DE102008027715A1

DE102008027715A1 - Projektionssystem für ein optisches Anzeigegerät sowie Head-mounted Display mit einem solchen

Info

Publication number: DE102008027715A1
Application number: DE102008027715A
Authority: DE
Inventors: Beate Dr. Böhme
Original assignee: Carl Zeiss AG
Current assignee: Tooz Technologies GmbH
Priority date: 2008-06-11
Filing date: 2008-06-11
Publication date: 2009-12-17

Abstract

Ein Projektionssystem (16) für ein optisches Anzeigegerät (10), insbesondere für ein Head-Up Display oder ein Head-Mounted Display, umfasst eine Bilderzeugungseinrichtung (18), mittels welcher ein Bild (20) in einer Zwischenbildebene (40) erzeugbar ist, eine Abbildungsoptik (22) mit einer Austrittspupille (22a), mittels welcher eine von einem Benutzer wahrnehmbare Abbildung des Bildes (20) erzeugbar ist, und eine Modifikationsoptik (46; 46'; 46''), mittels welcher die Austrittspupille (22a) der Abbildungsoptik (22) vergrößerbar oder vervielfachbar ist, so dass die Abbildung eine Vergrößerung oder Vervielfachung des von der Bilderzeugungseinrichtung (18) erzeugten Bildes (20) ist. Die Modifikationsoptik (46; 46'; 46'') ist im Strahlengang vor der Zwischenbildebene (40) angeordnet. Ein Head-Mounted Display (10) umfasst ein solches Projektionssystem (16).

Description

Die Erfindung betrifft ein Projektionssystem für ein optisches Anzeigegerät, insbesondere für ein Head-Up Display oder ein Head-Mounted Display, welches umfasst:

a) eine Bilderzeugungseinrichtung, mittels welcher ein Bild in einer Zwischenbildebene erzeugbar ist;
b) eine Abbildungsoptik mit einer Austrittspupille, mittels welcher eine von einem Benutzer wahrnehmbare Abbildung des Bildes erzeugbar ist;
c) eine Modifikationsoptik, mittels welcher die Austrittspupille der Abbildungsoptik vergrößerbar oder vervielfachbar ist, so dass die Abbildung eine Vergrößerung oder Vervielfachung des von der Bilderzeugungseinrichtung erzeugten Bildes ist.

Derartige Projektionssysteme werden insbesondere dazu genutzt, um in das vom Menschen mit seinen Augen erfasste Bild seiner Umgebung rechnergestützt erstellte Informationen einzuspielen. Beispielsweise können sie hierfür in so genannte Augmented oder Virtual Reality Displays (VRDs) integriert sein. Solche Displays, welche unter anderem als so genannte Head-Up Displays (HUDs) oder, ähnlich einer Brille, als so genannte Head-Mounted Displays (HMDs) ausgeführt sein können, überlagern das Bild eines bilderzeugenden Systems mit dem vom Betrachter erfassten Bild der realen Welt.
Ein HUD oder ein HMD erfordern bautechnisch bedingt eine Abbildungsoptik, welche nur einen geringen Bauraum einnimmt. Dies geht in der Regel mit einer kleinen Austrittspupille der Abbildungsoptik einher. Dies wiederum hat zur Folge, dass der Benutzer eines entsprechenden HUDs oder HMDs das erzeugte Abbild, welches z. B. auf sein Auge und insbesondere auf seine Augenhornhaut im Bereich der Augenpupille projiziert werden kann und von seiner Augenlinse auf die Netzhaut fokussiert wird, bereits bei einer nur geringen Bewegung des Auges aus dem Blick verliert, wenn er zur Seite und weg von der erzeugten Abbildung blickt.
Aus diesem Grund gibt es Ansätze, die Austrittspupille der Abbildungsoptik zu vergrößern oder zu vervielfachen, um den Sichtbereich, innerhalb welchem der Benutzer des HUDs oder HMDs das Abbild noch erkennt, zu erweitern.
Ein Projektionssystem der eingangs genannten Art, bei welchem die Austrittspupille der Abbildungsoptik vergrößert wird, ist beispielsweise aus der DE 699 12 759 T2 bekannt. Dort umfasst eine Modifikationsoptik drei holographische optische Elemente, die auf einem lichtdurchlässigen Substrat außerhalb einer geraden Linie angeordnet sind und den Strahldurchmesser des einfallenden Strahls aufweiten. Das einfallende Licht wird dabei zwischen den holographischen Elementen durch Totalreflexion auf das nächste Element umgelenkt und der Durchmesser des einfallenden Strahles von Element zu Element schrittweise aufgeweitet. Im Ergebnis ist die wahrnehmbare Abbildung gegenüber dem Bild aufgeweitet. Die optischen Elemente sind alle im Strahlengang hinter einer Abbildungsoptik in Form einer Sammellinse angeordnet.
Ein anderes Projektionssystem der eingangs genannten Art ist aus der DE 103 11 306 A1 bekannt. Dort ist ebenfalls eine Modifikationsoptik im Strahlengang hinter einer Abbildungsoptik angeordnet, deren Austrittspupille durch die Modifikationsoptik vervielfacht wird. Dies bedeutet im Ergebnis, dass mehrere das Bild wiedergebende Abbildungen erzeugt wer den, welche unter Einhaltung eines Abstands zueinander auf dem Auge des Benutzers erzeugt werden. Wenn der Benutzer sein Auge, mit dem er eine Abbildung wahrnimmt, so weit bewegt, dass diese Abbildung aus seinem Sichtfeld verschwindet, tritt anstelle dieser Abbildung eine der weiteren Abbildungen in das Sichtfeld, so dass der Benutzer die Abbildung weiterhin erkennen kann. Die dort vorgeschlagene Anordnung umfasst jedoch bewegte Teile, welche mehr Gewicht und Volumen, zusätzliche Störgeräusche und einen Motor bedingen.
