WO2020156853A1 - Lichtleitanordnung, abbildungsoptik, head mounted display und verfahren zum verbessern der abbildungsqualität einer abbildungsoptik - Google Patents

Lichtleitanordnung, abbildungsoptik, head mounted display und verfahren zum verbessern der abbildungsqualität einer abbildungsoptik Download PDF

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WO2020156853A1
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light guide
color channel
iii
spectral
color
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PCT/EP2020/051271
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Georg Michels
Momchil Davidkov
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tooz technologies GmbH
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Definitions

  • the present invention relates to a light guide arrangement with a light guide for transmitting at least one color channel and in particular for transmitting at least a first color channel and a second color channel, the color channels each having a spectral maximum and a spectral bandwidth.
  • the invention relates to imaging optics for shaping a virtual image from an original image displayed on an image generator and to a Flead Mounted Display with such imaging optics.
  • Light-guiding arrangements of the type mentioned at the outset can be used in Flead Mounted Displays and in particular in data glasses.
  • Data glasses in the sense of the present description is a special form of a Flead Mounted Display, which is able to combine electronic images with the immediately perceived image of the surroundings and thus to present an electronic image to the user without preventing the immediate perception of the surroundings .
  • the first principle works optically very well, but has only very little social acceptance, because the superior beam combiner is very conspicuous and large on the outside. In addition, the glasses become front-heavy.
  • the second principle can only be realized with a greatly increased distance between glasses and head, which is also not acceptable.
  • the more promising approaches are therefore based on the third principle, i.e. the light guidance in the lens as a light guide.
  • the decoupling structure can be designed as a diffraction grating, as a partially transparent inclined mirror or in the form of partially transparent Fresnel elements.
  • the beam path of the electronic image is decoupled from the spectacle lens, for example, via the 1st order diffraction maximum, while the observation light can pass through the decoupling structure as unimpaired as possible via the 0th order diffraction maximum.
  • Examples of data glasses in which the light of the electronic image is guided to a decoupling structure in the lens by means of reflection, in particular by means of total internal reflection, are described, for example, in documents DE 10 2013 207 257 A1, DE 10 2013 223 963 A1, DE 10 2013 223 964 B3, DE 10 2015 117 557 A1, DE 10 2016 124 538 A1, US 2006/0126181 A1, US 2010/0220295 A1 and US 2012/0002294 A1.
  • the electronic glasses should also be able to present colored electronic images in particular.
  • a polychromatic imager i.e. an imager with which a color image can be generated, emits not only in the three special wavelengths for which the imaging optics are optimized, but in three wavelength ranges, for example in a red, a green and a blue wavelength range , each of which has a spectral width.
  • the three special wavelengths for which the imaging optics are optimized are then typically selected such that they correspond to the spectral maxima of the wavelength ranges or are close to the respective spectral maximum.
  • the spectral bandwidth of the wavelength ranges in which a polychromatic imager emits leads to a deterioration in the imaging quality due to the optimization of the imaging optics on the few special wavelengths.
  • a light guide arrangement according to the invention comprises a light guide for transmitting at least one color channel, which has a spectral maximum and a spectral bandwidth.
  • the light guide can be designed as a light guide for transmitting at least a first color channel and a second color channel, the color channels each having a spectral maximum and a spectral bandwidth and the position of the spectral maxima differing from one another in the spectrum.
  • the light guide is typically designed to transmit three such color channels.
  • the light guide arrangement comprises a device for reducing the spectral bandwidth of the color channel or for reducing the spectral bandwidth of the color channels in the case of at least two color channels.
  • each element made of a transparent material should be regarded as a light guide, in the interior of which light is transported, for example by total internal resection on outer surfaces or inner material interfaces of the element. Instead of using total resection, the reflection can also take place on partially or completely reflective layers.
  • a color channel is considered in particular to be a basic color of a color space which is used to generate a polychromatic image.
  • the primary colors can be, for example, the colors red, green and blue.
  • a color space can in principle also include more or less than three basic colors, so that more or less than three color channels are then available.
  • a color channel should also be used when a monochromatic image is generated. The color channel then determines the color of the monochromatic image.
  • the present invention is based on the following finding:
  • Each color channel of a polychromatic imager to be transmitted by the light guide arrangement is typically formed by a specific wavelength range which has a spectral maximum, the wavelength of which defines the basic color of the color channel.
  • a spectral maximum the wavelength of which defines the basic color of the color channel.
  • the diffraction gratings of a color channel used for coupling or decoupling are each optimized to a specific wavelength of the corresponding wavelength range, so that deviating wavelengths from the Wavelength range to be coupled out in a slightly different direction. Both effects lead to the fact that not all wavelengths of the associated wavelength range are focused on the same point for a color channel in the imaging.
  • the point spread function (PSF) is a measure of how well a point of an original image in the image is again focused on a point. The full width at half maximum of this point spread function increases due to the wavelength-dependent dispersion and diffraction described for each color channel. This leads to a reduced resolution of the image generated on the basis of the original image and to a loss of contrast in this image.
  • the device for reducing the spectral bandwidth of the color channels counteracts the spread of the spreading function for each color channel.
  • an imaging optics with a light guide arrangement according to the invention can be designed such that each color channel is reduced to a narrow spectral range around the respective spectral maximum of a wavelength range of the polychromatic imager.
  • the transmission of those wavelengths of the wavelength range assigned to it that prevent the most from deteriorating image quality is prevented by reducing the spectral bandwidth of the color channels for each color channel.
  • Wavelength range the more they deteriorate the image quality the further they are from the spectral maximum.
  • the further the spectral bandwidth is reduced i.e. The narrower the spectral range of a color channel, the more the imaging quality of the imaging optics improves.
  • the extent to which the spectral bandwidth of the color channels is sensibly reduced using the device for reducing the spectral bandwidth is therefore generally a compromise between the desired intensity of the image and the desired imaging quality. If a very high image quality is desired, the spectral bandwidth of the color channels is greatly reduced, but there is also a considerable loss of intensity.
  • the present invention can already be used advantageously in the case of polychromatic imaging if at least two color channels are present, it will typically be used in imaging optics with three color channels, for example in imaging optics with a red, a green and a blue color channel.
  • the light guide arrangement according to the invention can also be used in imaging optics for transmitting more than three color channels.
  • the present invention is particularly advantageous in the context of a polychromatic imaging, it also enables an improvement in the imaging quality in the context of a monochromatic imaging if the imager for the monochromatic imaging with a large spectral bandwidth around that for the monochromatic Figure selected wavelength emitted around.
  • the invention therefore makes it possible to use a broadband imaging device in the case of monochromatic imaging.
  • the device for reducing the spectral bandwidth of the color channel or the color channels can be integrated in the light guide.
  • the light guide arrangement can be made particularly compact.
  • the device for reducing the spectral bandwidth of the color channel or the color channels is a reducing element upstream or downstream of the light guide, for example in the form of a spectral filter element. In this way it can be avoided, in particular, that the device for reducing the spectral bandwidth changes the color perception of the surroundings when looking through the light guide.
  • the device for reducing the spectral bandwidth changes the color perception of the surroundings when looking through the light guide.
  • there is also the possibility of partially integrating the device for reducing the spectral bandwidth of the color channel or channels into the light guide and partially as a reducing element upstream or downstream of the light guide for example in the form of a
  • the device for reducing the spectral bandwidth can be integrated in the light guide, whereas the device for reducing the spectral bandwidth for the other color channel is designed as a reducing element upstream or downstream of the light guide.
  • the device for reducing the spectral bandwidth integrated in the light guide and a device for reducing the spectral bandwidth designed in the form of a reducing element upstream or downstream of the light guide such that the reduction of the spectral bandwidth of a color channel is achieved by the interaction of the element integrated in the light guide with the reducing element upstream or downstream of the light guide.
  • the device for reducing the spectral bandwidth of the color channel or channels can comprise one or more transmission filters, be it in the form of one or more transmission filters integrated in the light guide and / or one or more before or downstream transmission filter.
  • the at least one transmission filter represents a spectral filter that only allows a certain wavelength range to pass. It can be designed in particular as an absorption filter or as an interference filter. If the transmission filter is integrated in the light guide, there is in particular the possibility that the at least one transmission filter is realized by a light guide entry surface provided with transmission filter properties and / or a light guide exit surface providing transmission filter properties.
  • the light guide entry area is the area through which the imaging beam path enters the light guide
  • the light guide exit area is the area through which the imaging beam path exits the light guide.
  • the light guide entry surface is typically outside the field of view of a user of data glasses provided with the light guide or at least to the extent that at the edge of the field of view that a color distortion of ambient light passing through the light guide is not perceived as disturbing
  • providing the light guide entry surface with transmission filter properties compared to providing the Optical fiber exit surface with transmission filter properties has the advantage that the color perception is not disturbed when looking at the surroundings.
  • the device for reducing the spectral bandwidth of the color channel or the color channels can comprise at least one spectrally selectively reflecting element.
  • a device can be designed, for example, as a dichroically reflecting element or as a reflecting element absorbing certain wavelengths.
  • the device for reducing the spectral bandwidth of the color channel or channels can be implemented as at least one coating, at least part of the light guide or an element connected upstream or downstream of the light guide. In this way, no additional transmissive or reflective element is necessary in the beam path of the light guide arrangement. Absorption and / or
  • the device for reducing the spectral bandwidth of the color channel or channels can comprise at least one narrowband filter, ie a narrowband spectral filter, and / or at least one narrowband spectrally selectively reflecting element.
  • a narrow filter or a narrow-band spectrally selective reflecting element can be present for each color channel.
  • the narrow-band filter or the narrow-band spectrally selectively reflecting element would then, for example, allow the wavelength defining the basic color of the respective color channel and a wavelength range immediately adjacent to this wavelength to pass through and block all other wavelengths. How wide the wavelength range is chosen depends on the one hand on the desired imaging quality and on the other hand on the desired intensity of the transmitted light.
