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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft eine Scannervorrichtung zum Einsatz in einer Brille zur Darstellung von erweiterter Realität oder dergleichen.
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Die Erfindung betrifft weiter eine Brille zur Darstellung von erweiterter Realität.
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Stand der Technik
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Sogenannte Augmented Reality Brillen oder kurz AR-Brillen dienen zur Darstellung von erweiterter Realität. Unter erweiterter Realität versteht man eine computergestützte Erweiterung der Realitätswahrnehmung, insbesondere wird hierbei die visuelle Darstellung von Informationen verstanden, also die Ergänzung von Bildern oder Videos mit computergenerierten Zusatzinformationen oder virtuellen Objekten mittels Einblendung oder Überlagerung des realen Bildes. Bekannte AR-Brillen verwenden Mikrodisplays mit Strahl-Kombinier-Optiken, Mikrodisplays mit integrierten Wellenleiterstrukturen oder auch mit sogenannten Direct-Retina-Scannern, wobei ein oder mehrere Laserprojektoren verwendet werden, die auf eine reflektierende Optik im Bildglas projizieren. Für letzteres ist es bekannt geworden, zweidimensionale MEMS-Spiegel zu verwenden. Zweidimensionale MEMS-Spiegel sind Spiegel, die sowohl in vertikaler als auch in horizontaler Richtung eine Rotationsachse besitzen, um Lichtstrahlen in zwei Dimensionen in einen bestimmten Winkelbereich abzulenken.
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Offenbarung der Erfindung
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In einer Ausführungsform stellt die Erfindung eine Scannervorrichtung zum Einsatz in einer Brille zur Darstellung von erweiterter Realität oder dergleichen bereit, umfassend eine erste und eine zweite Ablenkungseinrichtung, umfassend einen ersten und einen zweiten MEMS-Spiegel, welche um unterschiedliche Achsen beweglich ausgebildet sind, sodass ein auf die Scannervorrichtung einfallender Lichtstrahl zweidimensional ablenkbar ist, eine Festlegungseinrichtung zur Festlegung der Scannervorrichtung an einer Brille, wobei die erste und zweite Ablenkungseinrichtung auf unterschiedlichen Seiten der Festlegungseinrichtung angeordnet sind derart dass der Strahlengang des Lichtstrahls durch die beiden Ablenkungseinrichtungen eine Achse der Festlegungseinrichtung zumindest dreimal kreuzt.
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In einer weiteren Ausführungsform stellt die Erfindung eine Brille zur Darstellung von erweiterter Realität bereit, umfassend eine Scannervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1-6, wobei die Scannervorrichtung in oder an einem Bügel der Brille angeordnet ist.
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Einer der damit erzielten Vorteile ist, dass eine sehr kompakte Scannervorrichtung für AR-Brillen bereitgestellt wird, die aufgrund der Verwendung von eindimensionalen MEMS-Spiegeln präzise gesteuert werden kann, eine geringe Bildverzerrung aufweist und robust ist. Darüber hinaus ist ein Vorteil, dass die Flexibilität erhöht wird, denn auf einfache Weise ist eine nutzungsspezifische Anpassung der AR-Brille möglich. Ebenso kann die Scannervorrichtung beziehungsweise die AR-Brille einfach hergestellt werden.