Ein weiteres Projektionssystem der eingangs genannten Art wurde in der US 5 969 871 A vorgeschlagen. Dort wird als Modifikationsoptik ein Mikrolinsenarrays verwendet, welches in der Zwischenbildebene angeordnet ist.
Bei bekannten Projektionssystemen, insbesondere bei der Anordnung der US 5 969 871 A , werden jedoch Verschmutzungen der Modifikationsoptik vom Benutzer als störend empfunden, da diese unmittelbar in der auf dem Auge des Benutzers erzeugten Abbildung erscheinen.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Projektionssystem der eingangs genannten Art zu schaffen, bei welchem die oben genannten Einschränkungen vermindert sind und insbesondere die Gefahr verringert ist, das der Benutzer Verschmutzungen der Modifikationsoptik wahrnimmt.
Diese Aufgabe wird bei einem Projektionssystem der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass d) die Modifikationsoptik im Strahlengang vor der Zwischenbildebene angeordnet ist.
Auf diese Weise werden Verschmutzungen der Modifikationsoptik nicht oder wenigstens in geringerem Maße als bei bekann ten Projektionssystemen in der Abbildung wiedergegeben.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Es ist insbesondere günstig, wenn die Bilderzeugungseinrichtung einen Laserscanner umfasst. Um den von dem Projektionssystem benötigten Bauraum möglichst klein zu halten, wird vorzugsweise ein Laserscanner mit geringem Strahldurchmesser und geringen Ablenkwinkeln verwendet. Umso bedeutender ist es, dass das mittels des Laserscanners erzeugte Bild vergrößert oder vervielfacht abgebildet wird.
Es ist vorteilhaft, wenn die Bilderzeugungseinrichtung eine Bilderzeugungsoptik umfasst, welche das von dem Laserscanner erzeugte Bild auf die Zwischenbildebene fokussiert. Dieses (Zwischen-)Bild wird dann mittels der Abbildungsoptik als vom Benutzer wahrnehmbare Abbildung erzeugt.
Es ist vorteilhaft, wenn die Bilderzeugungseinrichtung die Modifikationsoptik umfasst. Dabei ist es insbesondere günstig, wenn die Modifikationsoptik im Strahlengang vor der Bilderzeugungsoptik angeordnet ist. Bei Verwendung eines Laserscanners trifft dessen Strahl somit beim Abtasten des von ihm zu erzeugenden Bildes auf die Modifikationsoptik, wird vergrößert oder vervielfacht und durch die Bilderzeugungsoptik jeweils in die Zwischenbildebene fokussiert. Dabei kann die Bilderzeugungsoptik die vorher vergrößerten oder vervielfachten Strahlen des Laserscanners wieder verkleinert oder zusammengeführt als einzelnes Bild in die Zwischenbildebene fokussieren.
Eine gute Vergrößerung oder Vervielfachung des Bildes kann erhalten werden, wenn die Modifikationsoptik wenigstens eine erste Beugungsstruktur und eine zweite Beugungsstruktur um fasst. Zur Vergrößerung oder Vervielfachung des Bildes können so Strahlen unterschiedlicher Beugungsordnungen genutzt werden.
Vorzugsweise sind dann die erste und die zweite Beugungsstruktur derart ausgebildet und relativ zueinander angeordnet, dass Strahlen, welche aus demselben ursprünglichen Strahl mittels der zweiten Beugungsstruktur in unterschiedlichen Beugungsordnungen erzeugt werden und die zweite Beugungsstruktur in paralleler Richtung verlassen, einen Abstand haben, welcher gleich oder größer als der Durchmesser des ursprünglichen Strahls ist. Bei dieser Ausbildung der Modifikationsoptik wird eine Vervielfachung des Bildes erzielt.
Um eine gleichmäßig Vergrößerung oder Vervielfachung des Bildes in zwei entgegengesetzt zueinander verlaufenden Raumrichtungen zu erzielen, ist es günstig, wenn die erste und die zweite Beugungsstruktur derart ausgebildet und relativ zueinander angeordnet sind, dass Strahlen verschiedener Beugungsordnungen, die an der ersten Beugungsstruktur und an der zweiten Beugungsstruktur aus demselben ursprünglichen Strahl erzeugt werden, in einer diesem ursprünglichen Strahl zugeordneten gemeinsamen Beugungsebene verlaufen.
Es können gute Beugungsergebnisse erzielt werden, wenn die erste Beugungsstruktur ein erstes Beugungsgitter und die zweite Beugungsstruktur ein zweites Beugungsgitter ist.
Wenn die Modifikationsoptik eine dritte Beugungsstruktur und eine vierte Beugungsstruktur umfasst, kann die Vergrößerung oder Vervielfachung in zwei weiteren entgegengesetzt zueinander verlaufenden Raumrichtungen erzielt werden. Im Hinblick auf eine gleichmäßige Vergrößerung oder Vervielfachung des Bildes stehen die zwei weiteren Raumrichtungen vorzugs weise senkrecht auf den beiden oben genannten Raumrichtungen, die aus der Verwendung der ersten und der zweiten Beugungsstruktur resultieren.
