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Die Erfindung betrifft ein optisches System für eine virtuelle Netzhautanzeige.
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Stand der Technik
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Datenbrillen (Smartglasses) mit Retinal Scan Displays sind bereits bekannt.
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Offenbarung der Erfindung
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Es wird ein optisches System für eine virtuelle Netzhautanzeige (Retinal Scan Display) vorgeschlagen, mindestens umfassend
- a. eine Bildquelle, die einen Bildinhalt in Form von Bilddaten liefert,
- b. eine Bildverarbeitungseinrichtung für die Bilddaten,
- c. eine Projektoreinheit mit einer, insbesondere zeitlich modulierbaren, Lichtquelle zum Generieren mindestens eines Lichtstrahls und mit einer ansteuerbaren Ablenkeinrichtung für den mindestens einen Lichtstrahl zur scannenden Projektion des Bildinhalts,
- d. eine erste Umlenkeinheit, aufweisend einen ersten Spiegel, und wenigstens eine statisch, insbesondere fest, gelagerte Optikeinheit, wobei die ansteuerbare Ablenkeinrichtung dazu ausgebildet ist, den Bildinhalt auf den ersten Spiegel zu projizieren, wobei der erste Spiegel dazu ausgebildet ist, den projizierten Bildinhalt auf die statisch gelagerte Optikeinheit zu lenken,
- e. eine zweite Umlenkeinheit, wobei die statisch gelagerte Optikeinheit dazu ausgebildet ist, den projizierten Bildinhalt auf die zweite Umlenkeinheit zu lenken, wobei die zweite Umlenkeinheit dazu eingerichtet ist, den projizierten Bildinhalt auf ein Auge eines Nutzers der virtuellen Netzhautanzeige zu lenken.
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Der erste Spiegel ist hierbei als ein wenigstens eindimensional drehbar gelagerter Spiegel ausgebildet, sodass der Lichtstrahl bei einer ersten Spiegel-position des ersten Spiegels über einen ersten Abbildungsweg mit einem ersten Auftreffwinkel auf mindestens einen ersten Projektionsbereich der zweiten Umlenkeinheit und bei einer zweiten Spiegelposition des ersten Spiegels über einen zweiten Abbildungsweg mit einem zweiten Auftreffwinkel auf mindestens einen zweiten Projektionsbereich der zweiten Umlenkeinheit auftrifft. Insbesondere bilden die jeweiligen Projektionsbereiche eine jeweilige Fläche aus, innerhalb der ein Lichtstrahl bei einem Auftreffen auf die zweite Umlenkeinheit in Richtung des Nutzer-Auges, insbesondere in Richtung einer Augenpupillenfläche des optischen Systems, abgelenkt/umgelenkt wird. Die statisch gelagerte Optikeinheit ist dazu ausgebildet, den projizierten Bildinhalt derart auf die zweite Umlenkeinheit zu lenken, dass sich der erste und zweite Projektionsbereich der zweiten Umlenkeinheit zumindest teilweise überlappen.
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Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des optischen Systems wird eine hohe Effizienz des optischen Systems erreicht, da der Lichtstrahl bzw. das Strahlbündel nicht aufgeteilt, sondern lediglich umgelenkt wird und somit die im Wesentlichen volle Laserleistung für jeden Abbildungsweg verwendet werden kann. Es kommt zu keinem Verlust von Bildinformationen in der Gesamteyebox. Außerdem bleibt durch die Umlenkung des Lichtstrahls bzw. des Strahl-bündels abhängig von der jeweiligen Spiegelposition des ersten Spiegels über die unterschiedlichen Abbildungswege eine räumliche Auflösung und/oder ein Sichtfeld des ursprünglichen Bildinhalts zumindest im Wesentlichen erhalten. Zudem wird für das optische System vergleichsweise wenig Platz benötigt und das optische System weist kein spürbaren Vibrationen auf.
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Unter einer „virtuellen Netzhautanzeige“ soll insbesondere ein Retinal Scan Display oder ein Lichtfelddisplay verstanden werden, bei welchem der Bildinhalt sequentiell durch Ablenkung zumindest eines Lichtstrahls, insbesondere eines Laserstrahls zumindest einer, insbesondere 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 verzeichnen, 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.
