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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Projektionsvorrichtung für eine Datenbrille, eine Datenbrille, ein Verfahren zur Verbesserung einer Symmetrie eines Lichtstrahls und/oder zur Reduktion des Durchmessers eines Lichtstrahls, ein Computerprogramm, ein maschinenlesbares Speichermedium sowie ein elektronisches Steuergerät.
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Stand der Technik
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Ein in der Zukunft erwarteter Trend ist das Tragen von Datenbrillen, die virtuelle Bildinformationen ins Sichtfeld eines Nutzers einblenden können. Während aktuelle Datenbrillen beispielsweise nicht transparent sind und dadurch die Umwelt ausblenden, verfolgen neuere Konzepte den Ansatz der Überlagerung virtueller Bildinhalte mit der Umwelt. Das Überlagern virtueller Bildinhalte mit der darüber hinaus noch wahrgenommenen Umwelt wird als Augmented Reality bezeichnet. Eine Anwendung ist beispielsweise das Einblenden von Informationen bei der Ausübung beruflicher Tätigkeiten. So könnte ein Mechaniker eine technische Zeichnung sehen oder die Datenbrille könnte bestimmte Bereiche einer Maschine farblich kennzeichnen. Das Konzept findet jedoch auch im Bereich von Computerspielen oder anderen Freizeitbeschäftigungen Anwendung.
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Durchsichtige Head-Mounted-Displays (HMD), z.B. für Anwendungen im Bereich der Augmented Reality (AR), sind ein aktives Thema in Forschung und Entwicklung. Insbesondere das Interesse an der Entwicklung kostengünstiger, leichter, sparsamer Systeme mit kleinem Formfaktor ist von großem Interesse, sowohl für industrielle Anwendungen als auch für den Endverbraucher. Ein möglicher technischer Ansatz für ein solches Display basiert dabei auf dem Konzept eines Flying-Spot-Laserprojektors, mit dessen Hilfe die Bildinformation direkt auf die Netzhaut (Retina) des Nutzers geschrieben wird. Daher werden solche HMDs auch als Retina-Scanner bezeichnet.
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Das Konzept beruht darauf, dass ein einzelner Lichtstrahl, insbesondere ein Laserstrahl, mittels einer elektronisch angesteuerten Scanner-Optik, wie z.B. einem MEMS(Micro-Electro-Mechanical-System)-Spiegel, über einen Winkelbereich gescannt wird. Zum Beispiel kann der Strahl auf diese Weise über das Brillenglas gescannt werden. Um sicherzustellen, dass der gescannte Strahl danach das Auge des Betrachters bzw. dessen Pupille erreicht, ist in der Regel eine Umlenkung des einfallenden Strahls notwendig. Hierbei wird aus geometrischen Gründen im Allgemeinen das Reflexionsgesetz, wonach Einfallswinkel gleich Ausfallswinkel ist, verletzt. Technisch kann dies beispielsweise durch das Aufbringen eines holografisch optischen Elements (HOE) auf dem Brillenglas realisiert werden. Das HOE wird hierbei typischerweise durch eine Photopolymerschicht realisiert.
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Die
DE 10 2012 219 723 A1 offenbart ein Blickfeldanzeigegerät zum Projizieren einer grafischen Information für einen Betrachter in eine Augenbereichsfläche des Blickfeldanzeigegeräts, wobei das Blickfeldanzeigegerät einen Projektor und eine Projektionsflächeneinheit aufweist. Der Projektor ist dazu ausgebildet, die grafische Information in Richtung einer optischen Achse des Blickfeldanzeigegeräts bereitzustellen. Die Projektionsflächeneinheit ist dazu ausgebildet, die grafische Information in ein reelles Bild zu wandeln. Die Projektionsflächeneinheit ist in der optischen Achse zwischen dem Projektor und einem Bildausgang des Blickfeldanzeigegeräts angeordnet. Die Projektionsflächeneinheit weist ein Volumenhologramm mit einer auf die Augenbereichsfläche gerichteten Streucharakteristik für die Information auf oder ist als Volumenhologramm mit einer auf die Augenbereichsfläche gerichteten Streucharakteristik für die grafische Information ausgeführt.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Projektionsvorrichtung für eine Datenbrille weist mindestens eine Lichtquelle zum Aussenden mindestens eines Lichtstrahls auf.