Um eine gleichmäßige Vergrößerung oder Vervielfachung des Bildes in die zwei ersten entgegengesetzt zueinander verlaufenden Raumrichtungen und die zwei weiteren entgegengesetzt zueinander verlaufenden Raumrichtungen zu erzielen, sind die dritte und die vierte Beugungsstruktur vorteilhaft derart ausgebildet und relativ zueinander sowie zu der ersten und der zweiten Beugungsstruktur angeordnet, dass Strahlen verschiedener Beugungsordnungen, die an der dritten Beugungsstruktur und an der vierten Beugungsstruktur aus demselben ursprünglichen Strahl erzeugt werden, in einer diesem ursprünglichen Strahl zugeordneten gemeinsamen Beugungsebene verlaufen.
Vorzugsweise stehen eine erste Beugungsebene der ersten und zweiten Beugungsstruktur und eine zweite Beugungsebene der dritten und vierten Beugungsstruktur, welche demselben ursprünglichen Strahl zugeordnet sind, senkrecht zueinander.
Entsprechend der ersten und der zweiten Beugungsstruktur ist es günstig, wenn die dritte Beugungsstruktur ein drittes Beugungsgitter und die vierte Beugungsstruktur ein viertes Beugungsgitter ist.
Das Projektionssystem kann baulich vereinfacht werden, indem die erste Beugungsstruktur und die dritte Beugungsstruktur von einem ersten Kreuzgitter umfasst sind. Dadurch werden die erste Beugungsstruktur und die dritte Beugungsstruktur zu einem Bauteil zusammengefasst.
Entsprechend ist es vorteilhaft, wenn die zweite Beugungsstruktur und die vierte Beugungsstruktur von einem zweiten Kreuzgitter umfasst sind.
Weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Head-Mounted Display zu schaffen, bei welchem die Austrittspupille der Abbildungsoptik vergrößert oder vervielfacht ist, die oben erwähnten unerwünschten Effekte jedoch zumindest verringert sind.
Diese Aufgabe wir durch ein Head-Mounted Display mit dem oben erläuterten Projektionssystem gelöst.
Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigen:
1 schematisch ein Head-Mounted Display mit einem Projektionssystem, bei welchem eine Modifikationsoptik von einer Bilderzeugungseinrichtung umfasst ist, wobei die Strahlenverläufe durch das Projektionssystem hindurch veranschaulicht und im Bereich einer Abbildungsoptik in größerem Maßstab gezeigt ist;
2 bis 5 schematisch die Modifikationsoptik von Figur 1, wobei die Strahlenverläufe von in unterschiedlichen Winkeln auf diese treffende Strahlen gezeigt sind;
6 schematisch eine erste Abwandlung der Modifikationsoptik; und
7 schematisch eine zweite Abwandlung der Modifikationsoptik.
In 1 ist mit 10 insgesamt ein Head-Mounted Display (HMD) bezeichnet, welches der Übersichtlichkeit halber le diglich in Form eines Abschnitts einer äußeren Begrenzungsfläche 12 angedeutet ist, die bei der Verwendung des Head-Mounted Displays 10 durch einen Benutzer vor dessen Auge 14 angeordnet ist. Das Head-Mounted Display 10 umfasst ein Projektionssystem 16 zum Anzeigen eines Bildes. Letzteres kann auch in so genannten Head-Up Displays verwendet werden.
Das Projektionssystem 16 umfasst eine Bilderzeugungseinrichtung 18, mittels welcher ein Bild erzeugt werden kann, das in 1 in Form eines Pfeils als Zwischenbild 20 veranschaulicht ist. Die Bilderzeugungseinrichtung 18 kann zur Erzeugung von sowohl statischen als auch von bewegten Bildern eingerichtet sein.
Das Projektionssystem 16 umfasst ferner eine Abbildungsoptik 22, mit welcher das von der Bilderzeugungseinrichtung 18 erzeugte Zwischenbild 20 auf das Auge 14 des Benutzers des Head-Mounted Displays 10 projiziert wird, so dass dort eine für den Benutzer wahrnehmbare Abbildung des Zwischenbildes 20 erzeugt wird. Die Abbildungsoptik 22 ist vereinfacht als plankonvexe Linse 24 veranschaulicht, deren konvexe Fläche 26 bereichsweise mit der Begrenzungsfläche 12 des Head-Mounted Displays 10 zusammenfällt. Die Abbildungsoptik 22 hat eine ursprüngliche Austrittspupille 22a, welche in 1 schraffiert angedeutet ist und auf der Augenhornhaut des Auges 14 liegt.
Die Bilderzeugungseinrichtung 18 umfasst einen Laserscanner 28, mittels welchem über eine Steuereinheit 30 in an und für sich bekannter Weise das gewünschte Bild erzeugt werden kann. Dazu wird das zu erzeugende Bild z. B. zeilenweise abgetastet, wodurch das gewünschte Bild durch einzelne Bildpunkte zusammengefügt wird. In 1 sind beispielhaft drei Strahlen 32, 34 und 36 gezeigt, welche von dem Laserscanner 28 abgestrahlt werden, wobei der Strahl 32 einen Bildpunkt in der obersten Zeile, der Strahl 34 einen Bildpunkt in der mittleren Zeile und der Strahl 36 einen Bildpunkt in der untersten Zeile des Zwischenbildes 20 repräsentiert.
