Brille zum ermüdungsfreien Betrachten der Bildebene eines Bildschirms oder anderer Bildebenen

Die Erfindung betrifft eine Brille zum ermüdungsfreien Be­trachten der Bildebene eines Bildschirms oder anderer Bildebenen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Beim üblichen Betrachten eines ebenen Objektes, insbeson­dere eines ein Bild erzeugenden Bildschirms, mit dem gesun­den unbewaffneten Auge, d.h. also ohne Brille, treten die bekannten optischen Effekte auf, nämlich dahingehend, daß die anatomische bzw. optische Augenachse auf die Konvergenz der vom Bildschirm kommenden Lichtstrahlen eingestellt sein muß und daß außerdem das Auge die erforderliche Akkommoda­tion, d.h. die Scharfeinstellung auf die jeweilige Entfer­nung des zu erblickenden bzw. auf der Netzhaut abzu­bildenden Bildes durchgeführt hat. Diese Akkommodation er­folgt bekanntermaßen durch einen die Augenlinse umgebenden Ringmuskel, der die Linsenwölbung und damit die Brechzahl der Augenlinse ändert, und zwar derart, daß im Kontrak­tionszustand des Ringmuskels die Augenlinse zum Zweck der Naheinstellung abgerundet ist, während im Entspannungszu­stand des Muskels, d.h. also bei erweitertem Muskel, die Augenlinse zum Zweck der Ferneinstellung des Auges flachge­zogen ist.

Wenn dann das den Bildschirm betrachtende Auge einmal die erforderliche Konvergenzeinstellung der Blickrichtungen so­wie die Akkommodation durchgeführt hat, bleiben diese Ein­stellungen üblicherweise konstant, da die Sitzposition zum Objekt bzw. zu dem auf dem Bildschirm abgebildeten Bild nicht verändert wird.

Bei einer derartigen Arbeitsposition zeigt sich jedoch der als außerordentlich unangenehm empfundene Nachteil, daß bei den Augen Ermüdungserscheinungen auftreten, da diese auf­grund der ständigen Anspannung des die Akkommodation bewir­kenden Ringmuskels sowie aufgrund der erforderlichen Kon­vergenzeinstellung der Augenachsen überanstrengt werden. Dies gilt insbesondere dann, wenn ein Bildschirm zu Ar­beitszwecken über längere Zeit hinweg betrachtet werden muß.

Außerdem tritt beim Betrachten eines Bildschirms, insbeson­dere eines Farbbildschirmes, bei dem unterschiedliche Far­ben zur Ausgestaltung des gezeigten Bildes erzeugt werden, zusätzlich zu den vorerwähnten Nachteilen der schnellen Er­müdung und Überanstrengung der Augen ein weiterer wesentli­cher Nachteil auf. Dieser besteht darin, daß kein natürli­ches stereoskopisches bzw. räumliches Sehen des erzeugten Bildes, insbesondere Farbbildes möglich ist, sondern daß dieses normalerweise flach bzw. eben erblickt wird. Dies ist jedoch beispielsweise bei dem heutzutage bereits weitverbreiteten Konstruieren mittels eines an einen Compu­ter angeschlossenen Bildschirms als gravierender Nachteil anzusehen.