  • the narrower the wavelength range the more the image quality improves, but at the expense of the intensity of the transmitted light.
  • the device for reducing the spectral bandwidth of the color channel or channels can at least comprise:
  • Two broadband filters two broadband spectrally selective reflecting elements or one broadband filter and one broadband spectrally selective reflecting element, which each transmit the wavelength defining the basic color of a color channel and an adjacent wavelength range, the wavelength ranges differing from one another.
  • a broadband filter should be understood to mean a transmission filter that allows a part of the spectrum of a color channel to pass that is only limited on one side (for example a transmission filter that only allows short-wave or only long-wave light of the spectrum of a color channel to pass through), or a transmission filter that allows at least half of the spectrum of a color channel to pass through.
  • a broadband spectrally selective reflecting element should be understood to mean a reflecting element which reflects a part of the spectrum which is only limited on one side (for example an element which emits only short-wave or only long-wave light from the spectrum of a color channel reflected), or a reflective element that leaves at least half of the spectrum of a color channel reflected.
  • the two broadband filters or the two broadband spectrally selectively reflecting elements or the broadband filter and the broadband spectrally selectively reflecting element then together bring about a reduction in the spectral bandwidth of the color channel or the color channels.
  • at least two broadband filters or at least two broadband spectrally selectively reflecting elements or at least one broadband filter and one broadband spectrally selective reflecting element for each color channel there is also the possibility that two broadband filters or two broadband spectrally selective reflecting elements or one broadband filter and one broadband spectrally selective reflecting element each bring about a reduction in the spectral bandwidth for more than one color channel.
  • a broadband filter or a broadband spectrally selectively reflecting element is generally easier to manufacture than a narrowband filter or narrowband selectively reflecting element.
  • the light guide can in particular be a spectacle lens. Such can advantageously be used in data glasses.
  • An imaging optics according to the invention for shaping a virtual image from an original image displayed on an image generator comprises a light guide arrangement according to the invention and at least one imaging optical element for shaping an image from the original image.
  • the imaging optics can also comprise a plurality of imaging optical elements, these imaging optical elements then jointly forming an image of the original image.
  • the imaging optics can include at least one imaging optical element that is integrated in the light guide. Additionally or alternatively, it can comprise at least one imaging optical element which is connected upstream or downstream of the light guide. In the latter case, the device for reducing the spectral bandwidth, which the light guide arrangement contains, can be wholly or partly integrated into the upstream or downstream imaging optical element.
  • a head mounted display according to the invention which can in particular be data glasses, comprises an image generator for displaying an original image and an imaging optics according to the invention for forming a virtual image of the original image displayed on the image generator. Due to the use of an imaging optics according to the invention, the shaping of a polychromatic virtual image with high imaging quality can be realized with the head mounted display according to the invention.
  • the invention also provides a method for improving the imaging quality of an imaging optics when transmitting at least one color channel, which has a spectral maximum and a spectral bandwidth has, provided, wherein the transmission of the at least one color channel takes place by means of a light guide arrangement of the imaging optics.
  • the spectral bandwidth of the at least one color channel is reduced when the at least one color channel is transmitted through the light guide arrangement.
  • at least one first color channel and one second color channel can be transmitted within the scope of the method according to the invention, each of which has a different spectral maximum and each has a spectral bandwidth, the spectral bandwidth of the color channels being reduced when the color channels are transmitted by the light guide arrangement.
  • the original images on which the illustration is based can each be shown on a display with a distortion that corresponds to the inverse of the transmission of the respective Color channel induced distortion corresponds.
  • Such a distorted representation on the display is also called chromatic pre-correction.
  • Figure 1 shows an example of data glasses.
  • Figure 2 shows a schematic representation of an example of the essential optical components of data glasses.
  • Figure 3 shows schematically the spectral bandwidth of the color channels of a polychromatic display.
  • Figure 4 shows the transmission properties of the light guide entry surface of the light guide of a light guide arrangement according to a first embodiment.
  • FIG. 5 shows the transmission properties of the light guide entry surface of the light guide of a light guide arrangement according to a second exemplary embodiment.
  • Figure 6 shows the reflection properties of a first reflective
  • Figure 7 shows the reflection properties of a second reflective
  • FIG. 8 shows the transmission properties of the light guide entry surface of the light guide of a light guide arrangement according to a third exemplary embodiment.
  • Figure 9 shows the reflection properties of a first reflective
  • Figure 10 shows the reflective properties of a second reflective
  • Figure 1 1 shows a pair of data glasses with a light guide arrangement according to a fourth embodiment.
  • FIG. 1 shows the data glasses and Figure 2 shows the essential optical elements of a light guide 3 of the data glasses.
  • FIG. 2 shows a display 1 and - highly schematized - the eye lens 15 and the retina 17 of a user of the data glasses.
  • FIG. 1 shows an exemplary embodiment of data glasses 20.
  • the data glasses comprise a spectacle frame 21 in which two spectacle lenses 22 and 23 are set. Displays (not shown in FIG. 1) are arranged in the spectacle arms, on which archetypes are displayed, which are to be imaged on the retina of the user of the data glasses by means of imaging optics of the data glasses 20.
  • the imaging optics of the data glasses 20 are formed by the glasses lenses 22 and 23, which simultaneously serve as light guides.
  • the imaging optics can also include optical elements outside the spectacle lenses. Such would be arranged in particular between the temple pieces 24, 25 and the spectacle lenses 22, 23.
  • the glasses 22, 23 of the data glasses are each part of a light guide arrangement of the data glasses 20 or form them.
  • the essential optical elements of such a light guide arrangement 3 are shown in FIG.
  • Each light guide arrangement 3 is assigned a polychromatic display 1, on which a polychromatic master image can be displayed.
  • Each light guide arrangement 3 comprises a light guide 4, which has a light guide entry surface 5 and a light guide exit surface 7.
  • a beam of rays 9 emanating from the original image shown on the display 1 enters the light guide 4 via the light guide entry surface 5 and is reflected there several times on a number of reflecting surfaces 11 a to 11 f and by means of these reflections to form a transparent or at least partially transparent coupling-out structure 13 headed.
  • the beam 9 is finally coupled out through the light guide exit surface 7 in the direction of the eye lens 15, from which the beam 9 is finally focused onto the retina 17.
  • the reflective Fresnel structure is formed by a plurality of inclined partially reflective surfaces, which form a structure in the manner of a sawtooth in profile. Due to the segmentation, the partially reflective surface forming the decoupling structure 13 can be designed with a small depth.
  • unsegmented mirrors or diffraction gratings or holographic optical elements (HOE) can also be used for coupling out.
  • the coupling can also be via diffraction gratings or HOEs.
  • the decoupling structure can be arranged on the side of the light guide 4 facing away from the eye lens 15. In principle, however, it can also be arranged on the side of the light guide 4 facing the eye lens 15, and in particular can also be integrated into the light guide exit surface 7. In this case, the decoupling structure would have a refractive effect instead of being partially reflective and would guide the beam path 9 towards the eye lens 15 by means of refraction.
  • Partially reflective decoupling structures are described, for example, in US 2012/0002294 A1, refractive decoupling structures, for example, in DE 10 2015 117 557 A1.
  • Diffraction gratings as decoupling structures are described in US 2006/0126181 A1 and US 2010/0220295 A1. We therefore refer to the documents mentioned with regard to the possible configurations of the decoupling structure 13. Diffractive coupling-out can take place either by means of a coupling-out structure 13 arranged on the side of the light guide 4 facing away from the eye lens 15 or by means of a coupling-out structure arranged on the side of the light guide 4 facing the eye lens 15.
  • each light guide 4 is formed by spectacle lenses 22, 23.
  • the reflecting surfaces 11 a and 11 c to 11 f are located on the inner surface facing the eye lens 15 and on the outer surface of the respective spectacle lens 22, 23 facing away from the eye lens 15.
  • the geometry and the arrangement of the reflecting surfaces 11 a to 11f is so chosen that a total reflection at the interface of the respective spectacle lens 22, 23 to the surrounding medium, usually air, takes place on the reflecting surfaces 11 c, 11 d, 11 e and 11 f.
  • the condition for the occurrence of total reflection is known to the person skilled in the art and is not further explained here. Since the total reflection takes place inside the glasses, it is also called total internal reflection.
  • the design of the decoupling structure 13 can be used to minimize the obstruction of the view of the surroundings.
  • a light guide 4 ie an eyeglass lens 22, 23, can also be designed such that the reflection is not by means of Total reflection takes place.
  • the light guide 4 has reflective coatings, but the coatings are selected as possible so that they have an angle-selective effect and thus block light passing through the light guide 4 from the surroundings as little as possible.
  • the light guide 4 can in principle also be in the form of a visor or the like. If the term “data glasses” is used in the context of the present invention, this term can therefore also include head-mounted displays with visor-like structures, even if these are not explicitly mentioned.
  • polychromatic imagers 1 are used in the data glasses 20 according to the invention.
  • a polychromatic imager typically emits in three wavelength ranges, each of which represents a color channel. Common are a wavelength range with a focus in the blue spectral range, a wavelength range with a focus in the green spectral range and a wavelength range with a focus in the red spectral range.
  • Figure 3 shows the spectral emission characteristics of a typical polychromatic display. In this, each pixel has a blue light source, a green light source and a red light source.
  • the blue light source emits light with a wavelength range whose maximum is approximately 450 nm, the green light source light whose maximum is approximately 540 nm and the red light source light whose maximum is approximately 630 nm.
  • each light source also emits with wavelengths that are adjacent to the maximum, so that each light source has a spectral bandwidth.
  • the spectrum I of the blue light source, the spectrum II of the green light source and the spectrum III of the red light source are shown in FIG. 3, the intensities of the maxima for better comparability being standardized to one.
  • Spectra I to III represent the three color channels of the display.
