WO2019185229A1 - Projektionsvorrichtung für eine datenbrille, eine solche datenbrille sowie verfahren zum betrieb einer solchen projektionsvorrichtung - Google Patents

Projektionsvorrichtung für eine datenbrille, eine solche datenbrille sowie verfahren zum betrieb einer solchen projektionsvorrichtung Download PDF

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WO2019185229A1
WO2019185229A1 PCT/EP2019/053355 EP2019053355W WO2019185229A1 WO 2019185229 A1 WO2019185229 A1 WO 2019185229A1 EP 2019053355 W EP2019053355 W EP 2019053355W WO 2019185229 A1 WO2019185229 A1 WO 2019185229A1
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WO
WIPO (PCT)
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rhoe
projection device
wavelength
light beam
srhoe
Prior art date
Application number
PCT/EP2019/053355
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English (en)
French (fr)
Inventor
Reinhold Fiess
Stefanie HARTMANN
Simone Hoeckh
Tobias Graf
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/017—Head mounted
    • G02B27/0172—Head mounted characterised by optical features
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/017—Head mounted
    • G02B27/0172—Head mounted characterised by optical features
    • G02B2027/0174—Head mounted characterised by optical features holographic

Definitions

  • Projection device for a data glasses such data glasses as well
  • the present invention relates to a projection device for smart glasses, such data glasses and a method for operating such
  • HMD helmet-mounted or head-mounted
  • HWD headworn displays
  • VR Virtual Reality
  • AR augmented reality
  • mixed-reality devices promises interesting possibilities for situational and individualized information provision in work and everyday life.
  • 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
  • the distance between the eyes of an adult is between 56 and 75 mm in most cases.
  • the eye rotates about ⁇ 15 ° before the head is moved.
  • HOEs Holographic optical elements
  • RHOE reflection holograms
  • Volume holograms have wavelength and angle selectivity. They can be designed so that they only light on a small
  • HOE Wavelength range act while light of a different wavelength is not affected.
  • the term HOE is an umbrella term for RHOE or sRHOE (switchable RHOE). Each RHOE or sRHOE is thus a HOE.
  • An RHOE can be either static or switchable HOEs.
  • HOE optical function of a HOE can be determined by the material parameters, e.g. the period of the diffraction grating or refractive index difference. This results in a great freedom of design.
  • HOEs can be designed to be e.g. assume the function of a mirror, but the law of reflection does not apply here, since the deflection is not based on reflection but on diffraction. This means that the angle of incidence does not have to correspond to the angle of reflection. Also much more complex
  • HOEs can be made pixel-by-pixel, e.g. with hologram printers.
  • liquid crystal materials can be with holographic
  • Exposure method generate volume holograms.
  • the exposure method may be, for example, interference between a coherent reference and object wave. That one writes a volume hologram quasi in a liquid crystal cell, or liquid crystal display (English: liquid crystal display).
  • PDLC polymer dispersed liquid crystal
  • H-PDLCs holographic polymer dispersed liquid crystal
  • Volume holograms can be exposed in these material systems. If such cells are provided with electrodes, then the liquid crystals can be aligned by application of electrical voltage and thus also strongly influence the inscribed hologram structure. With appropriate voltage, the optical function of the volume holograms can be switched on and off reversibly, for example. Thus, a controllable complex optical functionality can be realized. Disclosure of the invention
  • the projection device for a data glasses has a light source for
  • Emitting a ray of light Emitting a ray of light.
  • 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 emit light of different wavelengths.
  • the light beam can for
  • Generating 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 in the paraxial approximation can also be understood as a Gaussian beam.
  • the projection device further comprises a 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 the one
  • the deflecting element can be, for example, a holographic element or a freeform mirror.
  • a holographic element can be understood, for example, to be a holographic optical component, HOE for short, which can fulfill, for example, the function of a lens, a mirror or a prism.
  • 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 written directly onto the retina by scanning a laser beam through a micromirror and the holographic element.
  • 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
  • An advantage of using a HOE is that the optical
  • Free-form mirror can be realized.
  • an ellipsoidal segment can be interpreted as a free-form mirror which focuses light from a point source at the first focal point into the second focal point.
  • the surface normal of such a free-form mirror changes locally, since locally the reflection law must apply here.
  • a comparable optical function can be realized with a volume hologram on a planar substrate. In this case, the surface normal remains constant over the entire substrate surface. Instead, the grating vector of the local Bragg structure changes across the substrate.
  • 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. As a result, the number of optical elements can be reduced and, alternatively or additionally, the perceived image quality can be influenced.
  • the deflection element has at least two successively arranged reflection holograms, which are also abbreviated as RHOE. Two RHOEs are arranged one behind the other when the light beam passes through both in succession. With a corresponding embodiment of the system, which is described below in several embodiments, it can be achieved that several eyeboxes can be operated.
  • At least one RHOE of the at least two RHOEs arranged one behind the other is or has a switchable RHOE (sRHOE).
  • sRHOE switchable RHOE
  • An sRHOE can be designed for light of a certain wavelength range that strikes a certain angle of incidence. This means that depending on the switching state in which the sRHOE is located, such light, i. H. Light, which is in the appropriate angle of incidence and in the appropriate wavelength range, either in its direction of propagation uninfluenced transmitted or deflected at sRHOE.
  • the design of the sRHOE determines how the propagation of the deflected light is influenced. It should be noted that the angle of incidence a in the case of
  • sRHOE must not correspond to the angle of incidence ß, because a sRHOE as well as a RHOE bends and does not reflect.
  • the last RHOE is a RHOE and all others are RHOE sRHOE.
  • the last RHOE is understood to mean the last one, that is, the farthest from the eye, in the direction of the user's eye. This can advantageously be achieved that the entire light is reflected by the RHOE to the user's eye and no light is transmitted completely through all the layers and the support substrate forming the spectacle lens of the HMD.
  • Wavelength is to be used, no light may be allowed to pass through at the last RHOE. On the one hand would be the waste of the existing light and thus energy of a portable device, where battery life could be a critical issue. On the other hand, unwanted dazzling, even uninvolved third party, or the like could occur, which could be safety-critical. Since the last element is not switchable, this lack of transparency with respect to the incident light also remains in the event of an error, e.g. could look like this, that the sRHOE can no longer be controlled.
  • the wavelength range of a RHOE is defined as the wavelength range that can affect a RHOE.
  • the deflecting element has at least one RHOE arranged one behind the other on at least one pixel of the deflecting element.
  • the light source uses at least two different wavelength ranges.
  • the person skilled in the art usually understands one
  • the number of at least two RHOEs arranged one behind the other is at least as great, preferably just as large as the number of at least two different wavelengths, and that for each wavelength of the at least two different wavelengths at least one RHOE exists this wavelength can reflect. More preferably, for each wavelength of the at least two different wavelengths, there is exactly one RHOE that can reflect that wavelength, and it is preferred that for each wavelength, exactly one RHOE that can reflect that wavelength be different. By virtue of this feature, it can advantageously be achieved, for example, that exactly one eyebox exists for each wavelength used.
  • the projection device has three 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.
  • Each light source is preferably monochromatic or quasi monochromatic.
  • An RGB color space is an additive color space that
  • the three different wavelengths are suitable for giving a user an impression of a full-color representation, such as can be generated by additive color mixing.
  • the invention when using laser light sources, an extremely large color space (mixed colors) is made possible.
  • the invention also allows, in principle, the use of more than three light sources, for example more than one wavelength for red.
  • an even larger color space could then be set up (eg RR'GB). If you have this principle thinks ahead, then almost every human recognizable color would be presentable.
  • At least two of the at least two successively arranged RHOE use a wavelength, which lies in all wavelength ranges of the at least two of the at least two successively arranged RHOE, sequentially.
  • at least one RHOE is a sRHOE, which must be switched, which requires a temporal change.
  • the other of the at least two successively arranged RHOE can not influence this wavelength.
  • the number of eyeboxes can be increased. This feature usually requires a
  • the light source uses three different wavelengths, the at least one pixel of the
  • Deflection element on an array of three successively arranged RHOE each having different wavelength ranges, each wavelength range each having one of the three different wavelengths, and the three different wavelengths are reflected at the pixel at the same point on the retina.
  • Wavelengths preferably form an RGB color space. In this way, it can advantageously be achieved that, for a given pixel of the deflecting element, a full-color dot is imaged onto a predefined eyebox.
  • the at least one pixel of the deflection element has at least two arrangements of three RHOEs arranged one behind the other, the light source uses a number of
  • Arrangement and another arrangement of the at least two arrangements not, and the belonging to a three different arrangement Wavelengths on the at least one pixel each reflected to the same point on the retina.
