DE102018219474A1

DE102018219474A1 - Verfahren und Anordnung zum Durchführen einer virtuellen Netzhautanzeige

Info

Publication number: DE102018219474A1
Application number: DE102018219474.2A
Authority: DE
Inventors: Tobias Graf
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-11-15
Filing date: 2018-11-15
Publication date: 2020-05-20
Also published as: WO2020099347A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Durchführen einer virtuellen Netzhautanzeige, bei dem mit einer Lichterzeugungseinheit (12) ein Lichtstrahl erzeugt wird, der über ein Reflexionselement (14) so abgelenkt wird, das ein Strahlenbündel entsteht, das über ein Umlenkelement (16) auf eine Netzhaut (28) eines Auges (26) gelenkt wird, wobei bei einer Reduzierung des Einflusses des Akkommodation des Auges (26) auf eine erzeugte Intensitätsverteilung auf der Netzhaut (28) wellenoptische Eigenschaften des Strahlenbündels berücksichtigt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Durchführen einer virtuellen Netzhautanzeige und eine Anordnung zum Durchführen des Verfahrens.
Stand der Technik
Aus der Druckschrift DE 10 2015 213 376 A1 ist eine Projektionsvorrichtung für eine Datenbrille bekannt, die zumindest eine Lichtquelle zum Aussenden eines Lichtstrahls und zumindest ein an einem Brillenglas der Datenbrille angeordnetes holografisches Element zum Projizieren eines Bilds auf eine Netzhaut eines Nutzers der Datenbrille durch Umlenken und/oder Fokussieren des Lichtstrahls auf eine Augenlinse des Nutzers aufweist.
Offenbarung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund wird ein Umlenkelement mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 7 vorgestellt. Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und aus der Beschreibung.
Die Retina bzw. Netzhaut, die auch als innere Augenhaut bezeichnet wird, ist das mehrschichtige, spezialisierte Nervengewebe, das die Innenseite des Auges auskleidet. In der Retina wird das einfallende Licht, nachdem es die Hornhaut, die Linse und den Glaskörper des Auges durchquert hat, in Nervenimpulse umgeleitet. Die Retina stellt damit eine Art Projektionsfläche für die Abbildung der Umgebung, ähnlich einer Leinwand oder einem lichtempfindlichen Film, dar und leitet die durch Lichtreize hervorgerufenen Erregungen weiter an Hirnregionen.
Mit dem Begriff virtuelle Netzhautanzeige (VNA: engl. Virtual Retina Display, Retinal Scan(ner) Display oder auch Retinal Image Display) wird eine Anzeigetechnologie bezeichnet, die ein Rasterbild direkt auf die Netzhaut des Auges zeichnet. Der Nutzer bekommt dabei den Eindruck einer vor ihm schwebenden Leinwand.
Anordnungen zur Durchführung einer virtuellen Netzhautanzeige, die hierin auch als Retina Scanner Displays (RSD) bezeichnet werden, werden in freihändig am oder auf dem Kopf tragbaren Anzeigesystemen, sogenannten Helmet-Mounted Displays (HMD) bzw. Head-Worn Displays (HWD), eingesetzt. Diese ermöglichen es, leichte, schlanke Augmented Reality-(AR)-Brillen (Augmented Reality: erweiterte Realität) mit ansprechendem Design ähnlich einer Korrektur- oder Sonnenbrille herzustellen und den Nutzer mit eingeblendeten Informationen, die z. B. die Wahrnehmung der realen Umwelt überlagern oder ergänzen, zu versorgen.
Das Grundprinzip besteht darin, dass mindestens ein Laserstrahl derart mittels z. B. mindestens eines beweglich gelagerten Spiegels abgetastet bzw. gescannt und über ein Umlenkelement, wie bspw. ein holografisch optisches Element (HOE) oder einen Freiformspiegel, geleitet wird, dass ein Knotenpunkt in der Position der Pupille (Iris) des Nutzers entsteht. Durch Bewegung des Spiegels kann der durch die Augenlinse tretende Strahl über die Netzhaut gescannt werden, so dass bei entsprechender Ansteuerung der Laserquellen in Abhängigkeit von der Spiegelposition gezielt Lichtreize auf der Retina und damit Bildeindrücke von virtuellen Objekten erzeugt werden können.
Es werden somit ein Verfahren zum Durchführen einer virtuellen Netzhautanzeige und eine Designmethode und damit eine Methode zur Auslegung bzw. Gestaltung optischer Komponenten für eine virtuelle Netzhautanzeige vorgestellt, wobei wellenoptische Eigenschaften bei der Reduzierung des Einflusses des Akkommodationszustandes des Auges des Nutzers auf die erzeugte Intensitätsverteilung auf der Netzhaut berücksichtigt werden. Es wird daher eine Betrachtung der wellenoptischen Eigenschaften des Lichts bei der Bestimmung von Designparametern, insbesondere der Lage und Größe der Strahltaille im Strahlengang, vorgenommen.
