DE102018219477A1

DE102018219477A1 - Method for performing a virtual retina display and deflection element for a virtual retina display

Info

Publication number: DE102018219477A1
Application number: DE102018219477.7A
Authority: DE
Inventors: Stefanie Hartmann; Simone Hoeckh; 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

Abstract

Verfahren zum Durchführen einer virtuellen Netzhautanzeige, bei dem mit einer Lichterzeugungseinheit ein Lichtstrahl erzeugt wird, der auf ein Reflexionselement geleitet wird, das dazu eingerichtet ist, ein Strahlenbündel (208) zu erzeugen, das über ein Umlenkelement (202) durch eine Pupille eines Auges (200) auf die Netzhaut des Auges (200) projiziert wird, so dass auf der Netzhaut ein virtuelles Bild erzeugt wird, wobei Kegelachsen für Lichtkegel einzelner Eyeboxen bezüglich verschiedener Blickrichtungen ausgerichtet werden.Method for performing a virtual retinal display, in which a light beam is generated with a light generating unit, which is directed onto a reflection element, which is set up to generate a beam (208), which is passed through a pupil of an eye (202) via a deflection element (202) 200) is projected onto the retina of the eye (200), so that a virtual image is generated on the retina, cone axes for light cones of individual eyeboxes being aligned with respect to different viewing directions.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Durchführen einer virtuellen Netzhautanzeige und ein Umlenkelement für eine virtuelle Netzhautanzeige.The invention relates to a method for performing a virtual retinal display and a deflection element for a virtual retinal display.

Stand der TechnikState of the art

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.From the publication DE 10 2015 213 376 A1 A projection device for data glasses is known which has at least one light source for emitting a light beam and at least one holographic element arranged on a spectacle lens of the data glasses for projecting an image onto a retina of a user of the data glasses by deflecting and / or focusing the light beam onto an eye lens Has users.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Vor diesem Hintergrund werden ein Verfahren gemäß Anspruch 1 sowie ein Umlenkelement mit den Merkmalen des Anspruchs 8 vorgestellt. Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und aus der Beschreibung.Against this background, a method according to claim 1 and a deflection element with the features of claim 8 are presented. Embodiments result from the dependent claims and from the description.

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. The retina or retina, which is also called the inner eye skin, is the multi-layered, specialized nerve tissue that lines the inside of the eye. After passing through the cornea, lens and vitreous body of the eye, the incident light is redirected into nerve impulses in the retina. The retina thus represents a kind of projection surface for imaging the surroundings, similar to a canvas or a light-sensitive film, and transmits the excitations caused by light stimuli to brain regions.

Mit dem Begriff virtuelle Netzhautanzeige (VNA, engl. Virtual Scan 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.The term virtual retinal display (VNA, Virtual Scan Display, Retinal Scan (ner) Display or Retinal Image Display) describes a display technology that draws a raster image directly on the retina of the eye. The user gets the impression of a canvas floating in front of him.

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 Anzeigensystemen, sogenannten Helmet-Mounted Displays (HMD) bzw. Head-Worn Displays (HWD), eingesetzt. Die Retina Scanner Display Technologien 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. Ein typischer Ansatz hierfür ist das Abtasten bzw. Scannen mindestens eines Laserstrahls mittels eines MEMS-Spiegels (MEMS: Mikroelektromechanisches System) über ein Umlenkelement.Arrangements for carrying out a virtual retinal display, which are also referred to herein as retina scanner displays (RSD), are used in hands-free display systems, so-called helmet-mounted displays (HMD) or head-worn displays (HWD) . The Retina scanner display technologies make it possible to produce light, slim augmented reality (AR) glasses (augmented reality) with an attractive design similar to correction glasses or sunglasses, and to provide the user with information that is displayed, e.g. B. superimpose or supplement the perception of the real environment. A typical approach for this is the scanning or scanning of at least one laser beam by means of a MEMS mirror (MEMS: microelectromechanical system) via a deflection element.

Das Grundprinzip der virtuellen Netzhautanzeige besteht darin, dass mindestens ein Laserstrahl derart mittels z. B. mindestens eines beweglich gelagerten Reflexionselements, bspw. eines 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.The basic principle of the virtual retinal display is that at least one laser beam by means of z. B. at least one movably mounted reflection element, for example a mirror, is scanned and scanned and passed over a deflection element, for example a holographic optical element (HOE) or a free-form mirror, such that a node in the position of the pupil (iris) of the user arises. By moving the mirror, the beam passing through the eye lens can be scanned over the retina, so that when the laser sources are activated appropriately, light stimuli on the retina and thus image impressions of virtual objects can be generated as a function of the mirror position.

Das vorgestellte Umlenkelement ist typischerweise eine Komponente einer Anordnung zum Durchführen einer virtuellen Netzhautanzeige, wobei die Anordnung regelmäßig neben dem Umlenkelement eine Lichterzeugungseinheit und ein Reflexionselement, bspw. einen MEMS-Spiegel, umfasst. Diese Anordnung mit dem besonders ausgestalteten Umlenkelement ist ebenfalls Gegenstand der hierin vorgestellten Erfindung.The deflection element presented is typically a component of an arrangement for carrying out a virtual retinal display, the arrangement regularly comprising a light generation unit and a reflection element, for example a MEMS mirror, in addition to the deflection element. This arrangement with the specially designed deflection element is also the subject of the invention presented here.

Mit dem vorgestellten, insbesondere holografischen Umlenkelement ist es möglich, die Netzhaut eines Auges zu erfassen bzw. zu scannen und/oder auf die Netzhaut Bilder zu projizieren. Hierzu ist vorgesehen, sogenannte Eyeboxen auf die Netzhaut zu projizieren. Unter einer Eyebox, die auch als Austrittspupille (engl.: Exit Pupil) bezeichnet wird, ist der Raumbereich zu verstehen, in dem sich die Pupille des Nutzers befinden muss, um den virtuellen Bildinhalt wahrnehmen zu können.With the presented, in particular holographic deflection element, it is possible to capture or scan the retina of an eye and / or to project images onto the retina. For this purpose, it is planned to project so-called eyeboxes onto the retina. An eyebox, which is also referred to as an exit pupil, is to be understood as the area in which the user's pupil must be located in order to be able to perceive the virtual image content.

Das beschriebene Verfahren dient zum Durchführen einer virtuellen Netzhautanzeige, wobei hierfür typischerweise eine Anordnung zum Durchführen einer virtuellen Netzhautanzeige eingesetzt wird. Diese Anordnung umfasst unter anderem ein Umlenkelement, bspw. ein holografisches Umlenkelement, das mehrere unterschiedliche funktionale Bereiche umfasst. The method described serves to carry out a virtual retinal display, an arrangement for carrying out a virtual retinal display being typically used for this. This arrangement includes, among other things, a deflection element, for example a holographic deflection element, which comprises several different functional areas.