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Unter einer Lichtquelle kann ein lichtemittierendes Element wie etwa eine Leuchtdiode, insbesondere eine organische Leuchtdiode, eine Laserdiode oder eine Anordnung aus mehreren solcher lichtemittierenden Elemente verstanden werden. Insbesondere kann die Lichtquelle ausgebildet sein, um Licht unterschiedlicher Wellenlängen auszustrahlen. Der Lichtstrahl kann zum Erzeugen einer Mehrzahl von Bildpunkten auf der Netzhaut dienen, wobei der Lichtstrahl die Netzhaut beispielsweise in Zeilen und Spalten oder in Form von Lissajous-Mustern abtasten und entsprechend gepulst sein kann. Unter einem Brillenglas kann ein aus einem transparenten Material wie etwa Glas oder Kunststoff gefertigtes Scheibenelement verstanden werden. Je nach Ausführungsform kann das Brillenglas etwa als Korrekturglas ausgeformt sein oder eine Tönung zum Filtern von Licht bestimmter Wellenlängen wie beispielsweise UV-Licht aufweisen.
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Unter einem Lichtstrahl kann in der paraxialen Näherung ein Gauß-Strahl verstanden werden.
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Die Projektionsvorrichtung weist ferner mindestens ein Kollimationselement zum Kollimieren des mindestens einen von der Lichtquelle ausgesandten Lichtstrahls auf. Das Kollimationselement ist bevorzugt direkt nach der Lichtquelle angeordnet. Falls mehrere Lichtquellen verwendet werden, ist die Anzahl der Kollimationselemente bevorzugt identisch mit der Anzahl der Lichtquellen. In diesem Fall ist es ferner bevorzugt, dass direkt nach jeder Lichtquelle jeweils ein Kollimationselement angeordnet ist.
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Die Projektionsvorrichtung weist ferner mindestens ein an einem Brillenglas der Datenbrille angeordnetes oder anordenbares Umlenkelement zum Projizieren eines Bilds auf eine Netzhaut eines Nutzers der Datenbrille durch Umlenken und/oder Fokussieren des mindestens einen Lichtstrahls auf eine Augenlinse des Nutzers auf. Das Umlenkelement kann ein holografisches Element oder ein Freiformspiegel sein.
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Unter einem holografischen Element kann beispielsweise ein holografischoptisches Bauelement, kurz HOE, verstanden werden, das unter anderem die Funktion einer Linse, eines Spiegels oder eines Prismas erfüllen kann. Je nach Ausführungsform kann das holografische Element für bestimmte Farben und Einfallswinkel selektiv sein. Insbesondere kann das holografische Element optische Funktionen erfüllen, die mit einfachen Punktlichtquellen in das holografische Element eingeschrieben oder einbelichtet werden können. Dadurch kann das holografische Element sehr kostengünstig hergestellt werden.
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Das holografische Element kann transparent sein. Dadurch können Bildinformationen mit der Umwelt überlagert werden.
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Durch ein an einem Brillenglas einer Datenbrille angeordnetes Umlenkelement kann ein Lichtstrahl derart auf eine Netzhaut eines Trägers der Datenbrille gelenkt werden kann, dass der Träger ein scharfes virtuelles Bild wahrnimmt. Beispielsweise kann das Bild durch Scannen eines Laserstrahls über einen Mikrospiegel und das holografische Element direkt auf die Netzhaut projiziert werden.
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Eine derartige Projektionsvorrichtung kann auf geringem Bauraum vergleichsweise kostengünstig realisiert werden und ermöglicht es, einen Bildinhalt in eine ausreichende Distanz zum Träger zu bringen. Dadurch wird die Überlagerung des Bildinhalts mit dem Bild der Umgebung auf der Retina ermöglicht. Dadurch, dass das Bild mittels des holografischen Elements direkt auf die Netzhaut geschrieben werden kann, kann auf ein flächiges Anzeigeelement wie z.B. ein LCD- oder DMD-basiertes System, verzichtet werden. Ferner kann dadurch eine besonders große Tiefenschärfe erreicht werden.
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In der Regel ist das Reflexionsverhalten auf der Oberfläche des holografischen Elements an jedem Punkt unterschiedlich. Wie bereits oben erwähnt gilt in der Regel nicht, dass der Einfallswinkel gleich dem Ausfallswinkel ist. Der Teilbereich der Oberfläche des holografischen Elements, welcher dazu dient, den Lichtstrahl zum Auge eines Benutzers umzulenken, wird als funktionale Region bezeichnet.