Das beschriebene Verfahren ermöglicht zudem die systematische Auslegung von Systemen und Optimierung der Systemparameter im Hinblick auf Unabhängigkeit der erzeugten Intensitätsverteilung auf der Netzhaut des Nutzers vom Akkommodationszustand des Nutzers.
Die Optimierung eines Designs einer virtuellen Netzhautanzeige mit dem hier beschriebenen Verfahren ermöglicht eine Systemauslegung derart, dass die auf der Netzhaut des Nutzers erzeugte Intensitätsverteilung möglichst unabhängig vom Akkommodationszustand des Auges ist. Design bzw. Optikdesign bezeichnet die Auslegung, Berechnung und Spezifikation hinsichtlich optischer Eigenschaften von Systemen und Komponenten.
Das beschriebene Verfahren ist auch für den Entwurf integrierter optischer Module für die Strahlerzeugung anwendbar.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die voranstehend 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.
Figurenliste

1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Anordnung zum Durchführen einer virtuellen Netzhautanzeige.
2 zeigt die Fokussierung eines kollimierten Strahlenbündels.
3 zeigt die Fokussierung eines schräg einfallenden, kollimierten Strahlenbündels.
4 zeigt die Fokussierung eines kollimierten Strahlenbündels.
5 zeigt die Fokussierung eines schräg einfallenden, kollimierten Strahlenbündels.
6 zeigt die Fokussierung eines axial und schräg einfallenden, kollimierten Strahlenbündels.
7 zeigt in zwei Graphen die Verbreiterung des Strahlenradius von zwei Gaußstrahlen mit unterschiedlich großer Strahltaille während Freiraumpropagation.
8 zeigt in schematischer Darstellung die Basisgeometrie und die geometrischen Randbedingungen an ein strahlerzeugendes Modul für verschiedene Wellenlängen.
9 zeigt in einem Flussdiagramm eine Ausführungsform des beschriebenen Verfahrens.
10 zeigt in einem Flussdiagramm eine weitere Ausführungsform des beschriebenen Verfahrens.
11 zeigt in einem Flussdiagramm noch eine weitere Ausführungsform des beschriebenen Verfahrens.
12 zeigt in einem Flussdiagramm noch eine weitere Ausführungsform des beschriebenen Verfahrens.
13 zeigt in schematischer Darstellung die Auslegung strahlerzeugender Module.
14 zeigt in schematischer Darstellung die Basisgeometrie und geometrische Randbedingungen für eine polychromatische virtuelle Netzhautanzeige.

Ausführungen der Erfindung
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.
1 zeigt in schematischer Darstellung eine Anordnung zum Durchführen einer virtuellen Netzhautanzeige, die insgesamt mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet ist. Diese Anordnung 10 umfasst eine Lichterzeugungseinheit 12, ein MEMS-Reflexionselement 14 (MEMS: Microelectromechanical System) und ein Umlenkelement 16, das in diesem Fall als holografisches optisches Element ausgebildet ist. Die Anordnung 10 ist derart eingerichtet, dass von der Lichterzeugungseinheit 12 emittierte Laserstrahlen 18 durch das Reflexionselement 14 so über der Zeit unterschiedlich abgelenkt werden, dass abgelenkte Laserstrahlen 20 entstehen, die über das Umlenkelement 16 umgelenkt werden, so dass umgelenkte Laserstrahlen 22 durch eine Pupille 24 eines Auges 26 geführt werden und auf eine Netzhaut 28 des Auges 26 gelangen und dort durch Abtasten bzw. Scannen dieser Netzhaut 28 ein virtuelles Bild erzeugen.
Ein häufig genannter Vorteil der Anordnung 10 zum Durchführen einer virtuellen Netzhautanzeige ist die vermeintliche Unabhängigkeit der Spotgröße auf der Netzhaut 28 vom Akkommodationszustand des Auges 26. Die Herleitung dieser Eigenschaft basiert in der Regel auf geometrisch optischen Überlegungen und ist in realen Systemen nicht automatisch realisiert, sondern erfordert eine Systemauslegung unter Berücksichtigung der Welleneigenschaften des Lichts.
Zu beachten ist, dass für eine Linse als abbildendes System laut geometrischer Optik ein Zusammenhang aus objekt- und bildseitiger Schnittweite und Brennweite besteht. $\frac{1}{s} + \frac{1}{s'} = \frac{1}{f}$
Licht lässt sich mathematisch als elektromagnetische Welle mit Hilfe der Maxwellschen Gleichungen beschreiben. Neben der Lösung der vollständigen Maxwellgleichungen auf der einen und der geometrischen Optik auf der anderen Seite gibt es eine Reihe von mathematischen Modellen, basierend auf vereinfachenden Annahmen in den Maxwellgleichungen, wie z. B. die Wellengleichung, Helmholtz-Gleichung oder die paraxiale Wellengleichung. Entscheidend ist, dass die wellenoptischen Modelle im Unterschied zur geometrischen Optik Beugungsphänomene bei der Ausbreitung von Licht berücksichtigen.
