EP3652581A1 - Projektionsvorrichtung für eine datenbrille, datenbrille sowie verfahren zum betreiben einer projektionsvorrichtung - Google Patents

Projektionsvorrichtung für eine datenbrille, datenbrille sowie verfahren zum betreiben einer projektionsvorrichtung

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EP3652581A1
EP3652581A1 EP18735526.8A EP18735526A EP3652581A1 EP 3652581 A1 EP3652581 A1 EP 3652581A1 EP 18735526 A EP18735526 A EP 18735526A EP 3652581 A1 EP3652581 A1 EP 3652581A1
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EP
European Patent Office
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light beam
projection device
light
optical element
lens
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP18735526.8A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Simone Hoeckh
Tobias Graf
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G03B21/2006—Lamp housings characterised by the light source
    • G03B21/2013—Plural light sources
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    • G03B21/00—Projectors or projection-type viewers; Accessories therefor
    • G03B21/14—Details
    • G03B21/28—Reflectors in projection beam

Definitions

  • the present invention relates to a projection device for smart glasses, data glasses, a method for operating a projection device, a computer program, a machine-readable storage medium and an electronic control device.
  • HMD helmet-mounted or head-mounted
  • HWD headworn displays
  • VR Virtual Reality
  • AR augmented reality
  • HMDs Due to high costs and bulky optics, HMDs are still used primarily in the military sector. However, also civilian professional groups and consumers in everyday life and leisure time of a handy and
  • HMDs Consumer product in mass production successfully placed on the market. A big challenge here are e.g. mutually influencing requirements for the optical and mechanical specifications.
  • HMDs There are currently two different types of HMDs on the market. On the one hand, these are lightweight, handy HMDs, whose imaging and sensory system is kept as small as possible, which is why they have only a limited
  • HMDs with relatively bulky optics possibly in combination with multiple sensors and cameras, which provide more sophisticated imaging and interactions between the Environment perception and the superimposed image information allow, but significantly larger, heavier and less ergonomic to handle.
  • retina scanner device RSD
  • imaging optic which is an image of a
  • Polychromatic systems also generated by means of multiple laser sources, a beam that can be directed through a MEMS (micro-electro-mechanical system) level and scanned by means of mirror deflection over the retina.
  • MEMS micro-electro-mechanical system
  • One way to use the eye in every direction is to create multiple eyeboxes. This can e.g. through the use
  • wavelength-specific, applied to the spectacle lens deflecting elements can be achieved.
  • per perceptible color e.g. red, green and blue
  • the wavelengths for a color should be so similar that they are visually indistinguishable.
  • the human eye has its highest resolution only in the center of the sharpest vision. Only a very small angular range, which is imaged on the fovea, is really sharp. In the areas farther out in the field of view, the resolution is much lower.
  • the depth perception of humans is based on different
  • Depth hints controlled accordingly so that it can come to conflicting, confusing depth information.
  • a prominent example is the Vergence accommodation conflict.
  • the visual axes of the observer converge in the desired depth, but is always accommodated on the - possibly virtual - screen. The result is an unnatural visual situation, which, if it is too extreme, can be unpleasant and lead to an ambiguous perception of the displayed image information.
  • the projection device comprises at least one light source for emitting a light beam and at least one arranged on a spectacle lens of the data glasses or can be arranged
  • a holographic element for projecting an image on a retina of a user of the data glasses by redirecting and / or focusing the light beam on an eye lens of the user.
  • the projection device for data glasses has at least one light source for emitting at least one light beam.
  • an HMD Under a data glasses, an HMD can be understood.
  • the term data glasses should also be understood a video glasses, a helmet display or a VR helmet.
  • a light source may be understood to mean a light-emitting element such as a light-emitting diode, in particular an organic light-emitting diode, a laser diode or an arrangement of a plurality of such light-emitting elements.
  • the light source can be designed to light to emit different wavelengths.
  • the light beam can for
  • a plurality of pixels serve on the retina, wherein the light beam, the retina, for example, in lines and columns or in the form of Lissajous patterns sweeps and can be pulsed accordingly.
  • a spectacle lens can be understood a made of a transparent material such as glass or plastic disc element.
  • the spectacle lens may be formed approximately as a correction glass or a tint for filtering light of certain wavelengths such as
  • UV light for example, have UV light.
  • a light beam can be understood in the paraxial approximation to be a Gaussian beam.
  • the projection device furthermore has at least one deflection element arranged or arrangeable on a spectacle lens of the data glasses for projecting an image onto a retina of a user of the data glasses by deflecting and / or focusing the at least one light beam on an eye lens of the user.
  • the deflecting element may e.g. a holographic element or a freeform mirror.
  • a holographic element for example, a holographic-optical device, HOE for short, can be understood, which is e.g. can perform the function of a lens, a mirror or a prism.
  • HOE holographic-optical device
  • the holographic element for certain colors and angles of incidence can be selective.
  • the holographic element can fulfill optical functions that can be imprinted into the holographic element with simple point light sources. As a result, the holographic element can be produced very inexpensively.
  • the holographic element can be transparent. Thereby can
  • Image information to be overlaid with the environment is an image information to be overlaid with the environment.
  • a light beam can thus be applied to a retina of a wearer of the
  • Data goggles are directed that the wearer perceives a sharp virtual image.
  • the image may be scanned by scanning a laser beam a micromirror and the holographic element are written directly on the retina.
  • Such a projection device can be built in a small space
  • the holographic element can be realized comparatively inexpensive and makes it possible to bring a picture content in a sufficient distance to the carrier. This allows the contact-analogous superimposition of the image content with the environment.
  • the fact that the image can be written directly onto the retina by means of the holographic element can be reduced to a flat display element, such as e.g. an LCD or DMD based system. Furthermore, a particularly large depth of focus can be achieved thereby.
  • the deflection behavior on the surface of the holographic element is different at each point. As already mentioned above, it is generally not the case that the angle of incidence equals the angle of reflection.
  • the portion of the surface of the holographic element which serves to redirect the light beam to the eye of a user is called a functional region
  • the projection device has at least one reflection element for reflecting the light beam onto the deflection element.
  • Reflection element for example, a mirror, in particular a
  • Micromirror or an array of micromirrors, or a hologram can be understood.
  • the reflection element By means of the reflection element, a beam path of the light beam can be adapted to given spatial conditions.
  • the reflection element can be realized as a micromirror.
  • the micromirror can be designed to be movable, for example, have a mirror surface which can be tilted about at least one axis.
  • Such a reflection element offers the advantage of a particularly compact design. It is also advantageous if the
  • Reflection element is formed to change an angle of incidence and, additionally or alternatively, a point of incidence of the light beam on the holographic element.
  • the deflecting element can be swept over the surface, in particular approximately in rows and columns, with the light beam.
  • the reflection element may be a mirror with a deformable surface. This has the advantage that the reflection element can not only deflect the light beam, but also change beam parameters. This can reduce the number of adaptive optical elements.
  • the projection device has at least one adaptive optical element for the adaptive change of at least one beam parameter, wherein the at least one adaptive optical element is arranged in the beam path between the at least one light source and the at least one deflection element.
  • An adaptive optical element can be understood as any optical element which is suitable for changing a beam parameter.
  • an optical element can only slightly change a beam parameter at the location of the optical element, the term
  • Radiation parameters may include the following: Divergence angle or beam divergence, beam waist or beam diameter, and distance of the light beam to the optical axis. It should also be noted that a light beam is generally not rotationally symmetric. This means that the behavior of a light beam may be different in, for example, two mutually orthogonal directions. In general, therefore, a ray of light at one place becomes two
  • the adaptive optical element can be designed to be switchable.
  • a control unit may be provided which controls or regulates the adaptive optical element.
  • the optical system can be actively adapted to different system configurations or also to different users.
  • the adaptive optical element may e.g. a lens with variable
  • the telescope may, for example, have a Galilean or Keplerian arrangement.
  • variable focal length telescope can be realized by an ordinary telescope in which the distance of the lenses from each other can be varied.
  • a focal length of one or more lenses can be changed.
  • shape of the lens may be asymmetrically variable, e.g. to compensate or bring about astigmatism.
  • the deformable surface mirror changes e.g. by applying an electrical voltage its surface shape. This changes the optical properties of the mirror, in particular the focal length.
  • beamforming is also possible, i. a change in the beam profile.
  • Such a mirror could be mounted in the optical path in front of the scanning micromirror.
  • the scanning micromirror can also be further developed so that it additionally deforms itself in a controlled manner during the scan movement.
  • the adaptive optical element also non-rotationally symmetric changes are possible, so that e.g. also beam forms and astigmatisms can be influenced.
  • This can e.g. be realized by a liquid lens with segmented electrodes for astigmatic lens profiles.
