse in ihrer Lage fixiert, da weder eine Rotation des Strahlteilers möglich ist noch eine vertikale oder horizontale Bewegung möglich ist, ohne dass das System in der gewollten Mode schwingt, bei der sich die Koppelstange vertikal bewegt und die Strahlteiler mit einer Rotationsbewegung schwingen. Das hat insbesondere Vorteile, wenn Torsionslager eingesetzt werden, die keine radialen Kräfte aufnehmen können, bzw. dieser erst bei einer Auslenkung aus der Mittellage aufnehmen können. It is particularly advantageous if each of the at least two beam splitter elements is mechanically coupled to the coupling rod element by means of two thread elements, with a thread element closer to the user being arranged essentially between a plane spanned by the tilting axes and the user, and a thread element further away from the user being arranged essentially behind the plane spanned by the tilting axes when viewed from the user. This also serves to distribute the forces that occur more symmetrically and thus contributes to increased longevity and precision. In addition, the tilting axis is fixed in its position, since neither rotation of the beam splitter is possible nor is vertical or horizontal movement possible without the system oscillating in the desired mode in which the coupling rod moves vertically and the beam splitters oscillate with a rotational movement. This is particularly advantageous when torsion bearings are used that cannot absorb radial forces or can only absorb them when there is a deflection from the central position.
In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Strahlteiler-Elemente mittels jeweiliger Torsionslager-Elemente um die Kippachse beweglich gelagert sind. Die Torsionslager-Elemente können beispielsweise einen Draht in der Funktion eines Torsionsstabs aufweisen. Das hat den Vorteil, dass ein sehr kleines spielfreies Lager realisiert wird, welches im Gegensatz zu bekannten Systemen leicht als miniaturisiertes System umzusetzen ist. Durch die spielfreie Ausführung werden Virbationsgeräusche vermieden und überdies die Präzision der Auslenkung der Strahlteiler-Elemente verbessert. Überdies spielt bei Torsionslager-Elementen Reibung keine Rolle, was Geräusche, Vibrationen und Energie spart und überdies weniger Verschleiß mit sich bringt. Auch damit wird die Präzision in der Auslenkung der Strahlteiler-Elemente verbessert. In a further embodiment, it is provided that the beam splitter elements are movably mounted around the tilt axis by means of respective torsion bearing elements. The Torsion bearing elements can, for example, have a wire that functions as a torsion bar. This has the advantage that a very small, play-free bearing is created, which, in contrast to known systems, can easily be implemented as a miniaturized system. The play-free design avoids vibration noises and also improves the precision of the deflection of the beam splitter elements. In addition, friction plays no role in torsion bearing elements, which saves noise, vibrations and energy and also results in less wear. This also improves the precision of the deflection of the beam splitter elements.
Ein weiterer Aspekt betrifft ein Verfahren zum Synchronisieren von Amplitude und Phase einer Scanbewegung von Strahlteiler-Elementen eines Brillen-Anzeige-Systems zum Anzeigen eines virtuellen Bildes in einem Sichtfeld eines Nutzers. Dabei weist das Brillen- Anzeige-System eine Bildschirmeinheit zum Abstrahlen eines Lichtes als computergenerierte Bildinformation in eine Abstrahlrichtung auf, sowie eine Abtast-Umlenkeinheit zum Abtasten der Bildschirmeinheit und zum Umlenken der von der abgetasteten Bildschirmeinheit abgestrahlten computergenerierten Bildinformation in ein Auge des Nutzers. Die Abtast- Umlenkeinheit hat zumindest zwei in der Abstrahlrichtung des Lichtes hintereinander angeordnete Strahlteiler-Elemente mit einer jeweiligen teildurchlässigen Reflektionsoberfläche . Die Strahlteiler-Elemente sind beweglich gelagert, um eine jeweilige Mittelposition herum entlang einer Kippachse verkippbar zwischen zwei Umkehrpositionen, an welchen eine Kipp-Geschwindigkeit der Strahlteiler-Elemente bei bestimmungsgemäßem Gebrauch Null ist. A further aspect relates to a method for synchronizing the amplitude and phase of a scanning movement of beam splitter elements of a glasses display system for displaying a virtual image in a field of vision of a user. The glasses display system has a screen unit for emitting light as computer-generated image information in a radiation direction, and a scanning-deflection unit for scanning the screen unit and for deflecting the computer-generated image information emitted by the scanned screen unit into an eye of the user. The scanning-deflection unit has at least two beam splitter elements arranged one behind the other in the radiation direction of the light, each with a partially transparent reflection surface. The beam splitter elements are movably mounted and can be tilted around a respective center position along a tilt axis between two reversal positions at which a tilt speed of the beam splitter elements is zero when used as intended.
Das Verfahren hat die Verfahrensschritte des Synchronisierens der Phase der Strahlteiler- Elemente zumindest im Wesentlichen mittels einer ersten Kraftübertragung durch ein jeweilige Feder-Element, über welches das jeweilige Strahlteiler-Element mechanisch mit einem Koppelstangen-Element gekoppelt ist; und des Synchronisierens der Amplitude der Strahlteiler-Elemente zumindest im Wesentlichen mittels einer zweiten Kraftübertragung durch zumindest ein jeweiliges Faden-Element, über welches das jeweilige Strahlteiler- Element mechanisch mit dem Koppelstangen-Element gekoppelt ist. The method has the method steps of synchronizing the phase of the beam splitter elements at least substantially by means of a first force transmission through a respective spring element, via which the respective beam splitter element is mechanically coupled to a coupling rod element; and synchronizing the amplitude of the beam splitter elements at least substantially by means of a second force transmission through at least one respective thread element, via which the respective beam splitter element is mechanically coupled to the coupling rod element.
