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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine hybridoptische HMD-Vorrichtung
(Head Mounted Display-Vorrichtung).
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Da
HMD-Vorrichtungen möglichst
leicht sein sollen, um sie bequem auf dem Kopf tragen zu können, gibt
es die Tendenz, die notwendige Optik bei HMD-Vorrichtungen mit einer
möglichst
geringen Anteil von Optikelementen zu verwirklichen. Dies führt dazu,
daß auch
die Anzahl der verwendbaren Korrekturflächen geringer wird. Des weiteren
werden von der Optik aufgrund der Geometrie des menschlichen Kopfes
extreme Ablenkwinkel gefordert.
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Daher
werden häufig
hybridoptische HMD-Vorrichtungen eingesetzt, bei denen die Optik zusätzlich zu
den refraktiven Elementen zumindest ein diffraktives Element aufweist.
Mit einem diffraktiven Element können
zwar extreme Ablenkwinkel realisiert werden. Nachteilig ist jedoch
die starke chromatische Aberration des diffraktiven Elements, die bei
der Darstellung polychromatischer Bilder sehr störend ist und daher mit weiteren
Optikelementen kompensiert werden muß. Dies führt jedoch dann wieder zu einem
unerwünscht
hohen Gewicht der HMD-Vorrichtung.
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Ausgehend
hiervon ist es Aufgabe der Erfindung, eine HMD-Vorrichtung bereitzustellen,
die kompakt und mit geringem Gewicht ausgebildet und gleichzeitig
polychromatisch betrieben werden kann.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe gelöst durch
eine HMD-Vorrichtung mit einer mittels einer Steuereinheit ansteuerbaren
Bilderzeugungseinheit zur Erzeugung eines polychromatischen Bildes,
einer Dateneinheit, die der Steuereinheit Bilddaten des zu erzeugenden
Bildes bereitstellt, und einer der Bilderzeugungseinheit nachgeschalteten,
einen wellenlängenabhängigen Abbildungsmaßstab aufweisenden Abbildungsoptik,
die zumindest ein diffraktives Element enthält und das Bild so abbildet,
daß es
von einem die HMD-Vorrichtung tragenden Benutzer wahrnehmbar ist,
wobei die Dateneinheit so ausgebildet ist, daß sie zur Bilddatenbereitstellung
die Bilddaten für
unterschiedliche Spektralbereiche des polychromatischen Bildes zur
Kompensation des wellenlängenabhängigen Abbildungsmaßstabes
unterschiedlich vorskaliert und die vorskalierten Bilddaten an die Ansteuereinheit übergibt.
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Damit
werden erfindungsgemäß die Bilddaten
für die
einzelnen Spektralbereiche so vorverzerrt, daß sich diese Vorverzerrung
mit der wellenlängenabhängigen Verzerrung
(bzw. Verzeichnung) der Abbildungsoptik kompensiert und damit das
abgebildete Bild möglichst
verzerrungsfrei (bzw. verzeichnungsfrei) ist. Für den Benutzer wird daher unmerklich
die chromatische Queraberration korrigiert, so daß das Bild
möglichst
farbfehlerfrei dargestellt werden kann, obwohl die Abbildungsoptik
das dispersive Element mit der starken chromatischen Aberration
enthält.
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Insbesondere
kann bei der erfindungsgemäßen HMD-Vorrichtung
eine nicht nullte Beugungsordnung des diffraktiven Elements zur
Strahlumlenkung eingesetzt werden. Bevorzugt ist hierbei die Ausgestaltung
als Liniengitter, da ein solches Liniengitter heutzutage mit der
notwendigen Genauigkeit hergestellt werden kann. Aufgrund des Einsatzes
des dispersiven Elements als Umlenkelement können extreme Umlenkwinkel realisiert
werden, so daß die HMD-Vorrichtung
kompakt und leicht ausgebildet werden kann.
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Eine
besonders bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen HMD-Vorrichtung
besteht darin, daß die
Bilderzeugungseinheit das polychromatische Bild aus mehreren Farbteilbildern
zusammensetzt und die Dateneinheit die Bilddaten der Farbteilbilder
entsprechend unterschiedlich vorskaliert. Insbesondere können die
Spektralbereiche der einzelnen Farbteilbilder jeweils durch spektrale
Zwischenbereiche getrennt sein. Dadurch läßt sich sehr einfach für jeden
Spektralbereich der Farbteilbilder ein geeigneter Abbildungsmaßstab durch
geeignete Vorskalierung der Bilddaten einstellen, so daß die Farbteilbilder
alle scheinbar mit dem gleichen Abbildungsmaßstab abgebildet sind. Besonders
bevorzugt ist es, wenn das Bild aus drei Farbteilbildern zusammengesetzt
wird, wobei dies beispielsweise ein rotes, ein grünes und
ein blaues Farbteilbild sein können.
