DE102022134421A1 - Device for generating and displaying an image on an observation field using a pupil multiplier and augmented reality glasses - Google Patents
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Abstract
Vorrichtung zur Erzeugung und Darstellung von Bildern in einem zur Einblendung von Informationen und Bildern vorgesehenen Beobachtungsfeld (10), umfassend mindestens eine Lichtquelle (1) zum Aussenden mindestens eines Lichtbündels (3), einen Mikroscanner (4) zur variablen Ablenkung des mindestens einen Lichtbündels (3), wobei der Mikroscanner (4) mindestens eine Drehachse für eine rotatorische Schwingbewegung zur Ablenkung des mindestens einen Lichtbündels (3) sowie eine Verkapselung (5) aufweist, die den Mikroscanner (4) hermetisch abschließt, und einen Pupillenvervielfacher (6), der durch Amplituden-Teilerflächen (7), an denen das Lichtbündel (3) mehrfach zumindest anteilig reflektiert wird, oder durch diffraktive Strukturen (12, 13), an denen das Lichtbündel (3) gebeugt wird, gebildet ist und der in oder an der Verkapselung (5) so angebracht ist, dass das mindestens eine von dem Mikroscanner (4) abgelenkte Lichtbündel (3) in ein erstes Teillichtbündel (31) und mindestens ein zweites Teillichtbündel (32) aufgeteilt ist, wobei das erste Teillichtbündel (31) und das mindestens eine zweite Teillichtbündel (32) in unterschiedliche benachbarte Bereiche des Beobachtungsfelds (10) gerichtet sind und aneinander angepasste Intensitäten aufweisen.Device for generating and displaying images in an observation field (10) provided for displaying information and images, comprising at least one light source (1) for emitting at least one light beam (3), a microscanner (4) for variable deflection of the at least one light beam (3), the microscanner (4) having at least one axis of rotation for a rotary oscillating movement for deflecting the at least one light beam (3) and an encapsulation (5) which hermetically seals the microscanner (4), and a pupil multiplier (6) which is formed by amplitude splitter surfaces (7) at which the light beam (3) is reflected several times at least in part, or by diffractive structures (12, 13) at which the light beam (3) is diffracted, and which is mounted in or on the encapsulation (5) in such a way that the at least one light beam (3) deflected by the microscanner (4) is divided into a first partial light beam (31) and at least one second partial light beam (32), wherein the first partial light beam (31) and the at least one second partial light beam (32) are directed into different adjacent regions of the observation field (10) and have intensities adapted to one another.
Description
Die Erfindung betrifft eine Projektionsvorrichtung zur Erzeugung und Darstellung von Bildern auf einem zur Projektion erweiterter Realität vorgesehenen Beobachtungsfeld, welches insbesondere ein Brillenglas oder eine Netzhaut eines Benutzers einer Augmented-Reality-Brille sein kann.The invention relates to a projection device for generating and displaying images on an observation field intended for projecting augmented reality, which can in particular be a spectacle lens or a retina of a user of augmented reality glasses.
Erweiterte Realität (engl.: Augmented Reality, kurz AR) bezeichnet die computergestützte Erweiterung der Realitätswahrnehmung, die mindestens eine der menschlichen Sinnesmodalitäten anspricht. Häufig wird unter AR jedoch nur die visuelle Darstellung von Informationen verstanden, nämlich die Ergänzung von Bildern oder Videos mit computergenerierten Zusatzinformationen und/oder virtuellen Objekten mittels Einblendung bzw. Überlagerung. Insbesondere die visuelle Darstellung bzw. Projektion von Bildern, Benutzeroberflächen oder Informationen, wie Wegbeschreibungen, Wetterinformationen oder Nachrichten, stellt eine häufige Anwendung von AR dar und findet zunehmend Anwendung in sogenannten AR-Brillen, die Bilder, Benutzeroberflächen oder Informationen direkt auf den Brillengläsern oder der Netzhaut eines Benutzers darstellen können.Augmented reality (AR) refers to the computer-aided extension of the perception of reality that addresses at least one of the human sensory modalities. However, AR is often understood to mean only the visual representation of information, namely the addition of computer-generated additional information and/or virtual objects to images or videos by means of fading or overlaying. In particular, the visual representation or projection of images, user interfaces or information, such as directions, weather information or news, is a common application of AR and is increasingly being used in so-called AR glasses, which can display images, user interfaces or information directly on the lenses or retina of a user.
