WO2020094479A1 - Brillenglas für datenbrille, datenbrille sowie verfahren zum betrieb eines brillenglases oder einer datenbrille - Google Patents

Brillenglas für datenbrille, datenbrille sowie verfahren zum betrieb eines brillenglases oder einer datenbrille Download PDF

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WO2020094479A1
WO2020094479A1 PCT/EP2019/079665 EP2019079665W WO2020094479A1 WO 2020094479 A1 WO2020094479 A1 WO 2020094479A1 EP 2019079665 W EP2019079665 W EP 2019079665W WO 2020094479 A1 WO2020094479 A1 WO 2020094479A1
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WO
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light beam
spectacle lens
data glasses
deflection element
mode
Prior art date
Application number
PCT/EP2019/079665
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English (en)
French (fr)
Inventor
Simone Hoeckh
Reinhold Fiess
Tobias Graf
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Publication date
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    • G02C—SPECTACLES; SUNGLASSES OR GOGGLES INSOFAR AS THEY HAVE THE SAME FEATURES AS SPECTACLES; CONTACT LENSES
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    • G02C7/10—Filters, e.g. for facilitating adaptation of the eyes to the dark; Sunglasses
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    • G02B27/0172—Head mounted characterised by optical features
    • G02B2027/0174—Head mounted characterised by optical features holographic

Definitions

  • the present invention relates to an eyeglass lens for data glasses, such data glasses and a method for operating such glasses or such data glasses.
  • HMD helmet-mounted or head-mounted
  • HWD head-worn displays
  • VR Virtual Reality
  • AR augmented reality
  • mixed reality devices offers interesting opportunities for situation-related and individualized information provision in work and everyday life. Due to high costs and bulky optics, HMDs are still primarily used in the military sector. However, civilian professional groups and consumers in everyday life and leisure can be of a handy and
  • HMDs Large-scale consumer products can be successfully placed on the market. A big challenge is 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 light, handy HMDs whose imaging and sensory system is kept as small as possible, which is why they are only limited
  • HMDs with relatively voluminous optics, possibly in combination with several sensors and cameras, which display more sophisticated images and interactions between the
  • a projection device for data glasses is disclosed in the document DE 2016 201 567 A1.
  • the projection device comprises one
  • Image generation unit for generating at least one first light beam representing first image information and a second light beam representing second image information.
  • the first light beam and the second light beam differ from one another in terms of beam divergence.
  • the first image information and the second image information differ from one another in terms of perceptible image sharpness.
  • the projection device comprises at least one deflection element which is designed to display the first image information using the first light beam within a first field of view of an eye and to display the second image information using the second light beam within a second field of vision of the eye located outside the first field of vision.
  • the spectacle lens is intended for use with data glasses.
  • Spectacle lenses have an electrochromic layer.
  • An electrochromic layer is understood here to mean a layer which changes a light transmission through the layer when a voltage is applied.
  • electrochromy is used to summarize the ability of molecules and crystals to change their optical properties through an external electrical field or a current flow. The basis is the
  • Examples are 3,4-polyethylene dioxythiophene PEDOT and polyaniline.
  • electrochromic materials are known which, if they are in contact with a suitable ion source, change their optical properties when an external potential is applied. Possible materials are, for example, tungsten oxide or the oxides of titanium, niobium, tantalum and molybdenum.
  • the switching process is reversible and can be reversed by an opposite voltage.
  • the transmittance can be changed by applying the voltage from transparent to a strongly colored state.
  • An electrochromic layer system can have the following basic structure.
  • a glass substrate is coated with a transparent, electrically conductive film (TCO).
  • TCO transparent, electrically conductive film
  • This film contains the actual electrochromic layer, which changes color when electrons from an external circuit and ions from the electrolyte are introduced.
  • the electrolyte consists of a film of organic or inorganic, electrically insulating material with high ionic conductivity.
  • the counter electrode is in contact with it, which in turn is usually applied to a glass pane with a conductive coating.
  • the ions required to switch the electrode are stored in it. Applying a voltage in a range of e.g. less than 5 V between the electrodes leads to
  • Electroless systems keep their coloring for many hours, so that energy is only consumed during the switching process.
  • Market-ready products that can be colored electrochromically are e.g. intelligent building glazing, switchable car windows and roofs as well as switchable mirrors for cars, which are made of reflective material on which an electrochromic layer system is applied. This can then be done by
  • electrochromic coating systems come in a wide variety of sizes (small mirrors to large-format building glazing) and also in large quantities are manufactured and are now also relatively inexpensive. This opens up other possible applications, such as switchable ski goggles or motorcycle helmets. Electrochromic eyeglass lenses are now on the market and they will also be used for HMDs in the future.
  • An electrochromic device changes the light transmission properties depending on a voltage and thus enables control over the amount of light and heat that passes through the device.
  • the electrochromic material changes its opacity: it changes between a transparent and a colored state. A surge is required to change its opacity. However, if the
  • Data glasses can be understood as an HMD.
  • the term data glasses should also be understood to mean video glasses, a helmet display or a VR helmet.
  • the spectacle lens is set up and designed to be used in an AR mode or in a PR mode in a first state, which has a first transmittance.
  • AR augmented reality
  • PR pure reality
  • the lens can be used for sunglasses.
  • the spectacle lens is set up and designed to be used in a VR mode in a second state, which has a second transmittance which is smaller than the first transmittance.
  • the term VR stands for virtual reality (VR).
  • the first transmittance is greater than the second transmittance, since when using the glasses in VR mode or VR mode, the environment should preferably no longer be perceived. In VR mode, this means that the user of the data glasses or the spectacle lens can preferably not see anything through the spectacle lens.
  • the second transmittance is preferably partially transparent, particularly preferably impervious. In AR operation, it is necessary that the user can see something through the data glasses or through the glasses. It is therefore preferred that the first transmittance is partially transparent, particularly preferably transparent.
  • the spectacle lens and data glasses with such a spectacle lens have the advantage of a multifunctional system which has an increased number of possible uses.
  • the advantages of AR data glasses and VR data glasses are combined in a single pair of data glasses. Furthermore, a user does not have to switch between AR and VR data glasses.
  • the electrochromic layer system also has the advantage that only small voltages of less than 5 volts are required for controllable switching.
  • the overall system is very efficient because the electrochromic layer system only requires energy when switching.
  • HMDs on the market usually have a very limited range of functions. They are usually either VR or AR devices and usually do not offer any additional functions such as sunglasses, e.g. can be disadvantageous when used in outdoor sports.
  • a major weakness of today's HMDs is their size and weight. They look beefy and unattractive and offer limited comfort.
  • the spectacle lens can be switched between the first and the second transmittance. This means that you can switch between AR mode and VR mode.
  • the spectacle lens and data glasses with such a spectacle lens thus advantageously combine the advantages of AR data glasses and VR data glasses.
  • a change in the transmittance of the spectacle lens can thus be achieved by an easily realizable electrical switchover.
  • a low transmission level, at which the environment is no longer perceived by the user, is necessary for VR operation, a higher one
  • the degree of transmission at which the environment is perceived by the user is necessary for AR operation.
  • the spectacle lens has a VR deflection element which is used to project an image onto a retina of a user of the data glasses by deflecting a light beam in the direction of an eye lens of the user and / or focusing the light beam.
