WO2020099347A1 - Method and arrangement for carrying out a virtual retinal display - Google Patents

Method and arrangement for carrying out a virtual retinal display Download PDF

Info

Publication number
WO2020099347A1
WO2020099347A1 PCT/EP2019/080912 EP2019080912W WO2020099347A1 WO 2020099347 A1 WO2020099347 A1 WO 2020099347A1 EP 2019080912 W EP2019080912 W EP 2019080912W WO 2020099347 A1 WO2020099347 A1 WO 2020099347A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
retina
arrangement
eye
generating unit
light generating
Prior art date
Application number
PCT/EP2019/080912
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Tobias Graf
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
Publication of WO2020099347A1 publication Critical patent/WO2020099347A1/en

Links

Classifications

    • 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
    • G02B27/0101—Head-up displays characterised by optical features
    • G02B2027/0127—Head-up displays characterised by optical features comprising devices increasing the depth of field
    • 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
    • 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
    • G02B2027/0178—Eyeglass type
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B26/00—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
    • G02B26/08—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light
    • G02B26/0816—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light by means of one or more reflecting elements
    • G02B26/0833—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light by means of one or more reflecting elements the reflecting element being a micromechanical device, e.g. a MEMS mirror, DMD

Definitions

  • the invention relates to a method for performing a virtual retina display and an arrangement for performing the method.
  • a projection device for data glasses which has at least one light source for emitting a light beam and at least one holographic element arranged on a spectacle lens of the data glasses for projecting an image onto a retina of a user of the data glasses by deflecting them and / or focusing the light beam on an eye lens of the user.
  • the retina or retina which is also called the inner eye skin, is the multi-layered, specialized nerve tissue that lines the inside of the eye.
  • the retina After it has passed through the cornea, lens and vitreous body of the eye, the incident light is redirected into nerve impulses.
  • the retina thus represents a kind of projection surface for depicting the surroundings, similar to a screen or a light-sensitive film, and transmits the excitations caused by light stimuli to brain regions.
  • the term virtual retinal display (VNA: Virtual Retina Display, Retinal Scan (ner) Display or Retinal Image Display) describes a display technology that draws a raster image directly on the retina of the eye. The user gets the impression of a screen floating in front of him.
  • Arrangements for performing a virtual retinal display which are also referred to herein as retina scanner displays (RSD) are used in hands-free display systems, so-called helmet-mounted displays (HMD) or head-worn displays (HWD) .
  • HMD helmet-mounted displays
  • HWD head-worn displays
  • AR augmented reality
  • AR augmented reality
  • the basic principle is that at least one laser beam in this way, for. B. at least one movably mounted mirror is scanned and passed through a deflecting element, such as a holographic optical element (HOE) or a free-form mirror, that a node in the position of the pupil (iris) of the user is created.
  • a deflecting element such as a holographic optical element (HOE) or a free-form mirror
  • HOE holographic optical element
  • a free-form mirror a deflecting element
  • the beam passing through the lens of the eye can be scanned over the retina, so that with appropriate control of the laser sources depending on the mirror position, targeted light stimuli on the retina and thus image impressions of virtual objects can be generated.
  • Design or optical design describes the design, calculation and specification with regard to the optical properties of systems and components.
  • the described method can also be used for the design of integrated optical modules for beam generation.
  • Figure 1 shows a schematic representation of an arrangement for performing a virtual retinal display.
  • FIG. 2 shows the focusing of a collimated beam.
  • Figure 3 shows the focusing of an obliquely incident, collimated beam.
  • FIG. 4 shows the focusing of a collimated beam.
  • Figure 5 shows the focusing of an obliquely incident, collimated beam.
  • FIG. 6 shows the focusing of an axially and obliquely incident, collimated beam.
  • Figure 7 shows in two graphs the broadening of the beam radius of two Gaussian beams with different sized beam waist during free space propagation.
  • Figure 8 shows a schematic representation of the basic geometry and the geometrical boundary conditions of a beam-generating module for different wavelengths.
  • FIG. 9 shows an embodiment of the described method in a flow chart.
  • FIG. 10 shows a further embodiment of the described method in a flow chart.
  • FIG. 11 shows yet another embodiment of the described method in a flow chart.
  • FIG. 12 shows a further embodiment of the described method in a flow chart.
  • Figure 13 shows a schematic representation of the design of beam generating modules.
  • Figure 14 shows a schematic representation of the basic geometry and geometrical boundary conditions for a polychromatic virtual retinal display.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an arrangement for carrying out a virtual retinal display, which is designated overall by reference number 10.
  • This arrangement 10 comprises a light generating unit 12, a MEMS reflection element 14 (MEMS: Microelectromechanical System) and a deflection element 16, which in this case is designed as a holographic optical element.
  • MEMS Microelectromechanical System
  • the arrangement 10 is set up in such a way that laser beams 18 emitted by the light generating unit 12 are deflected differently over time by the reflection element 14 in such a way that deflected laser beams 20 are formed which are deflected via the deflection element 16, so that deflected laser beams 22 are deflected by a Pupil 24 of an eye 26 are guided and reach a retina 28 of the eye 26 and generate a virtual image there by scanning or scanning this retina 28.
  • a frequently mentioned advantage of the arrangement 10 for carrying out a virtual retinal display is the supposed independence of the spot size on the retina 28 from the state of accommodation of the eye 26.
  • the derivation of this property is generally based on geometrically optical considerations and is not automatically realized in real systems, but rather requires a system design taking into account the wave properties of light.
  • the diffraction e.g. B. in the wave equation, considered by the Laplace operator in the transverse coordinates (x, y) in the model.
  • Gaussian beam whose transverse intrinsic profile is given by a Gaussian normal distribution.
  • the formula for the beam radius reveals an important difference between geometric optics and wave optics, namely the broadening of the transverse intensity profile of a laser beam during propagation due to diffraction. This means that there are no collimated rays that propagate over finite distances. For Gaussian rays, this is also shown by the change in the radius of curvature of the phase front during propagation.
  • the propagation of a Gaussian beam through a lens can be described using the Ra yleigh length and a modified lens equation where s is the distance from the waist of the input beam to the lens and s' is the location of the waist of the output beam.
  • a collimated or parallel ray bundle is focused optically by a focusing lens in the rear focal plane.
  • FIG. 2 illustrates the focusing of a collimated beam in the rear focal plane of a lens in the event that the focal plane and the detector plane coincide.
  • the illustration shows an eye 50 with a pupil 52 and lens through which a beam of rays 54 passes and is focused on a rear focal plane 56 on the retina 58, the detector plane, of the eye 50.
  • FIG. 3 illustrates the focusing of an obliquely incident, collimated beam in the rear focal plane of a lens in the event that the focal plane and the detector plane coincide.
  • the illustration shows an eye 70 with a pupil 72 and lens through which an obliquely incident beam 74 passes and is focused on a rear focal plane 76 in the area of the retina 78, the detector plane, of the eye 70.
  • FIG. 4 illustrates the focusing of a collimated beam in the rear focal plane of a lens.
  • the illustration shows an eye 90 with a pill 92 and a lens through which a beam 94 passes and is focused on a rear focal plane 96.
  • the detector level 98 given by the retina of the eye 90 is offset from the focal plane 96.
  • FIG. 5 shows the focusing of an obliquely incident, collimated beam in the rear focal plane of a lens.
  • the illustration shows an eye 100 with a pupil 102 and a lens through which an obliquely incident beam of rays 104 passes and is focused on a rear focal plane 106.
  • the detector plane 108 given by the retina of the eye 100 is offset from the focal plane 108. When accommodation on object-side focal lengths smaller than infinity, the focal plane 106 and the detector plane 108 do not coincide.
  • the focus freedom of a virtual retina indicated in the literature, d. H.
  • the independence of the light intensity generated by the virtual retina display on the retina from the state of accommodation of the user's eye is based on geometrically optical arguments.
  • the geometrically optical examination of a narrow, collimated beam shows that rays pass through the lens through the lens regardless of the state of collimation.
  • An analogy to the so-called Maxwellian View is also sought in this context.
  • Figure 6 illustrates the focusing of an axially and obliquely incident collimated beam in the rear focal plane of a lens.
  • the illustration shows a first eye 120 with a pupil 122 through which an axially incident beam 124 passes, a second eye 130 with a pupil 132 through which an obliquely incident beam 134 passes, and a third eye 140 with a pupil 142 which enters an axially incident beam 144, a fourth eye 150 with a pupil 152, through which an obliquely incident beam 154. It can be seen that in the first and second eyes 120, 130 the focal plane 126 and 136 respectively coincide with the detector plane.
  • the focal plane 146 or 156 is in each case offset from the detector plane 148 or 158. It becomes clear that when accommodating on object-side focal lengths smaller than infinite, the focal plane 146 or 156 and the detector plane 148 or 158 do not coincide. Narrow bundles of rays through the node thus behave geometrically optically approximately as geometrically optical rays.