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Die Projektoreinheit ist insbesondere dazu eingerichtet, den Bildinhalt aus den Bilddaten in Form von gescannten und/oder gerasterten Lichtstrahlen abzustrahlen. Die Projektoreinheit umfasst insbesondere eine Ablenkeinrichtung, bevorzugt einen MEMS-Spiegel (Mikrospiegelaktor), zumindest zur gesteuerten Ablenkung mindestens eines Lichtstrahls der Lichtquelle der Projektoreinheit. Alternativ oder zusätzlich umfasst die Ablenkeinrichtung mindestens ein schaltbares diffraktivesoptisches Element in Form eines Phasen- und/oder Intensitätsmodulators, welcher beispielsweise als räumlicher Lichtmodulator (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. Die zweite Umlenkeinheit umfasst insbesondere eine Anordnung von optischen Elementen, beispielsweise diffraktiven, reflektiven, refraktiven und/oder holographischen optischen Elementen. Vorzugsweise umfasst die zweite Umlenkeinheit dabei jedoch immer zumindest ein holographisches optisches Element. Die zweite Umlenkeinheit ist zumindest teilweise in ein Brillenglas einer Datenbrille integriert. Die zweite Umlenkeinheit ist insbesondere dazu vorgesehen, lediglich einen Teil der Intensität des projizierten Bildinhalts auf das Nutzer-Auge umzulenken. Zumindest ein weiterer Teil der Intensität des projizierten Bildinhalts durchtritt die zweite Umlenkeinheit. Die zweite Umlenkeinheit erscheint für einen Nutzer zumindest aus einer senkrechten Blickrichtung gesehen im Wesentlichen transparent.
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Vorzugsweise ist der erste Spiegel als ein zweidimensional drehbar gelagerter Spiegel, insbesondere Mikrospiegel, ausgebildet. Somit kann der Bildinhalt in Form des wenigstens einen Lichtstrahls zweidimensional auf den ersten Spiegel projiziert werden.
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Bevorzugt ist die zweite Umlenkeinheit dazu ausgebildet, den Lichtstrahl beim Auftreffen mit einem ersten Auftreffwinkel auf den ersten Projektionsbereich in Richtung einer ersten Austrittspupille (A) des Nutzers und beim Auftreffen mit einem zweiten Auftreffwinkel auf den zweiten Projektionsbereich in Richtung einer zweiten Austrittspupille (B) des Nutzers zu lenken. Die erste Austrittspupille (A) und die zweite Austrittspupille (B) sind hierbei insbesondere versetzt zueinander angeordnet. Somit wird die effektive Gesamteyebox des Nutzers vergrößert.
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Vorzugsweise weist das optische System zusätzlich eine optische Replikationskomponente auf, die wenigstens in dem ersten und zweiten Projektionsbereich der zweiten Umlenkeinheit angeordnet ist und dazu eingerichtet ist, den projizierten Bildinhalt repliziert und räumlich versetzt auf das Auge des Nutzers zu lenken, so dass eine Mehrzahl von zueinander räumlich versetzt angeordneten Austrittspupillen (A, A', B, B') mit dem Bildinhalt erzeugt wird. Somit kann eine besondere große effektive Gesamteyebox des Nutzers erreicht werden.
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Vorzugsweise ist die optische Replikationskomponente in einem Schichtaufbau mit mindestens einer holographisch funktionalisierten Schicht realisiert. Dadurch kann vorteilhaft eine einfache und/oder effektive optische Replikation erreicht werden. Vorteilhaft kann dadurch eine besonders hohe Anzahl von Austrittspupillen und somit eine besonders große effektive Gesamteyebox erreicht werden. Insbesondere wird von einer ersten holographisch funktionalisierten Schicht der optischen Replikationskomponente ein (unreplizierter) Austrittspupillensatz (Eyeboxsatzes) erzeugt. Insbesondere wird von jeder weiteren holographisch funktionalisierten Schicht neben der ersten holographisch funktionalisierten Schicht der optischen Replikationskomponente eine Replikation des gesamten Austrittspupillensatzes erzeugt. Insbesondere wird bei jeder Replikation eines Austrittspupillensatzes eine räumlich und/oder winkelseitig verschobene Kopie der ursprünglichen Bildbereiche, insbesondere des (unreplizierten) Austrittspupillensatzes, erzeugt. Ins-besondere ist denkbar, dass die optische Replikationskomponente zumindest drei oder mehr holographisch funktionalisierte Schichten aufweist.
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Insbesondere sind die holographisch funktionalisierten Schichten jeweils teilreflektierend und teiltransparent. Insbesondere wird die optische Replikation dadurch erzeugt, dass dieselbe Bildinformation, insbesondere derselbe Lichtstrahl von zwei holographisch funktionalisierten Schichten der optischen Replikationskomponente, jeweils zweimal unterschiedlich, z.B. in zwei unterschiedliche Winkelrichtungen, abgelenkt wird und somit an zwei unterschiedlichen Punkten die Augenpupillenfläche kreuzt. Insbesondere ist durch die optische Replikationskomponente ein Muster oder eine Anordnung von Austrittspupillen in der Augenpupillenfläche in Vertikalrichtung und/oder in Horizontalrichtung und/oder in schräg zu der Vertikalrichtung / Horizontalrichtung liegende Richtungen replizierbar, vorzugsweise vervielfältigbar.