  • the wavelengths belonging to an arrangement preferably each form an RGB color space.
  • the number of parallel eyeboxes can be increased by using a larger number of different wavelengths and associated HOEs, especially RHOE or sRHOE.
  • the number of eyeboxes achieved in this way can then be increased sequentially by the factor of the number of these stacked arrangements by stacking a plurality of such arrangements.
  • the HOEs each act on the same wavelength.
  • the HOEs each act on different wavelengths.
  • a wavelength associated with an array and a wavelength associated with a different array cause an indistinguishable color impression in a human.
  • 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 or in the spectacle lens.
  • the invention further includes a method of operating the above
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a projection device according to an embodiment.
  • Figure 2 shows a schematic representation of a switchable
  • Reflection hologram which is used in a projection apparatus according to an embodiment of the invention.
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a series connection of a switchable reflection hologram sRHOE and a conventional, non-switchable reflection hologram RHOE, which is used in a projection device according to an embodiment of the invention.
  • Figures 4 to 8 each show a schematic representation of a
  • Projection device according to an embodiment of the invention is used.
  • FIG. 9 shows a schematic representation of a pixel-by-pixel HOE structure which is used in a projection apparatus according to an embodiment of the invention.
  • Figure 10 shows schematically a data glasses according to an embodiment in isometric view.
  • FIG. 1 shows the basic mode of operation of the projection apparatus 100.
  • a light beam 106 emitted by a laser diode as the light source 104 is collimated by means of a lens as a collimation element 114 and guided in the direction of a micromirror as a reflection element 112.
  • the reflection element 112 deflects the light in the direction of the deflecting element 102 listed as a holographic element.
  • the deflecting element 102 is applied to a spectacle lens 402.
  • the deflected by the deflection element 102 light beam 106 then strikes the eye and an eye lens 108, from which the light beam 106 is focused on the retina 110 of an eyeball 107 of a user.
  • the light source 104 is arranged in a housing 105 attached to the eyeglass frame 120. At the output of the housing 105, the collimating element 114 is arranged. The light source 104, the collimating element 114 and the
  • Reflection element 112 may be housed in a common housing, not shown, wherein the light beam 106 reflected by the reflection element 112 is coupled out by a window arranged on one side of the housing. This housing can on the temple 118 or on
  • Eyeglass frame 120 to be attached.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a light path which can be influenced by a switchable reflection hologram (sRHOE) 160 and which is used in a projection device 100 according to an embodiment of the invention.
  • the sRHOE 160 is mounted on a lens 402 of an HMD.
  • a light beam 200 is incident on the sRHOE 160 at the angle a.
  • the reflection behavior of the sRHOE 160 depends on its switching state. If the sRHOE 160 is switched on, ie a voltage is applied to the sRHOE 160, the sRHOE 160 acts as a reflection hologram and diffracts the light beam 200 so that it is deflected at an angle ⁇ , which is generally different from the angle a.
  • the deflected light beam is designated by reference numeral 204. If the sRHOE 160 is turned off, the light beam 200 passes undistracted through the sRHOE 160 and the lens 402.
  • the undeflected, transmitted light beam is designated by reference numeral 202.
  • the light beam 200 is from the reflection element 112 in the direction of
  • Spectacle lens 402 deflected.
  • the redirected light beam 204 propagates in the direction of the eyeball 107 of the user.
  • an eyebox located at the angle .beta. Can be operated.
  • Room area must be the pupil to be able to perceive the display.
  • the transmitted light beam 202 leaves the data glasses in the direction away from the user. Since this is a security risk, it is preferred that the last reflection hologram viewed in the propagation direction of the light deflects the light in each case in the direction of the user.
  • the angle of incidence ⁇ in the case of the sRHOE 160 turned on, as shown in FIG. 2 does not have to correspond to the angle of incidence ⁇ , because an sRHOE 160, like a RHOE, diffracts and does not reflect.
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a series connection of a switchable reflection hologram sRHOE 160 and of a conventional, non-switchable reflection hologram RHOE 150, which in one
  • Projection device 100 is used according to an embodiment of the invention.
  • a light beam 200 is incident on the sRHOE 160 at the angle a. If the sRHOE 160 is turned on, the light beam 200 is reflected at the angle ⁇ and precipitates as the reflected light beam 204. If the sRHOE 160 is turned off, the light beam 200 passes through the sRHOE 160 undeflected and leaves it as a transmitted light beam 202. The transmitted light beam 202 strikes an RHOE 150 at the angle g, which is equal to the angle a in FIG , is reflected at the angle d thereof and precipitates as a second reflected light beam 206.
  • the angles of incidence a and g are generally different from the respective failure angles ⁇ and d, respectively.
  • the RHOE 150 is mounted on the lens 402.
  • the sRHOE 160 is shown here for clarity with a distance to the RHOE 150. In practice, however, these layers of the sRHOE 160 and the RHOE 150 are arranged one above the other or one behind the other, depending on the viewing direction. The layers can be arranged at a distance or directly one behind the other with optical bonding (eg optical adhesive).
  • the transmitted light beam 202 After being reflected by the non-switchable RHOE 150 and failing as the second reflected light beam 206, is directed into another eyebox, a second eyebox.
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a series connection of four sRHOE 160 and one RHOE 150.
  • the transmitted light beam 200 is transmitted through these undistracted.
  • the transmitted light beam is designated by the reference symbol 202.
  • the transmitted light beam is designated by the reference numeral 208.
  • the transmitted light beam is designated by the reference numeral 210.
  • the transmitted light beam is denoted by the reference numeral 214.
  • the light beam reflected by the first sRHOE 160 reflected in the propagation direction is designated by the reference numeral 204.
  • Propagation direction seen second sRHOE 160 reflected light beam is denoted by reference numeral 206.
  • the light beam reflected from the third sRHOE 160 seen in the direction of propagation is designated by the reference numeral 212.
  • the light beam reflected by the fourth sRHOE 160, seen in the direction of propagation is designated by reference numeral 216.
  • a light beam striking a sRHOE 160 will not deflect if the sRHOE 160 is turned off, and will be reflected if the sRHOE 160 is turned on.
  • the light beam 214 strikes the RHOE 150 and is referred to as the light beam 218 after reflection from the RHOE 150.
  • five eyeboxes can be operated sequentially with light of one wavelength.
  • the light beam 204 operates the first eyebox
  • the light beam 206 serves the second eyebox
  • the light beam 212 operates the third eyebox
  • the light beam 216 operates the fourth eyebox
  • the light beam 218 operates the fifth eyebox.
  • the respective angles of incidence of sRHOE 160 and RHOE 150 are different, respectively, and decrease from first sRHOE 160 to RHOE 150, respectively.
  • the number of sRHOE 160 may be an integer greater than one, according to other embodiments, whereby the number of eyeboxes that can end up servicing the entire assembly with a RHOE 150 at the end is one greater than the number of sRHOE 160.
  • FIG. 5 shows an arrangement 180 of three successively arranged sRHOE 160, which, according to an embodiment of the invention, is arranged in one
  • Projection device 100 is used.
  • the light beam 200 which falls on the arrangement 180, in the present case has three different wavelengths I A, I B and Iq, for example three
  • the first sRHOE 160 seen in the direction of propagation acts only on the wavelength lA
  • the second sRHOE 160, seen in the direction of propagation acts only on the wavelength lB
  • the third sRHOE 160, seen in the direction of propagation acts only on the wavelength lq.
  • the first sRHOE 160 depending on the switching state, can guide light of the wavelength lA into the first eyebox, which corresponds to the direction of the light beam 204, or transmit this light.
  • the second sRHOE 160 viewed in the propagation direction, can guide light of the wavelength lB into the second eyebox, which corresponds to the direction of the light beam 206, or transmit this light.
  • the third sRHOE 160 viewed in the propagation direction, can guide light of the wavelength lq into the third eyebox, which corresponds to the direction of the light beam 212, or transmit this light.
  • the different eyeboxes are ideally perceived as monochromatic, but in fact slightly different wavelengths are used to serve different eyeboxes in parallel.
  • the RHOE 150 would not have to be switchable since the different wavelengths do not interact with one another. However, if such arrangements as indicated in Figure 6 repeatedly
  • the non-switchable in this case can be configured so that it realizes a different deflection angle for each of the wavelengths used. This in turn can be illuminated in each case an eyebox. So, even if all sRHOEs are turned off, as many eyeboxes are lit as different ones
  • Wavelengths that produce one and the same color impression can be used. The same applies mutatis mutandis to the polychromatic case described below.