  • M 2 M 2 value, beam quality factor
  • FIG. 7 shows in a first graph 170, on the abscissa 172 the spread z [m] and on the ordinate 174 the beam diameter w (z) [m] is plotted, and in a second graph 190, on the abscissa 192 the Spread z [m] and on whose ordinate 194 the beam diameter w (z) [m] is plotted, the broadening of the beam radius of a first Gaussian beam 178 and a second Gaussian beam 198, which have different beam waists, during free space propagation.
  • Figure 8 illustrates in schematic representations basic geometries and geometric boundary conditions on a radiation-generating module for different wavelengths. For this purpose, the illustration shows three arrangements for implementing the method.
  • a first arrangement 200 comprises a light generating unit of a first wavelength 202, a reflection element 204 and a deflection element 206, which in this case is designed as a holographic optical element.
  • the first arrangement 200 is set up in such a way that laser beams 208 emitted by the light generating unit 202 are deflected differently over time by the reflection element 204 in such a way that deflected laser beams 210 are formed which are deflected via the deflection element 206, so that deflected lasers radiate 212 are passed through a pupil 214 of an eye 216 and reach a retina 218 of the eye 216 and generate a virtual image there by scanning or scanning this retina 218.
  • a second arrangement 220 comprises a light generation unit of a second wavelength 222, a reflection element 224 and a deflection element 226, which in this case is designed as a holographic optical element.
  • the second arrangement 220 is set up such that the light generating unit 222 emitted laser beams 228 are deflected differently over time by the reflection element 224 in such a way that deflected laser beams 230 arise which are deflected via the deflection element 226, so that deflected lasers 232 are guided through a pupil 234 of an eye 236 and onto a retina 238 of the Eye 236 arrive and there by scanning or scanning NEN this retina 238 generate a virtual image.
  • a third arrangement 240 comprises a light generating unit of a third wavelength 242, a reflection element 244 and a deflection element 246, which in this case is designed as a holographic optical element.
  • the third arrangement 240 is set up in such a way that laser beams 248 emitted by the light generating unit 242 are deflected differently over time by the reflection element 244 in such a way that deflected laser beams 250 are formed which are deflected via the deflection element 246 so that deflected lasers radiate 252 are passed through a pupil 254 of an eye 256 and reach a retina 258 of the eye 256 and generate a virtual image there by scanning or scanning this retina 238.
  • FIG. 9 shows a first embodiment of a method in which the basic system geometries are initialized in a first step 300.
  • the geometric conditions for the light generating unit are defined.
  • the upper and lower limits of the beam propagation distance are determined.
  • the model for the beam propagation is then selected in a step 306.
  • Design parameters, the parameter range and quality functions are then selected in a step 308.
  • Quality functions over the parameter range are then evaluated in a step 310.
  • optimal values for the design parameters are selected in a step 312.
  • Merit functions are the quality measures for system optimization in object design. In general, optimization finally means that an extreme point of a real-valued function should be found.
  • a quality function consists of different, e.g.
  • T different weighted quality criteria together.
  • the radius of the focused spot on a detector for various system configurations, weighted if necessary, can be summed up. This results in a real-valued function, the values of which depend on the system parameters.
  • z. B. varies geometric parameters, the value of the quality function changes in general. This enables the system to be optimized based on the quality function.
  • a second embodiment is shown in FIG. 10.
  • a first step 320 the basic system geometries are initialized.
  • the geometric conditions for the light generating unit are defined.
  • the upper and lower limits of the beam propagation distance are determined.
  • the model for the beam propagation is then selected in a step 326.
  • design parameters, the parameter range and quality functions are selected.
  • quality functions over the parameter range are evaluated.
  • optimal values for the design parameters are selected in a step 332.
  • the system geometry is then checked for consistency in a step 334. If this is consistent, the method ends in a step 336. If this is not the case, the system geometry is set in a step 338.
  • the geometric conditions for the light generating unit are then defined in a step 340. The process then jumps to step 326.
  • a third embodiment is shown in FIG.
  • the basic system geometries are initialized.
  • the geometric conditions for the light generating unit are defined.
  • the upper and lower limits of the beam propagation distance are determined.
  • the model for the beam propagation is then selected in a step 356.
  • Design parameters, the parameter range and quality functions are then selected in a step 358.
  • 360 quality functions above the parameter area are evaluated in one step.
  • optimal values for the design parameters are selected in a step 362.
  • the system geometry is then checked for consistency in a step 364. If this is consistent, the method ends in step 366. If this is not the case, the system geometry is set in step 368.
  • the geometric conditions for the light generating unit are then defined in a step 370. Then jump to step 358.
  • a fourth embodiment is shown in FIG.
  • a first step 380 the basic system geometries are initialized.
  • the geometric conditions for the light generating unit are defined.
  • the upper and lower limits of the beam propagation distance are determined.
  • the model for the beam propagation is then selected in a step 386.
  • design parameters the parameter range and quality functions are selected.
  • quality functions above the parameter area are evaluated in one step.
  • optimal values for the design parameters are selected in a step 392.
  • the system geometry is checked for consistency in a step 394. If this is consistent, the method ends in step 396. If this is not the case, the system geometry is set in step 398.
  • the geometric conditions for the light generating unit are then defined in a step 399. Then there is a jump to step 390.
  • an initial basic geometry for the RSD system is determined based on anatomical and mechanical boundary conditions.
  • Part of the system, preferably the light generating unit or light-emitting unit, is thereby traced as a black box abs.
  • the radius and position of the beam waist between the scanner unit and the node position are selected as design parameters.
  • the different mirror positions result in upper and lower limits for the path lengths that the light travels in the system.
  • the beam waist is between the scanner housing and the node location in the beam path and the Rayleigh length is not less than the path from the waist to the detector level, e.g. B. the retina.
  • the detector level e.g. B. the retina.
  • the propagation by the system and possibly a suitable eye model in the simplest case a lens with a varying focal length and a fixed distance from the detector plane, i. H. the retina, can be done using analytical as well as numerical methods.
  • the spot size on the retina for different accommodation conditions the mean spot size on the retina for different accommodation conditions and the standard deviation or another measure for the scattering of the spot size on the retina for different accommodation conditions can be used.
  • the mean spot size on the retina for different accommodation conditions the standard deviation or another measure for the scattering of the spot size on the retina for different accommodation conditions.
  • the beam-generating module can be designed with at least one light source with collimation optics and possibly further optical elements for beam manipulation. Reference is made to FIG. 13.
  • Figure 13 shows a schematic representation of the design of beam-generating modules taking into account a later combination in a polychromatic module and the use of further optical elements for manipulating the radius and position of the beam waist in the beam path.
  • the illustration shows a first light generating unit 400 of a first wavelength 402, a second Light generation unit 410 of a second wavelength 412 and a third light generation unit 420 of a third wavelength 422.
  • FIG. 14 shows a schematic representation of the basic geometry and geometrical boundary conditions for a polychromatic virtual retinal display after a combination of monochromatically optimized beam-generating modules.
  • the illustration shows an arrangement 500 for carrying out the method, which comprises a light generating unit 502, a reflection element 504 and a deflection element 506, which in this case is designed as a holographic optical element.
  • the arrangement 500 is set up in such a way that laser beams 508 emitted by the light generating unit 502 are deflected differently over time by the reflection element 504 in such a way that deflected laser beams 510 are created which are deflected via the deflection element 506, so that laser beams 512 are deflected by a
  • the pupil 514 of an eye 516 is guided and reaches a retina 518 of the eye 516 and generates a virtual image there by scanning or scanning this retina 518.
  • the display shows beams of different colors.
  • FIGS. 9 to 12 and 14 After optimizing the beam parameters for different wavelengths, the requirements for the beam-generating modules can be converted into requirements for a polychromatic beam-generating module. If necessary, an iterative approach can also deliver better results. Reference is made to FIGS. 9 to 12 and 13 and 14.
  • additional optical elements preferably refractive or also diffractive lens
  • a single lens or lens combinations such as 4f structures can be used to influence the position and radius of the beam waist. Possibly. an adjustment of the basic geometry and the geometrical boundary conditions in the context of an iterative process is to be preferred. Reference is made to FIGS. 9 to 12 and 13 and 14.
  • a 4f setup is a 1-1 telescope with two lenses of the same focal length (f) at a distance of twice the focal length from each other in the beam path. The total length from the front focal plane of the first lens to the rear focal plane of the second lens is then 4f.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)