Vorteile und vorteilhafte Ausführungsformen des letztgenannten Aspektes entsprechend den für den erstgenannten Aspekt beschriebenen Vorteilen und vorteilhaften Ausführungsformen und umgekehrt. Advantages and advantageous embodiments of the latter aspect correspond to the advantages and advantageous embodiments described for the former aspect and vice versa.
Die beschriebenen Merkmale und Merkmalskombinationen, auch die der allgemeinen Einleitung, sowie die in der Figurenbeschreibung oder den Figuren allein offenbarten Merkmale und Merkmalskombinationen können nicht nur allein oder in der beschriebenen Kombination, sondern auch mit anderen Merkmalen oder ohne einige der offenbarten Merkmale verwendet werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Folglich sind auch Ausführungsformen Teil der Erfindung, die nicht explizit in den Figuren dargestellt und beschrieben sind, die aber durch separate Kombination der in den Figuren offenbarten Einzelmerkmale erzeugt werden können. Daher sind auch Ausführungsformen und Merkmalskombinationen, die nicht alle Merkmale eines ursprünglich formulierten unabhängigen Anspruchs umfassen, als offenbart anzusehen. Ferner sind Ausführungsformen und Merkmalskombinationen als offenbart anzusehen, die von den Merkmalskombinationen abweichen oder über die in den Abhängigkeiten der Ansprüche beschriebenen hinausgehen. Unter „quer/entlang" kann im Kontext dieser Offenbarung als „zumindest im Wesentlichen senkrecht/parallel", also „senkrecht/parallel" oder „im Wesentlichen senkrecht/parallel", d.h. bis auf eine vorgegebene Abweichung senkrecht/parallel verstanden werden. Die vorgegebene Abweichung kann beispielsweise höchstens 15°, bevorzugt höchstens 5°, besonders bevorzugt höchstens 3° betragen. Entsprechend kann unter „entgegengesetzt orientiert" im Kontext dieser Offenbarung als „zumindest im Wesentlichen entgegengesetzt orientiert" d.h. „zumindest im Wesentlichen antiparallel orientiert" verstanden werden. Die Einschränkung „im Wesentlichen" kann sich auch auf eine prozentual vorgegebene maximal zulässige Abweichung beziehen, beispielsweise höchstens 15%, bevorzugt höchstens 5%, besonders bevorzugt höchstens 3%. The described features and feature combinations, including those in the general introduction, as well as the features and feature combinations disclosed in the description of the figures or the figures alone, can be used not only alone or in the combination described, but also with other features or without some of the disclosed features, without departing from the scope of the invention. Consequently, embodiments that are not explicitly shown and described in the figures, but that can be produced by separately combining the individual features disclosed in the figures, are also part of the invention. Therefore, embodiments and feature combinations that do not include all the features of an originally formulated independent claim are also to be regarded as disclosed. Furthermore, embodiments and feature combinations that deviate from the feature combinations or go beyond those described in the dependencies of the claims are to be regarded as disclosed. In the context of this disclosure, "transverse/along" can be understood as "at least substantially perpendicular/parallel", i.e. "vertical/parallel" or "substantially perpendicular/parallel", i.e. perpendicular/parallel up to a predetermined deviation. The predetermined deviation can be, for example, at most 15°, preferably at most 5°, particularly preferably at most 3°. Accordingly, "oppositely oriented" in the context of this disclosure can be understood as "at least substantially oppositely oriented", i.e. "at least substantially antiparallel oriented". The restriction "substantially" can also refer to a maximum permissible deviation specified as a percentage, for example at most 15%, preferably at most 5%, particularly preferably at most 3%.
Detaillierte Beschreibung Detailed description
Beispielhafte Ausführungsformen werden im Folgenden anhand von schematischen Zeichnungen näher beschrieben. Darin zeigen Exemplary embodiments are described in more detail below using schematic drawings.
Fig. 1 eine beispielhafte Ausführungsform eines Brillen-Anzeige-System zum Anzeigen eines virtuellen Bildes in einem Sichtfeld eines Nutzers zu zwei unterschiedlichen Zeitpunkten; Fig. 1 shows an exemplary embodiment of a glasses display system for displaying a virtual image in a field of view of a user at two different times;
Fig. 2 eine beispielhafte Ausführungsform einer Abtast-Umlenkeinheit; Fig. 2 shows an exemplary embodiment of a scanning deflection unit;
Fig. 3 weitere beispielhafte Ausführungsformen einer Abtast-Umlenkeinheit; Fig. 3 further exemplary embodiments of a scanning deflection unit;
Fig. 4 noch eine weitere beispielhafte Ausführungsform einer Abtast-Umlenkeinheit; und Fig. 4 shows yet another exemplary embodiment of a scanning deflection unit; and
Fig. 5 einen Teil einer anderen beispielhaften Ausführungsform einer Abtast- Umlenkeinheit. Fig. 5 shows a part of another exemplary embodiment of a scanning deflection unit.
In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Merkmale mit den gleichen Bezugszeichen versehen. In the figures, identical or functionally equivalent features are provided with the same reference symbols.
In Fig. 1 ist eine beispielhafte Ausführungsform eines Brillen-Anzeige-System zum Anzeigen eines virtuellen Bildes in einem Sichtfeld eines Nutzers zu zwei unterschiedlichen Zeitpunkten gezeigt. In Fig. 1, an exemplary embodiment of a glasses display system for displaying a virtual image in a field of view of a user at two different times is shown.