  • FIG. 6 shows a schematic illustration of a series connection of two arrangements 180 shown in FIG. 5 for operating twice as many eyeboxes with a constant number of wavelengths or light sources. When counting eyeboxes, only the light beams deflected by the arrays 180 were considered.
  • the light beam 220 which is the light beam transmitted from the fifth sRHOE 160
  • the light beam 224 which is the light beam transmitted from the sixth sRHOE 160
  • the light beam 222 which is the light beam 220 from the fifth sRHOE 160 is reflected light beam.
  • the first three sRHOEs 160 seen in the propagation direction form the first array 180 and the second three sRHOE seen in the direction of propagation, i. the fourth, fifth and sixth sRHOE 160 form the second array 180.
  • the first and fourth sRHOE 160 seen in the direction of propagation, only act on the wavelength lA; the second and fifth sRHOE 160, acting in the direction of propagation, act only on the wavelength lB and the third and sixth sRHOE 160, seen in the direction of propagation, act only on the wavelength lq. Because the display used in this embodiment is monochrome
  • the wavelengths must be so far apart that each act only one of the three types of HOE, but at the same spectrally close together so that they are indistinguishable to the human eye.
  • the three types of HOE refer to the three wavelengths IA, IB and Iq.
  • the embodiment of FIG. 6 corresponds to a combination of the concepts illustrated in FIGS. 4 and 5. With the embodiment of FIG. 6, three eyeboxes, one for each wavelength, can be operated in parallel. It does not necessarily have to be the eyeboxes served by directly adjacent HOE or directly adjacent eyeboxes. Eyeboxes served by one and the same wavelength can be operated sequentially e.g. the first and fourth eyebox,
  • FIG. 7 shows an arrangement 180 of three successively arranged sRHOEs 160, which according to an embodiment of the invention are arranged in one
  • Projection device 100 is used.
  • the starting form of FIG. 7 serves a polychromatic approach.
  • RGB light will be used to achieve a full-color representation.
  • a spot containing all the wavelengths lands in a position P of the eyebox. The incident
  • Light beam 200 which has polychromatic light of the wavelengths l ⁇ , l2 and l3, falls on the arrangement 180 of the three sRHOE 160.
  • the wavelengths l ⁇ , l2 and l3 are far apart.
  • the second sRHOE 160, seen in the direction of propagation acts only on the wavelength l2
  • the third sRHOE 160 seen in the propagation direction, acts only on the wavelength l3.
  • the emergent light beams 204, 206 and 212 can be approximated as a parallel beam in which light of all wavelengths is superimposed, comparable to the beam incident on the lens 402, to be viewed as.
  • the nearly parallel light rays 204, 206 and 212 pass through a common point P in the eyebox and are imaged at the same point on the retina 110 of the user.
  • the RHOE would not have to be be switchable. However, if such arrangements are to be connected as often as the number of eyeboxes to be operated in succession, the switchability is required.
  • FIG. 8 shows two arrangements 180 of three each in succession
  • Embodiment of the invention can be used in a projection device 100.
  • the starting form of FIG. 8 serves a polychromatic approach.
  • Wavelengths lAI, lA2, lA3, lBI, lB2 and lB3 falls on the two arrays 180.
  • Wavelength lAI the sRHOE 160 seen in the propagation direction acts only on the wavelength lA2
  • the third sRHOE 160 seen in the direction of propagation acts only on the wavelength lA3
  • the fourth sRHOE 160 in the propagation direction acts only on the wavelength lBI
  • the fifth in the propagation direction sRHOE 160 acts only on the wavelength lB2
  • the sixth and last sRHOE 160 in the propagation direction only affects the wavelength lB3.
  • the three wavelengths lAI, lA2 and lA3, which are imaged on a first point Pi in a first eyebox, are RGB light.
  • lAI and lBI correspond to a red wavelength
  • lA2 and lB2 are a green wavelength
  • lA3 and lB3 are a blue wavelength.
  • the sRHOE 160 are designed so that they act only on one wavelength, for example, the red wavelength lAI, and not on the other wavelength of the same color, for example, lBI.
  • the light beams with the three wavelengths which represent the points Pi or P 2 are almost parallel. The same applies to the point P in connection with FIG. 7.
  • the sRHOE are designed to be light in every iteration different wavelengths act.
  • the color impression for the human eye should be the same in every eyebox either because the wavelengths used are so similar that there is no visual difference or because the color mixing is adjusted accordingly on the software side.
  • the number of eyeboxes that can be operated in parallel is as large as the number of sequentially used assemblies 180. For this, the RHOE would not have to be switchable. However, if such arrangements are to be mounted several times in succession in order to serve a larger number of Eyeboxes sequentially, the switchability is required. Then sequentially more eyeboxes can be operated in parallel.
  • FIG. 9 shows a schematic representation of a pixel-by-pixel HOE structure, wherein each pixel 170 contains a different diffraction structure.
  • Each row contains six pixels 170.
  • the first pixels 170 in each row serve the first eyebox and the second pixels 170 in each row serve the second eyebox. This applies correspondingly to the third, fourth, fifth and sixth pixels 170.
  • the spot size of the beam on the spectacle lens corresponds to the pixel size.
  • FIG. 10 shows a schematic representation 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
  • 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.

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  • Optics & Photonics (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Projektionsvorrichtung (100) für eine Datenbrille (400). Die Projektionsvorrichtung (100) weist folgende Merkmale auf: eine Lichtquelle (104) zum Aussenden eines Lichtstrahls (106); 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 des einen Lichtstrahls (106) in Richtung einer Augenlinse (108) des Nutzers und/oder Fokussieren des einen Lichtstrahls (106); und ein Reflexionselement (112) zum Reflektieren des Lichtstrahls (106) auf das Umlenkelement (102). Die Projektionsvorrichtung (100) ist dadurch gekennzeichnet, dass das Umlenkelement (102) mindestens zwei hintereinander angeordnete RHOE (150) aufweist; und mindestens ein RHOE (150) der mindestens zwei hintereinander angeordneten RHOE ein schaltbares RHOE (160) ist. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Datenbrille (400) sowie ein Verfahren zum Betrieb einer Projektionsvorrichtung (100).

Description

Beschreibung
Titel
Projektionsvorrichtung für eine Datenbrille, eine solche Datenbrille sowie
Verfahren zum Betrieb einer solchen Projektionsvorrichtung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Projektionsvorrichtung für eine Datenbrille, eine solche Datenbrille sowie ein Verfahren zum Betrieb einer solchen
Projektionsvorrichtung.
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 HMD-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. Es sind aber auch Konzepte denkbar, bei denen Licht verschiedener Wellenlängen unter unterschiedlichen Winkeln und zu einem bestimmten Zeitpunkt an
unterschiedlichen Positionen auf dem Brillenglas auftrifft.
Der Augenabstand eines Erwachsenen liegt in den meisten Fällen zwischen 56 und 75 mm. Das Auge rotiert um etwa ± 15°, bevor der Kopf bewegt wird.
Außerdem ändern sich die horizontale und insbesondere die vertikale Position der Pupille relativ zum Brillenglas, wenn z.B. die Brille rutscht. Die Anzeige des HMD soll für den Nutzer immer sichtbar sein, seine Pupille, deren Durchmesser sich je nach Helligkeit um ein Vielfaches ändert, muss sich also immer innerhalb mindestens einer sogenannten Eyebox befinden. Holografische optische Elemente (HOE) gewinnen zunehmend an Bedeutung, insbesondere auch bei der Realisierung von HMDs. Im Stand der Technik sind als Volumenhologramme realisierte Reflexionshologramme (RHOE) bekannt. Volumenhologramme weisen eine Wellenlängen- und Winkelselektivität auf. Sie können so gestaltet sein, dass sie nur auf Licht eines kleinen
Wellenlängenbereiches wirken, wobei Licht einer anderen Wellenlänge nicht beeinflusst wird. Der Begriff HOE ist ein Überbegriff für RHOE oder sRHOE (schaltbares RHOE). Jedes RHOE oder sRHOE ist somit ein HOE. Ein RHOE kann entweder als statisches oder als schaltbares HOEs ausgeführt sein.
Die optische Funktion eines HOE lässt sich über die Materialparameter, z.B. die Periode des Beugungsgitters oder des Brechungsindexunterschieds, gestalten. Damit ergibt sich eine große Designfreiheit. Unter anderem können HOE so gestaltet werden, dass sie z.B. die Funktion eines Spiegels übernehmen, jedoch muss das Reflexionsgesetz hierbei nicht gelten, da die Umlenkung nicht auf Reflexion, sondern auf Beugung beruht. Das bedeutet, dass der Einfallswinkel nicht dem Ausfallswinkel entsprechen muss. Auch sehr viel komplexere
Funktionen als nur die spiegelähnliche Umlenkung sind möglich. Darüber hinaus lassen sich HOE pixelweise gestalten, z.B. mit Hologrammdruckern.