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Weitere Merkmale, Vorteile und weitere Ausführungsformen der Erfindung sind im Folgenden beschrieben oder werden dadurch offenbar:
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist eine Einkoppeleinrichtung zur Einkopplung des Lichtstrahls in die Scannervorrichtung angeordnet. Auf diese Weise wird die Zuverlässigkeit erhöht, da ein Lichtstrahl einer Lichtquelle kontrolliert mittels der Einkoppelvorrichtung in die Scanner-Vorrichtung eingekoppelt werden kann.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung weist die Einkoppeleinrichtung einen Planspiegel und/oder eine Strahlformungseinrichtung auf. Ein Planspiegel ermöglicht beispielsweise, dass ein Lichtstrahl einer Lichtquelle im richtigen Winkel an der richtigen Position in die Scannervorrichtung einkoppelt. Mittels einer Strahlformungseinrichtung kann der Lichtstrahl in seiner Form auf flexible Weise geändert werden, beispielsweise kollimiert werden oder fokussiert werden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist die Einkoppeleinrichtung an der Scannervorrichtung, insbesondere an der Festlegungseinrichtung, festgelegt. Damit wird zum einen eine besonders zuverlässige Einkopplung erreicht, da insbesondere bei einer Anordnung an einer Festlegungseinrichtung, diese vormontiert werden können und so bei der Montage in einer AR-Brille bereits einen definierten präzisen Abstand beziehungsweise Position zueinander aufweisen. Insgesamt wird damit die Zuverlässigkeit der Scannervorrichtung erhöht.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist eine Projektionseinrichtung am Ausgang der Scannervorrichtung angeordnet. Mittels einer Projektionseinrichtung am Ausgang kann eine nutzungsspezifische Anpassung des Strahlengangs nach der Scannervorrichtung erfolgen. Eine Projektionseinrichtung ist beispielsweise in Form eines Prismas ausgebildet, was den Einsatz einer standardisierten Projektionseinrichtung ermöglicht.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist der Einfallswinkel in Bezug auf die Spiegelachse des MEMS-Spiegels der ersten Ablenkungseinrichtung größer als 30°, vorzugsweise größer als 45°, insbesondere größer als 60°. Vorteil hiervon ist, dass ein höherer Einfallswinkel die Anforderungen an eine Strahlenablenkung durch eine Projektionseinrichtung am Ausgang senkt und unerwünschte Effekte wie Farbaberration und/oder Deformation des Ausgangsstrahls vermieden wird. Ein weiterer Vorteil eines größeren Einfallwinkels ist, dass hierdurch die Breite der Scannervorrichtung nicht steigt, lediglich die Länge derselben, was insbesondere beim Einsatz in einem Brillenbügel einer AR-Brille vorteilhaft ist.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Brille ist die Achse der Festlegungseinrichtung der Scannervorrichtung auf der Achse der Erstreckungsrichtung des Bügels angeordnet. Dies ermöglicht senkrecht zur Erstreckung des Bügels eine besonders kompakte Anordnung der Scannervorrichtung im Bügel.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist die Achse der Festlegungseinrichtung der Scannervorrichtung außerhalb der Achse der Erstreckungsrichtung des Bügels angeordnet. Insbesondere ist dabei die Scannervorrichtung auch im Wesentlichen innerhalb des Brillenbügels angeordnet, jedoch nach außen oder nach innen senkrecht zur Erstreckungsrichtung des Bügels verschoben. Ist die Festlegungseinrichtung nach außen verschoben, wird der Tragekomfort erhöht, da damit die Scannervorrichtung nur wenig in den Innenbereich zwischen Brillenbügel und Kopf beziehungsweise Auge hineinreicht. Ist dagegen die Scannervorrichtung senkrecht zur Erstreckungsrichtung des Bügels nach innen, also in dem Bereich zwischen Brillenbügel und Auge verschoben, kann eine besonders kompakte Brille hinsichtlich ihres äußeren Umfangs ermöglicht werden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist die Lichtquelle, insbesondere ein Laser und/oder die Einkoppeleinrichtung an einem Bügel der Brille, insbesondere auf der Außenseite eines Bügels und/oder zumindest teilweise im Bügel angeordnet. Insbesondere bei Anordnung der Lichtquelle und der Einkoppeleinrichtung in dem Bügel der Brille kann ein äußerst kompakter Aufbau der Brille erreicht werden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung umfasst die Einkoppeleinrichtung eine Glasfaser. Vorteil einer Glasfaser ist, dass auf besonders flexible Weise eine zuverlässige Strahlführung des Lichtstrahls von der Lichtquelle zu der Scannervorrichtung ermöglicht wird.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen, und aus dazugehöriger Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungen und Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile oder Elemente beziehen.