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Das
Zusammensetzen der Farbteilbilder kann entweder zeitsequentiell
erfolgen, wenn die Bilderzeugungseinheit beispielsweise nur einen
Lichtmodulator (wie beispielsweise ein LCD-Modul, ein LCoS-Modul oder eine Kippspiegelmatrix)
enthält.
Alternativ können
die Farbteilbilder räumlich überlagert werden
und als gemeinsames Strahlenbündel
mittels der Abbildungsoptik abgebildet werden. In diesem Fall sind
mehrere Lichtmodulatoren vorzusehen.
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Bei
der erfindungsgemäßen HMD-Vorrichtung
kann die Abbildungsoptik ein zweites diffraktives Element aufweisen,
das zur Korrektur von wellenlängenunabhängigen Aberrationen
dient. Damit wird vorteilhaft erreicht, daß ein weiterer Korrekturparameter
bereitgestellt wird, so daß die
Abbildungsoptik weiter optimiert werden kann.
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Ferner
kann bei der erfindungsgemäßen HMD-Vorrichtung
eine drahtlose Verbindung zwischen der Dateneinheit und der Steuereinheit
vorgesehen sein, wobei über
die Verbindung die vorskalierten Bilddaten zur Ansteuereinheit übertragen
werden können.
Damit wird eine sehr flexible HMD-Vorrichtung bereitgestellt, die
so ausgebildet sein kann, daß nur
die Elemente der HMD-Vorrichtung am Kopf getragen werden müssen, die
unbedingt am Kopf benötigt
werden.
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Natürlich kann
die Dateneinheit und die Steuereinheit als eine einzige integrierte
Einheit ausgebildet sein, wenn dies gewünscht ist.
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Des
weiteren ist es möglich,
die Dateneinheit so auszubilden, daß eine weitere Vorskalierung
der Bilddaten durchgeführt
wird, um wellenlängenunabhängige Abbildungsfehler
der Abbildungsoptik zu kompensieren. Damit wird es möglich, die
Abbildungsoptik noch kleiner und kompakter auszubilden.
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Die
erfindungsgemäße HMD-Vorrichtung kann
so ausgebildet sein, daß mit
ihr nur die erzeugten polychromatischen Bilder wahrnehmbar sind.
Alternativ ist auch eine augmentierte Darstellung möglich, bei
der das erzeugte Bild in Überlagerung
mit der Umgebung für
den Benutzer der HMD-Vorrichtung wahrnehmbar ist. In diesem Fall
ist es besonders vorteilhaft, wenn das diffraktive Element unmittelbar
einem Auge des Benutzers vorgeordnet ist und durch das diffraktive
Element hindurch (nullte Beugungsordnung) die Umgebung wahrnehmbar
ist.
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Bei
der erfindungsgemäßen HMD-Vorrichtung
wird mittels der Abbildungsoptik bevorzugt ein virtuelles (insbesondere
auch noch vergrößertes) Bild
abgebildet, das der Benutzer dann wahrnimmt. Die HMD-Vorrichtung
kann für
ein oder für
beide Augen Bilder erzeugen, wobei die Bilder für beide Augen insbesondere
für einen
dreidimensionalen Bildeindruck dargestellt werden.
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Insbesondere
kann das diffraktive Element so ausgebildet werden, daß es eine
Strahlumlenkung und dadurch gleichzeitig eine gewünschte Vergrößerung durchführt. Dabei
ist es insbesondere vorteilhaft, wenn das Licht des polychromatischen
Bildes als paralleles Strahlenbündel
auf das diffraktive Element trifft.
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Das
diffraktive Element kann entweder als transmissives oder reflektives
diffraktives Element ausgebildet sein und es kann als reines Umlenkelement
oder als Umlenkelement mit zusätzlichen
Abbildungseigenschaften realisiert sein.
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Mit
der erfindungsgemäßen HMD-Vorrichtung
kann die Abbildungsoptik beispielsweise auch achromatisiert werden,
wenn sie eine Kombination aus Gitter und Prisma enthält.
