DE102018220034A1

DE102018220034A1 - Optische Kombinationsvorrichtung und Verfahren zur Projektion eines Bildes auf ein Auge einer Person

Info

Publication number: DE102018220034A1
Application number: DE102018220034.3A
Authority: DE
Inventors: Gael Pilard
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-11-22
Filing date: 2018-11-22
Publication date: 2020-05-28
Anticipated expiration: 2038-11-23
Also published as: JP2022510840A; JP7288962B2; CN113168001A; KR20210092793A; WO2020104097A1; DE102018220034B4; TW202028807A; US20210271088A1; CN113168001B

Abstract

Die Erfindung betrifft eine optische Kombinationsvorrichtung (3) zur Projektion eines Bildes von einer Beleuchtungseinrichtung auf ein Auge (4) einer Person bereit, umfassend zumindest zwei Schichten (3a, 3b), welche in einem Abstand zueinander angeordnet sind und wobei die zumindest zwei Schichten (3a, 3b) unterschiedliche Entfernungen zu dem Auge (4) aufweisen, wobei jede der Schichten (3a, 3b) zumindest teilweise reflektierend ausgebildet ist, sodass durch zumindest eine der Schichten zumindest ein reflektierter erster Teilstrahl (100c, 101c, 102c) durch Reflexion an der zumindest einen Schicht (3a) bereitgestellt wird und wobei die erste Schicht (3a) der zumindest zwei Schichten (3a, 3b), die eine kürzere Entfernung zu dem Auge (4) als die zweite der zumindest zwei Schichten (3a, 3b) aufweist, teilweise transmittierend ausgebildet ist, derart, dass aus einem einfallenden Strahl (100, 101, 102) zumindest ein zweiter Teilstrahl (100a, 101a, 102a) gebildet wird, wobei der zumindest eine zweite Teilstrahl (100a, 101a, 102a) mit einem ersten Winkel (202', 203', 204') transmittiert wird und von der dahinterliegenden zweiten Schicht (3b) zumindest teilweise als reflektierter zweiter Teilstrahl (100b, 101b, 102b) reflektiert wird und wobei durch die reflektierten ersten und zweiten Teilstrahlen (100c, 101c, 102c; 100b, 101b, 102b) jeweils unterschiedliche Positionen von Eyeboxen auf der Pupille des Auges (4) bereitgestellt werden.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine optische Kombinationsvorrichtung zur Projektion eines Bildes auf ein Auge einer Person.
Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zur Projektion eines Bildes auf ein Auge einer Person.
Obwohl die vorliegende Erfindung allgemein auf beliebige optische Kombinationsvorrichtungen anwendbar ist, wird die vorliegende Erfindung mit Bezug auf kopfgestützte Kombinationssysteme, beispielsweise Brillen zur Darstellung von erweiterter Realität beschrieben.
Stand der Technik
Systeme zur Darstellung von erweiterter Realität überlagern ein reales Bild mit einem virtuellen Bild. Bekannt sind derartige Systeme, beispielsweise im Bereich der Automobilindustrie, als Head-Up-Display oder auch im Bereich von Computerapplikationen als „smarte Brille“, mit der alternativ oder zusätzlich zur Umgebung ein Bild auf das Auge einer Person projiziert werden kann.
Aus der US 2015/0362734 A1 ist ein System bekannt geworden, mit dem direkt ein Bild auf die Retina durch die Pupille eines Auges eines Benutzers mittels eines Laser-Scannersystems projiziert wird. Hierzu wird eine holographisches Kombinierelement verwendet, welches das Licht auf die Pupille des Benutzers umlenkt.
Aus der WO 2017/0117991 A1 ist ein Head-Up-Display mit einem Kombinationselement bekannt geworden, wobei das Kombinationselement das Bild einer Anzeigeeinheit zu einem Betrachter leitet. Hierzu weist das Kombinationselement mehrere holographische Schichten auf, wobei jede Schicht ein Interferenzmuster aufweist. Die holographischen Schichten können schaltbar ausgebildet sein, sodass diese an- oder abgeschaltet werden können.
Aus der DE 10 2014 224 189 A1 ist weiter ein Head-Up-Anzeigesystem mit einem Kombinationselement bekannt geworden, wobei das Kombinationselement Licht zu einem Betrachtungsort lenken kann. Das Kombinationselement kann hier ein oder mehrere Hologramme, insbesondere ein Multiplexing-Hologramm, aufweisen. Die Hologramme können dabei scheibenförmig ausgebildet und in Blickrichtung hintereinander angeordnet werden, wobei jedes Hologramm ein Segment mit einer Eyebox definiert.