Wie bekannt, erfolgt das natürliche räumliche Sehen mittels der Augen dadurch, daß ein Oberflächenpunkt eines räumli­chen Objektes von beiden Augen erfaßt wird. Dies erfolgt dadurch, daß die beiden Augenachsen, die ja im Auge unge­fähr in die sog. Sehgrube (Fovea centralis), der Stelle der größten Sehschärfe, münden, sich im vorgenannten Oberflä­chenpunkt schneiden, so daß die erforderliche Konvergenz der Lichtstrahlen eingestellt ist. Außerdem wird im Hin­blick auf die jeweilige Entfernung zwischen Auge und Objekt die betreffende Abbildung durch entsprechende Änderung der Augenlinsenkrümmung scharf eingestellt, so daß die erfor­derliche Akkommodation durchgeführt ist. Die beiden Vor­gänge, d.h. sowohl die Konvergenzeinstellung als auch die Akkommodation des Auges, werden automatisch miteinander verbunden, da es sich hierbei um eine empirisch erarbeitete Fähigkeit handelt. Andere naheliegende Oberflächenpunkte werden gleichzeitig auf unterschiedlichen Netzhautstellen abgebildet. Wenn sich diese Oberflächenpunkte in einer an­deren Entfernung befinden, entstehen sog. Horizontalparal­laxen. Dies entspricht dem bekannten Effekt der Horizontal- bzw. Querdisparation, die Voraussetzung für die räumliche Wahrnehmung ist und somit insgesamt für die Tiefenwahrneh­mung des Auges von Bedeutung ist. Hierbei ergibt sich, wie schon dargelegt, eine horizontale Abweichung der Lage bei­der Netzhautbilder bei entsprechend eingestellter Konver­genz der Augenachsen, wobei jedoch aufgrund einer sog. Erfahrungskorrektur normalerweise statt zweier, nicht deckungsgleicher Bilder nur ein einziges Bild, allerdings in räumlicher Form, wahrgenommen wird.

Das oben geschilderte natürliche räumliche Sehen kann auch künstlich erzeugt werden. Zu diesem Zweck sind die Augen durch Bildempfangssysteme, wie Photoapparate, Fernsehkame­ras usw. ersetzt. Wenn dann bei einer derartigen Anordnung die Bilder den Augen entsprechend zugeordnet werden, d.h. wenn das linke Bild dem linken Auge und das rechte Bild dem rechte Auge zugeordnet wird, entsteht für den Betrachter ein künstlich erzeugter räumlicher Eindruck, das sog. "vir­tuelle Modell". Durch geeignete Wahl von Aufnahmebrenn­weite, Aufnahmebasis, d.h. Entfernung der Aufnahmeobjek­tive, und der Vergrößerung bei der Betrachtung können unterschiedliche räumliche Effekte erzeugt werden.

Um nun auf einem Bildschirm die erzeugten Bilder räumlich darzustellen bzw. räumlich wahrnehmen zu können, sind schon unterschiedliche Verfahren bekannt. Diese weisen jedoch gravierende Nachteile auf, die nachstehend kurz erläutert werden sollen.

So wird bei dem bekannten Anaglyphen-Verfahren das linke Bild eines projizierten Bildes z.B. in grüner Farbe, jedoch das rechte Bild in roter Farbe gezeigt. Wenn dann die bei­den gleichzeitig projizierten Bilder mit einer den Farben entsprechenden Rot-Grün-Brille betrachtet werden, wird bei der Betrachtung durch die rote Brille das rote Bild ausge­löscht und das grüne Bild schwarz gesehen - und umgekehrt. Dieser als Farbensubtraktion zu bezeichnende Vorgang weist den Nachteil auf, daß insgesamt nur Schwarz-Weiß-Bilder er­zeugt werden können.

Bei dem bekannten Polarisations-Verfahren sind zur grund­sätzlichen Funktionsgewährleistung zwei Bildschirme erfor­derlich, die vorzugsweise rechtwinklig zueinander aufge­stellt sind. Vor diesen Bildschirmen sind Polarisationsfil­ter mit zueinander rechtwinkligen Polarisationsrichtungen angeordnet. Beide Bildschirme werden über einen halbdurch­lässigen Spiegel gleichzeitig betrachtet. Hierbei trägt der Betrachter eine Brille, die mit Polarisationsfiltern ausge­rüstet ist. Deren Polarisationsrichtungen müssen denen der vor den Bildschirmen angeordneten Polarisationsfilter ent­sprechen. Dadurch wird erreicht, daß jedes Auge nur jeweils einen Bildschirminhalt sieht. Wie leicht ersichtlich, ist dieses Verfahren jedoch technisch aufwendig und damit sehr teuer.