Die Bilderzeugungseinrichtung 18 umfasst außerdem eine Bilderzeugungsoptik 38, welche die von dem Laserscanner 28 abgestrahlten Strahlen als Zwischenbild 20 in eine Zwischenbildebene 40 fokussiert. Die Bilderzeugungsoptik 38 ist beim hier erläuterten Ausführungsbeispiel durch eine erste Sammellinse 42 und eine zweite Sammellinse 44 gebildet.
Im Strahlengang vor der Zwischenbildebene 40, beim vorliegenden Ausführungsbeispiels zwischen dem Laserscanner 28 und der ersten Sammellinse 42 der Bilderzeugungsoptik 38, ist eine Modifikationsoptik 46 angeordnet. Bei einer Abwandlung kann die Modifikationsoptik 46 zwischen der ersten Sammellinse 42 und der zweiten Sammellinse 44 der Bilderzeugungsoptik 38 angeordnet sein.
Die Modifikationsoptik 46 wird nachstehend anhand der 2 bis 5 erläutert, wobei zunächst auf 2 Bezug genommen wird.
Die Modifikationsoptik 46 umfasst ein erstes optisches Element 48 mit einer ersten Beugungsstruktur 50 sowie ein zweites optisches Element 52 mit einer zweiten Beugungsstruktur 54. Die beiden Beugungsstrukturen 50 und 54 sind beim hier erläuterten Ausführungsbeispiel als erstes Beugungsgitter 50 bzw. zweites Beugungsgitter 54 ausgebildet. Die beiden Beugungsgitter 50 und 54 haben die gleiche Gitterkonstante, können jedoch auch unterschiedliche Gitterkonstanten aufweisen.
Die Beugungsgitter 50 und 54 können beispielsweise als an und für sich bekannte geblazete Gitter ausgebildet sein. In diesem Fall sind das erste und das zweite optische Element 48, 52 aus lichtdurchlässigem Material gefertigt, wobei an einer ihrer Planflächen das entsprechende geblazete Gitter ausgebildet ist. Optische Elemente mit derartigen geblazeten Gittern werden auch als holographische optische Elemente (HOE) bezeichnet.
In 2 ist der von dem Laserscanner 28 kommende Lichtstrahl 32 gezeigt. Dieser trifft auf das erste optische Element 48 und wird dort am ersten Beugungsgitter 50 in mehrere Beugungsordnungen gebeugt. In 2 sind der Übersichtlichkeit halber lediglich drei resultierende Strahlen der Beugungsordnungen +1, 0 und –1 gezeigt. Diese tragen jeweils das Bezugszeichen des ursprünglichen von dem Laserscanner 28 kommenden Strahls 32 zuzüglich eines die Beugungsordnung wiedergebenden Index B1, also 32_B1 und somit 32₊₁ , 32₀ bzw. 32_₁ . Strahlen der Beugungsordnung +1 sind gepunktet, Strahlen der Beugungsordnung 0 durchgezogen und Strahlen der Beugungsordnung –1 gestrichelt gezeigt.
Die Strahlen 32₊₁ , 32₀ und 32+₁ treffen jeweils auf das zweite optische Element 52, wo jeder Strahl an dessen Beugungsgitter 54 in verschiedene Beugungsordnungen gebeugt wird. Auch hier sind der Übersichtlichkeit halber lediglich jeweils resultierende Strahlen der Beugungsordnungen +1, 0 und –1 gezeigt. Diese tragen jeweils das Bezugszeichen des ursprünglichen von dem ersten optischen Element 48 kommenden Strahls 32₊₁ , 32₀ oder 32_–1 zuzüglich eines weiteren die auf dem zweiten Beugungsgitter 54 beruhende Beugungsordnung wiedergebenden Index B2, also 32_B1,B2 und somit 32_+1,+1 , 32_+1,0 und 32_+1,–1 , 32_0,+1 , 32_0,0 und 32_0,–1 sowie 32_–1,+1 , 32_–1,0 und 32__1,–1 . Strahlen der Beugungsordnung +1 sind wieder jeweils gepunktet, Strahlen der Beugungsordnung 0 durchgezogen und Strahlen der Beugungsordnung –1 gestrichelt gezeigt.
Die mit größerer Strichstärke dargestellten Strahlen 32_+1,–1 , 32_0,0 und 32__1,+1 verlassen das zweite Beugungsgitter 54 als in einem Abstand A voneinander und parallel zueinander verlaufende Strahlen. Der ursprüngliche Strahl 32 und die gebeugten Strahlen 32_0,0 , 32_–1,+1 und 32_+1,–1 beleuchten nun gemeinsam die Spitze des Pfeils Zwischenbild 20, wie es in 1 angedeutet ist.
In 3 ist die Modifikationsoptik 46 erneut gezeigt, wobei die Beugung des ursprünglich vom Laserscanner 28 kommenden Strahls 34 gezeigt ist. Die Bezugszeichen und die Indizes der einzelnen Strahlen folgen dem oben zu den Strahlen 32 erläuterten Formalismus. Der ursprüngliche Strahl 34 erzeugt einen Punkt in der Mitte des Pfeils im Zwischenbild 20, wie es in 1 angedeutet ist. Dieser Punkt wird nun entsprechend von den Strahlen 34_0,0 , 34_–1,+1 und 34_+1,–1 gemeinsam und damit dreimal beleuchtet.
