DE102022202921A1

DE102022202921A1 - Optische Replikationskomponente

Info

Publication number: DE102022202921A1
Application number: DE102022202921.6A
Authority: DE
Inventors: Johannes Hofmann; Andreas Petersen; Anna-Katharina Friedel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2022-03-24
Filing date: 2022-03-24
Publication date: 2023-09-28
Also published as: WO2023179935A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine optische Replikationskomponente (1b), welche flächig ausgebildet ist und eine Vorderseite (13a) und eine Rückseite (13b) aufweist. Die optische Replikationskomponente (1b) weist wenigstens ein erstes holographisches optisches Element (2a) und ein zweites holographisches optisches Element (2b) auf. Hierbei sind das wenigstens erste holographische optische Element (2a) und zweite holographische optische Element (2b) dazu ausgebildet sind, einen auf die Vorderseite (13a) der optischen Replikationskomponente (1b) auftreffenden Bildinhalt derart zu reflektieren, dass wenigstens eine erste (6a) und eine, räumlich versetzt zu der ersten (6a) angeordnete zweite Austrittspupille (6b) mit dem Bildinhalt erzeugt werden. Die optische Replikationskomponente (1b) weist ein zusätzliches optisches Filterelement (30) zum Filtern wenigstens eines in einem bestimmten Einfallswinkelbereich und/oder einem bestimmten Wellenlängenbereich und/oder mit einer bestimmten Polarisationsrichtung auf die Rückseite (13b) der optischen Replikationskomponente (1b) auftreffenden ersten Lichtstrahls (5a) auf.

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Replikationskomponente. Zusätzlich betrifft die Erfindung ein optisches System mit der optischen Replikationskomponente und eine Datenbrille mit dem optischen System.
Stand der Technik
Aus dem Dokument US 9 985 682 B1 ist eine Datenbrille (Smartglasses) mit Retinal Scan Display bekannt.
Der Erfindung liegt davon ausgehend die Aufgabe zugrunde, eine Replikationskomponente zu entwickeln, die das Auftreten von Geisterbildern aus der realen Umwelt der Replikationskomponente verhindert.
Offenbarung der Erfindung
Zur Lösung der Aufgabe wird eine Replikationskomponente gemäß Anspruch 1 vorgeschlagen. Zusätzlich wird ein optisches System gemäß Anspruch 16 und eine Datenbrille gemäß Anspruch 17 vorgeschlagen.
Die optische Replikationskomponente ist flächig ausgebildet und weist eine Vorderseite und eine Rückseite auf. Die optische Replikationskomponente weist wenigstens ein erstes holographisches optisches Element und ein zweites holographisches optisches Element auf. Das erste holographische optische Element und zweite holographische optische Element sind hierbei dazu ausgebildet, einen auf die Vorderseite der optischen Replikationskomponente auftreffenden Bildinhalt derart auf ein Auge 19 eines Nutzers einer Datenbrille zu reflektieren, dass wenigstens eine erste und eine, räumlich versetzt zu der ersten angeordnete zweite Austrittspupille mit dem Bildinhalt erzeugt werden. Dier Vorderseite der optische Replikationskomponente ist hierbei in Richtung des Nutzerauges 19 ausgerichtet. Die optische Replikationskomponente weist ein zusätzliches optisches Filterelement zum Filtern wenigstens eines in einem bestimmten Einfallswinkelbereich und/oder einem bestimmten Wellenlängenbereich und/oder mit einer bestimmten Polarisationsrichtung auf die Rückseite der optischen Replikationskomponente auftreffenden ersten Lichtstrahls auf. Es wird entsprechend mittels des optischen Filterelements verhindert, dass erste Lichtstrahlen, die in einem bestimmten Einfallswinkelbereich und/oder einem bestimmten Wellenlängenbereich und/oder mit einer bestimmten Polarisationsrichtung auf die Rückseite der optischen Replikationskomponente auftreffen, die optische Replikationskomponente transmittieren und folgend auf dem Nutzerauge der Datenbrille auftreffen. Vorzugsweise handelt es sich bei den unter bestimmten Bedingungen auftreffenden, gefilterten ersten Lichtstrahlen um Lichtstrahlen, die ohne optisches Filterelement zu Geisterbildern beim Nutzer der Datenbrille führen würden. Als Geisterbild (häufig auch englisch Ghosting genannt) bezeichnet man eine schwach sichtbare, meist weniger leuchtstarke Kopie eines Bildes, die gegenüber dem Hauptbild versetzt ist. Das Phänomen des Auftretens der Geisterbilder beim Blick durch optische Replikationskomponenten mit wenigstens einem ersten und einem zweiten holographisch optischen Element kann beispielsweise mithilfe der von Herwig Kogelnik entwickelten Theorie der Beugung des Lichts an Volumenhologrammen (auch mathematisch) beschrieben werden. Die optische Replikationskomponente erscheint für einen Nutzer zumindest aus einer Blickrichtung gesehen im Wesentlichen transparent.