Zur Projektion von Bildern oder Textinformationen kann ein Mikroscanner (auch mikro-elektro-mechanisches System, kurz: MEMS) verwendet werden. Auf den MEMS-Scanner wird ein Lichtbündel, der von einer beispielsweise in einem Bügel einer Brille angeordneten Lichtquelle erzeugt und anschließend geformt wird, abgelenkt. Durch den MEMS-Scanner kann das Lichtbündel dann gescannt werden, wodurch auf einem Beobachtungsfeld ein Bild erzeugt wird. Ein solches bildgebendes System mit MEMS-Scanner benötigt vergleichsweise wenig optische Elemente, wodurch kleine und kostengünstige Projektoren realisiert werden können. Für AR-Anwendungen muss ein Projektor eine sehr gute optische Auflösung erzielen und sehr wenig Strom verbrauchen. Aufgrund mangelnder Alternativen werden daher häufig Kantenemitter als Lichtquelle verwendet. Diese emittieren jedoch ein stark divergentes, elliptisch geformtes Lichtbündel, das kollimiert werden muss.A microscanner (also known as a micro-electro-mechanical system, or MEMS for short) can be used to project images or text information. A beam of light, which is generated by a light source arranged in the temple of a pair of glasses, for example, and then shaped, is deflected onto the MEMS scanner. The MEMS scanner can then scan the beam of light, creating an image on an observation field. Such an imaging system with a MEMS scanner requires comparatively few optical elements, which means that small and inexpensive projectors can be realized. For AR applications, a projector must achieve very good optical resolution and consume very little power. Due to a lack of alternatives, edge emitters are therefore often used as the light source. However, these emit a highly divergent, elliptically shaped beam of light that must be collimated.
Ein MEMS-Scanner ist beispielsweise in der
Durch die Oszillationen wird ein Sichtfeld (engl.: Field of View, kurz: FOV) mit hohen Frequenzen in einem Scan-Muster, das einer Lissajous-Figur gleicht, gescannt. Im Gegensatz zu konventionellen Rasterscanverfahren, die das FOV periodisch von oben nach unten mit maximaler Auflösung scannen, können so hunderte Teilbilder gleichzeitig verarbeitet und eine flüssigere Bewegungsdarstellung ermöglicht werden. Außerdem werden Artefakte bei der dreidimensionalen Wahrnehmung von sich schnell bewegenden Objekten stark reduziert.The oscillations scan a field of view (FOV) at high frequencies in a scan pattern that resembles a Lissajous figure. In contrast to conventional raster scanning methods, which periodically scan the FOV from top to bottom at maximum resolution, hundreds of partial images can be processed simultaneously and a smoother representation of motion is possible. In addition, artifacts in the three-dimensional perception of fast-moving objects are greatly reduced.
Bei augennahen Displaysystemen, die dreidimensionale Augmented und/oder Virtual Reality unterstützen, ist die Größe der sogenannten Austrittspupille (engl.: Exit Pupil oder Eyebox) ein wesentlicher Faktor für das Nutzererlebnis. Die Austrittspupille ist der Bereich vor einem augennahen Display, in dem projizierte Bildinhalte durch die Pupille korrekt wahrgenommen werden können. Außerhalb der Austrittspupille können Bildinhalte verzerrt sein, Farben können falsch oder gespiegelt sein oder Bildinhalte sind überhaupt nicht sichtbar.For near-eye display systems that support three-dimensional augmented and/or virtual reality, the size of the so-called exit pupil (or eyebox) is a key factor for the user experience. The exit pupil is the area in front of a near-eye display in which projected image content can be correctly perceived by the pupil. Outside the exit pupil, image content can be distorted, colors can be incorrect or mirrored, or image content is not visible at all.
Die praktische Mindestgröße der Austrittspupille ist die Größe der Pupille des menschlichen Auges, in der Regel ca. 3-5 mm. Bei Ferngläsern oder Mikroskopen genügt eine solche Austrittspupille, da die Pupille des Auges sich in der Regel wenig bewegt. Im Falle von augennahen Displays bewegen sich die Augen des Benutzers jedoch. Um diese Augenbewegung zu unterstützen, muss die Größe der Austrittspupille um mindestens ein paar Millimeter in jede Richtung vergrößert werden. Hinzu kommt ein von Mensch zu Mensch abweichender Pupillenabstand, der bei Ferngläsern oder Okularen beispielsweise über mechanische Einstellungen kompensiert werden kann. Bewegliche mechanische Teile sind jedoch bei AR-Brillen aufgrund ihrer hohen Anfälligkeit für mechanische Einwirkungen sowie dem damit verbundenen Verschleiß und dem erforderlichen Bauraum nicht gewünscht, weshalb das mechanische Einstellen hier keine Option darstellt. Daher muss die Austrittspupille auf mindestens 1 cm, idealerweise sogar auf mehrere Zentimeter, vergrößert werden.The practical minimum size of the exit pupil is the size of the pupil of the human eye, usually about 3-5 mm. For binoculars or microscopes, such an exit pupil is sufficient, since the pupil of the eye usually moves very little. In the case of displays close to the eyes, however, the user's eyes move. To support this eye movement, the size of the exit pupil must be increased by at least a few millimeters in each direction. In addition, the pupil distance varies from person to person, which can be compensated for in binoculars or eyepieces, for example, by mechanical adjustments. However, moving mechanical parts are not desired in AR glasses due to their high susceptibility to mechanical influences and the associated wear and tear and the required installation space, which is why mechanical adjustment is not an option here. The exit pupil must therefore be increased to at least 1 cm, ideally even to several centimeters.