In speziellen Flüssigkristallmaterialen lassen sich mit holografischen
Belichtungsverfahren Volumenhologramme erzeugen. Das Belichtungsverfahren kann zum Beispiel eine Interferenz zwischen einer kohärenten Referenz- und Objektwelle sein. D.h. man schreibt ein Volumenhologramm quasi in eine Flüssigkristallzelle, bzw. Flüssigkristalldisplay (engl.: liquid crystal display).
Möglich wird dies z.B. bei Verwendung von PDLC-Zellen (engl.: PDLC = polymer dispersed liquid crystal) mit speziellen Photopolymer-Zumischungen. Man erhält dann sogenannte H-PDLCs (engl: holographic polymer dispersed liquid crystal). In diese Materialsysteme lassen sich Volumenhologramme belichten. Falls solche Zellen mit Elektroden versehen sind, so lassen sich durch Anlegen von elektrischer Spannung die Flüssigkristalle ausrichten und somit auch die eingeschriebene Hologrammstruktur stark beeinflussen. Bei entsprechender Spannung kann hiermit z.B. die optische Funktion der Volumenhologramme reversibel ein- und ausgeschaltet werden. Somit ist eine steuerbare komplexe optische Funktionalität realisierbar. Offenbarung der Erfindung
Die Projektionsvorrichtung für eine Datenbrille weist eine Lichtquelle zum
Aussenden 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.
Da auch Laserlicht verwendet werden kann, kann unter einem Lichtstrahl in der paraxialen Näherung auch ein Gauß-Strahl verstanden werden.
Die Projektionsvorrichtung weist ferner ein an einem Brillenglas der Datenbrille angeordnetes oder anordenbares Umlenkelement zum Projizieren eines Bilds auf eine Netzhaut eines Nutzers der Datenbrille durch Umlenken des einen
Lichtstrahls in Richtung einer Augenlinse des Nutzers und/oder Fokussieren des einen Lichtstrahls 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. Ein Vorteil der Verwendung eines HOEs besteht darin, dass die optische
Funktion unabhängig von der Flächennormale realisiert werden kann. Prinzipiell können einige optische Funktionen statt mit einem HOE auch mit einem
Freiformspiegel realisiert werden. Beispielsweise kann ein Ellipsoidsegment als Freiformspiegel interpretiert werden, der Licht einer Punktquelle im ersten Brennpunkt in den zweiten Brennpunkt fokussiert. Die Flächennormale eines solchen Freiformspiegels ändert sich lokal, da hier lokal das Reflexionsgesetz gelten muss. Im Gegensatz dazu kann eine vergleichbare optische Funktion mit einem Volumenhologramm auf einem ebenen Substrat realisiert werden. In diesem Fall bleibt die Flächennormale über die gesamte Substratfläche konstant. Stattdessen ändert sich der Gittervektor der lokalen Bragg-Struktur über das Substrat.
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 optischen Elemente reduziert und alternativ oder ergänzend die wahrgenommene Bildqualität beeinflusst werden. Das Umlenkelement weist mindestens zwei hintereinander angeordnete Reflexionshologramme auf, welche auch als RHOE abgekürzt werden. Zwei RHOE sind dann hintereinander angeordnet, wenn der Lichtstrahl beide hintereinander durchläuft. Bei entsprechender Ausgestaltung des Systems, die im Folgenden in mehreren Ausführungsformen beschrieben wird, kann damit erreicht werden, dass mehrere Eyeboxen bedient werden können.
Mindestens ein RHOE der mindestens zwei hintereinander angeordneten RHOE ist ein schaltbares RHOE (sRHOE) oder weist ein solches auf. Dies hat den Vorteil, dass Licht in einem Wellenlängenbereich, den das schaltbare RHOE beeinflussen kann, von einer Eyebox in eine andere Eyebox umgeschaltet werden kann. Mit diesem Merkmal kann man ebenfalls erreichen, dass Licht in einem bestimmten Wellenlängenbereich sequenziell zwei unterschiedliche Eyeboxen bedient.
Ein sRHOE kann für Licht eines bestimmten Wellenlängenbereiches, das unter einem bestimmten Einfallswinkelbereich auftrifft, ausgelegt werden. Dies bedeutet, dass abhängig vom Schaltzustand, in dem sich das sRHOE befindet, solches Licht, d. h. Licht, welches im passenden Einfallswinkel und im passenden Wellenlängenbereich liegt, entweder in seiner Ausbreitungsrichtung unbeeinflusst transmittiert oder am sRHOE umgelenkt wird. Dabei bestimmt das Design des sRHOE wie die Ausbreitung des umgelenkten Lichtes beeinflusst wird. Hierbei ist zu beachten, dass der Einfallswinkel a im Falle des
angeschalteten sRHOE nicht dem Ausfallswinkel ß entsprechen muss, da ein sRHOE ebenso wie ein RHOE beugt und nicht reflektiert.
Wenn in der vorliegenden Beschreibung davon die Rede ist, dass Licht an einem HOE, insbesondere an einem RHOE oder an einem sRHOE, reflektiert wird, so versteht der Fachmann, dass physikalisch eine Beugung gemeint ist.
Hierbei ist es weiter bevorzugt, dass das letzte RHOE ein RHOE ist und alle anderen RHOE sRHOE sind. Hierbei wird unter dem letzten RHOE das in Blickrichtung des Nutzers letzte, also das am weitesten vom Auge entfernt liegende HOE verstanden. Hierdurch kann vorteilhafterweise erreicht werden, dass das gesamte Licht von den RHOE zum Auge des Benutzers reflektiert wird und kein Licht komplett durch alle Schichten und das Trägersubstrat, die das Brillenglas des HMDs bilden, hindurch transmittiert. Da jede erzeugte
Wellenlänge benutzt werden soll, darf am letzten RHOE kein Licht hindurch gelassen werden. Zum einen wäre das Verschwendung des vorhandenen Lichtes und damit Energie eines tragbaren Geräts, wo Akkulaufzeit ein kritischer Punkt sein könnte. Zum anderen könnten ungewollte Blendungen, gerade auch unbeteiligter Dritter, oder Ähnliches auftreten, was sicherheitskritisch sein könnte. Da das letzte Element nicht schaltbar ist, bleibt diese Intransparenz hinsichtlich des eingestrahlten Lichtes auch in einem Fehlerfall, der z.B. so aussehen könnte, dass sich die sRHOE nicht mehr ansteuern lassen, erhalten.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform überlappen sich ein
Wellenlängenbereich eines RHOE der mindestens zwei hintereinander angeordneten RHOE und ein Wellenlängenbereich eines anderen RHOE der mindestens zwei hintereinander angeordneten RHOE nicht. Der
Wellenlängenbereich eines RHOE ist als der Wellenlängenbereich definiert, den einen RHOE beeinflussen kann. Durch das vorstehend genannte Merkmal kann vorteilhafterweise erreicht werden, dass es eine Wellenlänge gibt, welche von einem RHOE der mindestens zwei hintereinander angeordneten RHOE beeinflusst wird und eine andere Wellenlänge gibt, welche ein anderes RHOE der mindestens zwei hintereinander angeordneten RHOE beeinflusst, wobei das andere RHOE die eine Wellenlänge nicht beeinflusst und das eine RHOE die andere Wellenlänge nicht beeinflusst. Gemäß einer noch mehr bevorzugten Ausführungsform gibt es eine Vielzahl hintereinander angeordneter RHOE, wobei jedes RHOE einen Wellenlängenbereich beeinflusst und keines der restlichen RHOE diesen Wellenlängenbereich beeinflussen kann. Dies hat den Vorteil, dass jedes RHOE in seinem jeweiligen Wellenlängenbereich unabhängig von den anderen RHOE arbeitet.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist das Umlenkelement an mindestens einem Pixel des Umlenkelements mindestens zwei hintereinander angeordnete RHOE auf. Die in vorliegender Beschreibung genannten Vorteile und Merkmale können somit für jeden Pixel des Umlenkelements unterschiedlich sein. Dies hat den Vorteil, dass die Eigenschaften des Umlenkelements für jeden Pixel unterschiedlich sein können. Dies kann zum Beispiel bewirken, dass jeder Pixel eine andere Eyebox bedient.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform verwendet die Lichtquelle mindestens zwei unterschiedliche Wellenlängenbereiche. Vorliegend versteht der Fachmann, wenn von einer Wellenlänge die Rede ist, in der Regel einen
Wellenlängenbereich. Gemäß dieser Ausführungsform ist es weiter bevorzugt, dass die Anzahl der mindestens zwei hintereinander angeordneten RHOE mindestens so groß, bevorzugt genauso groß, ist wie die Anzahl der mindestens zwei unterschiedlichen Wellenlängen und dass für jede Wellenlänge der mindestens zwei unterschiedlichen Wellenlängen mindestens ein RHOE existiert, das diese Wellenlänge reflektieren kann. Weiter bevorzugt existiert für jede Wellenlänge der mindestens zwei unterschiedlichen Wellenlängen genau ein RHOE, das diese Wellenlänge reflektieren kann, wobei es bevorzugt ist, dass für jede Wellenlänge das genau eine RHOE, das diese Wellenlänge reflektieren kann, jeweils unterschiedlich ist. Durch dieses Merkmal kann vorteilhafterweise zum Beispiel erreicht werden, dass für jede verwendete Wellenlänge genau eine Eyebox existiert.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Projektionsvorrichtung drei 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. Jede Lichtquelle ist bevorzugt monochromatisch oder quasi monochromatisch. Ein RGB-Farbraum ist ein additiver Farbraum, der
Farbwahrnehmungen durch das additive Mischen dreier Grundfarben, also Rot, Grün und Blau, nachbildet. Die drei unterschiedlichen Wellenlängen sind geeignet, bei einem Nutzer einen Eindruck einer vollfarbigen Darstellung, wie er durch additive Farbmischung erzeugt werden kann, zu erwecken.