  • the light guide arrangement 4 of the data glasses 20 is optimized for the transmission of those wavelengths of the individual color channels that correspond to the maxima of the color channels.
  • this means that the light guide arrangement is based on the transmission of light with a wavelength of 450 nm, with a wavelength of 540 nm and a wavelength of 630 nm is optimized.
  • the reflections and / or in other embodiments, if necessary, refractions and / or in other embodiments, if necessary, diffractions on the individual elements of the light-guiding arrangement are designed such that one pixel of the original image - in the case of a chromatic precorrection of different pixels of the display - originates Light rays of the wavelengths 450 nm, 540 nm, and 630 nm on the retina are focused on one and the same point.
  • this effect can be countered for individual wavelengths, for example the wavelengths of the maxima of the color channels, for example by separating the color channels in the light guide, for example by guiding the color channels through different sections of the light guide 3 and only be reunited when they exit the light guide.
  • a chromatic precorrection can be carried out as part of the display of the original image on the display. In the case of a chromatic precorrection, corresponding pixels of the color images are not represented by the same pixel on the display.
  • the colored archetypes (here the archetype at 450 nm, the archetype at 540 nm and the archetype at 630 nm) are shown on the display with generally different distortions, each of which corresponds to the inverse of the distortion induced by the transmission of the respective color channel and which therefore compensate for the distortions occurring in the color channels.
  • the corresponding pixels of the color images of the original image represented on the retina by different pixels of the display are therefore focused on the same point.
  • the wavelength dependence of the diffraction angle also leads to different directions of propagation of light beams with different wavelengths, which likewise leads to a loss of resolution and contrast in the generated image.
  • the light guide entry surface 5 is provided with a coating which has a transmission characteristic, as is shown schematically in FIG.
  • the coating which in the present exemplary embodiment is realized by interfering layers, forms a spectral filter which has three narrowly limited transmission areas A, B, C.
  • the spectral width of these transmission regions is in each case limited to 20 nm and centered around the wavelength of the maximum of the respective imaging channel.
  • the first transmission range A therefore extends from 440 to 460 nm
  • the second transmission range B from 530 to 550 nm
  • the third transmission range C from 620 to 640 nm.
  • the remaining wavelengths are blocked by the coating of the light guide entry surface 5. It can be seen that the coating of the light guide entry surface acts as a narrow-band spectral filter with three narrowly limited spectral transmission ranges. Such transmission filters can be implemented with steep flanks and a transmissivity of the transmission areas A, B, C of almost 100%. Such transmission filters have a transmissivity close to 0 in the remaining areas.
  • those wavelengths of the individual color channels are faded out which contribute most to the loss of resolution and contrast, which in turn results in the resolution and contrast of the image generated on the retina improved.
  • the spectral filter described is realized by interfering layers of the light guide entry surface 5, so that it is a so-called interference filter.
  • an interference filter those wavelengths that are to be blocked by the filter are reduced by destructive interference.
  • a spectral filter can also be implemented as an absorption filter. In such a case, the undesired wavelengths are not reduced by destructive interference, but rather by absorption of the light with the corresponding wavelengths in the filter layer.
  • FIGS. 5 to 7 A second exemplary embodiment of the data glasses according to the invention is explained below with reference to FIGS. 5 to 7.
  • the structural design of the second exemplary embodiment corresponds to the structural design of the first exemplary embodiment, as has been described with reference to FIG. 1 and FIG. 2. With regard to the structural elements, reference is therefore made to the elements shown in FIGS. 1 and 2.
  • the light guide entry surface 5 is provided with a coating which has a wide transmission range (see FIG. 5).
  • the transmission area of the coating covers a large part of the visible spectral range, namely the range from 440 to 640 nm. All wavelengths in this range are transmitted almost unhindered by the layer, the remaining wavelengths are largely blocked by the layer.
  • a coating is also applied to the reflecting surface 11 a. This coating suppresses reflection in the wavelength range between 460 and 530 nm (see FIG. 6). The suppression of the reflection can be achieved by interference layers or by absorption layers.
  • the first reflecting surface 11 a thus only reflects light with wavelengths ⁇ 460 nm and> 530 nm.
  • a coating is also applied to the reflecting surface 11b. This coating suppresses reflection in the wavelength range between 550 and 620 nm (see FIG. 7).
  • the coating on the reflecting surface 11 b can also be realized by interference layers or absorption layers.
  • the coating applied to the light guide entry surface 5 Through the interaction of the coating applied to the light guide entry surface 5, the coating applied to the reflecting surface 11a and the coating applied to the reflecting surface 11b, the transmission of wavelengths outside the wavelength ranges from 440 to 460 nm, 530 to 550 nm and 620 to 640 nm blocked by the light guide arrangement.
  • the spectral range from 440 to 460 nm is transmitted for the blue color channel, the spectral range from 530 to 550 nm for the green color channel and the spectral range from 620 to 640 nm for the red color channel.
  • the resulting reduction in the spectral bandwidth of the color channels leads to an improvement in the resolution and contrast in the image formed on the retina.
  • a third exemplary embodiment of data glasses according to the invention is described below with reference to FIGS. 8 to 10.
  • the same elements as in the second exemplary embodiment are provided with coatings. Only the coatings differ from those in the second embodiment.
  • a coating is applied to the light guide entrance surface 5, which blocks all wavelengths below 440 nm and all wavelengths in the range from 460 to 530 nm and allows all other wavelengths to pass through (see FIG. 8).
  • a coating is applied to the reflecting surface 1 1 a, which suppresses the reflection in the wavelength range between 460 nm and 530 nm and in the wavelength range between 550 nm and 620 nm, but does not suppress the reflection of the other wavelengths (see FIG.
  • a coating is applied to the reflecting surface 11b, which suppresses a reflection in the wavelength range between 550 nm and 620 nm and a reflection of all wavelengths above 640 nm, but does not suppress the reflection of the other wavelengths (see FIG. 10). Due to the interaction of the three coatings, the light guide arrangement of the third exemplary embodiment only offers a narrow transmission area with a width of 20 nm for each color channel, which is centered around the basic color of the respective color channel.
  • the coatings of the third exemplary embodiment can be implemented by interference layers or absorption layers.
  • At least one of the reflecting surfaces 1 1 a to 1 1f and / or the light guide entry surface 5 and / or the surfaces of the coupling-out structure 13 and / or the light guide exit surface 7 have or have imaging properties individually or together. If a surface has individually imaging properties, this should be understood to mean that the corresponding surface is designed in such a way that it alone, in cooperation with the eye lens 17, shows the image on the surface Retina 19 generated. If several areas have imaging properties together, this should be understood to mean that the image on the retina is generated by the interaction of these areas and the eye lens 17.
  • FIG. 11 A fourth exemplary embodiment of data glasses according to the invention is shown in FIG. Elements of the fourth exemplary embodiment, which correspond to elements of the first exemplary embodiment, are denoted in FIG. 11 with the same reference symbols as in FIG. 2 and are not explained again in order to avoid repetitions.
  • the only difference between the fourth exemplary embodiment and the first exemplary embodiment is that the transmission behavior shown in FIG. 4 is not realized by coating the light guide entry surface 5, but by a spectral filter element 19 arranged between the imager 1 and the light guide entry surface 5, which serves as a reducing element for reducing serves the spectral bandwidth of the color channels.
  • This transmission characteristic can in particular also be achieved in that the coating, which is applied to the light guide entry surface 5 in the first exemplary embodiment, is applied to a separate transparent element, which is then arranged as a spectral filter element 19 between the display 1 and the light guide entry face 5.
  • At least one of the reflecting surfaces 1 1 a to 1 1f and / or the light guide entry surface 5 and / or the surfaces of the coupling-out structure 13 and / or the light guide exit surface 7 can have individual or joint imaging properties exhibit. Additionally or alternatively, the spectral filter element 19 can have imaging properties alone or together with at least one of the aforementioned elements.
  • a person skilled in the art also recognizes that a light guide arrangement according to the invention can also be used in head-mounted displays which are not designed as data glasses, ie which do not allow immediate perception of the surroundings.
  • the present invention is therefore not intended to be limited to the configurations described with reference to the exemplary embodiments, but rather is only intended to be limited by the claims.

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Abstract

Zum Verbessern der Abbildungsqualität einer Abbildungsoptik mit einer Lichtleitanordnung für die Übertragung wenigstens eines ein spektrales Maximum und eine spektrale Bandbreite aufweisenden Farbkanals (I, II, III) verringert die Lichtleitanordnung (3) beim Übertragen des wenigstens einen Farbkanals (I, II, III) die spektrale Bandbreite des wenigstens einen Farbkanals (I, II, III).

Description

Lichtleitanordnung, Abbildungsoptik, Head Mounted Display und Verfahren zum Verbessern der Abbildungsqualität einer
Abbildungsoptik
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lichtleitanordnung mit einem Lichtleiter zum Übertragen wenigstens eines Farbkanals und insbesondere zum Übertragen wenigstens eines ersten Farbkanals und eines zweiten Farbkanals, wobei die Farbkanäle jeweils ein spektrales Maximum und jeweils eine spektrale Bandbreite aufweisen. Daneben betrifft die Erfindung eine Abbildungsoptik zum Formen eines virtuellen Bildes von einem auf einem Bildgeber dargestellten Urbild sowie ein Flead Mounted Display mit einer solchen Abbildungsoptik.