Schließlich ist auch noch das Zeitmultiplex-Verfahren be­kannt. Ausgehend davon, daß derzeit in normalen Fernsehap­paraten nach dem Zeilensprungverfahren 50 Halbbilder/sec erzeugt werden, wird hierbei dem ersten Halbbild das linke Bild und dem zweiten Halbbild das rechte Bild zugeordnet. Wenn dann vor den Augen Blenden angebracht sind, die in der vorgenannten Bildfolge die Sicht für die einzelnen Augen freigeben, so entsteht ein virtuelles Bildmodell. Auch die­ ses Verfahren ist jedoch technisch aufwendig und somit, weil sehr teuer, nachteilig.

Sämtliche der vorerwähnten drei bekannten Verfahren weisen außerdem den gemeinsamen Nachteil auf, daß die Augenbasis während der Betrachtung des künstlich erzeugten räumlichen Bildes immer parallel zur Bildbasis gehalten werden muß. Dies bedeutet, daß selbst schon kleinste Querneigungen Ver­tikalparallaxen erzeugen, so daß der erzeugte räumliche Eindruck zerfällt, d.h. zunichte gemacht wird.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, zur Besei­tigung der geschilderten Nachteile eine Brille zu schaffen, mittels der eine Bildebene, insbesondere diejenige eines Bildschirms vollständig ermüdungsfrei für das Auge betrach­tet werden kann, und zwar auch über längere Zeiträume hin­weg. Gleichzeitig soll es mit einer solchen Brille ermög­licht werden, die insbesondere auf einem Bildschirm erzeug­ten Bilder räumlich darstellen bzw. stereoskopisch sehen zu können, und zwar ohne auftretende Vertikalparallaxen.

Die zur Lösung dieser Aufgabe geschaffene Brille gemäß der Erfindung weist die Merkmale des Anspruchs 1 auf. Vorteil­hafte Ausgestaltungen hiervon sind in den weiteren Ansprü­chen beschrieben.

Der Erfindung liegt der wesentliche Gedanke zugrunde, die Brille derart auszugestalten, daß das auf einem Bildschirm oder an einer anderen Stelle erzeugte Bild bzw. die hiervon ausgehenden Lichtstrahlen durch die Brille entsprechend um­gewandelt wird, und zwar derart, daß sich die Augen im sog. Ruhezustand befinden. Dieser Ruhezustand ist, wie eingangs schon dargelegt, dann erreicht, wenn der Blick auf ferne Gegenstände, die weiter als 200 m entfernt sind, gerichtet ist. In diesem Zustand verlaufen die Blickrichtungen an­genähert parallel, und die Augenlinse befindet sich - bei gleichzeitig entspanntem Augenringmuskel - in entspannter Stellung. Damit kann in vorteilhafter Weise ohne jegliche Anstrengung oder Überanstrengung der Augen am Bildschirm gearbeitet werden, und zwar über außerordentlich lange Zeiträume hinweg.

Im einzelnen weist die zum ermüdungsfreien Betrachten einer Bildebene dienende Brille gemäß der Erfindung zwei im Augabstand voneinander angeordnete, durch ein Traggestell gehaltene und starr miteinander verbundene optische Gläser oder dgl. Linseneinrichtungen auf. Diese sind jeweils so ausgebildet, daß die von der Bildebene kommenden divergen­ten Lichtstrahlen auf der augseitigen Glasoberfläche als angenähert parallele Lichtstrahlen austreten und angenähert konvergenzfrei, d.h. im erwünschten Ausmaß konvergenzkom­pensiert, ins Auge fallen und/oder daß die Entfernung der Bildebene zum Auge bzw. zum optischen Glas der angenähert akkommodationsfreien Ferneinstellung des Auges entspricht.