In diesem Zusammenhang bezeichnet der Begriff funktionaler Bereich, z. B. in einem bspw. holografischen Umlenkelement, einen geometrischen Bereich, z. B. ein Subhologramm, des Umlenkelements. Ein funktionaler Bereich erfüllt dabei eine definierte optische Funktion für eine definierte Wellenfront oder für definierte Wellenfronten, z. B. die Umlenkung einer ersten einfallenden Wellenfront in eine zweite gebeugte Wellenfront. Insbesondere kommen hier Subhologramme in Betracht, deren Gesamtheit das gesamte Umlenkelement bilden, die aber bspw. lokal die vorzugsweise disjunkten Grundflächen von einem MEMS (MEMS: Microelectromechanical System) ausgehenden kegelförmigen Raumsegmenten bilden. Vom MEMS in diese Raumsegmente bzw. -bereiche gelenktes Laserlicht wird dann von der beugenden Struktur im funktionalen Bereich in einen zugeordneten zweiten Raumbereich abgelenkt. Damit kann z. B. im Falle eines RSD eine sogenannte Austrittspupillenvervielfältigung realisiert werden. Dies kann z. B. realisiert werden, indem unterschiedliche funktionale Bereiche die einfallenden Strahlen wiederum in vorzugsweise getrennte kegelförmige Raumbereiche ablenkt. Dies kann bspw. derart geschehen, dass auch die gebeugten Strahlen wiederum kegelförmig in einem dem funktionalen Bereich zugeordneten, idealerweise punktförmigen Ort, auch Austrittspupille genannt, zusammenlaufen. Ein in der Austrittspupille platziertes Auge kann nun durch Modulation, insbesondere farbliche Zusammensetzung und Helligkeit, im einfachsten Fall durch Ein- und Ausschalten, der auf den funktionalen Bereich einfallenden Strahlen mit Lichtreizen auf der Retina für die Darstellung von virtuellen bzw. überlagerten, bspw. augmentierten, Bildinhalten bedient werden.In this context, the term functional area, e.g. B. in a holographic deflection element, for example, a geometric area, e.g. B. a sub-hologram of the deflecting element. A functional area fulfills a defined optical function for a defined wavefront or for defined wavefronts, e.g. B. the deflection of a first incident wavefront into a second diffracted wavefront. In particular, subholograms come into consideration here, the entirety of which form the entire deflecting element, but which, for example, locally form the preferably disjunct base areas of a conical space segment originating from a MEMS (MEMS: Microelectromechanical System). Laser light directed into these room segments or areas by the MEMS is then deflected by the diffractive structure in the functional area into an assigned second room area. So z. B. in the case of an RSD, a so-called exit pupil duplication can be realized. This can e.g. B. can be realized by different functional areas in turn deflecting the incident rays into preferably separate conical spatial areas. This can be done, for example, in such a way that the diffracted beams also converge in a conical shape in an ideally punctiform location assigned to the functional area, also called an exit pupil. An eye placed in the exit pupil can now by modulation, in particular color composition and brightness, in the simplest case by switching on and off, the rays incident on the functional area with light stimuli on the retina for the representation of virtual or superimposed, e.g. augmented , Image content can be operated.

Gemäß dem vorgestellten Verfahren werden die Kegelachsen für die Lichtkegel der einzelnen Eyeboxen bezüglich verschiedener Blickrichtungen ausgerichtet. Dabei ist insbesondere die Positionierung der Vertices verschiedener Eyeboxen auf einer gekrümmten Fläche und nicht nur, wie dies bei bislang bekannten Verfahren der Fall ist, in einer Ebene vorteilhaft. Zudem besteht die Möglichkeit, durch die Neigung der Kegelachsen verschiedener Eyeboxen zueinander die zugehörigen Bereiche auf dem Umlenkelement zu trennen oder den Überlappungsbereich zumindest zu reduzieren.According to the method presented, the cone axes for the light cones of the individual eyeboxes are aligned with respect to different viewing directions. The positioning of the vertices of different eyeboxes on a curved surface is advantageous, and not only in one plane, as is the case with previously known methods. In addition, there is the possibility of separating the associated areas on the deflection element or at least reducing the overlap area by the inclination of the cone axes of different eyeboxes to one another.

Vertex bezeichnet allgemein den Schnittpunkt eines optischen Elements mit der optischen Achse. Im Zusammenhang des beschriebenen Verfahrens bezeichnet Vertex die Spitze des Kegels, der von den gescannten Strahlen gebildet wird und somit die Position der Austrittspupille.Vertex generally refers to the intersection of an optical element with the optical axis. In the context of the described method, Vertex denotes the tip of the cone, which is formed by the scanned rays and thus the position of the exit pupil.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.Further advantages and refinements of the invention result from the description and the accompanying drawings.

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.It goes without saying that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the combination specified in each case, but also in other combinations or on their own without departing from the scope of the present invention.

FigurenlisteFigure list

1 shows in a schematic representation the scanning of an angular range with a beam.
2nd shows in a further schematic representation the scanning of an angular range with a beam.
3rd shows a schematic representation of the limiting radiation geometry from the deflecting element to the retina.
4th shows a schematic representation of a virtual retinal display.
5 shows the focusing of sections of parallel beams of large diameter.
6 shows multiple eyeboxes with vertices in one plane and lateral displacement of the eye position.
7 shows multiple eyeboxes with vertices in one plane and rotation of the eye.
8th shows multiple eyeboxes with vertices in one plane and rotation of the eye with longitudinal displacement of the vertex and pupil.
9 shows multiple eyeboxes with vertices on a curved surface and rotation of the eye.
10th shows multiple eyeboxes with vertices on a curved surface and rotation of the eye as well as lateral displacement of the obliquely incident eyebox.
11 shows an arrangement of the eyebox vertices on a curved surface to optimize the alignment of the cone axis with respect to the viewing axis and separation of the base areas of the eyebox light cone on the deflecting element.
12 shows eyebox vertices for looking straight ahead and secondary eyebox vertices to compensate for lateral misalignment.
13 shows eyebox vertices for viewing directions with rotated eyeball and secondary eyebox vertices to compensate for lateral misalignment.
14 shows the operation of a pupil with different eyebox vertices for viewing direction straight, viewing direction when looking straight ahead and lateral displacement and viewing direction when the eyeball is rotated.
15 shows the operation of the pupil with different eyebox vertices for viewing direction straight ahead, viewing direction when the eyeball is rotated and viewing direction with the eyeball rotated and lateral offset.
16 shows eyebox vertices for looking straight ahead and secondary eyebox vertices to compensate for lateral misalignment with a reduced distance between the eyebox vertices.
17th shows eyebox vertices for viewing directions when the eyeball is rotated and secondary eyebox vertices to compensate for lateral misalignment with a reduced distance between the eyebox vertices.
18th shows primary eyebox vertices for looking straight ahead and a viewing direction for a rotated eyeball and secondary eyebox vertices to compensate for lateral misalignment with a reduced distance between the eyebox vertices.
19th shows a design approach for eyebox concepts based on a combination of planar and curved vertex surfaces.
20th shows a design approach for eyebox concepts based on a combination of planar and curved vertex surfaces.
21st shows overlapping deflection areas for different eyebox orientations.
22 shows a cross-talk of different eyebox orientations.
23 shows a geometry for estimating the acceptance angle as a function of the pupil size.
24th shows obliquely incident light cones for different eyebox positions.
25th shows a lateral offset of the focal points when light falls from different angles.

Ausführungen der ErfindungEmbodiments of the invention

Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.The invention is shown schematically in the drawings using embodiments and is described in detail below with reference to the drawings.

1 verdeutlicht ein Abtasten bzw. Scannen eines Winkelbereichs mit einem wellenoptischen Strahl oder einem geometrisch optischen Strahlenbündel über einen MEMS-Spiegel (MEMS: Microelectromechanical System), der insgesamt mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet ist. Die Darstellung zeigt weiterhin eine erste MEMS-Spiegelachse 12, eine zweite MEMS-Spiegelachse 14 und ein kollimiertes Strahlenbündel 16 bzw. einen Strahl. Weiterhin ist eine Einhüllende 18 der reflektierten Strahlenbündel oder Strahlen dargestellt. 1 illustrates a scanning or scanning of an angular range with a wave-optical beam or a geometrically optical bundle of rays via a MEMS mirror (MEMS: Microelectromechanical System), all of which is identified by the reference number 10th is designated. The illustration also shows a first MEMS mirror axis 12 , a second MEMS mirror axis 14 and a collimated beam 16 or a ray. There is also an envelope 18th of the reflected beams or rays.