Offenbarung der Erfindung
In einer Ausführungsform stellt die Erfindung eine optische Kombinationsvorrichtung zur Projektion eines Bildes von einer Beleuchtungseinrichtung auf ein Auge einer Person bereit, umfassend
zumindest zwei Schichten, welche in einem Abstand zueinander angeordnet sind und wobei die zumindest zwei Schichten unterschiedliche Entfernungen zu dem Auge aufweisen, wobei jede der Schichten zumindest teilweise reflektierend ausgebildet ist, sodass durch zumindest eine der Schichten zumindest ein reflektierter erster Teilstrahl durch Reflexion an der zumindest einen Schicht bereitgestellt wird und wobei die erste Schicht der zumindest zwei Schichten, die eine kürzere Entfernung zu dem Auge als die zweite der zumindest zwei Schichten aufweist, teilweise transmittierend ausgebildet ist, derart, dass aus einem einfallenden Strahl zumindest ein zweiter Teilstrahl gebildet wird, wobei der zumindest eine zweite Teilstrahl mit einem ersten Winkel transmittiert wird und von der dahinterliegenden zweiten Schicht zumindest teilweise als reflektierter zweiter Teilstrahl reflektiert wird und wobei durch die reflektierten ersten und zweiten Teilstrahlen jeweils unterschiedliche Positionen von Eyeboxen auf der Pupille des Auges bereitgestellt werden.
In einer weiteren Ausführungsform stellt die Erfindung ein Projektionssystem zur Projektion eines Bildes auf ein Auge einer Person bereit, umfassend eine Beleuchtungseinrichtung, insbesondere ein Laser-Scanner, und eine optische Kombinationsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1-10.
In einer weiteren Ausführungsform stellt die Erfindung ein Verfahren zur Projektion eines Bildes auf ein Auge einer Person bereit, umfassend die Schritte

- Einstrahlen eines einfallenden Strahls für ein zu projizierendes Bild auf eine erste Schicht von zumindest zwei Schichten, welche in einem Abstand zueinander angeordnet sind und wobei die zumindest zwei Schichten unterschiedliche Entfernungen zu dem Auge aufweisen,
- Teilweises Reflektieren des einfallenden Strahls an der ersten Schicht, die eine kürzere Entfernung zu dem Auge aufweist, derart, dass zumindest ein reflektierter erster Teilstrahl bereitgestellt wird,
- Teilweises Transmittieren des einfallenden Strahls durch die erste Schicht mit einem ersten Winkel derart, dass zumindest ein zweiter Teilstrahl bereitgestellt wird,
- Reflektieren des zumindest einen zweiten Teilstrahls an der zweiten Schicht als reflektierter zweiter Teilstrahl,

Unter dem Begriff „erster Winkel“ in Bezug auf den zweiten Teilstrahl ist der Winkel des zweiten Teilstrahls zur Normale einer Ebene, hier einer Schicht, zu verstehen. Beispielsweise sind Einfallswinkel des einfallenden Strahls auf die Schicht und erster Winkel gleich, wenn der einfallende Strahl durch die Schicht hinsichtlich des Winkels unverändert als zweiter Teilstrahl transmittiert wird.
Unter dem Begriff „Eyebox“ wird insbesondere derjenige dreidimensionale Raum verstanden, in dem zumindest ein Auge einer Person ein projiziertes Bild vollständig sehen kann. Mit anderen Worten ist eine „Eyebox“ derjenige Raumbereich, innerhalb dessen eine Person die Funktionen eines Projektionssystems mit optischer Kombinationsvorrichtung nutzen beziehungsweise erkennen kann.
Einer der damit erzielten Vorteile ist, dass damit auf einfache Weise mehrere Eyeboxen auf der Pupille eines Benutzers erzeugt werden können, die unterschiedlichen Abstand zueinander aufweisen, sodass Augenbewegungen des Benutzers Rechnung getragen wird, indem dieser auch bei Augenbewegungen durch die in verschiedenen Positionen auf der Pupille angeordneten Eyeboxen ein scharfes Bild sieht. Darüber hinaus ist ein Vorteil, dass die durch die Mehrzahl von Eyeboxen die resultierende Eyebox größer ist, was Bilder mit größerer Auflösung bei gleichzeitig ausreichende Größe der Eyebox ermöglicht.