Das Brillen-Anzeige-System 1 weist eine Bildschirmeinheit 2 auf zum Abstrahlen eines Lichtes als computergenerierte Bildinformation in eine Abstrahlrichtung, hier die negative y- Richtung und bei bestimmungsgemäßem Gebrauch eine Vertikalrichtung. Das Licht wird vorliegend mit dem Lichtstrahl 142 als Teil des Lichtes symbolisiert dargestellt. Im gezeigten Beispiel umfasst die Bildschirmeinheit 2 ein zellenförmiges Anzeigeelement 131 mit zeilenartig hauptsächlich in z-Richtung angeordneten Pixel auf, welches ein Licht 141 emittiert, welches durch ein Linsen- und/oder Spiegelelement 132 nach unendlich abgebildet, also parallelisiert wird. Der Lichtstrahl 142 ist ein Lichtstrahl des parallelisierten Lichtes. Das Brillen-Anzeige-System 1 weist auch eine Abtast-Umlenkeinheit 3 auf zum Abtasten der Bildschirmeinheit 2 und zum Umlenken der von der abgetasteten Bildschirmeinheit abgestrahlten computergenerierten Bildinformation in ein Auge 15 des Nutzers. Dabei weist die Abtast-Umlenkeinheit 3 zumindest zwei, vorliegend vier in der Abstrahlrichtung des Lichtes hintereinander angeordnete Strahlteiler-Elemente 17, 17', 17", 17'" mit zumindest einer (hier zwei) jeweiligen teildurchlässigen Reflektionsoberfläche 17a, 17a', 17a", 17a'", 17b, 17b', 17b", 17b'" auf, vorliegend mit jeweils einer Reflektionsoberfläche 17a, 17a', 17a", 17a'" an einer der Bildschirmeinheit 2 zugewandten Vorderseite und mit jeweils einer Reflektionsoberfläche 17b, 17b', 17b", 17b'" an einer der Bildschirmeinheit 2 abgewandten Rückeite. . Die Strahlteiler-Elemente 17, 17', 17", 17'" sind beweglich gelagert, und zwar um eine jeweilige Mittelposition herum entlang einer Kippachse 18, 18', 18", 18'" verkippbar zwischen zwei Umkehrpositionen, an welchen eine Kipp-Geschwindigkeit der Strahlteiler- Elemente sind bei bestimmungsgemäßem Gebrauch Null ist. Die Kippachsen 18, 18', 18", 18'" verlaufen in der gezeigten Fig. 1 in z-Richtung. The glasses display system 1 has a screen unit 2 for emitting light as computer-generated image information in a direction of emission, here the negative y-direction and, when used as intended, a vertical direction. The light is symbolized here with the light beam 142 as part of the light. In the example shown, the screen unit 2 comprises a cell-shaped display element 131 with pixels arranged in rows mainly in the z-direction, which emits a light 141 that is imaged to infinity, i.e. parallelized, by a lens and/or mirror element 132. The light beam 142 is a light beam of the parallelized light. The glasses display system 1 also has a scanning deflection unit 3 for scanning the screen unit 2 and for deflecting the computer-generated image information emitted by the scanned screen unit into an eye 15 of the user. The scanning deflection unit 3 has at least two, in this case four, beam splitter elements 17, 17', 17", 17'" arranged one behind the other in the direction of emission of the light with at least one (here two) respective partially transparent reflection surface 17a, 17a', 17a", 17a'", 17b, 17b', 17b", 17b'", in this case with one reflection surface 17a, 17a', 17a", 17a'" on a front side facing the screen unit 2 and with one reflection surface 17b, 17b', 17b", 17b'" on a rear side facing away from the screen unit 2. The beam splitter elements 17, 17', 17", 17'" are movably mounted, namely around a respective center position along a tilt axis 18, 18', 18", 18'" tiltable between two reversal positions at which a tilt speed of the beam splitter elements is zero when used as intended. The tilt axes 18, 18', 18", 18'" run in the z-direction in the Fig. 1 shown.
Für den Nutzer wird ein zweidimensionales virtuelles Bild sichtbar, indem ein Zeitmultiplexing durchgeführt wird. Dazu bewegen sich bei bestimmungsgemäßem Gebrauch die hier mit den Reflektionsoberflächen 17a, 17a', 17a", 17a'" und 17b, 17b', 17b", 17b'" parallel angeordneten Strahlteiler-Elemente 17, 17', 17", 17'" mit einem Winkelbereich von beispielsweise +/-20° um die Mittelposition mit beispielsweise sinusartigem Bewegungsprofil um ihre jeweilige Kippachse 18, 18', 18", 18'". Für einen gegebenen Zeitpunkt, also für eine feste Winkelstellung der Strahlteiler-Elemente 17, 17', 17", 17'" werden die Lichtstrahlen 142 an jedem Strahlteiler-Element 17, 17', 17", 17'" so abgelenkt, dass entsprechende Folge-Lichtstrahlen 143a, 143a', 143a", 143a'" und 143b, 143b', 143b", 143b'" in Richtung des Nutzers abgelenkt werden. Dabei sind die Strahlteiler- Elemente 17, 17', 17", 17'" so angeordnet, dass ein Teil dieser Folge-Lichtstrahlen 143a, 143a', 143a", 143a'" und 143b, 143b', 143b", 143b'" die Pupille 151 des Auges 15 trifft. Somit entstehen virtuelle Lichtstrahlen 144a und 144b, die das Auge 15 unter der Annahme wahrnimmt, dass sich Licht immer geradlinig ausbreitet. A two-dimensional virtual image becomes visible to the user by performing time multiplexing. For this purpose, when used as intended, the beam splitter elements 17, 17', 17", 17'" arranged parallel to the reflection surfaces 17a, 17a', 17a", 17a'" and 17b, 17b', 17b", 17b'" move with an angular range of, for example, +/-20° around the center position with, for example, a sinusoidal movement profile around their respective tilt axis 18, 18', 18", 18'". For a given point in time, i.e. for a fixed angular position of the beam splitter elements 17, 17', 17", 17'", the light beams 142 are deflected at each beam splitter element 17, 17', 17", 17'" such that corresponding subsequent light beams 143a, 143a', 143a", 143a'" and 143b, 143b', 143b", 143b'" are deflected in the direction of the user. The beam splitter elements 17, 17', 17", 17'" are arranged in such a way that a portion of these subsequent light rays 143a, 143a', 143a", 143a'" and 143b, 143b', 143b", 143b'" hit the pupil 151 of the eye 15. This creates virtual light rays 144a and 144b, which the eye 15 perceives under the assumption that light always propagates in a straight line.