Ein Display für eine augennahe Anzeige von Abbildungen ist durch die
Die
Ein optisches System für eine virtuelle Netzhautanzeige und ein Verfahren zum Projizieren von Bildinhalten auf eine Netzhaut ist aus der
Bei den vorgenannten Systemen, die mit Mitteln zur Vergrößerung der Austrittspupille ausgestattet sind, wird das von dem Mikroscanner kommende Licht stets auf einen Wellenleiter geschickt und vor oder auf dem Wellenleiter geteilt, um eine Mehrzahl von zueinander räumlich versetzt angeordneten Austrittspupillen zu erzeugen. Bei einer kompakten AR-Brille besteht jedoch das Problem, dass ein solcher Freistrahlbereich an dem Kopf eines Nutzers vorbeigeführt werden muss, wodurch viele Kompromisse beim Design einer solchen AR-Brille notwendig sind. Darüber hinaus wird viel Bauraum für Projektionssysteme und strahlformende Optiken benötigt und die zurückgelegten Strahlwege sind verhältnismäßig lang.In the aforementioned systems, which are equipped with means for enlarging the exit pupil, the light coming from the microscanner is always sent to a waveguide and split in front of or on the waveguide in order to generate a plurality of exit pupils that are spatially offset from one another. However, with compact AR glasses, there is the problem that such a free beam area has to be guided past the head of a user, which means that many compromises are necessary in the design of such AR glasses. In addition, a lot of installation space is required for projection systems and beam-forming optics and the beam paths traveled are relatively long.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neue Möglichkeit zur Bilderzeugung und Bilddarstellung auf einem Beobachtungsfeld zur AR-Informationsprojektion zu finden, die wenige optische Elemente und wenig Bauraum beansprucht und gleichzeitig eine große Austrittspupille aufweist.The invention is based on the object of finding a new possibility for image generation and image display on an observation field for AR information projection, which requires few optical elements and little installation space and at the same time has a large exit pupil.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zur Erzeugung und Darstellung von Bildern in einem zur Einblendung von Informationen und Bildern vorgesehenen Beobachtungsfeld, umfassend mindestens eine Lichtquelle zum Aussenden mindestens eines Lichtbündels, einen Mikroscanner zur variablen Ablenkung des mindestens einen Lichtbündels, wobei der Mikroscanner mindestens eine Drehachse für eine rotatorische Schwingbewegung zur Ablenkung des mindestens einen Lichtbündels sowie eine Verkapselung aufweist, die den Mikroscanner hermetisch abschließt, und einen Pupillenvervielfacher, der durch Amplituden-Teilerflächen, an denen das Lichtbündel mehrfach zumindest anteilig reflektiert wird, oder durch diffraktive Strukturen, an denen das Lichtbündel gebeugt wird, gebildet ist und der in oder an der Verkapselung des Mikroscanners so angebracht ist, dass das mindestens eine von dem Mikroscanner abgelenkte Lichtbündel in ein erstes Teillichtbündel und mindestens ein zweites Teillichtbündel aufgeteilt ist, wobei das erste Teillichtbündel und das mindestens eine zweite Teillichtbündel in unterschiedliche benachbarte Bereiche des Beobachtungsfelds gerichtet sind und aneinander angepasste Intensitäten aufweisen.The object is achieved by a device for generating and displaying images in an observation field intended for displaying information and images, comprising at least one light source for emitting at least one light beam, a microscanner for variable deflection of the at least one light beam, wherein the microscanner has at least one axis of rotation for a rotary oscillating movement for deflecting the at least one light beam and an encapsulation that hermetically seals the microscanner, and a pupil multiplier which is formed by amplitude splitter surfaces on which the light beam is reflected several times at least in part, or by diffractive structures on which the light beam is diffracted, and which is mounted in or on the encapsulation of the microscanner in such a way that the at least one light beam deflected by the microscanner is divided into a first partial light beam and at least one second partial light beam, wherein the first partial light beam and the at least one second partial light beam are directed into different adjacent areas of the observation field and have intensities that are adapted to one another.
Die Verkapselung des Mikroscanners ist generell zum Schutz der beweglichen mechanischen und optischen Komponenten des Mikroscanners vorgesehen und unverzichtbar, um ihn vor äußeren Einflüssen und Verschmutzungen zu schützen. Durch die Erfindung kann die Verkapselung einer weiteren Funktionalität zugeführt werden, um Stabilität und Kompaktheit von AR-Bilderzeugung und -darstellung weiter zu erhöhen.The encapsulation of the microscanner is generally intended to protect the moving mechanical and optical components of the microscanner and is indispensable to protect it from external influences and contamination. The invention allows the encapsulation to be given additional functionality to further increase the stability and compactness of AR image generation and display.