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Wenn die holographisch funktionalisierten Schichten der optischen Replikationskomponente als reflektierende (z.B. Reflexionshologramme) und/oder transmittierende (z.B. Transmissionshologramme) holographische optische Elemente (HO-Es) ausgebildet sind, kann eine besonders vorteilhafte Replikation erreicht werden. Insbesondere können unterschiedliche HOEs unterschiedliche optische Funktionen aufweisen, welche insbesondere eine unterschiedliche Ablenkung von auftreffenden Lichtstrahlen erzeugen (z.B. durch eine Ausbildung von Reflexionshologrammen, die Lichtstrahlen wie Hohlspiegel oder Wölbspiegel reflektieren). Insbesondere ist jedes HOE aus einem holographischen Material ausgebildet, beispielsweise aus einem Photopolymer oder aus einem Silberhalogenid. Insbesondere ist in das holographische Material für jedes HOE jeweils zumindest eine holographische optische Funktion eingeschrieben. Insbesondere ist in das holographische Material für jedes HOE jeweils zumindest eine, mehrere Wellenlängen umfassende, holographische optische Funktion eingeschrieben. Insbesondere ist in das holographische Material für jedes HOE jeweils zumindest eine RGB-Wellenlängen umfassende holographische optische Funktion eingeschrieben.
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Außerdem wird vorgeschlagen, dass die optische Replikationskomponente in einem Schichtaufbau mit mindestens zwei übereinander angeordneten Schichten mit unterschiedlichen holographischen Funktionen realisiert ist, wodurch die Mehrzahl von zueinander räumlich versetzt angeordneten Austrittspupillen erzeugt wird. Dadurch kann eine vorteilhafte Replikation von Bildern erreicht werden, welche insbesondere kostengünstig und/oder einfach herstellbar ist. Insbesondere sind die Schichten mit unterschiedlichen holographischen Funktionen in einer zu der Augenpupillenfläche zumindest im Wesentlichen senkrecht verlaufenden Richtung, vorzugsweise in einer vorgesehenen Blickrichtung auf die optische Replikationskomponente, schichtweise hintereinander angeordnet. Insbesondere ist die optische Replikationskomponente in zumindest ein Brillenglas der Datenbrille integriert. Es ist denkbar, dass sich die optische Replikationskomponente lediglich über einen Teil des Brillenglases oder über das gesamte Brillenglas erstreckt. Insbesondere weist die optischen Replikationskomponente eine ausreichend hohe Transparenz auf, so dass sie für einen Träger der Datenbrille durchsichtig erscheinen. Die holographisch funktionalisierten Schichten können unterschiedlich groß sein, vorzugsweise überlappen die holographischen Materialschichten aus der vorgesehenen Blickrichtung auf die optische Replikationskomponente jedoch vollständig oder nahezu vollständig. Die holographisch funktionalisierten Schichten können direkt aneinander anliegen oder durch eine (transparente) Zwischenschicht voneinander getrennt angeordnet sein. Es ist denkbar, dass die holographischen Funktionen der verschiedenen holographisch funktionalisierten Schichten für eine Ablenkung verschiedener Wellenlängen ausgebildet sind (z.B. eine holographische Schicht pro beeinflusste Wellenlänge), vorzugsweise sind jedoch die holographischen Funktionen der verschiedenen holographisch funktionalisierten Schichten für eine Ablenkung derselben RGB-Wellenlängen ausgebildet.
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Wenn alternativ die optische Replikationskomponente mindestens eine Schicht umfasst, in der mindestens zwei unterschiedliche holographische Funktionen realisiert sind, wobei die unterschiedlichen holographischen Funktionen in einer gemeinsamen Ebene aber in unterschiedlichen intermittierenden Zonen der Schicht ausgebildet sind, und wodurch die Mehrzahl von zueinander räumlich versetzt angeordneten Austrittspupillen erzeugt wird, kann vorteilhaft eine besonders dünne Ausgestaltung der optischen Replikationskomponente erreicht werden. Vorteilhaft kann dadurch eine Anzahl an holographischen Funktionen pro holographischer Materialschicht erhöht werden. Vorzugsweise ist eine räumliche Ausdehnung von HOE-Substrukturen der intermittierenden Zonen der Schicht der optischen Replikationskomponente wesentlich kleiner als ein Durchmesser des Lichtstrahls, insbesondere Laserstrahls, der Projektoreinheit. Unter „wesentlich kleiner“ soll in diesem Zusammenhang höchstens halb so groß, vorzugsweise höchstens ein Drittel so groß, bevorzugt höchstens ein Viertel so groß und besonders bevorzugt höchstens ein Zehntel so groß verstanden werden. Auf diese Weise wird vorteilhaft sichergestellt, dass jede Bildinformation in beiden durch die unterschiedlichen holographischen Funktionen erzeugten Austrittspupillen ankommt. Es ist denkbar, dass Schichten mit unterschiedlichen intermittierenden Zonen mit ganzflächigen holographisch funktionalisierten Schichten kombiniert werden.