Bei der Ausbreitung eines Laserstrahls in einem kartesischen Koordinatensystem in z-Richtung ist die Beugung, z. B. in der Wellengleichung, durch den Laplace-Operator in den transversalen Koordinaten (x,y) im Modell berücksichtigt.
Eine spezielle Lösung der paraxialen Wellengleichung ist der sogenannte Gaußstrahl, dessen transversales Intensitätsprofil durch eine Gaußsche Normalverteilung gegeben ist. $I (r, z) = \frac{2}{π w^{2} (z)} \cdot exp (- 2 {(\frac{r}{w (z)})}^{2})$
Hierbei bezeichnet w(z) den Strahldurchmesser bei 1/e^2 Intensitätslevel $w (z) = w_{0} \sqrt{1 + {(\frac{z}{z_{R}})}^{2}}$
Die Formel für den Strahlradius offenbart einen wichtigen Unterschied zwischen geometrischer Optik und Wellenoptik, nämlich die Verbreiterung des transversalen Intensitätsprofils eines Laserstrahls während der Propagation aufgrund von Beugung. Das bedeutet, dass es wellenoptisch keine kollimierten Strahlenbündel gibt, die über endliche Entfernungen propagieren. Bei Gaußstrahlen zeigt sich dies auch an der Änderung des Krümmungsradius der Phasenfront während der Propagation. $R (z) = z \cdot (1 + {(\frac{z_{R}}{z})}^{2})$
Eine wichtige Kenngröße von Gaußstrahlen ist die Rayleigh Länge $z_{R} = \frac{π w_{0}^{2}}{λ}$
Diese gibt an, wann sich der Strahlradius im Vergleich zur Strahltaille um den Faktor √2 vergrößert hat.
Die Propagation eines Gaußstrahls durch eine Linse lässt sich mittels der Rayleigh Länge und einer modifizierten Linsengleichung beschreiben $\frac{1}{1 +_{s - f}^{z_{R}^{2}}} + \frac{1}{s'} = \frac{1}{f}$
wobei s die Entfernung der Taille des Eingangsstrahls zur Linse ist und s' die Lage der Taille des Ausgangstrahls.
Neben rigorosen Lösern für die Maxwellgleichungen, wie bspw. Finite Elemente oder Finite Differenzen Methoden, gibt es numerische und analytische Propagationsmethoden basierend auf mathematischen Modellen, wie bspw. partielle Differentialgleichungen und Beugungsintegralen, z. B. ABCD-Matrizen für Gaußstrahlen, Spektrum Ebener Wellen Propagation (engl.: Spectrum of Plane Waves, SPW), Beam Propagation Methods (BPM) usw.
Zu berücksichtigen ist, dass geometrisch optisch ein kollimiertes Strahlenbündel (engl.: collimated or parallel ray bundle) von einer fokussierenden Linse in der hinteren Brennebene fokussiert.
2 verdeutlicht die Fokussierung eines kollimierten Strahlenbündels in der hinteren Brennebene einer Linse für den Fall, dass Brennebene und Detektorebene zusammenfallen. Die Darstellung zeigt ein Auge 50 mit einer Pupille 52 und Linse, durch die ein Strahlenbündel 54 tritt und auf einer hinteren Brennebene 56 auf der Netzhaut 58, der Detektorebene, des Auges 50 fokussiert wird.
3 verdeutlicht die Fokussierung eines schräg einfallenden, kollimierten Strahlenbündels in der hinteren Brennebene einer Linse für den Fall, dass Brennebene und Detektorebene zusammenfallen. Die Darstellung zeigt ein Auge 70 mit einer Pupille 72 und Linse, durch die ein schräg einfallendes Strahlenbündel 74 tritt und auf einer hinteren Brennebene 76 im Bereich der Netzhaut 78, der Detektorebene, des Auges 70 fokussiert wird.
Es gibt abbildende Systeme, die auf unterschiedliche objektseitiger Schnittweiten bei näherungsweise gleichbleibender bildseitiger Schnittweite akkommodieren können, wie z. B. das menschliche Auge. Ändert sich der Akkommodationszustand, bspw. durch Änderung der Brennweite der Augenlinse, ändert sich somit die Lage der hinteren Brennebene. Damit wird kollimiertes Licht nicht mehr in der Detektorebene, z. B. der Netzhaut, fokussiert.