Durch den Pupillenvervielfacher bleibt die Größe der Austrittspupille der Vorrichtung zur Erzeugung und Darstellung von Bildern bzw. der Projektionsvorrichtung gleich, während die Kompaktheit der Projektionsvorrichtung verbessert wird. Alternativ kann bei gleichbleibender Kompaktheit die Austrittspupille vergrößert werden. Der Pupillenvervielfacher ist ein Strahlteiler oder eine Anordnung von Strahlteilern, durch den oder die das Lichtbündel in mehrere, vorzugsweise parallel zueinander verlaufende, Teillichtbündel aufgeteilt wird, oder er ist durch diffraktive Strukturen gebildet, an denen das Lichtbündel gebeugt wird. Die diffraktiven Strukturen können auch als holographische optische Elemente ausgebildet sein.The pupil multiplier keeps the size of the exit pupil of the device for generating and displaying images or of the projection device the same, while improving the compactness of the projection device. Alternatively, the exit pupil can be enlarged while maintaining the same compactness. The pupil multiplier is a beam splitter or an arrangement of beam splitters by which the light beam is split into several partial light beams, preferably running parallel to one another, or it is formed by diffractive structures at which the light beam is diffracted. The diffractive structures can also be designed as holographic optical elements.
Die Erzeugung und Darstellung von Bildern ist im Sinne der Erfindung als die Erzeugung und Darstellung von einem Bild, mehreren Bildern oder einer Abfolge von Bildern zu verstehen. Mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung können auch Benutzeroberflächen oder Informationen, wie Wegbeschreibungen, Wetterinformationen oder Nachrichten auf dem Beobachtungsfeld dargestellt werden.The generation and display of images is to be understood in the sense of the invention as the generation and display of one image, several images or a sequence of images. With a The device according to the invention can also display user interfaces or information such as directions, weather information or messages on the observation field.
Das Beobachtungsfeld ist vorteilhaft mindestens eine optisch wirksame Fläche, beispielsweise mindestens ein Strahlteiler oder ein holographisches optisches Element (engl.: Holographic Optical Element, kurz: HOE), das in einem Brillenglas einer AR-Brille oder auf einer Frontscheibe eines Kraftfahrzeugs aufgebracht ist. Alternativ kann das Beobachtungsfeld die Netzhaut mindestens eines Auges eines Nutzers sein.The observation field is advantageously at least one optically effective surface, for example at least one beam splitter or a holographic optical element (HOE for short), which is applied in a lens of AR glasses or on a windshield of a motor vehicle. Alternatively, the observation field can be the retina of at least one eye of a user.
Vorteilhaft umfasst die Vorrichtung mindestens einen Wellenleiter, der flächig ausgebildet ist und zueinander parallel verlaufende Außenflächen aufweist. Mindestens ein Wellenleiter kann durch die parallel verlaufenden Außenflächen der Verkapselung gebildet sein. Der Wellenleiter ist im Wesentlichen plattenförmig und besteht aus einem Material, durch das das von der Lichtquelle emittierte Lichtbündel propagieren kann. Der Wellenleiter kann parallelflächig sein. Das mindestens eine Lichtbündel propagiert bevorzugt durch Totalreflektion an den Außenflächen des Wellenleiters. Dazu muss das Lichtbündel unter einem Winkel, der größer als ein Winkel der Totalreflexion ist, in den Wellenleiter eingekoppelt werden. Der Winkel der Totalreflexion hängt von dem Material ab, aus dem der Wellenleiter besteht. Der mindestens eine Wellenleiter kann aus mehreren Schichten oder aus nur einer Schicht bestehen. Bevorzugt ist der Wellenleiter eine Platte aus Glas oder transparentem optischem Kunststoff. Besonders bevorzugt ist der Wellenleiter ein Brillenglas einer AR-Brille oder die Frontscheibe eines Kraftfahrzeugs.The device advantageously comprises at least one waveguide which is flat and has outer surfaces running parallel to one another. At least one waveguide can be formed by the parallel outer surfaces of the encapsulation. The waveguide is essentially plate-shaped and consists of a material through which the light beam emitted by the light source can propagate. The waveguide can be parallel-surface. The at least one light beam preferably propagates by total reflection on the outer surfaces of the waveguide. To do this, the light beam must be coupled into the waveguide at an angle that is greater than an angle of total reflection. The angle of total reflection depends on the material from which the waveguide is made. The at least one waveguide can consist of several layers or of just one layer. The waveguide is preferably a plate made of glass or transparent optical plastic. The waveguide is particularly preferably a lens of AR glasses or the windshield of a motor vehicle.