Weitere Merkmale, Vorteile und weitere Ausführungsformen der Erfindung sind im Folgenden beschrieben oder werden dadurch offenbar.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung sind die zumindest zwei Schichten dazu ausgebildet, die Energie des auf die optische Kombinationsvorrichtung einfallenden Strahls gleichmäßig auf die verschiedenen reflektierten ersten und zweiten Teilstrahlen aufzuteilen. Damit wird vermieden, dass in unterschiedlichen Eyeboxen auf der Pupille unterschiedliche Helligkeiten des zu projizieren Bildes entstehen. Das projizierte Bild in unterschiedlichen Eyeboxen weist damit im Wesentlichen die gleiche Helligkeit auf.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist die erste Schicht dazu ausgebildet, mehrere zweite Teilstrahlen zu bilden, wobei einer der weiteren zweiten Teilstrahlen mit einer Winkelabweichung bezogen auf den ersten Winkel transmittiert wird. Vorteil hiervon ist, dass durch die Winkelabweichung des weiteren zweiten Teilstrahls resultierend aus einem transmittierten Teil des einfallenden Strahls auf einfache Weise eine weitere, zu der Eyebox des reflektierten Teilstrahls versetzte Eyebox auf dem Auge erzeugt werden kann.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist die erste Schicht ausgebildet, die Winkelabweichung für den zumindest einen weiteren Teilstrahl in vertikaler Richtung bereitzustellen. Damit lässt sich auf der Pupille eines Benutzers zumindest eine weitere Eyebox erzeugen, die je nach Winkelabweichung in vertikaler Richtung, beispielsweise gegenüber dem Zentrum der Pupille, versetzt angeordnet werden kann. Eine laterale Versetzung einer Eyebox wird insbesondere durch geeigneten Einfallswinkel und/oder Abstand der zweiten Schicht bereitgestellt.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung weisen die weiteren zweiten Teilstrahlen eine gerade Gesamtanzahl auf. Dies ermöglicht eine einfache Ausbildung beziehungsweise Anordnung der Schichten, insbesondere umfassend ein oder mehrere Hologramme, da damit beispielsweise eine symmetrische Aufteilung des einfallenden Strahls in jeweils zwei weitere zweite Teilstrahlen möglich ist.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist der erste Winkel gleich oder kleiner dem Einfallswinkel des einfallenden Strahls auf die optische Kombinationsvorrichtung. Ist der Winkel gleich, kann der Strahl auf besonders einfache Weise durch die jeweilige Schicht hindurch transmittiert werden. Wird der erste Winkel kleiner als der Einfallswinkel des einfallenden Strahls ausgebildet, wird dieser zum Lot hin weiter transmittiert, was eine verringerte Dicke zwischen den zumindest zwei Schichten ermöglicht.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist die optische Kombinationsvorrichtung ausgebildet, eine ungerade Gesamtanzahl von reflektierten ersten und zweiten Teilstrahlen bereitzustellen, insbesondere wobei die Gesamtanzahl 7 beträgt, wobei zumindest einer der reflektierten ersten und zweiten Teilstrahlen eine Position einer Eyebox bereitstellt, die im Zentrum der Pupille angeordnet ist. Einer der damit erzielten Vorteile ist, dass damit eine ausreichende Anzahl von Eyeboxen bei gleichzeitig möglichst wenig Schichten zum Bereitstellen der Eyeboxen ermöglicht wird. Damit kann eine kompakte optische Kombinationsvorrichtung bereitgestellt werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung stellen die weiteren reflektierten ersten und zweiten Teilstrahlen Positionen von Eyeboxen bereit, die umfänglich auf dem Rand der Pupille angeordnet sind. Vorteil hiervon ist, dass bei einer Augenbewegung auch bisher lediglich auf den Rand befindliche Eyeboxen ins Zentrum der Pupille rücken, sodass auch bei einer Augenbewegung im Wesentlichen immer ein scharfes Bild zur Verfügung gestellt wird.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung sind die Positionen der Eyeboxen auf dem Rand der Pupille symmetrisch, insbesondere gleich verteilt angeordnet. Vorteil hiervon ist, dass eine einfache Anordnung und Ausbildung der Schichten der Kombinationsvorrichtung möglich ist, da bei einer Gleichverteilung beispielsweise unterschiedliche vertikale Eyeboxen auf der Pupille einfach durch symmetrische Aufteilung des einfallenden Strahls mit gleichen Winkeländerungen zum Einfallswinkel ermöglicht werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung umfasst zumindest eine der Schichten zumindest ein Hologramm und/oder ein diffraktives Element. Damit kann auf einfache Weise eine optische Funktion für auf die optische Kombinationsvorrichtung einfallende Strahlen bereitgestellt werden. Unter dem Begriff „diffraktives Element“ ist insbesondere ein optisches Element zur Formung eines Lichtstrahls, beispielsweise in Form eines Laserstrahls, zu verstehen. Mittels des diffraktiven Elements erfolgt eine Beugung des Lichtstrahls an einem optischen Gitter.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen, und aus dazugehöriger Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungen und Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile oder Elemente beziehen.