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Figurenliste
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Dabei zeigt in schematischer Form
- 1 eine AR-Brille gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 2 eine Scannervorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 3 einen Teil einer AR-Brille mit einer Scannervorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 4 einen Teil einer AR-Brille mit einer Scannervorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 5 einen Teil einer AR-Brille mit einer Scannervorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 6 einen Teil einer AR-Brille mit einer Scannervorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 7 einen Teil einer AR-Brille mit einer Scannervorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 8 einen Teil einer AR-Brille mit einer Scannervorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 9 einen Teil einer AR-Brille mit einer Scannervorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt eine AR-Brille gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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In 1 ist eine Draufsicht auf eine AR-Brille 30 auf einem Kopf 10 eines Nutzers gezeigt. Die Scannervorrichtung 1 ist dabei am linken Bügel im vorderen Bereich der Brille angeordnet. Alternativ oder zusätzlich kann eine zweite Scannervorrichtung 1 am zweiten Brillenbügel angeordnet sein (nicht gezeigt in 1).
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2 zeigt eine Scannervorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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In 2 ist in schematischer Form der Aufbau einer Scannervorrichtung 1 mit einer zweifach eindimensionalen MEMS-Ablenkeinheit gezeigt. Hierbei ist mit Bezugszeichen 1a ein einfallender Laserstrahl und mit 1b ein ausgehender beziehungsweise scannender Laserstrahl bezeichnet. Der Laserstrahl 1a fällt ausgehend von einer hier nicht gezeigten Lichtquelle 16 auf einen ersten Mikrospiegel 2 der in einem Gehäuse oder MEMS-Chip 3 eingebettet angeordnet ist und in einer ersten Richtung den Laserstrahl ablenkt. Bezugszeichen 4 bezeichnet einen zweiten Mikrospiegel, der in einem Gehäuse oder MEMS-Chip 5 eingebettet ist. Der zweite Mikrospiegel 4 schwingt um eine zweite Achse, die bevorzugt exakt oder nahe 90° gegenüber der Achse des ersten Mikrospiegels 2 gedreht ist, das heißt die Drehachsen sind im Wesentlichen senkrecht zueinander. Durch Verkippung der Mikrospiegel 2, 4 wird ein einfallender Laserstrahl 1a letztlich in zwei Richtungen abgelenkt, so dass der ausgehende Laserstrahl 1b einen vorgegebenen Projektionsbereich überstreicht. Bevorzugt wird eine Raster-Scanner-Bewegung ausgeführt, es kann aber auch alternativ eine Lissajous-Bewegung ausgeführt werden. Zur genauen Montage der Mikrospiegel-Gehäuse 3 und 5 zueinander wird eine gemeinsame Montageeinrichtung 6 mit einer Mittelebene 51 verwendet, auf die die Gehäuse 3 und 5 vorzugsweise geklebt werden, derart dass der Strahlengang vom einfallenden Laserstrahl 1a über den ersten Mikrospiegel 2, den zweiten Mikrospiegel 4 bis zum ausfallenden Laserstrahl 1b möglichst ohne große Streuverluste oder Strahlverzerrung ausgeführt wird. Die beiden Mikrospiegel-Gehäuse 3, 5 sind dabei auf verschiedenen Seiten A, B der Montageeinrichtung 6 angeordnet. Somit stellt die Montageeinrichtung 6 zumindest teilweise die Referenzflächen für eine genaue Justage der Mikrospiegel 2 und 4 zueinander bzw. des montierten MEMS-Moduls gegenüber dem einfallenden Laserstrahl 1a dar.