  • the at least one reflection element is designed and set up to reflect the at least one light beam in such a way that the at least one light beam reaches an arbitrary point of one
  • the at least one reflection element is designed and set up, the at least one Reflect light beam so that the at least one light beam is scanned over a portion of the deflection. This advantageously achieves that the light beam can reach every point of the functional region.
  • the at least one reflection element is formed and arranged, the at least one light beam on the above
  • the at least one adaptive optical element is designed and set up to change at least one beam parameter of the at least one light beam as a function of a viewing direction of a user as well as a point of impact of the at least one light beam on the deflecting element.
  • the image does not appear to a user worse than high-resolution transmission, since the user can not see clearly in these areas of vision anyway.
  • the low-resolution transmission may be accomplished by transmitting the light beam in the fuzzy viewing areas with fewer pixels each having a larger spot size. Since the solid angle range of the sharpest vision of the person depends on the viewing direction, according to this embodiment, where the human sees the sharpest, one can
  • Image high resolution i. with more pixels and the smallest possible
  • the adaptive optical element can be designed and set up such that at least one beam parameter of the at least one light beam is individually changed as a function of the respective user and his current viewing situation.
  • the adaptive optical element can be designed and set up such that at least one beam parameter of the at least one light beam is individually changed as a function of the respective user and his current viewing situation.
  • the adaptive optical element can be designed and set up in such a way that, depending on the
  • Brightness conditions in the environment of the user i. depending on the brightness that the user sees through the data glasses, at least one
  • Beam parameter of the at least one light beam is changed.
  • the adaptive optical element and the at least one light source are designed and set up such that an irradiation intensity at each point of the retina appears to be the same or bright for a user. It does not matter whether the light beam has a small or a large beam diameter. Furthermore, it must be considered that an identical irradiance could be perceived differently brightly by the individual human eye at different points of the retina.
  • the projection device has at least one collimation element for collimating the at least one light beam which is emitted by the at least one light source.
  • the collimation element is preferably arranged directly after the light source.
  • Kollimations comprise preferred identical to the number of light sources.
  • a collimation element is arranged directly after each light source.
  • the projection device has at least one correction optics which does not improve the symmetry and / or reduce the spot size of the light beam
  • the at least one correction optics is preferably arranged after the at least one collimation element. In the event that several light sources with different wavelengths are used, which are combined to form a light beam, the at least one correction optics is preferred before
  • the at least one correction optics is arranged after the beam merging. This arrangement requires only a correction optics, which is designed and optimized for all wavelengths used.
  • one or more of the lenses may have variable refractive properties. The changing of the distance between the lenses as well as the change of the refractive properties of the lens is synchronized with the mirror movement and depending on the pupil position and, where appropriate, the user and his situation.
  • an adaptive optical element for example, a refractive
  • Telescope preferably with adaptive lens spacings for varying the beam diameter, and alternatively adaptive lenses, such as liquid lenses, or combinations of both approaches are inserted into the beam path.
  • a homogenization of the individual beam profiles by wavelength-specific correction optics before the merging of the beam paths followed by an adaptive wavelength-overlapping correction optics is used after merging the individual beam paths in order to save space and costs.
  • a wavelength-specific optical system is used for a monochromatic or quasi-monochromatic light beam. This is the case, for example, in the case of polychromatic systems, before beam collimation at the individual light sources.
  • optics adapted to the wavelengths used are preferably used for a polychromatic light beam.
  • This optics can also be called across wavelengths. This is the case with polychromatic systems after beam collation.
  • correction optics or as an adaptive optical element can also be a
  • Liquid lens can be used with segmented electrodes. This has the advantage that astigmatisms can be generated or compensated. Another advantage is that the focal length of the liquid lens is variable, i. that a change of the beam parameter can be controlled or regulated.
  • the projection device has three monochromatic light sources for emitting a respective light beam, the three light sources each having different wavelengths. The three different wavelengths of the three light sources preferably form an RGB color space.
  • An RGB color space is an additive color space that absorbs color perceptions by the additive mixing of three primary colors, e.g. Red,
  • the three light beams are preferably merged into a single light beam.
  • an optical waveguide with diffractive coupling elements or dichroic mirrors is preferably used.
  • Each beam path of the three light beams preferably has at least one adaptive optical element.
  • the at least one adaptive optical element if it is arranged after a beam merging of the three light beams, may also be only one. This advantageously achieves that for everyone Beam of light a beam parameter can be changed.
  • each beam path of the three light beams has exactly one adaptive optical element.
  • wavelength-specific optics are preferably used for each light beam.
  • wavelength-overlapping optics are preferably used for the merged light beam.
  • the at least one adaptive optical element is preferably arranged after merging the light beams of the three light sources. This has the advantage that a simple construction can be realized.
  • the invention further comprises a data glasses.
  • This has a spectacle lens and a projection device described above, wherein the deflecting element is arranged on the spectacle lens.
  • the invention further comprises a method for operating a
  • Beam parameter of the at least one light beam both in dependence of a line of sight of a user as well as a function of a point of impact of the at least one light beam changed on the deflecting.
  • the change is preferably made by the at least one adaptive optical element.
  • the at least one beam parameter of the at least one light beam is preferably changed as a function of an image content.
  • the invention further comprises a computer program which is set up to carry out the described steps of the method in order to be able to carry out the method described above with this computer program. Furthermore, the invention comprises a machine-readable storage medium, on which such a computer program is stored, as well as a
  • Such an electronic Control unit can, for example, as a microcontroller in a
  • Projection device or data glasses to be integrated.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a projection apparatus according to an embodiment
  • FIGS. 2 to 4 show schematic representations of a method for operating a projection apparatus according to an embodiment in each case
  • FIGS. 5 to 11 each show a schematic illustration of a scanner optics of a projection apparatus according to an embodiment
  • FIG. 12 shows a schematic isometric view of data glasses according to one embodiment.
  • FIG. 1 shows the basic mode of operation of the projection device 100.
  • the projection device 100 has a scanner optics 152 and a deflecting element, which in this embodiment is designed as a holographic element 103.
  • the holographic element 103 is attached to a lens 402.
  • the scanner optics 152 is arranged in a housing 105 and has a light source, a collimation element and a reflection element, which are not shown in FIG. Different embodiments of the scanner optics 152 are shown in FIGS. 5 to 12.
  • a light beam 106 emitted by the scanner optics 152 is transmitted through a
  • Exit window 148 in the direction of the deflecting 102 sent.
  • the deflected by the deflection element 102 light beam 106 then strikes an eye lens 108 of a user, from where the light beam 106 on the retina 110 of a Eyeball 107 is focused.
  • the scanner optics 152 is in an am
  • FIG. 2 shows a scan path 122 of a light beam scanned over a deflection element 102, which results when a projection device according to FIG
  • FIG. 2 shows what illumination the deflection element 102 experiences when a light beam is scanned over the surface of the deflection element 102, and during scanning the beam diameter is changed as a function of the point of impingement of the light beam on the deflection element 102.
  • the scan path 122 starts in the upper left corner of FIG. 2 and ends in the lower left corner.
  • the light source 104 is turned off. Only in the second line of the scan path 122 is the
  • the light source is switched off again and only turned on again in the fourth row at the small spots 126.
  • the light source is turned on at the center of the large spots 124 and at the center of the small spots 126, respectively.
  • the thus described scan path 122 is formed in the region in which the image is formed by the small spots 126
  • the illumination illustrated in FIG. 2 is preferably selected when the viewing direction of a user extends from the pupil to a point in the middle of the image area with high resolution.
  • a gaze tracking system detects that the user is looking at another point on the diverter 102, the illumination of the diverter 102 is adjusted to provide a high resolution around the area the user is looking at. This is illustrated in FIG. 3, where a user looks further to the left in comparison with FIG. 2, so that the high-resolution region is further to the left than in FIG. 2.
  • FIG. 4 shows an illumination of a deflecting element 102 with two
  • Image areas of high resolution This can be used for generating depth impressions or for marking objects or image contents as well as for directing the viewing direction.
  • two symmetrical beams with different beam diameters are shown here. However, more than two different beam diameters can be used.
  • the scan path 122 can also be chosen differently.
  • the change of the beam parameter is effected by an adaptive optical element.
  • FIG. 5 shows a scanner optics 152, which is held in a housing 105.
  • the scanner optics 152 forms together with the not shown
  • the light source 104 emits a light beam 106 which passes through the
  • Collimating element 114 is collimated.
  • the collimated light beam 106 then strikes an adaptive optical element 140.
  • the light beam 106 is not shown after the Kollimationselement 114 in Figures 5 to 11.
  • the adaptive optical element 140 is designed and set up, both as a function of a line of sight of a user and as a function of a point of incidence of the at least one light beam 106 on the deflecting element to change a beam parameter of the light beam 106.