Insbesondere wird bei Verwendung von Laserlichtquellen ein extrem großer Farbraum (Mischfarben) ermöglicht. Die Erfindung erlaubt bei geeigneter Ausführungsform auch prinzipiell die Verwendung von mehr als drei Lichtquellen, z.B. mehr als eine Wellenlänge für Rot. Hiermit könnte dann ein noch größerer Farbraum aufgespannt werden (z.B. RR‘GB). Wenn man dieses Prinzip weiterdenkt, wäre dann nahezu jede für den Menschen erkennbare Farbe darstellbar.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform benutzen mindestens zwei der mindestens zwei hintereinander angeordneten RHOE eine Wellenlänge, welche in allen Wellenlängenbereichen der mindestens zwei der mindestens zwei hintereinander angeordneten RHOE liegt, sequentiell. Gemäß dieser Ausführungsform ist mindestens ein RHOE ein sRHOE, welches geschaltet werden muss, was eine zeitliche Änderung erfordert.
Gemäß dieser Ausführungsform ist es bevorzugt, dass die anderen der mindestens zwei hintereinander angeordneten RHOE diese Wellenlänge nicht beeinflussen können. Durch dieses Merkmal kann vorteilhafterweise die Anzahl der Eyeboxen erhöht werden. Dieses Merkmal erfordert in der Regel ein
Eyetracking- System .
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform verwendet die Lichtquelle drei unterschiedliche Wellenlängen, weist der mindestens eine Pixel des
Umlenkelements eine Anordnung von drei hintereinander angeordneten RHOE auf, welche jeweils unterschiedliche Wellenlängenbereiche aufweisen, wobei jeder Wellenlängenbereich jeweils eine der drei unterschiedlichen Wellenlängen aufweist, und werden die drei unterschiedlichen Wellenlängen an dem Pixel auf denselben Punkt auf der Netzhaut reflektiert. Die drei unterschiedlichen
Wellenlängen bilden bevorzugt einen RGB-Farbraum. Hierdurch kann vorteilhafterweise erreicht werden, dass für einen vorgegebenen Pixel des Umlenkelements ein vollfarbiger Punkt auf eine vorgegebene Eyebox abgebildet wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist der mindestens eine Pixel des Umlenkelements mindestens zwei Anordnungen von jeweils drei hintereinander angeordneten RHOE auf, verwendet die Lichtquelle eine Anzahl von
unterschiedlichen Wellenlängen, welche gleich der Anzahl der Anordnungen multipliziert mit drei ist, überlappen sich die Wellenlängenbereiche einer
Anordnung und einer anderen Anordnung der mindestens zwei Anordnungen nicht, und werden die zu einer Anordnung gehörenden drei unterschiedlichen Wellenlängen an dem mindestens einen Pixel jeweils auf denselben Punkt auf der Netzhaut reflektiert. Bevorzugt bilden die zu einer Anordnung gehörenden Wellenlängen jeweils einen RGB-Farbraum. Durch dieses Merkmal kann vorteilhafterweise erreicht werden, dass ein Pixel mehrere unterschiedliche Eyeboxen vollfarbig bedient.
Allgemein gilt, dass sich die Anzahl der parallel bedienbaren Eyeboxen durch den Einsatz einer größeren Anzahl an unterschiedlichen Wellenlängen und zugehörigen HOE, insbesondere RHOE oder sRHOE, erhöhen lässt. Die so erreichte Anzahl an Eyeboxen kann dann durch das Stapeln mehrerer solcher Anordnungen sequentiell wiederrum um den Faktor der Anzahl dieser gestapelten Anordnungen erhöht werden. Bei der sequentiellen Benutzung wirken die HOE jeweils auf dieselbe Wellenlänge. Bei der parallelen Benutzung wirken die HOE jeweils auf unterschiedliche Wellenlängen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform bewirken eine zu einer Anordnung gehörende Wellenlänge und eine zu einer anderen Anordnung gehörende Wellenlänge bei einem Menschen einen ununterscheidbaren Farbeindruck.
Durch dieses Merkmal kann vorteilhafterweise erreicht werden, dass die mehreren unterschiedlichen vollfarbigen Eyeboxen, die von einem Pixel bedient werden, bei geeigneter Mischung der jeweiligen Intensitäten bei einem
Menschen denselben Farbeindruck bewirken.
Die Erfindung umfasst weiterhin eine Datenbrille. Diese weist ein Brillenglas und eine oben beschriebene Projektionsvorrichtung auf, wobei das Umlenkelement am oder im Brillenglas angeordnet ist.
Die Erfindung umfasst weiterhin ein Verfahren zum Betrieb der oben
beschriebenen Projektionsvorrichtung, bei dem mindestens ein RHOE der mindestens zwei hintereinander angeordneten RHOE umgeschaltet wird. Durch dieses Verfahren kann vorteilhafterweise erreicht werden, dass mehrere Eyeboxen bedient werden können.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen. Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweiligen angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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.
Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung eines schaltbaren
Reflexionshologramms (sRHOE), welches in einer Projektionsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung benutzt wird.
Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung einer Hintereinanderschaltung eines schaltbaren Reflexionshologramms sRHOE und eines konventionellen, nicht schaltbaren Reflexionshologramm RHOE, welche in einer Projektionsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung benutzt wird.
Figuren 4 bis 8 zeigen jeweils eine schematische Darstellung einer
Hintereinanderschaltung mit mehreren sRHOE, welche in einer
Projektionsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung benutzt wird.
Figur 9 zeigt eine schematische Darstellung einer pixelweisen HOE-Struktur, welche in einer Projektionsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung benutzt wird.
Figur 10 zeigt schematisch eine Datenbrille gemäß einer Ausführungsform in isometrischer Darstellung.
Ausführungsbeispiele der Erfindung Figur 1 zeigt die prinzipielle Funktionsweise der Projektionsvorrichtung 100. Ein von einer Laserdiode als Lichtquelle 104 emittierter Lichtstrahl 106 wird mittels einer Linse als Kollimationselement 114 kollimiert und in Richtung eines Mikrospiegels als Reflexionselement 112 geführt. Das Reflexionselement 112 lenkt das Licht in Richtung des als holografisches Element aufgeführten Umlenkelements 102 um. Das Umlenkelement 102 ist auf einem Brillenglas 402 aufgebracht. Der vom Umlenkelement 102 umgelenkte Lichtstrahl 106 trifft sodann auf das Auge und eine Augenlinse 108, von wo der Lichtstrahl 106 auf die Netzhaut 110 eines Augapfels 107 eines Nutzers fokussiert wird.
Die Lichtquelle 104 ist in einem am Brillengestell 120 befestigten Gehäuse 105 angeordnet. Am Ausgang des Gehäuses 105 ist das Kollimationselement 114 angeordnet. Die Lichtquelle 104, das Kollimationselement 114 und das
Reflexionselement 112 können in einem gemeinsamen nicht dargestellten Gehäuse untergebracht sein, wobei der vom Reflexionselement 112 reflektierte Lichtstrahl 106 durch ein an einer Seite des Gehäuses angeordnetes Fenster ausgekoppelt wird. Dieses Gehäuse kann am Brillenbügel 118 oder am
Brillengestell 120 befestigt sein.
Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung eines von einem schaltbaren Reflexionshologramm (sRHOE) 160 beeinflussbaren Lichtpfades, welches in einer Projektionsvorrichtung 100 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung benutzt wird. Das sRHOE 160 ist auf einem Brillenglas 402 eines HMD angebracht. Ein Lichtstrahl 200 fällt unter dem Winkel a auf das sRHOE 160. Das Reflexionsverhalten des sRHOE 160 hängt von dessen Schaltzustand ab. Falls das sRHOE 160 eingeschaltet ist, also eine Spannung am sRHOE 160 anliegt, so wirkt das sRHOE 160 als Reflexionshologramm und beugt den Lichtstrahl 200 so, dass er unter einem Winkel ß, welcher sich in der Regel vom Winkel a unterscheidet, umgelenkt wird. Der umgelenkte Lichtstrahl ist mit dem Bezugszeichen 204 bezeichnet. Falls das sRHOE 160 ausgeschaltet ist, so tritt der Lichtstrahl 200 unabgelenkt durch das sRHOE 160 und das Brillenglas 402 hindurch. Der unabgelenkt, transmittierte Lichtstrahl ist mit dem Bezugszeichen 202 bezeichnet. Der Lichtstrahl 200 wird vom Reflexionselement 112 in Richtung des
Brillenglases 402 abgelenkt. Der umgelenkte Lichtstrahl 204 breitet sich in Richtung Augapfel 107 des Nutzers aus. Somit kann mit dieser Anordnung eine sich unter dem Winkel ß befindliche Eyebox bedient werden. In diesem
Raumbereich muss sich die Pupille befinden, um die Anzeige wahrnehmen zu können. Der transmittierte Lichtstrahl 202 verlässt die Datenbrille in Richtung vom Nutzer weg. Da dies ein Sicherheitsrisiko ist, ist es bevorzugt, dass das in Ausbreitungsrichtung des Lichts gesehen letzte Reflexionshologramm das Licht in jedem Fall in Richtung des Nutzers umlenkt.
Zu beachten ist, dass der Einfallswinkel a im Falle des angeschalteten sRHOE 160 wie in Figur 2 dargestellt nicht dem Ausfallswinkel ß entsprechen muss, weil ein sRHOE 160 ebenso wie ein RHOE beugt und nicht reflektiert.
Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung einer Hintereinanderschaltung eines schaltbaren Reflexionshologramms sRHOE 160 und eines konventionellen, nicht schaltbaren Reflexionshologramm RHOE 150, welche in einer
Projektionsvorrichtung 100 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung benutzt wird.
Ein Lichtstrahl 200 fällt unter dem Winkel a auf das sRHOE 160. Falls das sRHOE 160 eingeschaltet ist, so wird der Lichtstrahl 200 unter dem Winkel ß reflektiert und fällt als reflektierter Lichtstrahl 204 aus. Falls das sRHOE 160 ausgeschaltet ist, so tritt der Lichtstrahl 200 unabgelenkt durch das sRHOE 160 hindurch und verlässt dieses als transmittierter Lichtstrahl 202. der transmittierter Lichtstrahl 202 trifft unter dem Winkel g, welcher in Figur 2 gleich dem Winkel a ist, auf ein RHOE 150, wird unter dem Winkel d von diesem reflektiert und fällt als zweiter reflektierter Lichtstrahl 206 aus.
Ebenso wie in Figur 2 gilt auch hier, dass, da die Umlenkung am RHOE durch Beugung und nicht durch Reflexion erfolgt, das Reflexionsgesetz nicht gelten muss. Die Einfallswinkel a bzw. g unterscheiden sich in der Regel sich von den jeweiligen Ausfallswinkeln ß bzw. d. Das RHOE 150 ist auf dem Brillenglas 402 angebracht. Das sRHOE 160 ist hier zur Verdeutlichung mit einem Abstand zum RHOE 150 dargestellt. In der Praxis sind diese Schichten des sRHOE 160 und des RHOE 150 jedoch übereinander oder hintereinander, je nach Betrachtungsrichtung, angeordnet. Die Schichten können mit Abstand oder aber auch direkt hintereinander mit optischem Bonding (z.B. optischer Kleber) angeordnet sein.
Wie bereits erläutert sind für die vorliegende Projektionsvorrichtung der
Datenbrille für jeden Augenabstand mehrere Eyeboxen notwendig, um den gewünschten Seheindruck für jede mögliche Stellung des Auges, sowohl was die Bewegung des Auges als auch die Positionen von Auge und Brillenglas zueinander angeht, zu erhalten. Mit einer Anordnung entsprechend der Figur 3 lassen sich zwei verschiedene Eyeboxen sequentiell mit Licht einer Wellenlänge und damit einer Lichtquelle bedienen.
Falls das sRHOE 160 angeschaltet ist, sowie der reflektierte Lichtstrahl 204 in eine erste Eyebox gelenkt. Falls das sRHOE 160 abgeschaltet ist, so wird der transmittierte Lichtstrahl 202, nachdem er von dem nicht schaltbaren RHOE 150 reflektiert wurde und als zweiter reflektierter Lichtstrahl 206 ausfällt, in eine andere Eyebox, eine zweite Eyebox, gelenkt.
Figur 4 zeigt eine schematische Darstellung einer Hintereinanderschaltung von vier sRHOE 160 und einem RHOE 150.
Falls alle sRHOE 160 ausgeschaltet sind, so wird der Lichtstrahl 200 durch diese unabgelenkt transmittiert. Nach dem in Ausbreitungsrichtung gesehen ersten sRHOE 160 wird der transmittierte Lichtstrahl mit dem Bezugszeichen 202 bezeichnet. Nach dem in Ausbreitungsrichtung gesehen zweiten sRHOE 160 wird der transmittierte Lichtstrahl mit dem Bezugszeichen 208 bezeichnet. Nach dem in Ausbreitungsrichtung gesehen dritten sRHOE 160 wird der transmittierte Lichtstrahl mit dem Bezugszeichen 210 bezeichnet. Nach dem in
Ausbreitungsrichtung gesehen vierten sRHOE 160 wird der transmittierte Lichtstrahl mit dem Bezugszeichen 214 bezeichnet. Der von dem in Ausbreitungsrichtung gesehen ersten sRHOE 160 reflektiert Lichtstrahl wird mit dem Bezugszeichen 204 bezeichnet. Der von dem in
Ausbreitungsrichtung gesehen zweiten sRHOE 160 reflektiert Lichtstrahl wird mit dem Bezugszeichen 206 bezeichnet. Der von dem in Ausbreitungsrichtung gesehen dritten sRHOE 160 reflektiert Lichtstrahl wird mit dem Bezugszeichen 212 bezeichnet. Der von dem in Ausbreitungsrichtung gesehen vierten sRHOE 160 reflektiert Lichtstrahl wird mit dem Bezugszeichen 216 bezeichnet.
Ein auf ein sRHOE 160 treffender Lichtstrahl wird, falls das sRHOE 160 ausgeschaltet ist, nicht abgelenkt und, falls das sRHOE 160 angeschaltet ist, reflektiert.
Der Lichtstrahl 214 trifft auf den RHOE 150 und wird nach der Reflexion von dem RHOE 150 als Lichtstrahl 218 bezeichnet.
Mit der Ausführungsform der Figur 4 lassen sich fünf Eyeboxen mit Licht einer Wellenlänge sequentiell bedienen. Der Lichtstrahl 204 bedient die erste Eyebox, der Lichtstrahl 206 bedient die zweite Eyebox, der Lichtstrahl 212 bedient die dritte Eyebox, der Lichtstrahl 216 bedient die vierte Eyebox und der Lichtstrahl 218 bedient die fünfte Eyebox. Man beachte, dass der jeweilige Ausfallswinkel der sRHOE 160 und des RHOE 150 jeweils unterschiedlich sind und vom ersten sRHOE 160 zum RHOE 150 hin jeweils abnimmt.
Die Anzahl der sRHOE 160 kann gemäß anderen Ausführungsformen eine ganze Zahl größer als Eins betragen, wodurch die Anzahl an Eyeboxen, die die gesamte Anordnung mit einem RHOE 150 am Ende bedienen kann, um Eins größer ist als die Anzahl der sRHOE 160.
Figur 5 zeigt eine Anordnung 180 von drei hintereinander angeordneten sRHOE 160, welche gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in einer
Projektionsvorrichtung 100 verwendet wird.