  • the VR deflection element is used here in VR mode. This advantageously ensures that the spectacle lens can be deflected to the eye of the user by a light beam which strikes the VR deflection element and, for example, only interacts with the VR deflection element.
  • the light beam can preferably be a laser beam. This is preferably generated by a laser source.
  • the deflecting element can e.g. a holographic element or a
  • a holographic element can be understood to mean, for example, a holographically optical component, or HOE for short, which, for example, can perform the function of a lens, a mirror or a prism.
  • HOE holographically optical component
  • the holographic element can be selective for certain colors and angles of incidence.
  • the holographic element can perform optical functions that can be imaged into the holographic element using simple point light sources.
  • the holographic element can be produced very inexpensively.
  • the holographic element can be transparent. This allows
  • Image information is overlaid with the environment.
  • a light beam can thus be directed onto a retina of a wearer
  • Data glasses are directed so that the wearer perceives a sharp virtual image.
  • the image can be written directly onto the retina by scanning a laser beam via a micromirror and the holographic element.
  • Such a projection device can take up little space
  • a flat display element such as e.g. an LCD or DMD based system. Furthermore, a particularly large depth of field can be achieved.
  • the deflection behavior on the surface of the holographic element is different at every point.
  • the angle of incidence is generally not the same as the angle of reflection.
  • the portion of the surface of the holographic element that serves to redirect the light beam to a user's eye is called a functional region
  • Freeform mirrors can be realized.
  • an ellipsoid segment can be interpreted as a free-form mirror that focuses light from a point source in the first focal point into the second focal point.
  • the surface normal of such a free-form mirror changes locally, since the reflection law must apply locally here.
  • a comparable optical function can be realized with a volume hologram on a flat substrate. In In this case, the surface normal remains constant over the entire substrate surface. Instead, the lattice vector of the local Bragg structure changes over the substrate.
  • the spectacle lens has an AR deflection element, which allows the projection of an image onto a retina of a user of the data glasses by deflecting the one light beam in the direction of an eye lens of the user and / or focusing the one
  • the AR deflecting element is used in AR mode. This advantageously ensures that the spectacle lens can be deflected to the eye of the user by a light beam which strikes the AR deflecting element and, for example, only interacts with the VR deflecting element.
  • the conical space is deflected and thus scanned over the lens as a deflecting element.
  • the incident light In order to generate an image on the retina using this scanning movement, the incident light must be deflected locally by the deflecting element in order to produce a second cone, the vertex of which preferably coincides with the pupil of the eye under observation in order to generate a maximum angular range.
  • Deflection elements preferably as HOE.
  • the VR deflecting element and / or the AR deflecting element thus preferably each have an HOE or consist of one.
  • Volume holograms is also the wavelength selectivity, which allows a holographic surface to be scanned with light of different wavelengths and the effect of the deflector to be interpreted in a wavelength-specific manner by combining different holographic structures.
  • a laser-based retina scanner In contrast to most other concepts, this does not become an illustration Optics are used that display an image of a display surface in the user's field of vision via an imaging system. Instead, a beam is generated here by means of at least one, in the case of polychromatic systems also by means of several laser sources, which can be directed via a MEMS (Micro-Electro-Mechanical-System) mirror and can be scanned by deflecting the mirror over the retina. Due to the latency in the human visual system, the impression of a flat image or of superimposed image contents can thus be generated by specifically controlling the mirror and laser source.
  • MEMS Micro-Electro-Mechanical-System
  • One way of realizing a full-color RSD is to use light of several colors, e.g. red, green and blue, to form a beam that then falls on the MEMS mirror.
  • light of several colors e.g. red, green and blue
  • Light sources synchronized with the movement of the mirror One way to operate the eye from any direction is to create multiple eye boxes. This can e.g. can be achieved by using wavelength-specific deflection elements applied to the spectacle lens. For this, per color, e.g. red, green and blue, as many different wavelengths are used as eye boxes are to be created. The wavelengths for a color should be so similar that they are not visually too
  • the spectacle lens is designed and set up, the first transmittance and / or the second
  • the spectacle lens or the control device of the spectacle lens can be designed so that the adjustment is carried out automatically, manually or in combination.
  • a sensor such as a photodiode
  • devices can be attached which enable the user to change the automatically set brightness.
  • the control unit of the spectacle lens could also be able to get to know and save the preferences of the user and to take them into account during the automatic setting.
  • the spectacle lens has a layer for generating electrical current for supplying or supporting an energy requirement of the data glasses.
  • the layer has at least one transparent solar cell.
  • the at least one solar cell is preferably an organic solar cell. This advantageously results in a power saving for the power supply to the spectacle lens.
  • the data glasses have a first light source for emitting a first light beam, a second light source for emitting a second light beam and a reflection element for reflecting the first light beam and the second light beam onto the spectacle lens.
  • a light source can 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 several such light-emitting elements will.
  • the light source can be designed to emit light of different wavelengths.
  • the light beam can be used to
  • An eyeglass lens can be understood to mean a pane element made of a transparent material such as glass or plastic.
  • the spectacle lens can be shaped, for example, as a correction lens or have a tint for filtering light of specific wavelengths, such as UV light.
  • a light beam in the paraxial approximation can also be understood as a Gaussian beam.
  • a reflection element can be understood to mean, for example, a mirror, in particular a micromirror or an array of micromirrors, or a hologram.
  • a beam path of the light beam can be adapted to given spatial conditions by means of the reflection element.
  • the reflection element can be implemented as a micromirror.
  • the micromirror can be designed to be movable, for example have a mirror surface that 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 that
  • Reflection element is designed 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 across the surface, in particular approximately in rows and columns, with the light beam.
  • the reflection element can be a mirror with a deformable surface. This has the advantage that the reflection element can not only deflect the light beam, but can 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 first light beam is reflected by the AR deflection element and the second light beam by the VR deflection element.
  • This also serves on the lens of the data glasses arranged or arrangeable VR deflection element projecting an image onto a retina of a user of the data glasses by deflecting the second light beam in the direction of a user's eye lens and / or by focusing the second light beam, and the AR arranged or arranged on the glasses of the data glasses Deflecting element projecting an image onto a retina of a user of the data glasses by deflecting the first light beam in the direction of an eye lens of the user and / or by focusing the first light beam.
  • the AR deflecting element is used in AR mode and the VR deflecting element in VR mode.
  • the spectra of the first and second light beam and the AR deflecting element and the VR deflecting element are such that the first
  • Light beam interacts with the AR deflecting element, but does not interact with the VR deflecting element and the second light beam interacts with the VR deflecting element, but not with the AR deflecting element.
  • This advantageously ensures that the function of the AR mode is performed by the AR deflecting element and the first light beam and the function of the VR mode is performed by the VR deflecting element and the second light beam and thus the functions of the AR mode and the VR mode are separated from each other. It is therefore preferred that only the first light source and not the second light source is used in AR operation. It is also preferred that only the second light source and not the first light source is used in VR operation.
  • Such data glasses can be used in a VR operation in which only the second
  • Light source is used and interacts with the VR deflecting element, in an AR mode in which only the first light source is used and interacts with the AR deflecting element, and in a VR mode in which no light source is used.
  • Eyeglass lens as well as the advantages of the three above different operating modes (AR, VR, PR operation) can be used.