4 verdeutlicht die Fokussierung eines kollimierten Strahlenbündels in der hinteren Brennebene einer Linse. Die Darstellung zeigt ein Auge 90 mit einer Pupille 92 und Linse, durch die ein Strahlenbündel 94 tritt und auf einer hinteren Brennebene 96 fokussiert wird. Die Detektorebene 98 gegeben durch die Netzhaut des Auges 90 ist zu der Brennebene 96 versetzt. Bei Akkommodation auf objektseitige Schnittweiten kleiner unendlich fallen die Brennebene 96 und die Detektorebene 98 nicht zusammen.
5 zeigt die Fokussierung eines schräg einfallenden, kollimierten Strahlenbündels in der hinteren Brennebene einer Linse. Die Darstellung zeigt ein Auge 100 mit einer Pupille 102 und Linse, durch die ein schräg einfallendes Strahlenbündel 104 tritt und auf einer hinteren Brennebene 106 fokussiert wird. Die Detektorebene 108 gegeben durch die Netzhaut des Auges 100 ist zu der Brennebene 108 versetzt. Bei Akkommodation auf objektseitige Schnittweiten kleiner unendlich fallen die Brennebene 106 und die Detektorebene 108 nicht zusammen.
Die in der Literatur zum Teil angeführte Fokusfreiheit einer virtuellen Netzhautanzeige, d. h. die Unabhängigkeit der von der virtuellen Netzhautanzeige auf der Netzhaut erzeugten Lichtintensität vom Akkomodationszustandes des Auges des Nutzers, beruht auf geometrisch optischen Argumenten. Die geometrisch optische Betrachtung eines engen kollimierten Strahlbündels ergibt, dass Strahlen durch den Knotenpunkt die Linse unabhängig vom Kollimationszustand passieren. Es wird auch in diesem Zusammenhang eine Analogie zum sogenannten Maxwellian View bemüht.
6 verdeutlicht die Fokussierung eines axial und schräg einfallenden, kollimierten Strahlenbündels in der hinteren Brennebene einer Linse. Die Darstellung zeigt ein erstes Auge 120 mit einer Pupille 122, durch die ein axial einfallendes Strahlenbündel 124 tritt, ein zweites Auge 130 mit einer Pupille 132, durch die ein schräg einfallendes Strahlenbündel 134 tritt, ein drittes Auge 140 mit einer Pupille 142, durch die ein axial einfallendes Strahlenbündel 144 tritt, ein viertes Auge 150 mit einer Pupille 152, durch die ein schräg einfallendes Strahlenbündel 154. Zu erkennen ist, dass bei dem ersten und zweiten Auge 120, 130 die Brennebene 126 bzw. 136 jeweils mit der Detektorebene übereinstimmt. Bei dem dritten und vierten Auge 140, 150 ist die Brennebene 146 bzw. 156 jeweils versetzt zur Detektorebene 148 bzw. 158. Es wird deutlich, dass bei Akkommodation auf objektseitige Schnittweiten kleiner unendlich die Brennebene 146 bzw. 156 und die Detektorebene 148 bzw. 158 nicht zusammenfallen. Enge Strahlenbündel durch den Knotenpunkt verhalten sich somit geometrisch optisch näherungsweise wie geometrisch optische Strahlen.
Es wurde nunmehr erkannt, dass in realen Systemen das vorstehend erläuterte geometrisch optische Modell an Grenzen stößt, wenn Beugungsphänomene nicht vernachlässigt werden können. Reale Laserstrahlen wie auch theoretische Modelle, wie bspw. Gaußstrahlen, zeigen, dass sich schmale Intensitätsprofile bereits während der Propagation über kurze Distanzen verbreitern. Es wird in diesem Zusammenhang auch auf die Rayleigh Länge und die Strahldivergenz verwiesen, die z. B. über das Strahlparameterprodukt gegeben ist.
Es gilt: $ω_{0} \cdot Θ= M^{2} λ/π$
wobei:

ω₀:: Radius der Strahltaille
Θ:: Divergenzwinkel
λ:: Wellenlänge
π:: Kreiszahl
M²:: M²-Wert, Strahlqualitätsfaktor

Es wurde weiterhin erkannt, dass bei der virtuellen Netzhautanzeige dies bedeutet, dass ein zu schmaler Strahlradius im Knotenpunkt allein aufgrund der Strahldivergenz zu einem fokussierten Spot auf der Netzhaut führt, der für Erzeugung detaillierte Intensitätsmuster auf der Netzhaut zu groß ist.
Es wird daher vorgeschlagen, wellenoptische Eigenschaften bei der Reduzierung des Einflusses des Akkommodationszustandes des Auges des Nutzers auf die erzeugte Intensitätsverteilung auf der Netzhaut zu berücksichtigen. Dabei werden wellenoptische Eigenschaften des Lichts bei der Bestimmung von Designparametern, insbesondere der Lage und/oder Größe der Strahlteile im Strahlengang, berücksichtigt.
