CN110832380B - 用于校准数据眼镜的投影装置的方法以及用于执行方法的数据眼镜的投影装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于校准数据眼镜的投影装置（100）的方法。该方法具有下列步骤：借助反射元件（112）在扫描角范围上扫描由光源（104）发出的光束（106），使得由反射元件（112）偏转的光束（106）扫过数据眼镜（400）的布置在数据眼镜（400）的眼镜片（402）上的转向元件的表面区域，该表面区域具有至少两个布置在数据眼镜（400）上的校正标记（132），其中，每个校正标记（132）布置在相对于布置在数据眼镜（400）的眼镜片（402）上的转向元件的表面的、预定的位置上；并且确定（520）至少两个校正标记（132）分别在反射元件（112）的哪种扫描调整中被光束（106）击中。本发明还涉及用于数据眼镜的投影装置（100）、数据眼镜以及转向元件。

Description

用于校准数据眼镜的投影装置的方法以及用于执行方法的数 据眼镜的投影装置

技术领域

本发明涉及用于校准数据眼镜的投影装置的方法、用于执行方法的数据眼镜的投影装置、数据眼镜、转向元件、计算机程序、能机读的存储介质以及电子的控制器。

背景技术

将来可期的一个趋势就是佩戴数据眼镜，数据眼镜能将虚拟的图像信息显示到用户的视野中。当前的数据眼镜例如不是透明的并且因此会隐没环境，较新的方案则追求虚拟的图像内容与环境叠合的实践方案。虚拟的图像内容与此外还能感知到的环境的叠合称为增强现实。一种应用例如是在进行专业活动时显示信息。因此机械师可以看到技术图纸或者数据眼镜可以用彩色标记机器的特定区域。但所述方案也应用在计算机游戏或其它休闲活动的领域中。

例如用于应用在增强现实（AR）领域内的透明的头戴式显示器（HMD），是研究和开发的活跃主题。尤其地，不仅对于工业应用而且对于终端用户来说，对开发具有小型形状因数的、利于成本的、轻巧的、节约的系统的兴趣都是很大的兴趣。用于这种显示器的一种可能的技术方案在此基于飞点激光投影仪，借助该飞点激光投影仪将图像信息直接写入到用户的视网膜（Retina）上。因此这种HMD也称为视网膜扫描仪。

所述方案基于此，即，各个光束、尤其是激光束，借助诸如MEMS（微机电系统）反射镜这样的电子驱控的扫描光学器件在一角度范围上扫描。光束例如可以以这种方式在眼镜片上扫描。为了保证之后扫描光束到达观察者的眼睛或其瞳孔，通常需要转向入射光束。在此出于几何原因必然一般会违背入射角等于出射角的反射定律。在技术上，这例如可以通过将全息光学元件（HOE）施加到眼镜片上来实现。HOE在此典型地通过光敏聚合物层实现。

DE 10 2015 213 376 A1公开了用于数据眼镜的投影装置、数据眼镜和用于运行数据眼镜的投影装置的方法。投影装置包括用于发出光束的至少一个光源和至少一个布置在或者能布置在数据眼镜的眼镜片上的全息元件，以便通过将光束转向和/或聚焦到用户的晶状体上而将图像投影到数据眼镜的用户的视网膜上。

发明内容

所述方法用于校准数据眼镜的投影装置。投影装置具有扫描光学器件和转向元件。在扫描光学器件中存在的光源由反射元件在转向元件上扫描，光束从转向元件落入用户的晶状体中。校准的目标是，确定扫描光学器件和转向元件的相对取向。为此要求出，在反射元件的哪种扫描调整中才会击中布置在数据眼镜上的校正标记，其中，校正标记相对于转向元件的位置是已知的。

在所述方法的第一个步骤中，借助反射元件在扫描角范围上扫描由光源发出的光束，使得由反射元件偏转的光束扫过数据眼镜的表面区域，该表面区域具有至少两个布置在数据眼镜上的校正标记，其中，每个校正标记相对于布置在数据眼镜的眼镜片上的转向元件的表面布置在预定的位置上。