In Fig. lb) ist das Zeitmultiplexing für einen andern Zeitpunkt dargestellt, in dem die Strahlteiler-Elemente 17, 17', 17", 17'" eine andere Winkelauslenkung 171 eingenommen haben. In diesem Fall wird das Licht in Richtung des Folge-Lichtstrahls 18 abgelenkt und das betrachtende Auge sieht einen virtuellen Lichtstrahl 181. Für das Zeitmultiplexing ist somit eine scannende Bewegung der Strahlteiler-Elemente 17, 17', 17", 17'", ein Abtasten der Bildschirmeinheit 2 und ein Umlenken der Lichtstrahlen 142 unter wechselnden Winkeln notwendig. In Fig. lb), the time multiplexing is shown for a different point in time, in which the beam splitter elements 17, 17', 17", 17'" have assumed a different angular deflection 171. In this case, the light is deflected in the direction of the subsequent light beam 18 and the observing eye sees a virtual light beam 181. For the time multiplexing, a scanning movement of the beam splitter elements 17, 17', 17", 17'", a scanning of the screen unit 2 and a deflection of the light beams 142 at changing angles is therefore necessary.
Die Strahlteiler-Elemente 17, 17', 17", 17'" und damit die Abtast-Umlenk-Einheit 3 ist vorliegend als mit sinusartigem Bewegungsprofil schwingendes Feder-Masse-System ausgelegt. Das hat den Vorteil, dass nur wenig Energie zum Erhalt der Schwingung eingebracht werden muss und die Abtast-Umlenk-Einheit 3 ohne zusätzliche Bewegungsregelung eine sinusartige Scan-Bewegung durchführt. Die Masse des entsprechend zu betrachtenden Masse-Feder-Systems ist im Wesentlichen durch das Massenträgheitsmoment der Strahlteiler-Elemente 17, 17', 17", 17'" gegeben. Als Feder dient vorliegend ein System aus Feder-Elementen 11, 11', 11", 11'" welche jeweils ein zugeordnetes Strahlteiler-Element 17, 17', 17", 17'" mit einem Koppelstangen-Element 12 mechanisch koppeln. Im gezeigten Beispiel weist das Koppelstangen-Element 12 ein erstes Koppelstangen-Element-Teil 12a und ein zweites Koppelstangen-Element-Teil 12b auf, deren Haupterstreckungsrichtungen jeweils quer zu den Kippachsen 18, 18', 18", 18'" entlang der Vertikalrichtung -y und zumindest im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen, wobei die jeweiligen Kippachsen 18, 18', 18", 18'" durch einen Bereich zwischen den beiden Koppelstangen-Element-Teilen 12a, 12b verlaufen. Zusätzlich zu der mechanischen Kopplung der Strahlteiler-Elemente 17, 17', 17", 17'" an das Koppelstangen- Element 12 über die Feder-Elemente 11, 11', 11", 11'" sind die Strahlteiler-Elemente 17, 17', 17", 17'" auch über zumindest ein, bevorzugt zwei jeweilige Faden-Elemente 43, 43' (Fig. 4) mechanisch an das Koppelstangen-Element 12 gekoppelt. Die Faden-Elemente The beam splitter elements 17, 17', 17", 17'" and thus the scanning-deflection unit 3 are designed as a spring-mass system oscillating with a sinusoidal movement profile. This has the advantage that only a small amount of energy needs to be introduced to maintain the oscillation and the scanning-deflection unit 3 carries out a sinusoidal scanning movement without additional movement control. The mass of the mass-spring system to be considered is essentially given by the mass moment of inertia of the beam splitter elements 17, 17', 17", 17'". In the present case, a system of spring elements 11, 11', 11", 11'" serves as the spring, each of which mechanically couples an associated beam splitter element 17, 17', 17", 17'" to a coupling rod element 12. In the example shown, the coupling rod element 12 has a first coupling rod element part 12a and a second coupling rod element part 12b, the main extension directions of which each run transversely to the tilt axes 18, 18', 18", 18'" along the vertical direction -y and at least substantially parallel to one another, wherein the respective tilt axes 18, 18', 18", 18'" run through an area between the two coupling rod element parts 12a, 12b. In addition to the mechanical coupling of the beam splitter elements 17, 17', 17", 17'" to the coupling rod element 12 via the spring elements 11, 11', 11", 11'", the beam splitter elements 17, 17', 17", 17'" are also mechanically coupled to the coupling rod element 12 via at least one, preferably two respective thread elements 43, 43' (Fig. 4). The thread elements
Ein Winkelauslenkung wie die in Fig. lb dargestellte Winkelauslenkung 171 der Strahlteiler- Element 17, 17', 17", 17'" hat eine Verschiebung der Koppelstangen-Element-Teile 12a, 12b in positiver beziehungsweise negativer Vertikalrichtung und somit eine mechanische elastische Verformung der Feder-Elemente 11, 11', 11", 11'" zur Folge. Dabei wird kinetische Energie in den Feder-Elementen 11, 11', 11", 11'" gespeichert, sodass das Feder- Masse-System bei einer auslegbaren Eigenfrequenz schwingt. Die Eigenfrequenz wird am besten als halbe Bildwiederholfrequenz ausgelegt, weil das Bild pro Oszillation zweimal gescannt wird. An angular deflection such as the angular deflection 171 of the beam splitter elements 17, 17', 17", 17'" shown in Fig. lb results in a displacement of the coupling rod element parts 12a, 12b in a positive or negative vertical direction and thus a mechanical elastic deformation of the spring elements 11, 11', 11", 11'". Kinetic energy is stored in the spring elements 11, 11', 11", 11'", so that the spring-mass system oscillates at a designable natural frequency. The natural frequency is best designed as half the refresh rate because the image is scanned twice per oscillation.