Vorzugsweise ist das erste holographische optische Element dazu ausgebildet ist, die Bilddaten in der ersten Austrittspupille zu erzeugen und das zweite holographische optische Element dazu ausgebildet ist, die Bilddaten in der zweiten Austrittspupille zu erzeugen. Die optische Replikationskomponente ermöglicht es somit, dass dieselben Bilddaten simultan in zueinander räumlich versetzten Austrittspupillen (Eyeboxen) erzeugt werden und die effektive Eyebox entsprechend vergrößert wird. In diesem Zusammenhang ist das erste holographische optische Element insbesondere dazu ausgebildet, nur einen Teil der Intensität des projizierten Bildinhalts auf das Nutzer-Auge zu reflektieren. Zumindest ein weiterer Teil der Intensität des projizierten Bildinhalts wird dann folgend von dem zweiten holographischen optischen Element in Richtung der zweiten Austrittspupille umgelenkt.
Bevorzugt ist das optische Filterelement als ein drittes holographisches optisches Element ausgebildet, welches dazu ausgebildet ist, den auftreffenden ersten Lichtstrahl zu reflektieren. Vorzugsweise weist das erste holographische optische Element in diesem Zusammenhang erste holographische Gitterebenen mit einem ersten Gittervektor auf. Das zweite holographische optische Element weist zweite holographische Gitterebenen mit einem zweiten Gittervektor auf. Das dritte holographische optische Element weist demgegenüber dritte holographische Gitterebenen mit einem dritten Gittervektor auf. Der erste Gittervektor und der zweite Gittervektor lassen sich zu einem fünften Gittervektor zusammenfassen, der insbesondere einem Mittelwert einer Summe des ersten und zweiten Gittervektors entspricht. Der dritte Gittervektor entspricht hierbei einer Spiegelung des fünften Gittervektors an einer Spiegelebene, welche zu einer Verbindungslinie eines Auftreffpunkts des auftreffenden ersten Lichtstrahls auf das dritte holographische optische Element mit einem Punkt zwischen der ersten und zweiten Austrittspupille, insbesondere einem Mittelpunkt zwischen der ersten und zweiten Austrittspupille, im Wesentlichen senkrecht ausgerichtet ist. Durch diese gespiegelte Funktionalität des dritten holographischen optischen Elements gegenüber dem ersten holographischen optischen Element und dem zweiten holographischen Element werden erste Lichtstrahlen, die ohne das optische Filterelement zu Geisterbildern führen würden, von dem dritten holographischen optischen Element reflektiert. Alternativ hierzu weist das erste holographische optische Element erste holographische Gitterebenen mit dem ersten Gittervektor auf. Das dritte holographische optische Element weist wiederum vierte holographische Gitterebenen mit einem vierten Gittervektor auf. Eine erste Gerade, welche parallel zu dem ersten Gittervektor verläuft und eine vierte Gerade, welche parallel zu dem vierten Gittervektor verläuft, sind mit einem Winkelversatz in einem Bereich von 10° bis 30° relativ zueinander angeordnet. Somit liegen der erste und der dritte Gittervektor zunächst einmal dicht genug beieinander, um eine gute Deckungsgleichheit der Winkel- und Wellenlängenabhängigkeit der Beugungseffizienz des ersten und des dritten holographischen optischen Elements zu ermöglichen, was die Entstehung von Geisterbildern verhindert. Weiterhin werden durch den Winkelversatz jedoch auch Doppelbilder verhindert, welche durch Reflektion der zweiten Lichtstrahlen an dem dritten holographischen optischen Element entstehen könnten. Weiterhin weist der vierte Gittervektor hierbei einen Betrag, insbesondere einen lokalen Betrag, in einem Bereich von 0.0395 1/nm bis 0.0427 1/nm, bevorzugt von 0.0418 1/nm bis 0.0421 1/nm auf. Dieser Betrag eignet sich besonders gut für die Reflektion von Geisterbildern, aufweisend primär Lichtstrahlen blauer Wellenlänge. Alternativ weist der vierte Gittervektor einen Betrag in einem Bereich von 0.0343 1/nm bis 0.0368 1/nm, bevorzugt von 0.0356 1/nm bis 0.0362 1/nm, auf. Dieser Betrag eignet sich besonders gut für die Reflektion von Geisterbildern, aufweisend primär Lichtstrahlen grüner Wellenlänge. Weiterhin alternativ weist der vierte Gittervektor einen Betrag in einem Bereich von 0.0275 1/nm bis 0.0302 1/nm, insbesondere von 0.0288 1/nm bis 0.0294 1/nm auf. Dieser Betrag eignet sich besonders gut für die Reflektion von Geisterbildern, aufweisend primär Lichtstrahlen roter Wellenlänge. weist das dritte holographische optische Element eine Beugungseffizienz in einem Bereich von 20% bis 95%, vorzugsweise in einem Bereich von 30% bis 80%, besonders bevorzugt in einem Bereich von 40% bis 70% auf. Bei der Auswahl der Effizienzwerte des dritten holographischen optischen Elements ist darauf zu achten, dass einerseits ausreichend erste Lichtstrahlen gefiltert werden, um Geisterbilder zu verhindern. Andererseits ist jedoch auch darauf zu achten, dass die Transparenz der optischen Replikationskomponente für den Nutzer der Datenbrille ausreichend ist.