An dem Wellenleiter kann zudem mindestens ein Deckglas aufgebracht sein, das die Außenseite des Wellenleiters vor äußeren Einflüssen schützt. Besonders bevorzugt ist auf beiden Außenseiten des Wellenleiters ein Deckglas aufgebracht.At least one cover glass can also be applied to the waveguide to protect the outside of the waveguide from external influences. A cover glass is particularly preferably applied to both outside sides of the waveguide.
Im Strahlengang des Lichtbündels ist, wenn die Lichtquelle ein divergentes Lichtbündel aussendet, vorzugsweise vor dem Mikroscanner ein Kollimationselement eingebracht. Im Strahlengang des Lichtbündels kann außerdem ein optisches Element zur Korrektur von Aberrationen und/oder zur Strahlformung eingebracht sein. Besonders bevorzugt ist das Kollimationselement gleichzeitig zur Korrektur von Aberrationen und zur Strahlformung ausgelegt. Auf diese Weise werden nur sehr wenig optische Elemente im Strahlengang des Lichtbündels benötigt, um dieses zu kollimieren, zu korrigieren und zu formen.If the light source emits a divergent light beam, a collimation element is preferably inserted in front of the microscanner in the beam path of the light beam. An optical element for correcting aberrations and/or for beam shaping can also be inserted in the beam path of the light beam. The collimation element is particularly preferably designed to correct aberrations and for beam shaping at the same time. In this way, only very few optical elements are required in the beam path of the light beam to collimate, correct and shape it.
Vorteilhaft ist zwischen dem Mikroscanner und dem Wellenleiter ein Einkoppelelement angeordnet, durch welches das mindestens eine Lichtbündel in den Wellenleiter einkoppelbar ist. Das Einkoppelelement ist also dazu ausgelegt, das von dem Mikroscanner kommende Lichtbündel in den Wellenleiter einzukoppeln. Durch das Einkoppelelement können gleichzeitig Bildfehler und Ablenkungen des Lichtbündels, die an einer Eintrittsfläche des Wellenleiters entstehen, verringert oder vermieden werden.Advantageously, a coupling element is arranged between the microscanner and the waveguide, through which the at least one light beam can be coupled into the waveguide. The coupling element is therefore designed to couple the light beam coming from the microscanner into the waveguide. At the same time, the coupling element can reduce or avoid image errors and deflections of the light beam that occur on an entry surface of the waveguide.
In oder an dem Wellenleiter kann außerdem mindestens ein Auskoppelelement angebracht sein, an dem das mindestens eine Teillichtbündel aus dem Wellenleiter auskoppelbar ist. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn das Lichtbündel durch Totalreflexion an den Außenseiten des Wellenleiters durch den Wellenleiter propagiert. In diesem Fall findet an den Auskoppelelementen keine Totalreflexion statt und das Lichtbündel wird durch die Austrittsfläche transmittiert. Dazu kann das Auskoppelelement oder die Auskoppelelemente beispielsweise dieselbe Brechzahl wie der Wellenleiter und eine senkrecht zu dem Lichtbündel verlaufende Ebene aufweisen.In or on the waveguide, at least one coupling element can also be attached, at which the at least one partial light beam can be coupled out of the waveguide. This is particularly advantageous if the light beam propagates through the waveguide by total reflection on the outside of the waveguide. In this case, no total reflection takes place at the coupling elements and the light beam is transmitted through the exit surface. For this purpose, the coupling element or the coupling elements can, for example, have the same refractive index as the waveguide and a plane running perpendicular to the light beam.
Die Teilerflächen können durch eine das mindestens eine Lichtbündel reflektierende erste Außenfläche der Verkapselung und eine für das mindestens eine Lichtbündel teilweise durchlässige und reflektierende zweite Außenfläche der Verkapselung gebildet sein. Ein Reflexionsvermögen der zweiten Außenfläche kann in der Richtung, wobei ein Reflexionsvermögen der zweiten Außenfläche in einer Richtung, in die die mindestens zwei Teillichtbündel entlang der Verkapselung propagieren, abnehmen. Das Reflexionsvermögen der zweiten Außenfläche nimmt in der Richtung, in die das mindestens eine Lichtbündel entlang der Verkapselung propagiert, so ab, dass alle Teillichtbündel im Wesentlichen dieselbe Intensität aufweisen. In diesem Fall sind keine zusätzlichen Teilerflächen notwendig. Es ist jedoch mit einer solchen Anordnung ohne das Einbringen zusätzlicher optischer Elemente nicht möglich, das Lichtbündel entlang mehrerer Richtungen aufzuspalten.The splitter surfaces can be formed by a first outer surface of the encapsulation that reflects the at least one light beam and a second outer surface of the encapsulation that is partially transparent and reflective for the at least one light beam. A reflectivity of the second outer surface can decrease in a direction in which the at least two partial light beams propagate along the encapsulation. The reflectivity of the second outer surface decreases in the direction in which the at least one light beam propagates along the encapsulation so that all partial light beams have essentially the same intensity. In this case, no additional splitter surfaces are necessary. However, with such an arrangement without the introduction of additional optical elements, it is not possible to split the light beam along several directions.