Aufgrund physiologischer und zum Teil psychologischer Er­fahrungswerte hat es sich als wünschenswert erwiesen, keine vollständig konvergenzfreie und/oder akkommodations­freie Augenstellung zu erreichen, da diese an sich theore­tische Idealstellung von den Augen als unnatürliche Stel­lung und damit als Zwang empfunden wird. Stattdessen ist es vorteilhaft, in bestimmtem Ausmaß eine gewisse Rest­konvergenz und/oder Restakkommodation bei der Brillenkon­struktion vorzusehen, wobei das Ausmaß der gewählten Abwei­chung von der Idealstellung in Abhängigkeit von den persön­lichen Bedingungen jedes Brillenbenutzers, von der Ar­beitsentfernung zwischen Auge und Bildebene, dem jeweiligen Abstand zwischen den Augen, d.h. der Pupillendistanz, usw. definiert werden kann. Demgemäß wird im folgenden auch der Einfachheit halber nicht von Konvergenzfreiheit und/oder Akkommodationsfreiheit gesprochen, sondern von Konvergenz­kompensation und/oder Akkommodationskompensation.

Erfindungsgemäß besteht die zum Zweck der Konvergenzkompen­sation vorgesehene optische Lösung bei der Brille gemäß der Erfindung darin., daß die optischen Gläser Prismen mit ebe­nen Oberflächen aufweisen, wobei die augabgewandten Pris­menoberflächen in spezieller Weise voneinander abgeneigt sind. Diese Neigung ist derart gestaltet, daß mit Hilfe der Prismen die parallelen Blickrichtungen des Auges in Rich­tung zur Bildebene konvergiert, d.h. also so abgeändert werden, daß sie sich in der Bildebene schneiden. Dadurch wird die Konvergenz künstlich erzeugt, so daß es für das Auge nicht mehr erforderlich ist, durch entsprechende Einstellung der Augenachse diese Konvergenz selbst vorzuse­hen.

Zum Zweck der Akkommodationskompensation weisen bei der er­findungsgemäß ausgestalteten Brille die optischen Gläser jeweils eine Linse auf. Diese kann bikonvex oder plankonvex ausgestaltet sein. Vorzugsweise soll die Brennweite der Linse dem Abstand zwischen Bildebene und Linse entsprechen, so daß die von der Bildebene kommenden Lichtstrahlen auf der augseitigen Oberfläche der Linse als angenähert paral­lele Lichtstrahlen austreten. Dies bedeutet, daß dann, wenn der zu betrachtende Gegenstand, d.h. die Bildebene in die Brennebene der Linse gebracht wird, eine sehr große bis un­endliche Bildweite entsteht. Hierdurch wird der Blick, d.h. die Linse des Auges, ebenfalls auf eine entsprechend große Entfernung eingestellt, was eine vollkommen entspannte Stellung der Augenlinse zur Folge hat.

Besondere Vorteile werden mit der Erfindung dann erzielt, wenn die erfindungsgemäße Brille derart ausgestaltet ist, daß sich eine Kombination von Konvergenzkompensation und Akkommodationskompensation ergibt. Zu diesem Zweck ist den Linsen auf der augabgekehrten Seite jeweils ein Prisma vorgeordnet, so daß die von der Bildebene kommenden Lichtstrahlen nach dem Hindurchtreten durch die Prismen-­Linsen-Kombination sowohl konvergenzkompensiert als auch akkommodationskompensiert auf die Augenlinse auftreffen. Dies bedeutet, daß der Bildschirm bzw. das hierauf oder auf einer anderen Bildebene abgebildete Bild scharf gesehen wird, daß jedoch das Auge bzw. die Augenlinse auf sehr große Entfernung eingestellt ist und somit vollständig frei von Ermüdungs- bzw. Überanstrengungserscheinungen bleibt. Insgesamt betrachten daher die Augen den Bildschirm sowohl akkommodations- als auch konvergenzkompensiert.

Erfindungsgemäß ist es schließlich auch möglich, mittels der Brille auf dem Bildschirm eine räumliche Darstellung ohne auftretende Vertikalparallaxen zu erzielen. Dies wird bei der Brille gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß zum räumlichen Sehen des auf einem Bildschirm, insbesondere einem Farbbildschirm erzeugten Bildes Prismen mit großem Dispersionsvermögen vorgesehen sind, und zwar derart, daß jede auf dem Farbbildschirm erzeugte Farbe eines Bildes entsprechend ihrer Wellenlänge unterschiedlich stark in den Prismen gebrochen und damit an horizontal unterschiedlichen Stellen an der Netzhaut des Auges abgebildet wird. Die da­durch bewirkte Quer- bzw. Horizontaldisparation erzeugt einen räumlichen Eindruck. So wird z. B. die rote Farbe ganz vorn und die blaue Farbe ganz hinten gesehen. Hierbei wird zukünftig bei der Schaffung entsprechender Bilderzeu­gungsprogramme lediglich zu berücksichtigen sein, daß jeder Farbe eine entsprechende Tiefe entspricht.