Vorzugsweise weist das optische Filterelement mehrere holographische optische Elemente zur Reflektion von ersten Lichtstrahlen in dem bestimmten Einfallswinkelbereich und einem roten Wellenlängenbereich und/oder von ersten Lichtstrahlen in dem bestimmten Einfallswinkelbereich und einem blauen Wellenlängenbereich und/oder von ersten Lichtstrahlen in dem bestimmten Einfallswinkelbereich und einem grünen Wellenlängenbereich auf.
Bevorzugt ist das optische Filterelement als ein wellenlängenabhängiger Lichtfilter, insbesondere als ein Bandstoppfilter, ausgebildet ist, welcher dazu ausgebildet ist, den auftreffenden ersten Lichtstrahl innerhalb des bestimmten Wellenlängenbereichs zu absorbieren oder zu reflektieren. Mit dem bestimmten Wellenlängenbereich ist der Wellenlängenbereich gemeint, innerhalb dessen ohne das optische Filterelement die Geisterbilder auftreten würden. Insbesondere handelt es sich bei dem bestimmten Wellenlängenbereich um erste Lichtstrahlen in mindestens einem Wellenlängenbereich entsprechend einer Primärfarbe des Retinal-Scan-Display-Systems (rot, grün oder blau). Insbesondere kann die Wirkung des Filters für alle drei Wellenlängenbereiche im gleichen Filterelement erfolgen. Vorzugsweise ist der wellenlängenabhängige Lichtfilter als ein Brillenglas ausgebildet. Das Brillenglas kann hierbei insbesondere derart funktionalisiert sein, dass es die Eigenschaften eines absorptiven und/oder reflektiven Bandstoppfilters aufweist.
Vorzugsweise ist das optische Filterelement als Polarisationsfilter ausgebildet, welcher dazu ausgebildet ist, eine Polarisationskomponente des ersten Lichtstrahls zumindest teilweise zu unterdrücken. Die Polarisationskomponente ist hierbei im Wesentlichen entlang einer vertikalen Richtung ausgerichtet, welche insbesondere vertikal zu einer Ebene ausgerichtet ist, die durch eine Haupterstreckungsebene einer Datenbrille ausgebildet wird. Bei einem solch polarisierten Licht würden die Geisterbilder ohne optisches Filterelement besonders klar für den Nutzer der Datenbrille zu erkennen seien. Bevorzugt ist der Polarisationsfilter dazu ausgebildet, insgesamt wenigstens 80%, insbesondere der Gesamtintensität, der Polarisationskomponente zu unterdrücken. Weiterhin ist der Polarisationsfilter bevorzugt dazu ausgebildet, insgesamt wenigstens 90%, insbesondere der Gesamtintensität, der Polarisationskomponente des ersten Lichtstrahls zu unterdrücken. Besonders bevorzugt ist der Polarisationsfilter dazu ausgebildet, insgesamt wenigstens 98%, insbesondere der Gesamtintensität, der Polarisationskomponente des ersten Lichtstrahls zu unterdrücken.
Bevorzugt ist das erste holographische optische Element als eine erste, insbesondere holographische, Schicht und das zweite holographische optische Element als eine zweite, insbesondere holographische, Schicht ausgebildet. Die erste und zweite Schicht sind hierbei übereinander, insbesondere gestapelt, angeordnet. Die erste Schicht ist in einer Reihenfolge zuerst in Richtung des Auges des Nutzers angeordnet. Alternativ hierzu sind das erste und zweite holographische optische Element als eine gemeinsame dritte, insbesondere holographische, Schicht ausgebildet. Eine solche Schicht aus wenigstens zwei holographischen optischen Elementen wird auch als Multiplexing HOE (holographisches optisches Element) bezeichnet.
Vorzugsweise ist das optische Filterelement als eine zusätzliche vierte Schicht ausgebildet, welche relativ zu dem ersten und zweiten holographischen Element in Richtung des auftreffenden ersten Lichtstrahls, also vom Nutzerauge abgewandt, angeordnet ist. Bevorzugt ist die vierte Schicht auf der Rückseite der optischen Replikationskomponente, insbesondere einer äußeren Oberfläche eines Brillenglases, angeordnet. Alternativ hierzu ist die vierte Schicht auf einer äußeren Oberfläche des zweiten holographischen optischen Elements angeordnet. Insbesondere ist die vierte Schicht als eine holographische Schicht ausgebildet. Insbesondere sind die erste, zweite und vierte Schicht in das Brillenglas integriert. Alternativ hierzu sind insbesondere die dritte und vierte Schicht in das Brillenglas integriert.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein optisches System für eine virtuelle Netzhautanzeige (Retinal Scan Display), welches mindestens umfasst:

a. eine Bildquelle, die einen Bildinhalt in Form von Bilddaten liefert,
b. eine Bildverarbeitungseinrichtung für die Bilddaten,
c. eine Projektoreinheit mit einer zeitlich modulierbaren Lichtquelle zum Generieren mindestens eines zweiten Lichtstrahls und mit einer ansteuerbaren Ablenkeinrichtung für den mindestens einen zweiten Lichtstrahl zur scannenden Projektion des Bildinhalts,
d. die zuvor beschriebene optische Replikationskomponente.