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Für einen Freiformspiegel gilt prinzipiell dasselbe wie für ein holografisches Element.
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Die Projektionsvorrichtung weist ferner mindestens ein Reflexionselement zum Reflektieren des kollimierten Lichtstrahls auf das Umlenkelement auf. Unter einem Reflexionselement kann beispielsweise ein Spiegel, insbesondere ein Mikrospiegel oder ein Array aus Mikrospiegeln, oder ein Hologramm verstanden werden. Mittels des Reflexionselements kann ein Strahlengang des Lichtstrahls an gegebene Raumverhältnisse angepasst werden. Beispielsweise kann das Reflexionselement als Mikrospiegel realisiert sein. Der Mikrospiegel kann beweglich ausgeformt sein, etwa eine um mindestens eine Achse neigbare Spiegelfläche aufweisen. Ein solches Reflexionselement bietet den Vorteil einer besonders kompakten Bauform. Es ist ferner vorteilhaft, wenn das Reflexionselement ausgebildet ist, um einen Einfallswinkel und, zusätzlich oder alternativ, einen Auftreffpunkt des Lichtstrahls auf dem holografischen Element zu ändern. Dadurch kann das holografische Element flächig, insbesondere etwa in Zeilen und Spalten, mit dem Lichtstrahl abgetastet werden.
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Ferner kann das Reflexionselement ein Spiegel mit verformbarer Oberfläche sein. Dies hat den Vorteil, dass das Reflexionselement nicht nur den Lichtstrahl umlenken kann, sondern auch Strahlparameter verändern kann.
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Ferner weist die Projektionsvorrichtung mindestens eine Korrekturoptik auf, welche zur Verbesserung der Symmetrie und/oder zur Reduktion, insbesondere Minimierung, der Spotgröße des Lichtstrahls ein nicht rotationssymmetrisches optisches Element aufweist. Die Korrekturoptik ist bevorzugt nach dem mindestens einen Kollimationselement angeordnet. Für den Fall, dass mehrere Lichtquellen mit unterschiedlichen Wellenlängen verwendet werden, welche zu einem Lichtstrahl zusammengeführt werden, kann für jeden Lichtstrahl jeweils eine Korrekturoptik vor der Strahlzusammenführung vorgesehen sein. Für diesen Fall kann auch nach der Strahlzusammenführung eine einzelne Korrekturoptik vorgesehen sein, welche bevorzugt für alle drei Wellenlängen ausgelegt, das heißt wellenlängenübergreifend, ist. Gemäß einer weiteren Ausführungsform können in diesem Fall auch drei Korrekturoptiken vor der Strahlzusammenführung und eine Korrekturoptik nach der Strahlzusammenführung vorgesehen sein.
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Diese Modifikation des optischen Systems um mindestens ein zusätzliches optisches Element, welches ein nicht rotationssymmetrisches optisches Element aufweist, erlaubt vorteilhafterweise eine Erweiterung des Designansatzes um zusätzliche Designparameter. Diese können sowohl zur Reduzierung der Spotgröße auf der Retina in der Designoptimierung genutzt werden, als auch zur Beeinflussung der Symmetrieeigenschaften des Lichtstrahls in den unterschiedlichen Systemkonfigurationen.
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Gemäß einer Ausführungsform ist das nicht rotationssymmetrische optische Element eine Zylinderlinse. Der Begriff der Rotationssymmetrie bezieht sich hier auf die Symmetrie des optischen Elements bezüglich der optischen Achse. Im Allgemeinen verändern nicht rotationssymmetrische optische Elemente den Strahlparameter entlang einer Achse des Lichtstrahls anders als den Strahlparameter hinsichtlich einer zu dieser Achse senkrechten weiteren Achse. Das nicht rotationssymmetrische optische Element kann zum Beispiel zwei gekreuzte Zylinderlinsen oder eine Freiformfläche aufweisen. Das nicht rotationssymmetrische optische Element kann bevorzugt ein diffraktives optisches Element (DOE) aufweisen. Diffraktive optische Elemente haben den Vorteil eines geringen Gewichts.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das nicht rotationssymmetrische optische Element kein diffraktives optisches Element.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Projektionsrichtung ferner mindestens ein adaptives optisches Element zur anpassenden Veränderung mindestens eines Strahlparameters auf, wobei das mindestens eine adaptive optische Element im Strahlengang zwischen der mindestens einen Lichtquelle und dem mindestens einen holografischen Element angeordnet ist.