Abstract

The invention relates to a method for carrying out a virtual retinal display, in which a light ray is generated by means of a light generation unit (12), said light ray being deflected by a reflection element (14) in such a way as to produce a beam, which is directed onto a retina (28) of an eye (26) via a deflection element (16), wherein wave-optic properties of the beam are taken into account when reducing the influence of the accommodation of the eye (26) on a generated intensity distribution on the retina (28).

Description

Beschreibung  description
Titel title
Verfahren und Anordnung zum Durchführen einer virtuellen Netzhautanzeige  Method and arrangement for performing a virtual retinal display
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Durchführen einer virtuellen Netzhautan zeige und eine Anordnung zum Durchführen des Verfahrens. The invention relates to a method for performing a virtual retina display and an arrangement for performing the method.
Stand der Technik State of the art
Aus der Druckschrift DE 10 2015 213 376 Al ist eine Projektionsvorrichtung für eine Datenbrille bekannt, die zumindest eine Lichtquelle zum Aussenden eines Lichtstrahls und zumindest ein an einem Brillenglas der Datenbrille angeordnetes holografisches Element zum Projizieren eines Bilds auf eine Netzhaut eines Nut zers der Datenbrille durch Umlenken und/oder Fokussieren des Lichtstrahls auf eine Augenlinse des Nutzers aufweist. From the document DE 10 2015 213 376 A1 a projection device for data glasses is known which has at least one light source for emitting a light beam and at least one holographic element arranged on a spectacle lens of the data glasses for projecting an image onto a retina of a user of the data glasses by deflecting them and / or focusing the light beam on an eye lens of the user.
Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention
Vor diesem Hintergrund wird ein Umlenkelement mit den Merkmalen des An spruchs 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 7 vorgestellt. Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und aus der Beschreibung. Against this background, a deflecting element with the features of claim 1 and a method according to claim 7 is presented. Embodiments result from the dependent claims and from the description.
Die Retina bzw. Netzhaut, die auch als innere Augenhaut bezeichnet wird, ist das mehrschichtige, spezialisierte Nervengewebe, das die Innenseite des Auges aus kleidet. In der Retina wird das einfallende Licht, nachdem es die Hornhaut, die Linse und den Glaskörper des Auges durchquert hat, in Nervenimpulse umgelei tet. Die Retina stellt damit eine Art Projektionsfläche für die Abbildung der Umge bung, ähnlich einer Leinwand oder einem lichtempfindlichen Film, dar und leitet die durch Lichtreize hervorgerufenen Erregungen weiter an Hirnregionen. Mit dem Begriff virtuelle Netzhautanzeige (VNA: engl. Virtual Retina Display, Re tinal Scan(ner) Display oder auch Retinal Image Display) wird eine Anzeigetech nologie bezeichnet, die ein Rasterbild direkt auf die Netzhaut des Auges zeich net. Der Nutzer bekommt dabei den Eindruck einer vor ihm schwebenden Lein wand. The retina or retina, which is also called the inner eye skin, is the multi-layered, specialized nerve tissue that lines the inside of the eye. In the retina, after it has passed through the cornea, lens and vitreous body of the eye, the incident light is redirected into nerve impulses. The retina thus represents a kind of projection surface for depicting the surroundings, similar to a screen or a light-sensitive film, and transmits the excitations caused by light stimuli to brain regions. The term virtual retinal display (VNA: Virtual Retina Display, Retinal Scan (ner) Display or Retinal Image Display) describes a display technology that draws a raster image directly on the retina of the eye. The user gets the impression of a screen floating in front of him.
Anordnungen zur Durchführung einer virtuellen Netzhautanzeige, die hierin auch als Retina Scanner Displays (RSD) bezeichnet werden, werden in freihändig am oder auf dem Kopf tragbaren Anzeigesystemen, sogenannten Helmet-Mounted Displays (HMD) bzw. Head-Worn Displays (HWD), eingesetzt. Diese ermögli chen es, leichte, schlanke Augmented Reality-(AR)-Brillen (Augmented Reality: erweiterte Realität) mit ansprechendem Design ähnlich einer Korrektur- oder Sonnenbrille herzustellen und den Nutzer mit eingeblendeten Informationen, die z. B. die Wahrnehmung der realen Umwelt überlagern oder ergänzen, zu versor gen. Arrangements for performing a virtual retinal display, which are also referred to herein as retina scanner displays (RSD), are used in hands-free display systems, so-called helmet-mounted displays (HMD) or head-worn displays (HWD) . These enable light, slim augmented reality (AR) glasses (augmented reality: augmented reality) to be produced with an appealing design similar to correction glasses or sunglasses, and to provide the user with information that is displayed, e.g. B. superimpose or supplement the perception of the real environment, to supply gen.
Das Grundprinzip besteht darin, dass mindestens ein Laserstrahl derart mittels z. B. mindestens eines beweglich gelagerten Spiegels abgetastet bzw. gescannt und über ein Umlenkelement, wie bspw. ein holografisch optisches Element (HOE) oder einen Freiformspiegel, geleitet wird, dass ein Knotenpunkt in der Po sition der Pupille (Iris) des Nutzers entsteht. Durch Bewegung des Spiegels kann der durch die Augenlinse tretende Strahl über die Netzhaut gescannt werden, so dass bei entsprechender Ansteuerung der Laserquellen in Abhängigkeit von der Spiegelposition gezielt Lichtreize auf der Retina und damit Bildeindrücke von vir tuellen Objekten erzeugt werden können. The basic principle is that at least one laser beam in this way, for. B. at least one movably mounted mirror is scanned and passed through a deflecting element, such as a holographic optical element (HOE) or a free-form mirror, that a node in the position of the pupil (iris) of the user is created. By moving the mirror, the beam passing through the lens of the eye can be scanned over the retina, so that with appropriate control of the laser sources depending on the mirror position, targeted light stimuli on the retina and thus image impressions of virtual objects can be generated.
Es werden somit ein Verfahren zum Durchführen einer virtuellen Netzhautan zeige und eine Designmethode und damit eine Methode zur Auslegung bzw. Ge staltung optischer Komponenten für eine virtuelle Netzhautanzeige vorgestellt, wobei wellenoptische Eigenschaften bei der Reduzierung des Einflusses des Ak kommodationszustandes des Auges des Nutzers auf die erzeugte Intensitätsver teilung auf der Netzhaut berücksichtigt werden. Es wird daher eine Betrachtung der wellenoptischen Eigenschaften des Lichts bei der Bestimmung von Design parametern, insbesondere der Lage und Größe der Strahltaille im Strahlengang, vorgenommen. Das beschriebene Verfahren ermöglicht zudem die systematische Auslegung von Systemen und Optimierung der Systemparameter im Hinblick auf Unabhängigkeit der erzeugten Intensitätsverteilung auf der Netzhaut des Nutzers vom Akkommo dationszustand des Nutzers. There is thus a method for performing a virtual retina display and a design method and thus a method for designing or designing optical components for a virtual retina display are presented, with wave-optical properties in reducing the influence of the accommodation state of the user's eye on the generated Intensity distribution on the retina must be taken into account. The wave-optical properties of light are therefore considered when determining design parameters, in particular the position and size of the beam waist in the beam path. The described method also enables the systematic design of systems and optimization of the system parameters with regard to the independence of the generated intensity distribution on the retina of the user from the user's accommodation condition.
Die Optimierung eines Designs einer virtuellen Netzhautanzeige mit dem hier be schriebenen Verfahren ermöglicht eine Systemauslegung derart, dass die auf der Netzhaut des Nutzers erzeugte Intensitätsverteilung möglichst unabhängig vom Akkommodationszustand des Auges ist. Design bzw. Optikdesign bezeichnet die Auslegung, Berechnung und Spezifikation hinsichtlich optischer Eigenschaften von Systemen und Komponenten. The optimization of a design of a virtual retinal display using the method described here enables a system design in such a way that the intensity distribution generated on the retina of the user is as independent as possible of the state of accommodation of the eye. Design or optical design describes the design, calculation and specification with regard to the optical properties of systems and components.
Das beschriebene Verfahren ist auch für den Entwurf integrierter optischer Mo- dule für die Strahlerzeugung anwendbar. The described method can also be used for the design of integrated optical modules for beam generation.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Be schreibung und den beiliegenden Zeichnungen. Further advantages and embodiments of the invention will become apparent from the description and the accompanying drawings.
Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, son dern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. It goes without saying that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the combination specified, but also in other combinations or on their own, without departing from the scope of the present invention.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Brief description of the drawings
Figur 1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Anordnung zum Durchfüh ren einer virtuellen Netzhautanzeige. Figure 1 shows a schematic representation of an arrangement for performing a virtual retinal display.
Figur 2 zeigt die Fokussierung eines kollimierten Strahlenbündels. FIG. 2 shows the focusing of a collimated beam.
Figur 3 zeigt die Fokussierung eines schräg einfallenden, kollimierten Strahlen bündels. Figure 3 shows the focusing of an obliquely incident, collimated beam.
Figur 4 zeigt die Fokussierung eines kollimierten Strahlenbündels. Figur 5 zeigt die Fokussierung eines schräg einfallenden, kollimierten Strahlen bündels. FIG. 4 shows the focusing of a collimated beam. Figure 5 shows the focusing of an obliquely incident, collimated beam.
Figur 6 zeigt die Fokussierung eines axial und schräg einfallenden, kollimierten Strahlenbündels. FIG. 6 shows the focusing of an axially and obliquely incident, collimated beam.
Figur 7 zeigt in zwei Graphen die Verbreiterung des Strahlenradius von zwei Gaußstrahlen mit unterschiedlich großer Strahltaille während Freiraumpropaga tion. Figure 7 shows in two graphs the broadening of the beam radius of two Gaussian beams with different sized beam waist during free space propagation.
Figur 8 zeigt in schematischer Darstellung die Basisgeometrie und die geometri schen Randbedingungen an ein strahlerzeugendes Modul für verschiedene Wel lenlängen. Figure 8 shows a schematic representation of the basic geometry and the geometrical boundary conditions of a beam-generating module for different wavelengths.
Figur 9 zeigt in einem Flussdiagramm eine Ausführungsform des beschriebenen Verfahrens. FIG. 9 shows an embodiment of the described method in a flow chart.
Figur 10 zeigt in einem Flussdiagramm eine weitere Ausführungsform des be schriebenen Verfahrens. FIG. 10 shows a further embodiment of the described method in a flow chart.