Unter einer „virtuellen Netzhautanzeige“ soll insbesondere ein Retinal Scan Display oder ein Lichtfelddisplay verstanden werden, bei welchem der Bildinhalt sequentiell durch Ablenkung des zumindest zweiten Lichtstrahls, insbesondere eines Laserstrahls zumindest einer zeitlich modulierten Lichtquelle, wie z.B. einer oder mehrerer Laserdioden, abgerastert und durch optische Elemente direkt auf die Netzhaut (Retina) des Nutzer-Auges abgebildet wird. Die Bildquelle ist insbesondere als eine elektronische Bildquelle, beispielsweise als eine Grafikausgabe, insbesondere eine (integrierte) Grafikkarte, eines Computers oder Prozessors oder dergleichen, ausgebildet. Die Bildquelle kann beispielsweise integral mit der Bildverarbeitungseinrichtung des optischen Systems ausgebildet sein. Alternativ kann die Bildquelle separat von der Bildverarbeitungseinrichtung ausgebildet sein und Bilddaten an die Bildverarbeitungseinrichtung des optischen Systems übermitteln. Die Bilddaten sind insbesondere als Farbbilddaten, z.B. RGB-Bilddaten, ausgebildet. Insbesondere können die Bilddaten als unbewegte oder als bewegte Bilder, z.B. Videos, ausgebildet sein. Die Bildverarbeitungseinrichtung ist vorzugsweise dazu vorgesehen, die Bilddaten der Bildquelle zu modifizieren, insbesondere zu verzerren, zu kopieren, zu verdrehen, zu versetzen, zu skalieren o.dgl. Die Bildverarbeitungseinrichtung ist vorzugsweise dazu vorgesehen, Kopien des Bildinhalts zu erzeugen, welche insbesondere modifiziert, beispielsweise verzerrt, verdreht, versetzt und/oder skaliert sind.
Die Projektoreinheit ist insbesondere dazu eingerichtet, den Bildinhalt aus den Bilddaten in Form von gescannten und/oder gerasterten zweiten Lichtstrahlen abzustrahlen. Die Projektoreinheit umfasst insbesondere eine Ablenkeinrichtung, bevorzugt einen MEMS-Spiegel (Mikrospiegelaktor), zumindest zur gesteuerten Ablenkung des zweiten Lichtstrahls der Lichtquelle der Projektoreinheit. Alternativ oder zusätzlich umfasst die Ablenkeinrichtung mindestens ein schaltbares diffraktiv-optisches Element in Form eines Phasen- und/oder Intensitätsmodulators, welcher beispielsweise als Flächenlichtmodulator (Spatial Light Modulator: SLM) in reflektiver Bauweise, z.B. in DMD oder LCoS-Bauweise, oder in transmittiver Bauweise, z.B. als LCD ausgeführt sein kann. Insbesondere ist die zeitlich modulierbare Lichtquelle analog moduliert, wobei jedoch beispielsweise auch eine alternative TTL-Modulation nicht ausgeschlossen ist.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Datenbrille mit dem zuvor beschriebenen optischen System.
Beschreibung der Zeichnungen

1 zeigt eine erste Ausführung einer optischen Replikationskomponente.
2 zeigt eine zweite Ausführung einer optischen Replikationskomponente.
3 zeigt eine dritte Ausführung einer optischen Replikationskomponente.
4 zeigt das Auftreten von Geisterbildern in einem bestimmten Einfallswinkelbereich und/oder einem bestimmten Wellenlängenbereich.
5 zeigt mögliche Anordnungen des optischen Filterelements als eine vierte Schicht innerhalb einer optischen Replikationskomponente.
6 zeigt eine Datenbrille mit einem optischen System, welches auch die optische Replikationskomponente umfasst.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Die 1 zeigt eine erste Ausführungsform einer optischen Replikationskomponente 1a. Die optische Replikationskomponente 1a ist hierbei flächig ausgebildet ist und weist eine Vorderseite 13a und eine Rückseite 13b auf. Die optische Replikationskomponente 1a weist in dieser ersten Ausführungsform ein erstes holographisches optisches Element 2a und ein zweites holographisches optisches Element 2b auf. Das erste holographische optische Element 2a und das zweite holographische optische Element 2b sind hierbei dazu ausgebildet, einen auf die Vorderseite 13a der optischen Replikationskomponente 1a auftreffenden Bildinhalt derart zu reflektieren, dass eine erste Austrittspupille 6a und eine, räumlich versetzt zu der ersten angeordnete zweite Austrittspupille 6b mit dem Bildinhalt erzeugt werden. Der Bildinhalt wird hierbei mittels zweiter Lichtstrahlen 7 innerhalb eines Projektionsbereichs 8 auf die optische Replikationskomponente 1a eingestrahlt. Ein Teil des zweiten Lichtstrahls 7 wird von dem ersten holographischen optischen Element 2a in Richtung der ersten Austrittspupille 6a umgelenkt und somit in der ersten Austrittspupille 6a die Bilddaten erzeugt. Ein weiterer Teil des Lichtstrahls 7 transmittiert jedoch das erste holographische optische Element 2a und wird dann von dem zweiten holographischen optischen Element 2b in Richtung der zweiten Austrittspupille 6b umgelenkt. Somit werden auch in der zweiten Austrittspupille 6b die Bilddaten erzeugt.