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Unter einem adaptiven optischen Element kann jedes optische Element verstanden werden, welches geeignet ist, einen Strahlparameter zu verändern. Da ein optisches Element im Allgemeinen einen Strahlparameter am Ort des optischen Elements nur wenig ändern kann, ist unter dem Begriff Strahlenparameter insbesondere ein Strahlparameter an einem Ort zu verstehen, welcher nach dem optischen Element liegt. Strahlenparameter können unter anderem die folgenden sein: Divergenzwinkel oder Strahldivergenz, Strahltaille oder Strahldurchmesser und Abstand des Lichtstrahls zur optischen Achse. Hierbei ist auch zu beachten, dass ein Lichtstrahl im Allgemeinen nicht rotationssymmetrisches ist. Dies bedeutet, dass das Verhalten eines Lichtstrahls in zum Beispiel zwei zueinander orthogonalen Richtungen unterschiedlich sein kann. Im Allgemeinen wird ein Lichtstrahl an einem Ort durch zwei Strahltaillen und zwei Divergenzwinkel beschrieben.
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Das adaptive optische Element kann schaltbar ausgeführt sein. Es kann zum Beispiel eine Steuereinheit vorgesehen sein, welche das adaptive optische Element regelt. Hierbei kann das optische System aktiv an unterschiedliche Systemkonfigurationen oder auch an unterschiedliche Nutzer angepasst werden.
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Das adaptive optische Element kann eine Linse mit veränderlichen Brechungseigenschaften, insbesondere eine Linse mit veränderlicher Brennweite, eine Flüssiglinse mit veränderlicher Brennweite, ein Teleskop mit veränderlicher Brennweite, ein Teleskop mit veränderlichen Linsenabständen, ein Spiegel mit veränderlichen Reflexionseigenschaften, ein Spiegel mit verformbarer Oberfläche, ein Flüssigkristall-Spiegel, eine Flüssigkristallanzeige (SLM(engl. Spatial light modulator) / LCoS(engl. liquid crystal on silicon)) oder ein auf Flüssigkristalltechnologie basierender SLM in Reflektion aufweisen oder sein. Das Teleskop kann zum Beispiel eine Galileische oder Keplersche Anordnung aufweisen.
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Ein Teleskop mit veränderlicher Brennweite kann zum Beispiel durch ein gewöhnliches Teleskop realisiert werden, bei denen der Abstand der Linsen zueinander variiert werden kann. Alternativ oder zusätzlich kann eine Brennweite einer oder mehrerer Linsen verändert werden. Zusätzlich kann die Form der Linse in asymmetrischer Weise veränderlich sein, z.B. um Astigmatismen auszugleichen oder herbeizuführen.
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Der Spiegel mit verformbarer Oberfläche ändert bei Anlegen einer elektrischen Spannung seine Oberflächenform. Dadurch ändern sich die optischen Eigenschaften des Spiegels, insbesondere die Brennweite. Es ist jedoch auch eine Strahlformung möglich, d.h. eine Veränderung des Strahlprofils. So ein Spiegel könnte im optischen Pfad vor dem scannenden Mikrospiegel angebracht werden. Der scannende Mikrospiegel, d.h. das Reflexionselement, kann auch so weiterentwickelt werden, dass er sich zusätzlich gleichzeitig während der Scanbewegung deformiert.
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Bei dem adaptiven optischen Element sind auch nicht rotationssymmetrische Änderungen möglich, so dass z.B. auch Strahlformen und Astigmatismen beeinflusst werden können. Dies kann z.B. durch eine Flüssiglinse mit segmentierten Elektroden für astigmatische Linsenprofile realisiert sein.
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Gemäß einer Ausführungsform der Projektionsvorrichtung weist die mindestens eine Korrekturoptik ein adaptives optisches Element auf oder ist ein solches. Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Projektionsvorrichtung weist das mindestens eine Kollimationselement mindestens ein adaptives optisches Element auf oder ist ein solches. Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Projektionsvorrichtung mindestens eine Korrekturoptik mit einem adaptiven optischen Element und mindestens ein Kollimationselement mit einem adaptiven optischen Element auf. Hierdurch wird vorteilhafterweise erreicht, dass die mindestens eine Korrekturoptik oder das mindestens eine Kollimationselement ein Strahlparameter des Lichtstrahls adaptiv ändern, steuern oder regeln kann.