Lichtleitanordnungen der eingangs genannten Art können bei Flead Mounted Displays und insbesondere bei Datenbrillen zum Einsatz kommen. Eine Datenbrille im Sinne der vorliegenden Beschreibung ist eine spezielle Form eines Flead Mounted Displays, die in der Lage ist, elektronische Bilder mit dem unmittelbar wahrgenommenen Bild der Umgebung zu kombinieren und so dem Benutzer ein elektronisches Bild darzubieten, ohne die unmittelbare Wahrnehmung der Umgebung zu verhindern. Beim Kombinieren der elektronischen Bilder mit dem unmittelbar wahrgenommenen Bild der Umgebung unterscheidet man im Wesentlichen die folgenden Prinzipien, auf denen das Kombinieren beruhen kann:
1 . Verwendung einer normalen Brille mit Vorgesetztem Strahlkombinierer (z.B. Strahlteilerwürfel). 2. Direkte Einkopplung des Lichtes von der Seite, von oben oder von unten über einen Reflex an der Innenseite des Brillenglases, wobei unterstützend Beugungsgitter, Fresnelelemente o.ä. eingesetzt werden. 3. Führung des Lichtes des elektronischen Bildes mittels Reflektion, insbesondere mittels Totalreflektion, im Brillenglas und Zusammenführen des Strahlengangs des elektronischen Bildes mit dem unmittelbaren Bild der Umgebung mit Hilfe einer im Brillenglas angeordneten Auskopplungsstruktur zum Auskoppeln des Strahlengangs des elektronischen Bildes aus dem Brillenglas in
Richtung auf das Auge.
Das erste Prinzip funktioniert zwar optisch sehr gut, hat aber nur eine sehr geringe soziale Akzeptanz, da der Vorgesetzte Strahlkombinierer nach außen sehr auffällig und groß ist. Außerdem wird die Brille dadurch vorderlastig. Das zweite Prinzip lässt sich nur bei stark vergrößertem Abstand zwischen Brille und Kopf realisieren, was ebenfalls nicht akzeptabel ist. Die erfolgversprechenderen Ansätze gehen daher vom dritten Prinzip aus, also von der Lichtführung im Brillenglas als Lichtleiter. Die Auskopplungsstruktur kann dabei als Beugungsgitter, als teiltransparenter schräg gestellter Spiegel oder in Form von teiltransparenten Fresnelelementen ausgebildet sein. Im Falle eines Beugungsgitters wird der Strahlengang des elektronischen Bildes bspw. über das Beugungsmaximum der 1. Ordnung aus dem Brillenglas ausgekoppelt, während über das Beugungsmaximum der 0. Ordnung das Beobachtungslicht die Auskopplungsstruktur möglichst unbeeinträchtigt passieren kann. Beispiele für Datenbrillen, in denen das Licht des elektronischen Bildes mittels Reflektion, insbesondere mittels innerer Totalreflektion, im Brillenglas zu einer Auskopplungsstruktur geführt wird, sind beispielsweise in den Dokumenten DE 10 2013 207 257 A1 , DE 10 2013 223 963 A1 , DE 10 2013 223 964 B3, DE 10 2015 117 557 A1 , DE 10 2016 124 538 A1 , US 2006/0126181 A1 , US 2010/0220295 A1 und US 2012/0002294 A1 beschrieben.
Mit den Datenbrillen sollen insbesondere auch farbige elektronische Bilder dargeboten werden können. Die Abbildungsoptik, von der die Lichtleiter Teil sind, wird daher üblicherweise für einige wenige spezielle Wellenlängen optimiert, beispielsweise für eine Wellenlänge im roten, eine Wellenlänge im grünen und eine Wellenlänge im blauen Spektralbereich. Das heißt, die Einkopplungsstruktur zur Einkopplung in den Lichtleiter, die Auskopplungsstruktur zur Auskopplung aus dem Lichtleiter und die Reflektionen des Abbildungsstrahlengangs innerhalb des Lichtleiters sind im Hinblick auf diese speziellen Wellenlängen optimiert.
Ein polychromatischer Bildgeber, also ein Bildgeber, mit dem ein Farbbild generiert werden kann, emittiert jedoch nicht nur in den drei speziellen Wellenlängen, für die die Abbildungsoptik optimiert ist, sondern in drei Wellenlängenbereichen, bspw. in einem roten, einem grünen und einem blauen Wellenlängenbereich, die jeweils eine spektrale Breite besitzen. Die drei speziellen Wellenlängen, für die die Abbildungsoptik optimiert ist, sind dann typischerweise so gewählt sind, dass die den spektralen Maxima der Wellenlängenbereiche entsprechen oder nahe an dem jeweiligen spektralen Maximum liegen. Die spektrale Bandbreite der Wellenlängenbereiche, in denen ein polychromatischer Bildgeber emittiert, führt aufgrund der Optimierung der Abbildungsoptik auf die wenigen speziellen Wellenlängen zu Verschlechterungen der Abbildungsqualität.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lichtleitanordnung, eine Abbildungsoptik und Head Mounted Display zur Verfügung zu stellen, die auch zusammen mit polychromatischen Bildgebern eine hohe Abbildungsqualität liefern. Daneben ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Verbessern der Abbildungsqualität einer Abbildungsoptik beim Übertragen von Farbkanälen mit einer spektralen Bandbreite zur Verfügung zu stellen.
Die erste Aufgabe wird durch eine Lichtleitanordnung nach Anspruch 1 , eine Abbildungsoptik nach Anspruch 12 sowie ein Head Mounted Display nach Anspruch 15 gelöst. Die zweite Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Verbessern der Abbildungsqualität einer Abbildungsoptik nach Anspruch 16 gelöst. Die abhängigen Ansprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung. Eine erfindungsgemäße Lichtleitanordnung umfasst einen Lichtleiter zum Übertragen wenigstens eines Farbkanals, der ein spektrales Maximum und eine spektrale Bandbreite aufweist. Insbesondere kann der Lichtleiter jedoch als Lichtleiter zum Übertragen wenigstens eines ersten Farbkanals und eines zweiten Farbkanals, wobei die Farbkanäle jeweils ein spektrales Maximum und jeweils eine spektrale Bandbreite aufweisen und wobei sich die Lage der spektralen Maxima im Spektrum voneinander unterscheiden, ausgebildet sein. Typischerweise ist der Lichtleiter zum Übertragen dreier solcher Farbkanäle ausgebildet. Erfindungsgemäß umfasst die Lichtleiteranordnung eine Einrichtung zum Reduzieren der spektralen Bandbreite des Farbkanals bzw. zum Reduzieren der spektralen Bandbreite der Farbkanäle im Falle wenigstens zweier Farbkanäle. Als Lichtleiter soll dabei im Rahmen der vorliegenden Beschreibung jedes Element aus einem transparenten Material angesehen werden, in dessen Inneren Licht transportiert wird, beispielsweise durch innere Totalresektion an Außenflächen oder inneren Materialgrenzflächen des Elementes. Statt mittels Totalresektion kann die Reflektion aber auch an teilweise oder vollständig reflektiven Schichten erfolgen. Als Farbkanal wird im Rahmen der vorliegenden Beschreibung insbesondere eine Grundfarbe eines Farbraums angesehen, der zum Generieren eines polychromatischen Bildes Verwendung findet. Grundfarben können dabei beispielsweise die Farben Rot, Grün und Blau sein. Aber auch andere Grundfarben sind möglich, bspw. Cyan, Magenta und Gelb. Zudem kann ein Farbraum grundsätzlich auch mehr oder weniger als drei Grundfarben umfassen, so dass dann mehr oder weniger als drei Farbkanäle vorhanden sind. Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung soll zudem auch dann von einem Farbkanal gesprochen werden, wenn ein monochromatisches Bild generiert wird. Der Farbkanal bestimmt dann die Farbe des monochromatischen Bildes.
Die vorliegende Erfindung beruht auf der folgenden Erkenntnis:
Jeder durch die Lichtleitanordnung zu übertragende Farbkanal eines polychromatischen Bildgebers wird typischerweise durch einen bestimmten Wellenlängenbereich gebildet, der ein spektrales Maximum aufweist, dessen Wellenlänge die Grundfarbe des Farbkanals definiert. Dabei hat jeder Wellenlängenbereich eine gewisse spektrale Breite, wobei Dispersion im Material des Lichtleiters für jeden Farbkanal zu unterschiedlichen Reflexionswinkeln des Lichtes des Wellenlängenbereichs in Abhängigkeit von der Wellenlänge des Lichtes führt. Da die Lichtleitanordnung nur für jeweils eine Wellenlänge eines Wellenlängenbereiches optimiert ist (typischerweise für die die Grundfarbe des Farbkanals definierende Wellenlänge, was jedoch nicht zwingend ist), werden die übrigen Wellenlängen des Wellenlängenbereiches nicht mit dem optimalen Reflexionswinkel reflektiert. Darüber hinaus sind im Falle einer Einkopplung des Abbildungsstrahlengangs in den Lichtleiter und/oder eine Auskopplung des Abbildungsstrahlengangs aus dem Lichtleiter mittels Beugungsgittern die zur Einkopplung bzw. Auskopplung verwendeten Beugungsgitter eines Farbkanals jeweils auf eine spezielle Wellenläng des entsprechenden Wellenlängenbereiches optimiert, so dass abweichende Wellenlängen aus dem Wellenlängenbereich in eine leicht andere Richtung ausgekoppelt werden. Beide Effekte führen dazu, dass für einen Farbkanal bei der Abbildung nicht alle Wellenlängen des zugehörigen Wellenlängenbereiches auf denselben Punkt fokussiert werden. Ein Maß dafür, wie gut ein Punkt eines Urbildes im Bild wieder auf einen Punkt fokussiert wird, ist die Punktspreizfunktion (PSF, Point Spread Function). Die Halbwertbreite dieser Punktspreizfunktion vergrößert sich aufgrund der beschriebenen wellenlängenabhängigen Dispersion und Beugung für jeden Farbkanal. Dies führt zu einer verringerten Auflösung des auf Basis des Urbildes erzeugten Bildes sowie zu einem Kontrastverlust in diesem Bild.