Figur 11 zeigt in einem Flussdiagramm noch eine weitere Ausführungsform des beschriebenen Verfahrens. FIG. 11 shows yet another embodiment of the described method in a flow chart.
Figur 12 zeigt in einem Flussdiagramm noch eine weitere Ausführungsform des beschriebenen Verfahrens. FIG. 12 shows a further embodiment of the described method in a flow chart.
Figur 13 zeigt in schematischer Darstellung die Auslegung strahlerzeugender Module. Figure 13 shows a schematic representation of the design of beam generating modules.
Figur 14 zeigt in schematischer Darstellung die Basisgeometrie und geometri sche Randbedingungen für eine polychromatische virtuelle Netzhautanzeige. Figure 14 shows a schematic representation of the basic geometry and geometrical boundary conditions for a polychromatic virtual retinal display.
Ausführungen der Erfindung Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schema tisch dargestellt und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben. Embodiments of the invention The invention is schematically illustrated by means of embodiments in the drawings and is described in detail below with reference to the drawings.
Figur 1 zeigt in schematischer Darstellung eine Anordnung zum Durchführen ei ner virtuellen Netzhautanzeige, die insgesamt mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet ist. Diese Anordnung 10 umfasst eine Lichterzeugungseinheit 12, ein MEMS- Reflexionselement 14 (MEMS: Microelectromechanical System) und ein Umlen kelement 16, das in diesem Fall als holografisches optisches Element ausgebil det ist. Die Anordnung 10 ist derart eingerichtet, dass von der Lichterzeugungs einheit 12 emittierte Laserstrahlen 18 durch das Reflexionselement 14 so über der Zeit unterschiedlich abgelenkt werden, dass abgelenkte Laserstrahlen 20 entstehen, die über das Umlenkelement 16 umgelenkt werden, so dass umge lenkte Laserstrahlen 22 durch eine Pupille 24 eines Auges 26 geführt werden und auf eine Netzhaut 28 des Auges 26 gelangen und dort durch Abtasten bzw. Scannen dieser Netzhaut 28 ein virtuelles Bild erzeugen. FIG. 1 shows a schematic representation of an arrangement for carrying out a virtual retinal display, which is designated overall by reference number 10. This arrangement 10 comprises a light generating unit 12, a MEMS reflection element 14 (MEMS: Microelectromechanical System) and a deflection element 16, which in this case is designed as a holographic optical element. The arrangement 10 is set up in such a way that laser beams 18 emitted by the light generating unit 12 are deflected differently over time by the reflection element 14 in such a way that deflected laser beams 20 are formed which are deflected via the deflection element 16, so that deflected laser beams 22 are deflected by a Pupil 24 of an eye 26 are guided and reach a retina 28 of the eye 26 and generate a virtual image there by scanning or scanning this retina 28.
Ein häufig genannter Vorteil der Anordnung 10 zum Durchführen einer virtuellen Netzhautanzeige ist die vermeintliche Unabhängigkeit der Spotgröße auf der Netzhaut 28 vom Akkommodationszustand des Auges 26. Die Herleitung dieser Eigenschaft basiert in der Regel auf geometrisch optischen Überlegungen und ist in realen Systemen nicht automatisch realisiert, sondern erfordert eine Sys temauslegung unter Berücksichtigung der Welleneigenschaften des Lichts. A frequently mentioned advantage of the arrangement 10 for carrying out a virtual retinal display is the supposed independence of the spot size on the retina 28 from the state of accommodation of the eye 26. The derivation of this property is generally based on geometrically optical considerations and is not automatically realized in real systems, but rather requires a system design taking into account the wave properties of light.
Zu beachten ist, dass für eine Linse als abbildendes System laut geometrischer Optik ein Zusammenhang aus objekt- und bildseitiger Schnittweite und Brenn weite besteht.
Figure imgf000006_0001
It should be noted that for a lens as an imaging system, according to geometric optics, there is a connection between the focal length on the object and image side and the focal length.
Figure imgf000006_0001
Licht lässt sich mathematisch als elektromagnetische Welle mit Hilfe der Max- wellschen Gleichungen beschreiben. Neben der Lösung der vollständigen Max wellgleichungen auf der einen und der geometrischen Optik auf der anderen Seite gibt es eine Reihe von mathematischen Modellen, basierend auf vereinfa chenden Annahmen in den Maxwellgleichungen, wie z. B. die Wellengleichung, Helmholtz-Gleichung oder die paraxiale Wellengleichung. Entscheidend ist, dass die wellenoptischen Modelle im Unterschied zur geometrischen Optik Beugungs phänomene bei der Ausbreitung von Licht berücksichtigen. Mathematically, light can be described as an electromagnetic wave using Maxwell's equations. In addition to solving the full Maxwell equations on the one hand and the geometric optics on the other, there are a number of mathematical models based on simplifying assumptions in the Maxwell equations, such as. B. the wave equation, Helmholtz equation or the paraxial wave equation. It is crucial that In contrast to geometric optics, the wave-optical models take diffraction phenomena into account when propagating light.
Bei der Ausbreitung eines Laserstrahls in einem kartesischen Koordinatensystem in z-Richtung ist die Beugung, z. B. in der Wellengleichung, durch den Laplace- Operator in den transversalen Koordinaten (x,y) im Modell berücksichtigt. When a laser beam propagates in a Cartesian coordinate system in the z direction, the diffraction, e.g. B. in the wave equation, considered by the Laplace operator in the transverse coordinates (x, y) in the model.
Eine spezielle Lösung der paraxialen Wellengleichung ist der sogenannte Gauß strahl, dessen transversales I nte ns itäts profil durch eine Gaußsche Normalvertei lung gegeben ist.
Figure imgf000007_0001
A special solution to the paraxial wave equation is the so-called Gaussian beam, whose transverse intrinsic profile is given by a Gaussian normal distribution.
Figure imgf000007_0001
Hierbei bezeichnet w(z) den Strahldurchmesser bei l/eA2 Intensitätslevel w(z) = w0Jl + (£ (3) Here w (z) denotes the beam diameter at l / e A 2 intensity level w ( z) = w 0 Jl + (£ (3)
Die Formel für den Strahlradius offenbart einen wichtigen Unterschied zwischen geometrischer Optik und Wellenoptik, nämlich die Verbreiterung des transversa len Intensitätsprofils eines Laserstrahls während der Propagation aufgrund von Beugung. Das bedeutet, dass es wellenoptisch keine kollimierten Strahlenbündel gibt, die über endliche Entfernungen propagieren. Bei Gaußstrahlen zeigt sich dies auch an der Änderung des Krümmungsradius der Phasenfront während der Propagation. The formula for the beam radius reveals an important difference between geometric optics and wave optics, namely the broadening of the transverse intensity profile of a laser beam during propagation due to diffraction. This means that there are no collimated rays that propagate over finite distances. For Gaussian rays, this is also shown by the change in the radius of curvature of the phase front during propagation.
(4) öße von Gaußstrahlen ist die Rayleigh Länge
Figure imgf000007_0002
(5) (4) Size of Gaussian rays is the Rayleigh length
Figure imgf000007_0002
(5)
Diese gibt an, wann sich der Strahlradius im Vergleich zur Strahltaille um den Faktor 2 vergrößert hat. This indicates when the beam radius has increased by a factor of 2 compared to the beam waist.
Die Propagation eines Gaußstrahls durch eine Linse lässt sich mittels der Ra yleigh Länge und einer modifizierten Linsengleichung beschreiben wobei s die Entfernung der Taille des Eingangsstrahls zur Linse ist und s' die Lage der Taille des Ausgangstrahls. The propagation of a Gaussian beam through a lens can be described using the Ra yleigh length and a modified lens equation where s is the distance from the waist of the input beam to the lens and s' is the location of the waist of the output beam.
Neben rigorosen Lösern für die Maxwellgleichungen, wie bspw. Finite Elemente oder Finite Differenzen Methoden, gibt es numerische und analytische Propagati onsmethoden basierend auf mathematischen Modellen, wie bspw. partielle Diffe rentialgleichungen und Beugungsintegralen, z. B. ABCD-Matrizen für Gaußstrah len, Spektrum Ebener Wellen Propagation (engl.: Spectrum of Plane Waves, SPW), Beam Propagation Methods (BPM) usw. In addition to rigorous solvers for the Maxwell equations, such as finite element or finite difference methods, there are numerical and analytical propagation methods based on mathematical models, such as partial differential equations and diffraction integrals, e.g. B. ABCD matrices for Gauss rays, spectrum of plane waves propagation (Spectrum of Plane Waves, SPW), beam propagation methods (BPM) etc.
Zu berücksichtigen ist, dass geometrisch optisch ein kollimiertes Strahlenbündel (engl.: collimated or parallel ray bündle) von einer fokussierenden Linse in der hinteren Brennebene fokussiert. It should be taken into account that a collimated or parallel ray bundle is focused optically by a focusing lens in the rear focal plane.
Figur 2 verdeutlicht die Fokussierung eines kollimierten Strahlenbündels in der hinteren Brennebene einer Linse für den Fall, dass Brennebene und Detektor ebene zusammenfallen. Die Darstellung zeigt ein Auge 50 mit einer Pupille 52 und Linse, durch die ein Strahlenbündel 54 tritt und auf einer hinteren Brenn ebene 56 auf der Netzhaut 58, der Detektorebene, des Auges 50 fokussiert wird. FIG. 2 illustrates the focusing of a collimated beam in the rear focal plane of a lens in the event that the focal plane and the detector plane coincide. The illustration shows an eye 50 with a pupil 52 and lens through which a beam of rays 54 passes and is focused on a rear focal plane 56 on the retina 58, the detector plane, of the eye 50.
Figur 3 verdeutlicht die Fokussierung eines schräg einfallenden, kollimierten Strahlenbündels in der hinteren Brennebene einer Linse für den Fall, dass Brenn ebene und Detektorebene zusammenfallen. Die Darstellung zeigt ein Auge 70 mit einer Pupille 72 und Linse, durch die ein schräg einfallendes Strahlenbündel 74 tritt und auf einer hinteren Brennebene 76 im Bereich der Netzhaut 78, der Detektorebene, des Auges 70 fokussiert wird. FIG. 3 illustrates the focusing of an obliquely incident, collimated beam in the rear focal plane of a lens in the event that the focal plane and the detector plane coincide. The illustration shows an eye 70 with a pupil 72 and lens through which an obliquely incident beam 74 passes and is focused on a rear focal plane 76 in the area of the retina 78, the detector plane, of the eye 70.