In 4 ist nochmals die Modifikationsoptik 46 gezeigt, wobei die Beugung des ursprünglich vom Laserscanner 28 kommenden Strahls 36 veranschaulicht ist. Die Bezugszeichen und die Indizes der einzelnen Strahlen folgen dem oben zu den Strahlen 32 und 34 verwendeten Formalismus. Der ursprüngliche Strahl 34 erzeugt einen Bildpunkt in der untersten Zeile des Pfeils im Zwischenbild 20, wie es in 1 angedeutet ist.
5 zeigt zur Veranschaulichung die Strahlungsverläufe aller drei Strahlen 32, 34 und 36 durch die Modifikationsoptik 46.
Wie in 1 zu sehen ist, treffen die Strahlen 32_+1,–1 , 32_0,0 , 32_–1,+1 und 34_+1,–1 , 34_0,0 , 34_–1,+1 sowie 36_+1,–1 , 36_0,0 , 36_–1,+1 , und die weiteren von dem Laserscanner 28 erzeugten Strahlen, die hier nicht dargestellt sind, nach Verlassen der Modifikationsoptik 46 auf die Bilderzeugungsoptik 38. Durch diese werden die Strahlen in die Zwischenbildebene 40 fokussiert, so dass die jeweils auf demselben ursprünglichen Strahl 32, 34 oder 36 beruhenden Beugungsstrahlen wieder in einem Punkt zusammenfallen. Im Strahlengang jenseits der Zwischenbildebene 40 laufen die einzelnen Beugungsstrahlen wieder auseinander und treffen unter Einhaltung eines Abstandes voneinander auf die Abbildungsoptik 22. Diese ist so ausgebildet, dass Strahlen einer gleichen Beugungsordnung jeweils zu einer Pupille 56a, 56b bzw. 56c fokussiert werden.
Dies bedeutet, dass alle Strahlen, welche die Modifikationsoptik 46 als Strahlen der Beugungsordnung –1,+1 verlassen, als erste Pupille 56a auf das Auge 14 des Benutzers fallen, was in 1 anhand der Strahlen 32_–1,+1 , 34_–1,+1 und 36_–1,+1 veranschaulicht ist.
Entsprechend treffen alle Strahlen, welche die Modifikationsoptik 46 als Strahlen der Beugungsordnung 0,0 verlassen, als zweite- Pupille 56b und alle Strahlen, welche die Modifikationsoptik 46 als Strahlen der Beugungsordnung +1,–1 verlassen, als dritte Pupille 56c auf das Auge 14 des Benutzers. Dies ist in 1 anhand der Strahlen 32_0,0 , 34_0,0 und 36_0,0 sowie der Strahlen 32_+1,1 , 34_+1,–1 und 36_+1,–1 veranschaulicht.
Die Pupillen 56a, 56b und 56c erscheinen in einem Abstand zueinander auf dem Auge 14 des Benutzers. Somit vervielfacht das Projektionssystem 10 die ursprünglich von dem Laserscanner 28 erzeugten Strahlen und vergrößert damit den am Auge 14 beleuchteten Bereich.
Um das Zwischenbild 20 bei einer für den Betrachter ausrei chenden Trennung in mehrere Abbildungen gut vervielfachen zu können, sind das erste und das zweite Beugungsgitter 50 und 54 derart ausgebildet und relativ zueinander angeordnet, dass Strahlen, welche aus demselben ursprünglichen Strahl mittels der zweiten Beugungsstruktur in unterschiedlichen Beugungsordnungen erzeugt werden und die zweite Beugungsstruktur in paralleler Richtung verlassen, einen Abstand A haben, welcher mindestens gleich oder größer als der Durchmesser D des ursprünglichen Strahls ist.
Die Beugung am ersten Beugungsgitter 50 erfolgt gemäß sin α – sin β = (m·λ)/G, (1)wobei α der Einfallswinkel des ursprünglichen Strahls, β der Beugungswinkel, m die Beugungsordnung, λ die Wellenlänge des verwendeten Lichts und G die Gitterkonstante des ersten Beugungsgitters 50 ist.
Das zweite Beugungsgitter 54 hat die gleiche Gitterkonstante G wie das erste Beugungsgitter 50 und beugt auf dieses treffende Strahlung ebenfalls gemäß Gleichung (1).
Wenn das erste und das zweite Beugungsgitter 50 und 54 die gleiche Gitterkonstante G haben, kann ein geeigneter Abstand C zwischen dem ersten Beugungsgitter 50 und dem zweiten Beugungsgitter 54 nach C ≥ D/tan β (2.1)berechnet werden, wobei D der Durchmesser des ursprünglichen Strahls des Laserscanners 28 und β der Beugungswinkel des ursprünglichen Strahls ist.
Für kleine Beugungswinkel kann ein geeigneter Abstand C der
Gitter nach C ≥ (D·G m·λ (2.2)bestimmt werden.
Es sei an dieser Stelle ausdrücklich betont, dass der Abstand C zwischen dem ersten Beugungsgitter 50 und dem zweiten Beugungsgitter 54 nicht gleich dem Abstand A zwischen Strahlen sein muss, die aus demselben ursprünglichen Strahl mittels der zweiten Beugungsstruktur 54 in unterschiedlichen Beugungsordnungen erzeugt werden und die zweite Beugungsstruktur 54 in paralleler Richtung verlassen.