Zusätzlich weist die optische Replikationskomponente 1a ein optisches Filterelement 3 zum Filtern wenigstens eines in einem bestimmten Einfallswinkel 15 und einem bestimmten Wellenlängenbereich auf die Rückseite 13b der optischen Replikationskomponente 1a auftreffenden ersten Lichtstrahls 5a auf. Das optische Filterelement 3 ist in diesem Ausführungsbeispiel als ein drittes holographisches optisches Element ausgebildet ist, welches dazu ausgebildet ist, den auftreffenden ersten Lichtstrahl 5a zu reflektieren. In diesem Zusammenhang weist das dritte holographische optische Element hier schematisch dargestellte dritte Gitterebenen 4b mit einem dritten Gittervektor 17b auf. Das erste holographische optische Element 2a weist demgegenüber hier schematisch dargestellte erste Gitterebenen 4a mit einem ersten Gittervektor 17a auf. Der dritte Gittervektor 17b entspricht hierbei einer Spiegelung des ersten Gittervektors 17a an einer Spiegelebene, welche in dem gezeigten Ausführungsbeispiel an dem Auftreffpunkt des einfallenden ersten Lichtstrahls 5a durch die Haupterstreckungsebene des optischen Filterelements 3 ausgebildet wird. Somit wird der erste Lichtstrahl 5a von dem optischen Filterelement 3 reflektiert. Der reflektierte erste Lichtstrahl 5b wird hierbei spiegelbildlich zu dem auf das erste holographische optische Element 2a auftreffenden zweiten Lichtstrahl 7 reflektiert.
Ohne optisches Filterelement 3 würde der erste Lichtstrahl 5a von dem ersten holographischen Element 2a in Richtung des zweiten holographischen optischen Elements 2b umgelenkt und folgend von dem zweiten holographischen optischen Element 2b in Richtung der zweiten Austrittspupille 6b umgelenkt werden. Dieser theoretische Strahlenverlauf wird hier durch den Pfeil 21 schematisch dargestellt. Würde sich zu diesem Zeitpunkt die Pupille des Nutzerauges 19 in der ersten Austrittspupille 6a und zweiten Austrittspupille 6b befinden, würde es bei dem Nutzer zum Auftreten eines Geisterbilds kommen. Dies wird nun durch das optische Filterelement 3 verhindert.
In diesem Ausführungsbeispiel ist das erste holographische optische Element 2a als eine erste holographische Schicht und das zweite holographische optische Element 2b ist als eine zweite holographische Schicht ausgebildet. Die erste und zweite Schicht sind hierbei übereinander, insbesondere gestapelt, angeordnet. Die erste Schicht ist in einer Reihenfolge, insbesondere einer Stapelreihenfolge, zuerst in Richtung des Auges 19 des Nutzers angeordnet. Das optische Filterelement 3 als drittes holographisches optisches Element ist als eine zusätzliche vierte Schicht ausgebildet, welche relativ zu dem ersten 2a und zweiten holographischen Element 2b in Richtung des auftreffenden ersten Lichtstrahls 5a angeordnet ist.
Das dritte holographische optische Element weist hierbei eine Effizienz von 50% auf. Somit wird einerseits ausreichend Intensität des ersten Lichtstrahls 5a reflektiert, gleichzeitig erscheint die optische Replikationskomponente für den Nutzer immer noch ausreichend transparent.
2 zeigt schematisch eine zweite Ausführungsform einer optische Replikationskomponente 1b. Hierbei weist das erste holographische optische Element 2a wiederum erste holographische Gitterebenen 4a mit dem ersten Gittervektor 17a auf. Im Unterschied zu der ersten Ausführungsform weist das dritte holographische optische Element als optisches Filterelement 30 vierte holographische Gitterebenen 32 mit einem vierten Gittervektor 33 auf. Der hier dargestellte erste Gittervektor 17a und der hier dargestellte vierte Gittervektor 33 sind hierbei mit einem Winkelversatz von 20° relativ zueinander angeordnet. Der vierte Gittervektor 33 weist hierbei einen Betrag, insbesondere einen lokalen Betrag, von 0.0415 1/nm auf. Somit wird der einfallende erste Lichtstrahl 5a mittels des optischen Filterelements 30 in Richtung der Reflektionsrichtung 31 reflektiert.
3 zeigt schematisch eine dritte Ausführungsform einer optischen Replikationskomponente 1c. Hierbei sind im Unterschied zu der ersten Ausführungsform das erste 210a und zweite holographische optische Element 210b als eine gemeinsame dritte Schicht 212 ausgebildet. Diese gemeinsame dritte Schicht 212 mit den zwei integrierten holographischen optischen Elementen 210a und 210b wird auch als ein Multiplexing-HOE bezeichnet. Das erste holographische optische Element 210a weist hierbei erste Gitterebenen 207 auf, welche versetzt zu den zweiten Gitterebenen 206 des zweiten holographischen optischen Elements 210b angeordnet sind. Die erste Gitterebene 207 weist hierbei einen ersten Gittervektor 209 und die zweite Gitterebene 206 einen zweiten Gittervektor 208 auf. Zudem ist hier ein fünfter Gittervektor 211 dargestellt, welcher sich aus dem ersten Gittervektor 209 und dem zweiten Gittervektor 208 zusammensetzt. Der fünfte Gittervektor 211 ist insbesondere ein Mittelwert einer Summe des ersten Gittervektors 209 und des zweiten Gittervektors 208.