Es gibt abbildende Systeme, die auf unterschiedliche objektseitiger Schnittweiten bei näherungsweise gleichbleibender bildseitiger Schnittweite akkommodieren können, wie z. B. das menschliche Auge. Ändert sich der Akkommodationszu stand, bspw. durch Änderung der Brennweite der Augenlinse, ändert sich somit die Lage der hinteren Brennebene. Damit wird kollimiertes Licht nicht mehr in der Detektorebene, z. B. der Netzhaut, fokussiert. Figur 4 verdeutlicht die Fokussierung eines kollimierten Strahlenbündels in der hinteren Brennebene einer Linse. Die Darstellung zeigt ein Auge 90 mit einer Pu pille 92 und Linse, durch die ein Strahlenbündel 94 tritt und auf einer hinteren Brennebene 96 fokussiert wird. Die Detektorebene 98 gegeben durch die Netz haut des Auges 90 ist zu der Brennebene 96 versetzt. Bei Akkommodation auf objektseitige Schnittweiten kleiner unendlich fallen die Brennebene 96 und die Detektorebene 98 nicht zusammen. There are imaging systems that can accommodate different object-side focal lengths with an approximately constant image-side focal length, such as. B. the human eye. If the state of accommodation changes, e.g. by changing the focal length of the eye lens, the position of the rear focal plane changes. This means that collimated light is no longer in the detector plane, e.g. B. the retina, focused. FIG. 4 illustrates the focusing of a collimated beam in the rear focal plane of a lens. The illustration shows an eye 90 with a pill 92 and a lens through which a beam 94 passes and is focused on a rear focal plane 96. The detector level 98 given by the retina of the eye 90 is offset from the focal plane 96. When accommodating on object-side focal lengths smaller than infinity, the focal plane 96 and the detector plane 98 do not coincide.
Figur 5 zeigt die Fokussierung eines schräg einfallenden, kollimierten Strahlen bündels in der hinteren Brennebene einer Linse. Die Darstellung zeigt ein Auge 100 mit einer Pupille 102 und Linse, durch die ein schräg einfallendes Strahlen bündel 104 tritt und auf einer hinteren Brennebene 106 fokussiert wird. Die De tektorebene 108 gegeben durch die Netzhaut des Auges 100 ist zu der Brenn ebene 108 versetzt. Bei Akkommodation auf objektseitige Schnittweiten kleiner unendlich fallen die Brennebene 106 und die Detektorebene 108 nicht zusam men. FIG. 5 shows the focusing of an obliquely incident, collimated beam in the rear focal plane of a lens. The illustration shows an eye 100 with a pupil 102 and a lens through which an obliquely incident beam of rays 104 passes and is focused on a rear focal plane 106. The detector plane 108 given by the retina of the eye 100 is offset from the focal plane 108. When accommodation on object-side focal lengths smaller than infinity, the focal plane 106 and the detector plane 108 do not coincide.
Die in der Literatur zum Teil angeführte Fokusfreiheit einer virtuellen Netzhautan zeige, d. h. die Unabhängigkeit der von der virtuellen Netzhautanzeige auf der Netzhaut erzeugten Lichtintensität vom Akkomodationszustandes des Auges des Nutzers, beruht auf geometrisch optischen Argumenten. Die geometrisch opti sche Betrachtung eines engen kollimierten Strahlbündels ergibt, dass Strahlen durch den Knotenpunkt die Linse unabhängig vom Kollimationszustand passie ren. Es wird auch in diesem Zusammenhang eine Analogie zum sogenannten Maxwellian View bemüht. The focus freedom of a virtual retina indicated in the literature, d. H. The independence of the light intensity generated by the virtual retina display on the retina from the state of accommodation of the user's eye is based on geometrically optical arguments. The geometrically optical examination of a narrow, collimated beam shows that rays pass through the lens through the lens regardless of the state of collimation. An analogy to the so-called Maxwellian View is also sought in this context.
Figur 6 verdeutlicht die Fokussierung eines axial und schräg einfallenden, kolli mierten Strahlenbündels in der hinteren Brennebene einer Linse. Die Darstellung zeigt ein erstes Auge 120 mit einer Pupille 122, durch die ein axial einfallendes Strahlenbündel 124 tritt, ein zweites Auge 130 mit einer Pupille 132, durch die ein schräg einfallendes Strahlenbündel 134 tritt, ein drittes Auge 140 mit einer Pu pille 142, durch die ein axial einfallendes Strahlenbündel 144 tritt, ein viertes Auge 150 mit einer Pupille 152, durch die ein schräg einfallendes Strahlenbündel 154. Zu erkennen ist, dass bei dem ersten und zweiten Auge 120, 130 die Brenn ebene 126 bzw. 136 jeweils mit der Detektorebene übereinstimmt. Bei dem drit ten und vierten Auge 140, 150 ist die Brennebene 146 bzw. 156 jeweils versetzt zur Detektorebene 148 bzw. 158. Es wird deutlich, dass bei Akkommodation auf objektseitige Schnittweiten kleiner unendlich die Brennebene 146 bzw. 156 und die Detektorebene 148 bzw. 158 nicht zusammenfallen. Enge Strahlenbündel durch den Knotenpunkt verhalten sich somit geometrisch optisch näherungs weise wie geometrisch optische Strahlen. Figure 6 illustrates the focusing of an axially and obliquely incident collimated beam in the rear focal plane of a lens. The illustration shows a first eye 120 with a pupil 122 through which an axially incident beam 124 passes, a second eye 130 with a pupil 132 through which an obliquely incident beam 134 passes, and a third eye 140 with a pupil 142 which enters an axially incident beam 144, a fourth eye 150 with a pupil 152, through which an obliquely incident beam 154. It can be seen that in the first and second eyes 120, 130 the focal plane 126 and 136 respectively coincide with the detector plane. In the third and fourth eyes 140, 150, the focal plane 146 or 156 is in each case offset from the detector plane 148 or 158. It becomes clear that when accommodating on object-side focal lengths smaller than infinite, the focal plane 146 or 156 and the detector plane 148 or 158 do not coincide. Narrow bundles of rays through the node thus behave geometrically optically approximately as geometrically optical rays.
Es wurde nunmehr erkannt, dass in realen Systemen das vorstehend erläuterte geometrisch optische Modell an Grenzen stößt, wenn Beugungsphänomene nicht vernachlässigt werden können. Reale Laserstrahlen wie auch theoretische Modelle, wie bspw. Gaußstrahlen, zeigen, dass sich schmale Intensitätsprofile bereits während der Propagation über kurze Distanzen verbreitern. Es wird in diesem Zusammenhang auch auf die Rayleigh Länge und die Strahldivergenz verwiesen, die z. B. über das Strahlparameterprodukt gegeben ist. It has now been recognized that in real systems the geometric optical model explained above reaches its limits if diffraction phenomena cannot be neglected. Real laser beams as well as theoretical models, such as Gauss beams, show that narrow intensity profiles widen over short distances during propagation. In this context, reference is also made to the Rayleigh length and the beam divergence, which, for. B. is given on the beam parameter product.
Es gilt: wo · Q = M2 l/p wobei: wo: Radius der Strahltaille The following applies: where · Q = M 2 l / p where: where: radius of the beam waist
Q: Divergenzwinkel  Q: Divergence angle
l: Wellenlänge l: wavelength
p: Kreiszahl p: circle number
M2: M2-Wert, Strahlqualitätsfaktor M 2 : M 2 value, beam quality factor
Es wurde weiterhin erkannt, dass bei der virtuellen Netzhautanzeige dies bedeu tet, dass ein zu schmaler Strahlradius im Knotenpunkt allein aufgrund der Strahl divergenz zu einem fokussierten Spot auf der Netzhaut führt, der für Erzeugung detaillierte Intensitätsmuster auf der Netzhaut zu groß ist. Es wird daher vorgeschlagen, wellenoptische Eigenschaften bei der Reduzierung des Einflusses des Akkommodationszustandes des Auges des Nutzers auf die erzeugte Intensitätsverteilung auf der Netzhaut zu berücksichtigen. Dabei werden wellenoptische Eigenschaften des Lichts bei der Bestimmung von Designpara metern, insbesondere der Lage und/oder Größe der Strahlteile im Strahlengang, berücksichtigt. It was also recognized that in the virtual retina display this means that a beam radius that is too narrow in the node due to the beam divergence alone leads to a focused spot on the retina that is too large to generate detailed intensity patterns on the retina. It is therefore proposed to take wave-optical properties into account when reducing the influence of the state of accommodation of the user's eye on the intensity distribution generated on the retina. Wave-optical properties of light are taken into account when determining design parameters, in particular the position and / or size of the beam parts in the beam path.
Figur 7 zeigt in einem ersten Graphen 170, an dessen Abszisse 172 die Ausbrei tung z [m] und an dessen Ordinate 174 der Strahldurchmesser w(z) [m] aufgetra gen ist, und in einem zweiten Graphen 190, an dessen Abszisse 192 die Ausbrei tung z [m] und an dessen Ordinate 194 der Strahldurchmesser w(z) [m] aufgetra gen ist, die Verbreiterung des Strahlradius eines ersten Gaußstrahls 178 und ei nes zweiten Gaußstrahls 198, die unterschiedliche Strahltaillen haben, während Freiraumpropagation. FIG. 7 shows in a first graph 170, on the abscissa 172 the spread z [m] and on the ordinate 174 the beam diameter w (z) [m] is plotted, and in a second graph 190, on the abscissa 192 the Spread z [m] and on whose ordinate 194 the beam diameter w (z) [m] is plotted, the broadening of the beam radius of a first Gaussian beam 178 and a second Gaussian beam 198, which have different beam waists, during free space propagation.
Figur 8 verdeutlicht in schematischen Darstellungen Basisgeometrien und geo metrische Randbedingungen an ein strahlenerzeugendes Modul für verschie dene Wellenlängen. Hierzu zeigt die Darstellung drei Anordnungen zur Durchfüh rung des Verfahrens. Figure 8 illustrates in schematic representations basic geometries and geometric boundary conditions on a radiation-generating module for different wavelengths. For this purpose, the illustration shows three arrangements for implementing the method.
Eine erste Anordnung 200 umfasst eine Lichterzeugungseinheit einer ersten Wel lenlänge 202, ein Reflexionselement 204 und ein Umlenkelement 206, das in die sem Fall als holografisches optisches Element ausgebildet ist. Die erste Anord nung 200 ist derart eingerichtet, dass von der Lichterzeugungseinheit 202 emit tierte Laserstrahlen 208 durch das Reflexionselement 204 so über der Zeit unter schiedlich abgelenkt werden, dass ablenkte Laserstrahlen 210 entstehen, die über das Umlenkelement 206 umgelenkt werden, so dass umgelenkte Laser strahlen 212 durch eine Pupille 214 eines Auges 216 geführt werden und auf eine Netzhaut 218 des Auges 216 gelangen und dort durch Abtasten bzw. Scan nen dieser Netzhaut 218 ein virtuelles Bild erzeugen. A first arrangement 200 comprises a light generating unit of a first wavelength 202, a reflection element 204 and a deflection element 206, which in this case is designed as a holographic optical element. The first arrangement 200 is set up in such a way that laser beams 208 emitted by the light generating unit 202 are deflected differently over time by the reflection element 204 in such a way that deflected laser beams 210 are formed which are deflected via the deflection element 206, so that deflected lasers radiate 212 are passed through a pupil 214 of an eye 216 and reach a retina 218 of the eye 216 and generate a virtual image there by scanning or scanning this retina 218.
Eine zweite Anordnung 220 umfasst eine Lichterzeugungseinheit einer zweiten Wellenlänge 222, ein Reflexionselement 224 und ein Umlenkelement 226, das in diesem Fall als holografisches optisches Element ausgebildet ist. Die zweite An ordnung 220 ist derart eingerichtet, dass von der Lichterzeugungseinheit 222 emittierte Laserstrahlen 228 durch das Reflexionselement 224 so über der Zeit unterschiedlich abgelenkt werden, dass ablenkte Laserstrahlen 230 entstehen, die über das Umlenkelement 226 umgelenkt werden, so dass umgelenkte Laser strahlen 232 durch eine Pupille 234 eines Auges 236 geführt werden und auf eine Netzhaut 238 des Auges 236 gelangen und dort durch Abtasten bzw. Scan nen dieser Netzhaut 238 ein virtuelles Bild erzeugen. A second arrangement 220 comprises a light generation unit of a second wavelength 222, a reflection element 224 and a deflection element 226, which in this case is designed as a holographic optical element. The second arrangement 220 is set up such that the light generating unit 222 emitted laser beams 228 are deflected differently over time by the reflection element 224 in such a way that deflected laser beams 230 arise which are deflected via the deflection element 226, so that deflected lasers 232 are guided through a pupil 234 of an eye 236 and onto a retina 238 of the Eye 236 arrive and there by scanning or scanning NEN this retina 238 generate a virtual image.