Wie aus den 2 bis 5 ersichtlich wird, kann ein solcher Strahlabstand zwischen einem Strahl der Beugungsordnung –1 und einem Strahl der Beugungsordnung 0 sowie zwischen einem Strahl der Beugungsordnung 0 und einem Strahl der Beugungsordnung +1 unterschiedlich sein, wenn der ursprüngliche Strahl nicht im rechten Winkel auf das erste Beugungsgitter 50 trifft. Dadurch kommt es zu geringen Verzerrungen der Abstände zwischen den Pupillen 56a, 56b und 56c, was jedoch eine vernachlässigbare Beeinträchtigung für den Benutzer des Head-Mounted Displays 10 darstellt.
Wenn der resultierende Abstand zwischen den das zweite Beugungsgitter 54 parallel verlassenden Strahlen kleiner als D ist, erfolgt keine Vervielfachung des Zwischenbildes 20. Vielmehr wird das Zwischenbild 20 in diesem Fall lediglich aufgeweitet, da die einzelnen Bildpunkte überlappen.
Bei der Verwendung eines Laserscanners, wie es beim vorliegenden Ausführungsbeispiel der Fall ist, ist es insbesondere vorteilhaft, den Abstand der Strahlen größer als den Durchmesser D des jeweils ursprünglichen Strahls zu wählen, da diese Strahlen sich dann nicht, z. B. durch Interferenzen, beeinflussen können. Dabei muss jedoch darauf geachtet werden, dass der Abstand benachbarter Strahlen kleiner als der Durchmesser der Augenpupille des Auges 14 des Benutzers ist, so dass stets Licht zur Netzhaut 58 gelangen kann.
Das erste und das zweite Beugungsgitter 50 und 54 sind derart ausgebildet und relativ zueinander angeordnet, dass Strahlen verschiedener Beugungsordnungen, die an dem ersten Beugungsgitter 50 und an dem zweiten Beugungsgitter 54 entsprechend aus demselben ursprünglichen Strahl erzeugt werden, in einer dem jeweils ursprünglichen Strahl zugeordneten gemeinsamen Beugungsebene verlaufen. Für die in den Figuren gezeigten Strahlen 32, 34, 36 bedeutet dies, das ohne Berücksichtigung der Indizes alle mit 32 bezeichneten Strahlen in einer gemeinsamen ersten Beugungsebene verlaufen, alle mit 34 bezeichneten Strahlen in einer gemeinsamen zweiten Beugungsebene verlaufen und alle mit 36 bezeichneten Strahlen in einer gemeinsamen dritten Beugungsebene verlaufen. Bei den in den Figuren gezeigten Strahlen 32, 34 und 36 liegt die jeweils gemeinsame Beugungsebene in der Zeichenebene der 2 bis 5.
Durch die Modifikationsoptik 46 ist, wie bereits oben erwähnt, die ursprüngliche Austrittspupille 22a der Abbildungsoptik 22 vergrößert, was in 1 durch die Austrittspupille 22b veranschaulicht ist, die mit dickeren durchgezogenen Linien angedeutet ist. Die Wirkung der Modifikationseinrichtung 46 kann auch so verstanden werden, dass die ursprüngliche Austrittspupille 22a vervielfacht wird, wobei sich an jeder Stelle 56a, 56b und 56c eine entsprechende Austrittpupille 22 vorzustellen ist.
Die Strahlen 32_+1,–1 , 32_0,0 und 32_–1,+1 fallen parallel auf das Auge 14, weshalb sie von der Augenlinse 60 alle auf einen gemeinsamen Punkt auf der Netzhaut 58 fokussiert werden, was in 1 anhand des Strahlenbündels 32 im Auge 14 zu erkennen ist. In entsprechender Weise werden die Strahlen 34_+1,–1 , 34_0,0 und 34_–1,+1 , welche ihrerseits parallel auf das Auge 14 treffen, von der Augenlinse 60 auf einem gemeinsamen zweiten Punkt fokussiert, was anhand es Strahlenbündels 34 im Auge 14 gezeigt ist. Das Strahlenbündel 36 im Auge 14 lässt erkennen, dass auch die parallelen Strahlen 36_+1,–1 , 36_0,0 und 36_–1,+1 von der Augenlinse 60 auf einem gemeinsamen zweiten Punkt fokussiert werden. Somit werden Strahlen 32, 34 und 36 verschiedener Beugungsordnung, welche von einem gemeinsamen Punkt des Zwischenbildes 20 stammen, jeweils auf einen Punkt auf der Netzhaut 60 des Auges 14 fokussiert, so dass der Benutzer eine Abbildung des Zwischenbildes 20 wahrnimmt. Auf der Netzhaut 58 ist zur Veranschaulichung nochmals ein das Zwischenbild 20 wiedergebender Pfeil gezeigt.
Wenn der Benutzer des Head-Mounted Displays 10 sein Auge 14 geradeaus richtet, kann er die Abbildung an der Pupille 56b wahrnehmen, welche aus den Strahlen mit der Beugungsordnung 0 erzeugt wird. Diese wird jeweils durch die Linse 60 seines Auges 14 auf die Netzhaut 58 fokussiert, was in 1 anhand der durchgezogenen Strahlen der Strahlenbündel 32, 34 und 36 im Auge 14 gezeigt ist.