In den Figuren 2 bis 4 wurde implizit davon ausgegangen, dass
monochromatisch gearbeitet wird. Im Folgenden werden Konzepte beschrieben, bei denen Licht verschiedener, definierter Wellenlängen eingesetzt wird. Dabei ist vorteilhafterweise für jede der eingesetzten Wellenlängen eine nicht schaltbare HOE-Struktur als in Blickrichtung letztes auf Licht der betreffenden Wellenlänge wirkendes Element vorgesehen.
Bei den in den Figuren 5 und 6 dargestellten Ausführungsformen wird mit mehreren Wellenlängen gearbeitet, die einerseits spektral so weit auseinander liegen, dass sich Beugungsstrukturen in den sRHOE 160 gestalten lassen, die nur auf Licht jeweils einer der eingesetzten Wellenlängen wirken, andererseits aber spektral so eng beieinander liegen, dass das menschliche Auge sie als gleichfarbig wahrnimmt.
Der Lichtstrahl 200, welcher auf die Anordnung 180 fällt, weist vorliegend drei unterschiedliche Wellenlängen lA, lB und lq auf, zum Beispiel drei
unterschiedliche grüne Wellenlängen, welche für den Menschen
ununterscheidbar sind. Das in Ausbreitungsrichtung gesehen erste sRHOE 160 wirkt nur auf die Wellenlänge lA, der in Ausbreitungsrichtung gesehen zweite sRHOE 160 wirkt nur auf die Wellenlänge lB und das in Ausbreitungsrichtung gesehen dritte sRHOE 160 wirkt nur auf die Wellenlänge lq. Somit kann das in Ausbreitungsrichtung gesehen erste sRHOE 160 je nach Schaltzustand Licht der Wellenlänge lA in die erste Eyebox, welche der Richtung des Lichtstrahls 204 entspricht, leiten oder dieses Licht durchlassen. Das in Ausbreitungsrichtung gesehen zweite sRHOE 160 kann je nach Schaltzustand Licht der Wellenlänge lB in die zweiter Eyebox, welche der Richtung des Lichtstrahls 206 entspricht, leiten oder dieses Licht durchlassen. Das in Ausbreitungsrichtung gesehen dritte sRHOE 160 kann je nach Schaltzustand Licht der Wellenlänge lq in die dritte Eyebox, welche der Richtung des Lichtstrahls 212 entspricht, leiten oder dieses Licht durchlassen.
Bei der Ausführungsform der Figur 5 werden die unterschiedlichen Eyeboxen idealerweise als monochromatisch wahrgenommen, es werden aber tatsächlich leicht unterschiedliche Wellenlängen benutzt, um verschiedene Eyeboxen parallel zu bedienen. Für den in der Ausgangsform der Figur 5 wiedergegebenen Umfang dieses Konzeptes müssten die RHOE 150 nicht schaltbar sein, da die unterschiedlichen Wellenlängen nicht miteinander wechselwirken. Falls jedoch solche Anordnungen wie in Figur 6 angedeutet mehrfach
hintereinander geschaltet werden, um eine größere Zahl an Eyeboxen zu bedienen, ist die Schaltbarkeit erforderlich.
Man beachte, dass das in Blickrichtung letzte HOE, also das nicht schaltbare, in diesem Fall so ausgestaltet werden kann, dass es für jede der verwendeten Wellenlängen einen anderen Umlenkwinkel realisiert. Damit lässt sich wiederum jeweils eine Eyebox beleuchten. Also werden, auch wenn alle sRHOEs ausgeschaltet sind, so viele Eyeboxen beleuchtet, wie unterschiedliche
Wellenlängen, die aber ein und denselben Farbeindruck hervorrufen, verwendet werden. Entsprechend sinngemäß gilt das auch für den unten beschriebenen polychromatischen Fall.
Figur 6 zeigt eine schematische Darstellung einer Hintereinanderschaltung zweier in Figur 5 abgebildet Anordnungen 180 zur Bedienung von doppelt so vielen Eyeboxen bei gleichbleibender Anzahl an Wellenlängen bzw. Lichtquellen. Bei der Zählung der Eyeboxen wurden lediglich die von den Anordnungen 180 umgelenkten Lichtstrahlen berücksichtigt.
Die Bezugszeichen entsprechend denen der Figur 4 oder 5. Zusätzlich gibt es den Lichtstrahl 220, welcher der von dem fünften sRHOE 160 transmittierte Lichtstrahl ist, den Lichtstrahl 224, welcher der von dem sechsten sRHOE 160 transmittierte Lichtstrahl ist, sowie den Lichtstrahl 222, welcher der von dem fünften sRHOE 160 reflektierte Lichtstrahl ist.
Die in Ausbreitungsrichtung gesehenen ersten drei sRHOE 160 bilden die erste Anordnung 180 und die in Ausbreitungsrichtung gesehenen zweiten drei sRHOE, d.h. der vierte, fünfte und sechste sRHOE 160, bilden die zweite Anordnung 180.
Der in Ausbreitungsrichtung gesehen erste und vierte sRHOE 160 wirken nur auf die Wellenlänge lA, der in Ausbreitungsrichtung gesehen zweite und fünfte sRHOE 160 wirken nur auf die Wellenlänge lB und der in Ausbreitungsrichtung gesehen dritte und sechste sRHOE 160 wirkt nur auf die Wellenlänge lq. Da die in dieser Ausführungsform verwendete Anzeige monochrom
wahrgenommen werden soll, müssen die Wellenlängen sich so weit voneinander unterscheiden, dass jeweils nur eine der drei HOE-Arten wirkt, aber gleichzeitig spektral so eng zusammenliegen, dass sie für das menschliche Auge nicht zu unterscheiden sind. Die drei HOE-Arten beziehen sich auf die drei Wellenlängen lA, lB und lq. Die Ausführungsform der Figur 6 entspricht einer Kombination der in Figur 4 und Figur 5 dargestellten Konzepte. Mit der Ausführungsform der Figur 6 können drei Eyeboxen, für jede Wellenlänge eine, parallel bedient werden. Dabei muss es sich nicht notwendigerweise um die von direkt benachbarten HOE bedienten Eyeboxen oder um direkt benachbarte Eyeboxen handeln. Eyeboxen, die von ein und derselben Wellenlänge bedient werden, können sequentiell bedient werden z.B. die erste und vierte Eyebox,
entsprechend den Lichtstrahlen 204 und 216.
Figur 7 zeigt eine Anordnung 180 von drei hintereinander angeordneten sRHOE 160, welche gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in einer
Projektionsvorrichtung 100 verwendet wird. Die Ausgangsform der Figur 7 dient einem polychromatischen Ansatz. Vorliegend wird mit RGB-Licht gearbeitet werden, um eine vollfarbige Darstellung zu erreichen. Ein alle Wellenlängen enthaltender Spot landet in einer Position P der Eyebox. Der einfallende
Lichtstrahl 200, welcher polychromatisches Licht der Wellenlängen lΐ, l2 und l3 aufweist, fällt auf die Anordnung 180 der drei sRHOE 160. Im Gegensatz zur Ausführungsform der Figur 5, liegen jedoch die Wellenlängen lΐ, l2 und l3 weit auseinander. Der in Ausbreitungsrichtung gesehen erste sRHOE 160 wirkt nur auf die Wellenlänge lΐ, der in Ausbreitungsrichtung gesehen zweite sRHOE 160 wirkt nur auf die Wellenlänge l2 und der in Ausbreitungsrichtung gesehen dritte sRHOE 160 wirkt nur auf die Wellenlänge l3. Da der Abstand zwischen den einzelnen sRHOE 160 im Verhältnis wesentlich viel kleiner ist als hier dargestellt, können die ausfallenden Lichtstrahlen 204, 206 und 212 näherungsweise als ein paralleles Strahlenbündel, in dem Licht aller Wellenlängen überlagert ist, vergleichbar zum auf das Brillenglas 402 einfallenden Strahlenbündel, betrachtet werden. Die nahezu parallel ausfallenden Lichtstrahlen 204, 206 und 212 durchlaufen einen gemeinsamen Punkt P in der Eyebox und werden auf denselben Punkt auf der Netzhaut 110 des Benutzers abgebildet. Für den in Figur 7 wiedergegebenen Umfang dieses Konzeptes müssten die RHOE nicht schaltbar sein. Sollen solche Anordnungen jedoch so oft wie der Anzahl der zu bedienenden Eyeboxen entsprechend hintereinander geschaltet werden, ist die Schaltbarkeit erforderlich.