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Vorzugsweise ist die Bildverarbeitungseinrichtung dazu ausgebildet, für den jeweiligen Abbildungsweg unterschiedliche Sub-Bilddaten bereitzustellen, so dass eine Verzerrung des Bildinhalts über den jeweiligen Abbildungsweg zumindest teilweise kompensiert wird. Die Bildverarbeitungseinrichtung ist vorzugsweise dazu vorgesehen, Kopien des Bildinhalts zu erzeugen, welche insbesondere modifiziert, beispielsweise verzerrt, verdreht, versetzt und/oder skaliert sind. Mit den Sub-Bilddaten sind also alle gegenüber den ursprünglichen Bilddaten geänderten bzw. modifizierten Bilddaten gemeint. Bevorzugt ist die Bildverarbeitungseinrichtung dazu eingerichtet, beim Erzeugen der Bilddaten, insbesondere der Sub-Bilddaten, den erfassten Augenzustand des Nutzers zu berücksichtigen und/oder zu berücksichtigen, welcher Abbildungsweg aktuell verwendet wird, um dadurch bedingte Helligkeitsschwankungen im Bildeindruck zu kompensieren. Dadurch kann vorteilhaft ein möglichst konstanter Helligkeitseindruck erzeugt werden.
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Bevorzugt ist der erste Spiegel derart drehbar gelagert, dass die unterschiedlichen Positionen, insbesondere die erste und zweite Spiegelposition, des ersten Spiegels stufenlos verstellbar sind. Somit wird also eine stufenlose, dynamische Änderung bzw. Anpassung der Abbildungswege ermöglicht. Alternativ hierzu ist der erste Spiegel derart drehbar gelagert, dass der erste Spiegel eine Anzahl von 2 bis 1024 unterschiedlichen Spiegelpositionen in einer Dimension, insbesondere in einer ersten oder zweiten Dimension, aufweist. Insbesondere weist der erste Spiegel eine Anzahl von 5 bis 60 unterschiedlichen Spiegelpositionen in einer Dimension auf. Die sich hierdurch ergebende Mehrzahl von Austrittspupillen (A, B) ist insbesondere in einem Raster angeordnet. Unter einem „Raster“ soll insbesondere ein auf einer Fläche verteiltes regelmäßiges Muster verstanden werden. Diese Mehrzahl von Austrittspupillen sind hierbei insbesondere mit hinreichend kleinem Abstand zueinander angeordnet, sodass selbst bei minimalem Pupillendurchmesser sichergestellt ist, dass aus mindestens einer Austrittspupille Licht durch die Pupille des Nutzer-Auges transmittiert werden kann.
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Bevorzugt ist die Optikeinheit zum Ausrichten, insbesondere Bündeln, einer Mehrzahl von, insbesondere gescannten, Lichtstrahlen auf den jeweiligen Projektionsbereich ausgebildet. Die Lichtstrahlen eines vollständigen Scanbereichs bzw. die Lichtstrahlen eines vollständigen Bildinhalts werden also mittels der Optikeinheit in Richtung des jeweiligen Projektionsbereichs zusammengeführt.
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Vorzugsweise ist die Optikeinheit als wenigstens ein Hohlspiegel ausgebildet. Alternativ ist die Optikeinheit als ein holographisches optisches Element ausgebildet. Weiterhin alternativ ist die Optikeinheit als eine Sammellinse ausgebildet. Weiterhin alternativ ist die Optikeinheit als ein spatial light modulator (SLM) ausgebildet. Weiterhin alternativ ist die Optikeinheit als ein Wölbspiegel ausgebildet.