In Fig. 2 ist eine beispielhafte Ausführungsform einer Abtast-Umlenkeinheit dargestellt. Die Feder-Elemente 11, 11', 11", 11'" können beispielsweise aus Federstahl, Silizium, Glas oder aus einer Zusammensetzung dieser oder anderer, insbesondere hybrider Materialien hergestellt werden. Die Feder-Elemente 11, 11', 11", 11'" sind vergleichsweise dünn ausgeführt, sodass in ihnen Federenergie in Form einer elastischen Verformung gespeichert werden kann. Dabei darf die materialabhängige maximal zulässige Spannung im Material nicht überschritten werden. Die maximale Spannung wird bei der maximalen Winkelauslenkung erreicht, welche entsprechend bei der Auslegung zu berücksichtigen ist. An exemplary embodiment of a scanning deflection unit is shown in Fig. 2. The spring elements 11, 11', 11", 11'" can be made, for example, from spring steel, silicon, glass or from a combination of these or other, particularly hybrid materials. The spring elements 11, 11', 11", 11'" are comparatively thin so that spring energy can be stored in them in the form of elastic deformation. The material-dependent maximum permissible stress in the material must not be exceeded. The maximum stress is reached at the maximum angular deflection, which must be taken into account accordingly in the design.
Entsprechend können im Rahmen der Auslegung die Feder-Elemente 11, 11', 11", 11'" in z- Richtung, also in ihrer Dicke, vergrößert werden, um die notwendige Federkonstante einzustellen um eine gewünschte Eigenfrequenz zu erreichen. So sind vorliegend drei Gruppen A, B, C von Strahlteiler-Elementen 17, 17', 17", 17'" vorhanden. Im gezeigten Beispiel umfassen erste Gruppen A und zweite Gruppe B jeweils ein Strahlteiler-Element 17, 17' und die dritte Gruppe C zwei Strahlteiler-Elemente 17", 17'". Accordingly, within the scope of the design, the spring elements 11, 11', 11", 11'" can be enlarged in the z-direction, i.e. in their thickness, in order to set the necessary spring constant to achieve a desired natural frequency. In the present case, there are three groups A, B, C of beam splitter elements 17, 17', 17", 17'". In the example shown, the first group A and the second group B each comprise a beam splitter element 17, 17' and the third group C comprises two beam splitter elements 17", 17'".
Die Feder-Elemente 11", 11'" der dritten Gruppe C können beispielsweise mit der Einheits- Dicke ausgeführt sein, die Feder-Elemente 11' der zweiten Gruppe B mit dem doppelten der Einheits-Dicke und die Feder-Elemente 11 der ersten Gruppe A mit dem dreifachen der Einheits-Dicke. Die jeweiligen Feder-Elemente 11, 11', 11", 11'" können aus einem (Gruppe C), zwei (Gruppe B) oder drei (Gruppe A) Basis-Feder-Elementen mit der entsprechenden Einheits-Dicke bestehen oder diese umfassen. Die jeweiligen Basis-Feder-Elemente können dann entlang der Kippachsen 18, 18', 18", 18'" in z-Richtung aufgereiht die Strahlteiler- Elemente 17, 17', 17", 17'" an das Koppelstangen-Element 12 koppeln. Dabei können die Basis-Feder-Elemente eines Strahlteiler-Elements 17, 17', 17", 17'" stofflich miteinander verbunden sein, das entsprechende Feder-Element 11, 11' also ein einteiliges Feder-Element 11, 11' sein, oder nicht stofflich miteinander verbunden sein, das entsprechende Feder- Element 11, 11' also ein mehrteiliges Feder-Element 11, 11' sein. The spring elements 11", 11'" of the third group C can, for example, be designed with the unit thickness, the spring elements 11' of the second group B with twice the unit thickness and the spring elements 11 of the first group A with three times the unit thickness. The respective spring elements 11, 11', 11", 11'" can consist of or include one (group C), two (group B) or three (group A) base spring elements with the corresponding unit thickness. The respective base spring elements can then be lined up along the tilt axes 18, 18', 18", 18'" in the z direction and couple the beam splitter elements 17, 17', 17", 17'" to the coupling rod element 12. The base spring elements of a beam splitter element 17, 17', 17", 17'" can be materially connected to one another, so that the corresponding spring element 11, 11' is a one-piece spring element 11, 11', or not be materially connected to one another, so the corresponding spring element 11, 11' can be a multi-part spring element 11, 11'.
In Fig. 2b) sind die bei einer Auslenkung der Strahlteiler-Elemente 17, 17', 17", 17'" entstehenden Kräfte F, G und Momente M gezeigt. Jedes Strahlteiler-Elemente 17, 17', 17", 17'" erzeugt ein Moment M, dass die elastische Verformung der Feder-Elemente 11, 11', 11", 11'" bedingt. Dies hat mehrere resultierende Kräfte zur Folge, weswegen das Feder-Elemente 11, 11', 11", 11'" und Koppelstangen-Element 12 in der gezeigten Form zur Rotation in der x-y- Ebene tendiert. Die Kräfte F, G können durch Lager an den Kippachsen 18, 18', 18", 18'" aufgenommen werden. Da es sich um oszillierende Kräfte handelt, ist es vorteilhaft, die Lagerung spielfrei auszuführen. In Fig. 2b) the forces F, G and moments M that arise when the beam splitter elements 17, 17', 17", 17'" are deflected are shown. Each beam splitter element 17, 17', 17", 17'" generates a moment M that causes the elastic deformation of the spring elements 11, 11', 11", 11'". This results in several resulting forces, which is why the spring elements 11, 11', 11", 11'" and coupling rod element 12 in the form shown tend to rotate in the x-y plane. The forces F, G can be absorbed by bearings on the tilt axes 18, 18', 18", 18'". Since these are oscillating forces, it is advantageous to design the bearings without play.