  • the data glasses furthermore have a third light source for emitting a third light beam and a fourth light source for emitting a fourth light beam, a second AR deflecting element and a second VR deflecting element.
  • the first light source, the second light source, the AR deflection element and the VR deflection element operate a first eyebox and operate the third light source, the fourth light source, the second AR deflection element and the second VR deflection element a second eyebox.
  • the third light beam is reflected by the second AR deflection element and the fourth light beam by the second VR deflection element.
  • the spectra of the third and fourth light beams and the second AR deflection element and the second VR deflection element are such that the third light beam interacts with the second AR deflection element, but not with the second VR deflection element and the fourth light beam with the second VR deflection element interacts, but not with the second AR deflection element.
  • Redirection structures can be used. If polychromatic, for example with RGB light, is used, then two light sources and two are used for each color or wavelength used
  • the method is used to operate an eyeglass lens described above or to operate data glasses described above.
  • a switch is made from AR mode or from PR mode to VR mode or from VR mode to AR mode or PR mode.
  • the lens is in a first state, which is a first
  • Has transmittance can be used in an AR operation or in a PR operation, and the spectacle lens in a second state, which has a second transmittance, which is smaller than the first
  • Transmittance can be used in a VR operation.
  • Deflection structure works.
  • the design of the VR deflection structure influences the distance at which the user perceives the displayed image content, at least when viewed monoscopically. In stereo mode can
  • the depth indication of the binocular disparity can advantageously also be used to convey depth information.
  • Figure 1 shows a schematic representation of a spectacle lens for a
  • FIG. 2 shows a schematic illustration of an electrochromic layer as used in an eyeglass lens or data glasses in accordance with embodiments of the invention.
  • FIG. 3 shows a schematic illustration of data glasses according to one embodiment.
  • FIG. 1 shows an eyeglass lens 402 for data glasses, the data glasses being shown in FIG. 2.
  • the spectacle lens 402 has an electrochromic layer 404. Furthermore, the spectacle lens 402 has a layer 410 which has transparent organic solar cells in order to support the energy supply of the data glasses. Layer 410 points away from the user of the data glasses, so that sunlight can be captured well.
  • a deflection layer 130 which has a VR deflection element 406 and an AR deflection element 408, the AR deflection element 408 being closer to the user's eye.
  • the VR deflection element 406 and the AR deflection element 408 are designed such that a first light beam 166 only from the AR deflection element 408, but not from the VR deflection element 406 and a second light beam 167 only from the VR deflection element 406 and not from the AR Deflection element 408 is reflected.
  • the spectacle lens 402 in particular the electrochromic layer 404, is transparent and is used in an AR mode.
  • the spectacle lens 402 In a second state, the spectacle lens 402 is opaque, that is to say not transparent, and is used in a VR mode.
  • the different transmittance of the Spectacle lenses 402 can be achieved by applying different voltages to the electrochromic layer 404. This is explained in more detail in FIG. 2.
  • FIG. 2 shows a basic structure of the electrochromic layer 404, which can also be referred to as an electrochromic window.
  • the electrochromic layer 404 itself consists of a multilayer system in which a coloring electrode, namely an actual electrochromic layer 420, is separated from an ion storage layer 424 by an ion conductor 422.
  • the structure of the electrochromic layer 404 is described from right to left.
  • a substrate 414 realized as a glass pane is coated with a transparent, electrically conductive film (TCO) 416.
  • TCO transparent, electrically conductive film
  • the actual electrochromic layer 420 is located on the conductive film 416 and is colored when electrons from the external circuit and ions from the ion conductor 422 are introduced.
  • the ion conductor 422 is alternatively also called an electrolyte.
  • the ion conductor 422 has a film of organic or inorganic, electrically insulating material with high ionic conductivity.
  • the ion storage layer 424 which acts as a counterelectrode and is in contact with the ion conductor 422, is in turn applied to a substrate 414 with a conductive coating 416 realized by a further glass pane.
  • the ions required for switching the electrode are stored in the ion storage layer 424. It is optimal for the switching properties of the overall system if the counter electrode is complementary
  • Coatings 416 functioning as electrodes lead to an ion exchange between the layers, which results in a change in the optical properties of the overall system.
  • the switching time until complete dyeing or decolorization is in the range of up to 10 minutes for most material combinations. Electroless cells last for many hours so that energy is only consumed during the switching process.
  • FIG. 3 shows data glasses 400 which have a projection device 100 and a spectacle lens 402.
  • the spectacle lens 402 has the electrochromic layer 404 and the layer 410, which has transparent organic solar cells in order to support the energy supply of the data glasses.
  • Projection device 100 has a light source 104 arranged in a housing 105, a collimation element 114, a reflection element 112 and a deflection layer 130.
  • the deflection layer 130 has the VR deflection element 406 and the AR deflection element 408. Both the VR deflection element 406 and the AR deflection element 408 are designed as HOE.
  • a light beam 106 emitted by a 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 light source 104 can emit a first light beam and a second light beam between them
  • FIG. 3 shows only a single light beam, namely light beam 106.
  • Reflection element 112 deflects the light beam 106 in the direction of the deflection layer 130.
  • the deflection layer 130 is applied to the spectacle lens 402, namely on the electrochromic layer 404. If the first light beam strikes the deflection layer 130, it is deflected by the AR deflection element 408 in the direction of the user's eye. If the second light beam hits the
  • Deflection layer 130 falls, it is deflected by the VR deflection element 406 in the direction of the user's eye.
  • the light beam 106 deflected by the deflection layer 130 then strikes an eye lens 108 of the eye, from where 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 fastened to the spectacle frame 120.
  • the collimation element 114 is arranged at the output of the housing 105.
  • the light source 104, the collimation element 114 and the reflection element 112 can be accommodated in a common housing (not shown), the one reflected by the reflection element 112
  • Light beam 106 is coupled out through a window arranged on one side of the housing.
  • This housing can be attached to the eyeglass temple 118 or the eyeglass frame 120.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brillenglas (402) für eine Datenbrille (400). Das Brillenglas (402) weist eine elektrochrome Schicht (404) auf, wobei das Brillenglas (402) eingerichtet und ausgeführt ist, in einem ersten Zustand, welcher einen ersten Transmissionsgrad aufweist, in einem AR- Betrieb oder in einem PR- Betrieb verwendet zu werden, und in einem zweiten Zustand, welcher einen zweiten Transmissionsgrad aufweist, welcher kleiner als der erste Transmissionsgrad ist, in einem VR- Betrieb verwendet zu werden. Ferner betrifft die Erfindung eine Datenbrille (400), welche aufweist: ein Brillenglas (402); eine erste Lichtquelle zum Aussenden eines ersten Lichtstrahls (166); eine zweite Lichtquelle zum Aussenden eines zweiten Lichtstrahls (167); wobei der erste Lichtstrahl (106) vom AR-Umlenkelement (408) und der zweite Lichtstrahl (167) vom VR-Umlenkelement (406) reflektiert wird; wobei das an dem Brillenglas (402) der Datenbrille (400) angeordnete oder anordenbare VR-Umlenkelement (406) zum Projizieren eines Bilds auf eine Netzhaut (110) eines Nutzers der Datenbrille (400) durch Umlenken des zweiten Lichtstrahls (107) in Richtung einer Augenlinse (108) des Nutzers und/oder durch Fokussieren des zweiten Lichtstrahls (167) dient; wobei das an dem Brillenglas (402) der Datenbrille (400) angeordnete oder anordenbare AR-Umlenkelement (408) zum Projizieren eines Bilds auf eine Netzhaut (110) eines Nutzers der Datenbrille (400) durch Umlenken des ersten Lichtstrahls (106) in Richtung einer Augenlinse (108) des Nutzers und/oder durch Fokussieren des ersten Lichtstrahls (166) dient; und wobei das AR-Umlenkelement (408) im AR- Betrieb und das VR-Umlenkelement (406) im VR-Betrieb benutzt wird; und ein Reflexionselement (112) zum Reflektieren des ersten Lichtstrahls (166) und des zweiten Lichtstrahls (167) auf das Brillenglas (402).