7 zeigt in einem ersten Graphen 170, an dessen Abszisse 172 die Ausbreitung z [m] und an dessen Ordinate 174 der Strahldurchmesser w(z) [m] aufgetragen ist, und in einem zweiten Graphen 190, an dessen Abszisse 192 die Ausbreitung z [m] und an dessen Ordinate 194 der Strahldurchmesser w(z) [m] aufgetragen ist, die Verbreiterung des Strahlradius eines ersten Gaußstrahls 178 und eines zweiten Gaußstrahls 198, die unterschiedliche Strahltaillen haben, während Freiraumpropagation.
8 verdeutlicht in schematischen Darstellungen Basisgeometrien und geometrische Randbedingungen an ein strahlenerzeugendes Modul für verschiedene Wellenlängen. Hierzu zeigt die Darstellung drei Anordnungen zur Durchführung des Verfahrens.
Eine erste Anordnung 200 umfasst eine Lichterzeugungseinheit einer ersten Wellenlänge 202, ein Reflexionselement 204 und ein Umlenkelement 206, das in diesem Fall als holografisches optisches Element ausgebildet ist. Die erste Anordnung 200 ist derart eingerichtet, dass von der Lichterzeugungseinheit 202 emittierte Laserstrahlen 208 durch das Reflexionselement 204 so über der Zeit unterschiedlich abgelenkt werden, dass ablenkte Laserstrahlen 210 entstehen, die über das Umlenkelement 206 umgelenkt werden, so dass umgelenkte Laserstrahlen 212 durch eine Pupille 214 eines Auges 216 geführt werden und auf eine Netzhaut 218 des Auges 216 gelangen und dort durch Abtasten bzw. Scannen dieser Netzhaut 218 ein virtuelles Bild erzeugen.
Eine zweite Anordnung 220 umfasst eine Lichterzeugungseinheit einer zweiten Wellenlänge 222, ein Reflexionselement 224 und ein Umlenkelement 226, das in diesem Fall als holografisches optisches Element ausgebildet ist. Die zweite Anordnung 220 ist derart eingerichtet, dass von der Lichterzeugungseinheit 222 emittierte Laserstrahlen 228 durch das Reflexionselement 224 so über der Zeit unterschiedlich abgelenkt werden, dass ablenkte Laserstrahlen 230 entstehen, die über das Umlenkelement 226 umgelenkt werden, so dass umgelenkte Laserstrahlen 232 durch eine Pupille 234 eines Auges 236 geführt werden und auf eine Netzhaut 238 des Auges 236 gelangen und dort durch Abtasten bzw. Scannen dieser Netzhaut 238 ein virtuelles Bild erzeugen.
Eine dritte Anordnung 240 umfasst eine Lichterzeugungseinheit einer dritten Wellenlänge 242, ein Reflexionselement 244 und ein Umlenkelement 246, das in diesem Fall als holografisches optisches Element ausgebildet ist. Die dritte Anordnung 240 ist derart eingerichtet, dass von der Lichterzeugungseinheit 242 emittierte Laserstrahlen 248 durch das Reflexionselement 244 so über der Zeit unterschiedlich abgelenkt werden, dass ablenkte Laserstrahlen 250 entstehen, die über das Umlenkelement 246 umgelenkt werden, so dass umgelenkte Laserstrahlen 252 durch eine Pupille 254 eines Auges 256 geführt werden und auf eine Netzhaut 258 des Auges 256 gelangen und dort durch Abtasten bzw. Scannen dieser Netzhaut 238 ein virtuelles Bild erzeugen.
Nachfolgend werden einige Ausführungen des vorgestellten Verfahrens zur Optimierung der Strahlparameter eines Designs für eine virtuelle Netzhautanzeige anhand von Flussdiagrammen erläutert:

9 zeigt eine erste Ausführungsform eines Verfahrens, bei dem in einem ersten Schritt 300 die grundlegenden Systemgeometrien initialisiert werden. In einem nächsten Schritt 302 werden die geometrischen Bedingungen für die Lichterzeugungseinheit definiert. In einem nächsten Schritt 304 wird die obere und untere Grenze des Strahlpropagationabstands bestimmt. Anschließend wird in einem Schritt 306 das Modell für die Strahlpropagation ausgewählt. Dann werden in einem Schritt 308 Designparameter, der Parameterbereich und Gütefunktionen ausgewählt. Anschließend werden in einem Schritt 310 Gütefunktionen über dem Parameterbereich evaluiert. Abschließend werden in einem Schritt 312 optimale Werte für die Designparameter ausgewählt.