Um das Lichtbündel entlang der Verkapselung in mehr als einer Richtung aufzuspalten, können weitere Teilerflächen in die Verkapselung eingebracht sein. In diesem Fall kann ein Reflexionsvermögen bzw. Teilungsverhältnis der weiteren Teilerflächen in der Richtung, in die das mindestens eine Lichtbündel entlang der Verkapselung propagiert, abnehmen. Das Reflexionsvermögen der weiteren Teilerflächen nimmt in der Richtung, in die das mindestens eine Lichtbündel entlang der Verkapselung propagiert, so ab, dass alle Teillichtbündel im Wesentlichen dieselbe Intensität aufweisen.In order to split the light beam along the encapsulation in more than one direction, further splitter surfaces can be introduced into the encapsulation. In this case, a reflectivity or splitting ratio of the further splitter surfaces can decrease in the direction in which the at least one light beam propagates along the encapsulation. The reflectivity of the further splitter surfaces decreases in the direction in which the at least one light beam propagates along the encapsulation such that all partial light beams have essentially the same intensity.
Prinzipiell können auch die erste und/oder die zweite Außenfläche der Verkapselung als Teilerfläche wirken und/oder zusätzliche Teilerflächen in den Wellenleiter eingebracht sein, um das Lichtbündel mit möglichst wenigen optischen Elementen entlang mehr als einer Richtung aufzuspalten.In principle, the first and/or the second outer surface of the encapsulation can also act as a splitter surface and/or additional splitter surfaces can be introduced into the waveguide in order to split the light beam along more than one direction with as few optical elements as possible.
Vorteilhaft ist in oder an dem Wellenleiter ein weiterer Pupillenvervielfacher angebracht, sodass das erste Teillichtbündel und das mindestens eine zweite Teillichtbündel noch weiter aufgespalten werden. Der weitere Pupillenvervielfacher kann analog zu dem Pupillenvervielfacher ausgebildet sein. Es können auch hier die Außenflächen des Wellenleiters Teilerflächen des weiteren Pupillenvervielfachers sein.Advantageously, a further pupil multiplier is fitted in or on the waveguide so that the first partial light beam and the at least one second partial light beam are split even further. The further pupil multiplier can be designed in a similar way to the pupil multiplier. Here too, the outer surfaces of the waveguide can be dividing surfaces of the further pupil multiplier.
Der Mikroscanner kann insbesondere als mikro-elektro-mechanisches System (MEMS) ausgebildet und dazu ausgelegt sein, eine nichtlineare Lissajous-Projektion in das Beobachtungsfeld zu bewirken. Der Mikroscanner ist so ausgebildet, um das Lichtbündel über das Beobachtungsfeld zu scannen, wodurch auf dem Beobachtungsfeld ein Bild erzeugt wird. Durch das Scannen des mindestens einen Lichtbündels entlang einer Lissajous-Figur können hunderte Teilbilder gleichzeitig verarbeitet werden und eine flüssigere Bewegungsdarstellung ermöglicht werden. Außerdem werden Artefakte bei der dreidimensionalen Wahrnehmung von sich schnell bewegenden Objekten durch den Nutzer stark reduziert.The microscanner can be designed in particular as a micro-electro-mechanical system (MEMS) and can be configured to cause a non-linear Lissajous projection in the observation field. The microscanner is designed to scan the light beam across the observation field, thereby generating an image on the observation field. By scanning the at least one light beam along a Lissajous figure, hundreds of partial images can be processed simultaneously and a smoother representation of movement is made possible. In addition, artifacts in the three-dimensional perception of fast-moving objects by the user are greatly reduced.
Besonders vorteilhaft ist der Mikroscanner um genau zwei Drehachsen, die orthogonal zueinander sind, für rotatorische Schwingbewegungen ausgebildet und oszilliert mit seiner Eigenfrequenz um die beiden Drehachsen. Der Mikroscanner kann auch für eine rotatorische Schwingbewegung nur um eine Drehachse ausgebildet sein, wobei im letzteren Fall die Lichtquelle derart ausgebildet ist, um mehrere nebeneinander angeordnete Lichtbündel zeilenartig zu emittieren.It is particularly advantageous if the microscanner is designed for rotary oscillation movements around exactly two axes of rotation that are orthogonal to one another and oscillates at its natural frequency around the two axes of rotation. The microscanner can also be designed for rotary oscillation movements around only one axis of rotation, in which case the light source is designed to emit several light beams arranged next to one another in a line-like manner.