2 verdeutlicht ebenfalls ein Abtasten eines Winkelbereichs mit einem wellenoptischen Strahl oder einem geometrisch optischen Strahlenbündel über einen MEMS-Spiegel (MEMS: Microelectromechanical System), der insgesamt mit der Bezugsziffer 30 bezeichnet ist. Die Darstellung zeigt weiterhin eine erste MEMS-Spiegelachse 32, eine zweite MEMS-Spiegelachse 34 und ein kollimiertes Strahlenbündel 36 bzw. einen Strahl. Weiterhin ist eine Einhüllende 38 der reflektierten Strahlenbündel oder Strahlen dargestellt. 2nd also illustrates a scanning of an angular range with a wave-optical beam or a geometrically optical beam via a MEMS mirror (MEMS: Microelectromechanical System), which is referred to as a whole by the reference number 30th is designated. The illustration also shows a first MEMS mirror axis 32 , a second MEMS mirror axis 34 and a collimated beam 36 or a ray. There is also an envelope 38 of the reflected beams or rays.

Das hierin vorgestellte Umlenkelement lenkt einfallendes Licht, wie z. B. das vom Spiegel in einem kegel- oder pyramidenförmigen Raumbereich auseinfallende Licht, derart um, dass die Strahlengänge wiederum, z. B. kegel- oder pyramidenförmig, im Bereich der Pupille des Auges des Nutzers zusammenlaufen. Somit kann in einem maßgeblich vom Auslenkwinkel des Reflexionselements, bspw. einem MEMS-Spiegel, vorgegebenen Winkelbereich der Laserstrahl über die Netzhaut gescannt werden kann.The deflection element presented here directs incident light, such as. B. the incident light from the mirror in a conical or pyramid-shaped area, in such a way that the beam paths in turn, for. B. conical or pyramidal, converge in the area of the pupil of the eye of the user. The laser beam can thus be scanned over the retina in an angular range that is largely determined by the deflection angle of the reflection element, for example a MEMS mirror.

3 zeigt ein Umlenkelement 50 zusammen mit einem Auge 52, das eine Pupille 54 und eine Netzhaut 56 umfasst. Die Darstellung verdeutlicht die begrenzende Strahlengeometrie des Umlenkelements 50 zur Netzhaut 56 für eine Eyebox 58 einer virtuellen Netzhautanzeige. In der Darstellung sind weiterhin gezeigt ein Durchmesser eines Kegels r_cone 60, ein Winkel α 62 und ein Abstand eines Vertex d_vertex 64. 3rd shows a deflecting element 50 together with one eye 52 that's a pupil 54 and a retina 56 includes. The illustration illustrates the limiting radiation geometry of the deflecting element 50 to the retina 56 for an eyebox 58 a virtual retina display. The illustration also shows a diameter of a cone r _cone 60 , an angle α 62 and a distance of a vertex d _vertex 64 .

Der Kegeldurchmesser korreliert mit dem Winkel des Gesichtsfelds α (engl.: Field of View FoV) und der Entfernung zum Vertex. Je größer das Gesichtsfeld im Winkelraum, d. h. je größer α, desto größer ist auch die Grundfläche des Kegels auf dem Umlenkelement 50.The cone diameter correlates with the angle of the field of view FoV and the distance to the vertex. The larger the field of view in the angular space, ie the larger α, the larger the base area of the cone on the deflection element 50 .

Die somit auf der Netzhaut erzeugten Lichtreize können, bei entsprechender Koordination von Spiegelposition und Beleuchtung, zur Darstellung von virtuellen Bildinhalten genutzt werden.The light stimuli thus generated on the retina can, with appropriate coordination of mirror position and lighting, be used to display virtual image content.

4 zeigt in schematischer Darstellung eine virtuelle Netzhautanzeige. Zu berücksichtigen ist, dass die Anordnung zum Durchführen der virtuellen Netzhautanzeige durch Verdopplung auch stereoskopisch realisiert werden kann. Die Darstellung zeigt einen ersten Augapfel 70, einen zweiten Augapfel 72, eine erste Pupille 74, eine zweite Pupille 76, einen Augenabstand 78, einen Abstand 80 von Auge zu Brillenglas, ein erstes Brillenglas 82 und ein zweites Brillenglas 84 mit z. B. holografischer Schicht als Umlenker, einen Rahmen 86, ein Packaging 88 für Lichtquelle(n), Mikrospiegel und Elektronik, abgetastete Strahlen 90 und eine Netzhaut 92. 4th shows a schematic representation of a virtual retinal display. It should be taken into account that the arrangement for performing the virtual retinal display can also be implemented stereoscopically by doubling. The illustration shows a first eyeball 70 , a second eyeball 72 , a first pupil 74 , a second pupil 76 , an eye relief 78 , a distance 80 from eye to lens, a first lens 82 and a second lens 84 with z. B. holographic layer as deflector, a frame 86 , a packaging 88 for light source (s), micromirrors and electronics, scanned beams 90 and a retina 92 .

Aufgrund der begrenzten Pupillenweite ist es notwendig, dass der Vertex des Kegels, der die Einhüllende der umgelenkten Strahlengänge bildet, möglichst mittig in der Pupille liegt, um den Winkelbereich, in dem Strahlen durch die Pupille treten und auf die Netzhaut treffen können, möglichst maximal auszunutzen. Daraus ergeben sich jedoch hohe Anfälligkeiten bezüglich Positionstoleranzen und Augenbewegungen.Due to the limited pupil width, it is necessary that the vertex of the cone, which forms the envelope of the deflected beam paths, lies as centrally as possible in the pupil in order to make maximum use of the angular range in which rays pass through the pupil and can hit the retina . However, this results in high susceptibility to position tolerances and eye movements.

Bekannte Lösungen sehen daher den Einsatz von Laserstrahlen mit Durchmessern vor, die ausreichend groß sind, um die gesamte Pupille und vorzugsweise einen größeren Bereich zur Kompensation von Augenbewegungen zu überdecken. Die verschiedenen möglichen Ausschnitte, die z. B. bei lateralem Versatz auf die Pupille treffen, können dann bspw. geometrisch optisch als Ausschnitte aus einem parallelen Strahlenbündel betrachtet werden, die auf gleiche Weise fokussiert werden. Da nur ein Lichtkegel erzeugt wird, ist dieses Verfahren unanfällig für Drehungen des Auges. Ein großer Nachteil ist allerding der benötigte Strahldurchmesser, da dieser meist durch die Apertur des MEMS-Spiegels begrenzt wird.Known solutions therefore provide for the use of laser beams with diameters that are sufficiently large to cover the entire pupil and preferably a larger area to compensate for eye movements. The various possible excerpts, e.g. B. hit the pupil with a lateral offset, then, for example, can be viewed geometrically optically as sections from a parallel beam, which are focused in the same way. Since only one cone of light is generated, this method is not susceptible to eye rotations. A major disadvantage is the required beam diameter, since this is usually limited by the aperture of the MEMS mirror.

Alternativ können Strahlen mit sehr kleinen Durchmessern verwendet werden, um mehrere Kegel zu bilden, deren Vertices in einer Ebene, meist senkrecht zur Achse des zentralen Kegels beim geradeaus gerichteten Blick, liegen. Bei engen Vertexabständen überlappen sich hier jedoch die einzelnen Kegel auf dem Umlenkelemente, so dass z. B. mehrere Wellenlängen in Kombination mit verschiedenen holografischen Umlenkelementen verwendet werden müssen.Alternatively, beams with very small diameters can be used to form several cones, the vertices of which lie in one plane, usually perpendicular to the axis of the central cone when looking straight ahead. In the case of narrow vertex distances, however, the individual cones overlap on the deflection elements, so that, for. B. several wavelengths must be used in combination with different holographic deflection elements.

5 zeigt die Fokussierung von Ausschnitten paralleler Strahlenbündel mit großem Durchmesser relativ zum Pupillendurchmesser. Hierzu zeigt die Darstellung ein Auge 100, ein Augendurchmesser r_eye 102, ein Durchmesser einer Iris r_iris 104, C_eye 106 und ein Strahlenbündel 108. C_eye bezeichnet das Zentrum des Auges 100. 5 shows the focusing of sections of parallel beams with a large diameter relative to the pupil diameter. The illustration shows an eye for this 100 , an eye diameter r _eye 102 , a diameter of an iris r _iris 104 , C _eye 106 and a bundle of rays 108 . C _eye denotes the center of the eye 100 .