  • the correction optics 116 depicted in FIG. 5 are designed for only one wavelength, namely those used by the light source 104.
  • the correction optics 116 shown in the figure description can be used for
  • Example cylindrical lens pairs be spherical or aspherical lenses.
  • the optical properties of these correction optics 116 are not changeable. According to further embodiments, the optical properties of the correction optics 116 are variable.
  • FIG. 6 differs from FIG. 5 in that a telescope 154 for beam widening or beam reduction is arranged between the adaptive optical element 140 and the reflection element 112. Since the telescope 154 varies beam parameters, the telescope 154 is also an adaptive optical element 140.
  • the telescope 154 may be in addition to beam expansion or
  • Beam Reduction also achieve astigmatic changes in beam parameters.
  • the arrangement of the adaptive optical element 140 and the telescope 154 may be reversed.
  • between the two adaptive optical element 140 and the telescope 154 may be reversed.
  • FIG. 7 shows a scanner optics 152 for a polychromatic system with three different light sources 104.
  • the three different light beams 106 each pass through a collimation element 114 and a correction lens 116, and are then combined by means of two dichroic mirrors 150 into a merged beam 106, which first points to a Telescope 154 for beam expansion or beam reduction and then an adaptive optical element 140 hits.
  • the arrangement of the adaptive optical element 140 and the telescope 154 may be reversed.
  • an adaptive optical element 140 or a telescope 154 for beam widening or beam reduction is arranged between the dichroic mirrors 150 and the reflection element 112.
  • FIG. 8 shows a similar scanner optics as in FIG. 7, but differs in the beam merging of the polychromatic system.
  • the three light beams 106 with different wavelengths are coupled in accordance with Figure 8 by means of two diffractive coupling elements 158 in a light guide 156.
  • the merged light beam 106 after exiting the light guide 156, first strikes an adaptive optical element 140 and then a telescope 154 for beam broadening or beam reduction.
  • the arrangement of the adaptive optical element 140 and the telescope 154 may be reversed.
  • Reflection element 112 two adaptive optical elements 140 arranged. According to a further embodiment, only an adaptive optical element 140 or a telescope 154 for beam widening or beam reduction is arranged between the end of the light guide 156 and the reflection element 112.
  • FIG. 9 shows a scanner optical system 152 for a monochromatic system with a light source 104. After the collimation element 114, the light beam 106 first strikes a correction optical system 116 and then a telescope 154
  • Embodiment may be the arrangement of the correction optics 116 and the telescope
  • FIG. 10 shows a scanner optics 152 for a polychromatic system, in which the beam merging is identical to that in FIG.
  • the light guide 156 guides the merged beam to a deflection prism 160, in which the light beam 106 is deflected twice, so that it then has a reverse propagation direction. Thereafter, the deflected light beam 106 hits first on a telescope 154 for beam expansion or beam reduction and then on a reflection element 112, from where it exits through an exit window 148 from the housing 105.
  • the telescope 154 is replaced by one or two adaptive optical elements 140.
  • a telescope 154 for beam widening or beam reduction and an adaptive optical element 140 is arranged between the deflection prism 160 and the reflection element 112.
  • the arrangement of the adaptive optical element 140 and the telescope 154 may be reversed.
  • FIG. 11 shows a scanner optics 152 for a polychromatic system, in which the beam merging is identical to that in FIG.
  • Scanner optics 152 taken in another housing 105.
  • merged light beam 106 strikes after the two dichroic mirrors 150 initially on another collimating element 114 and is then coupled into a light guide 156. After the light guide 156, the light beam 106 is deflected twice in a deflection prism 160. After that, the diverted meets
  • FIG. 11 shows an identical structure to the deflecting prism 160 as in FIG. 10, the embodiments disclosed in connection with FIG. 10 can also be applied to FIG.
  • FIG. 12 shows a schematic illustration of a data goggle 400 with a projection device 100 according to one exemplary embodiment.
  • Projection device 100 in this case has a scanner optics 152 and the deflecting element 102.
  • the scanner optics 152 is arranged in the housing 105 and transmits a light beam 106, not shown, through the appearance window 148 onto the deflection element 102.
  • the data spectacle 400 has a spectacle lens 402 on which the deflection element 102 is arranged.
  • the deflecting element 102 is realized as part of the spectacle lens 402.
  • the deflecting element 102 is realized as a separate element and connected to the spectacle lens 402 by means of a suitable joining method.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Projektionsvorrichtung (100) für eine Datenbrille. Die Projektionsvorrichtung (100) weist folgende Merkmale auf: mindestens eine Lichtquelle (104) zum Aussenden mindestens eines Lichtstrahls (106), mindestens ein an einem Brillenglas der Datenbrilleangeordnetes oder anordenbares Umlenkelement zum Projizieren eines Bilds auf eine Netzhaut eines Nutzers der Datenbrille durch Umlenken und/oder Fokussieren des mindestens einen Lichtstrahls (106) auf eine Augenlinsedes Nutzers, und mindestens ein Reflexionselement (112) zum Reflektieren des Lichtstrahls (106) auf das Umlenkelement (102). Die Projektionsvorrichtung (100) weist ferner mindestens ein adaptives optisches Element (140) zur anpassenden Veränderung mindestens eines Strahlparameters auf, wobei das mindestens eine adaptive optische Element (140) im Strahlengang zwischen der mindestens einen Lichtquelle (104) und dem mindestens einen Umlenkelementangeordnet ist. Ferner betrifft die Erfindung eine Datenbrille sowie ein Verfahren.

Description

Beschreibung
Titel
Projektionsvorrichtung für eine Datenbrille, Datenbrille sowie Verfahren zum Betreiben einer Projektionsvorrichtung Die vorliegende Erfindung betrifft eine Projektionsvorrichtung für eine Datenbrille, eine Datenbrille, ein Verfahren zum Betreiben einer Projektionsvorrichtung, ein Computerprogramm, ein maschinenlesbares Speichermedium sowie ein elektronisches Steuergerät. Stand der Technik
Die Entwicklung von Helmet-Mounted- bzw. Head-Mounted- (HMD) oder Head- Worn-Displays (HWD) ist seit den Sechzigerjahren des 20. Jahrhunderts ein aktives Forschungsgebiet. Eine Ausprägung sind Virtual Reality (VR) Systeme. Vor allem ist es aber die Entwicklung von Augmented Reality (AR) oder Mixed-
Reality-Geräten, die interessante Möglichkeiten zur situationsbedingten und individualisierten Informationsbereitstellung in Beruf und Alltag in Aussicht stellt.
Aufgrund hoher Kosten und sperriger Optiken sind HMDs bis heute vorrangig im militärischen Bereich im Einsatz. Allerdings können auch zivile Berufsgruppen und Konsumenten in Alltag und Freizeit von einem handlichen und
kostengünstigen HM D-Gerät profitieren. Bislang konnte aber noch kein
Verbraucherprodukt in Großserie erfolgreich am Markt platziert werden. Eine große Herausforderung sind hierbei z.B. sich wechselseitig beeinflussende Anforderungen an die optischen und mechanischen Spezifikationen. Es gibt derzeit zwei unterschiedliche Arten von HMDs auf dem Markt. Einerseits sind dies leichte, handliche HMDs, deren bildgebendes und sensorisches System möglichst klein gehalten wird, weshalb sie auch nur einen begrenzten
Funktionsumfang aufweisen. Andererseits gibt es HMDs mit relativ voluminösen Optiken gegebenenfalls in Kombination mit mehreren Sensoren und Kameras, die anspruchsvollere Bilddarstellungen und Interaktionen zwischen der Umgebungswahrnehmung und der überlagerten Bildinformation ermöglichen, jedoch deutlich größer, schwerer und weniger ergonomisch in der Handhabung sind.
Ein Ansatz, um anspruchsvolle Bildgebung mit einer möglichst platzsparenden Bauform zu realisieren, besteht in einem laserbasierten Retinascanner (engl.: retina Scanner device = RSD). Im Gegensatz zu den meisten anderen Konzepten wird hierbei nicht eine abbildende Optik verwendet, die ein Bild einer
Displayfläche über ein abbildendes System in das Blickfeld des Nutzers einblendet. Stattdessen wird hier mittels mindestens einer, bei
polychromatischen Systemen auch mittels mehrerer Laserquellen, ein Strahl erzeugt, der über einen MEMS(Micro-Electro-Mechanical-System)-Spiegel gelenkt und mittels Auslenkung des Spiegels über die Netzhaut gescannt werden kann. Durch die Latenzzeit im menschlichen visuellen System kann somit durch gezielte Ansteuerung von Spiegel und Laserquelle der Eindruck eines flächigen Bildes oder von überlagerten Bildinhalten erzeugt werden. Der Vorteil dieses Systemkonzepts besteht in der geringen Anzahl an optischen Komponenten, die zudem nur geringen Bauraum beanspruchen.