Als Gütefunktionen (engl.: merit functions) bezeichnet man das Gütemaß bei einer Systemoptimierung im Objektdesign. Allgemein bedeutet Optimierung letztendlich, dass ein Extremalpunkt einer reellwertigen Funktion gefunden werden soll. In vielen Fällen setzt sich eine Gütefunktion aus unterschiedlichen, z. T. verschieden stark gewichteten Gütekriterien zusammen. Es kann bspw. der Radius des fokussierten Spots auf einem Detektor für verschiedene Systemkonfigurationen, ggf. gewichtet, aufsummiert werden. Damit ergibt sich eine reellwertige Funktion, deren Werte von den Systemparametern abhängt. Werden z. B. geometrische Parameter variiert, ändert sich im allgemeinen der Wert der Gütefunktion. Dadurch kann das System anhand der Gütefunktion optimiert werden.
Eine zweite Ausführungsform ist in 10 gezeigt. In einem ersten Schritt 320 werden die grundlegenden Systemgeometrien initialisiert. In einem nächsten Schritt 322 werden die geometrischen Bedingungen für die Lichterzeugungseinheit definiert. In einem nächsten Schritt 324 wird die obere und untere Grenze des Strahlpropagationabstands bestimmt. Anschließend wird in einem Schritt 326 das Modell für die Strahlpropagation ausgewählt. Dann werden in einem Schritt 328 Designparameter, der Parameterbereich und Gütefunktionen ausgewählt. Anschließend werden in einem Schritt 330 Gütefunktionen über dem Parameterbereich evaluiert. Abschließend werden in einem Schritt 332 optimale Werte für die Designparameter ausgewählt. Dann wird in einem Schritt 334 die Systemgeometrie auf Konsistenz überprüft. Ist diese konsistent, so endet das Verfahren in einem Schritt 336. Ist dies nicht der Fall, so wird in einem Schritt 338 die Systemgeometrie eingestellt. Dann werden in einem Schritt 340 die geometrischen Bedingungen für die Lichterzeugungseinheit definiert. Es erfolgt anschließend ein Sprung zu Schritt 326.
Eine dritte Ausführungsform ist in 11 gezeigt. In einem ersten Schritt 350 werden die grundlegenden Systemgeometrien initialisiert. In einem nächsten Schritt 352 werden die geometrischen Bedingungen für die Lichterzeugungseinheit definiert. In einem nächsten Schritt 354 wird die obere und untere Grenze des Strahlpropagationabstands bestimmt. Anschließend wird in einem Schritt 356 das Modell für die Strahlpropagation ausgewählt. Dann werden in einem Schritt 358 Designparameter, der Parameterbereich und Gütefunktionen ausgewählt.
Anschließend werden in einem Schritt 360 Gütefunktionen über dem Parameterbereich evaluiert. Abschließend werden in einem Schritt 362 optimale Werte für die Designparameter ausgewählt. Dann wird in einem Schritt 364 die Systemgeometrie auf Konsistenz überprüft. Ist diese konsistent, so endet das Verfahren in einem Schritt 366. Ist dies nicht der Fall, so wird in einem Schritt 368 die Systemgeometrie eingestellt. Dann werden in einem Schritt 370 die geometrischen Bedingungen für die Lichterzeugungseinheit definiert. Es erfolgt anschließend ein Sprung zu Schritt 358.
Eine vierte Ausführungsform ist in 12 gezeigt. In einem ersten Schritt 380 werden die grundlegenden Systemgeometrien initialisiert. In einem nächsten Schritt 382 werden die geometrischen Bedingungen für die Lichterzeugungseinheit definiert. In einem nächsten Schritt 384 wird die obere und untere Grenze des Strahlpropagationabstands bestimmt. Anschließend wird in einem Schritt 386 das Modell für die Strahlpropagation ausgewählt. Dann werden in einem Schritt 388 Designparameter, der Parameterbereich und Gütefunktionen ausgewählt. Anschließend werden in einem Schritt 390 Gütefunktionen über dem Parameterbereich evaluiert. Abschließend werden in einem Schritt 392 optimale Werte für die Designparameter ausgewählt. Dann wird in einem Schritt 394 die Systemgeometrie auf Konsistenz überprüft. Ist diese konsistent, so endet das Verfahren in einem Schritt 396. Ist dies nicht der Fall, so wird in einem Schritt 398 die Systemgeometrie eingestellt. Dann werden in einem Schritt 399 die geometrischen Bedingungen für die Lichterzeugungseinheit definiert. Es erfolgt anschließend ein Sprung zu Schritt 390.
Zusammenfassend ist festzustellen, dass zu Beginn des Verfahrens eine initiale Basisgeomtrie für das RSD-System basierend auf anatomischen und mechanischen Randbedingungen festgelegt wird. Ein Teil des Systems, vorzugsweise die Lichterzeugungseinheit bzw. lichtgebende Einheit, wird dabei als Black-Box abstrahiert. Es werden bspw. Radius und Lage der Strahltaille zwischen Scannereinheit und Knotenpunktlage als Designparameter gewählt.