6 zeigt multiple Eyeboxen mit Vertices in einer Ebene und lateralem Versatz der Augenposition. Die Darstellung zeigt ein Auge 120, ein Umlenkelement 122, einen Abstand eines Vertex zum Umlenkelement 122 d_vertex 124, ein Strahlenbündel 128 und zwei Winkel α 130 sowie einen Durchmesser eines Kegels r_cone 132. 6 shows multiple eyeboxes with vertices in one plane and lateral displacement of the eye position. The illustration shows one eye 120 , a deflecting element 122 , a distance from a vertex to the deflecting element 122 d _vertex 124 , a bundle of rays 128 and two angles α 130 and a diameter of a cone r _cone 132 .

Es wurde erkannt, dass neben den vorstehend genannten technischen Schwierigkeiten, wie z. B. der Begrenzung durch die Spiegel-Apertur bei der Erzeugung einer großen Eyebox oder der Verwendung mehrerer Lichtquellen zur Trennung der Wellenlängen bei mehreren Eyeboxen, sich auch Mängel aus der Geometrie der einfallenden Lichtkegel ergeben, wenn diese alle mit parallelen Achsen angeordnet werden. Diese Anordnung ist im Falle von lateralen Verschiebungen hilfreich, bei Rotationen des Auges kann es jedoch sehr schnell zu Abschattung von Teilen des Winkelbereichs kommen, vor allem wenn der Vertex der Eyebox bzw. Austrittspupille nicht optimal im Bereich der Pupille positioniert ist.It has been recognized that in addition to the technical difficulties mentioned above, such as. B. the limitation by the mirror aperture when generating a large eyebox or the use of several light sources to separate the wavelengths in several eyeboxes, there are also defects from the geometry of the incident light cones if they are all arranged with parallel axes. This arrangement is helpful in the case of lateral displacements, but when the eye rotates, parts of the angular range can very quickly be shaded, especially if the vertex of the eyebox or exit pupil is not optimally positioned in the area of the pupil.

7 zeigt multiple Eyeboxen mit Vertices in einer Ebene und Rotation des Auges. Die Darstellung zeigt ein Auge 140, ein Umlenkelement 142, einen Abstand eines Vertex zum Umlenkelement 142 d_vertex 144, ein Strahlenbündel 148 und zwei Winkel α 150 sowie einen Durchmesser eines holgraphischen Umlenkelements r_HOE 152. 7 shows multiple eyeboxes with vertices in one plane and rotation of the eye. The illustration shows one eye 140 , a deflecting element 142 , a distance from a vertex to the deflecting element 142 d _vertex 144 , a bundle of rays 148 and two angles α 150 and a diameter of a holgraphic deflection element r _HOE 152 .

8 zeigt multiple Eyeboxen mit Vertices in einer Ebene und Rotation des Auges bei longitudinalem Versatz von Vertex und Pupille. Die Darstellung zeigt ein Auge 160, ein Umlenkelement 162, ein Abstand eines Vertex d_vertex 164, ein Strahlenbündel 168 und zwei Winkel α 170 sowie ein Durchmesser eines holgraphischen Umlenkelements r_HOE 172. Der Doppelpfeil 174 zeigt den Abstand vom Vertex des oberen Lichtkegels zum Augapfel bzw. zur Pupille an. 8th shows multiple eyeboxes with vertices in one plane and rotation of the eye with longitudinal displacement of the vertex and pupil. The illustration shows one eye 160 , a deflecting element 162 , a distance of a vertex d _vertex 164 , a bundle of rays 168 and two angles α 170 and a diameter of a holgraphic deflection element r _HOE 172 . The double arrow 174 shows the distance from the vertex of the upper cone of light to the eyeball or pupil.

Es wird nunmehr angestrebt, die Kegelachse bezüglich der Blickrichtung auszurichten, so dass eine optimale Ausnutzung des gescannten Winkelbereichs auf der Netzhaut möglich ist.The aim now is to align the cone axis with respect to the viewing direction, so that optimal use of the scanned angular range on the retina is possible.

Es ist nunmehr die Ausrichtung der Kegelachsen für die Lichtkegel der einzelnen Eyeboxen bezüglich verschiedener Blickrichtungen vorgesehen. Dabei ist insbesondere die Positionierung der Vertices verschiedener Eyeboxen auf einer gekrümmten Fläche und nicht nur, wie beim Stand der Technik, in einer Ebene, von Vorteil. Zudem besteht die Möglichkeit, durch die Neigung der Kegelachsen verschiedener Eyeboxen zueinander die zugehörigen Bereiche auf dem Umlenkelement zu trennen oder den Überlappungsbereich zumindest zu reduzieren. Es wird hierzu auf die 8 und 9 verwiesen.The alignment of the cone axes for the light cones of the individual eyeboxes with respect to different viewing directions is now provided. The positioning of the vertices of different eyeboxes on a curved surface and not only in one plane, as in the prior art, is particularly advantageous. In addition, there is the possibility of separating the associated areas on the deflection element or at least reducing the overlap area by the inclination of the cone axes of different eyeboxes to one another. It will refer to the 8th and 9 referred.

9 zeigt multiple Eyeboxen mit Vertices auf einer gekrümmten Fläche und Rotation des Auges. Die Darstellung zeigt ein Auge 200, ein Umlenkelement 202, einen Abstand eines Vertex zum Umlenkelement 202 d_vertex 204, ein Strahlenbündel 208 und zwei Winkel α 210 sowie einen Durchmesser eines Kegels r_cone 212. 9 shows multiple eyeboxes with vertices on a curved surface and rotation of the eye. The illustration shows one eye 200 , a deflecting element 202 , a distance from a vertex to the deflecting element 202 d _vertex 204 , a bundle of rays 208 and two angles α 210 and a diameter of a cone r _cone 212 .

10 zeigt mutiple Eyeboxen mit Vertices auf einer gekrümmten Fläche und Rotation des Auges sowie einer lateralen Verschiebung des schräg einfallenden Eyebox. Die Darstellung zeigt ein Auge 220, ein Umlenkelement 222, einen Abstand eines Vertex zum Umlenkelement 222 d_vertex 224, ein Strahlenbündel 228 und zwei Winkel α 230 sowie einen Durchmesser eines Kegels r_cone 232. 10th shows multiple eyeboxes with vertices on a curved surface and rotation of the eye as well as a lateral displacement of the obliquely incident eyebox. The illustration shows one eye 220 , a deflecting element 222 , a distance from a vertex to the deflecting element 222 d _vertex 224 , a bundle of rays 228 and two angles α 230 and a diameter of a cone r _cone 232 .

In einer Ausführungsform können die Eyeboxen für verschiedene Blickrichtungen auf einer gekrümmten Fläche, im einfachsten Fall eines sphärischen Augenmodells auf einer konzentrischen Sphäre mit vergleichbarem Durchmesser, angeordnet werden. Damit sind die Kegelachsen der Eyeboxen kollinear zu den Achsen der Blickrichtungen und der Öffnungskegel kann bei mittiger Platzierung des Kegelvertex in der Pupille den Pupillendurchmesser optimal ausnutzen.In one embodiment, the eyeboxes can be arranged for different viewing directions on a curved surface, in the simplest case of a spherical eye model on a concentric sphere with a comparable diameter. This means that the cone axes of the eyeboxes are collinear with the axes of the viewing directions and the opening cone can optimally use the pupil diameter when the cone vertex is placed in the middle of the pupil.

11 zeigt die Anordnung der Eyebox-Vertices auf einer gekrümmten Fläche zur Optimierung der Ausrichtung der Kegelachse bzgl. der Blickachse. Die Darstellung zeigt ein Auge 240, ein Umlenkelement 242, einen Abstand eines Vertex zum Umlenkelement 242 d_vertex 244, ein Strahlenbündel 248 und zwei Winkel α 250 sowie einen Durchmesser eines Kegels r_cone 252. 11 shows the arrangement of the eyebox vertices on a curved surface to optimize the alignment of the cone axis with respect to the viewing axis. The illustration shows one eye 240 , a deflecting element 242 , a distance from a vertex to the deflecting element 242 d _vertex 244 , a bundle of rays 248 and two angles α 250 and a diameter of a cone r _cone 252 .