Eine Möglichkeit zur Realisierung eines vollfarbigen RSDs besteht darin, Licht mehrerer Farben, z.B. rot, grün und blau, zu einem Strahl zu überlagern, der dann auf den MEMS-Spiegel fällt. Dabei ist das Schalten der einzelnen
Lichtquellen mit der Bewegung des Spiegels synchronisiert.
Eine Möglichkeit, das Auge bei jeder Blickrichtung zu bedienen, besteht darin, mehrere Eyeboxen zu schaffen. Das kann z.B. durch die Verwendung
wellenlängenspezifischer, auf dem Brillenglas aufgebrachter Umlenkelemente erreicht werden. Dazu müssen pro wahrzunehmender Farbe, z.B. rot, grün und blau, so viele unterschiedliche Wellenlängen eingesetzt werden, wie Eyeboxen geschaffen werden sollen. Dabei sollten die Wellenlängen für eine Farbe so ähnlich sein, dass sie visuell nicht zu unterscheiden sind.
Das menschliche Auge hat nur im Zentrum des schärfsten Sehens seine höchste Auflösung. Nur ein sehr kleiner Winkelbereich, der auf die Fovea abgebildet wird, wird wirklich scharf gesehen. In den weiter außen im Gesichtsfeld liegenden Bereichen ist das Auflösungsvermögen deutlich geringer. Die Tiefenwahrnehmung des Menschen basiert auf verschiedenen
Tiefenhinweisen. Bei einem konventionellen stereoskopischen 3 D-System wird vor allem die Stereoskopie bzw. die binokulare Disparität, der Versatz des Bildinhaltes auf linker und rechter Netzhaut, manipuliert, um einen bestimmten Tiefeneindruck zu schaffen. Im Allgemeinen werden aber nicht alle
Tiefenhinweise entsprechend kontrolliert, so dass es zu sich widersprechenden, verwirrenden Tiefeninformationen kommen kann. Ein prominentes Beispiel ist der Vergenz-Akkommodations-Konflikt. Die Sehachsen des Betrachters konvergieren in der gewollten Tiefe, akkommodiert wird aber stets auf die - gegebenenfalls virtuelle - Leinwand. Es resultiert eine unnatürliche Sehsituation, die, wenn sie zu extrem wird, unangenehm sein und zu einer nicht eindeutigen Wahrnehmung der dargestellten Bildinformation führen kann.
Die DE 10 2015 213 376 AI offenbart eine Projektionsvorrichtung für eine Datenbrille, eine Datenbrille und ein Verfahren zum Betreiben einer
Projektionsvorrichtung für eine Datenbrille. Die Projektionsvorrichtung umfasst zumindest eine Lichtquelle zum Aussenden eines Lichtstrahls und zumindest ein an einem Brillenglas der Datenbrille angeordnetes oder anordenbares
holografisches Element zum Projizieren eines Bilds auf eine Netzhaut eines Nutzers der Datenbrille durch Umlenken und/oder Fokussieren des Lichtstrahls auf eine Augenlinse des Nutzers.
Offenbarung der Erfindung
Die Projektionsvorrichtung für eine Datenbrille weist mindestens eine Lichtquelle zum Aussenden mindestens eines Lichtstrahls auf.
Unter einer Datenbrille kann ein HMD verstanden werden. Unter dem Begriff Datenbrille soll ebenfalls eine Videobrille, ein Helmdisplay oder ein VR-Helm verstanden werden.
Unter einer Lichtquelle kann ein lichtemittierendes Element wie etwa eine Leuchtdiode, insbesondere eine organische Leuchtdiode, eine Laserdiode oder eine Anordnung aus mehreren solcher lichtemittierenden Elemente verstanden werden. Insbesondere kann die Lichtquelle ausgebildet sein, um Licht unterschiedlicher Wellenlängen auszustrahlen. Der Lichtstrahl kann zum
Erzeugen einer Mehrzahl von Bildpunkten auf der Netzhaut dienen, wobei der Lichtstrahl die Netzhaut beispielsweise in Zeilen und Spalten oder in Form von Lissajous-Mustern überstreicht und entsprechend gepulst sein kann. Unter einem Brillenglas kann ein aus einem transparenten Material wie etwa Glas oder Kunststoff gefertigtes Scheibenelement verstanden werden. Je nach
Ausführungsform kann das Brillenglas etwa als Korrekturglas ausgeformt sein oder eine Tönung zum Filtern von Licht bestimmter Wellenlängen wie
beispielsweise UV-Licht aufweisen.
Unter einem Lichtstrahl kann in der paraxialen Näherung ein Gauß-Strahl verstanden werden.
Die Projektionsvorrichtung weist ferner mindestens ein an einem Brillenglas der Datenbrille angeordnetes oder anordenbares Umlenkelement zum Projizieren eines Bilds auf eine Netzhaut eines Nutzers der Datenbrille durch Umlenken und/oder Fokussieren des mindestens einen Lichtstrahls auf eine Augenlinse des Nutzers auf. Das Umlenkelement kann z.B. ein holografisches Element oder ein Freiformspiegel sein.
Unter einem holografischen Element kann beispielsweise ein holografisch- optisches Bauelement, kurz HOE, verstanden werden, das z.B. die Funktion einer Linse, eines Spiegels oder eines Prismas erfüllen kann. Je nach
Ausführungsform kann das holografische Element für bestimmte Farben und Einfallswinkel selektiv sein. Insbesondere kann das holografische Element optische Funktionen erfüllen, die mit einfachen Punktlichtquellen in das holografische Element einbelichtet werden können. Dadurch kann das holografische Element sehr kostengünstig hergestellt werden.
Das holografische Element kann transparent sein. Dadurch können
Bildinformationen mit der Umwelt überlagert werden.
Durch ein an einem Brillenglas einer Datenbrille angeordnetes holografisches Element kann ein Lichtstrahl derart auf eine Netzhaut eines Trägers der
Datenbrille gelenkt werden, dass der Träger ein scharfes virtuelles Bild wahrnimmt. Beispielsweise kann das Bild durch Scannen eines Laserstrahls über einen Mikrospiegel und das holografische Element direkt auf die Netzhaut geschrieben werden.
Eine derartige Projektionsvorrichtung kann auf geringem Bauraum
vergleichsweise kostengünstig realisiert werden und ermöglicht es, einen Bildinhalt in eine ausreichende Distanz zum Träger zu bringen. Dadurch wird die kontaktanaloge Überlagerung des Bildinhalts mit der Umgebung ermöglicht. Dadurch, dass das Bild mittels des holografischen Elements direkt auf die Netzhaut geschrieben werden kann, kann auf ein flächiges Anzeigeelement wie z.B. ein LCD- oder DMD-basiertes System, verzichtet werden. Ferner kann dadurch eine besonders große Tiefenschärfe erreicht werden.
In der Regel ist das Umlenkverhalten auf der Oberfläche des holografischen Elements an jedem Punkt unterschiedlich. Wie bereits oben erwähnt gilt in der Regel nicht, dass der Einfallswinkel gleich dem Ausfallswinkel ist. Der Teilbereich der Oberfläche des holografischen Elements, welcher dazu dient, den Lichtstrahl zum Auge eines Benutzers um zu lenken, wird als funktionale Region
bezeichnet. Für einen Freiformspiegel gilt prinzipiell dasselbe wie für ein holografisches Element.
Ferner weist die Projektionsvorrichtung mindestens ein Reflexionselement zum Reflektieren des Lichtstrahls auf das Umlenkelement auf. Unter einem
Reflexionselement kann beispielsweise ein Spiegel, insbesondere ein
Mikrospiegel oder ein Array aus Mikrospiegeln, oder ein Hologramm verstanden werden. Mittels des Reflexionselements kann ein Strahlengang des Lichtstrahls an gegebene Raumverhältnisse angepasst werden. Beispielsweise kann das Reflexionselement als Mikrospiegel realisiert sein. Der Mikrospiegel kann beweglich ausgeformt sein, etwa eine um zumindest eine Achse neigbare Spiegelfläche aufweisen. Ein solches Reflexionselement bietet den Vorteil einer besonders kompakten Bauform. Es ist ferner vorteilhaft, wenn das
Reflexionselement ausgebildet ist, um einen Einfallswinkel und, zusätzlich oder alternativ, einen Auftreffpunkt des Lichtstrahls auf dem holografischen Element zu ändern. Dadurch kann das Umlenkelement flächig, insbesondere etwa in Zeilen und Spalten, mit dem Lichtstrahl überstrichen werden. Ferner kann das Reflexionselement ein Spiegel mit verformbarer Oberfläche sein. Dies hat den Vorteil, dass das Reflexionselement nicht nur den Lichtstrahl umlenken kann, sondern auch Strahlparameter verändern kann. Hierdurch kann die Anzahl der adaptiven optischen Elemente reduziert werden.