Gegebenenfalls können weitere Randbedingungen, wie Aperturen, durch die Wahl der Parameterintervalle berücksichtigt werden.
Bei mehrfarbigen Systemen, kann das Verfahren für verschiedene Wellenlängen verwendet werden, um die optimalen System- und Strahlparameter für die verschiedenen Wellenlängen zu ermitteln. Es wird in diesem Zusammenhang auf 8 verwiesen.
Die verschiedenen Spiegelstellungen ergeben obere und untere Schranken für die Weglängen, die das Licht im System zurücklegt. Zur Eingrenzung der Parameterintervalle kann bspw. angenommen werden, dass sich die Strahltaille zwischen Scannergehäuse und Knotenpunktlage im Strahlengang befindet und die Rayleigh Länge nicht kleiner als der Weg von der Taille zur Detektorebene, z. B. der Netzhaut, sein sollte. Auch hier wird auf 8 verwiesen.
Die Propagation durch das System und ggf. ein geeignetes Augenmodell, im einfachsten Fall eine Linse mit variierender Brennweite und festem Abstand zur Detektorebene, d. h. der Netzhaut, kann sowohl mit analytischen als auch numerischen Methoden erfolgen.
Als Gütekriterien kann z. B. die Spotgröße auf der Netzhaut für verschiedene Akkommodationszustände, die mittlere Spotgröße auf der Retina für verschiedene Akkommodationszustände sowie die Standardabweichung oder ein anderes Maß für die Streuung der Spotgröße auf der Retina für verschiedene Akkommodationszustände verwendet werden. Es wird hierzu auf die 9 bis 12 verwiesen.
Im Anschluss an die Ermittlung der optimalen Strahlparameter kann die Auslegung des strahlerzeugenden Moduls mit mindestens einer Lichtquelle mit Kollimationsoptik und ggf. weiteren optischen Elementen zur Strahlmanipulation erfolgen. Es wird hierzu auf 13 verwiesen.
13 zeigt in schematischer Darstellung die Auslegung strahlerzeugender Module unter Berücksichtigung einer späteren Kombination in ein polychromatisches Modul sowie die Verwendung weiterer optischer Elemente zur Manipulation von Radius und Lage der Strahltaille im Strahlengang. Die Darstellung zeigt eine erste Lichterzeugungseinheit 400 einer ersten Wellenlänge 402, eine zweite Lichterzeugungseinheit 410 einer zweiten Wellenlänge 412 und eine dritte Lichterzeugungseinheit 420 einer dritten Wellenlänge 422.
(Was ist hier auf der rechten Seite gezeigt, was ist insbesondere mit Bezugsziffer 430, 432 und 434 bezeichnet?)
14 zeigt in schematischer Darstellung die Basisgeometrie und geometrische Randbedingungen für eine polychromatische virtuelle Netzhautanzeige nach Kombination monochromatisch optimierter strahlerzeugender Module. Die Darstellung zeigt eine Anordnung 500 zur Durchführung des Verfahrens, die eine Lichterzeugungseinheit 502, ein Reflexionselement 504 und ein Umlenkelement 506, das in diesem Fall als holografisches optisches Element ausgebildet ist, umfasst. Die Anordnung 500 ist derart eingerichtet, dass von der Lichterzeugungseinheit 502 emittierte Laserstrahlen 508 durch das Reflexionselement 504 so über der Zeit unterschiedlich abgelenkt werden, dass abgelenkte Laserstrahlen 510 entstehen, die über das Umlenkelement 506 umgelenkt werden, so dass umgelenkte Laserstrahlen 512 durch eine Pupille 514 eines Auges 516 geführt werden und auf eine Netzhaut 518 des Auges 516 gelangen und dort durch Abtasten bzw. Scannen dieser Netzhaut 518 ein virtuelles Bild erzeugen.
Zu beachten ist, dass in der Darstellung Strahlenbündel unterschiedlicher Farben dargestellt sind.
Zu beachten ist, dass je nach Design des strahlerzeugenden Moduls eine Anpassung der Basisgeometrie und eine Iteration des Verfahrens zu bevorzugen ist. Es wird auf 9 bis 12 und 14 verwiesen. Nach Optimierung der Strahlparameter für verschiedene Wellenlängen können die Anforderungen an die strahlerzeugenden Module in Anforderungen für ein polychromatisches strahlerzeugendes Modul überführt werden. Gegebenenfalls kann auch hier eine iterative Vorgehensweise bessere Ergebnisse liefern. Es wird auf 9 bis 12 sowie 13 und 14 verwiesen.