Eine weitere mögliche Ausführungsform besteht in der Kombination von Kegeln mit parallelen Achsen und geneigten Achsen, um sowohl laterale Verschiebungen als auch Augendrehungen optimal berücksichtigen zu können. Zudem bietet dieser Ansatz die Möglichkeit, das System gegenüber lateralen Verschiebungen tolerant zu machen, und gleichzeitig den Steuerungsaufwand für die Bildgenerierung gering zu halten. Bei einer Erzeugung von separaten Eyeboxen mit parallelen Kegelachsen ist davon auszugehen, dass parallele Strahlenbündel aus verschiedenen Kegeln im gleichen Bereich auf der Netzhaut fokussiert werden, so dass keine aufwändige Regelung für den Fall, das mehrere Eyeboxen gleichzeitig die Pupille bedienen, notwendig ist. Für signifikante Änderungen der Blickrichtung können dann wiederum Gruppen von planar angeordeneten Eyebox-Vertices mit entsprechend gedrehten Kegelachsen verwendet werden.Another possible embodiment consists in the combination of cones with parallel axes and inclined axes in order to be able to optimally take into account both lateral displacements and eye rotations. This approach also offers the possibility of making the system tolerant of lateral displacements and at the same time keeping the control effort for image generation low. When generating separate eyeboxes with parallel cone axes, it can be assumed that parallel bundles of rays from different cones are focused on the retina in the same area, so that no complex regulation is necessary in the event that several eyeboxes operate the pupil at the same time. For significant changes in the viewing direction, groups of planarly arranged eyebox vertices with correspondingly rotated cone axes can then be used.

12 und 13 zeigen jeweils eine der primären Eyeboxen und zwei sekundäre Eyeboxen zur Kompensation lateraler Verschiebungen für jeweils verschiedene Blickrichtungen. Die Darstellung zeigen jeweils ein Auge in zwei Positionen 300 und 302, ein Umlenkelement 304, einen Abstand eines Vertex zum Umlenkelement 304 d_vertex 306, ein Strahlenbündel 308 und Winkel α 310 sowie einen Durchmesser eines Kegels r_cone 312. 12 and 13 each show one of the primary eyeboxes and two secondary eyeboxes to compensate for lateral shifts for different viewing directions. The illustration shows one eye in two positions 300 and 302 , a deflecting element 304 , a distance from a vertex to the deflecting element 304 d _vertex 306 , a bundle of rays 308 and angle α 310 and a diameter of a cone r _cone 312 .

Die Kombination von primären und sekundären Eyeboxen für verschieden Blickrichtungen ist in 14 und 15 dargestellt, wobei in diesem Fall teilweise eine deutliche Überlappung der Grundflächen der Einhüllenden verschiedener Eyeboxen zu erkennen ist. In einer weiteren Ausführungsform wird gezeigt, wie diese Überlappung reduziert oder ggf. ganz vermieden werden kann. Die Darstellung zeigen jeweils ein Auge in zwei Positionen 340 und 342, ein Umlenkelement 344, einen Abstand eines Vertex zum Umlenkelement 344 d_vertex 346, ein Strahlenbündel 348 und Winkel α 350 sowie einen Durchmesser eines Kegels r_cone 352.The combination of primary and secondary eyeboxes for different viewing directions is in 14 and 15 shown, in which case a significant overlap of the base areas of the envelopes of different eyeboxes can be seen in some cases. Another embodiment shows how this overlap can be reduced or possibly avoided entirely. The illustration shows one eye in two positions 340 and 342 , a deflecting element 344 , a distance from a vertex to the deflecting element 344 d _vertex 346 , a bundle of rays 348 and angle α 350 and a diameter of a cone r _cone 352 .

Durch Variation verschiedener Designparameter, wie z. B. Abstand primäre und sekundäre Eyebox-Vertices für die Kompensation von lateralem Versatz und den Achswinkel für die primären Eyebox-Vertices bei geänderter Blickrichtung, ergeben sich unterschiedliche Gestaltungsmöglichkeiten zur Berücksichtigung optischer, visueller und fertigungstechnischer Aspekte. So kann z. B. der Bereich, in dem sich die Grundflächen der Eyebox-Kegel oder -Pyramiden auf dem Umlenkelement überlappen, vergrößert oder verkleinert werden. Dies beeinflusst, ob verschiedene Umlenkstrukturen überlagert werden müssen und ob mehrere Eyebox-Vertices von gemeinsamen Flächen des Umlenkelements bedient werden. By varying various design parameters, such as B. Distance between primary and secondary eyebox vertices for the compensation of lateral misalignment and the axis angle for the primary eyebox vertices when the viewing direction changes, there are different design options to take into account optical, visual and production-related aspects. So z. B. the area in which the base areas of the eyebox cones or pyramids overlap on the deflecting element, enlarged or reduced. This influences whether different deflecting structures have to be superimposed and whether several eyebox vertices are served by common surfaces of the deflecting element.

16 und 17 zeigen die Einhüllenden der Strahlengänge für primäre und sekundäre Eyeboxen für jeweils eine Blickrichtung. Die Darstellung zeigen jeweils ein Auge in zwei Positionen 380 und 382, ein Umlenkelement 384, einen Abstand eines Vertex zum Umlenkelement 384 d_vertex 386, ein Strahlenbündel 388 und Winkel α 390 sowie einen Durchmesser eines Kegels r_cone 392. 16 and 17th show the envelopes of the beam paths for primary and secondary eye boxes for one direction of view. The illustration shows one eye in two positions 380 and 382 , a deflecting element 384 , a distance from a vertex to the deflecting element 384 d _vertex 386 , a bundle of rays 388 and angle α 390 and a diameter of a cone r _cone 392 .

Die Kombination für beide Blickrichtungen ist in 18 dargestellt. Die Darstellung zeigt ein Auge 400, ein Umlenkelement 404, einen Abstand eines Vertex zum Umlenkelement 404 d_vertex 406, ein Strahlenbündel 408 und Winkel α 410 sowie einen Durchmesser eines Kegels r_cone 412.The combination for both directions is in 18th shown. The illustration shows one eye 400 , a deflecting element 404 , a distance from a vertex to the deflecting element 404 d _vertex 406 , a bundle of rays 408 and angle α 410 and a diameter of a cone r _cone 412 .

Im Vergleich zu der Konfiguration in 14 ist der Bereich sich überlappender Eyebox-Grundflächen für verschiedene Blickrichtungen in 18 deutlich reduziert. Dies wird im Folgenden auch nochmals zusammenfassend erörtert.Compared to the configuration in 14 is the area of overlapping eyebox base areas for different viewing directions in 18th significantly reduced. This is also summarized again below.

Durch die vorstehend vorgestellten Ausführungsformen wird ebenfalls erreicht, dass die Umlenkflächen für die verschiedenen Blickrichtungen besser, vorzugsweise sogar vollständig, voneinander getrennt werden können. Es wird in diesem Zusammenhang auf die 19 und 20 verwiesen, wobei letztere eine bevorzugte Konfiguration mit fast vollständig getrennten Umlenkflächen für verschiedene Blickrichtungen illustriert.The embodiments presented above also ensure that the deflection surfaces can be separated from one another better, preferably even completely, for the different viewing directions. It is in this context on the 19th and 20th referenced, the latter illustrating a preferred configuration with almost completely separate deflection surfaces for different viewing directions.

In den nachfolgenden Darstellungen sind die Komponenten nicht mehr mit Bezugszeichen versehen, entsprechen aber denen der vorstehenden Figuren.In the following representations, the components are no longer provided with reference numerals, but correspond to those of the preceding figures.