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Bevorzugt reicht die Optikeinheit der ersten Umlenkeinheit zumindest teilweise in einen Strahlengang zwischen der ansteuerbaren Ablenkeinrichtung der Projektoreinheit und dem ersten Spiegel der ersten Umlenkeinheit hinein. Entsprechend kreuzt die Optikeinheit zumindest teilweise den wenigstens einen von der Ablenkeinrichtung kommenden Lichtstrahl zumindest teilweise. Um weiterhin zu ermöglichen, dass der scannende Lichtstrahl den ersten Spiegel, insbesondere ungehindert, erreicht, ist die Optikeinheit zumindest teilweise in Richtung der ansteuerbaren Ablenkeinrichtung transparent für den wenigstens einen Lichtstrahl ausgebildet. Durch diese Anordnung wird Platz gespart und Design-Freiheit für das optische System gewonnen.
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Bevorzugt ist der erste Spiegel als ein planarer Spiegel ausgebildet. Alternativ ist der erste Spiegel als ein gekrümmter Spiegel ausgebildet. In diesem Zusammenhang ist der gekrümmte Spiegel insbesondere als ein Hohlspiegel oder als ein Wölbspiegel ausgebildet. Alternativ ist der erste Spiegel als ein erstes holographisches optisches Element ausgebildet. Weiterhin alternativ ist der erste Spiegel als eine totalreflektierende Fläche in einem optisch dichten Medium, beispielsweise einem Flüssigprisma, ausgebildet.
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Vorzugsweise weist das optische System zusätzlich ein Kollimationselement zur Kollimation einer aus der ansteuerbaren Ablenkeinrichtung austretenden Mehrzahl von, insbesondere gescannten, Lichtstrahlen auf. Die Lichtstrahlen eines vollständigen Scanbereichs bzw. die Lichtstrahlen eines vollständigen Bildinhalts werden also mittels des Kollimationselements in Richtung des ersten Spiegels kollimiert bzw. zusammengeführt. Bei dem Kollimationselement handelt es sich insbesondere um eine Kollimationslinse oder einen Kollimationsspiegel.
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Vorzugsweise ist eine Eyetracker-Einrichtung zum Erfassen und/oder Bestimmen des Augenzustands des Nutzers, insbesondere zum Erfassen und/oder Bestimmen der Augenbewegung, der Augenbewegungsgeschwindigkeit, der Pupillenposition, der Pupillengröße, der Blickrichtung, des Akkomodationszustands und/oder der Fixationsdistanz des Auges, vorgesehen. Dadurch kann vorteilhaft eine verbesserte Funktionalität der virtuellen Netzhautanzeige erreicht werden. Vorteilhaft kann eine besonders nutzerfreundliche virtuelle Netzhautanzeige erreicht werden, welche eine für den Nutzer unmerkliche Anpassung der Abbildungen vornimmt, so dass der Nutzer einen möglichst homogenen Bildeindruck erleben kann. Insbesondere ist die Eyetracker-Einrichtung als eine Komponente der virtuellen Netzhautanzeige, insbesondere des optischen Systems, ausgebildet. Detaillierte Ausgestaltungen von Eyetrackern sind aus dem Stand der Technik bekannt, so dass an dieser Stelle nicht genauer darauf eingegangen wird. Es ist denkbar, dass die Eyetracker-Einrichtung ein monokulares oder ein binokulares Eyetracking-System umfasst, wobei zumindest das binokulare Eyetracking-System insbesondere dazu eingerichtet ist, aus gegenläufigen Augenbewegungen (Vergenz) eine Fixationsdistanz abzuleiten. Alternativ oder zusätzlich umfasst die Eyetracker-Einrichtung ein Eyetracking-System mit einem Tiefensensor zur Ermittlung eines Blickpunkts in der Umgebung zur Ermittlung der Fixationsdistanz. Alternativ oder zusätzlich umfasst die Eyetracker-Einrichtung und/oder das optische System einen oder mehrere Sensoren zu einer indirekten, insbesondere kontextabhängigen, Ermittlung eines wahrscheinlichsten Akkommodationszustands des Nutzer-Auges, wie beispielsweise Sensoren zu einer Ermittlung einer Kopfhaltung, GPS-Sensoren, Beschleunigungssensoren, Tageszeitmesser und/oder Helligkeitssensoren o.dgl. Vorzugsweise ist die Eyetracker-Einrichtung zumindest teilweise in einem Bauteil der Datenbrille integriert, beispielsweise in einem Brillengestell der Datenbrille.
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Bevorzugt weist das optische System zusätzlich eine Speichereinheit auf, auf welcher der, einer jeweiligen Spiegelposition des ersten Spiegels zugehörige Abbildungsweg hinterlegt ist. Zusätzlich weist das optische System in diesem Zusammenhang eine Steuereinheit auf. Die Steuereinheit ist dazu ausgebildet, den ersten Spiegel in Abhängigkeit der hinterlegten Abbildungswege und des Augenzustands des Nutzers derart anzusteuern, dass genau eine Austrittspupille (A, A', B, B') im Bereich der Pupille des Nutzers, insbesondere mittig im Bereich der Pupille des Nutzers, erzeugt wird. Die Steuereinheit weiß also, wohin der Bildinhalt abhängig von der jeweiligen Spiegelposition projiziert wird. Ist der Steuereinheit nun noch der Augenzustand des Nutzers bekannt, kann die aktuell genutzte Austrittspupille entsprechend optimiert werden.