Vorteilhaft ist die mindestens eine Lichtquelle eine Laserdiode, die als Kantenemitter, Oberflächenemitter ausgebildet ist oder eine fasergekoppelte Laserlichtquelle. Oberflächenemitter und fasergekoppelte Lichtquellen haben den Vorteil, dass die von diesen Lichtquellen emittierten Lichtbündel in der Regel weniger divergent als die von Kantenemittern emittierten Lichtbündel sind. Dafür sind die Anschaffungskosten von Oberflächenemittern und fasergekoppelten Lichtquellen in der Regel deutlich höher als die von Kantenemittern.Advantageously, the at least one light source is a laser diode that is designed as an edge emitter, surface emitter or a fiber-coupled laser light source. Surface emitters and fiber-coupled light sources have the advantage that the light beams emitted by these light sources are generally less divergent than the light beams emitted by edge emitters. However, the acquisition costs of surface emitters and fiber-coupled light sources are generally significantly higher than those of edge emitters.
Die mindestens eine Lichtquelle kann so ausgebildet sein, um mehrere Lichtbündel mit paarweise voneinander verschiedenen spektralen Zusammensetzungen zu emittieren. Alternativ kann die mindestens eine Lichtquelle durch weitere gleichartige Lichtquellen ergänzt werden, sodass mehrere Lichtbündel mit derselben spektralen Zusammensetzung emittiert werden. Durch ein zusätzliches optisches Element kann vorzugsweise der Abstand der von der Lichtquelle oder den Lichtquellen emittierten Lichtbündel zueinander eingestellt werden. Das Verwenden einer Lichtquelle, die mehrere Lichtbündel emittiert, oder mehrerer Lichtquellen ist insbesondere dann sinnvoll, wenn der Mikroscanner um nur eine Drehachse drehbar ausgebildet ist, da dann durch ein gleichzeitiges Ansteuern von Zeilenlichtquelle und Mikroscanner ein Bild in zwei Dimensionen erzeugt werden kann.The at least one light source can be designed to emit a plurality of light beams with pairwise different spectral compositions. Alternatively, the at least one light source can be supplemented by further similar light sources so that a plurality of light beams with the same spectral composition are emitted. The distance between the light beams emitted by the light source or light sources can preferably be adjusted using an additional optical element. Using a light source that emits a plurality of light beams or a plurality of light sources is particularly useful if the microscanner is designed to be rotatable about only one axis of rotation, since an image in two dimensions can then be generated by simultaneously controlling the line light source and the microscanner.
Die Aufgabe wird weiterhin durch eine Augmented-Reality-Brille, enthaltend eine Vorrichtung zur Erzeugung und Darstellung von Bildern gemäß einer der beschriebenen Ausführungen, gelöst.The object is further achieved by augmented reality glasses containing a device for generating and displaying images according to one of the described embodiments.
Die Erfindung soll nachfolgend durch Ausführungsbeispiele anhand von Zeichnungen näher beschrieben werden. Hierzu zeigen:
-
1 Eine Seitenansicht einer ersten Ausführung einer Vorrichtung zur Erzeugung und Darstellung von Bildern in einem Beobachtungsfeld, -
2 eine Ansicht einer zweiten Ausführung der Vorrichtung zur Erzeugung und Darstellung von Bildern in dem Beobachtungsfeld, -
3 eine Ansicht einer dritten Ausführung der Vorrichtung zur Erzeugung und Darstellung von Bildern in dem Beobachtungsfeld, -
4A eine erste Ansicht einer vierten Ausführung der Vorrichtung zur Erzeugung und Darstellung von Bildern in dem Beobachtungsfeld, -
4B eine zweite Ansicht einer vierten Ausführung der Vorrichtung zur Erzeugung und Darstellung von Bildern in dem Beobachtungsfeld, -
5 eine Ansicht einer fünften Ausführung der Vorrichtung zur Erzeugung und Darstellung von Bildern in dem Beobachtungsfeld, -
6 eine Seitenansicht einer sechsten Ausführung der Vorrichtung zur Erzeugung und Darstellung von Bildern in dem Beobachtungsfeld mit einem weiteren Wellenleiter.
-
1 A side view of a first embodiment of a device for generating and displaying images in an observation field, -
2 a view of a second embodiment of the device for generating and displaying images in the observation field, -
3 a view of a third embodiment of the device for generating and displaying images in the observation field, -
4A a first view of a fourth embodiment of the device for generating and displaying images in the observation field, -
4B a second view of a fourth embodiment of the device for generating and displaying images in the observation field, -
5 a view of a fifth embodiment of the device for generating and displaying images in the observation field, -
6 a side view of a sixth embodiment of the device for generating and displaying images in the observation field with a further waveguide.