19 zeigt einen Designansatz für Eyebox-Konzepte basierend auf einer Kombination von planaren und gekrümmten Vertex-Flächen. Oben links ist eine Anordnung der Eyebox-Vertices auf einer gekrümmten Fläche zur Optimierung der Ausrichtung der Kegelachse bzgl. der Blickachse bei Augenrotationen gezeigt. unten links ist eine Anordnung der Eyebox-Vertices auf einer ebenen Fläche zur Optimierung der Ausrichtung der Kegelachsen bzgl. der Blickachse bei lateraler Verschiebung gezeigt. Auf der rechten Seite ist eine Kombination einer ebenen und gekrümmten Anordnung der Eyebox-Vertices gezeigt. 19th shows a design approach for eyebox concepts based on a combination of planar and curved vertex surfaces. An arrangement of the eyebox vertices on a curved surface to optimize the alignment of the cone axis with respect to the line of sight in the case of eye rotations is shown at the top left. An arrangement of the eyebox vertices on a flat surface to optimize the alignment of the cone axes with respect to the viewing axis in the case of lateral displacement is shown at the bottom left. A combination of a flat and curved arrangement of the eyebox vertices is shown on the right.

20 zeigt oben links einen Designansatz für Eyebox-Konzepte basierend auf einer Kombination von planaren und gekrümmten Vertex-Flächen. Oben rechts ist eine Anordnung der Eyebox-Vertices auf einer gekrümmten Fläche zur Optimierung der Ausrichtung der Kegelachse bzgl. der Blickachse bei Augenrotation gezeigt. Unten links ist eine Anordnung der Eyebox-Vertices auf einer ebenen Fläche zur Optimierung der Ausrichtung der Kegelachse bezüglich der Blickachse bei lateraler Verschiebung gezeigt. Auf der rechten Seite ist eine Kombination einer ebenen und gekrümmten Anordnung der Eyebox-Vertices gezeigt. 20th shows a design approach for eyebox concepts based on a combination of planar and curved vertex surfaces. An arrangement of the eyebox vertices on a curved surface to optimize the alignment of the cone axis with respect to the line of sight during eye rotation is shown at the top right. An arrangement of the eyebox vertices on a flat surface to optimize the alignment of the cone axis with respect to the viewing axis with lateral displacement is shown at the bottom left. A combination of a flat and curved arrangement of the eyebox vertices is shown on the right.

In einer weiteren Ausführungsform können die Bildinhalte benachbarter Eyeboxen mit unterschiedlich geneigten Kegelachsen durch eine geeignete Regelung derart optimiert und abgestimmt werden, dass Störeffekte, wie bspw. eine Reduzierung der Auflösung durch Bildversatz oder gar Mehrfachbilder, möglichst unterdrückt werden. Hierbei erweist sich eine Kombination von planaren und gekrümmten Eyebox-Vertex-Anordnungen wiederum als besonders vorteilhaft. Die achsparallelen Eyeboxen erlauben es, in einem Bereich große Pupillendurchmesser ohne Doppelbilder zu bedienen und gleichzeitig laterale Versätze auch bei kleinen Pupillendurchmessern zu kompensieren. Durch eine möglichst weitgehende Reduzierung der gemeinsamen Fläche auf dem Umlenkelement für verschiedene Ausrichtungen der Kegelachsen können zudem Doppelbilder oder negative Einflüsse auf die Bildauflösung unterdrückt oder zumindest reduziert werden. Zudem kann bei Verwendung einer Vorrichtung zur Bestimmung der (Haupt-)Blickrichtung und entsprechender Trennung der Umlenkbereiche für Eyeboxen verschiedener Blickrichtungen eine gezielte Steuerung der Lichtquelle(n) genutzt werden, um nur die für die momentane Blickrichtung relevanten Bereiche des Umlenkelements zu nutzen und damit Störeffekte weiter zu reduzieren oder vorzugsweise zu eliminieren.In a further embodiment, the image contents of adjacent eyeboxes with differently inclined cone axes can be optimized and coordinated by suitable control in such a way that interference effects, for example a reduction in resolution due to image offset or even multiple images, are suppressed as far as possible. Here, a combination of planar and curved eyebox vertex arrangements again proves to be particularly advantageous. The axially parallel eyeboxes make it possible to operate large pupil diameters in one area without double images and at the same time to compensate for lateral misalignments even with small pupil diameters. By reducing the common area on the deflection element for different orientations of the cone axes as far as possible, double images or negative influences on the image resolution can also be suppressed or at least reduced. In addition, when using a device for determining the (main) viewing direction and correspondingly separating the deflection areas for eyeboxes from different viewing directions, targeted control of the light source (s) can be used in order to use only the areas of the deflecting element relevant for the current viewing direction and thus interference effects to further reduce or preferably eliminate.

Die Regelung der Bildinhalte und Abstimmung benachbarter Eyeboxen in Abhängigkeit von der Blickrichtung ist auch im einfachsten Fall einer sphärischen Anordnung der Eyebox-Vertices hilfreich. Dies trifft insbesondere zu, wenn sich auf dem Umlenkelement Bereiche verschiedener Eyebox-Ausrichtungen, d. h. unterschiedlich geneigter Kegelachsen, überlagern oder die Pupille von mehr als einem Eyebox-Vertex bedient wird.The regulation of the image content and coordination of neighboring eyeboxes depending on the viewing direction is also helpful in the simplest case of a spherical arrangement of the eyebox vertices. This is true in particular if areas of different eyebox orientations, ie differently inclined cone axes, overlap on the deflection element or if the pupil is operated by more than one eyebox vertex.

Überlagern sich die Bereiche verschiedener Eyebox-Ausrichtungen auf dem Umlenkelement, so sollte der daraus resultierende Versatz bei der Fokussierung ggf. bei der Bilddarstellung berücksichtigt werden, da dieser z. B. als eine Vergrößerung der Spotgröße wirken kann. Damit ergibt sich auch ein Designansatz, indem für eine maximal tolerierbare Spotvergrößerung der zugehörige Einfallswinkel für den entsprechenden Versatz berechnet wird. Benachbarte Eyeboxen dürfen sich dann in ihrer Ausrichtung nicht um mehr als den so abgeleiteten Winkel unterscheiden.If the areas of different eyebox orientations overlap on the deflecting element, the resulting offset in the focusing should be taken into account, if necessary, in the image display. B. can act as an enlargement of the spot size. This also results in a design approach by calculating the associated angle of incidence for the corresponding offset for a maximum tolerable spot enlargement. Adjacent eyeboxes must not differ in their orientation by more than the angle derived in this way.

Überlagern sich die Bereiche von verschiedenen Eyebox-Ausrichtungen auf dem Umlenkelement nicht oder nur geringfügig, so kann in diesem Fall bspw. die Bildgenerieung derart geregelt werden, dass nur die Bereiche für die momentane Blickrichtung genutzt werden. Dies setzt jedoch den Einsatz einer Vorrichtung zur Bestimmung der Blickrichtung voraus, was für viele Anwendungsfälle und Ausführungsformen aber in vielen Fällen eine notwendige oder zumindest bevorzugte Ausführungsform ist. Ist eine solche Vorrichtung nicht verfügbar, besteht aber immer noch die Möglichkeit, die Bilddarstellung auf einzelne Winkelbereiche einzuschränken, so dass Eyeboxen verschiedener Ausrichtung auf die Darstellung von Bildinhalten getrennter Winkelbereiche beschränkt werden. Dies ist z. B. im Fall einfacher und örtlich bzw. im Winkelraum klar getrennter Bildinhalte wie bspw. Statusanzeigen und Ähnlichem am Rand des Sichtbereichs leicht umsetzbar.If the areas of different eyebox orientations do not overlap or only slightly overlap, in this case, for example, the image generation can be regulated in such a way that only the areas are used for the current viewing direction. However, this presupposes the use of a device for determining the viewing direction, which for many applications and embodiments is, however, in many cases a necessary or at least preferred embodiment. If such a device is not available, there is still the possibility of restricting the image display to individual angular ranges, so that eyeboxes of different orientations are restricted to the display of image contents of separate angular ranges. This is e.g. B. in the case of simple and locally or in the angular space clearly separated image content such as status displays and the like at the edge of the viewing area easily implemented.