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Natürlich kann
die erfindungsgemäße HMD-Vorrichtung
noch weitere Elemente, insbesondere wenn diese zum Betrieb notwendig
sind, aufweisen, wie beispielsweise ein entsprechendes Gestell, an
dem zumindest die Bilderzeugungseinheit und die Abbildungsoptik
montiert sind. So kann die HMD-Vorrichtung brillenartig oder helmartig
ausgestaltet werden.
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Weiter
wird ein Verfahren zur Bilddarstellung bei einer HMD-Vorrichtung
bereitgestellt, wobei die HMD-Vorrichtung eine mittels einer Steuereinheit
ansteuerbare Bilderzeugungseinheit zur Erzeugung eines polychromatischen
Bildes und eine der Bilderzeugungseinheit nachgeschaltete, einen
wellenlängenabhängigen Abbildungsmaßstab aufweisende Abbildungsoptik
umfaßt,
die zumindest ein diffraktives Element enthält und das Bild so abbildet,
daß es von
einem die HMD-Vorrichtung tragenden Benutzer wahrnehmbar ist, wobei
das Verfahren folgende Schritte aufweist: Unterschiedliches Vorskalieren
der Bilddaten des zu erzeugenden Bildes für unterschiedliche Spektralbereiche
des polychromatischen Bildes zur Kompensation des wellenlängenabhängigen Abbildungsmaßstabes
und Übergeben
der vorskalierten Bilddaten an die Ansteuereinheit.
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Durch
dieses Verfahren kann die Korrektur der aufgrund des wellenlängenabhängigen Abbildungsmaßstabs bedingten
Farbfehler (insbesondere Queraberrationen) bei der Abbildung mittels
der Abbildungsoptik schon bei der Bilddatenbereitstellung erfolgen,
so daß die
Abbildungsoptik der HMD-Vorrichtung klein und kompakt ausgebildet
werden kann. Die Vorskalierung der Bilddaten kann mit entsprechenden
Bildverarbeitungsalgorithmen durchgeführt werden.
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Insbesondere
kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
die Bilderzeugungseinheit das polychromatische Bild aus mehreren
Farbteilbildern zusammensetzen und die Bilddaten der Farbteilbilder können entsprechend
unterschiedlich vorskaliert werden. Dies ist insbesondere von Vorteil,
wenn die spektralen Bereiche der einzelnen Farbteilbilder jeweils
durch spektrale Zwischenbereiche getrennt sind, wie dies beispielsweise
bei einer RGB-Bilderzeugung der Fall ist, bei der rote, grüne und blaue Farbteilbilder
separat erzeugt werden. Das Zusammensetzen der Farbteilbilder kann
entweder zeitsequentiell oder räumlich
erfolgen.
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Ferner
kann die Vorskalierung der Bilddaten so durchgeführt werden, daß zusätzlich noch
wellenlängenunabhängige Aberrationen
korrigiert werden. Damit kann eine weitere Vereinfachung des optischen
Aufbaus der Abbildungsoptik erreicht werden.
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Ferner
können
die vorskalierten Bilddaten drahtlos zur Ansteuereinheit übertragen
werden. Damit wird die HMD-Vorrichtung flexibler und kann leichter
ausgestaltet werden, da die entsprechende Vorrichtung zur Vorskalierung
von dem Benutzer der HMD-Vorrichtung nicht auf dem Kopf getragen
werden muß.
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Die
Erfindung wird nachfolgend beispielshalber anhand der beigefügten Zeichnungen
noch näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine schematische Darstellung
des optischen Aufbaus einer Ausführungsform
der HMD-Vorrichtung, und
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2 eine vereinfachte Darstellung
der Abbildungsoptik von 1 zur
Erläuterung
der erfindungsgemäßen Vorskalierung.
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Die
in 1 gezeigte HMD-Vorrichtung
umfaßt
eine Bilderzeugungseinheit 1 zum Erzeugen polychromatischer
Bilder, der eine Abbildungsoptik 2 nachgeordnet ist, mit
der das mittels der Bilderzeugungseinheit 1 erzeugte Bild
auf die gewünschte
virtuelle Bildweite (hier beispielsweise unendlich) in das Auge
A eines Betrachters abgebildet wird.
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Die
Abbildungsoptik 2 umfaßt
eine Linse 3, einen Umlenkspiegel 4 sowie ein
Transmissionsgitter 5, das als Liniengitter ausgebildet
ist und dessen erste Beugungsordnung zur Strahlumlenkung zum Auge A
genutzt wird. Ferner ist für
den Betrachter noch die Umgebung wahrnehmbar, wie durch den Pfeil
P1 angedeutet ist, wobei dazu die Beugungseffizienz der nullten
Beugungsordnung für
das Umgebungslicht optimiert wurde.