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Zusätzlich wird vorgeschlagen, dass das optische System eine Datenbrille mit Brillengestell und Brillengläsern umfasst. Die zumindest eine Projektoreinheit und die zumindest eine erste Umlenkeinheit sind hierbei am Brillengestell und die zumindest eine zweite Umlenkeinheit im Bereich mindestens eines Brillenglases angeordnet, insbesondere in mindestens ein Brillenglas integriert. Dadurch kann eine vorteilhafte Ausgestaltung der Datenbrille und/oder eine vorteilhafte Integration der virtuellen Netzhautanzeige erreicht werden. Insbesondere kann die Datenbrille auch mehr als eine Projektoreinheit, mehr als eine erste Umlenkeinheit, mehr als eine zweite Umlenkeinheit und/oder mehr als eine Replikationskomponente umfassen, beispielsweise jeweils eine für jedes Brillenglas der Datenbrille.
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Alternativ dazu wird vorgeschlagen, dass die Bildquelle zusammen mit der Bildverarbeitungseinrichtung in einem externen Gerät angeordnet ist und dass die Bilddaten, insbesondere die Sub-Bilddaten, von dem externen Gerät zur Projektoreinheit der Datenbrille übertragen werden. Dadurch kann eine vorteilhafte Ausgestaltung der Datenbrille, welche u.a. ein besonders niedriges Gewicht aufweist und/oder besonders kostengünstig herstellbar ist, erreicht werden. Insbesondere weist die Datenbrille eine drahtlose oder drahtgebundene Kommunikationseinrichtung auf, welche zumindest dazu eingerichtet ist, die Bilddaten, insbesondere die Sub-Bilddaten, von dem externen Gerät zu empfangen. Das externe Gerät ist insbesondere als ein zu der Datenbrille externes Gerät ausgebildet. Das externe Gerät kann beispielsweise als ein Smartphone, als ein Tablet, als ein Personal Computer (z.B. ein Notebook) oder dergleichen ausgebildet sein.
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Beschreibung der Zeichnungen
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- 1a zeigt eine erste Ausführungsform des optischen Systems für eine virtuelle Netzhautanzeige mit einer ersten Spiegelposition.
- 1b zeigt die erste Ausführungsform des optischen Systems mit einer zweiten Spiegelposition.
- 2 zeigt eine zweite Ausführungsform des optischen Systems.
- 3 zeigt eine dritte Ausführungsform des optischen Systems.
- 4 zeigt eine vierte Ausführungsform des optischen Systems.
- 5 zeigt eine fünfte Ausführungsform des optischen Systems.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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Die 1a zeigt schematisch eine erste Ausführungsform eines optischen Systems 10a für eine virtuelle Netzhautanzeige (Retinal Scan Display). Das optische System 10a umfasst hierbei eine Bildquelle 8, die einen Bildinhalt in Form von Bilddaten liefert. Zusätzlich umfasst das optische System 10a eine Bildverarbeitungseinrichtung 14 für die Bilddaten. Sowohl die Bildquelle 8, wie auch die Bildverarbeitungseinrichtung 14 sind in diesem Ausführungsbeispiel in eine Projektoreinheit 20 des optischen Systems 10a integriert. Die Projektoreinheit 20 umfasst weiterhin eine zeitlich modulierbare Lichtquelle 1 zum Generieren mindestens eines Lichtstrahls 33 und eine ansteuerbare Ablenkeinrichtung 3 für den mindestens einen Lichtstrahl 33 zur scannenden Projektion des Bildinhalts. Das optische System 10a umfasst weiterhin eine erste Umlenkeinheit, welche einen ersten Spiegel 5, und eine statisch, insbesondere fest, gelagerte Optikeinheit 6 aufweist.