在此，每个校正标记可以布置在转向元件上或者布置在数据眼镜的眼镜架上。

光源可以指的是发光元件，如发光二极管、尤其是有机发光二极管、激光二极管或由多个这种发光元件构成的装置。光源尤其可以构造用于发出不同波长的光。光束可以用于在视网膜上产生多个像点，其中，光束例如成行列地或者以李萨如图案的形式扫描视网膜并且可以被相应地脉冲化。眼镜片可以指的是由透明的材料、如玻璃或塑料制成的盘形元件。视实施方式而定，眼镜片可以例如成形为校正镜片或者具有用于过滤特定波长的光、如UV光的色调。

光束可以在轴旁近似中指的是高斯光束。

反射元件可以例如指的是反射镜、尤其是微镜或微镜构成的阵列或全息图。借助反射元件可以使光束的光程与给定的空间情况相匹配。反射元件例如可以实现为微镜。所述微镜可以成形为能运动的，例如具有能围绕至少一个轴倾斜的镜面。这种反射元件提供了尤其紧凑的构造形式的优点。还有利的是，反射元件构造用于改变入射角以及额外或备选地改变光束在全息元件上的撞击点。由此能用光束平面地、尤其是例如成行列地扫描全息元件。

扫描角范围可以指的是立体角，光束在该立体角上扫描。该立体角在数据眼镜的表面上的投影给出了所扫描的光束扫过的表面区域。

每个校正标记布置在相对于转向元件的表面的、预定的位置上。由此可以有利地建立起反射元件的扫描调整和所扫描的光束在数据眼镜上、例如转向元件或眼镜架上的击中点之间的几何关系。转向元件可以是全息元件或自由成形反射镜。

全息元件可以例如指的是全息光学结构元件，简称HOE，其可以履行透镜、反射镜或棱镜的功能。视实施方式而定，全息元件对于特定的颜色和入射角可以是选择性的。全息元件尤其可以履行光学功能，所述光学功能可以用简单的点光源成像到全息元件中。由此能极为利于成本地制造全息元件。

全息元件可以是透明的。由此能使由投影装置产生的虚拟的图像信息与来自环境的图像信息叠合。

通过布置在数据眼镜的眼镜片上的全息元件可以将光束这样转到数据眼镜的佩戴者的视网膜上，使得该佩戴者感受到清晰的虚拟图像。所述图像例如可以通过激光束在微镜和全息元件上的扫描而直接投影到视网膜上。

这种投影装置可以在很小的结构空间上较为利于成本地实现并且能相对于佩戴者以足够的视距带来图像内容。由此能使图像内容与周围环境叠合。通过使图像能借助全息元件直接写入到视网膜上，可以取消DLP芯片（DLP = 数字光处理）。此外，由此还可以达到尤其大的景深。

在全息元件的表面上的反射特性通常在每个点上均是不同的。如上文已经提到的那样，入射角等于出射角通常无效。全息元件的表面的用于将光束转向给用户的眼睛的分区，称为功能区。针对全息元件的说明原则上同样适用于自由成形反射镜。每个校正标记与转向元件的功能区具有预定的和已知的关系。

一般两个校正标记足以达到对反射元件的两个偏转方向的校准。但优选的是，在所述方法中使用至少两个校正标记、尤其是至少四个校正标记。尤其优选的是，在所述方法中使用四个校正标记。这样做的优点是，校准精度相比仅有两个校正标记的情形提高。

校正标记优选在转向元件上布置在主要的可见区域的边缘上或外部。这样做的优点在于，即使在用户使用数据眼镜期间，校正标记也不会妨碍用户并且也能完成校准。但基于校正标记彼此间的较大的距离有利地达到了较大的精度。