Figurenliste
Dabei zeigt in schematischer Form

1 ein Projektionssystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 ein Projektionssystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3 eine optische Kombinationsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Blickrichtung entlang der y-Achse;
4 Teile der optischen Kombinationsvorrichtung gemäß 4 mit Blickrichtung entlang der x-Achse;
5 eine Anordnung von Eyeboxen in der Ebene der Pupille eines Benutzers erzeugt durch eine optische Kombinationsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
6 Schritte eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt in schematischer Form ein Projektionssystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In 1 ist ein Projektionssystem 1 gezeigt. Das Projektionssystem 1 umfasst ein Laserscansystem 2, welches eine optische Kombinationsvorrichtung 3 mit Licht beaufschlagt. Exemplarisch sind in 1 Strahlen 100, 101, 102 gezeigt, die unter unterschiedlichen Winkeln auf eine optische Kombinationsvorrichtung 3 auftreffen. Die optische Kombinationsvorrichtung 3 umfasst dabei hier zwei Schichten 3a, 3b, die in unterschiedlichem Abstand in Blickrichtung zu einem Auge 4 einer Person angeordnet sind.
Im Detail sendet das Laserscansystem 2 Lichtstrahlen 100, 101, 102 unter unterschiedlichen Winkeln zumindest einer Wellenlänge in Richtung der optischen Kombinationsvorrichtung 3 aus. Hier in 1 weist der Lichtstrahl 101 gegenüber einer Senkrechten einen Winkel α - Bezugszeichen 200 - auf. Die Strahlen 100, 102 sind dabei jeweils um den Winkel θ/2 - Bezugszeichen 201 für den Winkel θ - gegenüber dem mittleren Strahl 101 nach oben beziehungsweise nach unten versetzt.
Im Folgenden wird nun der Verlauf der Strahlen 100, 101, 102 beschrieben. Der Strahl 101, der vom Laserscansystem 2 ausgesendet wird, trifft zunächst auf die erste Schicht 3a der optischen Kombinationseinrichtung 3 und wird dort unter dem Winkel 203, der dem Winkel 200 entspricht, teilweise reflektiert - reflektierter Strahl 101c -, sodass dieser Strahl 101c senkrecht auf das Auge 4 in einer bestimmten Position 10 auftrifft. Die erste Schicht 3a ist jedoch nicht nur reflektierend, sondern auch transmittierend ausgebildet. Die erste Schicht 3a transmittiert also einen Teil des einfallenden Strahls 101 - transmittierter Strahl 101a - hindurch. Dieser Strahl 101a trifft im weiteren Verlauf auf die zweite Schicht 3b der optischen Kombinationseinrichtung 3. Dort wird der Strahl 101a von der zweiten Schicht 3b vollständig unter dem Winkel 203' reflektiert, der gleich groß ist wie der Winkel 200, und trifft senkrecht auf das Auge 4 in einer weiteren Position 11 auf. Da die Schichten 3a, 3b voneinander einen Abstand aufweisen, sind die beiden Positionen 10, 11 ebenfalls voneinander in einem lateralen Abstand 300 beabstandet.
Analog ist der Verlauf der beiden weiteren Lichtstrahlen 100, 102 sowie für die zugehörigen Winkel 202, 202', 204, 204'. Diese Lichtstrahlen 100, 102 werden entsprechend einerseits von der ersten Schicht 3a teilweise reflektiert (reflektierte Strahlen 100c, 102c) und werden ebenfalls von der ersten Schicht 3a weiter transmittiert (Strahl 100a, 102a) in Richtung auf die zweite Schicht 3b. An der zweiten Schicht 3b werden diese dann so reflektiert (Strahl 100b, 102b), dass die reflektierten Strahlen 100b, 102b, in der Position 11 und die Strahlen 100c, 102c in der Position 10 auftreffen. Der Winkel 203' entspricht wie die anderen Winkel 202' und 204' einem „ersten Winkel“, da die Winkel 202, 202', 203, 203' und 204, 204' jeweils Stufenwinkel an den beiden parallelen Schichten 3a, 3b bilden. Die Strahlen 100b, 102b beziehungsweise 100c, 102c weisen dabei einen Winkel 205 zwischen diesen in der jeweiligen Position auf dem Auge 4 auf, der das sogenannte Sehfeld - Field of View - bildet. Dieses wird im Wesentlichen bestimmt durch den Abtastwinkel der Retina durch die Pupille und hängt insbesondere von der Position des Laserscansystems 2 in Bezug auf die optische Kombinationsvernichtung 3 ab. Hierbei kann ein „Übersprechen“ an den unterschiedlichen Schichten 3a, 3b, also mehrfache Reflexion, verhindert werden, indem das Sichtfeld entsprechend beschränkt wird: $\frac{φ}{2} < α - \frac{Θ}{2}$
So ist im Falle eines Winkels 200 von 60° und eines Winkels 201 von 30° das Sichtfeld 205 auf 90° beschränkt. Eine weitere denkbare Möglichkeit ist, dass die erste Schicht 3a ausgebildet ist, einen Reflexionswinkel in Abhängigkeit der Position des Auftreffpunkts des von dem Laserscansystem 2 ausgesandten Strahls bereitzustellen. Beispielsweise kann der Strahl 102 mit einem Einfallswinkel von $α - \frac{Θ}{2}$
auf die erste Schicht 3a eine andere optische Funktion „sehen“ als der Strahl mit Einfallswinkel 200 und als der Strahl 100 mit dem Einfallswinkel $α + \frac{Θ}{2} .$
Die durch die optische Kombinationseinrichtung 3 bereitgestellte optische Funktion hat somit unterschiedliche Eigenschaften für unterschiedliche Positionen auf ihrer Oberfläche.