Mit der Einrichtung zum Reduzieren der spektralen Bandbreite der Farbkanäle wird der Verbreitung der Punktspreizfunktion für jeden Farbkanal entgegengewirkt. Eine Abbildungsoptik mit einer erfindungsgemäßen Lichtleitanordnung kann hierzu so ausgestaltet werden, dass jeder Farbkanal auf einen engen spektralen Bereich um das jeweilige spektrale Maximum eines Wellenlängenbereiches des polychromatischen Bildgebers herum reduziert wird. Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Lichtleitanordnung wird durch das Reduzieren der spektralen Bandbreite der Farbkanäle für jeden Farbkanal die Übertragung derjenigen Wellenlängen des ihm zugeordneten Wellenlängenbereiches unterbunden, die am meisten zur Verschlechterung der Abbildungsqualität beitragen. Bei einer Optimierung der Farbkanäle einer Abbildungsoptik auf die Wellenlängen der spektralen Maxima der Wellenlängenbereiche des polychromatischen Bildgebers tragen die Wellenlängen eines
Wellenlängenbereiches umso mehr zur Verschlechterung der Bildqualität bei, je weiter sie von dem spektralen Maximum entfernt sind. Je weiter die spektrale Bandbreite reduziert wird, d h. je enger der spektrale Bereich eines Farbkanals wird, desto mehr verbessert sich daher die Abbildungsqualität der Abbildungsoptik. Allerdings geht durch die Verringerung der spektralen Bandbreite der Farbkanäle auch Intensität im Abbildungsstrahlengang verloren. Der Umfang, in dem eine Reduzierung der spektralen Bandbreite der Farbkanäle mit Hilfe der Einrichtung zum Reduzieren der spektralen Bandbreite sinnvollerweise erfolgt, ist daher in der Regel ein Kompromiss zwischen der gewünschten Intensität des Bildes und der gewünschten Abbildungsqualität. Wenn eine sehr hohe Abbildungsqualität gewünscht ist, wird die spektrale Bandbreite der Farbkanäle stark reduziert, wobei jedoch auch ein erheblicher Intensitätsverlust eintritt. Ein solcher kann aber ggf. durch Erhöhung der Leuchtintensität des Displays ausgeglichen werden. Falls der Schwerpunkt auf der Intensität des mit der Abbildungsoptik generierten Bildes liegt, wird die Reduktion der spektralen Bandbreite der Farbkanäle geringer ausfallen. Wie stark die spektrale Bandbreite reduziert wird, wird daher typischerweise vom jeweiligen Anwendungsfall abhängen.
Obwohl die vorliegende Erfindung im Falle einer polychromatischen Abbildung bereits vorteilhaft Anwendung finden kann, wenn wenigstens zwei Farbkanäle vorhanden sind, wird sie typischerweise bei Abbildungsoptiken mit drei Farbkanälen, beispielsweise bei Abbildungsoptiken mit einem roten, einem grünen und einem blauen Farbkanal, zum Einsatz kommen. Aber auch bei Abbildungsoptiken zum Übertragen von mehr als drei Farbkanälen kann die erfindungsgemäße Lichtleitanordnung Verwendung finden.
Zwar ist die Vorliegende Erfindung insbesondere im Rahmen einer polychromatischen Abbildung vorteilhat, jedoch ermöglicht sie auch im Rahmen einer monochromatischen Abbildung eine Verbesserung der Abbildungsqualität, wenn der Bildgeber für die monochromatische Abbildung mit einer großen spektralen Bandbreite um die für die monochromatische Abbildung gewählte Wellenlänge herum emittiert. Die Erfindung ermöglicht es daher im Falle einer monochromatischen Abbildung einen breitbandigen Bildgeber zu verwenden.
Die Einrichtung zum Reduzieren der spektralen Bandbreite des Farbkanals oder der Farbkanäle kann in den Lichtleiter integriert sein. In diesem Fall kann die Lichtleitanordnung besonders kompakt ausgestaltet werden. Alternativ besteht auch die Möglichkeit, dass die Einrichtung zum Reduzieren der spektralen Bandbreite des Farbkanals oder der Farbkanäle ein dem Lichtleiter vor- oder nachgeordnetes Reduzierelement, bspw. in Form eines Spektralfilterelements, ist. Hierdurch kann insbesondere vermieden werden, dass durch die Einrichtung zum Reduzieren der spektralen Bandbreite die Farbwahrnehmung der Umgebung bei der Durchsicht durch den Lichtleiter verändert wird. Es besteht aber auch die Möglichkeit, die Einrichtung zum Reduzieren der spektralen Bandbreite des Farbkanals oder der Farbkanäle teilweise in den Lichtleiter zu integrieren und teilweise als ein dem Lichtleiter vor- oder nachgeordnetes Reduzierelement, bspw. in Form eines
Spektralfilterelements, auszubilden. Beispielsweise kann für den einen Farbkanal die Einrichtung zum Reduzieren der spektralen Bandbreite in den Lichtleiter integriert sein, wohingegen die Einrichtung zum Reduzieren der spektralen Bandbreite für den anderen Farbkanal als ein dem Lichtleiter vor- oder nachgeordnetes Reduzierelement ausgebildet ist. Schließlich besteht auch die Möglichkeit, für wenigstens einen Farbkanal oder für jeden Farbkanal eine in den Lichtleiter integrierte Einrichtung zum Reduzieren der spektralen Bandbreite und eine in Form eines dem Lichtleiter vor- oder nachgeordneten Reduzierelements ausgestaltete Einrichtung zum Reduzieren der spektralen Bandbreite derart miteinander zu kombinieren, dass die Reduktion der spektralen Bandbreite eines Farbkanals durch das Zusammenwirken des in den Lichtleiter integrierten Elements mit dem dem Lichtleiter vor- oder nachgeordneten Reduzierelement erreicht wird. Die Einrichtung zum Reduzieren der spektralen Bandbreite des Farbkanals oder der Farbkanäle kann einen oder mehrere Transmissionsfilter umfassen, sei es in Form eines oder mehrerer in den Lichtleiter integrierter Transmissionsfilter und/oder eines oder mehrerer dem Lichtleiter vor- oder nachgeordneter Transmissionsfilter. Der wenigstens eine Transmissionsfilter stellt ein Spektralfilter dar, der nur einen bestimmten Wellenlängenbereich passieren lässt. Er kann insbesondere als Absorptionsfilter oder als Interferenzfilter ausgebildet sein. Wenn der Transmissionsfilter in den Lichtleiter integriert ist, besteht insbesondere die Möglichkeit, dass der wenigstens eine Transmissionsfilter durch eine mit T ransm issionsfiltereigenschaften versehende Lichtleitereintrittsfläche und/oder eine mit Transmissionsfiltereigenschaften versehende Lichtleiteraustrittsfläche realisiert ist. Die Lichtleitereintrittsfläche ist dabei diejenige Fläche, durch die der Abbildungsstrahlengang in den Lichtleiter eintritt, die Lichtleiteraustrittsfläche diejenige Fläche, durch die der Abbildungsstrahlengang aus dem Lichtleiter austritt. Da die Lichtleitereintrittsfläche typischerweise außerhalb des Sichtfeldes eines Nutzers einer mit dem Lichtleiter versehenden Datenbrille oder zumindest soweit am Rand des Sichtfeldes, das eine Farbverfälschung durch den Lichtleiter hindurchtretenden Umgebungslichtes nicht als störend wahrgenommen wird, liegt, bietet das Ausstatten der Lichtleitereintrittsfläche mit Transmissionsfiltereigenschaften gegenüber dem Ausstatten der Lichtleiteraustrittsfläche mit Transmissionsfiltereigenschaften den Vorteil, dass die Farbwahrnehmung bei Blick auf die Umgebung nicht gestört wird.
Zusätzlich oder alternativ zu dem wenigstens einen Transmissionsfilter kann die Einrichtung zum Reduzieren der spektralen Bandbreite des Farbkanals oder der Farbkanäle wenigstens ein spektral selektiv reflektierendes Element umfassen. Ein solches kann beispielsweise als dichroitisch reflektierendes Element oder als bestimmte Wellenlängen absorbierendes reflektierendes Element ausgebildet sein.
Die Einrichtung zum Reduzieren der spektralen Bandbreite des Farbkanals oder der Farbkanäle kann als wenigstens eine Beschichtung, wenigstens eines Teils des Lichtleiters oder eines dem Lichtleiter vor- oder nachgeschalteten Elements realisiert sein. Auf diese Weise ist kein zusätzliches transmissives oder reflektierendes Element im Strahlengang der Lichtleiteranordnung nötig. Dabei können Absorptions- und/oder
Interenzschichten Verwendung finden. In der erfindungsgemäßen Lichtleitanordnung kann die Einrichtung zum Reduzieren der spektralen Bandbreite des Farbkanals oder der Farbkanäle wenigstens einen Schmalbandfilter, d.h. einen schmalbandigen Spektralfilter, und/oder wenigstens ein schmalbandiges spektral selektiv reflektierendes Element umfassen. Insbesondere kann für jeden Farbkanal ein Schmalfilter oder ein schmalbandiges spektralselektiv reflektierendes Element vorhanden sein. Der Schmalbandfilter bzw. das schmalbandige spektral selektiv reflektierende Element würde dann bspw. jeweils die die Grundfarbe des jeweiligen Farbkanals definierende Wellenlänge und einen unmittelbar an diese Wellenlänge angrenzenden Wellenlängenbereich passieren lassen und alle anderen Wellenlängen blockieren. Wie breit der Wellenlängenbereich gewählt ist, hängt einerseits von der gewünschten Abbildungsqualität und andererseits von der gewünschten Intensität des transmittierten Lichtes ab. Je enger der Wellenlängenbereich gewählt ist, desto mehr verbessert sich die Abbildungsqualität, jedoch auf Kosten der Intensität des transmittierten Lichtes. Es besteht dabei grundsätzlich auch die Möglichkeit, einen einzigen Schmalbandfilter bzw. ein einziges schmalbandiges spektral selektiv reflektierendes Element zu verwenden, welches für jeden Farbkanal einen schmalen spektralen Bereich um die die Grundfarbe des jeweiligen Farbkanals definierende Wellenlänge passieren lässt bzw. reflektiert. Auf diese Weise kann die Reduzierung der Bandbreite mehrerer Farbkanäle mit einem einzigen Transmissionsfilter bzw. einem einzigen spektral selektiv reflektierendes Element realisiert werden.