Entsprechend ist in Fig. 3 eine weitere beispielhafte Ausführungsformen einer Abtast- Umlenkeinheit dargestellt. Um die aus den in Fig. 2b) gezeigten Kräften F resultierenden lateralen Bewegungen in der x-y-Ebene zu reduzieren oder ganz zu vermeiden, sind die beiden Koppelstangen-Element-Teile 12a, 12b jeweils über einen jeweiligen flexiblen Anker- Arm 31, 31' bzw. 31", 31'" an zumindest einem Anker-Element 32 bzw. 32' verankert. Dabei ist das jeweilige Anker-Element 32, 32' relativ zur Bildschirmeinheit 2 ortsfest angeordnet. Accordingly, another exemplary embodiment of a scanning deflection unit is shown in Fig. 3. In order to reduce or completely avoid the lateral movements in the x-y plane resulting from the forces F shown in Fig. 2b), the two coupling rod element parts 12a, 12b are each anchored to at least one anchor element 32 or 32' via a respective flexible anchor arm 31, 31' or 31", 31'". The respective anchor element 32, 32' is arranged in a fixed position relative to the screen unit 2.
Das erste Anker-Element 32 ist hier in der Abstrahlrichtung zwischen der Bildschirmeinheit 2 und den Strahlteiler-Elementen 17, 17', 17", 17'" angeordnet, das zweite Anker-Element 32' von der Bildschirmeinheit 2 aus betrachtet hinter den Strahlteiler-Elementen 17, 17', 17", 17'". Damit beschränken die Anker-Elemente 32, 32' die Bewegung der Koppelstangen- Element-Teile 12a, 12b gemäß einer Parallel-Kinematik. Laterale Kräfte F (Fig. 2b) werden durch die Anker-Elemente 32, 32' aufgenommen und seitliche Bewegungen in der x- Richtung somit reduziert, bzw. vermieden. In Fig. 3a) ist die Bewegung der Strahlteiler- Elemente 17, 17', 17", 17'" für drei Winkelpositionen 34, 34', 34" dargestellt. Die Koppelstangen-Element-Teile 12a, 12b machen dabei einen Hub von d. The first anchor element 32 is arranged here in the radiation direction between the screen unit 2 and the beam splitter elements 17, 17', 17", 17'", the second anchor element 32' is arranged behind the beam splitter elements 17, 17', 17", 17'" when viewed from the screen unit 2. The anchor elements 32, 32' thus limit the movement of the coupling rod element parts 12a, 12b according to parallel kinematics. Lateral forces F (Fig. 2b) are absorbed by the anchor elements 32, 32' and lateral movements in the x-direction are thus reduced or avoided. In Fig. 3a) the movement of the beam splitter elements 17, 17', 17", 17'" is shown for three angular positions 34, 34', 34". The coupling rod element parts 12a, 12b make a stroke of d.
In der beispielhaften Ausführungsform von Fig. 2b) ist ein den Anker-Armen 31, 31' bei einer Bewegung der Koppelstangen-Element-Teile 12a, 12b entlang der Abstrahlrichtung zugeordneter Kreisradius verschieden von einem den Feder-Armen 11a, 11b der jeweiligen Feder-Elemente 11 bei der Bewegung der Koppelstangen-Element-Teile 12a, 12b entlang der Abstrahlrichtung zugeordneten Kreisradius. Die Anker-Arme 31, 31' sind vorliegend entsprechend einem größeren Kreisradius länger als die Feder-Arme 11a, 11b. In the exemplary embodiment of Fig. 2b), a circle radius assigned to the anchor arms 31, 31' when the coupling rod element parts 12a, 12b move along the radiation direction is different from a circle radius assigned to the spring arms 11a, 11b of the respective spring elements 11 when the coupling rod element parts 12a, 12b move along the radiation direction. The anchor arms 31, 31' are longer than the spring arms 11a, 11b in this case, corresponding to a larger circle radius.
Die Koppelstangen-Element-Teile 12a, 12b machen hier im Wesentlichen eine Bewegung in y-Richtung mit Hub d, wie in Fig. 3a) dargestellt. Allerding erfolgt auch eine (kleinere) Bewegung in x-Richtung, da eine Rotation der Feder-Elemente 11 um die Kippachse 18 erfolgt. Die Variante in Fig. 3b ermöglicht eine Auslegung, die die gleichen Bewegungen der Koppelstangen-Element-Teile 12a, 12b in y- und x-Richtung als Funktion der Winkelauslenkung jeweils bedingt durch die Feder-Elemente 11 und die Anker-Armen 31, 31'. Unter der mathematischen Annahme, dass die Feder-Elemente 11 und die Anker-Arme 31, 31', 31", 31'" eine elastische Verformung erfahren, die als Kreisbogen mit konstantem Radius approximiert werden, kann gezeigt werden, dass die Bewegung nicht perfekt synchronisiert werden können, aber die Differenzen nur im kleinen einstelligen Mikrometerbereich divergieren. Es ist also eine hinreichend exakte Auslegung identischer Bewegungen möglich und aufgrund der flexiblen Anker-Arme 31, 31', 31", 31'" können kleine Abweichungen mittels elastischer Verformungen kompensiert werden. Als Freiheitsgrad bei der Auslegung wird dabei die Länge der Anker-Arme 31, 31' unterschiedlich zur Länge der Feder-Elemente 11 bzw. der Feder-Arme 11a, 11b gewählt. The coupling rod element parts 12a, 12b essentially make a movement in the y-direction with stroke d, as shown in Fig. 3a). However, a (smaller) movement also occurs in the x-direction, since the spring elements 11 rotate around the tilt axis 18. The variant in Fig. 3b enables a design that allows the same movements of the coupling rod element parts 12a, 12b in the y- and x-direction as a function of the angular deflection caused by the spring elements 11 and the anchor arms 31, 31'. Under the mathematical assumption that the spring elements 11 and the anchor arms 31, 31', 31", 31'" undergo an elastic deformation, which is approximated as a circular arc with a constant radius, it can be shown that the movements cannot be perfectly synchronized, but the differences only diverge in the small single-digit micrometer range. A sufficiently precise design of identical movements is therefore possible and due to the flexible anchor arms 31, 31', 31", 31'" small deviations are compensated by means of elastic deformations. As a degree of freedom in the design, the length of the anchor arms 31, 31' is selected to be different from the length of the spring elements 11 or the spring arms 11a, 11b.