2 zeigt in schematischer Form ein Projektionssystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In 2 ist im Wesentlichen eine vereinfachte Ansicht des Projektionssystems 1 gemäß 1 gezeigt. Im Unterschied zur 1 ist hier in 2 lediglich ein vom Laserscansystem 2 ausgesendeter Strahl 100 gezeigt, der unter einem Winkel α - Bezugszeichen 200 - auf die erste Schicht 3a trifft. Hierbei wird er reflektiert - reflektierter Strahl 100c - und erzeugt im Zentrum der Pupille 4a des Auges 4 eine Eyebox EB1. Der auf die erste Schicht 3a einfallende Strahl 100 des Laserscansystems 2 wird ebenfalls transmittiert - Strahl 100a -, jedoch nicht einfach unter dem Einfallswinkel α 200 weiter, sondern unter einem Winkel α₂ , Bezugszeichen 202', der somit den „ersten Winkel“ bildet. Der auf diese Weise transmittierte Strahl 100a trifft dann auf die zweite Schicht 3b, die den transmittierten Strahl 100a so reflektiert, dass dieser auf dem Rand der Pupille 4a eine zweite Eyebox EB2 erzeugt beziehungsweise bereitstellt. Der Abstand der beiden Schichten 3a, 3b und der Abstand 300 der beiden Eyeboxen EB1, EB2 auf der Pupille 4a kann dabei wie folgt ermittelt werden: $d 1 = \frac{δ x}{tan [arcsin (\frac{sin (α)}{n_{2}})]}$
Unter der Annahme, dass die Pupille einen Durchmesser von 3,5 mm aufweist und der Winkel α - Bezugszeichen 200 - 60° und der Abstand zwischen den beiden Eyeboxen EB1, EB2 1,75 mm beträgt und wobei zwischen den beiden Schichten 3a, 3b ein Material mit Brechungsindex n₂ = 1,5 angeordnet ist, ergibt sich eine Dicke d1 von 2,475 mm.
Wird nun der Einfallswinkel - „erster Winkel“ - auf die zweite Schicht 3b entsprechend obigen Ausführungen vergrößert, beispielsweise auf 65°, kann die Dicke gemäß der $d 1 = \frac{δ x}{tan (α_{2})} = 0.816 m m$
gesenkt werden, beispielsweise auf die angegebenen 0,816 mm, was den Bauraum der optischen Kombinationsvorrichtung 3 senkt.
3 zeigt in schematischer Form eine optische Kombinationsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Blickrichtung entlang der y-Achse, 4 Teile der optischen Kombinationsvorrichtung gemäß 3 mit Blickrichtung entlang der x-Achse und 5 eine Anordnung von Eyeboxen in der Ebene der Pupille eines Benutzers erzeugt durch eine optische Kombinationsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In 3 ist eine optische Kombinationsvorrichtung 3 zeigt, die insgesamt fünf hintereinander angeordnete und zueinander parallele Schichten 3a, 3b, 3c, 3d, 3e aufweist. Weiterhin ist ein einfallender Strahl 100 eines hier nicht dargestellten Laserscansystems gezeigt. Der einfallende Strahl 100 wird an der ersten Schicht 3a reflektiert - reflektierter Strahl 401 - und bildet eine erste Eyebox EB1 auf einer hier nicht dargestellten Pupille einer Person beziehungsweise stellen eine solche bereit. Weiterhin transmittiert die erste Schicht 3a den einfallenden Strahl 100 derart, dass diese drei Teilstrahlen 100a1, 100a2, 100a3 erzeugt: einer 100a2 der drei Teilstrahlen 100a1, 100a2, 100a3 wird ohne eine Winkeländerung und zwei Teilstrahlen 100a1, 100a3 mit einer unterschiedlichen vertikalen Orientierung in Richtung auf die zweite Schicht 3b transmittiert.