In jedem Fall wird mit einer derart ausgestalteten Brille gemäß der Erfindung eine beträchtliche Tiefenwirkung er­zeugt, die bis zu 100 mm und mehr reichen kann.

Die erfindungsgemäße Brille läßt sich mit Vorteil nicht nur zum Betrachten der Bildebene eines Bildschirms (Computer­bildschirm, Monitor, Fernseher, Mikrofilmlesegerät usw.) einsetzen, sondern zum Betrachten anderer Bildebenen, die vollständig oder weitgehend eben sind, beispielsweise Pro­jektionswand, Glasschirm, Buch usw.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt in:

• Fig. 1 schematisch eine Brille zur Konvergenzkompensation des auf einem Bildschirm erzeugten Bildes;
• Fig. 2 schematisch eine Brille zur Akkommodationskompen­sation des auf einem Bildschirm erzeugten Bildes und
• Fig. 3 schematisch eine Brille zur kombinierten Konver­genz- und Akkommodationskompensation.

Bei der aus Fig. 1 ersichtlichen, zur Konvergenzkompensa­tion dienenden Brille 1 sind als optische Gläser zwei Pris­men 2, 3 vorgesehen. Diese sind in einem dem Abstand der Augen 4 entsprechenden Abstand angeordnet und mittels eines üblichen Traggestells 5 starr miteinander verbunden.

Die beiden Prismen 2, 3 weisen jeweils ebene Prismenober­flächen 6, 7 auf, wobei die den Augen 4 zugewandten Ober­flächen 6 beim dargestellten Ausführungsbeispiel parallel zur Bildebene 8 eines Bildschirms 9 verlaufen, aber auch in jeder anderen geeigneten Neigung verlaufen können. Demgegenüber sind die den Augen 4 abgewandten Prismenober­flächen 7 geneigt verlaufend angeordnet, und zwar voneinan­der weggeneigt. Hierbei ist die Neigung in der deutlich aus Fig. 1 ersichtlichen Weise derart gewählt, daß die durch den Strahlengang 10 verdeutlichte parallele Blickrichtung der Augen 4 durch die Prismen 2, 3 geändert wird, und zwar so, daß die Lichtstrahlen 11 auf der augabgewandten Seite der Prismen 2, 3 die erforderliche Konvergenz aufweisen und sich in der Bildebene 8 des Bildschirms 9 schneiden. Hier­bei wird der Neigungswinkel Θ, den die Lichtstrahlen 11 ge­genüber der Horizontalen aufweisen, durch die Prismen 2, 3 künstlich erzeugt.

Demgegenüber ist bei dem Ausführungsbeispiel der Brille 12 gemäß Fig. 2 eine Akkommodationskompensation vorgesehen. Zu diesem Zweck sind als optische Gläser für das Traggestell 5 der Brille 12 Linsen 13 vorgesehen, die als bikonvexe oder plankonvexe Linsen ausgebildet sein können und deren Brenn­weite f derart gehalten ist, daß diese der Betrachtungsent­fernung e, d.h. dem Abstand zwischen der Bildebene 8 des Bildschirms 9 und der Linse 13 entspricht. Dies bedeutet mit anderen Worten, daß dann, wenn der zu betrachtende Ge­genstand in der Bildebene 8 des Bildschirms 9 in die im Ab­stand f (Brennweite) zur Linse 13 befindliche Brennebene der Linse 13 gebracht wird, eine sehr große bis unendliche Bildweite entsteht, so daß dann die Augen 4, wie aus dem parallelen Strahlengang 10 ersichtlich, ebenfalls in unend­liche Entfernung blicken und somit vollständig ermüdungs­frei sind.