Eine dritte Anordnung 240 umfasst eine Lichterzeugungseinheit einer dritten Wel lenlänge 242, ein Reflexionselement 244 und ein Umlenkelement 246, das in die sem Fall als holografisches optisches Element ausgebildet ist. Die dritte Anord nung 240 ist derart eingerichtet, dass von der Lichterzeugungseinheit 242 emit tierte Laserstrahlen 248 durch das Reflexionselement 244 so über der Zeit unter schiedlich abgelenkt werden, dass ablenkte Laserstrahlen 250 entstehen, die über das Umlenkelement 246 umgelenkt werden, so dass umgelenkte Laser strahlen 252 durch eine Pupille 254 eines Auges 256 geführt werden und auf eine Netzhaut 258 des Auges 256 gelangen und dort durch Abtasten bzw. Scan nen dieser Netzhaut 238 ein virtuelles Bild erzeugen. A third arrangement 240 comprises a light generating unit of a third wavelength 242, a reflection element 244 and a deflection element 246, which in this case is designed as a holographic optical element. The third arrangement 240 is set up in such a way that laser beams 248 emitted by the light generating unit 242 are deflected differently over time by the reflection element 244 in such a way that deflected laser beams 250 are formed which are deflected via the deflection element 246 so that deflected lasers radiate 252 are passed through a pupil 254 of an eye 256 and reach a retina 258 of the eye 256 and generate a virtual image there by scanning or scanning this retina 238.
Nachfolgend werden einige Ausführungen des vorgestellten Verfahrens zur Opti mierung der Strahlparameter eines Designs für eine virtuelle Netzhautanzeige anhand von Flussdiagrammen erläutert: Some explanations of the presented method for optimizing the beam parameters of a design for a virtual retinal display are explained below using flow diagrams:
Figur 9 zeigt eine erste Ausführungsform eines Verfahrens, bei dem in einem ersten Schritt 300 die grundlegenden Systemgeometrien initialisiert werden. In einem nächsten Schritt 302 werden die geometrischen Bedingungen für die Lich terzeugungseinheit definiert. In einem nächsten Schritt 304 wird die obere und untere Grenze des Strahlpropagationabstands bestimmt. Anschließend wird in einem Schritt 306 das Modell für die Strahlpropagation ausgewählt. Dann werden in einem Schritt 308 Designparameter, der Parameterbereich und Gütefunktionen ausgewählt. Anschließend werden in einem Schritt 310 Gütefunktionen über dem Parameterbereich evaluiert. Abschließend werden in einem Schritt 312 optimale Werte für die Designparameter ausgewählt. Als Gütefunktionen (engl.: merit functions) bezeichnet man das Gütemaß bei ei ner Systemoptimierung im Objektdesign. Allgemein bedeutet Optimierung letzt endlich, dass ein Extremalpunkt einer reellwertigen Funktion gefunden werden soll. In vielen Fällen setzt sich eine Gütefunktion aus unterschiedlichen, z. T. ver schieden stark gewichteten Gütekriterien zusammen. Es kann bspw. der Radius des fokussierten Spots auf einem Detektor für verschiedene Systemkonfiguratio nen, ggf. gewichtet, aufsummiert werden. Damit ergibt sich eine reellwertige Funktion, deren Werte von den Systemparametern abhängt. Werden z. B. geo metrische Parameter variiert, ändert sich im allgemeinen der Wert der Gütefunk tion. Dadurch kann das System anhand der Gütefunktion optimiert werden. FIG. 9 shows a first embodiment of a method in which the basic system geometries are initialized in a first step 300. In a next step 302, the geometric conditions for the light generating unit are defined. In a next step 304, the upper and lower limits of the beam propagation distance are determined. The model for the beam propagation is then selected in a step 306. Design parameters, the parameter range and quality functions are then selected in a step 308. Quality functions over the parameter range are then evaluated in a step 310. Finally, optimal values for the design parameters are selected in a step 312. Merit functions are the quality measures for system optimization in object design. In general, optimization finally means that an extreme point of a real-valued function should be found. In many cases, a quality function consists of different, e.g. T. different weighted quality criteria together. For example, the radius of the focused spot on a detector for various system configurations, weighted if necessary, can be summed up. This results in a real-valued function, the values of which depend on the system parameters. Are z. B. varies geometric parameters, the value of the quality function changes in general. This enables the system to be optimized based on the quality function.
Eine zweite Ausführungsform ist in Figur 10 gezeigt. In einem ersten Schritt 320 werden die grundlegenden Systemgeometrien initialisiert. In einem nächsten Schritt 322 werden die geometrischen Bedingungen für die Lichterzeugungsein heit definiert. In einem nächsten Schritt 324 wird die obere und untere Grenze des Strahlpropagationabstands bestimmt. Anschließend wird in einem Schritt 326 das Modell für die Strahlpropagation ausgewählt. Dann werden in einem Schritt 328 Designparameter, der Parameterbereich und Gütefunktionen ausgewählt. Anschließend werden in einem Schritt 330 Gütefunktionen über dem Parameter bereich evaluiert. Abschließend werden in einem Schritt 332 optimale Werte für die Designparameter ausgewählt. Dann wird in einem Schritt 334 die Systemgeo metrie auf Konsistenz überprüft. Ist diese konsistent, so endet das Verfahren in einem Schritt 336. Ist dies nicht der Fall, so wird in einem Schritt 338 die System geometrie eingestellt. Dann werden in einem Schritt 340 die geometrischen Be dingungen für die Lichterzeugungseinheit definiert. Es erfolgt anschließend ein Sprung zu Schritt 326. A second embodiment is shown in FIG. 10. In a first step 320, the basic system geometries are initialized. In a next step 322 the geometric conditions for the light generating unit are defined. In a next step 324, the upper and lower limits of the beam propagation distance are determined. The model for the beam propagation is then selected in a step 326. Then, in a step 328, design parameters, the parameter range and quality functions are selected. Then, in a step 330, quality functions over the parameter range are evaluated. Finally, optimal values for the design parameters are selected in a step 332. The system geometry is then checked for consistency in a step 334. If this is consistent, the method ends in a step 336. If this is not the case, the system geometry is set in a step 338. The geometric conditions for the light generating unit are then defined in a step 340. The process then jumps to step 326.
Eine dritte Ausführungsform ist in Figur 11 gezeigt. In einem ersten Schritt 350 werden die grundlegenden Systemgeometrien initialisiert. In einem nächsten Schritt 352 werden die geometrischen Bedingungen für die Lichterzeugungsein heit definiert. In einem nächsten Schritt 354 wird die obere und untere Grenze des Strahlpropagationabstands bestimmt. Anschließend wird in einem Schritt 356 das Modell für die Strahlpropagation ausgewählt. Dann werden in einem Schritt 358 Designparameter, der Parameterbereich und Gütefunktionen ausgewählt. Anschließend werden in einem Schrit 360 Gütefunktionen über dem Parameter bereich evaluiert. Abschließend werden in einem Schrit 362 optimale Werte für die Designparameter ausgewählt. Dann wird in einem Schrit 364 die Systemgeo metrie auf Konsistenz überprüft. Ist diese konsistent, so endet das Verfahren in einem Schrit 366. Ist dies nicht der Fall, so wird in einem Schrit 368 die System geometrie eingestellt. Dann werden in einem Schrit 370 die geometrischen Be dingungen für die Lichterzeugungseinheit definiert. Es erfolgt anschließend ein Sprung zu Schrit 358. A third embodiment is shown in FIG. In a first step 350, the basic system geometries are initialized. In a next step 352, the geometric conditions for the light generating unit are defined. In a next step 354, the upper and lower limits of the beam propagation distance are determined. The model for the beam propagation is then selected in a step 356. Design parameters, the parameter range and quality functions are then selected in a step 358. Then 360 quality functions above the parameter area are evaluated in one step. Finally, optimal values for the design parameters are selected in a step 362. The system geometry is then checked for consistency in a step 364. If this is consistent, the method ends in step 366. If this is not the case, the system geometry is set in step 368. The geometric conditions for the light generating unit are then defined in a step 370. Then jump to step 358.
Eine vierte Ausführungsform ist in Figur 12 gezeigt. In einem ersten Schrit 380 werden die grundlegenden Systemgeometrien initialisiert. In einem nächsten Schrit 382 werden die geometrischen Bedingungen für die Lichterzeugungsein heit definiert. In einem nächsten Schrit 384 wird die obere und untere Grenze des Strahlpropagationabstands bestimmt. Anschließend wird in einem Schrit 386 das Modell für die Strahlpropagation ausgewählt. Dann werden in einem Schrit 388 Designparameter, der Parameterbereich und Gütefunktionen ausgewählt. Anschließend werden in einem Schrit 390 Gütefunktionen über dem Parameter bereich evaluiert. Abschließend werden in einem Schrit 392 optimale Werte für die Designparameter ausgewählt. Dann wird in einem Schrit 394 die Systemgeo metrie auf Konsistenz überprüft. Ist diese konsistent, so endet das Verfahren in einem Schrit 396. Ist dies nicht der Fall, so wird in einem Schrit 398 die System geometrie eingestellt. Dann werden in einem Schrit 399 die geometrischen Be dingungen für die Lichterzeugungseinheit definiert. Es erfolgt anschließend ein Sprung zu Schrit 390. A fourth embodiment is shown in FIG. In a first step 380, the basic system geometries are initialized. In a next step 382 the geometric conditions for the light generating unit are defined. In a next step 384, the upper and lower limits of the beam propagation distance are determined. The model for the beam propagation is then selected in a step 386. Then in one step 388 design parameters, the parameter range and quality functions are selected. Then 390 quality functions above the parameter area are evaluated in one step. Finally, optimal values for the design parameters are selected in a step 392. Then the system geometry is checked for consistency in a step 394. If this is consistent, the method ends in step 396. If this is not the case, the system geometry is set in step 398. The geometric conditions for the light generating unit are then defined in a step 399. Then there is a jump to step 390.