转向元件优选具有主区和在外连接在该主区上的次区，主区用于正常运行数据眼镜，次区仅用于校正目的。主区相应于上述的功能区。

按照另一种实施方式，校正标记布置在数据眼镜的眼镜架上。这样做的优点是，校正所需的光束与击中转向元件的光束分离地延伸并且因此也能被分离地评估。

在所述方法的另一个步骤中确定，至少两个校正标记分别在反射元件的哪种扫描调整中被光束击中。术语“扫描调整”指的是对反射元件的调整，所述调整将光束偏转了一特定的角度。所述角度指的是在这样一个空间中的角度，该空间从平坦的反射元件的表面起需要两个角度说明，以便清楚地限定。扫描调整备选也称为角度调整。

按照一种实施方式，在反射元件的扫描调整和光束击中数据眼镜的表面的击中点之间确定了明确的功能上的相互关系。这样做的优点在于，针对反射元件的每一次扫描调整，光束在数据眼镜的表面上、这就是说在转向元件上的或眼镜架上的击中点是已知的。倘若光束击中转向元件，那么基于转向元件的特性的认识，对光束在转向元件的表面上的每个击中点而言也已知的是，光束被朝哪里反射。

按照再另一种实施方式，以如下方式确定了至少两个校正标记分别在反射元件的哪种扫描调整中被光束击中，即，光束分别被布置在校正标记上的探测器探测到。探测器在校正标记上的这种布置的优点在于，可以极为可靠地探测，校正标记何时被光束击中。

备选能以如下方式确定至少两个校正标记分别在反射元件的哪种扫描调整中被光束击中，即，光束分别被分别布置在校正标记上的全息的或衍射的校正元件朝着各一个预定的方向转向并且在相应的转向后加以探测。这样做的优点是，在校正标记上，这就是说，在转向元件的表面上不必安装探测器。由此可以使投影装置或数据眼镜更轻并且没有电子部件。使用全息的或衍射的校正元件的优点在于，这些校正元件很轻，这导致投影装置或数据眼镜的重量减小。针对转向元件设计成全息元件的情况，优点在于，校正标记可以与转向元件均一地制造。在这种实施方式中，校正标记和转向元件布置在设计成全息元件的同一层上。

分别预定的方向（光束从全息的或衍射的校正元件朝该方向转向）对每个全息的或衍射的校正元件而言都可以是相同的。但按照另一种实施方式，所述分别预定的方向也可以是不同的。在这种情况下也可能的是，光束被每个全息的或衍射的校正元件转向到一个和同一个点上。

按照一种实施方式，光束被全息的或衍射的校正元件分别转到例如可以称为穿透点（Durchstoßpunkt）的共同的点上。在这种实施方式中，穿透点的位置不必已知，仅重要的是，全部四个全息的校正元件将相应的光束转向到该穿透点上。

按照另一种实施方式，光束分别被全息的或衍射的校正元件平行于相应的表面法线地偏转。在此要注意的是，全息元件是弯曲的面，相应的表面法线彼此不平行地延伸。

按照另一种实施方式，光束分别被全息的或衍射的校正元件朝着局部能偏离表面法线的这个方向偏转。

为了探测被全息的或衍射的校正元件反射的光束，可以在平面中安装平面的探测器，其中，该平面针对全息元件是平坦的这样的情况优选相对于全息元件的表面布置。在这种实施方式中，光束必然仅在布置在探测平面中的探测器上被探测，光束击中探测器的位置不必已知。

按照另一种实施方式，光束分别被全息的或衍射的校正元件朝着反射元件的方向反射回去。在这种情况下，可以有利地通过集成在扫描模块或光源中的探测单元、例如光电二极管完成探测。在此，扫描模块指的是控制反射元件的单元。按照这种实施方式，进一步优选的是，光束被反射回到自身中。在这种情况下，光束被反射回到光源中，在此针对使用激光器作为光源的情形，可以有利地通过与在激光中产生的辐射的干涉、即所谓的自混合干涉（SMI）证实光束。