In Fig. 4 ist noch eine weitere beispielhafte Ausführungsform einer Abtast-Umlenkeinheit gezeigt. Da sich mit den in Figs. 1-3 dargestellten Feder-Elementen 11, 11', 11", 11'" lediglich eine Phasen-Synchronisierung der Strahlteiler-Elemente 17, 17', 17", 17'", nicht aber eine Amplituden-Synchronisierung erreichen lässt, wird jeweils zumindest ein formschlüssiges Faden-Element 43, 43' zum zusätzlichen Koppeln der Strahlteiler-Elemente 17, 17', 17", 17'" an das Koppelstangen-Element 12 genutzt. Die hier gezeigte beispielhafte Struktur der Fadenkinematik wird im Folgenden erläutert. Fig. 4 shows yet another exemplary embodiment of a scanning deflection unit. Since the spring elements 11, 11', 11", 11'" shown in Figs. 1-3 can only achieve phase synchronization of the beam splitter elements 17, 17', 17", 17'", but not amplitude synchronization, at least one form-fitting thread element 43, 43' is used for additional coupling of the beam splitter elements 17, 17', 17", 17'" to the coupling rod element 12. The exemplary structure of the thread kinematics shown here is explained below.
Ein Faden-Element 43, hier (bevorzugt symmetrisch) zwei Faden-Elemente 43 und 43' sind um eine jeweilige Abrollfläche 42, 42', 42", 42'" geführt und an jeweiligen Haltearmen 41, 41', 41", 41'", ... an dem Koppelstangen-Element 12 befestigt. Die Haltearme 41, 41', 41", 41'", ... ragen dabei in der gewählten Darstellung, d.h. einer Orthogonalprojektion in die senkrecht zu den Kippachsen 18, 18', 18", 18'" verlaufende Zeichenebene, in Bereiche zwischen jeweils nächstbenachbarten Strahlteiler-Elementen 17, 17', 17", 17'". A thread element 43, here (preferably symmetrically) two thread elements 43 and 43' are guided around a respective rolling surface 42, 42', 42", 42'" and attached to respective holding arms 41, 41', 41", 41'", ... on the coupling rod element 12. The holding arms 41, 41', 41", 41'", ... protrude in the selected representation, i.e. an orthogonal projection into the drawing plane running perpendicular to the tilt axes 18, 18', 18", 18'", into areas between the next adjacent beam splitter elements 17, 17', 17", 17'".
Jedes der zumindest zwei Strahlteiler-Elemente 17, 17', 17", 17'" ist somit vorliegend mittels zweier Faden-Elemente 43, 43' mechanisch mit dem Koppelstangen-Element 12 gekoppelt. Dabei ist ein dem Nutzer näheres Faden-Element 42 im Wesentlichen zwischen einer von den Kippachsen 18, 18', 18", 18'" aufgespannten Ebene und dem Nutzer angeordnet und ein dem Nutzer ferneres Faden-Element 43' von dem Nutzer aus betrachtet im Wesentlichen hinter der von den Kippachsen 18, 18', 18", 18'" aufgespannten Ebene. Each of the at least two beam splitter elements 17, 17', 17", 17'" is thus mechanically coupled to the coupling rod element 12 by means of two thread elements 43, 43'. A thread element 42 closer to the user is arranged essentially between a plane spanned by the tilt axes 18, 18', 18", 18'" and the user, and a thread element 43' further away from the user is arranged essentially behind the plane spanned by the tilt axes 18, 18', 18", 18'" when viewed from the user.
Die jeweilige Abrollfläche 42, 42', 42", 42'" hat in der Ebene quer zur jeweiligen Kippachse 18 betrachtet vorliegend die Form eine Ellipse oder eines Ellipsensegments, kann aber auch andere Formen wie die eines Kreises haben. Die Abrollflächen 42, 42', 42", 42'" sind an den zugeordneten Strahlteiler-Elementen 17, 17', 17", 17'" angeordnet. Die Abrollflächen 42, 42', 42", 42'" entsprechen in ihrer Länge zumindest dem Winkelbereich zwischen den beiden Umkehrpositionen. Dabei ist vorliegend das jeweilige Faden-Element 43, 43' in einer Ebene quer zur jeweiligen Kippachse 18, also der Zeichenebene, betrachtet einmal um die Kippachse 18 umlaufend auf der Abrollfläche 42 angeordnet. The respective rolling surface 42, 42', 42", 42'" has the shape of an ellipse or an ellipse segment when viewed in the plane transverse to the respective tilt axis 18, but can also have other shapes such as a circle. The rolling surfaces 42, 42', 42", 42'" are arranged on the associated beam splitter elements 17, 17', 17", 17'". The length of the rolling surfaces 42, 42', 42", 42'" corresponds at least to the angular range between the two reversal positions. In this case, the respective thread element 43, 43' is arranged on the rolling surface 42 in a plane transverse to the respective tilt axis 18, i.e. the plane of the drawing, so as to encircle the tilt axis 18 once.