Description

Beschreibung
Titel
Brillenglas für Datenbrille, Datenbrille sowie Verfahren zum Betrieb eines
Brillenglases oder einer Datenbrille
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brillenglas für eine Datenbrille, eine solche Datenbrille sowie ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Brillenglases oder einer solchen Datenbrille.
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 ist 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.
In der Druckschrift DE 2016 201 567 Al ist eine Projektionsvorrichtung für eine Datenbrille offenbart. Die Projektionsvorrichtung umfasst eine
Bilderzeugungseinheit zum Erzeugen zumindest eines eine erste Bildinformation repräsentierenden ersten Lichtstrahls und eines eine zweite Bildinformation repräsentierenden zweiten Lichtstrahls. Der erste Lichtstrahl und der zweite Lichtstrahl unterscheiden sich hinsichtlich einer Strahldivergenz voneinander.
Des Weiteren unterscheiden sich die erste Bildinformation und die zweite Bildinformation hinsichtlich einer wahrnehmbaren Bildschärfe voneinander.
Ferner umfasst die Projektionsvorrichtung zumindest ein Umlenkelement, das ausgebildet ist, um die erste Bildinformation unter Verwendung des ersten Lichtstrahls innerhalb eines ersten Sichtbereichs eines Auges darzustellen und die zweite Bildinformation unter Verwendung des zweiten Lichtstrahls innerhalb eines außerhalb des ersten Sichtbereichs befindlichen zweiten Sichtbereichs des Auges darzustellen.
Offenbarung der Erfindung
Das Brillenglas ist zur Benutzung mit einer Datenbrille vorgesehen. Das
Brillenglas weist eine elektrochrome Schicht auf.
Unter einer elektrochromen Schicht wird hierbei eine Schicht verstanden, welche bei Anlegen einer Spannung eine Lichttransmission durch die Schicht verändert. Unter dem Begriff Elektrochromie fasst man die Fähigkeit von Molekülen und Kristallen zusammen, ihre optischen Eigenschaften durch ein äußeres elektrisches Feld oder einen Stromfluss zu ändern. Grundlage bildet die
Beeinflussung von Elektronenzuständen (Redoxreaktion). Typischerweise findet man starke elektrochrome Effekte bei einigen Übergangsmetalloxiden z. B. Wolframoxid, Komplexverbindungen z. B. Berliner Blau und bei einigen leitfähigen Polymeren. Bei leitfähigen Polymeren kann das Polymergerüst reversibel elektrochemisch oxidiert und reduziert werden, bei dünnen Schichten ist die Farbe des leitfähigen Polymers vom Oxidationszustand abhängig
Beispiele sind 3,4-Polyethylendioxythiophen PEDOT und Polyanilin. Im Stand der Technik sind elektrochrome Materialien bekannt, welche, falls sie sich mit einer geeigneten lonenquelle in Kontakt befinden, ihre optischen Eigenschaften beim Anlegen eines externen Potentials ändern. Mögliche Materialien sind z.B. Wolframoxid oder die Oxide von Titan, Niob, Tantal und Molybdän. Der Schaltvorgang ist hierbei reversibel und lässt sich durch eine entgegengesetzte Spannung umkehren. Der Transmissionsgrad lässt sich durch das Anlegen der Spannung von transparent bis hin zu einem stark gefärbten Zustand ändern.
Ein elektrochromes Schichtsystem kann folgenden prinzipiellen Aufbau besitzen. Ein Glassubstrat ist mit einem transparenten, elektrisch leitfähigen Film (engl: transparent conductive oxide, TCO) beschichtet. Auf diesem Film befindet sich die eigentliche elektrochrome Schicht, die sich beim Einbringen von Elektronen aus einem externen Stromkreis und von Ionen aus dem Elektrolyten färbt. Der Elektrolyt besteht aus einem Film organischen oder anorganischen, elektrisch isolierenden Materials mit hoher lonenleitfähigkeit. Mit ihm in Kontakt befindet sich die Gegenelektrode, die wiederum meist auf einer Glasscheibe mit leitfähiger Beschichtung aufgebracht ist. In ihr werden die zum Schalten der Elektrode benötigten Ionen gespeichert. Das Anlegen einer Spannung in einem Bereich von z.B. kleiner als 5 V zwischen den Elektroden führt zum
lonenaustausch zwischen den Schichten, welcher eine Änderung der optischen Eigenschaften des Gesamtsystems zur Folge hat. Stromlose Systeme halten ihre Einfärbung über viele Stunden, so dass nur beim Schaltvorgang selbst Energie verbraucht wird.
Marktreife Produkte, welche elektrochrom einfärbbar sind, sind z.B. intelligente Gebäudeverglasungen, schaltbare Autoscheiben und -dächer sowie schaltbare Spiegel für Autos, die aus reflektierendem Material bestehen, auf dem ein elektrochromes Schichtsystem aufgebracht ist. Dieses kann dann durch
Modulation seines Transmissionsgrades den Reflexionsgrad des
Gesamtsystems verändern.
Dies bedeutet, dass elektrochrome Schichtsysteme schon in unterschiedlichsten Größen (kleine Spiegel bis großformatige Gebäudeverglasung) und auch in hohen Stückzahlen hergestellt werden und sind damit inzwischen auch relativ kostengünstig sind. Damit erschließen sich insbesondere auch weitere mögliche Anwendungen wie z.B. schaltbare Skibrillen oder Motorradhelme. Elektrochrome Brillengläser sind inzwischen auf dem Markt, und sie sollen zukünftig auch für HMDs eingesetzt werden.
Eine elektrochrome Vorrichtung ändert die Lichttransmissionseigenschaften in Abhängigkeit von einer Spannung und ermöglicht somit eine Kontrolle über die Menge an Licht und Wärme, die durch die Vorrichtung tritt. In einem
elektrochromen Fenster ändert das elektrochrome Material seine Opazität: es wechselt zwischen einem transparenten und einem gefärbten Zustand. Ein Stromstoß ist erforderlich, um seine Opazität zu ändern. Falls jedoch die
Änderung durchgeführt worden ist, wird kein Strom mehr benötigt, um den bestimmten Farbton, der erreicht wurde, aufrechtzuerhalten.
Unter einer Datenbrille kann ein HMD verstanden werden. Unter dem Begriff Datenbrille soll ebenfalls eine Videobrille, ein Helmdisplay oder ein VR-Helm verstanden werden.