按照另一种实施方式，光束可以分别被全息的或衍射的校正元件朝着用户的晶状体的方向偏转。这样做的优点在于，相机或用户可以探测光束。在此，当扫描的光束击中测试区、这就是说校正标记时，优选使用已知的照明图案。

按照一种扩展设计方案，针对当前用于校准的方法所使用的光源也针对产生图像而使用。这样做的优点在于，不必为了校准而使用额外的光源。

光束的波长优选处在人类不可见的波长范围内。优点是校准不会被数据眼镜的用户注意到。因此也能在使用数据眼镜期间执行校准。在此，校准可以通过集成在投影装置内的激光器完成。也可以使用现有的目光追踪系统（眼睛追踪系统）的光源。可以选择近红外线的范围、尤其是在约700 nm至1400 nm之间的范围作为已改变的激光束的波长。红外辐射的优点在于，它对人眼是不可见的并且因此不会干扰眼睛的知觉。此外，它在相应低的强度下不会损伤眼睛。此外还存在能有利地使用的合适的激光源。在这种情况下，也能在视场中，这就是说在主区中安装校正标记。

按照一种优选的实施方式，光源的光束通过一个接口从数据眼镜外部耦合。在这种情况下，针对产生图像而使用的光源与为了校准而使用的光源不一致。光束的耦合在此优选可以由外部的试验台通过限定的接口完成。这样做的优点是，可以使用试验台用于校准，所述试验台检验多个数据眼镜并且设置成长期有效。这种试验台因此可以以高精度和高可靠度校准这种数据眼镜。

借助反射元件在扫描角范围上扫描由光源发出的光束，这可以自动地或手动地进行。

按照一种实施方式，以如下方式自动化地进行校准，即，控制单元读取、处理探测器信号并且调节扫描光学器件，以便获得针对最大信号的位置。这样做的优点是，不必由用户来执行校准。

按照再另一种实施方式，手动地进行校准，其中，通过光学的或声学的信号告知用户所述探测器信号。这样做的优点是，避免了可能易受干扰的自动化的校准。

本发明的另一方面涉及一种用于执行上述用于校准投影装置的方法的、用于数据眼镜的投影装置。投影装置具有用于发出光束的至少一个光源和至少一个布置在或者能布置在数据眼镜的眼镜片上的转向元件，以便通过将光束转向和/或聚焦到用户的晶状体上而将图像投影到数据眼镜的用户的视网膜上。投影装置的特征在于，投影装置具有至少两个校正标记并且每个校正标记布置在相对于转向元件的表面的、预定的位置上。投影装置的优点在于，它能简单地校准。其它的优点已经在上文中结合所述方法加以说明。

本发明还包括一种用于数据眼镜的投影装置的转向元件。该转向元件具有至少两个校正标记，其中，每个校正标记布置在相对于转向元件的表面的、预定的位置上。该转向元件可以基于布置在该转向元件上的校正标记而有利地通过上述方法加以校准。所述转向元件的优点在于，它能简单地校准。其它的优点已经在上文中结合所述方法加以说明。

本发明还包括一种计算机程序，该计算机程序设置用于执行方法的所述步骤，以便能用这种计算机程序执行对投影装置的校准。此外，本发明还包括能机读的存储介质，这种计算机程序存储在该存储介质上，并且本发明还包括电子的控制器，该电子的控制器设置用于，借助方法的所述步骤运行用于数据眼镜的投影装置或数据眼镜。这种电子的控制器可以例如作为微控制器集成在投影装置或数据眼镜中。

附图说明

本发明的实施例在附图中示出并且在接下来的说明书中加以详细阐释；

图1示出了按照一种实施方式的投影装置的示意图；

图2示意性示出了按照一种实施方式的方法的流程图；

图3示出了按照一种实施方式的转向元件的示意图；

图4至6分别示意性示出了按照一种实施方式在一个方法中光束的走向；并且

图7在等轴图中示意性示出了按照一种实施方式的数据眼镜。

具体实施方式

图1示出了投影装置100的原理性的工作方式。由作为光源104的激光二极管发出的光束106借助作为准直元件114的透镜进行准直并且朝着作为反射元件112的微镜的方向导引。反射元件112使光朝着设计成全息元件103的转向元件的方向转向。全息元件103安装在眼镜片402上。从全息元件103转向的光束106然后击中晶状体108，光束106从晶状体聚焦到用户的眼球107的视网膜110上。