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Die ansteuerbare Ablenkeinrichtung 3 ist dazu ausgebildet, den Bildinhalt auf den ersten Spiegel 5 zu projizieren. Der erste Spiegel 5 wiederum lenkt den projizierten Bildinhalt auf die statisch gelagerte Optikeinheit 6. Das optische System 10a weist weiterhin eine zweite Umlenkeinheit 7 auf, welches hierbei als holographisches optisches Element ausgebildet ist. Die statisch gelagerte Optikeinheit 6 ist dazu ausgebildet, den projizierten Bildinhalt auf die zweite Umlenkeinheit 7 zu lenken, welche wiederum den projizierten Bildinhalt auf ein Auge 11 in Richtung einer Pupille 13 eines Nutzers der virtuellen Netzhautanzeige lenkt. Der erste Spiegel 5 ist hierbei als ein zweidimensional drehbar gelagerter Spiegel ausgebildet, welcher sich auf 1a in einer ersten Spiegelposition befindet. In dieser ersten Spiegelposition wird der gescannte Lichtstrahl 33 über einen ersten Abbildungsweg mit einem ersten Auftreffwinkel 34a auf den ersten Projektionsbereich 17a der zweiten Umlenkeinheit 7 projiziert. 1b zeigt demgegenüber den ersten Spiegel 5 in einer gegenüber der ersten Spiegelposition unterschiedlichen zweiten Spiegelposition. In dieser zweiten Spiegelposition wird der gescannte Lichtstrahl 33 über einen zweiten Abbildungsweg mit einem zweiten Auftreffwinkel 34b auf einen zweiten Projektionsbereich 17b der zweiten Umlenkeinheit 7 projiziert. Die statisch gelagerte Optikeinheit 6 ist hierbei dazu ausgebildet, den projizierten Bildinhalt derart auf die zweite Umlenkeinheit 7 zu lenken, dass sich der erste 17a und zweite Projektionsbereich 17b der zweiten Umlenkeinheit 7 hierbei teilweise überlappen. Weiterhin zeigt 1a, wie die zweite Umlenkeinheit 7 den Lichtstrahl 33 beim Auftreffen mit dem ersten Auftreffwinkel 34a auf den ersten Projektionsbereich 17a in Richtung einer ersten Austrittspupille A des Nutzers lenkt. 1b zeigt demgegenüber, wie die zweite Umlenkeinheit 7 den Lichtstrahl beim Auftreffen mit dem zweiten Auftreffwinkel 34b auf den zweiten Projektionsbereich 17b in Richtung einer, versetzt zu der ersten Austrittspupille angeordneten, zweiten Austrittspupille B des Nutzers lenkt.
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Das optische System 10a weist weiterhin eine auf den 1a und 1b zur Vereinfachung nicht dargestellte optische Replikationskomponenten auf, welche vollflächig entlang oder innerhalb der zweiten Umlenkeinheit 7 angeordnet ist und dazu eingerichtet ist, den projizierten Bildinhalt repliziert und räumlich versetzt auf das Auge 11 des Nutzers zu lenken, so dass eine Mehrzahl von zueinander räumlich versetzt angeordneten Austrittspupillen (A, A', B, B') mit dem Bildinhalt erzeugt wird.
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Die Bildverarbeitungseinrichtung 14 ist weiterhin dazu ausgebildet, für den jeweiligen Abbildungsweg unterschiedliche Sub-Bilddaten bereitzustellen, so dass eine Verzerrung des Bildinhalts über den jeweiligen Abbildungsweg zumindest teilweise kompensiert wird. Insbesondere ist die Bildverarbeitungseinrichtung 14 in diesem Zusammenhang dazu ausgebildet, die Bilddaten der Bildquelle 8 zu modifizieren, insbesondere zu verzerren, zu kopieren, zu verdrehen, zu versetzen und/oder zu skalieren.
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Neben den auf 1a und 1b dargestellten Spiegelpositionen, weist der erste Spiegel 5 noch eine Mehrzahl von weiteren unterschiedlichen Spiegelpositionen auf. In dieser Ausführungsform weist der erste Spiegel 5 in einer Dimension eine Gesamtanzahl von 60 unterschiedlichen Spiegelpositionen auf. So kann der Bildinhalt zweidimensional auf 3600 unterschiedliche Positionen verschoben werden. Alternativ hierzu wäre auch vorstellbar, dass der erste Spiegel derart drehbar gelagert ist, dass die unterschiedlichen Positionen des ersten Spiegels stufenlos verstellbar sind. Somit würden sich innerhalb der zweidimensionalen Drehung des ersten Spiegels 5 im Prinzip unendlich viele mögliche Spiegelpositionen ergeben.
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In der ersten Ausführungsform ist die Optikeinheit 6 zum Ausrichten, insbesondere Bündeln, der gescannten Lichtstrahlen 33 auf den jeweiligen Projektionsbereich ausgebildet. In diesem Zusammenhang ist die Optikeinheit 6 in dem ersten Ausführungsbeispiel als Hohlspiegel ausgebildet. Der erste Spiegel wiederum ist in der Darstellung als planarer Spiegel ausgebildet.