Das Brillenglas ist eingerichtet und ausgeführt, in einem ersten Zustand, welcher einen ersten Transmissionsgrad aufweist, in einem AR- Betrieb oder in einem PR-Betrieb verwendet zu werden. Der Begriff AR steht hierbei für die erweiterte Realität (engl: augmented reality, AR), und der Begriff PR steht hierbei für„pure reality“, d.h. für einen Zustand, in dem die Lichtquellen abgeschaltet sind und das System eine normale, insbesondere refraktive, Brille ist. Im PR-Zustand kann das Brillenglas für eine Sonnenbrille verwendet werden. Bei weiteren
Ausführungsformen kann ein elektrochromes Glas bei entsprechender
Ausgestaltung auch farbig geschaltet werden.
Ferner ist das Brillenglas eingerichtet und ausgeführt, in einem zweiten Zustand, welcher einen zweiten Transmissionsgrad aufweist, welcher kleiner als der erste Transmissionsgrad ist, in einem VR- Betrieb verwendet zu werden. Hierbei steht der Begriff VR für virtuelle Realität (engl: virtual reality, VR). Hierbei ist der erste Transmissionsgrad größer als der zweite Transmissionsgrad, da bei Verwendung der Brille im VR-Betrieb oder VR-Modus bevorzugt die Umwelt nicht mehr wahrgenommen werden soll. Das heißt im VR-Betrieb kann der Nutzer der Datenbrille bzw. des Brillenglases bevorzugt nichts durch das Brillenglas erkennen. Der zweite Transmissionsgrad ist bevorzugt teildurchlässig, besonders bevorzugt undurchlässig. Im AR-Betrieb es ist nötig, dass der Nutzer etwas durch die Datenbrille oder durch das Brillenglas erkennen kann. Somit ist es bevorzugt, dass der erste Transmissionsgrad teildurchlässig, besonders bevorzugt transparent ist.
Das Brillenglas sowie eine Datenbrille mit einem solchen Brillenglas haben den Vorteil eines multifunktionalen Systems, welches eine erhöhte Anzahl von Anwendungsmöglichkeiten aufweist. Es werden die Vorteile einer AR-Datenbrille und einer VR-Datenbrille in einer einzigen Datenbrille vereinigt. Ferner muss ein Nutzer nicht zwischen einer AR- und einer VR-Datenbrille wechseln.
Ferner hat das elektrochrome Schichtsystem den Vorteil, dass zur steuerbaren Umschaltung lediglich kleine Spannungen kleiner als 5 Volt benötigt werden. Das Gesamtsystem ist sehr effizient, da das elektrochrome Schichtsystem lediglich beim Umschalten Energie benötigt.
Auf dem Markt befindliche HMDs haben üblicherweise einen sehr begrenzten Funktionsumfang. Sie sind üblicherweise entweder VR- oder AR-Geräte und bieten normalerweise keine Zusatzfunktionen wie die einer Sonnenbrille, was z.B. beim Einsatz im Outdoor-Sport nachteilig sein kann. Zusätzlich besteht eine große Schwäche heutiger HMDs in ihrer Größe und ihrem Gewicht. Sie wirken bullig und unattraktiv und bieten einen eingeschränkten Tragekomfort. Das Brillenglas kann zwischen dem ersten und den zweiten Transmissionsgrad umgeschaltet werden. Dies bedeutet, dass zwischen dem AR-Betrieb und dem VR-Betrieb umgeschaltet werden kann. Das Brillenglas sowie eine Datenbrille mit einem solchen Brillenglas vereinen somit vorteilhafterweise die Vorteile einer AR- Datenbrille und einer VR-Datenbrille.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform stellt sich durch Anlegen eines ersten Potentials an die elektrochrome Schicht in der elektrochromen Schicht der erste Transmissionsgrad ein und durch Anlegen eines zweiten Potenzials an die elektrochrome Schicht in der elektrochromen Schicht der zweite
Transmissionsgrad ein.
Somit kann durch ein einfach realisierbares elektrisches Umschalten eine Änderung des Transmissionsgrads des Brillenglases erreicht werden. Ein niedriger Transmissionsgrad, bei dem die Umwelt vom Nutzer nicht mehr wahrgenommen wird, ist für den VR-Betrieb notwendig, ein höherer
Transmissionsgrad, bei dem die Umwelt vom Nutzer wahrgenommen wird, ist für den AR-Betrieb notwendig.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das Brillenglas ein VR-Umlenkelement auf, welches einem Projizieren eines Bilds auf eine Netzhaut eines Nutzers der Datenbrille durch Umlenken eines Lichtstrahls in Richtung einer Augenlinse des Nutzers und/oder Fokussieren des Lichtstrahls dient.
Hierbei wird das VR-Umlenkelement im VR-Betrieb benutzt. Hierdurch wird vorteilhafterweise erreicht, dass das Brillenglas einen Lichtstrahl, welcher auf das VR-Umlenkelement trifft und zum Beispiel nur mit dem VR-Umlenkelement wechselwirkt, zum Auge des Nutzers umgelenkt werden kann.
Der Lichtstrahl kann bevorzugt ein Laserstrahl sein. Dieser wird bevorzugt durch eine Laserquelle erzeugt.
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.
Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das Brillenglas ein AR-Umlenkelement auf, welches einem 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 dient. Hierbei wird das AR-Umlenkelement im AR-Betrieb benutzt. Hierdurch wird vorteilhafterweise erreicht, dass das Brillenglas einen Lichtstrahl, welcher auf das AR-Umlenkelement trifft und zum Beispiel nur mit dem VR- Umlenkelement wechselwirkt, zum Auge des Nutzers umgelenkt werden kann.
Bei Datenbrillen ist es die Regel, dass das Licht von einem Reflexionselement, zum Beispiel einem Mikrospiegel, durch eine Scanbewegung in einen
kegelförmigen Raumbereich abgelenkt und dadurch über das Brillenglas als Umlenkelement gescannt wird. Um nun durch diese Scanbewegung ein Bild auf der Netzhaut zu erzeugen, muss das einfallende Licht vom Umlenkelement lokal abgelenkt werden, um einen zweiten Kegel zu erzeugen, dessen Vertex vorzugsweise mit der Pupille des betrachtenden Auges zusammenfällt, um einen maximalen Winkelbereich zu erzeugen. Da die erforderlichen
Ablenkungsrichtungen sowohl bei planparallelen, d.h. neutralen, Gläsern als auch bei gekrümmten Gläsern, z.B. Korrekturgläsern, von der Winkelbedingung des Reflexionsgesetzes abweichen können, erfolgt die Umsetzung der
Umlenkelemente vorzugsweise als HOE. Das VR-Umlenkelement und/oder das AR-Umlenkelement weisen somit bevorzugt jeweils ein HOE auf oder bestehen jeweils aus einem solchen. Ein weiterer Vorteil bei der Verwendung von
Volumenhologrammen ist zudem die Wellenlängenselektivität, die es erlaubt eine holographische Fläche mit Licht verschiedener Wellenlängen abzuscannen und die Wirkung des Umlenkers durch Kombination verschiedener holographischer Strukturen wellenlängenspezifisch auszulegen.
Ein Ansatz, um anspruchsvolle Bildgebung mit einer möglichst platzsparenden Bauform zu realisieren, besteht in einem laserbasierten Retinascanner. 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 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.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Brillenglas ausgeführt und eingerichtet, den ersten Transmissionsgrad und/oder den zweiten
Transmissionsgrad automatisch oder manuell einzustellen.