Ferner weist die Projektionsvorrichtung mindestens ein adaptives optisches Element zur anpassenden Veränderung mindestens eines Strahlparameters auf, wobei das mindestens eine adaptive optische Element im Strahlengang zwischen der mindestens einen Lichtquelle und dem mindestens einen Umlenkelement angeordnet ist.
Unter einem adaptiven optischen Element kann jedes optische Element verstanden werden, welches geeignet ist, einen Strahlparameter zu verändern. Da ein optisches Element im Allgemeinen einen Strahlparameter am Ort des optischen Elements nur wenig ändern kann, ist unter dem Begriff
Strahlenparameter insbesondere ein Strahlparameter an einem Ort zu verstehen, welcher nach dem optischen Element liegt. Strahlenparameter können unter anderem die folgenden sein: Divergenzwinkel oder Strahldivergenz, Strahltaille oder Strahldurchmesser und Abstand des Lichtstrahls zur optischen Achse. Hierbei ist auch zu beachten, dass ein Lichtstrahl im Allgemeinen nicht rotationssymmetrisch ist. Dies bedeutet, dass das Verhalten eines Lichtstrahls in zum Beispiel zwei zueinander orthogonalen Richtungen unterschiedlich sein kann. Im Allgemeinen wird somit ein Lichtstrahl an einem Ort durch zwei
Strahltaillen und zwei Divergenzwinkel beschrieben.
Das adaptive optische Element kann schaltbar ausgeführt sein. Es kann zum Beispiel eine Steuereinheit vorgesehen sein, welche das adaptive optische Element steuert oder regelt. Hierbei kann das optische System aktiv an unterschiedliche Systemkonfigurationen oder auch an unterschiedliche Nutzer angepasst werden.
Das adaptive optische Element kann z.B. eine Linse mit veränderlichen
Brechungseigenschaften, insbesondere eine Linse mit veränderlicher
Brennweite, eine Flüssiglinse mit veränderlicher Brennweite, ein Teleskop mit veränderlicher Brennweite, ein Teleskop mit veränderlichen Linsenabständen, ein Spiegel mit veränderlichen Reflexionseigenschaften, ein Spiegel mit verformbarer Oberfläche, ein Flüssigkristall-Spiegel, eine Flüssigkristallanzeige (SLM(engl. Spatial light modulator) / LCoS(engl. liquid crystal on Silicon)) oder ein auf Flüssigkristalltechnologie basierender SLM in Reflektion aufweisen oder sein. Das Teleskop kann zum Beispiel eine Galileische oder Keplersche Anordnung aufweisen.
Ein Teleskop mit veränderlicher Brennweite kann zum Beispiel durch ein gewöhnliches Teleskop realisiert werden, bei dem der Abstand der Linsen zueinander variiert werden kann. Alternativ oder zusätzlich kann eine Brennweite einer oder mehrerer Linsen verändert werden. Zusätzlich kann die Form der Linse in asymmetrischer Weise veränderlich sein, z.B. um Astigmatismen auszugleichen oder herbeizuführen.
Der Spiegel mit verformbarer Oberfläche ändert z.B. durch Anlegen einer elektrischen Spannung seine Oberflächenform. Dadurch ändern sich die optischen Eigenschaften des Spiegels, insbesondere die Brennweite. Es ist jedoch auch eine Strahlformung möglich, d.h. eine Veränderung des Strahlprofils. So ein Spiegel könnte im optischen Pfad vor dem scannenden Mikrospiegel angebracht werden. Der scannende Mikrospiegel kann auch so weiterentwickelt werden, dass er sich zusätzlich gleichzeitig während der Scanbewegung kontrolliert deformiert.
Bei dem adaptiven optischen Element sind auch nicht rotationssymmetrische Änderungen möglich, so dass z.B. auch Strahlformen und Astigmatismen beeinflusst werden können. Dies kann z.B. durch eine Flüssiglinse mit segmentierten Elektroden für astigmatische Linsenprofile realisiert sein.
Es ist bevorzugt, dass für eine Projektionsvorrichtung nur ein Reflexionselement verwendet wird. Dies hat den Vorteil, dass ein einfacher Aufbau verwendet werden kann und die Datenbrille eine leichte Bauweise aufweist.
Gemäß einer Ausführungsform ist das mindestens eine Reflexionselement ausgebildet und eingerichtet, den mindestens einen Lichtstrahl so zu reflektieren, dass der mindestens eine Lichtstrahl auf einen beliebigen Punkt eines
Teilbereichs des Umlenkelements auftrifft. Ferner ist das mindestens eine Reflexionselement ausgebildet und eingerichtet, den mindestens einen Lichtstrahl so zu reflektieren, dass der mindestens eine Lichtstrahl über einen Teilbereich des Umlenkelements gescannt wird. Dadurch wird vorteilhafterweise erreicht, dass der Lichtstrahl jeden Punkt der funktionalen Region erreichen kann. Bevorzugt ist das mindestens eine Reflexionselement ausgebildet und eingerichtet, den mindestens einen Lichtstrahl über den oben genannten
Teilbereich zu scannen.
Gemäß einer Ausführungsform ist das mindestens eine adaptive optische Element ausgebildet und eingerichtet, sowohl in Abhängigkeit einer Blickrichtung eines Nutzers als auch in Abhängigkeit eines Auftreff punktes des mindestens einen Lichtstrahls auf dem Umlenkelement mindestens einen Strahlparameter des mindestens einen Lichtstrahls zu ändern. Die mit diesem Merkmal verbundenen Vorteile sind sehr vielfältig. Vorteilhafterweise kann gemäß dieser Ausführungsform in den unscharfen
Sehbereichen des Menschen bzw. Nutzers das Bild mit einer niedrigen
Auflösung übertragen werden. Dies spart zum einen vorteilhafterweise
Ressourcen bei der Bildübertragung und zum anderen erscheint das Bild einem Nutzer nicht schlechter als bei Übertragung mit hoher Auflösung, da der Nutzer in diesen Sehbereichen ohnehin nicht scharf sehen kann. Die Übertragung mit einer niedrigen Auflösung kann zu Beispiel dadurch geschehen, dass der Lichtstrahl in den unscharfen Sehbereichen mit weniger Bildpunkten, welche jeweils eine größere Spotsize haben, gesendet wird. Da der Raumwinkelbereich des schärfsten Sehens des Menschen von der Blickrichtung abhängt, kann gemäß dieser Ausführungsform dort, wo der Mensch am schärfsten sieht, ein
Bild hochaufgelöst, d.h. mit mehr Bildpunkten und dem kleinstmöglichen
Strahldurchmesser oder Strahltaille und dort, wo der Mensch weniger scharf sieht, das Bild weniger hochaufgelöst, d.h. mit weniger Bildpunkten und einem größeren Strahldurchmesser oder Strahltaille, übertragen oder gescannt werden.
Dieses Merkmal erlaubt ferner, weitere Funktionalitäten zu erschließen. Über die Einstellung von Strahlparametern kann man den Tiefenhinweis des
Akkommodationszustandes manipulieren. Somit kann eine überzeugendere Tiefendarstellung realisiert werden, was einer echten, das heißt auch in der Tiefe angepassten, kontaktanalogen Darstellung und einer angenehmeren Sehsituation durch Reduktion des Vergenz-Akkommodations-Konfliktes zugutekommt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das adaptive optische Element ausgebildet und eingerichtet sein, dass mindestens ein Strahlparameter des mindestens einen Lichtstrahls in Abhängigkeit des jeweiligen Nutzers und seiner momentanen Sehsituation individuell geändert wird. Für einen Nutzer mit sehr hochauflösendem visuellem System, d.h. mit hoher Sehkraft, kann man eine andere Darstellung realisieren als für jemanden mit reduzierter Sehkraft oder mit teilweisen Gesichtsfeldausfällen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das adaptive optische Element ausgebildet und eingerichtet sein, dass in Abhängigkeit der
Helligkeitsverhältnisse in der Umgebung des Nutzers, d.h. in Abhängigkeit von der Helligkeit, die der Nutzer durch die Datenbrille hindurch sieht, mindestens ein
Strahlparameter des mindestens einen Lichtstrahls geändert wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind das adaptive optische Element und die mindestens eine Lichtquelle so ausgebildet und eingerichtet, dass eine Bestrahlungsstärke an jeder Stelle der Netzhaut für einen Nutzer gleich stark oder hell erscheint. Hierbei ist es egal, ob der Lichtstrahl einen kleinen oder einen großen Strahldurchmesser aufweist. Ferner muss berücksichtigt werden, dass eine identische Bestrahlungsstärke vom individuellen menschlichen Auge an unterschiedlichen Stellen der Netzhaut unterschiedlich hell wahrgenommen werden könnte.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Projektionsvorrichtung mindestens ein Kollimationselement zum Kollimieren des mindestens einen Lichtstrahls, welcher von der mindestens einen Lichtquelle ausgesandt wird, auf. Das Kollimationselement ist bevorzugt direkt nach der Lichtquelle angeordnet.