Figur 8 zeigt zwei Anordnungen 180 von jeweils drei hintereinander
angeordneten sRHOE 160, wobei zwei Anordnungen 180 gemäß einer
Ausführungsform der Erfindung in einer Projektionsvorrichtung 100 verwendet werden. Die Ausgangsform der Figur 8 dient einem polychromatischen Ansatz. Der einfallende Lichtstrahl 200, welcher polychromatisches Licht der
Wellenlängen lAI, lA2, lA3, lBI, lB2 und lB3 aufweist, fällt auf die beiden Anordnung 180.
Der in Ausbreitungsrichtung gesehen erste sRHOE 160 wirkt nur auf die
Wellenlänge lAI, der in Ausbreitungsrichtung gesehen zweite sRHOE 160 wirkt nur auf die Wellenlänge lA2, der in Ausbreitungsrichtung gesehen dritte sRHOE 160 wirkt nur auf die Wellenlänge lA3, der in Ausbreitungsrichtung gesehen vierte sRHOE 160 wirkt nur auf die Wellenlänge lBI, der in Ausbreitungsrichtung gesehen fünfte sRHOE 160 wirkt nur auf die Wellenlänge lB2 und der in Ausbreitungsrichtung gesehen sechste und letzte sRHOE 160 wirkt nur auf die Wellenlänge lB3. Die drei Wellenlängen lAI, lA2 und lA3, welche auf einem ersten Punkt Pi in einer ersten Eyebox abgebildet werden, sind RGB-Licht. Für die drei Wellenlängen lBI, lB2 und lB3, die auf einen zweiten Punkt P2 in einer zweiten Eyebox abgebildet werden, gilt dies entsprechend. lAI und lBI entsprechen einer roten Wellenlänge, lA2 und lB2 einer grünen Wellenlänge und lA3 und lB3 einer blauen Wellenlänge. Hierbei sind die sRHOE 160 so gestaltet, dass sie jeweils nur auf eine Wellenlänge, zum Beispiel die rote Wellenlänge lAI, und nicht auf die jeweils andere Wellenlänge derselben Farbe, zum Beispiel lBI, wirkt. Die Lichtstrahlen mit den drei Wellenlängen, welche die Punkte Pi oder P2 abgebildet werden, sind allernährend parallel. Es gilt sinngemäß dasselbe was für den Punkt P im Zusammenhang mit Figur 7 offenbart wurde.
Gemäß anderen Ausführungsformen können nicht nur zwei Anordnungen, sondern so viele wie technisch möglich sind hintereinander angeordnet werden. Dabei werden die sRHOE so gestaltet, dass sie in jeder Wiederholung auf leicht unterschiedliche Wellenlängen wirken. Der Farbeindruck für das menschliche Auge sollte aber - entweder, weil die verwendeten Wellenlängen so ähnlich sind, dass visuell kein Unterschied zu erkennen ist oder weil die Farbmischung softwareseitig entsprechend angepasst wird - in jeder Eyebox gleich sein. Die Anzahl an Eyeboxen, die parallel bedient werden können, ist so groß wie die Anzahl der verwendeten hintereinander angeordneten Anordnungen 180. Hierfür müssten die RHOE nicht schaltbar sein. Sollen solche Anordnungen jedoch mehrfach hintereinander angebracht werden, um eine größere Zahl an Eyeboxen sequentiell zu bedienen, ist die Schaltbarkeit erforderlich. Dann können sequentiell entsprechend mehr Eyeboxen parallel bedient werden.
Figur 9 zeigt eine schematische Darstellung einer pixelweisen HOE-Struktur, wobei jeder Pixel 170 eine andere Beugungsstruktur enthält. Jede Zeile enthält sechs Pixel 170. Die jeweils ersten Pixel 170 in jeder Zeile bedienen die erste Eyebox und die jeweils zweiten Pixel 170 in jeder Zeile bedienen die zweite Eyebox. Dies gilt entsprechend für die dritten, vierten, fünften und sechsten Pixel 170. Die Spotgröße des Strahlenbündels auf dem Brillenglas entspricht der Pixelgröße.
Figur 10 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:
eine Lichtquelle (104) zum Aussenden eines Lichtstrahls (106);
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 des einen Lichtstrahls (106) in Richtung einer Augenlinse (108) des Nutzers und/oder Fokussieren des einen Lichtstrahls (106); und
ein Reflexionselement (112) zum Reflektieren des Lichtstrahls (106) auf das
Umlenkelement (102);
gekennzeichnet dadurch, dass
das Umlenkelement (102) mindestens zwei hintereinander angeordnete RHOE (150) aufweist; und
mindestens ein RHOE (150) der mindestens zwei hintereinander angeordneten RHOE ein schaltbares RHOE (160) ist.
2. Projektionsvorrichtung (100) nach Anspruch 1,
gekennzeichnet dadurch, dass
ein Wellenlängenbereich eines RHOE (150) der mindestens zwei hintereinander angeordneten RHOE (150) und ein Wellenlängenbereich eines anderen RHOE (150) der mindestens zwei hintereinander
angeordneten RHOE sich nicht überlappen.
3. Projektionsvorrichtung (100) nach Anspruch 1 oder 2,
gekennzeichnet dadurch, dass
das Umlenkelement (102) an mindestens einem Pixel (170) des
Umlenkelements (102) mindestens zwei hintereinander angeordnete RHOE (150) aufweist.
4. Projektionsvorrichtung (100) nach einem der vorangegangen Ansprüche, gekennzeichnet dadurch,
dass die Lichtquelle (104) mindestens zwei unterschiedliche Wellenlängen verwendet; und
dass die Anzahl der mindestens zwei hintereinander angeordneten RHOE (150) mindestens so groß ist wie die Anzahl der mindestens zwei unterschiedlichen Wellenlängen; und
dass für jede Wellenlänge der mindestens zwei unterschiedlichen
Wellenlängen mindestens ein RHOE (150) existiert, das diese Wellenlänge reflektieren kann.
5. Projektionsvorrichtung (100) nach einem der vorangegangen Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass
mindestens zwei der mindestens zwei hintereinander angeordneten RHOE (150) eine Wellenlänge, welche in allen Wellenlängenbereichen der mindestens zwei der mindestens zwei hintereinander angeordneten RHOE (150) liegt, sequentiell benutzen.
6. Projektionsvorrichtung (100) nach Anspruch 4 oder 5,
gekennzeichnet dadurch,
dass die Lichtquelle (104) drei unterschiedliche Wellenlängen verwendet, dass der mindestens eine Pixel (170) des Umlenkelements (102) eine Anordnung (180) von drei hintereinander angeordneten RHOE (150) aufweist, welche jeweils unterschiedliche Wellenlängenbereiche aufweisen, wobei jeder Wellenlängenbereich jeweils eine der drei unterschiedlichen Wellenlängen aufweist, und
dass die drei unterschiedlichen Wellenlängen an dem Pixel (170) auf denselben Punkt auf der Netzhaut (110) reflektiert werden.
7. Projektionsvorrichtung (100) nach dem vorangegangenen Anspruch
gekennzeichnet dadurch,
dass der mindestens eine Pixel (170) des Umlenkelements (102) mindestens zwei Anordnungen (180) von jeweils drei hintereinander angeordneten RHOE (150) aufweist, dass die Lichtquelle (104) eine Anzahl von unterschiedlichen Wellenlängen verwendet, welche gleich der Anzahl der Anordnungen (180) multipliziert mit der Anzahl der verwendeten Wellenlängen ist,
dass die Wellenlängenbereiche einer Anordnung (180) und einer anderen
Anordnung (180) der mindestens zwei Anordnungen (180) sich nicht
überlappen,
dass die zu einer Anordnung (180) gehörenden drei unterschiedlichen
Wellenlängen an dem mindestens einen Pixel (170) jeweils auf denselben
Punkt auf der Netzhaut (110) reflektiert werden.
8. Projektionsvorrichtung (100) nach dem vorangegangenen Anspruch
gekennzeichnet dadurch, dass
eine zu einer Anordnung (180) gehörende Wellenlänge und eine zu einer anderen Anordnung (180) gehörende Wellenlänge bei einem Menschen
einen ununterscheidbaren Farbeindruck bewirken.
9. Datenbrille (400) mit folgenden Merkmalen:
einem Brillenglas (402); und
einer Projektionsvorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8,
wobei das Umlenkelement (102) am oder im Brillenglas (402) angeordnet ist.
10. Verfahren zum Betrieb einer Projektionsvorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Verfahren folgenden Schritt aufweist:
Umschalten mindestens eines RHOE (150) der mindestens zwei hintereinander angeordneten RHOE.
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