Diese Möglichkeiten bieten nicht nur im Hinblick auf Ästhetik und modische Aspekte Designfreiheiten, sie ermöglichen es auch, das Brillenglas adaptiv auszugestalten. Es kann sowohl an die Sehsituation als auch an den Nutzer und sein momentanes Befinden individuell angepasst werden. Dabei kann das Brillenglas bzw. das Steuergerät des Brillenglases so ausgelegt werden, dass die Anpassung automatisch, manuell gesteuert oder in Kombination daraus erfolgt. Beispielsweise kann ein Sensor, z.B. eine Fotodiode, eingesetzt werden, um die Umgebungshelligkeit zu bestimmen und die Brille im AR- und PR-Betrieb entsprechend automatisch abzudunkeln. Gleichzeitig können Vorrichtungen angebracht werden, die es dem Nutzer ermöglichen, die automatisch eingestellte Helligkeit zu ändern. Dabei könnte das Steuergerät des Brillenglases auch in der Lage sein, die Präferenzen des Nutzers kennenzulernen und zu speichern und bereits bei der automatischen Einstellung zu berücksichtigen.
Diese Adaptionsmöglichkeiten können nicht nur den Tragekomfort erhöhen, sondern auch sicherheitsrelevant sein. Beispielsweise können Blendeffekte vermieden werden, indem bei einer schnellen Erhöhung einer Intensität eines einfallenden Lichtstrahls der Transmissionsgrad so schnell erniedrigt wird, dass der Nutzer nicht geblendet wird. Durch eine passende Einfärbung kann möglicherweise das Kontrastsehen verbessert werden. Außerdem ergeben sich Möglichkeiten zur Energieersparnis, wenn im AR-Betrieb teilweise abgedunkelt wird. Die Lichtquellen sind dann weniger hell, um gegen einen hellen Hintergrund die einzublendenden Informationen gut sichtbar darzustellen.
Somit besteht vorteilhafterweise eine erhöhte Sicherheit durch die erweiterte Anpassungsmöglichkeit. Hierbei geschehen weniger Unfälle durch Blendung.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Brillenglas eine Schicht zur Erzeugung von elektrischem Strom zur Versorgung oder Unterstützung eines Energiebedarfs der Datenbrille auf. Hierbei weist die Schicht mindestens eine transparente Solarzelle auf. Bevorzugt ist die mindestens eine Solarzelle eine organische Solarzelle. Hierdurch wird vorteilhafterweise eine Stromersparnis der Stromversorgung des Brillenglases erreicht.
Die Datenbrille weist neben einem oben genannten Brillenglas eine erste Lichtquelle zum Aussenden eines ersten Lichtstrahls, eine zweite Lichtquelle zum Aussenden eines zweiten Lichtstrahls und ein Reflexionselement zum Reflektieren des ersten Lichtstrahls und des zweiten Lichtstrahls auf das Brillenglas auf.
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.
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.
Hierbei werden der erste Lichtstrahl vom AR-Umlenkelement und der zweite Lichtstrahl vom VR-Umlenkelement reflektiert. Ferner dient das am Brillenglas der Datenbrille angeordnete oder anordenbare VR-Umlenkelement einem Projizieren eines Bilds auf eine Netzhaut eines Nutzers der Datenbrille durch Umlenken des zweiten Lichtstrahls in Richtung einer Augenlinse des Nutzers und/oder durch Fokussieren des zweiten Lichtstrahls, und das an dem Brillenglas der Datenbrille angeordnete oder anordenbare AR-Umlenkelement einem Projizieren eines Bilds auf eine Netzhaut eines Nutzers der Datenbrille durch Umlenken des ersten Lichtstrahls in Richtung einer Augenlinse des Nutzers und/oder durch Fokussieren des ersten Lichtstrahls .
Darüber hinaus wird das AR-Umlenkelement im AR-Betrieb und das VR- Umlenkelement im VR-Betrieb benutzt.
Hierbei sind die Spektren des ersten und zweiten Lichtstrahls sowie das AR- Umlenkelement und das VR-Umlenkelement dergestalt, dass der erste
Lichtstrahl mit dem AR-Umlenkelement wechselwirkt, jedoch nicht mit dem VR- Umlenkelement und der zweite Lichtstrahl mit dem VR-Umlenkelement wechselwirkt, jedoch nicht mit dem AR-Umlenkelement. Hierdurch wird vorteilhafterweise erreicht, dass die Funktion des AR-Betriebs vom AR- Umlenkelement und dem ersten Lichtstrahl und die Funktion des VR-Betriebs vom VR-Umlenkelement und dem zweiten Lichtstrahl bewerkstelligt wird und somit die Funktionen des AR-Betriebs und des VR-Betriebs voneinander getrennt sind. Somit ist es bevorzugt, dass im AR-Betrieb nur die erste Lichtquelle und nicht die zweite Lichtquelle verwendet wird. Er wird ebenso bevorzugt, dass im VR- Betrieb nur die zweite Lichtquelle und nicht die erste Lichtquelle verwendet wird.
Eine solche Datenbrille kann in einem VR-Betrieb, in dem nur die zweite
Lichtquelle verwendet wird und mit dem VR-Umlenkelement wechselwirkt, in einem AR-Betrieb, in dem nur die erste Lichtquelle verwendet wird und mit dem AR-Umlenkelement wechselwirkt, sowie in einem VR-Betrieb, bei dem keine Lichtquelle verwendet wird, benutzt werden.
Die Datenbrille weist somit dieselben Vorteile auf wie das oben genannte
Brillenglas sowie ferner die Vorteile, dass die drei oben genannten unterschiedlichen Betriebsmodi (AR-, VR-, PR-Betrieb) verwendet werden können.
Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform weist die Datenbrille ferner eine dritte Lichtquelle zum Aussenden eines dritten Lichtstrahls und eine vierte Lichtquelle zum Aussenden eines vierten Lichtstrahls, ein zweites AR- Umlenkelement und ein zweites VR-Umlenkelement auf. Hierbei bedienen die erste Lichtquelle, die zweite Lichtquelle, das AR-Umlenkelement und das VR- Umlenkelement eine erste Eyebox und bedienen die dritte Lichtquelle, die vierte Lichtquelle, das zweite AR-Umlenkelement und das zweite VR-Umlenkelement eine zweite Eyebox.
Hierbei werden der dritte Lichtstrahl vom zweiten AR-Umlenkelement und der vierte Lichtstrahl vom zweiten VR-Umlenkelement reflektiert. Hierbei sind die Spektren des dritten und vierten Lichtstrahls sowie das zweite AR- Umlenkelement und das zweite VR-Umlenkelement dergestalt, dass der dritte Lichtstrahl mit dem zweiten AR-Umlenkelement wechselwirkt, jedoch nicht mit dem zweiten VR-Umlenkelement und der vierte Lichtstrahl mit dem zweiten VR- Umlenkelement wechselwirkt, jedoch nicht mit dem zweiten AR-Umlenkelement. Hierdurch wird vorteilhafterweise erreicht, dass die Funktion des AR-Betriebs vom zweiten AR-Umlenkelement und dem dritten Lichtstrahl und die Funktion des VR-Betriebs vom zweiten VR-Umlenkelement und den vierten Lichtstrahl bewerkstelligt wird und somit die Funktionen des AR-Betriebs und des VR- Betriebs voneinander getrennt sind. Ferner ist es selbstverständlich, dass auch die Lichtstrahlen und die Umlenkelemente der ersten und der zweiten Eyebox nicht miteinander wechselwirken. Hierdurch wird vorteilhafterweise erreicht, dass zwei Eyeboxen bedient werden können.
