DE10316518A1

DE10316518A1 - Bilderzeugungsvorrichtung für augmentierte Darstellung

Info

Publication number: DE10316518A1
Application number: DE2003116518
Authority: DE
Inventors: Robert Brunner; Reinhard Steiner; Alexander Pesch
Original assignee: Carl Zeiss Jena GmbH
Current assignee: Jenoptik AG
Priority date: 2003-04-10
Filing date: 2003-04-10
Publication date: 2004-10-21
Also published as: WO2004090607A1

Abstract

Es wird eine Bilderzeugungsvorrichtung für einen Benutzer, mit einer Bilderzeugungseinheit (1) zur Erzeugung eines Bildes und einer Abbildungsoptik (2), die das Bild so abbildet, daß es vom Benutzer wahrnehmbar ist, bereitgestellt, wobei die Abbildungsoptik (2) eine diffraktive Optikeinheit (5) mit einem Transmissionsgitter enthält, das das Licht zur Bilderzeugung, das von der Bilderzeugungseinheit kommt, transmittiert und dabei aufgrund von Beugung zum Auge (A) des Benutzers hin umlenkt, wobei die diffraktive Optikeinheit (5) Umgebungslicht transmittiert, so daß eine augmentierte Darstellung möglich ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Bilderzeugungsvorrichtung für eine augmentierte Darstellung (also eine Überlagerung eines erzeugten Bildes mit der wahrnehmbaren Umgebung für einen Benutzer).

Bei Bilderzeugungsvorrichtungen für eine augmentierte Darstellung muß das erzeugte Bild für einen Benutzer in Überlagerung mit der wahrnehmbaren Umgebung gebracht werden. Solche Bilderzeugungsvorrichtungen sind beispielsweise HMD-Vorrichtungen (Head Mounted Dislplay-Vorrichtung). Für die notwendige Überlagerung wird das von der HMD-Vorrichtung erzeugte Bild häufig über Reflexion an Glasplatten oder Strahlteilerwürfel in das Blickfeld des Benutzers eingespiegelt. Dazu ist eine Teilverspiegelung notwendig, durch die jedoch nachteilig das zu transmittierende Licht aus der Umgebung abgeschwächt wird.

Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der Erfindung, eine Bilderzeugungsvorrichtung für eine augmentierte Darstellung bereitzustellen, bei der das Licht aus der Umgebung nur so gering wie möglich abgeschwächt wird.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Bilderzeugungsvorrichtung gelöst, die eine Bilderzeugungseinheit zur Erzeugung eines Bildes und eine Abbildungsoptik umfaßt, die das Bild so abbildet, daß es von einem Benutzer wahrnehmbar ist, wobei die Abbildungsoptik eine einem Auge des Benutzers vorgeordnete diffraktive Optikeinheit mit einem Transmissionsgitter enthält, das das Licht zur Bilderzeugung, das von der Bilderzeugungseinheit kommt, transmittiert und dabei aufgrund von Beugung zum Auge hin umgelenkt, wobei die diffraktive Optikeinheit zusätzlich Umgebungslicht transmittiert, so daß eine augmentierte Darstellung möglich ist.

Durch den Einsatz des Transmissionsgitters zur Strahlumlenkung ist ein sehr großer Umlenkwinkel bei sehr kleinen Bauteilabmessungen in Richtung des umgelenkten Lichts möglich. Dadurch kann eine sehr kompakte Bilderzeugungsvorrichtung zur Verfügung gestellt werden. Wenn die Bilderzeugungsvorrichtung z.B. brillenartige oder helmartige als HMD-Vorrichtung ausgestaltet ist, kann die Bilderzeugungseinheit seitlich oder oberhalb des Kopfs des Betrachters angeordnet werden, da selbst bei einem Einfallswinkel von bis zu 80° auf das Transmissionsgitter (also nahezu senkrecht zur Blickrichtung des Betrachters) die gewünschte Umlenkung zum Auge des Betrachters hin realisierbar ist. Ein weiterer Vorteil dieses großen Einfallswinkels bzw. der flachen Einstrahlung besteht darin, daß eine außerordentlich hohe Bildvergrößerung verzerrungsfrei realisiert werden kann.