Durch die voranstehend erläuterten Ausführungsformen oder geeignete Kombinationen können Eyeboxen auch auf gekrümmten oder stückweise ebenen Flächen angeordnet werden.Due to the above-described embodiments or suitable combinations, eyeboxes can also be arranged on curved or piecewise flat surfaces.

Das Vorgehen bei der Gestaltung eines Multi-Eyebox-Umlenkelements für eine virtuelle Netzhautanzeige umfasst dabei die folgenden Schritte:

1. Festlegung einer minimalen Pupillengröße und eines maximalen zu tolerierenden lateralen Versatzes.
2. Ermittlung der resultierenden Anzahl kolinearer Eyebox-Kegel und räumliche Anordnung der Vertices in einer Ebene sowie der korrespondierenden Umlenkbereiche.
3. Festlegung oder Berechnung aus den bekannten Größen der Winkelauflösung für die schrägen Eyeboxen.
4. Festlegung der Geometrie für die Positionierung der schrägen Eyeboxen.
5. Gegebenenfalls Prüfung von Überlappungsbereichen auf dem Umlenkelement.
6. Gegebenenfalls Prüfung von Überlappungsbereichen im Winkelraum des einfallenden Lichts auf dem Umlenkelement.
7. Gegebenenfalls Überprüfung des lateralen Versatzes der Fokuspunkte benachbarter Eyeboxen.
8. Iteration von zumindest Teilen der Schritte 1 bis 7 zur Optimierung des gesamten Systemverhaltens.

The procedure for designing a multi-eyebox deflecting element for a virtual retinal display comprises the following steps:

1. Definition of a minimum pupil size and a maximum lateral offset to be tolerated.
2. Determination of the resulting number of colinear eyebox cones and spatial arrangement of the vertices in one plane and the corresponding deflection areas.
3. Definition or calculation from the known sizes of the angular resolution for the oblique eyeboxes.
4. Definition of the geometry for the positioning of the oblique eyeboxes.
5. If necessary, checking overlap areas on the deflecting element.
6. If necessary, checking overlap areas in the angular space of the incident light on the deflection element.
7. If necessary, check the lateral offset of the focal points of neighboring eyeboxes.
8. Iteration of at least parts of steps 1 to 7 to optimize the overall system behavior.

Beispielhafte Ausführungen zur Gestaltung und mögliche Ausführungsformen für Multi-Eyebox-Umlenkelemente sind in den 22 und 23 schematisch dargestellt.Exemplary designs for the design and possible embodiments for multi-eyebox deflection elements are in the 22 and 23 shown schematically.

21 verdeutlicht, dass überlappende Umlenkbereiche für verschiedene Eyebox-Ausrichtungen zu einem lateralen Versatz des fokussierten Lichts aus verschiedenen Eyeboxen und damit zu einer Spotvergrößerung oder zu Mehrfachbildern führen können, wenn mehrere Eyeboxen in der Pupille liegen. Die Auslegung der Eyebox-Anordnungen und die Regelung der Bildgenerierung sollten entsprechend abgestimmt sein. 21st illustrates that overlapping deflection areas for different eyebox orientations can lead to a lateral displacement of the focused light from different eyeboxes and thus to a spot enlargement or to multiple images if several eyeboxes are in the pupil. The design of the eyebox arrangements and the regulation of the image generation should be coordinated accordingly.

22 zeigt, dass ein Übersprechen der verschiedenen Eyebox-Ausrichtungen durch die räumliche Trennung der Umlenkbereiche vermieden wird. In diesem Beispiel erfolgt dies auf Kosten der Kolinearität der Hauptachse der zweiten Eyebox zur Sichtachse des rotierten Auges. Tabelle 1: Berechnung des Kegelradius auf dem Umlenkelement für eine Beispielkonfiguration d_vertex Öffnungswinkel Öffnungswinkel r_cone r_cone r_cone [m] (alpha) [deg] (alpha) [rad] [m] [mm] [µm] 0,02 1 0,01745329 0,0003491 0,3491013 349,101299 0,02 2 0,03490659 0,00069842 0,69841539 698,41539 0,02 3 0,05235988 0,00104816 1,04815559 1048,15559 0,02 4 0,06981317 0,00139854 1,39853624 1398,53624 0,02 5 0,08726646 0,00174977 1,74977327 1749,77327 0,02 6 0,10471976 0,00210208 2,10208471 2102,08471 0,02 7 0,12217305 0,00245569 2,45569122 2455,69122 0,02 8 0,13962634 0,00281082 2,81081669 2810,81669 0,02 9 0,00316769 0,00316769 3,16768881 3167,68881 22 shows that crosstalk between the different eyebox orientations is avoided by the spatial separation of the deflection areas. In this example, this is done at the expense of the colinearity of the main axis of the second eyebox to the line of sight of the rotated eye. Table 1: Calculation of the cone radius on the deflection element for an example configuration d_vertex Opening angle Opening angle r_cone r_cone r_cone [m] (alpha) [deg] (alpha) [rad] [m] [mm] [µm] 0.02 1 0.01745329 0.0003491 0.3491013 349.101299 0.02 2nd 0.03490659 0.00069842 0.69841539 698.41539 0.02 3rd 0.05235988 0.00104816 1.04815559 1048.15559 0.02 4th 0.06981317 0.00139854 1.39853624 1398.53624 0.02 5 0.08726646 0.00174977 1,74977327 1749.77327 0.02 6 0.10471976 0.00210208 2.10208471 2102.08471 0.02 7 0.12217305 0.00245569 2,45569122 2455.69122 0.02 8th 0.13962634 0.00281082 2,81081669 2810.81669 0.02 9 0.00316769 0.00316769 3,16768881 3167.68881

23 zeigt eine Geometrie zur Abschätzung des Akzeptanzwinkels in Abhängigkeit von der Pupillengröße. Tabelle 2: Abschätzung des Akzeptanzwinkels in Abhängigkeit von der Pupillengröße für eine Beispielkonfiguration. r_eye [m] r_Iris [m] r_Iris [mm] Öffnungswinkel Zentrum zu Iris (beta) [rad] Öffnungswinkel Zentrum zu Iris (beta) [deg] 0,0125 0,0005 0,05 0,03997869 2,29061004 0,0125 0,001 1 0,07982999 4,57392126 0,0125 0,0015 1,5 0,11942893 6,84277341 0,0125 0,002 2 0,15865526 9,09027692 0,0125 0,0025 2,5 0,19739556 11,3099325 0,0125 0,003 3 0,23554498 13,4957333 0,0125 0,0035 3,5 0,2730087 15,6422465 0,0125 0,004 4 0,30970294 17,7446716 0,0125 0,0045 4,5 0,34555558 19,7988764 0,0125 0,005 5 0,38050638 21,8014095 0,0125 0,0055 5,5 0,41450687 23,7494945 Tabelle 3: Abschätzung des Akzeptanzwinkels in Abhängigkeit von der Pupillengröße für eine Beispielkonfiguration. r_eye [m] r_Iris [m] r_Iris [mm] Öffnungswinkel Zentrum zu Iris (beta) [rad] Öffnungswinkel Zentrum zu Iris (beta) [deg] 0,0115 0,0005 0,05 0,0434509 2,48955292 0,0115 0,001 1 0,08673834 4,96974073 0,0115 0,0015 1,5 0,12970254 7,43140797 0,0115 0,002 2 0,17219081 9,86580694 0,0115 0,0025 2,5 0,21406068 12,2647737 0,0115 0,003 3 0,25518239 14,620874 0,0115 0,0035 3,5 0,29544084 16,9275131 0,0115 0,004 4 0,33473684 19,179008 0,0115 0,0045 4,5 0,37298772 21,3706223 0,0115 0,005 5 0,41012734 23,4985657 0,0115 0,0055 5,5 0,44610555 25,5599652 23 shows a geometry for estimating the acceptance angle as a function of the pupil size. Table 2: Estimation of the acceptance angle depending on the pupil size for an example configuration. r_eye [m] r_Iris [m] r_Iris [mm] Opening angle center to iris (beta) [rad] Opening angle center to iris (beta) [deg] 0.0125 0.0005 0.05 0.03997869 2,29061004 0.0125 0.001 1 0.07982999 4.57392126 0.0125 0.0015 1.5 0.11942893 6,84277341 0.0125 0.002 2nd 0.15865526 9.09027692 0.0125 0.0025 2.5 0.19739556 11.3099325 0.0125 0.003 3rd 0.23554498 13,4957333 0.0125 0.0035 3.5 0.2730087 15.6422465 0.0125 0.004 4th 0.30970294 17.7446716 0.0125 0.0045 4.5 0.34555558 19.7988764 0.0125 0.005 5 0.38050638 21.8014095 0.0125 0.0055 5.5 0.41450687 23.7494945 Table 3: Estimation of the acceptance angle depending on the pupil size for an example configuration. r_eye [m] r_Iris [m] r_Iris [mm] Opening angle center to iris (beta) [rad] Opening angle center to iris (beta) [deg] 0.0115 0.0005 0.05 0.0434509 2,48955292 0.0115 0.001 1 0.08673834 4,96974073 0.0115 0.0015 1.5 0.12970254 7.43140797 0.0115 0.002 2nd 0.17219081 9.86580694 0.0115 0.0025 2.5 0.21406068 12.2647737 0.0115 0.003 3rd 0.25518239 14.620874 0.0115 0.0035 3.5 0.29544084 16.9275131 0.0115 0.004 4th 0.33473684 19,179008 0.0115 0.0045 4.5 0.37298772 21.3706223 0.0115 0.005 5 0.41012734 23.4985657 0.0115 0.0055 5.5 0.44610555 25.5599652