Zusammenfassend ist festzustellen, dass zu Beginn des Verfahrens eine initiale Basisgeomtrie für das RSD-System basierend auf anatomischen und mechani schen Randbedingungen festgelegt wird. Ein Teil des Systems, vorzugsweise die Lichterzeugungseinheit bzw. lichtgebende Einheit, wird dabei als Black-Box abs trahiert. Es werden bspw. Radius und Lage der Strahltaille zwischen Scannerein heit und Knotenpunktlage als Designparameter gewählt. In summary, it can be stated that at the beginning of the method, an initial basic geometry for the RSD system is determined based on anatomical and mechanical boundary conditions. Part of the system, preferably the light generating unit or light-emitting unit, is thereby traced as a black box abs. For example, the radius and position of the beam waist between the scanner unit and the node position are selected as design parameters.
Gegebenenfalls können weitere Randbedingungen, wie Aperturen, durch die Wahl der Parameterintervalle berücksichtigt werden. Bei mehrfarbigen Systemen, kann das Verfahren für verschiedene Wellenlängen verwendet werden, um die optimalen System- und Strahlparameter für die ver schiedenen Wellenlängen zu ermitteln. Es wird in diesem Zusammenhang auf Figur 8 verwiesen. If necessary, further boundary conditions, such as apertures, can be taken into account by the choice of the parameter intervals. In the case of multicolor systems, the method can be used for different wavelengths in order to determine the optimal system and beam parameters for the different wavelengths. In this context, reference is made to FIG. 8.
Die verschiedenen Spiegelstellungen ergeben obere und untere Schranken für die Weglängen, die das Licht im System zurücklegt. Zur Eingrenzung der Para meterintervalle kann bspw. angenommen werden, dass sich die Strahltaille zwi schen Scannergehäuse und Knotenpunktlage im Strahlengang befindet und die Rayleigh Länge nicht kleiner als der Weg von der Taille zur Detektorebene, z. B. der Netzhaut, sein sollte. Auch hier wird auf Figur 8 verwiesen. The different mirror positions result in upper and lower limits for the path lengths that the light travels in the system. To narrow down the parameter intervals, it can be assumed, for example, that the beam waist is between the scanner housing and the node location in the beam path and the Rayleigh length is not less than the path from the waist to the detector level, e.g. B. the retina. Reference is also made to FIG. 8 here.
Die Propagation durch das System und ggf. ein geeignetes Augenmodell, im ein fachsten Fall eine Linse mit variierender Brennweite und festem Abstand zur De tektorebene, d. h. der Netzhaut, kann sowohl mit analytischen als auch numeri schen Methoden erfolgen. The propagation by the system and possibly a suitable eye model, in the simplest case a lens with a varying focal length and a fixed distance from the detector plane, i. H. the retina, can be done using analytical as well as numerical methods.
Als Gütekriterien kann z. B. die Spotgröße auf der Netzhaut für verschiedene Ak kommodationszustände, die mittlere Spotgröße auf der Retina für verschiedene Akkommodationszustände sowie die Standardabweichung oder ein anderes Maß für die Streuung der Spotgröße auf der Retina für verschiedene Akkommodati onszustände verwendet werden. Es wird hierzu auf die Figuren 9 bis 12 verwie sen. As quality criteria z. B. the spot size on the retina for different accommodation conditions, the mean spot size on the retina for different accommodation conditions and the standard deviation or another measure for the scattering of the spot size on the retina for different accommodation conditions can be used. For this purpose, reference is made to FIGS. 9 to 12.
Im Anschluss an die Ermittlung der optimalen Strahlparameter kann die Ausle gung des strahlerzeugenden Moduls mit mindestens einer Lichtquelle mit Kolli mationsoptik und ggf. weiteren optischen Elementen zur Strahlmanipulation erfol gen. Es wird hierzu auf Figur 13 verwiesen. Following the determination of the optimal beam parameters, the beam-generating module can be designed with at least one light source with collimation optics and possibly further optical elements for beam manipulation. Reference is made to FIG. 13.
Figur 13 zeigt in schematischer Darstellung die Auslegung strahlerzeugender Module unter Berücksichtigung einer späteren Kombination in ein polychromati sches Modul sowie die Verwendung weiterer optischer Elemente zur Manipula tion von Radius und Lage der Strahltaille im Strahlengang. Die Darstellung zeigt eine erste Lichterzeugungseinheit 400 einer ersten Wellenlänge 402, eine zweite Lichterzeugungseinheit 410 einer zweiten Wellenlänge 412 und eine dritte Licht erzeugungseinheit 420 einer dritten Wellenlänge 422. Figure 13 shows a schematic representation of the design of beam-generating modules taking into account a later combination in a polychromatic module and the use of further optical elements for manipulating the radius and position of the beam waist in the beam path. The illustration shows a first light generating unit 400 of a first wavelength 402, a second Light generation unit 410 of a second wavelength 412 and a third light generation unit 420 of a third wavelength 422.
(Was ist hier auf der rechten Seite gezeigt, was ist insbesondere mit Bezugsziffer 430, 432 und 434 bezeichnet?) (What is shown here on the right-hand side, what is particularly designated with reference numbers 430, 432 and 434?)
Figur 14 zeigt in schematischer Darstellung die Basisgeometrie und geometri sche Randbedingungen für eine polychromatische virtuelle Netzhautanzeige nach Kombination monochromatisch optimierter strahlerzeugender Module. Die Darstellung zeigt eine Anordnung 500 zur Durchführung des Verfahrens, die eine Lichterzeugungseinheit 502, ein Reflexionselement 504 und ein Umlenkelement 506, das in diesem Fall als holografisches optisches Element ausgebildet ist, um fasst. Die Anordnung 500 ist derart eingerichtet, dass von der Lichterzeugungs einheit 502 emittierte Laserstrahlen 508 durch das Reflexionselement 504 so über der Zeit unterschiedlich abgelenkt werden, dass abgelenkte Laserstrahlen 510 entstehen, die über das Umlenkelement 506 umgelenkt werden, so dass um gelenkte Laserstrahlen 512 durch eine Pupille 514 eines Auges 516 geführt wer den und auf eine Netzhaut 518 des Auges 516 gelangen und dort durch Abtasten bzw. Scannen dieser Netzhaut 518 ein virtuelles Bild erzeugen.  FIG. 14 shows a schematic representation of the basic geometry and geometrical boundary conditions for a polychromatic virtual retinal display after a combination of monochromatically optimized beam-generating modules. The illustration shows an arrangement 500 for carrying out the method, which comprises a light generating unit 502, a reflection element 504 and a deflection element 506, which in this case is designed as a holographic optical element. The arrangement 500 is set up in such a way that laser beams 508 emitted by the light generating unit 502 are deflected differently over time by the reflection element 504 in such a way that deflected laser beams 510 are created which are deflected via the deflection element 506, so that laser beams 512 are deflected by a The pupil 514 of an eye 516 is guided and reaches a retina 518 of the eye 516 and generates a virtual image there by scanning or scanning this retina 518.
Zu beachten ist, dass in der Darstellung Strahlenbündel unterschiedlicher Farben dargestellt sind. It should be noted that the display shows beams of different colors.
Zu beachten ist, dass je nach Design des strahlerzeugenden Moduls eine Anpas sung der Basisgeometrie und eine Iteration des Verfahrens zu bevorzugen ist. Es wird auf Figuren 9 bis 12 und 14 verwiesen. Nach Optimierung der Strahlparame ter für verschiedene Wellenlängen können die Anforderungen an die strahlerzeu genden Module in Anforderungen für ein polychromatisches strahlerzeugendes Modul überführt werden. Gegebenenfalls kann auch hier eine iterative Vorge hensweise bessere Ergebnisse liefern. Es wird auf Figuren 9 bis 12 sowie 13 und 14 verwiesen. It should be noted that, depending on the design of the beam-generating module, an adaptation of the basic geometry and an iteration of the process are preferable. Reference is made to FIGS. 9 to 12 and 14. After optimizing the beam parameters for different wavelengths, the requirements for the beam-generating modules can be converted into requirements for a polychromatic beam-generating module. If necessary, an iterative approach can also deliver better results. Reference is made to FIGS. 9 to 12 and 13 and 14.
Zur Realisierung der optimalen Strahlparameter können im strahlerzeugenden Modul ggf. weitere optische Elemente, vorzugsweise refraktive oder auch diffrak- tive Linse, eingesetzt werden. Wie in vorstehend beschrieben ist, können ein zelne Linsen oder auch Linsenkombinationen wie z.B. 4f-Aufbauten, verwendet werden, um Lage und Radius der Strahltaille zu beeinflussen. Ggf. ist wiederum eine Anpassung der Basisgeometrie und der geometrischen Randbedingungen im Rahmen eines iterativen Prozesses zu bevorzugen. Es wird auf Figuren 9 bis 12 sowie 13 und 14 verwiesen. To implement the optimal beam parameters, additional optical elements, preferably refractive or also diffractive lens, can be used in the beam-generating module. As described in above, a single lens or lens combinations such as 4f structures can be used to influence the position and radius of the beam waist. Possibly. an adjustment of the basic geometry and the geometrical boundary conditions in the context of an iterative process is to be preferred. Reference is made to FIGS. 9 to 12 and 13 and 14.
Ein 4f-Aufbau ist ein 1-1-Teleskop mit zwei Linsen gleicher Brennweite (f) im Ab stand der zweifachen Brennweite voneinander im Strahlengang. Die Gesamt länge von der vorderen Brennebene der ersten Linse zur hinteren Brennebene der zweiten Linse beträgt dann 4f. A 4f setup is a 1-1 telescope with two lenses of the same focal length (f) at a distance of twice the focal length from each other in the beam path. The total length from the front focal plane of the first lens to the rear focal plane of the second lens is then 4f.
Weiterhin ist zu berücksichtigen, dass das beschrieben Verfahren auch für den Entwurf integrierter optischer Module für die Strahlerzeugung anwendbar. It should also be taken into account that the described method can also be used for the design of integrated optical modules for beam generation.
Bisherige Simulationen haben gezeigt, dass die geometrischen Randbedingun gen in realen Systemen nur einen engen Parameterraum zulassen, in dem eine virtuelle Netzhautanzeige annähernd fokusfrei ist. Die sogenannte Fokusfreiheit ist nicht, wie die geometrisch optischen Argumente nahelegen, einen inhärente Systemeigenschaft, sondern muss durch Optimierung der Strahleigenschaften gestaltet werden. Diese Eigenschaft lässt sich am Produkt direkt nachmessen, indem z. B. in einem einfachen Augenmodell bestehend aus einer Linse und ei nem Detektor in festem Abstand, die auf dem Detektor erzeugte Lichtintensitäts verteilung für verschiedene Brennweiten, d. h. Akkommodationszustände, ermit telt wird. Previous simulations have shown that the geometric boundary conditions in real systems only allow a narrow parameter space in which a virtual retina display is almost focus-free. The so-called lack of focus is not, as the geometrical optical arguments suggest, an inherent system property, but must be designed by optimizing the beam properties. This property can be measured directly on the product, e.g. B. in a simple eye model consisting of a lens and egg NEM detector at a fixed distance, the generated on the detector light intensity distribution for different focal lengths, d. H. States of accommodation, is determined.