Die Verwendung eines Transmissionsgitters als Umlenkeinheit führt zu einer Bilderzeugungsvorrichtung mit verbesserten optischen Eigenschaften, da mit Transmissionsgittern in der Regel höhere Beugungseffizienzen als mit Reflexionsgittern unter der Bedingung der augmentierten Darstellung (da z.B. bei Reflexionsgittern notwendige Teilverspiegelungen entfallen können) erreicht werden können und die Absorption des Gesamtsystems geringer ausfällt.

Das Transmissionsgitter kann insbesondere so ausgebildet sein, daß eine nicht nullte Beugungsordnung (insbesondere die erste oder zweite Beugungsordnung) zur Strahlumlenkung des Lichts zur Bilderzeugung und die nullte Beugungsordnung für die Transmission des Umgebungslichts eingesetzt ist. Dies führt zu dem Vorteil, daß die Beugungseffizienz der nicht nullten Ordnung für das Licht zur Bilderzeugung optimiert werden kann, während die nullte Beugungsordnung für die Transmission des Umgebungslichts, das im wesentlichen senkrecht auf das Transmissionsgitter einfällt, optimiert werden kann. Solche optimierten Gitter können durch mittels Computer realisierbarer Optimierungsverfahren berechnet und dann beispielsweise holographisch oder mittels anderer, aus der Halbleiterfertigung bekannter Mikrostrukturierungsverfahren hergestellt werden.

Insbesondere kann der Einfallswinkel des auf das Transmissionsgitter (bzw. das diffraktive optische Element) gerichteten Lichts zur Bilderzeugung größer als 45° sein, bevorzugt größer als 70°. Es wurde eine Vorrichtung mit einem Einfallswinkel von 80° realisiert. Jedoch ist es durchaus möglich, noch größere Einfallswinkel mit optimierten Gittern zu erreichen. Durch diese großen Einfallswinkel kann das Licht zur Bilderzeugung nahezu senkrecht zur Blickrichtung des Betrachters auf das diffraktive optische Element treffen, wodurch die Bilderzeugungsvorrichtung insgesamt sehr kompakt ausgebildet werden kann. Gleichzeitig ermöglichen Gitter (hier insbesondere das Transmissionsgitter) mit hohen Beugungswinkeln (entsprechend hohen Ortsfrequenzen) kaum das Entstehen von Störspektren, die durch andere Lichtquellen im Blickfeld der Beobachtung entstehen können.

Das Transmissionsgitter kann insbesondere als Liniengitter ausgebildet sein. Ein solches Liniengitter läßt sich heutzutage leicht mit der erforderlichen Genauigkeit herstellen, so daß die erfindungsgemäße Bilderzeugungsvorrichtung leicht realisierbar ist.

Insbesondere kann das Liniengitter nur zur Strahlumlenkung dienen. In diesem Fall wird die fokussierende (abbildende) Wirkung der Abbildungsoptik durch weitere refraktive oder diffraktive Elemente realisiert. Durch die Trennung der Umlenkwirkung einerseits und der fokussierenden Wirkung andererseits läßt sich die diffraktive Optikeinheit besonders einfach für den konkreten Anwendungsfall optimieren.

Natürlich ist es auch möglich, daß das Liniengitter zur Strahlumlenkung und gleichzeitig als abbildendes (fokussierendes) Element dient. Damit wird eine äußerst kompakte Abbildungsoptik realisierbar, wodurch die Bilderzeugungsvorrichtung insgesamt klein und leicht ausgebildet werden kann.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn für die abbildende Wirkung des Transmissionsgitters seine Gitterkonstante (bzw. die Furchenbreite) variiert ist. Damit läßt sich äußerst exakt die gewünschte abbildende Wirkung einstellen.

Das Liniengitter kann auf oder in einer ebenen Materialgrenzfläche ausgebildet sein. Dies erleichtert die Herstellung, da ebene Flächen äußerst gut in der Herstellung beherrscht werden und auf ebenen Flächen ein Gitter mit hoher Genauigkeit ausgebildet werden kann. Um bei dieser Ausführungsform, wenn dies gewünscht ist, die Wirkung von gekrümmten Materialgrenzflächen bereitzustellen, kann das Liniengitter entsprechend ausgebildet werden. Insbesondere die Gitterkonstante (bzw. Furchenbreite) wird entsprechend variiert, so daß das derart gebildete Optikelement so wirkt, als ob es eine gekrümmte Materialgrenzfläche aufweisen würde.