24 zeigt einen schief einfallenden Lichtkegel für verschiedene Eyebox-Positionen. 24th shows an obliquely incident light cone for different eyebox positions.

25 zeigt einen lateralen Versatz der Fokuspunkte bei Lichteinfall aus verschiedenen Winkeln. Tabelle 4: Berechnung eines lateralen Versatzes in der Brennebene bei schiefen Lichteinfall für eine Beispielkonfiguration mit Abstand Linse zu Brennebene gleich der Brennweite. focal lenght f [m] incidence angle (gamma) [deg] incidence angle (gamma) [rad] lateral offset (delta y=f*sin(gamma) [m] lateral offset (delta y=f*sin(gamma) [µm] 0,025 0 0 0 0 0,025 0,1 0,00174533 4,36332E-05 43,6332091 0,025 0,2 0,00349066 8,72663E-05 87,2662854 0,025 0,3 0,00523599 0,000130899 13,899096 0,025 0,4 0,00698132 0,000174532 174,531507 0,025 0,5 0,00872665 0,000218163 218,163387 0,025 0,6 0,01047198 0,000261795 261,794603 0,025 0,7 0,0122173 0,000305425 305,425021 0,025 0,8 0,01396263 0,000349055 349,054508 0,025 0,9 0,01570796 0,000392683 392,682933 0,025 1 0,1745329 0,00043631 436,310161 25th shows a lateral offset of the focal points when light falls from different angles. Table 4: Calculation of a lateral offset in the focal plane with skewed incidence of light for an example configuration with distance from lens to focal plane equal to the focal length. focal length f [m] incidence angle (gamma) [deg] incidence angle (gamma) [rad] lateral offset (delta y = f * sin (gamma) [m] lateral offset (delta y = f * sin (gamma) [µm] 0.025 0 0 0 0 0.025 0.1 0.00174533 4,36332E-05 43.6332091 0.025 0.2 0.00349066 8,72663E-05 87.2662854 0.025 0.3 0.00523599 0.000130899 13.899096 0.025 0.4 0.00698132 0.000174532 174.531507 0.025 0.5 0.00872665 0.000218163 218.163387 0.025 0.6 0.01047198 0.000261795 261.794603 0.025 0.7 0.0122173 0.000305425 305.425021 0.025 0.8 0.01396263 0.000349055 349.054508 0.025 0.9 0.01570796 0.000392683 392.682933 0.025 1 0.1745329 0.00043631 436.310161

Ein einfacher Algorithmus zur Konstruktion von mehreren Eyeboxen mit disjunkten Grundflächen am Umlenkelement kann wie folgt aussehen:

1. Festlegung einer zentralen Sichtachse mit gewünschten Blickfeld,
2. Festlegung einer minimalen Pupillengröße als maximaler Abstand zwischen einzelnen Eyeboxen,
3. Konstruktion der sekundären Eyeboxen, wobei der Mittelpunktstrahl bestimmt wird durch den Sichtfeldwinkel vom Rand zur primären Eyebox. Die Achse der Eyebox ergibt sich durch den Mittelpunktstrahl bestimmt durch den Sichtfeldwinkel zur primären Eyebox und die Lage der Austrittspupille (Eyebox), die durch den maximalen Abstand der Austrittspupillen, z. B. in der Bogenlänge bei Anordnung auf einer sphärischen Fläche, bestimmt ist.
4. Konstruktion von tertiären und ggf. weiteren Eyeboxen analog zu den sekundären Eyeboxen.

A simple algorithm for the construction of several eyeboxes with disjoint base areas on the deflection element can look like this:

1. Definition of a central visual axis with the desired field of view,
2. Definition of a minimum pupil size as the maximum distance between individual eyeboxes,
3. Construction of the secondary eyeboxes, the center beam being determined by the field of view angle from the edge to the primary eyebox. The axis of the eyebox is determined by the center beam determined by the field of view angle to the primary eyebox and the position of the exit pupil (eyebox), which is determined by the maximum distance between the exit pupils, e.g. B. is determined in the arc length when arranged on a spherical surface.
4. Construction of tertiary and possibly further eyeboxes analogous to the secondary eyeboxes.

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

DE 102015213376 A1 [0002]

Claims

Method for performing a virtual retinal display, in which a light beam is generated with a light generating unit and is guided onto a reflection element which is set up to produce a beam (108, 128, 148, 168, 208, 228, 248, 308, 348, 388, 408), which is generated via a deflection element (50, 122, 142, 162, 202, 222, 242, 304, 344, 384, 404) through a pupil (54, 74, 76) of an eye (52, 100 , 120, 140, 160, 200, 220, 240, 300, 302, 340, 342, 380, 400) on the retina of the eye (52, 100, 120, 140, 160, 200, 220, 240, 300, 302 , 340, 342, 380, 400) is projected so that a virtual image is generated on the retina, cone axes for light cones of individual eyeboxes (58) being aligned with respect to different viewing directions.

Procedure according to Claim 1 , in which vertices of different eyeboxes (58) are positioned on a curved surface.

Procedure according to Claim 1 or 2nd , in which eyeboxes (58) for different viewing directions are arranged on a curved surface.

Procedure according to one of the Claims 1 to 3rd , in which an inclination of the cone axes of different eyeboxes (58) to one another is set.

Procedure according to one of the Claims 1 to 4th , where cones with parallel axes and inclined axes are used.

Procedure according to one of the Claims 1 to 5 , in which groups of planarly arranged eyebox vertices with correspondingly rotated cone axes are used.

Procedure according to one of the Claims 1 to 6 , in which the image contents of adjacent eyeboxes (58) with differently inclined cone axes are coordinated by suitable regulation.

Deflection element for a virtual retinal display, which is particularly suitable for a method according to one of the Claims 1 to 7 The deflecting element (50, 122, 142, 162, 202, 222, 242, 304, 344, 384, 404) comprises several different functional areas and is configured for cone axes for light cones of individual eyeboxes (58) with respect to different viewing directions to align.

Deflecting element after Claim 8 , which is designed as a holographic deflection element.