Zusätzlich oder alternativ zu wenigstens einem Schmalbandfilter oder wenigstens einem schmalbandigen selektiv reflektierenden Element kann die Einrichtung zum Reduzieren der spektralen Bandbreite des Farbkanals oder der Farbkanäle wenigstens umfassen:
Zwei Breitbandfilter, zwei breitbandige spektral selektive reflektierende Elemente oder einen Breitbandfilter und ein breitbandiges spektral selektiv reflektierendes Element, welche jeweils die die Grundfarbe eines Farbkanals definierende Wellenlänge und einen daran angrenzenden Wellenlängenbereich übertragen, wobei sich die Wellenlängenbereiche voneinander unterscheiden.
Unter einem Breitbandfilter soll im Rahmen der vorliegenden Beschreibung ein Transmissionsfilter zu verstehen sein, der einen Teil des Spektrums eines Farbkanals passieren lässt, der nur einseitig begrenzt ist (bspw. ein Transmissionsfilter der nur kurzwelliges oder nur langwelliges Licht des Spektrums eines Farbkanals passieren lässt), oder ein Transmissionsfilter, der mindestens die Hälfte des Spektrums eines Farbkanals passieren lässt. Entsprechend soll im Rahmen der vorliegenden Beschreibung unter einem breitbandig spektral selektive reflektierenden Element ein reflektierendes Element zu verstehen sein, das einen Teil des Spektrums reflektiert, der nur einseitig begrenzt ist (bspw. ein Element, das nur kurzwelliges oder nur langwelliges Licht des Spektrums eines Farbkanals reflektiert), oder ein reflektierendes Element, das mindestens die Hälfte des Spektrums eines Farbkanals reflektiert lässt. Die zwei Breitbandfilter oder die zwei breitbandigen spektral selektiv reflektierenden Elemente oder der Breitbandfilter und das breitbandige spektral selektiv reflektierende Element führen dann gemeinsam eine Reduktion der spektralen Bandbreite des Farbkanals oder der Farbkanäle herbei. Hierbei besteht grundsätzlich die Möglichkeit, dass für jeden Farbkanal wenigstens zwei Breitbandfilter oder wenigstens zwei breitbandige spektral selektiv reflektierende Elemente oder wenigstens ein Breitbandfilter und ein breitbandiges spektral selektives reflektierendes Element vorhanden sind. Es besteht aber auch die Möglichkeit, dass zwei Breitbandfilter oder zwei breitbandige spektral selektive reflektierende Elemente oder ein Breitbandfilter und ein breitbandiges spektral selektiv reflektierendes Element jeweils gemeinsam eine Reduktion der spektralen Bandbreite für mehr als einen Farbkanal herbeiführen. Ein Breitbandfilter bzw. ein breitbandiges spektral selektiv reflektierendes Element ist in der Regel einfacher herzustellen als ein Schmalbandfilter bzw. schmalbandiges selektiv reflektierendes Element. In der erfindungsgemäßen Lichtleitanordnung kann der Lichtleiter insbesondere ein Brillenglas sein. Ein solches kann vorteilhaft in einer Datenbrille Verwendung finden.
Eine erfindungsgemäße Abbildungsoptik zum Formen eines virtuellen Bildes von einem auf einen Bildgeber dargestellten Urbild umfasst eine erfindungsgemäße Lichtleitanordnung und wenigstens ein abbildendes optisches Element zum Formen eines Bildes von dem Urbild. Die Abbildungsoptik kann jedoch auch mehrere abbildende optische Elemente umfassen, wobei diese abbildenden optischen Elemente dann gemeinschaftlich ein Bild vom Urbild formen. Dabei kann die Abbildungsoptik wenigstens ein abbildendes optisches Element umfassen, das in den Lichtleiter integriert ist. Zusätzlich oder alternativ kann sie wenigstens ein abbildendes optisches Element umfassen, das den Lichtleiter vor- oder nachgeschaltet ist. Im letzteren Fall kann die Einrichtung zum Reduzieren der spektralen Bandbreite, welche die Lichtleitanordnung beinhaltet, ganz oder teilweise in das vor- oder nachgeschaltete abbildende optische Element integriert sein.
Mit der erfindungsgemäßen Abbildungsoptik lassen sich die mit Bezug auf die erfindungsgemäße Lichtleitanordnung erzielbaren Vorteile im Hinblick auf die Abbildungsqualität realisieren. Auf die Ausführungen zur erfindungsgemäßen Lichtleitanordnung wird daher verwiesen.
Ein erfindungsgemäßes Head Mounted Display, das insbesondere eine Datenbrille sein kann, umfasst einen Bildgeber zum Darstellen eines Urbildes und eine erfindungsgemäße Abbildungsoptik zum Formen eines virtuellen Bildes von dem auf den Bildgeber dargestellten Urbild. Aufgrund der Verwendung einer erfindungsgemäßen Abbildungsoptik kann mit dem erfindungsgemäßen Head Mounted Display das Formen eines polychromatischen virtuellen Bildes mit hoher Abbildungsqualität realisiert werden. Erfindungsgemäß wird außerdem ein Verfahren zum Verbessern der Abbildungsqualität einer Abbildungsoptik beim Übertragen wenigstens eines Farbkanals, der ein spektrales Maximum und eine spektrale Bandbreite aufweist, zur Verfügung gestellt, wobei die Übertragung des wenigstens einen Farbkanals mittels einer Lichtleitanordnung der Abbildungsoptik erfolgt. Erfindungsgemäß wird bei der Übertragung des wenigstens einen Farbkanals durch die Lichtleitanordnung die spektrale Bandbreite des wenigstens einen Farbkanals verringert. Insbesondere können im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens wenigstens ein erster Farbkanal und ein zweiter Farbkanal übertragen werden, welche jeweils ein anderes spektrales Maximum und jeweils eine spektrale Bandbreite aufweisen, wobei bei der Übertragung der Farbkanäle durch die Lichtleitanordnung die spektrale Bandbreite der Farbkanäle verringert wird. Durch die Verringerung der spektralen Bandbreite des Farbkanals bzw. der Farbkanäle bei der Übertragung durch die Lichtleitanordnung wird es möglich, die Abbildungsqualität der Abbildungsoptik beim Generieren eines virtuellen Bildes von einem Urbild zu erhöhen, wie dies mit Bezug auf die erfindungsgemäße Lichtleitanordnung beschrieben worden ist. Auf die Ausführungen zu der erfindungsgemäßen Lichtleitanordnung wird daher verwiesen.
Um beim Übertragen der jeweiligen Farbkanäle durch das optische System generierte Verzerrungen in den in den Wellenlängen der spektralen Maxima vorliegenden Bildern auszugleichen, können die der Abbildung zugrunde liegenden Urbilder auf einem Display jeweils mit einer Verzerrung dargestellt werden, die der Inversen der durch die Übertragung des jeweiligen Farbkanal induzierten Verzerrung entspricht. Eine derart verzerrte Darstellung auf dem Display wird auch als chromatische Vorkorrektur bezeichnet.
Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren.
Figur 1 zeigt ein Beispiel für eine Datenbrille.
Figur 2 zeigt in einer schematischen Darstellung ein Beispiel für die wesentlichen optischen Komponenten einer Datenbrille. Figur 3 zeigt schematisch die spektrale Bandbreite der Farbkanäle eines polychromatischen Displays.
Figur 4 zeigt die Transmissionseigenschaften der Lichtleitereintritts fläche des Lichtleiters einer Lichtleitanordnung gemäß eines ersten Ausführungsbeispiels.
Figur 5 zeigt die Transmissionseigenschaften der Lichtleitereintritts fläche des Lichtleiters einer Lichtleitanordnung gemäß eines zweiten Ausführungsbeispiels.
Figur 6 zeigt die Reflektionseigenschaften einer ersten reflektierende
Fläche der Lichtleitanordnung des zweiten Ausführungsbeispiels.
Figur 7 zeigt die Reflektionseigenschaften einer zweiten reflektierende
Fläche der Lichtleitanordnung des zweiten Ausführungsbeispiels. Figur 8 zeigt die Transmissionseigenschaften der Lichtleitereintritts fläche des Lichtleiters einer Lichtleitanordnung gemäß eines dritten Ausführungsbeispiels.
Figur 9 zeigt die Reflektionseigenschaften einer ersten reflektierenden
Fläche der Lichtleitanordnung des dritten Ausführungsbeispiels. Figur 10 zeigt die Reflektionseigenschaften einer zweiten reflektierenden
Fläche der Lichtleitanordnung des dritten Ausführungsbeispiels.
Figur 1 1 zeigt eine Datenbrille mit einer Lichtleitanordnung gemäß eines vierten Ausführungsbeispiels.
Ein erstes Ausführungsbeispiel für eine Datenbrille mit einer erfindungsgemäßen Lichtleitanordnung wird nachfolgend mit Bezug auf die Figuren 1 bis 4 beschrieben. Figur 1 zeigt dabei die Datenbrille und Figur 2 die wesentlichen optischen Elemente einer Lichtleitanordnung 3 der Datenbrille. Darüber hinaus sind in Figur 2 ein Display 1 sowie - stark schematisiert - die Augenlinse 15 und die Netzhaut 17 eines Nutzers der Datenbrille dargestellt. Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine Datenbrille 20. Die Datenbrille umfasst ein Brillengestell 21 , in das zwei Brillengläser 22 und 23 eingefasst sind. In den Brillenbügeln sind Displays (in Figur 1 nicht dargestellt) angeordnet, auf denen Urbilder angezeigt werden, die mittels einer Abbildungsoptik der Datenbrille 20 auf die Netzhaut des Nutzers der Datenbrille abgebildet werden sollen. Die Abbildungsoptik der Datenbrille 20 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel von den Brillengläsern 22 und 23 gebildet, die gleichzeitig als Lichtleiter dienen. Die Abbildungsoptik kann jedoch auch optische Elemente außerhalb der Brillengläser umfassen. Solche wären insbesondere zwischen den Brillenbügeln 24, 25 und den Brillengläsern 22, 23 angeordnet.