Alternativ kann unter Ausnutzung des scharfen und des unscharfen
Sichtbereiches des menschlichen Auges und alternativ oder ergänzend mit einem adaptiven Strahlenbündel auch mit weniger Lichtquellen und
Umlenkstrukturen ausgekommen werden. Falls polychromatisch, z.B. mit RGB- Licht, gearbeitet wird, so werden für jede verwendete Farbe bzw. Wellenlänge zwei Lichtquellen und zwei
Umlenkstrukturen verwendet.
Das Verfahren dient dem Betrieb eines oben beschriebenen Brillenglases oder dem Betrieb einer oben beschriebenen Datenbrille.
Gemäß dem Verfahren wird vom AR- Betrieb oder vom PR-Betrieb zum VR- Betrieb umgeschaltet oder vom VR-Betrieb zum AR-Betrieb oder zum PR-Betrieb umgeschaltet.
Hierbei ist das Brillenglas in einem ersten Zustand, welcher einen ersten
Transmissionsgrad aufweist, in einem AR- Betrieb oder in einem PR-Betrieb verwendbar ist, und das Brillenglas in einem zweiten Zustand, welcher einen zweiten Transmissionsgrad aufweist, welcher kleiner als der erste
Transmissionsgrad ist, in einem VR-Betrieb verwendbar.
Wenn vom AR- bzw. PR- auf den VR-Betrieb umgeschaltet wird, wird zum einen die elektrochrome Schicht verdunkelt bzw. opak geschaltet und zum anderen werden die für den AR-Betrieb bestimmten Lichtquellen ab- und die für den VR- Betrieb bestimmten Lichtquellen angeschaltet, so dass die andere
Umlenkstruktur wirkt. Die Gestaltung der VR-Umlenkstruktur beeinflusst dabei, in welcher Entfernung der Nutzer den dargestellten Bildinhalt wahrnimmt, zumindest bei monoskopischer Betrachtung. Im Stereobetrieb kann
vorteilhafterweise zusätzlich der Tiefenhinweis der binokularen Disparität genutzt werden, um Tiefeninformation zu vermitteln.
Die Vorteile des Verfahrens wurden bereits obenstehend im Zusammenhang mit dem Brillenglas und der Datenbrille erläutert.
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 eines Brillenglases für eine
Datenbrille gemäß einer Ausführungsform.
Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung einer elektrochromen Schicht, wie sie in einem Brillenglas oder einer Datenbrille gemäß Ausführungsformen der Erfindung verwendet wird.
Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung einer Datenbrille gemäß einer Ausführungsform.
Ausführungsbeispiele der Erfindung
Figur 1 zeigt ein Brillenglas 402 für eine Datenbrille, wobei die Datenbrille in Figur 2 dargestellt ist. Das Brillenglas 402 weist eine elektrochrome Schicht 404 auf. Ferner weist das Brillenglas 402 eine Schicht 410 auf, welche durchsichtige organische Solarzellen aufweist, um die Energieversorgung der Datenbrille zu unterstützen. Die Schicht 410 weist vom Nutzer der Datenbrille weg, so dass Sonnenlicht gut aufgefangen werden kann.
Auf der zum Nutzer weisenden Seite der elektrochromen Schicht 404 befindet sich eine Umlenkschicht 130, welche ein VR-Umlenkelement 406 und ein AR- Umlenkelement 408 aufweist, wobei das AR-Umlenkelement 408 näher am Auge des Nutzers liegt.
Hierbei sind das VR-Umlenkelement 406 und das AR-Umlenkelement 408 dergestalt, dass ein erster Lichtstrahl 166 lediglich vom AR-Umlenkelement 408, jedoch nicht vom VR-Umlenkelement 406 und ein zweiter Lichtstrahl 167 lediglich vom VR-Umlenkelement 406 und nicht vom AR-Umlenkelement 408 reflektiert wird.
In einem ersten Zustand ist das Brillenglas 402, insbesondere die elektrochrome Schicht 404, transparent und wird in einem AR-Betrieb verwendet. In einem zweiten Zustand ist das Brillenglas 402 opak, also nicht durchsichtig, und wird in einem VR-Betrieb verwendet. Der unterschiedliche Transmissionsgrad des Brillenglases 402 kann durch Anlegen unterschiedlicher Spannungen an die elektrochrome Schicht 404 erreicht werden. Dies wird in Figur 2 näher erläutert.
Figur 2 zeigt einen prinzipiellen Aufbau der elektrochromen Schicht 404, welche auch als elektrochromes Fenster bezeichnet werden kann. Die elektrochrome Schicht 404 besteht selbst aus einem Mehrschichtsystem, in dem eine färbende Elektrode, nämlich eine eigentliche elektrochrome Schicht 420 durch einen lonenleiter 422 von einer lonenspeicherschicht 424 getrennt ist.
Der Aufbau der elektrochromen Schicht 404 wird von rechts nach links beschrieben. Ein als Glasscheibe realisiertes Substrat 414 ist mit einem transparenten, elektrisch leitfähigen Film (engl: transparent conductive oxide, TCO) 416 beschichtet. Auf dem leitfähigen Film 416 befindet sich die eigentliche elektrochrome Schicht 420, die sich beim Einbringen von Elektronen aus dem externen Stromkreis und von Ionen aus dem lonenleiter 422 färbt. Der lonenleiter 422 wird alternativ auch Elektrolyt genannt. Der lonenleiter 422 weist einen Film organischen oder anorganischen, elektrisch isolierenden Materials mit hoher lonenleitfähigkeit auf.
Die als Gegenelektrode fungierende lonenspeicherschicht 424, welche sich mit dem lonenleiter 422 in Kontakt befindet, ist wiederum auf einem durch eine weitere Glasscheibe realisierten Substrat 414 mit leitfähiger Beschichtung 416 aufgebracht.
In der lonenspeicherschicht 424 werden die zum Schalten der Elektrode benötigten Ionen gespeichert. Hierbei ist es für die Schalteigenschaften des Gesamtsystems optimal, wenn die Gegenelektrode komplementäre
elektrochrome Eigenschaften zur Elektrode besitzt, d.h. kathodisch bzw.
anodisch elektrochrom, da sich in diesem Fall beide Schichten gleichzeitig ein- und entfärben und für einen größeren Transmissionshub des Gesamtsystems sorgen.
Ein Anlegen einer Spannung im Bereich kleiner als 5 V zwischen den als
Elektroden fungierenden Beschichtungen 416 führt zu einem lonenaustausch zwischen den Schichten, welcher eine Änderung der optischen Eigenschaften des Gesamtsystems zur Folge hat. Die Schaltzeit bis zum vollständigen Färben bzw. Entfärben liegt für die meisten Materialkombinationen im Bereich von bis zu 10 Minuten. Stromlose Zellen halten ihre Einfärbung über viele Stunden, so dass nur beim Schaltvorgang selbst Energie verbraucht wird.