Das optische Filterelement 205, welches als eine vierte Schicht gestapelt mit der dritten Schicht 212 vorliegt und in Richtung des ersten auftreffenden Lichtstrahls 201 angeordnet ist, ist hierbei als Polarisationsfilter ausgebildet. Der erste Lichtstrahl 201 ist hierbei primär als eine Polarisationskomponente ausgebildet, welche im Wesentlichen entlang einer vertikalen Richtung ausgerichtet ist. Mit der vertikalen Richtung ist hierbei insbesondere eine Richtung gemeint, die vertikal zu einer Ebene ausgerichtet ist, die durch eine Haupterstreckungsebene einer Datenbrille ausgebildet wird. Der Polarisationsfilter 205 dient dazu, dieses Licht zumindest teilweise zu unterdrücken.
4 zeigt ein Diagramm, das eine berechnete optische Effizienz der Geisterbildausbildung farblich codiert darstellt wobei auf der X-Achse 223 die Wellenlänge des einfallenden ersten Lichtstrahls und auf der Y-Achse 221 der Einfallswinkel des einfallenden ersten Lichtstrahls dargestellt ist. Der Y-Achsenabschnitt 222 bezeichnet hierbei einen Einfallswinkel, der relativ zum Oberflächenvektor einer äußeren Oberfläche der optischen Replikationskomponente, insbesondere des ersten holographischen optischen Elements, verläuft. Der auf dem Diagramm dargestellte Bereich 220 beschreibt den bestimmten Einfallswinkelbereich und bestimmten Wellenlängenbereich, in dem Geisterbilder für den Nutzer der Datenbrille auftreten können.
5 zeigt mögliche Anordnungen des optischen Filterelements als eine vierte Schicht 240 und 241 innerhalb einer optischen Replikationskomponente 1d. Die zusätzliche vierte Schicht 240 und 241 ist wie schon zuvor relativ zu dem ersten 242b und zweiten holographischen Element 242a in Richtung des auftreffenden ersten Lichtstrahls 245 angeordnet. In einer ersten Möglichkeit ist die vierte Schicht 240 auf der Rückseite 244 der optischen Replikationskomponente 1d angeordnet. In diesem Fall bezeichnet die Rückseite 244 der optische Replikationskomponente 1d eine äußere Oberfläche des Brillenglases 243. Eine andere Möglichkeit ist, die vierte Schicht 241 auf einer äußeren Oberfläche des zweiten holographischen optischen Elements 242a anzuordnen. Das erste holographische optische Element 242b, das zweite holographische optische Element 242a und die vierte Schicht 241 sind hierbei in das Brillenglas 243 integriert, insbesondere eingebettet. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass das optische Filterelement als ein wellenlängenabhängiger Lichtfilter, insbesondere als ein Bandstoppfilter, ausgebildet ist, welcher dazu ausgebildet ist, den auftreffenden ersten Lichtstrahl 245 innerhalb des bestimmten Wellenlängenbereichs zu absorbieren oder zu reflektieren. In diesem Fall gibt es auch noch die Möglichkeit, dass dieser wellenlängenabhängige Lichtfilter als das Brillenglas 243 als solches ausgebildet ist.
6 zeigt schematisch eine Datenbrille 68a. Die Datenbrille 68a weist Brillengläser 70a und 72a auf. Die Brillengläser 70a und 72a sind überwiegend transparent. Die Datenbrille 68a weist ein Brillengestell 144a mit Brillenbügeln 74a, 76a auf. Die Datenbrille 68a weist ein optisches System 62a mit einer Bildquelle 26a, die einen Bildinhalt in Form von Bilddaten liefert und eine Bildverarbeitungseinrichtung 78a für die Bilddaten auf. Weiterhin weist das optische System 62a eine Projektoreinheit 60a mit einer zeitlich modulierbaren Lichtquelle zum Generieren mindestens eines zweiten Lichtstrahls 80 und mit einer hier nicht dargestellten ansteuerbaren Ablenkeinrichtung für den mindestens einen zweiten Lichtstrahl zur scannenden Projektion des Bildinhalt auf. Zusätzlich weist das optische System 62a eine optische Replikationskomponente 66a auf. Hierbei ist die optische Replikationskomponente 66a flächig ausgebildet und weist eine Vorderseite und eine Rückseite auf. Die optische Replikationskomponente 66a weist wenigstens ein erstes holographisches optisches Element 48a und ein zweites holographisches optisches Element 50a auf, welche gestapelt oder in Form eines Multiplexing-HOEs in einer gemeinsamen Schicht vorliegen können. Das erste holographische optische Element 48a und das zweite holographische optische Element 50a sind hierbei dazu ausgebildet, einen in Form des zweiten Lichtstrahls 80 auf die Vorderseite der optischen Replikationskomponente 66a auftreffenden Bildinhalt derart zu reflektieren, dass wenigstens eine hier nicht dargestellte erste und eine, räumlich versetzt zu der ersten angeordnete zweite Austrittspupille mit dem Bildinhalt erzeugt werden. Zusätzlich weist die optische Replikationskomponente ein optisches Filterelement 82 zum Filtern wenigstens eines in einem bestimmten Einfallswinkelbereich und/oder einem bestimmten Wellenlängenbereich und/oder mit einer bestimmten Polarisationsrichtung auf die Rückseite der optischen Replikationskomponente 66a auftreffenden ersten Lichtstrahls 84 auf.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 9985682 B1 [0002]