Die Brillengläser 22, 23 der Datenbrille sind jeweils Teil einer Lichtleitanordnung der Datenbrille 20 oder bilden diese. Die wesentlichen optischen Elemente einer solchen Lichtleitanordnung 3 sind in Figur 2 dargestellt. Jeder Lichtleitanordnung 3 ist ein polychromatisches Display 1 zugeordnet, auf den ein polychromatisches Urbild angezeigt werden kann. Jede Lichtleitanordnung 3 umfasst einen Lichtleiter 4, welcher eine Lichtleitereintrittsfläche 5 und eine Lichtleiteraustrittsfläche 7 aufweist. Ein von dem auf dem Display 1 angezeigten Urbild ausgehendes Strahlenbündel 9 tritt über die Lichtleitereintrittsfläche 5 in den Lichtleiter 4 ein und wird dort an einer Anzahl an reflektierenden Flächen 11 a bis 11 f mehrfach reflektiert und mittels dieser Reflektionen zu einer transparenten oder zumindest teiltransparenten Auskoppelstruktur 13 geleitet. Mit Hilfe der Auskoppelstruktur 13, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel als reflektive Fresnelstruktur ausgebildet ist, wird das Strahlenbündel 9 schließlich durch die Lichtleiteraustrittsfläche 7 in Richtung auf die Augenlinse 15 ausgekoppelt, von der das Strahlenbündel 9 schließlich auf die Netzhaut 17 fokussiert wird. Die reflektive Fresnelstruktur ist dabei durch eine Mehrzahl an schräg gestellten teilreflektiven Flächen gebildet, die im Profil eine Struktur in Art eines Sägezahns bilden. Durch die Segmentierung kann die die Auskopplungsstruktur 13 bildende teilreflektive Fläche mit einer geringen Tiefe ausgestaltet werden. Statt einer reflektiven Fresnelstruktur können zum Auskoppeln jedoch auch unsegmentierte Spiegel oder auch Beugungsgitter oder holographische optische Elemente (HOE) Verwendung finden. Die Einkopplung kann ebenfalls über Beugungsgitter oder HOEs erfolgen. Die Auskopplungsstruktur kann wie in Figur 2 dargestellt, an der der Augenlinse 15 abgewandte Seite des Lichtleiters 4 angeordnet sein. Grundsätzlich kann sie jedoch auch an der der Augenlinse 15 zugewandten Seite des Lichtleiters 4 angeordnet sein und dabei insbesondere auch in die Lichtleiteraustrittsfläche 7 integriert sein. In diesem Fall würde die Auskopplungsstruktur statt teilreflektiv refraktiv wirken und den Strahlengang 9 mittels Refraktion in Richtung auf die Augenlinse 15 leiten. Teilreflektive Auskoppelstrukturen sind bspw. in US 2012/0002294 A1 beschrieben, refraktive Auskoppelstrukturen bspw. in DE 10 2015 117 557 A1. Beugungsgitter als Auskoppelstrukturen sind in US 2006/0126181 A1 und US 2010/0220295 A1 beschrieben. Auf die genannten Dokumente wir daher hinsichtlich der möglichen Ausgestaltungen der Auskoppelstruktur 13 verweisen. Eine diffraktive Auskopplung kann entweder durch eine an der der Augenlinse 15 abgewandten Seite des Lichtleiters 4 angeordnete Auskoppelstruktur 13 oder durch eine an der der Augenlinse 15 zugewandten Seite des Lichtleiters 4 angeordnete Auskoppelstruktur erfolgen.
In dem in den Figuren 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist jeder Lichtleiter 4 durch ein Brillenglas 22, 23 gebildet. Die reflektierenden Flächen 11 a und 11 c bis 11 f befinden sich an der der Augenlinse 15 zugewandten Innenfläche und der von der Augenlinse 15 abgewandten Außenfläche des jeweiligen Brillenglases 22, 23. Die Geometrie und die Anordnung der reflektierenden Flächen 11 a bis 11f ist dabei so gewählt, dass an den reflektierenden Flächen 11 c, 11 d, 11 e und 11 f eine Totalreflektion an der Grenzfläche des jeweiligen Brillenglases 22, 23 zum umgebenden Medium, in der Regel Luft, stattfindet. Die Bedingung für das Auftreten von Totalreflektion ist dem Fachmann bekannt und wird an dieser Stelle nicht weiter erläutert. Da die Totalreflektion im Inneren der Brillengläser erfolgt, wird sie auch innere Totalreflektion genannt. Da die Lichtleitung im inneren des Brillenglases durch innere Totalreflektion erfolgt und die Auskoppelstruktur 13 zumindest teiltransparent ausgebildet ist, wird die Sicht auf die Umgebung nicht bzw. nur minimal behindert. Insbesondere kann durch geeignete Ausgestaltungen der Auskopplungsstruktur 13 die Behinderung der Sicht auf die Umgebung minimiert werden. Grundsätzlich kann ein Lichtleiter 4, d.h. ein Brillenglas 22, 23, aber auch so ausgestaltet sein, dass die Reflektion nicht mittels Totalreflektion erfolgt. In diesem Fall weist der Lichtleiter 4 reflektierende Beschichtungen auf, wobei die Beschichtungen jedoch möglichst so gewählt sind, dass sie winkelselektiv wirken und somit aus der Umgebung durch den Lichtleiter 4 hindurchtretendes Licht möglichst wenig blockieren. Statt wie im vorliegenden Ausführungsbeispiel in Form eines Brillenglases 22, 23 kann der Lichtleiter 4 grundsätzlich auch in Form eines Visiers oder dergleichen ausgebildet sein. Wenn im Rahmen der vorliegenden Erfindung von einer Datenbrille die Rede ist, so kann dieser Begriff daher auch Head Mounted Displays mit visierartigen Strukturen umfassen, auch wenn diese nicht explizit erwähnt sind.
In der erfindungsgemäßen Datenbrille 20 finden wie erwähnt polychromatische Bildgeber 1 Verwendung. Ein polychromatischer Bildgeber emittiert typischerweise in drei Wellenlängenbereichen, welche jeweils einen Farbkanal darstellen. Üblich sind ein Wellenlängenbereich mit Schwerpunkt im blauen Spektralbereich, einen Wellenlängenbereich mit Schwerpunkt im grünen Spektralbereich und ein Wellenlängenbereich mit Schwerpunkt im roten Spektralbereich. Figur 3 zeigt die spektrale Emissionscharakteristik eines typischen polychromatischen Displays. In diesem weist jeder Bildpunkt eine blaue Lichtquelle, eine grüne Lichtquelle und eine rote Lichtquelle auf. Die blaue Lichtquelle emittiert im vorliegenden Ausführungsbeispiel Licht mit einem Wellenlängenbereich dessen Maximum bei ca. 450 nm liegt, die grüne Lichtquelle Licht, dessen Maximum bei ca. 540 nm liegt und die rote Lichtquelle Licht, dessen Maximum bei ca. 630 nm liegt. Jede Lichtquelle emittiert darüber hinaus auch mit Wellenlängen, die an das Maximum angrenzen, so dass jede Lichtquelle eine spektrale Bandbreite aufweist. Das Spektrum I der blauen Lichtquelle, das Spektrum II der grünen Lichtquelle und das Spektrum III der roten Lichtquelle sind in Figur 3 dargestellt, wobei die Intensitäten der Maxima der besseren Vergleichbarkeit auf eins normiert sind. Die Spektren I bis III repräsentieren die drei Farbkanäle des Displays. Die Lichtleitanordnung 4 der Datenbrille 20 ist auf die Übertragung derjenigen Wellenlängen der einzelnen Farbkanäle optimiert, die den Maxima der Farbkanäle entsprechen. Im vorliegenden Beispiel heißt dies, dass die Lichtleitanordnung auf das Übertragen von Licht mit einer Wellenlänge von 450 nm, mit einer Wellenlänge von 540 nm und einer Wellenlänge von 630 nm optimiert ist. Die Reflektionen und/oder in anderen Ausführungsformen ggf. Refraktionen und/oder in anderen Ausführungsformen ggf. Beugungen an den einzelnen Elementen der Lichtleitanordnung sind dabei so ausgestaltet, dass von einem Bildpunkt des Urbildes - im Falle einer chromatischen Vorkorrektur von unterschiedlichen Bildpunkten des Displays - ausgehende Lichtstrahlen der Wellenlängen 450 nm, 540 nm, und 630 nm auf der Netzhaut auf ein und denselben Punkt fokussiert werden.