Figur 3 zeigt eine Datenbrille 400, welche eine Projektionsvorrichtung 100 und ein Brillenglas 402 aufweist. Das Brillenglas 402 weist die elektrochrome Schicht 404 sowie die Schicht 410 auf, welche durchsichtige organische Solarzellen aufweist, um die Energieversorgung der Datenbrille zu unterstützen. Die
Projektionsvorrichtung 100 weist eine in einem Gehäuse 105 angeordnete Lichtquelle 104, ein Kollimationselement 114, ein Reflexionselement 112 sowie eine Umlenkschicht 130 auf. Die Umlenkschicht 130 weist das VR- Umlenkelement 406 und das AR-Umlenkelement 408 auf. Sowohl das VR- Umlenkelement 406 als auch das AR-Umlenkelement 408 sind als HOE ausgeführt.
Ein von einer Lichtquelle 104 emittierter Lichtstrahl 106 wird mittels einer Linse als Kollimationselement 114 kollimiert und in Richtung eines Mikrospiegels als Reflexionselement 112 geführt. Hierbei kann die Lichtquelle 104 einen ersten Lichtstrahl und einen zweiten Lichtstrahl emittieren, zwischen denen
umgeschaltet werden kann. In Figur 3 ist aus Gründen der Übersichtlichkeit nur ein einzelner Lichtstrahl, nämlich Lichtstrahl 106, dargestellt. Das
Reflexionselement 112 lenkt den Lichtstrahl 106 in Richtung der Umlenkschicht 130 um. Die Umlenkschicht 130 ist auf dem Brillenglas 402, nämlich auf der elektrochromen Schicht 404, aufgebracht. Falls der erste Lichtstrahl auf die Umlenkschicht 130 fällt, so wird dieser vom AR-Umlenkelement 408 in Richtung des Auges des Nutzers umgelenkt. Falls der zweite Lichtstrahl auf die
Umlenkschicht 130 fällt, so wird dieser vom VR-Umlenkelement 406 in Richtung des Auges des Nutzers umgelenkt.
Der von der Umlenkschicht 130 umgelenkte Lichtstrahl 106 trifft sodann auf eine Augenlinse 108 des Auges, 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.

Claims

Ansprüche
1. Brillenglas (402) für eine Datenbrille (400), dadurch gekennzeichnet, dass das Brillenglas (402) eine elektrochrome Schicht (404) aufweist, wobei das Brillenglas (402) eingerichtet und ausgeführt ist, in einem ersten Zustand, welcher einen ersten Transmissionsgrad aufweist, in einem AR- Betrieb oder in einem PR-Betrieb verwendet zu werden; und
in einem zweiten Zustand, welcher einen zweiten Transmissionsgrad aufweist, welcher kleiner als der erste Transmissionsgrad ist, in einem VR- Betrieb verwendet zu werden.
2. Brillenglas (402) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
durch Anlegen eines ersten Potentials an die elektrochrome Schicht (404) sich in der elektrochromen Schicht (404) der erste Transmissionsgrad einstellt und
durch Anlegen eines zweiten Potenzials an die elektrochrome Schicht (404) sich in der elektrochromen Schicht (404) der zweite Transmissionsgrad einstellt.
3. Brillenglas (402) nach Anspruch 1 oder 2, ferner aufweisend:
ein VR-Umlenkelement (406) zum Projizieren eines Bilds auf eine Netzhaut (110) eines Nutzers der Datenbrille (400) durch Umlenken eines Lichtstrahls (106) in Richtung einer Augenlinse (108) des Nutzers und/oder Fokussieren des einen Lichtstrahls (106), wobei das VR-Umlenkelement (406) im VR- Betrieb benutzt wird.
4. Brillenglas (402) nach Anspruch 1, 2 oder 3, ferner aufweisend:
ein AR-Umlenkelement (408) zum Projizieren eines Bilds auf eine Netzhaut (110) eines Nutzers der Datenbrille (400) durch Umlenken eines Lichtstrahls (106) in Richtung einer Augenlinse (108) des Nutzers und/oder Fokussieren des einen Lichtstrahls (106), wobei das AR-Umlenkelement (408) im AR- Betrieb benutzt wird.
5. Brillenglas (402) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das VR-Umlenkelement (406) und/oder das AR-Umlenkelement (408) ein HOE aufweist.
6. Brillenglas (402) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
das Brillenglas (402) ausgeführt und eingerichtet ist, den ersten
Transmissionsgrad und/oder den zweiten Transmissionsgrad automatisch oder manuell einzustellen.
7. Brillenglas (402) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, ferner aufweisend:
eine Schicht (410) zur Erzeugung von elektrischem Strom zur Versorgung oder Unterstützung eines Energiebedarfs der Datenbrille (402), wobei die Schicht (410) mindestens eine transparente Solarzelle aufweist.
8. Datenbrille (400) aufweisend:
ein Brillenglas (402) nach einem der vorangegangen Ansprüche;
eine erste Lichtquelle zum Aussenden eines ersten Lichtstrahls (166); eine zweite Lichtquelle zum Aussenden eines zweiten Lichtstrahls (167); wobei der erste Lichtstrahl (106) vom AR-Umlenkelement (408) und der zweite Lichtstrahl (167) vom VR-Umlenkelement (406) reflektiert wird; wobei das an dem Brillenglas (402) der Datenbrille (400) angeordnete oder anordenbare VR-Umlenkelement (406) zum Projizieren eines Bilds auf eine Netzhaut (110) eines Nutzers der Datenbrille (400) durch Umlenken des zweiten Lichtstrahls (107) in Richtung einer Augenlinse (108) des Nutzers und/oder durch Fokussieren des zweiten Lichtstrahls (167) dient;
wobei das an dem Brillenglas (402) der Datenbrille (400) angeordnete oder anordenbare AR-Umlenkelement (408) zum Projizieren eines Bilds auf eine Netzhaut (110) eines Nutzers der Datenbrille (400) durch Umlenken des ersten Lichtstrahls (106) in Richtung einer Augenlinse (108) des Nutzers und/oder durch Fokussieren des ersten Lichtstrahls (166) dient; und wobei das AR-Umlenkelement (408) im AR-Betrieb und das VR- Umlenkelement (406) im VR-Betrieb benutzt wird; und ein Reflexionselement (112) zum Reflektieren des ersten Lichtstrahls (166) und des zweiten Lichtstrahls (167) auf das Brillenglas (402).
9. Datenbrille (400) nach Anspruch 8, ferner aufweisend:
eine dritte Lichtquelle zum Aussenden eines dritten Lichtstrahls und eine vierte Lichtquelle zum Aussenden eines vierten Lichtstrahls; und
ein zweites AR-Umlenkelement und ein zweites VR-Umlenkelement;
wobei die erste Lichtquelle, die zweite Lichtquelle, das AR-Umlenkelement und das VR-Umlenkelement eine erste Eyebox bedienen; und
die dritte Lichtquelle, die vierte Lichtquelle, das zweite AR-Umlenkelement und das zweite VR-Umlenkelement eine zweite Eyebox bedienen.
10. Verfahren zum Betrieb eines Brillenglases nach einem der Ansprüche 1 bis 7 oder zum Betrieb einer Datenbrille nach einem der Ansprüche 8 oder 9, wobei das Verfahren aufweist:
Umschalten vom AR- Betrieb oder vom PR-Betrieb zum VR-Betrieb oder Umschalten vom VR-Betrieb zum AR-Betrieb oder zum PR-Betrieb.
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