Es ist ferner auch möglich, das Liniengitter auf oder in einer gekrümmten, insbesondere einer sphärisch gekrümmten Materialgrenzfläche auszubilden. Diese Materialgrenzfläche kann beispielsweise eine Grenzfläche eines refraktiven Elements der Abbildungsoptik sein. Damit wird eine kompakte und wenige Elemente aufweisende Abbildungsoptik realisierbar, wodurch Gewichtseinsparungen verwirklicht werden können. Bei der Ausbildung in oder auf einer sphärisch gekrümmten Grenzfläche besteht der Vorteil, daß sphärisch gekrümmte Grenzflächen mit äußerst hoher Genauigkeit gefertigt werden können. Die gewünschte oder erforderliche asphärische Wirkung kann dann mittels des gebildeten Gitters verwirklicht werden (somit dient in diesem Fall das Gitter zur Strahlumlenkung und zur Abbildung). Damit wird ein leicht zu fertigendes Optikelement mit ausgezeichneten Abbildungseigenschaften bereitgestellt.

Ferner kann der Teil der Abbildungsoptik, der das Umgebungslicht transmittiert, eine refraktive Wirkung zur Sehfehlerkorrektur für den Benutzer aufweisen. Dann ist somit gleich eine Brille zur Korrektur von Fehlsichtigkeit in der erfindungsgemäßen Bilderzeugungsvorrichtung integriert.

Die Bilderzeugungseinheit kann eine selbstleuchtende Anzeige, wie beispielsweise eine LED-Anzeige, oder eine nicht-selbstleuchtende Anzeige (z.B. eine transmissive oder reflexive LCD-Anzeige) sein. Insbesondere kann die Bilderzeugungseinheit einen räumlichen Lichtmodulator aufweisen, wie z.B. eine Kippspiegelmatrix oder ein LCD-Modul oder ein LCoS-Modul, das entsprechend angesteuert wird, wobei auch noch, soweit notwendig, eine separate Lichtquelle vorgesehen ist.

Bei der erfindungsgemäßen Bilderzeugungsvorrichtung kann die Abbildungsoptik eine Teiloptik aufweisen, die so ausgebildet ist, daß das Licht zur Bilderzeugung als paralleles Strahlenbündel auf das Transmissionsgitter trifft. Dies erleichtert die Auslegung des Transmissionsgitters deutlich.

Die Teiloptik, die zwischen der Bilderzeugungseinheit und der diffraktiven Optikeinheit angeordnet ist und Licht zur Bilderzeugung von der Bilderzeugungseinheit auf die diffraktive Optikeinheit umlenkt, kann insbesondere ein Spiegel, ein Prisma oder auch ein diffraktives optisches Element aufweisen.

Wenn die Abbildungsoptik eine zweite diffraktive Optikeinheit aufweist, ist es besonders bevorzugt, die beiden diffraktiven Optikeinheiten so auszubilden, daß sich ihre Dispersionsfehler kompensieren. In diesem Fall kann selbst ein polychromatisches Bild, das mittels der Bilderzeugungseinheit erzeugt ist, ohne merklich wahrnehmbare Farbfehler dem Benutzer dargeboten werden. In diesem Fall kann auch mit den beiden diffraktiven Optikeinheiten eine zweimalige Strahlumlenkung von jeweils nahezu 90° realisiert werden.

Unter der Kompensierung der Dispersionsfehler der beiden diffraktiven Optikeinheiten wird hier verstanden, daß nach der Umlenkung dispersionsbedingte Abbildungsfehler möglichst vollständig beseitigt sind, zumindest jedoch geringer sind als im Fall des Einsatzes von nur eine diffraktiven Optikeinheit.

Die Abbildungsoptik erzeugt für den Betrachter bevorzugt ein virtuelles (insbesondere auch noch vergrößertes) Bild, das dieser dann wahrnimmt. Die Bilderzeugungsvorrichtung kann für ein oder für beide Augen Bilder erzeugen, wobei die Bilder für beide Augen insbesondere für einen dreidimensionalen Bildeindruck dargestellt werden.

Natürlich kann die Bilderzeugungsvorrichtung noch weitere Elemente, insbesondere wenn diese zum Betrieb notwendig sind, aufweisen. So kann beispielsweise ein Computer vorgesehen sein, der die Bilddaten der darzustellenden Bilder enthält und diese zur Bilderzeugungseinheit (z.B. drahtlos) überträgt oder der die Bilderzeugungseinheit gleich entsprechend ansteuert.