Falls mehrere Lichtquellen verwendet werden, ist die Anzahl der
Kollimationselemente bevorzugt identisch mit der Anzahl der Lichtquellen. In diesem Fall ist es ferner bevorzugt, dass direkt nach jeder Lichtquelle jeweils ein Kollimationselement angeordnet ist. Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Projektionsvorrichtung mindestens eine Korrekturoptik auf, welche zur Verbesserung der Symmetrie und/oder zur Reduktion der Spotgröße des Lichtstrahls ein nicht
rotationssymmetrisches optisches Element aufweist. Die mindestens eine Korrekturoptik ist bevorzugt nach dem mindestens einen Kollimationselement angeordnet. Für den Fall, dass mehrere Lichtquellen mit unterschiedlichen Wellenlängen verwendet werden, welche zu einem Lichtstrahl zusammengeführt werden, ist die mindestens eine Korrekturoptik bevorzugt vor der
Strahlzusammenführung angeordnet. Dies hat den Vorteil, dass die
Korrekturoptik nur für eine Wellenlänge ausgelegt und optimiert sein muss.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die mindestens eine Korrekturoptik nach der Strahlzusammenführung angeordnet. Durch diese Anordnung braucht man lediglich eine Korrekturoptik, welche für alle verwendeten Wellenlängen ausgelegt und optimiert ist.
Wird bei der als Teleskop wirkenden Linsenanordnung der Abstand der Linsen zueinander verändert, so ändert sich die Strahlform. Soll es möglich sein, nur den Durchmesser des Strahlenbündels zu ändern, aber für jeden eingestellten Abstand ein kollimiertes Strahlenbündel eines Durchmessers in ein wiederum kollimiertes Strahlenbündel eines anderen Durchmessers überführen zu können, so können eine oder mehrere der Linsen veränderliche Brechungseigenschaften besitzen. Das Verändern des Abstandes zwischen den Linsen ebenso wie die Veränderung der Brechungseigenschaften der Linse erfolgt dabei synchronisiert mit der Spiegelbewegung und in Abhängigkeit der Pupillenposition und gegebenenfalls des Nutzers und seiner Situation.
Als adaptives optisches Element kann zum Beispiel auch ein refraktives
Teleskop, vorzugsweise mit adaptiven Linsenabständen zur Variierung der Strahldurchmesser, sowie alternativ adaptive Linsen, z.B. Flüssiglinsen, oder Kombinationen beider Ansätze in den Strahlengang eingefügt werden. Dabei wird vorzugsweise, vor allem im Fall eines polychromatischen Systems, eine Homogenisierung der einzelnen Strahlprofile durch wellenlängenspezifische Korrekturoptiken vor der Zusammenführung der Strahlengänge gefolgt von einer adaptiven wellenlängenübergreifenden Korrekturoptik nach Zusammenführung der einzelnen Strahlengänge verwendet, um Bauraum und Kosten zu sparen. Bevorzugt wird für einen monochromatischen oder quasi-monochromatischen Lichtstrahl eine wellenlängenspezifische Optik verwendet. Dies ist zum Beispiel bei polychromatischen Systemen vor einer Strahlzusammenführung bei den einzelnen Lichtquellen der Fall. Bevorzugt wird für einen polychromatischen Lichtstrahl eine an die verwendeten Wellenlängen angepasste Optik verwendet.
Diese Optik kann auch wellenlängenübergreifend genannt werden. Dies ist bei polychromatischen Systeme nach einer Strahlzusammenführung der Fall.
Als Korrekturoptik oder als adaptives optisches Element kann auch eine
Flüssiglinse mit segmentierten Elektroden benutzt werden. Dies hat den Vorteil, dass Astigmatismen erzeugt bzw. ausgeglichen werden können. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass die Brennweite der Flüssiglinse veränderbar ist, d.h. dass eine Änderung des Strahlparameters gesteuert oder geregelt werden kann. Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Projektionsvorrichtung drei monochromatische Lichtquellen zum Aussenden jeweils eines Lichtstrahls auf, wobei die drei Lichtquellen jeweils unterschiedliche Wellenlängen aufweisen. Bevorzugt bilden die drei unterschiedlichen Wellenlängen der drei Lichtquellen einen RGB-Farbraum. Ein RGB-Farbraum ist ein additiver Farbraum, der Farbwahrnehmungen durch das additive Mischen dreier Grundfarben, z.B. Rot,
Grün und Blau, nachbildet. Die drei unterschiedlichen Wellenlängen sind geeignet, bei einem Nutzer einen Eindruck einer additiven Farbmischung zu erzeugen. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass mit diesen drei
Lichtquellen ein kompletter Farbraum aufgespannt wird.
Die drei Lichtstrahlen werden bevorzugt zu einem einzigen Lichtstrahl zusammengeführt. Zur Zusammenführung der Lichtstrahlen der drei Lichtquellen wird bevorzugt ein Lichtleiter mit diffraktiven Einkoppelelementen oder dichroitische Spiegel benutzt.
Bevorzugt weist jeder Strahlengang der drei Lichtstrahlen mindestens ein adaptives optisches Element auf. Hierbei ist unter einem Strahlengang der Weg von der Lichtquelle bis zu dem Ort, wo der Lichtstrahl absorbiert wird, zu verstehen. Somit kann das mindestens eine adaptive optische Element, wenn es nach einer Strahlzusammenführung der drei Lichtstrahlen angeordnet ist, auch nur ein einziges sein. Hierdurch wird vorteilhafterweise erreicht, dass für jeden Lichtstrahl ein Strahlparameter verändert werden kann. Besonders bevorzugt weist jeder Strahlengang der drei Lichtstrahlen genau ein adaptives optisches Element auf.
Vor einer Zusammenführung der Lichtstrahlen der drei Lichtquellen werden bevorzugt für jeden Lichtstrahl wellenlängenspezifische Optiken verwendet. Nach einer Zusammenführung der Lichtstrahlen der drei Lichtquellen werden bevorzugt für den zusammengeführten Lichtstrahl wellenlängenübergreifende Optiken verwendet.
Das mindestens eine adaptive optische Element ist bevorzugt nach einer Zusammenführung der Lichtstrahlen der drei Lichtquellen angeordnet. Dies hat den Vorteil, dass ein einfacher Aufbau realisiert werden kann.
Die Erfindung umfasst weiterhin eine Datenbrille. Diese weist ein Brillenglas und eine oben beschriebene Projektionsvorrichtung auf, wobei das Umlenkelement am Brillenglas angeordnet ist.
Die Erfindung umfasst weiterhin ein Verfahren zum Betreiben einer
Projektionsvorrichtung. Gemäß dem Verfahren wird mindestens ein
Strahlparameter des mindestens einen Lichtstrahls sowohl in Abhängigkeit einer Blickrichtung eines Nutzers als auch in Abhängigkeit eines Auftreff punktes des mindestens einen Lichtstrahls auf dem Umlenkelement geändert. Die Änderung erfolgt bevorzugt durch das mindestens eine adaptive optische Element. Die hiermit verbundenen Vorteile wurden bereits oben dargelegt.
Bevorzugt wird der mindestens eine Strahlparameter des mindestens einen Lichtstrahls in Abhängigkeit von einem Bildinhalt geändert.
Die Erfindung umfasst weiterhin ein Computerprogramm, das zur Durchführung der beschriebenen Schritte des Verfahrens eingerichtet ist, um mit diesem Computerprogramm das oben beschriebene Verfahren durchführen zu können. Weiterhin umfasst die Erfindung ein maschinenlesbares Speichermedium, auf welchem ein solches Computerprogramm gespeichert ist, sowie ein
elektronisches Steuergerät, das zur Durchführung der Schritte des
beschriebenen Verfahrens eingerichtet ist. Ein solches elektronisches Steuergerät kann beispielsweise als Mikrocontroller in eine
Projektionsvorrichtung oder Datenbrille integriert sein.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Projektionsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform;
Figuren 2 bis 4 zeigen schematische Darstellungen eines Verfahrens zum Betreiben einer Projektionsvorrichtung gemäß jeweils einer Ausführungsform;
Figuren 5 bis 11 zeigen jeweils schematische Darstellung einer Scanneroptik einer Projektionsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform; und
Figur 12 zeigt eine schematische isometrische Darstellung einer Datenbrille gemäß einer Ausführungsform.