光源104布置在固定在眼镜架120上的壳体105中。在壳体105的输出端上布置着准直元件114。光源104、准时元件114和反射元件112可以安装在一个共同的未示出的壳体中，其中，被反射元件112反射的光束106通过布置在壳体的一侧上的窗口脱耦。这个壳体可以固定在眼镜腿118上或眼镜架120上。

投影装置100还具有两个校正标记132，所述校正标记施加在全息元件103上。

图2示出了用于校准数据眼镜的投影装置100的方法500的流程图。在所述方法500的第一个步骤510中，借助反射元件112在扫描角范围上扫描由光源104发出的光束106，从而使被反射元件112偏转的光束106扫过布置在数据眼镜的眼镜片402上的、设计成全息元件103的转向元件的表面区域上，该表面区域具有至少两个校正标记132，其中，每个校正标记132布置在全息元件103的表面上的预定的位置中。在第二个步骤520中，所述方法500确定了，分别在反射元件112的哪种扫描调整中使至少两个校正标记132被光束106击中。

图3示出了用于数据眼镜400的投影装置100的转向元件。该转向元件在当前设计成全息元件103。设计成层的全息元件103施加在眼镜片402上。全息元件103具有矩形形状。在全息元件103的四个角上布置着各一个校正标记132。眼镜片402被眼镜架120容纳。

图4示出了图3的设计成全息元件103的转向元件，其中，额外在四个校正标记132上布置着各一个探测器136。按照所述方法的一种实施方式，由光源104发出的光束106在全息元件103的表面上扫描，其中，光束106也扫过四个探测器136。光源104和光束106在此仅示意性示出，以便阐明光束106的扫描。反射元件112在此没有示出。因为探测器136在全息元件103上的位置是已知的，所以可以确定，探测器136在反射元件112的哪种扫描调整中被击中。由此可以确定在光束106在全息元件103的表面上的击中点和反射元件112的扫描调整之间的功能上的相互关系。

图5示出了与图4类似的实施方式。与图4的实施方式的区别在于，在此取代四个探测器136地将四个全息的校正元件134布置在四个校正标记132上。在当前的实施方式中，四个全息的校正元件134分别将落在它们上的光束106转到一个共同点上，即穿透点146上。在穿透点146上布置着探测器136，该探测器探测被四个全息的校正元件134转向的光束106。在这种实施方式中，穿透点146的位置不必是已知的，重要的仅在于，全部四个全息的校正元件134将相应的光束106转向到穿透点146上。然后可以与图3的实施方式类似地确定在光束在全息元件103的表面上的击中点和反射元件112的扫描调整之间的功能上的相互关系。

图6示出了与图5类似的实施方式。与图5的实施方式的区别在于，四个全息的校正元件134使落在它们上的光束106平行于相应的表面法线142偏转。在此要注意的是，全息元件103是弯曲的面，相应的表面法线142彼此不平行地延伸。为了探测由四个全息的校正元件134反射的四个光束106，可以在探测平面144中安装平面的探测器。倘若四个所示的表面法线142分别一样长，并且全息元件103是平坦的，那么探测平面144平行于全息元件103的平面。在这种实施方式中，必然探测仅在布置在探测平面144中的探测器上的四个光束106，光束击中探测器的位置不必是已知的。然后可以与图4的实施方式类似地确定在光束在全息元件103的表面上的击中点和反射元件112的扫描调整之间的功能上的相互关系。