Die Abrollflächen 42, 42', 42", 42'" werden also so ausgelegt, dass eine Winkelauslenkung der Strahlteiler-Elementen 17, welcher formschlüssig mit der Ablauffläche 42 verbunden ist, so viel der Faden-Elemente 43, 43' aufwickelt, wie das Koppelstangen-Element 12 sich bewegt. The rolling surfaces 42, 42', 42", 42'" are thus designed in such a way that an angular deflection of the jet splitter elements 17, which is positively connected to the run-off surface 42, winds up as many of the thread elements 43, 43' as the coupling rod element 12 moves.
Vorliegend ist jedes der zumindest zwei Strahlteiler-Elemente 17, 17', 17", 17'" mit dem entsprechenden Faden-Element 43, 43' jeweils in einem der Bildschirmeinheit 2 näheren und einem der Bildschirmeinheit 2 ferneren Bereich mechanisch mit dem Koppelstangen- Element 12 gekoppelt. Die jeweiligen Bereiche sind dabei vorliegend an den Halte-Armen 41, 41', 41", 41'", ... verortet. Das jeweilige Faden-Element 43, 43' verläuft zwischen dem zugeordneten Strahlteiler-Element 17 und dem der Bildschirmeinheit 2 ferneren Bereich im Wesentlichen parallel zu dem Faden-Element 43, 43' zwischen dem zugeordneten Strahlteiler-Element 17 und dem der Bildschirmeinheit näheren Bereich. Die Haltearme 41 und 41" zwischen nächstbenachbarten Strahlteiler-Elementen 17, 17', 17", 17"' ermöglichen eine Vorspannung auf die jeweiligen Faden-Elemente 43, 43' zu geben, ohne dass diese Kraft in Lagern der Kippachsen 18, 18', 18", 18'" oder den Anker- Elementen 32, 32' aufgenommen werden muss, da die Befestigung zu einem Kräftegleichgewicht führt und sich die Kräfte gegeneinander aufheben. Zwecks einfacherer Darstellung ist in Fig. 4 der Faden 43 mit etwas Abstand um die Ablauffläche 42 gezeichnet. Aufgrund der vorteilhaften Spielfreiheit ist jedoch in der tatsächlichen Umsetzung eine enge Wicklung anzustreben, z.B. in dem beim Wickeln eine Vorspannung auf die jeweiligen Faden- Elemente 43, 43' gegeben wird. Für das Faden-Elemente 43'ist eine Darstellung gewählt worden, die eng um die Ellipsen ausgeführt ist. Je nach genutztem Winkelbereich werden nur Teilabschnitte und damit Segmente der Ellipsen als Abrollflächen 42, 42', 42", 42"'genutzt. In the present case, each of the at least two beam splitter elements 17, 17', 17", 17'" is mechanically coupled to the coupling rod element 12 with the corresponding thread element 43, 43' in an area closer to the screen unit 2 and an area further away from the screen unit 2. The respective areas are located on the holding arms 41, 41', 41", 41'", ... The respective thread element 43, 43' runs between the associated beam splitter element 17 and the area further away from the screen unit 2 essentially parallel to the thread element 43, 43' between the associated beam splitter element 17 and the area closer to the screen unit. The holding arms 41 and 41" between the next adjacent beam splitter elements 17, 17', 17", 17"' allow a pre-tension to be given to the respective thread elements 43, 43' without this force having to be absorbed in the bearings of the tilting axes 18, 18', 18", 18'" or the anchor elements 32, 32', since the fastening leads to a balance of forces and the forces cancel each other out. For the purpose of simpler illustration, the thread 43 is shown in Fig. 4 with some distance around the run-off surface 42. Due to the advantageous freedom of play, however, a tight winding should be aimed for in the actual implementation, e.g. by giving a pre-tension to the respective thread elements 43, 43' during winding. A representation has been chosen for the thread element 43' which is designed tightly around the ellipses. Depending on the angle range used, only partial sections and thus segments of the ellipses are used as rolling surfaces 42, 42', 42", 42"'.
Figur 5 zeigt einen Teil einer anderen beispielhaften Ausführungsform einer Abtast- Umlenkeinheit. Dort sind die Feder-Elemente 11, 11', 11", 11'" jeweils mit zumindest einem, hier zwei Feder-Armen 11a, 11b ausgeführt, welche jeweils eine Spiralfeder mit der zugeordneten Kippachse 18 als Spiralfederachse bilden oder Teil einer solchen Spiralfeder sind. Figure 5 shows part of another exemplary embodiment of a scanning deflection unit. There, the spring elements 11, 11', 11", 11'" are each designed with at least one, here two spring arms 11a, 11b, which each form a spiral spring with the associated tilt axis 18 as a spiral spring axis or are part of such a spiral spring.
Entsprechend sind die Feder-Elemente 11, 11', 11", 11'" nicht als im Wesentlichen gerade Struktur ausgeprägt, sondern als Spiralfeder-artige Struktur. Dies kann eine vorteilhafte Variante darstellen, wenn die Federsteifigkeit der Feder-Elemente 11, 11', 11", 11'" aufgrund der maximal zulässigen Spannungen im Material weiter reduziert werden muss. Diese Variante ist auch kompatibel zur Amplituden-Synchronisierung mittels Ablaufflächen wie in Fig. 4 gezeigt. In vorteilhafter Weise sind die Feder-Elemente 11, 11', 11", 11'" um Kippachsen 18, 18', 18", 18'" punktsymmetrisch ausgeführt, was Unwuchten vorbeugt. Accordingly, the spring elements 11, 11', 11", 11'" are not designed as a substantially straight structure, but as a spiral spring-like structure. This can be an advantageous variant if the spring stiffness of the spring elements 11, 11', 11", 11'" has to be further reduced due to the maximum permissible stresses in the material. This variant is also compatible with amplitude synchronization by means of run-off surfaces as shown in Fig. 4. The spring elements 11, 11', 11", 11'" are advantageously designed to be point-symmetrical about tilting axes 18, 18', 18", 18'", which prevents imbalances.
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