Die Bilderzeugungseinheit kann z.B. eine Intensitätssteuerung aufweisen, mit der die Anzeigehelligkeit (bevorzugt laufend) der Umgebungshelligkeit angepaßt wird. Dazu kann die Intensitätssteuerung einen Sensor zum Erfassung der Umgebungshelligkeit aufweisen, der (bevorzugt laufend) ein Signal abgibt, das ausgewertet wird, wobei in Abhängigkeit des Auswertungsergebnisses die Anzeigehelligkeit eingestellt bzw. geändert wird.

Es ist besonders bevorzugt, die Bilderzeugungsvorrichtung als HMD-Vorrichtung (die vom Benutzer am Kopf zu tragen ist) auszubilden. Damit wird eine HMD-Vorrichtung für eine augmentierte Darstellung bereitgestellt, bei der das erzeugte Bild mittels der diffraktiven Optikeinheit transmissiv in das Blickfeld des die HMD-Vorrichtung tragenden Benutzers eingeblendet werden kann.

Natürlich ist es auch möglich, die Bilderzeugungsvorrichtung so auszubilden, daß die diffraktive Optikeinheit an der Außen- oder Innenseite einer Fahrzeugscheibe ausgebildet ist, so daß für den Fahrzeugführer eine augmentierte Darstellung mit der Umgebung stattfindet. Die Bilderzeugungseinheit kann im Fahrzeuginnenraum oder außerhalb des Fahrzeugs vorgesehen sein. Das gleiche gilt für zumindest Teile der Abbildungsoptik. Bei dieser Ausführungsform können dem Fahrzeugführer wichtige Informationen oder Daten in sein Blickfeld eingeblendet werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen im Prinzip noch beispielshalber näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Bilderzeugungsvorrichtung;
2 eine vergrößerte Querschnittsdarstellung eines Ausschnitts des Gitters von 1 zur Erläuterung des Gitterprofils, und
3 ein alternatives Gitterprofil in einer gleichen Darstellung wie in 2.
In 1 ist schematisch der optische Aufbau einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Bilderzeugungsvorrichtung gezeigt, wobei in diesem Fall die Bilderzeugungsvorrichtung als HMD-Vorrichtung ausgebildet ist.
Die HMD-Vorrichtung umfaßt eine Bilderzeugungseinheit 1 zum Erzeugen monochromatischer Bilder, der eine Abbildungsoptik 2 nachgeordnet ist, die dazu dient, das mittels der Bilderzeugungseinheit 1 erzeugte Bild auf die gewünschte virtuelle Bildweite (hier beispielsweise unendlich) in das Auge A des die HMD-Vorrichtung tragenden Betrachters abzubilden.
Die Abbildungsoptik 2 umfaßt eine Linse 3 (die hier stellvertretend für ein oder mehrere refraktive Optikelemente dargestellt ist), einen Umlenkspiegel 4 sowie eine dem Auge A vorgeschaltete diffraktive Optikeinheit 5, die im wesentlichen als planparallele Platte aus einem transmissiven Material ausgebildet ist, auf dessen dem Auge A abgewandten Seite ein Liniengitter 6 ausgebildet ist. Die einzelnen Gitterfurchen des Liniengitters 6 verlaufen senkrecht zur Zeichenebene und weisen jeweils eine konstante Furchenbreite auf. Das Gitter 6 ist so ausgebildet, daß es für das Licht der Bilderzeugungseinheit 1 seine größte Beugungseffizienz für die erste Ordnung in Transmission aufweist. Der Strahlverlauf dieser ersten Beugungsordnung ist in der schematischen Darstellung in 1 mit durchgezogenen Linien eingezeichnet. Das gebeugte Licht anderer Beugungsordnungen wird so gebeugt, daß es nicht in das Auge A des Benutzers gelangt. In der 1 ist das Licht der nullten Beugungsordnung durch die Pfeil P1 und das Licht der zweiten Beugungsordnung durch den Pfeil P2 dargestellt. Insbesondere kann zwischen der diffraktiven Optikeinheit 5 und dem Auge A, wenn dies gewünscht ist, noch eine oder mehrere Blenden angeordnet sein, die sicherstellen, daß Licht unerwünschter Beugungsordnungen nicht in das Auge A gelangt.
Ferner ist die diffraktive Optikeinheit 6 noch dahingehend optimiert, daß die Beugungseffizienz für die nullte Beugungsordnung des im wesentlichen senkrecht einfallenden Umgebungslichtes (Pfeil P3) möglichst hoch ist, so daß der Benutzer eine Überlagerung des durch die Bilderzeugungseinheit 1 erzeugten Bildes mit der Umgebung wahrnehmen kann. Zur Optimierung der Beugungseffizienzen wird die Profilform des Liniengitters entsprechend gewählt, insbesondere können beispielsweise geblazte Profilformen eingesetzt werden. Ein Beispiel einer solchen geblazten Profilform ist in 2 dargestellt. Es sind jedoch auch andere Profilformen möglich, ein Beispiel ist in 3 gezeigt.
In dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel ist die Furchenbreite des Liniengitters 6 konstant. Man kann die Furchenbreite jedoch auch variieren (insbesondere senkrecht zur Längsrichtung der Furchen), wodurch eine fokussierende Wirkung (abbildende Wirkung) des Gitters erreicht wird, die dazu benutzt werden kann, die Umlenkoptik 3 noch kompakter und leichter auszubilden.
Anstelle des Umlenkspiegels 4 kann ein Umlenkprisma, ein sonstiges Umlenkelement (z.B. ein reflexives Umlenkelement) oder auch ein weiteres Liniengitter vorgesehen werden. Wenn ein weiteres Liniengitter vorgesehen ist, werden die beiden Liniengitter 4 und 6 bevorzugt so ausgebildet, daß sich ihre Dispersionsfehler kompensieren. Man kann dann eine Bilderzeugungseinheit 1 einsetzen, mit der polychromatische Bilder erzeugt werden. Aufgrund der Kompensation der Dispersionsfehler können die polychromatischen Bilder ohne für den Betrachter wahrnehmbare Farbfehler dargestellt werden.