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Es ist bevorzugt, dass für eine Projektionsvorrichtung nur ein Reflexionselement verwendet wird. Dies hat den Vorteil, dass ein einfacher Aufbau verwendet werden kann und die Datenbrille eine leichte Bauweise aufweist.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Projektionsvorrichtung drei Lichtquellen zum Aussenden jeweils eines Lichtstrahls auf, wobei die drei Lichtquellen jeweils unterschiedliche Wellenlängen aufweisen. Bevorzugt bilden die drei unterschiedlichen Wellenlängen der drei Lichtquellen einen RGB-Farbraum. Die Lichtquelle ist bevorzugt monochromatisch oder quasimonochromatisch. Ein RGB-Farbraum ist ein additiver Farbraum, der Farbwahrnehmungen durch das additive Mischen dreier Grundfarben (Rot, Grün und Blau) nachbildet. Die drei unterschiedlichen Wellenlängen sind geeignet, bei einem Nutzer einen Eindruck einer additiven Farbmischung zu erzeugen. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass mit diesen drei Lichtquellen jede beliebige für den Menschen erkennbare Farbe projiziert werden kann.
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Die drei Lichtstrahlen werden bevorzugt zu einem einzigen Lichtstrahl zusammengeführt. Zur Zusammenführung der Lichtstrahlen der drei Lichtquellen wird bevorzugt ein Lichtleiter mit diffraktiven Einkoppelelementen oder dichroitische Strahlteiler benutzt. Alternativ zu dichroitischen Strahlteiler können auch dichroitische Filter oder dichroitische Spiegel verwendet werden.
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Bevorzugt weist jeder Strahlengang der drei Lichtstrahlen mindestens ein adaptives optisches Element auf. Hierbei ist unter einem Strahlengang der Weg von der Lichtquelle bis zu dem Ort, wo der Lichtstrahl absorbiert wird, zu verstehen. Somit kann das mindestens eine adaptive optische Element, wenn es nach einer Strahlzusammenführung der drei Lichtstrahlen angeordnet ist, auch nur ein einziges sein. Hierdurch wird vorteilhafterweise erreicht, dass für jeden Lichtstrahl ein Strahlparameter verändert werden kann. Besonders bevorzugt weist jeder Strahlengang der drei Lichtstrahlen genau ein adaptives optisches Element auf.
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Vor einer Zusammenführung der Lichtstrahlen der drei Lichtquellen werden bevorzugt für jeden Lichtstrahl wellenlängenspezifische Optiken verwendet. Nach einer Zusammenführung der Lichtstrahlen der drei Lichtquellen werden bevorzugt für den zusammengeführten Lichtstrahl wellenlängenübergreifende Optiken verwendet.
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Das mindestens eine adaptive optische Element ist bevorzugt nach einer Zusammenführung der Lichtstrahlen der drei Lichtquellen angeordnet. Dies hat den Vorteil, dass ein einfacher Aufbau realisiert werden kann und die Anzahl der schaltbaren optischen Komponenten, insbesondere auf ein Minimum, reduziert werden kann.
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Das mindestens eine adaptive optische Element ist bevorzugt vor einer Zusammenführung der Lichtstrahlen der drei Lichtquellen angeordnet. Dies ist besonders dann bevorzugt, wenn das Kollimationselement oder die Korrekturoptik ein adaptives optisches Element aufweist.
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Die Erfindung umfasst weiterhin eine Datenbrille. Diese weist ein Brillenglas und eine oben beschriebene Projektionsvorrichtung auf, wobei das Umlenkelement am Brillenglas angeordnet ist.
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Die Erfindung umfasst weiterhin ein Verfahren zur Verbesserung einer Symmetrie eines Lichtstrahls und/oder zur Reduktion des Durchmessers des Lichtstrahls, welcher in einer Projektionsvorrichtung für eine Datenbrille benutzt wird. Die Verbesserung der Symmetrie des Lichtstrahls und die Reduktion des Durchmessers des Lichtstrahls erfolgt bevorzugt auf der Projektionsfläche, das heißt auf der Netzhaut eines Nutzers. Bevorzugt dient das Verfahren einer Minimierung des Durchmessers des Lichtstrahls.