Ausführungsbeispiele der Erfindung
Figur 1 zeigt die prinzipielle Funktionsweise der Projektionsvorrichtung 100. Die Projektionsvorrichtung 100 weist eine Scanneroptik 152 und ein Umlenkelement auf, welches in dieser Ausführungsform als holografisches Element 103 ausgeführt ist. Das holografische Element 103 ist an einem Brillenglas 402 befestigt. Die Scanneroptik 152 ist in einem Gehäuse 105 angeordnet und weist eine Lichtquelle, ein Kollimationselement und ein Reflexionselement auf, welche in Figur 1 nicht dargestellt sind. Unterschiedliche Ausführungsformen der Scanneroptik 152 sind in den Figuren 5 bis 12 dargestellt.
Ein von der Scanneroptik 152 emittierter Lichtstrahl 106 wird durch ein
Austrittsfenster 148 in Richtung des Umlenkelements 102 gesendet. Der vom Umlenkelement 102 umgelenkte Lichtstrahl 106 trifft sodann auf eine Augenlinse 108 eines Nutzers, von wo der Lichtstrahl 106 auf die Netzhaut 110 eines Augapfels 107 fokussiert wird. Die Scanneroptik 152 ist in einem am
Brillengestell 120 und am Brillenbügel 118 befestigten Gehäuse 105 angeordnet.
Figur 2 zeigt einen Scanpfad 122 eines über ein Umlenkelement 102 gescannten Lichtstrahls, welcher sich ergibt, wenn eine Projektionsvorrichtung gemäß einem
Verfahren gemäß einer Ausführungsform betrieben wird. In Figur 2 ist zu sehen, was für eine Ausleuchtung das Umlenkelement 102 erfährt, wenn ein Lichtstrahl über die Oberfläche des Umlenkelements 102 gescannt wird, und während des Scannens der Strahldurchmesser in Abhängigkeit von dem Auftreffpunkt des Lichtstrahls auf dem Umlenkelement 102 geändert wird. Im vorliegenden Fall beginnt der Scanpfad 122 in der linken oberen Ecke der Figur 2 und endet in der linken unteren Ecke. In der obersten Zeile des Scanpfads 122 ist die Lichtquelle 104 ausgeschaltet. Erst in der zweiten Zeile des Scanpfads 122 wird die
Lichtquelle 104 jeweils an den Mittelpunkten der dargestellten Kreise
angeschaltet, so dass sich eine Reihe von großen Spots 124 ergibt. Nach dem
Ende der 2. Reihe wird die Lichtquelle wieder abgeschaltet und erst wieder in der vierten Zeile bei den kleinen Spots 126 angeschaltet. In der fünften Zeile wird die Lichtquelle jeweils in der Mitte der großen Spots 124 und in der Mitte der kleinen Spots 126 angeschaltet. Durch den so beschriebenen Scanpfad 122 entsteht in der Region, in der das Bild durch die kleinen Spots 126 gebildet wird, ein
Bildbereich mit hoher Auflösung und in der Region, in der das Bild durch die großen Spots 124 gebildet wird, ein Bildbereich mit niedriger Auflösung. Die in Figur 2 dargestellte Ausleuchtung wird bevorzugt dann gewählt, wenn die Blickrichtung eines Nutzers von der Pupille zu einem Punkt in der Mitte des Bildbereichs mit hoher Auflösung verläuft. Wenn ein Blickverfolgungssystem erkennt, dass der Nutzer einen anderen Punkt auf dem Umlenkelement 102 ansieht, so wird die Ausleuchtung des Umlenkelements 102 so angepasst, dass um den Bereich, welchen der Nutzer ansieht, eine hohe Auflösung entsteht. Dies ist in Figur 3 dargestellt, wo ein Nutzer im Vergleich zu Figur 2 weiter nach links blickt, sodass der hochaufgelöste Bereich weiter links ist als in der Figur 2.
Die Größe des Bereichs, welcher hochaufgelöst dargestellt wird, hängt von dem Bereich des scharfen Sehens des Menschen, also von der Anatomie des Menschen, ab. Bereiche auf dem Umlenkelement 102, welche ein Mensch nicht scharf sehen kann, werden mit einer niedrigen Auflösung ausgeleuchtet. Figur 4 zeigt eine Ausleuchtung eines Umlenkelements 102 mit zwei
Bildbereichen hoher Auflösung. Dies kann zur Erzeugung von Tiefeneindrücken oder zur Markierung von Objekten oder Bildinhalten sowie zur Lenkung der Blickrichtung genutzt werden. Zur Vereinfachung der Darstellung sind hier zwei symmetrische Strahlen mit verschiedenen Strahldurchmessern dargestellt. Es können jedoch auch mehr als zwei unterschiedliche Strahldurchmesser benutzt werden. Der Scanpfad 122 kann auch anders gewählt werden. Die Änderung des Strahlparameters erfolgt durch ein adaptives optisches Element.
Figur 5 zeigt eine Scanneroptik 152, welche in einem Gehäuse 105 gefasst ist. Die Scanneroptik 152 bildet zusammen mit dem nicht dargestellten
Umlenkelement eine Projektionsvorrichtung 100, wie sie in Figur 1 gezeigt ist. Die Lichtquelle 104 emittiert einen Lichtstrahl 106, welcher durch das
Kollimationselement 114 kollimiert wird. Der kollimierten Lichtstrahl 106 trifft danach auf ein adaptives optisches Element 140. Aus Gründen der
Übersichtlichkeit wird der Lichtstrahl 106 nach dem Kollimationselement 114 in den Figuren 5 bis 11 nicht dargestellt.
Das adaptive optische Element 140 ist ausgebildet und eingerichtet, sowohl in Abhängigkeit einer Blickrichtung eines Nutzers als auch in Abhängigkeit eines Auftreff punktes des mindestens einen Lichtstrahls 106 auf dem Umlenkelement, einen Strahlparameter des Lichtstrahls 106 zu ändern.
Nachdem der Lichtstrahl 106 die Korrekturoptik 116 durchlaufen hat, trifft er auf ein Reflexionselement 112 und wird von diesem durch ein Austrittsfenster 148 in
Richtung eines auf einem Brillenglas angebrachten Umlenkelements reflektiert. Die in Figur 5 abgebildete Korrekturoptik 116 ist lediglich für eine Wellenlänge, nämlich für die von der Lichtquelle 104 benutzte, ausgelegt. Die in der Figurenbeschreibung dargestellten Korrekturoptiken 116 können zum
Beispiel Zylinderlinsenpaare, sphärische oder asphärische Linsen sein. Die optischen Eigenschaften dieser Korrekturoptiken 116 sind nicht veränderbar. Gemäß weiteren Ausführungsformen sind die optischen Eigenschaften der Korrekturoptiken 116 veränderbar. Figur 6 unterscheidet sich von Figur 5 dadurch, dass zwischen dem adaptiven optischen Element 140 und dem Reflexionselement 112 ein Teleskop 154 zur Strahlaufweitung oder Strahlverkleinerung angeordnet ist. Da das Teleskop 154 Strahlparameter verändert, ist das Teleskop 154 auch ein adaptives optisches Element 140. Das Teleskop 154 kann neben einer Strahlaufweitung oder
Strahlverkleinerung auch astigmatische Veränderungen von Strahlparametern erzielen. Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Anordnung des adaptiven optischen Elements 140 und des Teleskops 154 vertauscht sein. Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform sind zwischen dem
Kollimationselennent 114 und dem Reflexionselement 112 zwei adaptive optische
Elemente 140 angeordnet.
Figur 7 zeigt eine Scanneroptik 152 für ein polychromatisches System mit drei unterschiedlichen Lichtquellen 104. Die drei unterschiedlichen Lichtstrahlen 106 durchlaufen jeweils ein Kollimationselennent 114 und eine Korrekturoptik 116, und werden danach mittels zweier dichroitischer Spiegel 150 zu einem zusammengeführten Strahl 106 vereint, welcher zuerst auf ein Teleskop 154 zur Strahlaufweitung oder Strahlverkleinerung und dann auf ein adaptives optisches Element 140 trifft. Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Anordnung des adaptiven optischen Elements 140 und des Teleskops 154 vertauscht sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist zwischen den dichroitischen Spiegeln 150 und dem Reflexionselement 112 lediglich ein adaptives optisches Element 140 oder ein Teleskop 154 zur Strahlaufweitung oder Strahlverkleinerung angeordnet.
Figur 8 zeigt eine ähnliche Scanneroptik wie in Figur 7, unterscheidet sich jedoch durch die Strahlzusammenführung des polychromatischen Systems.