Zur Realisierung der optimalen Strahlparameter können im strahlerzeugenden Modul ggf. weitere optische Elemente, vorzugsweise refraktive oder auch diffraktive Linse, eingesetzt werden. Wie in vorstehend beschrieben ist, können einzelne Linsen oder auch Linsenkombinationen wie z.B. 4f-Aufbauten, verwendet werden, um Lage und Radius der Strahltaille zu beeinflussen. Ggf. ist wiederum eine Anpassung der Basisgeometrie und der geometrischen Randbedingungen im Rahmen eines iterativen Prozesses zu bevorzugen. Es wird auf 9 bis 12 sowie 13 und 14 verwiesen.
Ein 4f-Aufbau ist ein 1-1-Teleskop mit zwei Linsen gleicher Brennweite (f) im Abstand der zweifachen Brennweite voneinander im Strahlengang. Die Gesamtlänge von der vorderen Brennebene der ersten Linse zur hinteren Brennebene der zweiten Linse beträgt dann 4f.
Weiterhin ist zu berücksichtigen, dass das beschrieben Verfahren auch für den Entwurf integrierter optischer Module für die Strahlerzeugung anwendbar.
Bisherige Simulationen haben gezeigt, dass die geometrischen Randbedingungen in realen Systemen nur einen engen Parameterraum zulassen, in dem eine virtuelle Netzhautanzeige annähernd fokusfrei ist. Die sogenannte Fokusfreiheit ist nicht, wie die geometrisch optischen Argumente nahelegen, einen inhärente Systemeigenschaft, sondern muss durch Optimierung der Strahleigenschaften gestaltet werden. Diese Eigenschaft lässt sich am Produkt direkt nachmessen, indem z. B. in einem einfachen Augenmodell bestehend aus einer Linse und einem Detektor in festem Abstand, die auf dem Detektor erzeugte Lichtintensitätsverteilung für verschiedene Brennweiten, d. h. Akkommodationszustände, ermittelt wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102015213376 A1 [0002]

Claims

Verfahren zum Durchführen einer virtuellen Netzhautanzeige, bei dem mit einer Lichterzeugungseinheit (12, 202, 222, 242, 400, 410, 420, 502) ein Lichtstrahl erzeugt wird, der über ein Reflexionselement (14, 204, 224, 244, 504) so abgelenkt wird, das ein Strahlenbündel entsteht, das über ein Umlenkelement (16, 206, 226, 246, 506) auf eine Netzhaut (28, 58, 78, 218) eines Auges (26, 50, 70, 90, 100, 120, 130, 140, 150, 216, 236, 256) gelenkt wird, wobei bei einer Reduzierung des Einflusses des Akkommodation des Auges (26, 50, 70, 90, 100, 120, 130, 140, 150, 216, 236, 256) auf eine erzeugte Intensitätsverteilung auf der Netzhaut (28, 58, 78, 218) wellenoptische Eigenschaften des Strahlenbündels berücksichtigt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem ein holografisches Umlenkelement (16, 206, 226, 246, 506) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem Lage und Größe von Strahltaillen im Strahlengang unter Berücksichtigung der wellenoptischen Eigenschaften bestimmt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem in einem ersten Schritt grundlegende Geometrien einer Anordnung (10, 200, 220, 240, 500) zur Durchführung des Verfahrens initialisiert werden, in einem nächsten Schritt geometrische Bedingungen für eine Lichterzeugungseinheit (12, 202, 222, 242, 400, 410, 420, 502) der Anordnung (10, 200, 220, 240, 500) definiert werden, in einem nächsten Schritt eine obere und untere Grenze eines Strahlpropagationabstands bestimmt wird, dann ein Modell für die Strahlpropagation ausgewählt wird und dann Designparameter, ein Parameterbereich und Gütefunktionen ausgewählt werden und abschließend optimale Werte für Designparameter ausgewählt werden.
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die Geometrie der Anordnung (10, 200, 220, 240, 500) auf Konsistenz geprüft wird.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem, falls die Überprüfung ergibt, dass die Anordnung (10, 200, 220, 240, 500) nicht konsistent ist, die Geometrie der Anordnung (10, 200, 220, 240, 500) erneut eingestellt wird.
Anordnung zum Durchführen einer virtuellen Netzhautanzeige, die zum Durchführen eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 eingerichtet ist.
Anordnung nach Anspruch 7, die ein Lichterzeugungseinheit (12, 202, 222, 242, 400, 410, 420, 502), ein Reflexionselement (14, 204, 224, 244, 504) und ein Umlenkelement (16, 206, 226, 246, 506) umfasst.
Anordnung nach Anspruch 8, bei der die Lichterzeugungseinheit (12, 202, 222, 242, 400, 410, 420, 502) dazu eingerichtet ist, einen Laserstrahl zu erzeugen, das Reflexionselement (14, 204, 224, 244, 504) als MEMS-Reflexionselement und das Umlenkelement (16, 206, 226, 246, 506) als holografisches Umlenkelement ausgebildet ist.