In
Die erste Ausführung umfasst eine Lichtquelle 1 zum Aussenden mindestens eines Lichtbündels 3 in Richtung eines Mikroscanners 4. Die Lichtquelle 1 ist bei der ersten Ausführung als stark divergente Laserdiode, beispielsweise in Form eines Kantenstrahlers, ausgebildet und oberhalb eines Mikroscanners 4 angeordnet. Das Lichtbündel 3 trifft nach dem Austritt aus der Lichtquelle 1 auf ein Kollimationselement 2, das dazu ausgelegt ist, das divergente Lichtbündel 3 zu kollimieren oder zumindest teilweise zu kollimieren und zu formen.The first embodiment comprises a
Der Mikroscanner 4 ist zur variablen Ablenkung des Lichtbündels 3 ausgelegt und weist mindestens eine Drehachse für eine rotatorische Schwingbewegung zur Ablenkung des Lichtbündels 3 auf. Er ist vorzugsweise als mikro-elektro-mechanisches System ausgebildet und dazu ausgelegt, eine nichtlineare Lissajous-Projektion in das Beobachtungsfeld 10 zu bewirken. Der Mikroscanner 4 weist eine Verkapselung 5 auf, die generell zum Schutz vor äußeren Einflüssen und Verschmutzungen ist. Die Verkapselung 5 ist flächig ausgebildet und weist zueinander parallel verlaufende Außenflächen auf.The
Das nach dem Kollimationselement 2 kollimierte Lichtbündel 3 trifft anschließend auf die Verkapselung 5, durch die es transmittiert wird, und auf den Mikroscanner 4, wobei der Mikroscanner 4 einen Scanspiegel aufweist, der von einer Verkapselung 5 eingeschlossen ist. An dem Scanspiegel des Mikroscanners 4 wird das Lichtbündel 3 abgelenkt. Der Scanspiegel weist einen Scanbereich auf, innerhalb dessen das Lichtbündel 3 abgelenkt werden kann. Der Scanbereich kann den gesamten Halbraum über dem Scanspiegel umfassen, um im Beobachtungsfeld 10 eine Bilddarstellung zu projizieren. Das Beobachtungsfeld 10 ist in
Die Projektionsvorrichtung umfasst weiterhin einen Pupillenvervielfacher 6 (in
In
Die Teillichtbündel 31 und 32 verlaufen in
Bei der dritten Ausführung schließt die Verkapselung 5 den Mikroscanner 4, wie auch schon bei den ersten beiden Ausführungen, hermetisch ab, um ihn vor äußeren Einflüssen und Verschmutzung zu schützen, und stellt zugleich die verwendeten Teilerflächen 7 als Amplitudenteiler für den Pupillenvervielfacher 6 zur Verfügung.In the third embodiment, the
In
In
Der Strahlengang des Lichtbündels 3 ist in
In der in
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- LichtquelleLight source
- 22
- KollimationselementCollimation element
- 33
- Lichtbündellight beam
- 3i3i
- TeillichtbündelPartial light beam
- 31-3431-34
- (primäre) Teillichtbündel(primary) partial light beams
- 35-31335-313
- sekundäre Teillichtbündelsecondary partial light beams
- 310-390310-390
- sekundäre Teillichtbündelsecondary partial light beams
- 44
- MikroscannerMicroscanner
- 55
- Verkapselung (des Mikroscanners)Encapsulation (of the microscanner)
- 66
- PupillenvervielfacherPupil multiplier
- 77
- Teilerfläche (Amplitudenteiler)Divider area (amplitude divider)
- 7171
- erste Außenflächefirst exterior surface
- 7272
- zweite Außenflächesecond outer surface
- 7373
- schräge Außenflächesloping outer surface
- 7474
- erste Teilerflächefirst divider area
- 7575
- zweite Teilerflächesecond divider area
- 88th
- EinkoppelelementCoupling element
- 99
- AuskoppelelementDecoupling element
- 1010
- BeobachtungsfeldObservation field
- 1111
- reflektierende Flächereflective surface
- 1212
- (erste) diffraktive Struktur(first) diffractive structure
- 1313
- (zweite) diffraktive Struktur(second) diffractive structure
- 1414
- (weiterer) Wellenleiter(further) waveguide
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 102021116151 B3 [0004]DE 102021116151 B3 [0004]
- WO 2021122948 A1 [0008]WO 2021122948 A1 [0008]
- US 20160377866 A1 [0009]US 20160377866 A1 [0009]
- DE 102021200893 A1 [0010]DE 102021200893 A1 [0010]
Claims (13)
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DE102022134421.5A DE102022134421A1 (en) | 2022-12-21 | 2022-12-21 | Device for generating and displaying an image on an observation field using a pupil multiplier and augmented reality glasses |
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Applications Claiming Priority (1)
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DE102022134421.5A DE102022134421A1 (en) | 2022-12-21 | 2022-12-21 | Device for generating and displaying an image on an observation field using a pupil multiplier and augmented reality glasses |
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Citations (4)
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-
2022
- 2022-12-21 DE DE102022134421.5A patent/DE102022134421A1/en active Pending
-
2023
- 2023-12-19 WO PCT/EP2023/086703 patent/WO2024133304A1/en unknown
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Also Published As
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---|---|
WO2024133304A1 (en) | 2024-06-27 |
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