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In einem ersten Schritt des Verfahrens wird eine Projektionsvorrichtung für eine Datenbrille bereitgestellt. Diese Projektionsvorrichtung weist folgende Merkmale auf: mindestens eine Lichtquelle zum Aussenden mindestens eines Lichtstrahls, mindestens ein Kollimationselement zum Kollimieren des mindestens einen von der Lichtquelle ausgesandten Lichtstrahls, mindestens ein an einem Brillenglas der Datenbrille angeordnetes oder anordenbares Umlenkelement zum Projizieren eines Bilds auf eine Netzhaut eines Nutzers der Datenbrille durch Umlenken und/oder Fokussieren des mindestens einen Lichtstrahls auf eine Augenlinse des Nutzers und mindestens ein Reflexionselement zum Reflektieren des kollimierten Lichtstrahls auf das Umlenkelement.
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In einem zweiten Schritt des Verfahrens wird mindestens eine Korrekturoptik zur Projektionsvorrichtung hinzugefügt. Für diese Korrekturoptik gilt das bereits oben im Zusammenhang mit der Projektionsvorrichtung Gesagte.
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Die Korrekturoptik ist bevorzugt im Strahlengang zwischen der mindestens einen Lichtquelle und dem mindestens einen Umlenkelement angeordnet.
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In einem dritten Schritt des Verfahrens wird eine Multikonfigurationsoptimierung für die optischen Komponenten der Projektionsvorrichtung durchgeführt. Diese Multikonfigurationsoptimierung dient der Verbesserung einer Symmetrie des Lichtstrahls und/oder der Reduktion oder Minimierung des Durchmessers des Lichtstrahls. Bevorzugt dient das Verfahren der Multikonfigurationsoptimierung einer Minimierung des Durchmessers des Lichtstrahls.
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Da im Allgemeinen die Anforderungen an die Projektvorrichtung, die vorteilhaft für eine Konfiguration sind, gegebenenfalls zu einer Verschlechterung in einer anderen Konfiguration führen, wird in einem solchen Fall eine Multikonfigurationsoptimierung durchgeführt, um den Durchmesser des Lichtstrahls auf der Netzhaut zu minimieren.
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Eine solche Optimierung kann z.B. über die Designparameter des Kollimationselements, insbesondere des Abstands zur Lichtquelle und der Brennweite des Kollimationselements erfolgen.
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Die Multikonfigurationsoptimierung wird bevorzugt dadurch durchgeführt, dass für jede Komponente der Projektionsvorrichtung eine Position, eine Orientierung oder gegebenenfalls eine Brennweite innerhalb vorgegebener Grenzen so lange variiert wird, bis für alle möglichen Konfigurationen der Projektionsvorrichtung ein optimaler Wert gefunden wurde.
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Hierbei kann sich der optimale Wert auf eine Symmetrie des Lichtstrahls beziehen. Diese Symmetrie des Lichtstrahls ist bevorzugt auf der Netzhaut des Benutzers optimal. Ferner kann sich der optimale Wert auf die Spotgröße oder den Durchmesser des Lichtstrahls beziehen. Der Durchmesser des Lichtstrahls ist bevorzugt auf der Netzhaut des Benutzers optimal.
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Die vorgegebenen Grenzen der Variation jeder Komponente sind durch die Bauform der Projektionsvorrichtung und/oder der Datenbrille gegeben.
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Ein Vorteil des Verfahrens liegt darin, dass durch das Hinzufügen einer ein nicht rotationssymmetrisches optisches Element aufweisenden Korrekturoptik eine Erweiterung des Designansatzes um zusätzliche Designparameter erzielt wird.
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Diese zusätzlichen Designparameter können sowohl zur Reduzierung des Durchmessers des Lichtstrahls auf der Netzhaut in der Designoptimierung genutzt werden als auch zur Beeinflussung der Symmetrieeigenschaften des Lichtstrahls in den unterschiedlichen Systemkonfigurationen.