Die von der ersten Schicht 3a transmittierten drei Teilstrahlen 100a1, 100a2, 100a3 treffen also in ihrem weiteren Verlauf auf die zweite Schicht 3b. Hierbei wird der mittlere 100a2 der drei auftreffenden Strahlen 100a1, 100a2, 100a3 ohne eine Winkeländerung weiter transmittiert, die beiden weiteren Strahlen 100a1, 100a3 mit der jeweiligen vertikalen Abweichung werden von der zweiten Schicht 3b reflektiert - reflektierte Strahlen 402, 403 - und bilden eine zweite und eine dritte Eyebox EB2, EB3 beziehungsweise stellen solche bereit.
Der mittlere 100a2 der drei Strahlen 100a1, 100a2, 100a3 wird - wie vorstehend ausgeführt - weiter transmittiert und wird von der dritten Schicht 3c einerseits reflektiert - reflektierter Strahl 400 - und bildet dadurch eine weitere Eyebox EB0 beziehungsweise stellt eine solche bereit.. In analoger Weise zur ersten Schicht 3a erzeugt die dritte Schicht 3c drei transmittierte Strahlen 100b1, 100b2, 100b3, wobei zwei 100b1, 100b3 der Strahlen 100b1, 100b2, 100b3 hiervon eine unterschiedliche vertikale Orientierung aufweisen. Diese drei Strahlen 100b1, 100b2, 100b3 treffen nun auf die vierte Schicht 3d, die in analoger Weise wie die zweite Schicht 3b funktioniert: der mittlere Strahl 100b2 wird mit einer nicht veränderten vertikalen Abweichung weiter in Richtung der fünften Schicht 3e transmittiert. Die beiden anderen Strahlen 100b1, 100b3, also die Strahlen mit unterschiedlicher vertikaler Orientierung, werden durch die vierte Schicht 3d reflektiert - reflektierte Strahlen 405, 406 - und erzeugen weitere Eyeboxen EB5, EB6 beziehungsweise stellen solche bereit.
Der durch die Schicht 3d transmittierte Strahl 100b2 trifft schließlich auf die fünfte Schicht 3e und wird von dieser reflektiert - reflektierter Strahl 404 - und stellt eine weitere EB4 bereit.
In 4 ist nun im Detail die vertikale Strahlaufteilung an der ersten Schicht 3a gezeigt. Hierbei wird der Abstand 50 der beiden Schichten 3a, 3b so ausgebildet, sodass ein gewünschter vertikale Abstand 301 der Eyeboxen EB2, EB3 entsprechend bereitgestellt wird. Mit anderen Worten wird der einfallende Strahl 100 an der ersten Schicht 3a aufgeteilt in einen weiter transmittierten Strahl 100a2 in Richtung auf die zweite Schicht 3b und zwei weitere Teilstrahlen 100a1, 100a3, die jeweils unter einem Winkel 60 von der Richtung des transmittierten Strahls 100a2 abgelenkt werden. Diese beiden Teilstrahlen 100a1, 100a3 werden von der zweiten Schicht 3b reflektiert, reflektierte Strahlen 402, 403, und erzeugen die beiden Eyeboxen EB2, EB3. Die jeweiligen Abstände 300 in lateraler Richtung beziehungsweise 301 in vertikaler Richtung können dabei folgendermaßen berechnet beziehungsweise eingestellt werden: Geht man von einem Pupillendurchmesser von 3,5 mm aus und einem ansprechenden Radius 4ar von 1,75 mm und mit zum Pupillenmittelpunkt um jeweils 60° - Winkel 61 - versetzte Eyeboxen EB1, EB2, EB3 auf dem Rand der Pupille 4a erhält man eine laterale Abweichung von 0,875 mm (Bezugszeichen 300) und eine vertikale Abweichung von 1,516 mm (Bezugszeichen 301). Die Dicke 50 zwischen den beiden Schichten 3a, 3b kann dabei anhand der lateralen Abweichung 300 und dem entsprechenden Einfallswinkel berechnet werden: Nimmt man beispielsweise hierfür einen Einfallswinkel von 65° auf die zweite Schicht 3b an, erhält so eine Dicke 50 von 0,505 mm. Der Strahlwinkel, der durch die Teilstrahlen 100a1, 100a3 mit vertikaler Abweichung bereitgestellt werden muss - Bezugszeichen 60 - kann gemäß der folgenden Formel: $ω = arctan (\frac{δ y}{d_{23}}) = 71,58 °$
berechnet werden. Das Laserscansystem 2 ist dabei so ausgebildet, dass der Winkel 60 groß genug ist in Bezug auf die vertikale Scanamplitude, um ein Übersprechen zu vermeiden. Beispielsweise wenn die vertikale Scanamplitude mit Ω bezeichnet wird, muss der Winkel 60 größer sein als ω-Ω/2>Ω/2.