Nach dem Abbildungsgesetz der geometrischen Optik gilt:

$\frac{\text{1}}{\text{b}}$ + $\frac{\text{1}}{\text{g}}$ = $\frac{\text{1}}{\text{f}}$

wobei

b = Bildweite,

g = Gegenstandsweite

f = Brennweite

e = Betrachtungsentfernung.

Setzt man g = f, so ergibt sich:

$\frac{\text{1}}{\text{b}}$ + $\frac{\text{1}}{\text{f}}$ = $\frac{\text{1}}{\text{f}}$

d.h.

$\frac{\text{1}}{\text{b}}$ = 0

d.h.

b = ∞.

Dies bestätigt, daß für die beschriebene Ausbildung und An­ordnung der Brille 12 die Augen 4 den in der Bildebene 8 zu betrachtenden Gegenstand in großer Entfernung erblicken und somit akkommodationskompensiert eingestellt sind.

Bei der Ausführungsform der Brille 22 gemäß Fig. 3 ist eine Kombination von Konvergenz- und Akkommodationskompensation vorgesehen. Zu diesem Zweck ist den Linsen 13, wie ersicht­lich, auf der augabgekehrten Seite jeweils ein Prisma 2, 3 vorgeordnet, so daß sich insgesamt bei der Brille 22 der kombinierte Effekt aus den Ausführungsformen gemäß Fig. 1 und 2 ergibt. Dies bedeutet, daß die von der Bildebene 8 kommenden Lichtstrahlen 11 nach dem Hindurchtreten durch die Prismen-Linsen-Kombination 2, 3, 13 sowohl konvergenz­kompensiert als auch akkommodationskompensiert in einem an­genähert parallelen Strahlengang 10 auf die Augen 4 bzw. auf deren Linsen auftreffen. Hierdurch wird in der er­wünschten Weise das in der Bildebene 8 des Bildschirms 9 abgebildete Bild scharf gesehen, wobei aber gleichzeitig die Augen 4 auf sehr große Entfernung eingestellt sind. Hierdurch betrachten die Augen 4 den Bildschirm 9 sowohl akkommodations- als auch konvergenzkompensiert, d.h. mit dem erwünschten Ausmaß an verbliebener Restkonvergenz und Restakkommodation.

Bei dieser Ausführungsform ergibt sich gleichzeitig, wie ebenfalls schon erläutert, der wesentliche Vorteil, daß insbesondere dann, wenn der Bildschirm 9 ein Farbbildschirm ist, jede auf diesem Farbbildschirm erzeugte Farbe entspre­chend ihrer Wellenlänge in den Prismen 2, 3 unterschiedlich stark gebrochen und auch damit auf der Netzhaut der Augen 4 an horizontal unterschiedlichen Stellen abgebildet wird. Dies erzeugt eine Tiefenwirkung von beträchtlichem Ausmaß, wobei die erzielte Tiefenwirkung Δ z näherungsweise mit folgender Formel beschrieben werden kann:

Δ z ≈ e ^. Δ, wobei hierbei bedeuten:

Δ = Dispersionsvermögen der Prismen 2, 3,

n = Brechungsindex,

F, C, D = Fraunhofer'sche Linien,

e = Betrachtungsentfernung.

Obwohl zeichnerisch nicht näher dargestellt, ist es zur weiteren Erhöhung der Farbdisparation möglich, jeweils meh­rere Prismen 2,3 aus unterschiedlichen Materialien und/oder aus unterschiedlichen Glassorten miteinander zu kombinie­ren.

Schließlich ist es auch möglich bzw. sogar wünschenswert, die jedem einzelnen Auge 4 zugeordnete Prismen-Linsen-­Kombination 2, 13 bzw. 3, 13 entweder einstückig zu ferti­gen oder aber durch Kittung, Verklebung usw. fest miteinan­der zu verbinden.

Hinsichtlich vorstehend nicht beschriebener Merkmale der Erfindung wird im übrigen ausdrücklich auf die Zeichnung sowie auf die Patentansprüche verwiesen.