Die drei Lichtstrahlen 106 mit unterschiedlicher Wellenlänge werden gemäß Figur 8 mittels zweier diffraktiver Einkoppelelemente 158 in einen Lichtleiter 156 eingekoppelt. Der so zusammengeführte Lichtstrahl 106 trifft, nachdem er aus dem Lichtleiter 156 heraustritt, zuerst auf ein adaptives optisches Element 140 und dann auf ein Teleskop 154 zur Strahlauf Weitung oder Strahlverkleinerung. Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Anordnung des adaptiven optischen Elements 140 und des Teleskops 154 vertauscht sein. Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform sind zwischen dem Lichtleiter 156 und dem
Reflexionselement 112 zwei adaptive optische Elemente 140 angeordnet. Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist zwischen dem Ende des Lichtleiters 156 und dem Reflexionselement 112 lediglich ein adaptives optisches Element 140 oder ein Teleskop 154 zur Strahlaufweitung oder Strahlverkleinerung angeordnet.
Figur 9 zeigt eine Scanneroptik 152 für ein monochromatisches System mit einer Lichtquelle 104. Nach dem Kollimationselement 114 trifft der Lichtstrahl 106 zuerst auf eine Korrekturoptik 116 und dann auf ein Teleskop 154 zur
Strahlaufweitung oder Strahlverkleinerung. Gemäß einer weiteren
Ausführungsform kann die Anordnung der Korrekturoptik 116 und des Teleskops
154 vertauscht sein.
Figur 10 zeigt eine Scanneroptik 152 für ein polychromatisches System, bei der die Strahlzusammenführung identisch ist wie in Figur 8. Jedoch ist die
Scanneroptik 152 in einem anderen Gehäuse 105 gefasst. Der Lichtleiter 156 führt den zusammengeführten Strahl zu einem Umlenkprisma 160, in dem der Lichtstrahl 106 zweimal umgelenkt wird, sodass er danach eine umgekehrte Ausbreitungsrichtung aufweist. Danach trifft der umgelenkte Lichtstrahl 106 zuerst auf ein Teleskop 154 zur Strahlaufweitung oder Strahlverkleinerung und dann auf ein Reflexionselement 112, von wo er durch ein Austrittsfenster 148 aus dem Gehäuse 105 austritt. Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Teleskop 154 durch ein oder zwei adaptive optische Elemente 140 ersetzt.
Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform ist zwischen dem Umlenkprisma 160 und dem Reflexionselement 112 ein Teleskop 154 zur Strahlaufweitung oder Strahlverkleinerung und ein adaptives optisches Element 140 angeordnet.
Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform kann die Anordnung des adaptiven optischen Elements 140 und des Teleskops 154 vertauscht sein.
Figur 11 zeigt eine Scanneroptik 152 für ein polychromatisches System, bei der die Strahlzusammenführung identisch ist wie in Figur 7. Jedoch ist die
Scanneroptik 152 in einem anderen Gehäuse 105 gefasst. Der
zusammengeführte Lichtstrahl 106 trifft nach den beiden dichroitischen Spiegeln 150 zunächst auf ein weiteres Kollimationselement 114 und wird dann in einen Lichtleiter 156 eingekoppelt. Nach dem Lichtleiter 156 wird der Lichtstrahl 106 in einem Umlenkprisma 160 zweimal umgelenkt. Danach trifft der umgelenkte
Lichtstrahl 106 zuerst auf ein Teleskop 154 zur Strahlaufweitung oder Strahlverkleinerung und dann auf ein Reflexionselement 112, von wo es durch ein Austrittsfenster 154 aus dem Gehäuse 105 austritt. Da Figur 11 nach dem Umlenkprisma 160 einen identischen Aufbau wie in Figur 10 zeigt, können die im Zusammenhang mit Figur 10 offenbarten Ausführungsformen auf die Figur 11 ebenso angewandt werden.
Figur 12 zeigt eine schematische Darstellung einer Datenbrille 400 mit einer Projektionsvorrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die
Projektionsvorrichtung 100 weist hierbei eine Scanneroptik 152 und das Umlenkelement 102 auf. Die Scanneroptik 152 ist im Gehäuse 105 angeordnet und sendet einen nicht dargestellten Lichtstrahl 106 durch das Auftrittsfenster 148 auf das Umlenkelement 102. Die Datenbrille 400 weist ein Brillenglas 402 auf, auf dem das Umlenkelement 102 angeordnet ist. Beispielsweise ist das Umlenkelement 102 als Teil des Brillenglases 402 realisiert. Alternativ ist das Umlenkelement 102 als ein separates Element realisiert und mittels eines geeigneten Fügeverfahrens mit dem Brillenglas 402 verbunden.

Claims

Ansprüche
1. Projektionsvorrichtung (100) für eine Datenbrille (400), wobei die
Projektionsvorrichtung (100) folgende Merkmale aufweist:
mindestens eine Lichtquelle (104) zum Aussenden mindestens eines Lichtstrahls (106);
mindestens ein an einem Brillenglas (402) der Datenbrille (400) angeordnetes oder anordenbares Umlenkelement (102) zum Projizieren eines Bilds auf eine Netzhaut (110) eines Nutzers der Datenbrille (400) durch Umlenken und/oder Fokussieren des mindestens einen
Lichtstrahls (106) auf eine Augenlinse (108) des Nutzers; und mindestens ein Reflexionselement (112) zum Reflektieren des
Lichtstrahls (106) auf das Umlenkelement (102);
gekennzeichnet durch
mindestens ein adaptives optisches Element (140) zur anpassenden Veränderung mindestens eines Strahlparameters, wobei das mindestens eine adaptive optische Element (140) im Strahlengang zwischen der mindestens einen Lichtquelle (104) und dem mindestens einen
Umlenkelement (102) angeordnet ist.
2. Projektionsvorrichtung (100) gemäß Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, dass
das mindestens eine Reflexionselement (112) ausgebildet und eingerichtet ist, den mindestens einen Lichtstrahl (106) so zu
reflektieren, dass der mindestens eine Lichtstrahl (106) auf einen beliebigen Punkt eines Teilbereichs des Umlenkelements (102) auftrifft.
3. Projektionsvorrichtung (100) gemäß Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
das mindestens eine adaptive optische Element (140) ausgebildet und eingerichtet ist,
sowohl in Abhängigkeit einer Blickrichtung eines Nutzers als auch in Abhängigkeit eines Auftreff punktes des mindestens einen Lichtstrahls (106) auf dem Umlenkelement (102) mindestens einen Strahlparameter des mindestens einen Lichtstrahls (106) zu ändern. Projektionsvorrichtung (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet durch mindestens ein Kollimationselement (114) zum Kollimieren des mindestens einen von der mindestens einen Lichtquelle (104) ausgesandten Lichtstrahls (106).
Projektionsvorrichtung (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet durch mindestens eine Korrekturoptik (116), welche zur Verbesserung der Symmetrie und/oder zur Reduktion der Spotgröße des Lichtstrahls ein nicht rotationssymmetrisches optisches Element aufweist.
Projektionsvorrichtung (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das adaptive optische Element (140) eine Linse mit veränderlichen Brechungseigenschaften, eine Flüssiglinse mit veränderlicher Brennweite, ein Teleskop mit veränderlicher Brennweite, ein Teleskop mit veränderlichen
Linsenabständen, ein Spiegel mit veränderlichen
Reflexionseigenschaften, ein Spiegel mit verformbarer Oberfläche oder ein Flüssigkristall-Spiegel, eine Flüssigkristallanzeige oder ein auf Flüssigkristalltechnologie basierender SLM in Reflektion aufweist.
Projektionsvorrichtung (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Projektionsvorrichtung (100) drei Lichtquellen (104) zum Aussenden jeweils eines Lichtstrahls (106) aufweist, wobei die drei Lichtquelle (104) jeweils unterschiedliche Wellenlängen aufweisen und die drei unterschiedlichen Wellenlängen der drei Lichtquellen (104) einen RGB-Farbraum bilden.
Datenbrille (400) mit folgenden Merkmalen:
einem Brillenglas (402); und
einer Projektionsvorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Umlenkelement (102) am Brillenglas (402) angeordnet ist.
Verfahren zum Betreiben einer Projektionsvorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Verfahren folgenden Schritt aufweist: Ändern mindestens eines Strahlparameter des mindestens einen Lichtstrahls (106) sowohl in Abhängigkeit einer Blickrichtung eines Nutzers als auch in Abhängigkeit eines Auftreffpunktes des mindestens einen Lichtstrahls (106) auf dem Umlenkelement (102).
10. Computerprogramm, welches eingerichtet ist, die Schritte eines
Verfahrens nach Anspruch 9 durchzuführen.
11. Maschinenlesbares Speichermedium, auf welchem ein
Computerprogramm nach Anspruch 10 gespeichert ist.
12. Elektronisches Steuergerät, welches eingerichtet ist, die Schritte des Verfahrens nach Anspruch 9 durchzuführen.
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