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Die Erfindung umfasst weiterhin ein Computerprogramm, das zur Durchführung der beschriebenen Schritte des Verfahrens eingerichtet ist, um mit diesem Computerprogramm eine Symmetrie des Lichtstrahls zu verbessern und/oder um den Durchmessers des Lichtstrahls zu reduzieren. Weiterhin umfasst die Erfindung ein maschinenlesbares Speichermedium, auf welchem ein solches Computerprogramm gespeichert ist, sowie ein elektronisches Steuergerät, das eingerichtet ist, eine Projektionsvorrichtung für eine Datenbrille oder eine Datenbrille mittels der beschriebenen Schritte des Verfahrens zu betreiben. Ein solches elektronisches Steuergerät kann beispielsweise als Mikrocontroller in eine Projektionsvorrichtung oder Datenbrille integriert sein.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweiligen angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Figurenliste
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
- 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Projektionsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform;
- 2 bis 9 zeigen jeweils eine schematische Darstellung einer Scanneroptik einer Projektionsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform; und
- 10 zeigt eine schematische Darstellung einer Datenbrille gemäß einer Ausführungsform.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung
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1 zeigt die prinzipielle Funktionsweise der Projektionsvorrichtung 100. Die Projektionsvorrichtung 100 weist eine Scanneroptik 152 und ein Umlenkelement 102 auf, welches in dieser Ausführungsform als holografisches Element 103 ausgeführt ist. Das holografische Element 103 ist an einem Brillenglas 402 befestigt. Die Scanneroptik 152 ist in einem Gehäuse 105 angeordnet und weist eine Lichtquelle, ein Kollimationselement und ein Reflexionselement auf, welche in 1 nicht dargestellt sind. Unterschiedliche Ausführungsformen der Scanneroptik 152 sind in den 2 bis 9 dargestellt.
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Ein von der Scanneroptik 152 emittierter Lichtstrahl 106 wird durch ein Austrittsfenster 148 in Richtung des Umlenkelements 102 gesendet. Der vom Umlenkelement 102 umgelenkte Lichtstrahl 106 trifft danach auf eine Augenlinse 108 eines Nutzers, von wo der Lichtstrahl 106 auf die Netzhaut 110 eines Augapfels 107 fokussiert wird. Die Scanneroptik 152 ist in einem am Brillengestell 120 und am Brillenbügel 118 befestigten Gehäuse 105 angeordnet.
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2 zeigt eine Scanneroptik 152, welche in einem Gehäuse 105 gefasst ist. Die Scanneroptik 152 bildet zusammen mit dem nicht dargestellten Umlenkelement eine Projektionsvorrichtung 100, wie in 1 gezeigt. Die Lichtquelle 104 emittiert einen Lichtstrahl 106, welcher durch das Kollimationselement 114 kollimiert wird. Der kollimierte Lichtstrahl 106 trifft danach auf eine Korrekturoptik 116. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wird der Lichtstrahl 106 nach dem Kollimationselement 114 in den 2 bis 9 nicht dargestellt. Die Korrekturoptik 116 ist vorliegend als eine Kombination zweier Zylinderlinsen mit senkrecht zueinander angeordneten Längsachsen dargestellt. Diese Kombination steht stellvertretend für eine beliebige oben beschriebene Korrekturoptik. Eine solche Korrekturoptik dient der Verbesserung der Symmetrie des Lichtstrahls und der Reduktion oder Minimierung der Spotgröße des Lichtstrahls und weist zwei nicht rotationssymmetrische optische Elemente auf.
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Nachdem der Lichtstrahl 106 die Korrekturoptik 116 durchlaufen hat, trifft er auf ein Reflexionselement 112 und wird von diesem durch ein Austrittsfenster 148 in Richtung eines auf einem Brillenglas angebrachten Umlenkelements reflektiert. Die Korrekturoptik 116 ist lediglich für eine Wellenlänge, nämlich für die von der Lichtquelle 104 benutzte, ausgelegt und optimiert.
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3 zeigt eine andere Ausführung der Scanneroptik 152, bei der drei unterschiedliche Wellenlängen, nämlich rot, blau und grün verwendet werden. Die abgebildeten drei Lichtquellen 104 unterscheiden sich in der Wellenlänge. Die drei unterschiedlichen Lichtstrahlen 106 werden, nachdem sie jeweils ein Kollimationselement 114 durchlaufen haben, mittels zweier dichroitischer Strahlteiler 150 zu einem einzelnen Lichtstrahl 106 zusammengeführt, welcher dann durch eine Korrekturoptik 116 läuft. Die Korrekturoptik 116 gemäß 3 ist für die drei unterschiedlichen Wellenlängen ausgelegt und optimiert. Nach der Korrekturoptik 116 wird der Lichtstrahl 106 vom Reflexionselement 112 durch das Austrittsfenster 148 gesendet.