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3 zeigt einen Teil einer AR-Brille mit einer Scannervorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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In 3 ist die vormontierte Scannervorrichtung 1 in einen Brillenbügel 11 mit seinen Teilabschnitten 11a und 11b eingebettet angeordnet, derart dass der Strahlengang ausgehend vom von einer Lichtquelle ausgesendeten Laserstrahl 12 , der beispielsweise durch ein Lasermodul erzeugt wird (nicht gezeigt in ), dreimal die Mittelebene des Brillenbügels 11, dargestellt anhand der gestrichelten Linie 50, kreuzt, um schließlich aus der Scannervorrichtung 1 in einem Projektionskegel, der durch die Strahlen 14a und 14b begrenzt wird, auszutreten und auf optischen Komponenten des Brillenglases 15 der AR-Brille 30 zu treffen. Mittelebene 50 des Brillenbügels und Mittelebene 51 der Montageeinrichtung 6 sind hierbei im Wesentlichen durchgeführt. Für die Führung des Laserstrahls 12 kann eine Ablenkeinheit 13 eingesetzt werden, die beispielsweise aus einem Planspiegel bestehen kann. Hierdurch wird der Laserstrahl 12 in die Scannervorrichtung 1 im richtigen Winkel an der richtigen Position als einfallender Laserstrahl 1a eingekoppelt. Die Ablenkeinheit 13 kann auch zusätzlich die Funktion aufweisen, den Laserstrahl 12 in seiner Form zu ändern, beispielsweise zu kollimieren oder zu fokussieren. Die Mittelebene des Brillenbügels zwischen den Spiegelebenen der Mikrospiegel 2 und 4 ist so angeordnet, dass der Laserstrahl 1a dreimal die Mittelebene 50 kreuzen muss. Bei dem in 3 gezeigten Aufbau wird das Einkoppelelement in Form der Ablenkeinheit 13 bevorzugt an der Scannervorrichtung 1 mit seinen Referenzflächen montiert, um eine möglichst gute optische Ausrichtung beziehungsweise Einkopplung des Laserstrahls zu gewährleisten.
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4 zeigt einen Teil einer AR-Brille mit einer Scannervorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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In 4 ist im Wesentlichen der gleiche Aufbau der AR-Brille 30 gemäß 3 gezeigt. Im Unterschied zur AR-Brille 30 gemäß 3 ist bei der AR-Brille 30 gemäß 4 die Scannervorrichtung 1 im Wesentlichen innerhalb des Brillenbügels 11, also zwischen den beiden Teilabschnitten 11a, 11b, angeordnet, jedoch derart nach außen verschoben, das heißt vom Kopf eines Nutzers abgewandt, dass der Laserstrahl 1a, 1b nur einmal die Mittelebene 50 des Brillenbügels 11 kreuzt. Die Mittelebene 50 des Brillenbügels 11 ist parallel und beabstandet von der Mittelebene 51 der Montageeinrichtung 6.
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5 zeigt einen Teil einer AR-Brille mit einer Scannervorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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In 5 ist im Wesentlichen die AR-Brille 30 gemäß 3 gezeigt. Im Unterschied zur AR-Brille 30 gemäß 3 ist bei der AR-Brille 30 gemäß 5 nun die Scannervorrichtung 1 nach innen, das heißt auf der Seite des Brillenbügels 11 angeordnet, der benachbart zum Kopf 10 eines Nutzers angeordnet ist. Dabei verläuft der Laserstrahl 12 innerhalb der Scannervorrichtung 1 als einfallender Laserstrahl 1a von einer ersten zu einer zweiten Seite der Mittelebene des Brillenbügels 11. Die Mittelebene 50 des Brillenbügels 11 ist parallel und beabstandet von der Mittelebene 51 der Montageeinrichtung 6.
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6 zeigt einen Teil einer AR-Brille mit einer Scannervorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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In 6 ist im Wesentlichen der gleiche Aufbau einer AR-Brille 30 gemäß 3 gezeigt. Zusätzlich ist bei der AR-Brille 30 gemäß 6 nun auf dem hinteren Abschnitt 11a auf dessen Außenseite ein Lasermodul 16 angebracht, welches den Laserstrahl 12 erzeugt. Der Laserstrahl 12 der von dem Lasermodul 16 ausgeht, kann frei im Raum auf das Einkoppelelement beziehungsweise die Ablenkeinheit 13 geführt werden oder auch in eine Glasfaser oder dergleichen gekoppelt werden. Die Ablenkeinheit 13 kann auch eine Strahlkollimationsfunktion bereitstellen. Mittelebene 50 des Brillenbügels und Mittelebene 51 der Montageeinrichtung 6 sind hierbei im Wesentlichen durchgeführt.