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Die
Optimierung der Beugungsordnungen (erste Beugungsordnung für die Strahlumlenkung und
nullte Beugungsordnung für
die Betrachtung der Umgebung) wird über die Profilform (z.B. geblazte Profilform)
des Liniengitters 5 durchgeführt, wobei hier die Längsrichtung
der Furchen des Liniengitters 5 senkrecht zur Zeichenebene
sind.
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Des
weiteren umfaßt
die HMD-Vorrichtung eine Steuereinheit 6, die die Bilderzeugungseinheit 1 ansteuert,
die in dem hier beschriebenen Fall beispielsweise ein entsprechendes
LCoS-Modul enthält (zur
Vereinfachung ist die Beleuchtungseinrichtung des LCoS-Moduls nicht eingezeichnet).
Die Steuereinheit wird von einer Dateneinheit 7 über eine
drahtlose Verbindung 8 mit den notwendigen Bilddaten versorgt.
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Die
Abbildungsoptik 2 weist insbesondere aufgrund des Liniengitters 5 einen
stark wellenlängenabhängigen Abbildungsmaßstab auf,
der dazu führt,
daß bei
der Abbildung des mittels der Bilderzeugungseinheit 1 erzeugten
polychromatischen Bildes deutlich wahrnehmbare chromatische Queraberrationen
auftreten. Diese werden jedoch dadurch kompensiert, daß die Dateneinheit 7 die
Bilddaten entsprechend vorskaliert der Strahleinheit 6 bereitstellt.
Dies wird detaillierter in Verbindung mit 2 erläutert,
bei der die Abbildungseinheit 2 schematisch als Rechteck
dargestellt ist.
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Ein
beispielhafter Bildpunkt 9, der mittels der Bilderzeugungseinheit 1 erzeugt
wird und dann mittels der Abbildungsoptik 2 abgebildet
wird, enthält
in dem hier beschriebenen Beispiel einen roten, einen grünen und
einen blauen Farbanteil. Die Vorskalierung wird nun so durchgeführt, daß nur der
grüne Farbanteil
des Bildpunkts 9 an der ursprünglich vorbestimmten Stelle
im zu erzeugenden Bild erzeugt wird. Der blaue Farbanteil des Bildpunkts 9 wird
in der schematischen Darstellung von 2 etwas nach
oben verschoben (Punkt 10) und der rote Farbanteil des
Bildpunkts 9 wird in der Darstellung von 2 nach unten verschoben (Punkt 11).
Aufgrund der unterschiedlichen Abbildungsmaßstäbe der Abbildungsoptik 2 für den roten,
grünen
und blauen Spektralbereich führt
dies dazu, daß die
roten, grünen
und blauen Farbanteile des Bildpunkts 9 nach der Abbildung
im abgebildeten (virtuellen) Bild 13 am Punkt 12 übereinander
liegen, so daß kein
chromatischer Querfehler mehr vorhanden ist. Zur Verdeutlichung
der unterschiedlichen Strahlenverläufe, sind der blaue Farbanteil
mit einer gestrichelten Linie und der rote Farbanteil mit einer
strichpunktierten Linie auf der linken Seite der Abbildungsoptik 2 in 2 dargestellt. Die Vorskalierung
wird natürlich
für jeden Bildpunkt
des zu erzeugenden Bildes durchgeführt, so daß insgesamt das abgebildete
Bild 13 mit keinen oder möglichst geringen chromatischen
Queraberrationen dargestellt wird.
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In
dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel
ist die Wellenlängenabhängigkeit
des Abbildungsmaßstabes
der Abbildungsoptik 2 so, daß der Abbildungsmaßstab für blaues
Licht um 25% kleiner ist als der für grünes Licht und daß der Abbildungsmaßstab für rotes
Licht um 50% größer ist
als für
grünes
Licht. Diese unterschiedlichen Abbildungsmaßstäbe werden durch die Vorskalierung
kompensiert, so daß für den Benutzer
ein ähnliches
RGB-Bild mit konstantem, farbunabhängigem Abbildungsmaßstab dargestellt
wird. Der Versatz des roten und blauen Farbanteils des Bildpunkts 9 ist
in 2 zur Verdeutlichung
natürlich
stark übertrieben
dargestellt.