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Die in 4 abgebildete Scanneroptik 152 unterscheidet sich von der in 3 Abgebildeten dadurch, dass anstelle der Korrekturoptik 116 hinter den beiden dichroitischen Strahlteilern 150 jeweils zwischen den Kollimationselementen 114 und jeweils einem dichroitischen Strahlteiler 150 für jede Lichtquelle 104 eine Korrekturoptik 116 angeordnet ist. Diese drei Korrekturoptiken 116 sind für die jeweilige verwendete Lichtwellenlänge ausgelegt und optimiert.
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Die in 5 abgebildete Scanneroptik 152 unterscheidet sich von der in 4 Abgebildeten dadurch, dass zusätzlich hinter den dichroitischen Strahlteilern 150 noch eine weitere wellenlängenübergreifende Korrekturoptik 116 angeordnet ist.
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6 zeigt eine Scanneroptik 152, bei der der von einer einzelnen Lichtquelle 104 emittierte und von einem Kollimationselement 114 kollimierte Lichtstrahl 106 durch eine Kombination eines adaptiven optischen Elements 140 und einer Korrekturoptik 116 läuft, bevor er auf das Reflexionselement 112 trifft. Bei dieser Kombination durchläuft der Lichtstrahl 106 zuerst das adaptive optische Element 140 und danach die Korrekturoptik 116. Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Anordnung des adaptiven optischen Elements 140 und der Korrekturoptik 116 vertauscht.
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Die in 7 abgebildete Scanneroptik 152 unterscheidet sich von der in 6 Abgebildeten dadurch, dass drei Lichtquellen 104 mit unterschiedlichen Wellenlängen verwendet werden, welche mittels zweier dichroitischen Strahlteiler 150 zu einem gemeinsamen Lichtstrahl 106 zusammengeführt werden. Der zusammengeführte Lichtstrahl 106 trifft dann auf dieselbe Kombination von adaptivem optischen Element 140 und der Korrekturoptik 116, wie sie in 6 abgebildet ist. Hierbei kann die Anordnung des adaptiven optischen Elements 140 und der Korrekturoptik 116 ebenfalls vertauscht sein.
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Die in 8 abgebildete Scanneroptik 152 verwendet drei Lichtquellen 104 mit unterschiedlichen Wellenlängen, wobei jeder der drei Lichtstrahlen 106 zunächst kollimiert wird, dann eine Korrekturoptik 116 und zuletzt ein adaptives optisches Element 140 durchläuft. Danach werden die drei Lichtstrahlen 106 mittels zweier dichroitischer Strahlteiler 150 zusammengeführt. Bei dieser Ausführungsform sind die jeweiligen Korrekturoptiken 116 und die jeweiligen adaptiven optischen Elemente 140 für eine Wellenlänge ausgelegt und optimiert.
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Die in 9 abgebildete Scanneroptik 152 unterscheidet sich von der in 8 Abgebildeten dadurch, dass vor der Strahlzusammenführung die Anordnung der adaptiven optischen Elemente 140 und der Korrekturoptiken 116 vertauscht ist, und dass nach der Strahlzusammenführung sich ebenso wie in 7 eine Kombination eines adaptiven optischen Elements 140 und einer Korrekturoptik 116 befindet. Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Anordnung dieser Kombination vertauscht sein.
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10 zeigt eine schematische Darstellung einer Datenbrille 400 mit einer Projektionsvorrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Projektionsvorrichtung 100 weist hierbei eine Scanneroptik 152 und das Umlenkelement 102 auf. Die Scanneroptik 152 ist im Gehäuse 105 angeordnet und sendet einen nicht dargestellten Lichtstrahl 106 durch das Auftrittsfenster 148 auf das Umlenkelement 102. Die Datenbrille 400 weist ein Brillenglas 402 auf, auf dem das Umlenkelement 102 angeordnet ist. Beispielsweise ist das Umlenkelement 102 als Teil des Brillenglases 402 realisiert. Alternativ ist das Umlenkelement 102 als ein separates Element realisiert und mittels eines geeigneten Fügeverfahrens mit dem Brillenglas 402 verbunden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012219723 A1 [0005]