Claims

Optische Replikationskomponente (1a, 1b, 1c, 1d, 66a), welche flächig ausgebildet ist und eine Vorderseite (13a) und eine Rückseite (13b) aufweist, wobei die optische Replikationskomponente (1a, 1b, 1c, 1d, 66a) wenigstens ein erstes holographisches optisches Element (2a, 48a, 210a, 242b) und ein zweites holographisches optisches Element (2b, 50a, 210b, 242a) aufweist, wobei das wenigstens erste holographische optische Element (2a, 48a, 210a, 242b) und das zweite holographische optische Element (2b, 50a, 210b, 242a) dazu ausgebildet sind, einen auf die Vorderseite (13a) der optischen Replikationskomponente (1a, 1b, 1c, 1d, 66a) auftreffenden Bildinhalt derart zu reflektieren, dass wenigstens eine erste (6a) und eine, räumlich versetzt zu der ersten (6a) angeordnete zweite Austrittspupille (6b) mit dem Bildinhalt erzeugt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Replikationskomponente (1a, 1b, 1c, 1d, 66a) ein zusätzliches optisches Filterelement (3, 30, 205) zum Filtern wenigstens eines in einem bestimmten Einfallswinkelbereich und/oder einem bestimmten Wellenlängenbereich und/oder mit einer bestimmten Polarisationsrichtung auf die Rückseite (13b) der optischen Replikationskomponente (1a, 1b, 1c, 1d, 66a) auftreffenden ersten Lichtstrahls (5a, 84, 201, 245) aufweist.
Optische Replikationskomponente (1a, 1b, 1c, 1d, 66a) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste holographische optische Element (2a, 48a, 210a, 242b) dazu ausgebildet ist, die Bilddaten in der ersten Austrittspupille (6a) zu erzeugen und das zweite holographische optische Element (2b, 50a, 210b, 242a) dazu ausgebildet ist, die Bilddaten in der zweiten Austrittspupille (6b) zu erzeugen.
Optische Replikationskomponente (1a, 1b, 1c, 1d, 66a) gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Filterelement (3, 30, 205) als ein drittes holographisches optisches Element ausgebildet ist, welches dazu ausgebildet ist, den auftreffenden ersten Lichtstrahl (5a, 84, 201, 245) zumindest teilweise zu reflektieren.
Optische Replikationskomponente (1a, 1b, 1c, 1d, 66a) gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das erste holographische optische Element (2a, 48a, 210a, 242b) erste holographische Gitterebenen (4a, 207) mit einem ersten Gittervektor (17a, 209) aufweist, wobei das zweite holographische optische Element (2b, 50a, 210b, 242a) zweite holographische Gitterebenen (206) mit einem zweiten Gittervektor (208) aufweist, wobei das dritte holographische optische Element dritte holographische Gitterebenen (4b) mit einem dritten Gittervektor (17b) aufweist, wobei der dritte Gittervektor einer Spiegelung eines, aus dem ersten (17a, 209) und dem zweiten Gittervektor (208) zusammengefassten fünften Gittervektors (211), insbesondere eines Mittelwerts einer Summe des ersten (17a, 209) und des zweiten Gittervektors (208), an einer Spiegelebene entspricht, wobei die Spiegelebene zu einer Verbindungslinie eines Auftreffpunkts des auftreffenden ersten Lichtstrahls (5a, 84, 201, 245) auf das dritte holographische optische Element mit einem Punkt zwischen der ersten und zweiten Austrittspupille, insbesondere einem Mittelpunkt zwischen der ersten und zweiten Austrittspupille, im Wesentlichen senkrecht ausgerichtet ist.
Optische Replikationskomponente (1a, 1b, 1c, 1d, 66a) gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das erste holographische optische Element (2a, 48a, 210a, 242b) erste holographische Gitterebenen (4a, 207) mit einem ersten Gittervektor (17a, 209) aufweist, wobei das dritte holographische optische Element vierte holographische Gitterebenen (32) mit einem vierten Gittervektor (33) aufweist, wobei eine erste Gerade, welche parallel zu dem ersten Gittervektor (17a, 209) verläuft und eine vierte Gerade, welche parallel zu dem vierten Gittervektor (33) verläuft mit einem Winkelversatz in einem Bereich von 10° bis 30° relativ zueinander angeordnet sind, und der vierte Gittervektor (33) einen Betrag, insbesondere einen lokalen Betrag, in einem Bereich von 0.0395 1/nm bis 0.0427 1/nm, insbesondere von 0.0418 1/nm bis 0.0421 1/nm, oder von 0.0343 1/nm bis 0.0368 1/nm, insbesondere von 0.0356 1/nm bis 0.0362 1/nm oder von 0.0275 1/nm bis 0.0302 1/nm, insbesondere von 0.0288 1/nm bis 0.0294 1/nm aufweist.