Claims

Bilderzeugungsvorrichtung für einen Benutzer, mit einer Bilderzeugungseinheit (1) zur Erzeugung eines Bildes und einer Abbildungsoptik (2), die das Bild so abbildet, daß es vom Benutzer wahrnehmbar ist, wobei die Abbildungsoptik (2) eine diffraktive Optikeinheit (5) mit einem Transmissionsgitter (6) enthält, das das Licht zur Bilderzeugung, das von der Bilderzeugungseinheit (1) kommt, transmittiert und dabei aufgrund von Beugung zum Auge (A) des Benutzers hin umgelenkt, wobei die diffraktive Optikeinheit (5) Umgebungslicht transmittiert, so daß eine augmentierte Darstellung möglich ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das Transmissionsgitter (6) so ausgebildet ist, daß eine nicht nullte Beugungsordnung zur Strahlumlenkung des Lichts der Bilderzeugung und die nullte Beugungsordnung für die Transmission des Umgebungslichts eingesetzt ist.
Vorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, bei der der Einfallswinkel des auf das Transmissionsgitter (6) gerichteten Lichts zur Bilderzeugung größer als 45° ist, bevorzugt größer als 70°.
Vorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, bei der das Transmissionsgitter als Liniengitter (6) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, bei der das Liniengitter (6) nur zur Strahlumlenkung dient.
Vorrichtung nach Anspruch 4, bei der das Liniengitter (6) zur Strahlumlenkung und auch als abbildendes Optikelement für das Licht zur Bilderzeugung dient.
Vorrichtung nach Anspruch 6, bei der für die abbildende Wirkung die Gitterkonstante des Liniengitters (6) variiert ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, bei der das Liniengitter (6) auf oder in einer gekrümmten, insbesondere einer sphärisch gekrümmten Materialgrenzfläche ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, bei der das Liniengitter (6) auf oder in einer ebenen Materialgrenzfläche ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, bei der die Abbildungsoptik (2) eine Teiloptik (3, 6) enthält, die so ausgebildet ist, daß das Licht zur Bilderzeugung als paralleles Strahlenbündel auf das Transmissionsgitter (6) trifft.
Vorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, bei der die Abbildungsoptik (2) eine zweite diffraktive Optikeinheit zur Strahlumlenkung enthält, wobei beide diffraktive Optikeinheiten (5) so ausgebildet sind, daß sich ihre Dispersionsfehler kompensieren.
Vorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, bei der die Bilderzeugungsvorrichtung als HMD-Vorrichtung für eine augmentierte Darstellung ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, bei der der Teil (5) der Abbildungsoptik (2), der Umgebungslicht transmittiert, eine refraktive Wirkung zur Sehfehlerkorrektur für den die HMD-Vorrichtung tragenden Benutzer aufweist.