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Zusätzlich weist das optische System 10a hierbei eine Kollimationslinse als Kollimationselement 4 auf, welches zur Kollimation der aus der ansteuerbaren Ablenkeinrichtung 3 austretenden Mehrzahl von gescannten Lichtstrahlen 33 dient.
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Außerdem weist das optische System 10a eine Eyetracker-Einrichtung 15 zum Erfassen und/oder Bestimmen des Augenzustands des Nutzers auf. In diesem Zusammenhang weist das optische System 10a weiterhin eine Speichereinheit 31 auf, auf welcher der, einer jeweiligen Spiegelposition des ersten Spiegels 5 zugehörige Abbildungsweg hinterlegt ist. Die Speichereinheit 31 ist in diesem Ausführungsbeispiel wiederum in eine Steuereinheit 30 des optischen Systems 10a integriert, welche dazu dient, den ersten Spiegel 5 in Abhängigkeit der hinterlegten Abbildungswege und des Augenzustands des Nutzers derart anzusteuern, dass genau eine Austrittspupille (A, A', B, B') im Bereich der Pupille 13 des Nutzers, insbesondere mittig im Bereich der Pupille des Nutzers, erzeugt wird. Die Steuereinheit 30 ist in dieser Ausführungsform in die Projektoreinheit 20 integriert.
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In dieser Ausführungsform ist die Lichtquelle 1 zum Generieren eines roten, grünen und blauen Lichtstrahls ausgebildet. Zum Bündeln dieser Mehrzahl von Lichtstrahlen in ein Strahlbündel weist das optische System 10a in dieser ersten Ausführungsform weiterhin Strahlformungsoptiken 2 auf, welche hierbei als dynamische Varifokallinsen ausgebildet sind.
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Das optische System 10a umfasst weiterhin eine hier zum Teil dargestellte Datenbrille mit Brillengestell 9 und einem Brillenglas 35. Die Projektoreinheit 20 und die erste Umlenkeinheit sind hierbei am Brillengestell 9 angeordnet. Die zweite Umlenkeinheit 7 ist in das Brillenglas 35 integriert.
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2 zeigt schematisch eine zweite Ausführungsform eines optischen Systems 10b für eine virtuelle Netzhautanzeige (Retinal Scan Display). Im Unterschied zu der vorherigen Ausführungsform reicht die Optikeinheit 6 der ersten Umlenkeinheit zumindest teilweise in einen Strahlengang zwischen der ansteuerbaren Ablenkeinrichtung 3 der Projektoreinheit 20 und dem ersten Spiegel 5 der ersten Umlenkeinheit hinein. Um weiterhin zu ermöglichen, dass der scannende Lichtstrahl 33 den ersten Spiegel 5, insbesondere ungehindert, erreicht, ist die Optikeinheit 6 zumindest teilweise in Richtung der ansteuerbaren Ablenkeinrichtung 3 transparent für den wenigstens einen Lichtstrahl 33 ausgebildet.
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3 zeigt schematisch eine dritte Ausführungsform eines optischen Systems 10c für eine virtuelle Netzhautanzeige (Retinal Scan Display). Im Unterschied zu den vorherigen Ausführungsformen weist die erste Umlenkeinheit des optischen Systems 10c eine erste Optikeinheit 16a und eine weitere, zweite Optikeinheit 16b auf. Sowohl die erste Optikeinheit 16a, wie auch die weitere, zweite Optikeinheit 16b sind in dieser Ausführungsform als Hohlspiegel ausgebildet. Die erste Optikeinheit 16a dient dazu, den projizierten Bildinhalt auf die weitere, zweite Optikeinheit 16b zu projizieren. Die weitere, zweite Optikeinheit 16b dient dazu, den projizierten Bildinhalt auf die zweite Umlenkeinheit 7 zu lenken.
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4 zeigt schematisch eine vierte Ausführungsform eines optischen Systems 10d für eine virtuelle Netzhautanzeige (Retinal Scan Display). Im Unterschied zu den vorherigen Ausführungsformen ist die Optikeinheit 36 hierbei als eine Freiformlinse ausgebildet, welche auch hier dazu ausgebildet ist, den projizierten Bildinhalt derart auf die zweite Umlenkeinheit 7 zu lenken, dass sich Projektionsbereiche der zweiten Umlenkeinheit 7 zumindest teilweise überlappen.
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5 zeigt schematisch eine fünfte Ausführungsform eines optischen Systems 10e für eine virtuelle Netzhautanzeige (Retinal Scan Display). Im Unterschied zu den vorherigen Ausführungsformen ist die Optikeinheit 37 hierbei als ein Phasenmodulator, insbesondere als ein SLM oder ein LCoS, ausgebildet.