图7示出了按照一个实施例所述的带有投影装置100的数据眼镜400的示意图。投影装置100在此具有扫描光学器件152和全息元件103。扫描光学器件152布置在壳体105中并且通过出口窗口148将未示出的光束106发到全息元件103上。数据眼镜400具有眼镜片402，全息元件103布置在该眼镜片上。全息元件103例如实现为眼镜片402的一部分。全息元件103备选实现为一个单独的元件并且借助合适的接合工艺与眼镜片402连接。

Claims (11)

1.用于校准数据眼镜（400）的投影装置（100）的方法（500），其中，该方法（500）具有下列步骤：

借助反射元件（112）在扫描角范围上扫描（510）由光源（104）发出的光束（106），使得由所述反射元件（112）偏转的光束（106）扫过所述数据眼镜（400）的表面区域，该表面区域具有至少两个布置在所述数据眼镜（400）上的校正标记（132），其中，每个校正标记（132）布置在相对于布置在所述数据眼镜（400）的眼镜片（402）上的转向元件的表面的、预定的位置上；并且

确定（520）至少两个校正标记（132）分别在所述反射元件（112）的哪种扫描调整中被所述光束（106）击中，

其特征在于，以如下方式确定（520）所述至少两个校正标记（132）分别在所述反射元件（112）的哪种扫描调整中被所述光束（106）击中，即，所述光束（106）分别被分别布置在所述校正标记（132）上的全息的或衍射的校正元件（134）朝着各一个预定的方向进行转向并且在相应的转向后加以探测。

2.按照权利要求1所述的方法（500），其特征在于，在所述反射元件（112）的扫描调整和所述光束（106）在所述数据眼镜（400）的表面上的击中点之间，确定明确的功能上的相互关系。

3.按照前述权利要求中任一项所述的方法（500），其特征在于，以如下方式确定（520）所述至少两个校正标记（132）分别在所述反射元件（112）的哪种扫描调整中被所述光束（106）击中，即，所述光束（106）分别由布置在所述校正标记（132）上的探测器（136）探测。

4.按照权利要求1所述的方法（500），其特征在于，所述光束（106）分别被所述全息的或衍射的校正元件（134）朝着所述反射元件（112）的方向反射回去。

5.按照权利要求1所述的方法（500），其特征在于，所述光束（106）分别被所述全息的或衍射的校正元件（134）朝着用户的晶状体（108）的方向偏转。

6.按照前述权利要求中任一项所述的方法（500），其特征在于，所述光源（104）也针对产生图像来使用。

7.数据眼镜（400）的投影装置（100），用于执行按照权利要求1至6中任一项所述的方法（500），其中，所述投影装置（100）具有下列特征：

用于发出光束（106）的至少一个光源（104）；

至少一个布置在或者能布置在所述数据眼镜（400）的眼镜片（402）上的转向元件，以便通过将所述光束（106）转向和/或聚焦到用户的晶状体（108）上而将图像投影到所述数据眼镜（400）的用户的视网膜（110）上；

至少两个校正标记（132），其中每个校正标记（132）布置在相对于转向元件的表面的、预定的位置上，

全息的或衍射的校正元件（134），其分别布置在所述校正标记（132）上并且使所述光束（106）朝着各一个预定的方向转向，以及

用于探测所述光束（106）的探测器，所述光束被全息的或衍射的校正元件反射。

8.数据眼镜（400），具有下列特征：

眼镜片（402）；和

按照权利要求7所述的投影装置（100），其中，转向元件布置在所述眼镜片（402）上。

9.用于根据权利要求7所述的数据眼镜（400）的投影装置（100）的转向元件，具有：

至少两个校正标记（132），其中，每个校正标记（132）布置在相对于所述转向元件的表面的、预定的位置上。

10.能机读的存储介质，其上存储有计算机程序，其中，该计算机程序设置用于执行按照权利要求1至6中任一项所述的方法（500）的每个步骤。

11.电子的控制器，该电子的控制器设置用于借助按照权利要求1至6中任一项所述的方法（500）来校准用于数据眼镜（400）的投影装置（100）或数据眼镜（400）。

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