Claims

Ansprüche Expectations
1. Verfahren zum Durchführen einer virtuellen Netzhautanzeige, bei dem mit ei ner Lichterzeugungseinheit (12, 202, 222, 242, 400, 410, 420, 502) ein Licht strahl erzeugt wird, der über ein Reflexionselement (14, 204, 224, 244, 504) so abgelenkt wird, das ein Strahlenbündel entsteht, das über ein Umlenkelement (16, 206, 226, 246, 506) auf eine Netzhaut (28, 58, 78, 218) eines Auges (26, 50, 70, 90, 100, 120, 130, 140, 150, 216, 236, 256) gelenkt wird, wobei bei einer Re duzierung des Einflusses des Akkommodation des Auges (26, 50, 70, 90, 100, 120, 130, 140, 150, 216, 236, 256) auf eine erzeugte Intensitätsverteilung auf der Netzhaut (28, 58, 78, 218) wellenoptische Eigenschaften des Strahlenbündels berücksichtigt werden. 1. A method for performing a virtual retinal display, in which a light beam is generated with a light generating unit (12, 202, 222, 242, 400, 410, 420, 502), which is transmitted via a reflection element (14, 204, 224, 244 , 504) is deflected in such a way that a beam of rays is formed which is directed via a deflection element (16, 206, 226, 246, 506) onto a retina (28, 58, 78, 218) of an eye (26, 50, 70, 90, 100, 120, 130, 140, 150, 216, 236, 256) is steered, with a reduction in the influence of the accommodation of the eye (26, 50, 70, 90, 100, 120, 130, 140, 150, 216 , 236, 256) on a generated intensity distribution on the retina (28, 58, 78, 218) wave-optical properties of the beam are taken into account.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem ein holografisches Umlenkelement (16, 206, 226, 246, 506) verwendet wird. 2. The method according to claim 1, wherein a holographic deflection element (16, 206, 226, 246, 506) is used.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem Lage und Größe von Strahltaillen im Strahlengang unter Berücksichtigung der wellenoptischen Eigenschaften be stimmt werden. 3. The method according to claim 1 or 2, in which the location and size of beam waists in the beam path are determined taking into account the wave optical properties.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem in einem ersten Schritt grundlegende Geometrien einer Anordnung (10, 200, 220, 240, 500) zur Durch führung des Verfahrens initialisiert werden, in einem nächsten Schritt geometri sche Bedingungen für eine Lichterzeugungseinheit (12, 202, 222, 242, 400, 410, 420, 502) der Anordnung (10, 200, 220, 240, 500) definiert werden, in einem nächsten Schritt eine obere und untere Grenze eines Strahlpropagationabstands bestimmt wird, dann ein Modell für die Strahlpropagation ausgewählt wird und dann Designparameter, ein Parameterbereich und Gütefunktionen ausgewählt werden und abschließend optimale Werte für Designparameter ausgewählt wer den. 4. The method according to any one of claims 1 to 3, in which in a first step basic geometries of an arrangement (10, 200, 220, 240, 500) are initialized for carrying out the method, in a next step geometrical conditions for a light generating unit (12, 202, 222, 242, 400, 410, 420, 502) of the arrangement (10, 200, 220, 240, 500) can be defined, in a next step an upper and lower limit of a beam propagation distance is determined, then a model is selected for the beam propagation and then design parameters, a parameter range and quality functions are selected and finally optimal values for design parameters are selected.
5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die Geometrie der Anordnung (10, 200, 220, 240, 500) auf Konsistenz geprüft wird. 5. The method according to claim 4, wherein the geometry of the arrangement (10, 200, 220, 240, 500) is checked for consistency.
6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem, falls die Überprüfung ergibt, dass die Anordnung (10, 200, 220, 240, 500) nicht konsistent ist, die Geometrie der An ordnung (10, 200, 220, 240, 500) erneut eingestellt wird. 6. The method of claim 5, wherein if the check reveals that the array (10, 200, 220, 240, 500) is inconsistent, the geometry of the array (10, 200, 220, 240, 500) again is set.
7. Anordnung zum Durchführen einer virtuellen Netzhautanzeige, die zum Durch führen eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 eingerichtet ist. 7. Arrangement for carrying out a virtual retinal display, which is set up for carrying out a method according to one of claims 1 to 6.
8. Anordnung nach Anspruch 7, die ein Lichterzeugungseinheit (12, 202, 222, 242, 400, 410, 420, 502), ein Reflexionselement (14, 204, 224, 244, 504) und ein Umlenkelement (16, 206, 226, 246, 506) umfasst. 8. Arrangement according to claim 7, comprising a light generating unit (12, 202, 222, 242, 400, 410, 420, 502), a reflection element (14, 204, 224, 244, 504) and a deflection element (16, 206, 226 , 246, 506).
9. Anordnung nach Anspruch 8, bei der die Lichterzeugungseinheit (12, 202, 222,9. The arrangement according to claim 8, wherein the light generating unit (12, 202, 222,
242, 400, 410, 420, 502) dazu eingerichtet ist, einen Laserstrahl zu erzeugen, das Reflexionselement (14, 204, 224, 244, 504) als MEMS-Reflexionselement und das Umlenkelement (16, 206, 226, 246, 506) als holografisches Umlenkele ment ausgebildet ist. 242, 400, 410, 420, 502) is set up to generate a laser beam, the reflection element (14, 204, 224, 244, 504) as a MEMS reflection element and the deflection element (16, 206, 226, 246, 506) is designed as a holographic deflecting element.
PCT/EP2019/080912 2018-11-15 2019-11-12 Method and arrangement for carrying out a virtual retinal display WO2020099347A1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102018219474.2A DE102018219474A1 (en) 2018-11-15 2018-11-15 Method and arrangement for performing a virtual retinal display
DE102018219474.2 2018-11-15

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2020099347A1 true WO2020099347A1 (en) 2020-05-22

Family

ID=68621226

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2019/080912 WO2020099347A1 (en) 2018-11-15 2019-11-12 Method and arrangement for carrying out a virtual retinal display

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102018219474A1 (en)
WO (1) WO2020099347A1 (en)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010117541A (en) * 2008-11-13 2010-05-27 Panasonic Corp Beam scanning-type display device
DE102015213376A1 (en) 2015-07-16 2017-01-19 Robert Bosch Gmbh Projection device for data glasses, data glasses and methods for operating a projection device for a data glasses
WO2017180906A2 (en) * 2016-04-13 2017-10-19 Thalmic Labs Inc. Systems, devices, and methods for focusing laser projectors

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102007032001B4 (en) * 2007-07-09 2009-02-19 Carl Zeiss Vision Gmbh Device and method for determining the required correction of the refractive error of an eye
WO2009041055A1 (en) * 2007-09-26 2009-04-02 Panasonic Corporation Beam scan type display device, its display method, program, and integrated circuit
EP4220999A3 (en) * 2013-11-27 2023-08-09 Magic Leap, Inc. Virtual and augmented reality systems and methods

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010117541A (en) * 2008-11-13 2010-05-27 Panasonic Corp Beam scanning-type display device
DE102015213376A1 (en) 2015-07-16 2017-01-19 Robert Bosch Gmbh Projection device for data glasses, data glasses and methods for operating a projection device for a data glasses
WO2017180906A2 (en) * 2016-04-13 2017-10-19 Thalmic Labs Inc. Systems, devices, and methods for focusing laser projectors

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
CHANGWON JANG ET AL: "Retinal 3D : augmented reality near-eye display via pupil-tracked light field projection on retina", ACM TRANSACTIONS ON GRAPHICS, vol. 36, no. 6, 20 November 2017 (2017-11-20), 2 Penn Plaza, Suite 701New YorkNY10121-0701USA, pages 1 - 13, XP055613938, ISSN: 0730-0301, DOI: 10.1145/3130800.3130889 *
MCQUAIDE S C ET AL: "A retinal scanning display system that produces multiple focal planes with a deformable membrane mirror", DISPLAYS DEVICES, DEMPA PUBLICATIONS, TOKYO, JP, vol. 24, no. 2, 1 August 2003 (2003-08-01), pages 65 - 72, XP004448454, ISSN: 0141-9382, DOI: 10.1016/S0141-9382(03)00016-7 *

Also Published As

Publication number Publication date
DE102018219474A1 (en) 2020-05-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1880698B1 (en) Ophthalmological device
EP0871913B1 (en) Microscope
EP2173234B1 (en) Apparatus and method for determining the necessary correction of defective vision of an eye
DE102016226294A1 (en) Method and device for determining the refractive power of a lens in an eye and use
EP3100011B1 (en) Beam propagation camera and method for light beam analysis
EP3210068B1 (en) Imaging optical unit and smart glasses
DE102017211932A1 (en) Projection device for data glasses, data glasses and methods for operating a projection device
DE102017107346A1 (en) Device for power supply of and / or communication with an eye implant by means of illumination radiation
EP3555688A1 (en) Smartglasses, lens for smartglasses and method for generating an image on the retina
DE102014119550B4 (en) Imaging optics for generating a virtual image and data glasses
DE102013021974B3 (en) Device for determining an ametropia of an eye
DE102012012281A1 (en) EYE SURGERY MICROSCOPE WITH AMETROPIC MEASUREMENT DEVICE
DE102017211934A1 (en) Projection device for a data glasses, data glasses and methods for improving a symmetry of a light beam and / or for reducing the diameter of the light beam
EP3359928B9 (en) Method and device for beam analysis
WO2020120297A1 (en) Method for producing a holographic optical element (hoe), which is provided for projection in a projection system, a holographic optical element of this kind, projection device, lens for data glasses and data glasses of this kind
WO2020099347A1 (en) Method and arrangement for carrying out a virtual retinal display
WO2019243395A1 (en) Device apparatus for projecting a laser beam for generating an image on the retina of an eye
DE102019108677A1 (en) Devices for generating light distributions with optical waveguides
EP3949080B1 (en) Apparatus for supplying energy to an active eye implant
WO2013057176A1 (en) Ophthalmic laser system and method for laser-surgical treatment of the cornea
DE102022208721A1 (en) Optical segmentation element and optical system for a virtual retinal display
DE102022202208A1 (en) Method for pupil detection and/or pupil tracking, optical system and data glasses
DE102022202622A1 (en) Method for determining an eye distance in data glasses and data glasses
DE102023200051A1 (en) Optical system for a virtual retinal display and gesture detection of a user of the virtual retinal display
WO2022128998A1 (en) Device and method for determining a focal position

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 19806115

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 19806115

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1