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7 zeigt einen Teil einer AR-Brille mit einer Scannervorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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In 7 ist im Wesentlichen eine AR-Brille 30 gemäß 6 gezeigt. Im Unterschied zur AR-Brille 30 gemäß 6 ist bei der AR-Brille 30 gemäß 7 das Lasermodul 16 in den Brillenbügel 11 integriert, beziehungsweise als Teil des Brillenbügels 11 ausgebildet. Hierbei wird der von den Lasermodul 16 ausgesendete Laserstrahl 12 teilweise innerhalb des Brillenbügels 11a mittels einer Glasfaser 17 geführt beziehungsweise geleitet. Mittelebene 50 des Brillenbügels und Mittelebene 51 der Montageeinrichtung 6 sind hierbei im Wesentlichen durchgeführt.
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8 zeigt einen Teil einer AR-Brille mit einer Scannervorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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In 8 zeigt im Wesentlichen eine AR-Brille 30 gemäß 3. Im Unterschied zur AR-Brille 30 gemäß 3 ist bei der AR-Brille 30 gemäß 8 nun am Ausgang der Scannervorrichtung 1 eine Projektionseinrichtung 20 angeordnet. Die Projektionseinrichtung 20 ist ausgebildet mit gleichen Projektionswinkeln den Ausgangswinkel, begrenzt durch die Strahlen 14a, 14b aufzuweiten. Hierzu ist die Projektionseinrichtung 20 in Form eines optischen Elements, beispielsweise ein Prisma ausgebildet und im Projektionskegel 14a, 14b angeordnet und der Richtung der Projektion 24a, 24b entsprechend den Anforderungen auszubilden, beispielsweise in Bezug auf Einfallswinkel der Projektionsstrahlen 24a, 24b, Bildgröße, Strahlendurchmesser oder dergleichen. Die Projektionseinrichtung 20 ist dabei beispielsweise an die Maße und geometrischen Verhältnisse eines Nutzers und einer entsprechenden Brille des Nutzers angepasst, insbesondere hinsichtlich Form, Material und Anordnung im Strahlengang. Weiter im Unterschied zur AR-Brille 30 gemäß 3 weist der vordere Bereich 11 b des Brillenbügels 11, also der Bereich des Brillenbügels 11 der zum Brillenglas 15 direkt benachbart ist, eine größere Erstreckung in Richtung 50 auf; im Wesentlichen sind die beiden Teile 11a, 11b hier gleich lang ausgebildet als bei den anderen Ausführungsformen der 2-7. Mittelebene 50 des Brillenbügels und Mittelebene 51 der Montageeinrichtung 6 sind hierbei im Wesentlichen durchgeführt.
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9 zeigt einen Teil einer AR-Brille mit einer Scannervorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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In 9 ist im Wesentlichen im Detail eine Scannervorrichtung 1 gemäß 8 gezeigt. Hierbei ist insbesondere der Einfallswinkel 25 in Bezug auf den Mikrospiegel 2 des einfallenden Laserstrahls 1a gezeigt. Der Einfallswinkel 25 kann dabei entsprechend vorgegebenen Bedingungen angepasst werden, wobei insbesondere ein größerer Einfallswinkel 25 die Anforderungen in Bezug auf eine Strahlabweichung bei der Projektionseinrichtung 20, insbesondere in Form eines Prismas, reduziert und so unerwünschte Nebeneffekte wie Farbaberration oder Strahlformdeformation ganz oder teilweise verhindert. Je größer der Einfallswinkel 25 ist, desto größer wird lediglich die Länge der Scannervorrichtung 1, jedoch nicht deren Breite. Da dadurch auch die Anforderungen an die Projektionseinrichtung 20 reduziert werden können, kann diese insgesamt mit der Scannervorrichtung 1 einen besonders kompakten Aufbau bereitstellen.
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Zusammenfassend weist zumindest eine der Ausführungsformen zumindest einen der folgenden Vorteile auf:
- • Einfache Herstellung.
- • Kompakter Aufbau.
- • Einfache Implementierung.
- • Gezielte Steuerung der Projektion.
- • Geringe Bildverzerrung.
- • Einfache Anpassbarkeit an einen Nutzer.
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Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie nicht darauf beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.