Optische Replikationskomponente (1a, 1b, 1c, 1d, 66a) gemäß einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das dritte holographische optische Element eine Beugungseffizienz in einem Bereich von 20% bis 95%, insbesondere in einem Bereich von 30% bis 80%, aufweist.
Optische Replikationskomponente (1a, 1b, 1c, 1d, 66a) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Filterelement (3, 30, 205) mehrere holographische optische Elemente zur Reflektion von ersten Lichtstrahlen (5a, 84, 201, 245) in dem bestimmten Einfallswinkelbereich und in einem roten, blauen und/oder grünen Wellenlängenbereich aufweist.
Optische Replikationskomponente (1a, 1b, 1c, 1d, 66a) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Filterelement (3, 30, 205) als ein wellenlängenabhängiger Lichtfilter, insbesondere als ein Bandstoppfilter, ausgebildet ist, welcher dazu ausgebildet ist, den auftreffenden ersten Lichtstrahl (5a, 84, 201, 245) innerhalb des bestimmten Wellenlängenbereichs zu absorbieren oder zu reflektieren.
Optische Replikationskomponente (1a, 1b, 1c, 1d, 66a) gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der wellenlängenabhängige Lichtfilter als ein Brillenglas (70a, 72a, 243) ausgebildet ist.
Optische Replikationskomponente (1a, 1b, 1c, 1d, 66a) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Filterelement (3, 30, 205) als Polarisationsfilter ausgebildet ist, wobei der Polarisationsfilter dazu ausgebildet ist, eine Polarisationskomponente des ersten Lichtstrahls (5a, 84, 201, 245) zumindest teilweise zu unterdrücken, wobei die Polarisationskomponente im Wesentlichen entlang einer vertikalen Richtung ausgerichtet ist, welche insbesondere vertikal zu einer Ebene ausgerichtet ist, die durch eine Haupterstreckungsebene einer Datenbrille ausgebildet wird.
Optische Replikationskomponente (1a, 1b, 1c, 1d, 66a) gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Polarisationsfilter dazu ausgebildet ist, wenigstens 80%, insbesondere wenigstens 90%, der Polarisationskomponente des ersten Lichtstrahls (5a, 84, 201, 245) zu unterdrücken.
Optische Replikationskomponente (1a, 1b, 1c, 1d, 66a) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das erste holographische optische Element (2a, 48a, 210a, 242b) als eine erste, insbesondere holographische, Schicht ausgebildet ist und das zweite holographische optische Element (2b, 50a, 210b, 242a) als eine zweite, insbesondere holographische, Schicht ausgebildet ist, wobei die erste und zweite Schicht übereinander, insbesondere gestapelt, angeordnet sind, und die erste Schicht in einer Reihenfolge, insbesondere einer Stapelreihenfolge, zuerst in Richtung eines Auges (19) des Nutzers angeordnet ist.
Optische Replikationskomponente (1a, 1b, 1c, 1d, 66a) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das erste (2a, 48a, 210a, 242b) und zweite holographische optische Element (2b, 50a, 210b, 242a) als eine gemeinsame dritte Schicht (212), insbesondere als ein Multiplexing-HOE, ausgebildet sind.
Optische Replikationskomponente (1a, 1b, 1c, 1d, 66a) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Filterelement (3, 30, 205) als eine zusätzliche vierte Schicht (240) ausgebildet ist, wobei die zusätzliche vierte Schicht (240, 241) relativ zu dem ersten (2a, 48a, 210a, 242b) und zweiten holographischen Element (2b, 50a, 210b, 242a) in Richtung des auftreffenden ersten Lichtstrahls (5a, 84, 201, 245) angeordnet ist.
Optische Replikationskomponente (1a, 1b, 1c, 1d, 66a) gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die vierte Schicht (240, 241) auf der Rückseite (13b) der optischen Replikationskomponente (1a, 1b, 1c, 1d), insbesondere einer äußeren Oberfläche eines Brillenglases (70a, 72a, 243), angeordnet ist.
Optische Replikationskomponente (1a, 1b, 1c, 1d, 66a) gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die vierte Schicht (240, 241) auf einer äußeren Oberfläche des zweiten holographischen optischen Elements (2b, 50a, 210b, 242a) angeordnet ist.
Optisches System (62a) für eine virtuelle Netzhautanzeige (Retinal Scan Display), mindestens umfassend a. eine Bildquelle (26a), die einen Bildinhalt in Form von Bilddaten liefert, b. eine Bildverarbeitungseinrichtung (78a) für die Bilddaten, c. eine Projektoreinheit (60a) mit einer zeitlich modulierbaren Lichtquelle zum Generieren mindestens eines zweiten Lichtstrahls (7, 80) und mit einer ansteuerbaren Ablenkeinrichtung für den mindestens einen zweiten Lichtstrahl (7, 80) zur scannenden Projektion des Bildinhalts, d. eine optische Replikationskomponente (1a, 1b, 1c, 1d, 66a) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 16.
Datenbrille (68a), aufweisend ein optisches System (62a) gemäß Anspruch 17.