6 zeigt Schritte eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In 6 sind schematisch Schritte eines Verfahrens zur Projektion eines Bildes auf ein Auge einer Person gezeigt. Das Verfahren umfasst dabei die folgenden Schritte.
In einem ersten Schritt S1 erfolgt ein Einstrahlen eines einfallenden Strahls für ein zu projizierendes Bild auf eine erste Schicht von zumindest zwei Schichten, welche in einem Abstand zueinander angeordnet sind und wobei die zumindest zwei Schichten unterschiedliche Entfernungen zu dem Auge aufweisen.
In einem weiteren Schritt S2 erfolgt ein teilweises Reflektieren des einfallenden Strahls an der ersten Schicht, die eine kürzere Entfernung zu dem Auge aufweist, derart, dass zumindest ein reflektierter erster Teilstrahl bereitgestellt wird.
In einem weiteren Schritt S3 erfolgt ein teilweises Transmittieren des einfallenden Strahls durch die erste Schicht mit einem ersten Winkel derart, dass zumindest ein zweiter Teilstrahl bereitgestellt wird.
In einem weiteren Schritt S4 erfolgt ein Reflektieren des zumindest einen zweiten Teilstrahls an der zweiten Schicht als reflektierter zweiter Teilstrahl.
Dabei werden durch die reflektierten ersten und zweiten Teilstrahlen Eyeboxen mit unterschiedlichen Positionen auf der Pupille des Auges bereitgestellt.
Zusammenfassend weist zumindest eine der Ausführungsformen der Erfindung zumindest einen der folgenden Vorteile auf:

• Einfacher Aufbau.
• Kostengünstige Herstellung.
• Zuverlässige Abbildung.
• Großes Sichtfeld.
• Vielfältige Anwendungsbereiche, insbesondere für smarte Brillen.

Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie nicht darauf beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2015/0362734 A1 [0005]
WO 2017/0117991 A1 [0006]
DE 102014224189 A1 [0007]

Claims

Optische Kombinationsvorrichtung (3) zur Projektion eines Bildes von einer Beleuchtungseinrichtung (2) auf ein Auge (4) einer Person, umfassend zumindest zwei Schichten (3a, 3b), welche in einem Abstand (50) zueinander angeordnet sind und wobei die zumindest zwei Schichten (3a, 3b) unterschiedliche Entfernungen zu dem Auge (4) aufweisen, wobei jede der Schichten (3a, 3b) zumindest teilweise reflektierend ausgebildet ist, sodass durch zumindest eine der Schichten (3a) zumindest ein reflektierter erster Teilstrahl (100c, 101c, 102c) durch Reflexion an der zumindest einen Schicht (3a) bereitgestellt wird und wobei die erste Schicht (3a) der zumindest zwei Schichten (3a, 3b), die eine kürzere Entfernung zu dem Auge (4) als die zweite der zumindest zwei Schichten (3a, 3b) aufweist, teilweise transmittierend ausgebildet ist, derart, dass aus einem einfallenden Strahl (100, 101, 102) zumindest ein zweiter Teilstrahl (100a, 101a, 102a) gebildet wird, wobei der zumindest eine zweite Teilstrahl (100a, 101a, 102a) mit einem ersten Winkel (202', 203', 204') transmittiert wird und von der dahinterliegenden zweiten Schicht (3b) zumindest teilweise als reflektierter zweiter Teilstrahl (100b, 101b, 102b) reflektiert wird und wobei durch die reflektierten ersten und zweiten Teilstrahlen (100c, 101c, 102c; 100b, 101b, 102b) jeweils unterschiedliche Positionen (10, 11) von Eyeboxen (EB1, EB2) auf der Pupille (4a) des Auges (4) bereitgestellt werden.
Optische Kombinationsvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die zumindest zwei Schichten (3a, 3b) dazu ausgebildet sind, die Energie des auf die optische Kombinationsvorrichtung (3) einfallenden Strahls (100, 101, 102) gleichmäßig auf die verschiedenen reflektierten ersten und zweiten Teilstrahlen (100c, 101c, 102c; 100b, 101b, 102b) aufzuteilen.