Wenn der Benutzer des Head-Mounted Displays 10 nach 1 zur Seite blickt, liegt die Abbildung an der Pupille 56b nicht mehr im Erfassungsbereich seines Auges 14. Dafür tritt bei einer Augenbewegung nach rechts die Abbildung an der Pupille 56a, welche aus den Strahlen mit der Beugungsordnung –1,+1 erzeugt wird, und bei einer Augenbewegung nach links die Abbildung an der Pupille 56c, welche aus den Strahlen mit der Beugungsordnung +1,–1 erzeugt wird, in den Erfassungsbereich seines Auges 14. Dies ist in 1 anhand der gepunkteten Strahlen der Strahlenbündel 32, 34 und 36 bzw. der gestrichelten Strahlen der Strahlenbündel 32, 34 und 36 im Auge 14 gezeigt ist.
Somit bleibt dem Nutzer des Head-Mounted Displays 10 die wahrnehmbare Abbildung des Zwischenbildes 20 auch bei einer Augenbewegung zur Seite erhalten.
In 6 ist als eine erste Abwandlung eine Modifikationsoptik 46' gezeigt. Diese umfasst neben dem ersten und dem zweiten optischen Element 48 und 52 ein drittes optisches Element 62 mit einer dritten Beugungsstruktur in Form eines dritten planen Beugungsgitters 64 sowie ein viertes optisches Element 66 mit einer vierten Beugungsstruktur in Form eines vierten planen Beugungsgitters 68. Das dritte und das vierte Beugungsgitter 64, 68 haben die gleiche Gitterkonstante, wie das erste und das zweite Beugungsgitter 50, 54, können jedoch auch davon verschiedene und voneinander unterschiedliche Gitterkonstanten aufweisen.
Das dritte und das vierte Beugungsgitter 64 und 68 können beispielsweise als an und für sich bekannte geblazete Gitter ausgebildet sein. In diesem Fall sind das dritte und das vierte optische Element 62, 66 aus lichtdurchlässigem Material gefertigt, wobei an einer ihrer Planflächen das entsprechende geblazete Gitter ausgebildet ist.
Bei dem hier erläuterten Ausführungsbeispiel entsprechen das dritte und das vierte Beugungsgitter 64 und 68 dem ersten und dem zweiten Beugungsgitter 50 und 54, sind jedoch gegenüber diesen um 90° verdreht angeordnet. Auf diese Weise erfolgt eine Vervielfachung eines von dem Laserscanner 28 kommenden Strahls in vier Raumrichtungen. Zunächst wird beispielsweise der Strahl 32 durch das erste und das zweite Beugungsgitter 50 und 54 zunächst in einer ersten Beugungsebene, in 6 in der Zeichenebene, und in zwei entgegen gesetzte Raumrichtungen, in 6 nach oben und nach unten aus der Zeichenebene heraus, gebeugt. Es resultieren, wie oben erläutert, die Strahlen 32_+1,–1 , 32_0,0 und 32_–1,+1 . Die Strahlen 32_+1,–1 , 32_0,0 und 32_–1,+1 werden nun an dem dritten Beugungsgitter 64 und an dem vierten Beugungsgitter 68 in jeweils dem entsprechenden Strahl 32_+1,–1 , 32_0,0 und 32_–1,+1 zuzuordnenden zweiten Beugungsebene gebeugt. Diese jeweilige zweite Beugungsebene steht senkrecht auf der ersten Beugungsebene, wobei jeder der auf das dritte Beugungsgitter 64 treffenden Strahlen 32_+1,–1 , 32_0,0 und 32_–1,+1 in der ihm jeweils zugeordneten zweiten Beugungsebene verläuft.
Die an dem dritten und dem vierten Beugungsgitter 64 und 66 erzeugten Strahlen mit einer von Null abweichenden Beugungsordnung verlaufen somit ober- bzw. unterhalb der ersten Beugungsebene, die hier der Papierebene entspricht. Im Ergebnis entstehen so in insgesamt vier Raumrichtungen vervielfachte oder aufgeweitete Strahlen.
Wenn die Modifikationsoptik 46' in dem Projektionssystem 16 verwendet wird, werden durch die Abbildungsoptik 22 entsprechend neun Abbildungen am Auge 14 des Benutzers erzeugt. So kann der Benutzer seinen Blick nicht nur zur Seite, sondern auch nach oben, links oben, rechts oben, unten, links unten oder rechts unten richten, und dabei stets eine Abbildung des Zwischenbildes 20 der Bilderzeugungseinrichtung 18 wahrnehmen.
In 7 ist als zweite Abwandlung eine Modifikationsoptik 46'' gezeigt. Bei dieser sind das erste Beugungsgitter 50 und das dritte Beugungsgitter 64 zu einem ersten Kreuzgitter 70 zusammengefasst, welches einen auf dieses treffenden Strahl entsprechend der Wirkung des ersten Beugungsgitters 50 in Kombination mit dem dritten Beugungsgitter 64 beugt.
In entsprechender Weise sind das zweite Beugungsgitter 54 und das vierte Beugungsgitter 68 zu einem zweiten Kreuzgitter 72 zusammengefasst, welches einen auf dieses treffenden Strahl entsprechend der Wirkung des zweiten Beugungsgitters 54 in Kombination mit dem vierten Beugungsgitter 68 beugt.
Im Ergebnis bewirkt die Modifikationsoptik 46'' den gleichen Effekt wie die Modifikationsoptik 46'.
Bei einer weiteren Abwandlung der Modifikationsoptiken 46, 46' und 46'' können Strahlen in weiteren Beugungsordnungen genutzt werden. So entstehen zum Beispiel bei Nutzung der Beugungsordnungen 0, +1, –1, +2 und –2 am ersten und zweiten Beugungsgitter insgesamt 25 parallel Teilstrahlen. Dementsprechend kann die Austrittspupille 22a der Abbildungsoptik 22 abhängig von der Anzahl der verwendeten Beugungsordnungen noch weiter vervielfacht oder vergrößert werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 69912759 T2 [0005]
- DE 10311306 A1 [0006]
- US 5969871 A [0007, 0008]

Claims

Projektionssystem für ein optisches Anzeigegerät (10), insbesondere für ein Head-Up Display oder ein Head-Mounted Display, welches umfasst: a) eine Bilderzeugungseinrichtung (18), mittels welcher ein Bild (20) in einer Zwischenbildebene (40) erzeugbar ist; b) eine Abbildungsoptik (22) mit einer Austrittspupille (22a), mittels welcher eine von einem Benutzer wahrnehmbare (56) des Bildes (20) erzeugbar ist; c) eine Modifikationsoptik (46; 46'; 46''), mittels welcher die Austrittspupille (22a) der Abbildungsoptik (22) vergrößerbar oder vervielfachbar ist, so dass die Abbildung eine Vergrößerung oder Vervielfachung des von der Bilderzeugungseinrichtung (18) erzeugten Bildes (20) ist, dadurch gekennzeichnet, dass d) die Modifikationsoptik (46; 46'; 46'') im Strahlengang vor der Zwischenbildebene (40) angeordnet ist.
Projektionssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bilderzeugungseinrichtung (18) einen Laserscanner (28) umfasst.
Projektionssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bilderzeugungseinrichtung (18) eine Bilderzeugungsoptik (38) umfasst, welche das von dem Laser scanner (28) erzeugte Bild auf die Zwischenbildebene (40) fokussiert.
Projektionssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bilderzeugungseinrichtung (18) die Modifikationsoptik (46; 46'; 46'') umfasst.
Projektionssystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Modifikationsoptik (46; 46'; 46'') im Strahlengang vor der Bilderzeugungsoptik (38) angeordnet ist.
Projektionssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Modifikationsoptik (46; 46'; 46'') wenigstens eine erste Beugungsstruktur (50) und eine zweite Beugungsstruktur (54) umfasst.
Projektionssystem nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Beugungsstruktur (50, 54) derart ausgebildet und relativ zueinander angeordnet sind, dass Strahlen (32_B1,B2 , 34_B1,B2 , 34_B1,B2 ), welche aus demselben ursprünglichen Strahl (32, 34, 36) mittels der zweiten Beugungsstruktur (54) in unterschiedlichen Beugungsordnungen erzeugt werden und die zweite Beugungsstruktur (54) in paralleler Richtung verlassen, einen Abstand haben, welcher gleich oder größer als der Durchmesser (D) des ursprünglichen Strahls (32, 34, 36) ist.
Projektionssystem nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Beugungsstruktur (50, 54) derart ausgebildet und relativ zueinander angeordnet sind, dass Strahlen (32_B1,B2 , 34_B1,B2 , 34_B1,B2 ) verschiedener Beugungsordnungen, die an der ersten Beugungsstruktur (50) und an der zweiten Beugungsstruktur (54) aus demselben ursprünglichen Strahl (32, 34, 36) erzeugt werden, in einer diesem ursprünglichen Strahl (32, 34, 36) zugeordneten gemeinsamen Beugungsebene verlaufen.
Projektionssystem nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Beugungsstruktur (50) ein erstes Beugungsgitter (50) und die zweite Beugungsstruktur (54) ein zweites Beugungsgitter (54) ist.
Projektionssystem nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Modifikationsoptik (46; 46'; 46'') eine dritte Beugungsstruktur (64) und eine vierte Beugungsstruktur (68) umfasst.
Projektionssystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte und die vierte Beugungsstruktur (64, 68) derart ausgebildet und relativ zueinander sowie zu der ersten und der zweiten Beugungsstruktur (50, 54) angeordnet sind, dass Strahlen (32_B1,B2 , 34_B1,B2 , 34_B1,B2 ) verschiedener Beugungsordnungen, die an der dritten Beugungsstruktur (64) und an der vierten Beugungsstruktur (68) aus demselben ursprünglichen Strahl (32, 34, 36) erzeugt werden, in einer diesem ursprünglichen Strahl (32, 34, 36) zugeordneten gemeinsamen Beugungsebene verlaufen.
Projektionssystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Beugungsebene der ersten und zweiten Beugungsstruktur (50, 54) und eine zweite Beugungsebene der dritten und vierten Beugungsstruktur (64, 68), welche demselben ursprünglichen Strahl (32, 34, 36) zugeordnet sind, senkrecht zueinander stehen.
Projektionssystem nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Beugungsstruktur (64) ein drittes Beugungsgitter (64) und die vierte Beugungsstruktur (68) ein viertes Beugungsgitter (68) ist.
Projektionssystem nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Beugungsstruktur (50) und die dritte Beugungsstruktur (68) von einem ersten Kreuzgitter (70) umfasst sind.
Projektionssystem nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Beugungsstruktur (54) und die vierte Beugungsstruktur (68) von einem zweiten Kreuzgitter (72) umfasst sind.
Head-Mounted Display (10) mit einem Projektionssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 15.