Optische Kombinationsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1-2, wobei die erste Schicht (3a) dazu ausgebildet ist, mehrere zweite Teilstrahlen (100a1, 100a2, 100a3, 100b1, 100b2, 100b3) zu bilden, wobei einer (100a1, 100a3) der weiteren zweiten Teilstrahlen (100a1, 100a3) mit einer Winkelabweichung (60) bezogen auf den ersten Winkel (202', 203', 204') transmittiert wird.
Optische Kombinationsvorrichtung gemäß Anspruch 3, wobei die erste Schicht (3a) ausgebildet ist, die Winkelabweichung (60) für den zumindest einen weiteren zweiten Teilstrahl (100a1, 100a3) in vertikaler Richtung bereitzustellen.
Optische Kombinationsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 3-4, wobei die weiteren zweiten Teilstrahlen (100a1, 100a3, 100b1, 100b3) eine gerade Gesamtanzahl aufweisen.
Optische Kombinationsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1-5, wobei der erste Winkel (202', 203', 204') gleich oder kleiner dem Einfallswinkel (202, 203, 204) des einfallenden Strahls (100, 101, 102) auf die optische Kombinationseinrichtung (3) ist.
Optische Kombinationsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1-6, wobei die optische Kombinationsvorrichtung (3) ausgebildet ist, eine ungerade Gesamtanzahl von reflektierten ersten und zweiten Teilstrahlen (100c, 101c, 102c; 100b, 101b, 102b; 400, 401, 402, 403, 404, 405, 406) bereitzustellen, insbesondere wobei die Gesamtanzahl 7 beträgt, wobei zumindest einer (400) der reflektierten ersten und zweiten Teilstrahlen (100c, 101c, 102c; 100b, 101b, 102b; 400, 401, 402, 403, 404, 405, 406) eine Position einer Eyebox (EB0) bereitstellt, die im Zentrum der Pupille (4a) angeordnet ist.
Optische Kombinationsvorrichtung gemäß Anspruch 7, wobei die weiteren reflektierten ersten und zweiten Teilstrahlen (401, 402, 403, 404, 405, 406) Positionen von Eyeboxen (EB1, EB2, EB3, EB4, EB5, EB6) bereitstellen, die umfänglich auf dem Rand der Pupille (4a) angeordnet sind.
Optische Kombinationsvorrichtung gemäß Anspruch 8, wobei die Positionen der Eyeboxen (EB1, EB2, EB3, EB4, EB5, EB6) auf dem Rand der Pupille (4a) symmetrisch, insbesondere gleichverteilt, angeordnet sind.
Optische Kombinationsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1-9, wobei zumindest eine der Schichten (3a, 3b) zumindest ein Hologramm und/oder ein diffraktives Element umfasst.
Projektionssystem (1) zur Projektion eines Bildes auf ein Auge einer Person, umfassend eine Beleuchtungseinrichtung (2), insbesondere ein Laser-Scanner, und eine optische Kombinationsvorrichtung (3) gemäß einem der Ansprüche 1-10.
Verfahren zur Projektion eines Bildes auf ein Auge (4) einer Person, umfassend die Schritte - Einstrahlen (S1) eines einfallenden Strahls (100, 101, 102) für ein zu projizierendes Bild auf eine erste Schicht (3a) von zumindest zwei Schichten (3a, 3b), welche in einem Abstand (50) zueinander angeordnet sind und wobei die zumindest zwei Schichten (3a, 3b) unterschiedliche Entfernungen zu dem Auge (4) aufweisen, - Teilweises Reflektieren (S2) des einfallenden Strahls (100, 101, 102) an der ersten Schicht (3a), die eine kürzere Entfernung zu dem Auge (4) aufweist, derart, dass zumindest ein reflektierter erster Teilstrahl (100c, 101c, 102c) bereitgestellt wird, - Teilweises Transmittieren (S3) des einfallenden Strahls (100, 101, 102) durch die erste Schicht (3a) mit einem ersten Winkel (202', 203', 204') derart, dass zumindest ein zweiter Teilstrahl (100a, 101a, 102a) bereitgestellt wird, - Reflektieren (S4) des zumindest einen zweiten Teilstrahls (100a, 101a, 102a) an der zweiten Schicht (3b) als reflektierter zweiter Teilstrahl (100b, 101b, 102b), wobei durch die reflektierten ersten und zweiten Teilstrahlen ((100c, 101c, 102c; 100b, 101b, 102b) Eyeboxen (EB1, EB2) mit unterschiedlichen Positionen (10, 11) auf der Pupille (4a) des Auges (4) bereitgestellt werden.