Aufgrund von im Lichtleiter auftretender Dispersion werden Lichtstrahlen unterschiedlicher Wellenlängen beim Eintritt in den Lichtleiter 3 und beim Austritt aus dem Lichtleiter 3 jedoch unterschiedlich gebrochen. Insbesondere die Brechung beim Durchtritt durch die Lichtleitereintrittsfläche 5 führt je nach Wellenlänge des Lichtes zu unterschiedlichen Richtungen der gebrochenen Lichtstrahlen im Lichtleiter 3 und damit dazu, dass Lichtstrahlen mit unterschiedlichen Wellenlängen unter unterschiedlichen Winkeln auf die reflektierenden Flächen 11 a bis 11 f auftreffen, was zu unterschiedlichen Verzerrungen in den durch die unterschiedlichen Farbkanäle übertragenen Farbbildern, hier dem blauen, dem grünen und dem roten Bild, führt. Im Ergebnis werden von einem Bildpunkt des Displays ausgehende Lichtstrahlen auf der Netzhaut nicht für alle Farben auf demselben Punkt vereint. Im Rahmen der Optimierung der Lichtleitanordnung 4 kann diesem Effekt für einzelne Wellenlängen wie bspw. die Wellenlängen der Maxima der Farbkanäle bspw. dadurch begegnet werden, dass die Farbkanäle im Lichtleiter voneinander getrennt werden, bspw. indem die Farbkanäle durch unterschiedliche Abschnitte des Lichtleiters 3 geleitet werden und erst beim Austritt aus dem Lichtleiter wieder vereint werden. Zusätzlich oder alternativ kann für einzelne Wellenlängen wie bspw. die Wellenlängen der Maxima der Farbkanäle eine chromatische Vorkorrektur im Rahmen der Darstellung des Urbildes auf dem Display erfolgen. Bei einer chromatischen Vorkorrektur werden einander entsprechende Bildpunkte der Farbbilder nicht vom selben Bildpunkt des Displays dargestellt. Dadurch können beim Übertragen der jeweiligen Farbkanäle durch das optische System generierte Verzerrungen der Farbbilder im Urbild berücksichtigt werden. Hierzu werden die farbigen Urbilder (hier das Urbild bei 450 nm, das Urbild bei 540 nm und das Urbild bei 630 nm) auf dem Display mit in der Regel unterschiedlichen Verzerrungen dargestellt, die jeweils der Inversen der durch die Übertragung des jeweiligen Farbkanal induzierten Verzerrung entsprechen und die deshalb die in den Farbkanälen auftretenden Verzerrungen ausgleichen. Im Ergebnis werden daher die von unterschiedlichen Bildpunkten des Displays dargestellten einander entsprechenden Bildpunkte der Farbbilder des Urbilds auf der Netzhaut auf denselben Punkt fokussiert.
Für diejenigen Wellenlängen eines Farbkanals, die von der Wellenlänge seines Maximums abweichen, besteht trotz der Optimierung der Lichtleitanordnung 4 und/oder trotz der chromatischen Vorkorrektur die mit der Dispersion verbundene Problematik jedoch weiter, was dazu führt, dass in jedem Farbkanal Lichtstrahlen mit von der Wellenlänge seines Maximums abweichenden Wellenlängen vorhanden sind, die nicht auf denselben Punkt der Netzhaut fokussiert werden wie Lichtstrahlen mit der Wellenlänge des Maximums, was im Ergebnis zu Auflösungsverlust und Schärfeverlust im erzeugten Bild führt. Im Falle einer diffraktiven Ein- und/oder Auskopplung des Lichtes in bzw. aus dem Lichtleiter 3 führt zudem auch die Wellenlängenabhängigkeit des Beugungswinkels zu unterschiedlichen Ausbreitungsrichtungen von Lichtstrahlen mit unterschiedlichen Wellenlängen, was ebenfalls zu einem Auflösungs- und Kontrastverlust in dem erzeugten Bild führt.
Um dem Auflösungs- und Kontrastverlust entgegen zu wirken, ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel die Lichtleitereintrittsfläche 5 mit einer Beschichtung versehen, die eine Transmissionscharakteristik aufweist, wie sie in Figur 4 schematisch dargestellt ist. Die Beschichtung, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel durch interferierende Schichten realisiert ist, bildet einen Spektralfilter, der drei eng begrenzte Transmissionsbereiche A, B, C aufweist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die spektrale Breite dieser Transmissionsbereiche jeweils auf 20 nm beschränkt und um die Wellenlänge des Maximums des jeweiligen Abbildungskanals zentriert. Der erste Transmissionsbereich A erstreckt sich daher im vorliegenden Ausführungsbeispiel von 440 bis 460 nm, der zweite Transmissionsbereich B von 530 bis 550 nm und der dritte Transmissionsbereich C von 620 bis 640 nm. Die übrigen Wellenlängen werden von der Beschichtung der Lichtleitereintrittsfläche 5 blockiert. Es ist ersichtlich, dass die Beschichtung der Lichtleitereintrittsfläche als schmalbandiger Spektralfilter mit drei eng begrenzten spektralen Transmissionsbereichen fungiert. Derartige Transmissionsfilter können mit steilen Flanken und einer Transmissivität der Transmissionsbereiche A, B, C von nahezu 100 % realisiert werden. In den übrigen Bereichen weisen derartige Transmissionsfilter eine Transmissivität nahe 0 auf.
Durch das Reduzieren der spektralen Bandbreite der einzelnen Farbkanäle mit Hilfe der auf die Lichtleitereintrittsfläche 5 aufgebrachten Beschichtung werden diejenigen Wellenlängen der einzelnen Farbkanäle ausgeblendet, die am meisten zum Auflösungs- und Kontrastverlust beitragen, was im Ergebnis die Auflösung und den Kontrast des auf der Netzhaut erzeugten Bildes verbessert.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der beschriebene Spektralfilter durch interferierenden Schichten der Lichtleitereintrittsfläche 5 realisiert, so dass er einen sog. Interferenzfilter ist. In einen Interferenzfilter werden diejenigen Wellenlängen, die vom Filter blockiert werden sollen, durch destruktive Interferenz reduziert. Ein Spektralfilter kann jedoch auch als Absorptionsfilter realisiert sein. Bei einem solchen erfolgt das Reduzieren der unerwünschten Wellenlängen nicht durch destruktive Interferenz, sondern durch Absorption des Lichtes mit den entsprechenden Wellenlängen in der Filterschicht.
Ein zweites Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße Datenbrille wird nachfolgend mit Bezug auf die Figuren 5 bis 7 erläutert. Der konstruktive Aufbau des zweiten Ausführungsbeispiels entspricht dem konstruktiven Aufbau des ersten Ausführungsbeispiels, wie er mit Bezug auf Figur 1 und Figur 2 beschrieben worden ist. Hinsichtlich der konstruktiven Elemente wird daher auf die in den Figuren 1 und 2 gezeigten Elemente Bezug genommen.
Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel ist im zweiten Ausführungsbeispiel die Lichtleitereintrittsfläche 5 mit einer Beschichtung versehen, die einen breiten Transmissionsbereich aufweist (siehe Figur 5). Der Transmissionsbereich der Beschichtung deckt einen großen Teil des sichtbaren Spektralbereichs ab, nämlich den Bereich von 440 bis 640 nm. Alle Wellenlängen in diesem Bereich werden von der Schicht nahezu ungehindert durchgelassen, die übrigen Wellenlängen werden von der Schicht weitestgehend blockiert. Im vorliegenden zweiten Ausführungsbeispiel ist auch auf die reflektierende Fläche 11 a eine Beschichtung aufgebracht. Diese Beschichtung unterdrückt eine Reflektion im Wellenlängenbereich zwischen 460 und 530 nm (siehe Figur 6). Das Unterdrücken der Reflektion kann durch Interferenzschichten oder durch Absorptionsschichten erreicht werden. Die erste reflektierende Fläche 11 a reflektiert dadurch lediglich Licht mit Wellenlängen < 460 nm und > 530 nm.
Weiterhin ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel auch auf der reflektierenden Fläche 11 b eine Beschichtung aufgebracht. Diese Beschichtung unterdrückt eine Reflektion im Wellenlängenbereich zwischen 550 und 620 nm unterdrückt (siehe Figur 7). Die erste reflektierende Fläche
11 b reflektiert dadurch lediglich Licht mit Wellenlängen < 550 nm und > 620 nm. Auch die Beschichtung auf der reflektierenden Fläche 11 b kann durch Interferenzschichten oder Absorptionsschichten realisiert sein.
Durch das Zusammenwirken der auf die Lichtleitereintrittsfläche 5 aufgebrachten Beschichtung, der auf die reflektierende Fläche 11a aufgebrachten Beschichtung und der auf die reflektierende Fläche 11 b aufgebrachten Beschichtung wird die Übertragung von Wellenlängen außerhalb der Wellenlängenbereiche von 440 bis 460 nm, 530 bis 550 nm und 620 bis 640 nm durch die Lichtleitanordnung blockiert. Im Ergebnis wird für den blauen Farbkanal also lediglich der Spektralbereich von 440 bis 460 nm, für den grünen Farbkanal der Spektralbereich von 530 bis 550 nm und für den roten Farbkanal der Spektralbereich von 620 bis 640 nm übertragen. Die dadurch stattfindende Reduzierung der spektralen Bandbreite der Farbkanäle führt zu einer Verbesserung der Auflösung und des Kontrastes in dem auf der Netzhaut entstehenden Bild.
Ein drittes Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Datenbrille wird nachfolgend mit Bezug auf die Figuren 8 bis 10 beschrieben. In diesem Ausführungsbeispiel sind dieselben Elemente wie im zweiten Ausführungsbeispiel mit Beschichtungen versehen. Lediglich die Beschichtungen unterscheiden sich von denen im zweiten Ausführungsbeispiel.
Im dritten Ausführungsbeispiel ist auf die Lichtleitereintrittsfläche 5 eine Beschichtung aufgebracht, die alle Wellenlängen unter 440 nm sowie alle Wellenlängen im Bereich von 460 bis 530 nm blockiert und alle übrigen Wellenlänger passieren lässt (siehe Figur 8). Auf der reflektierenden Fläche 1 1 a ist eine Beschichtung aufgebracht, welche die Reflektion im Wellenlängenbereich zwischen 460 nm und 530 nm sowie im Wellenlängenbereich zwischen 550 nm und 620 nm unterdrückt, die Reflektion der übrigen Wellenlängen dagegen nicht unterdrückt (siehe Figur 9), und auf der reflektierenden Fläche 1 1 b ist eine Beschichtung aufgebracht, die eine Reflektion im Wellenlängenbereich zwischen 550 nm und 620 nm sowie eine Reflektion von allen Wellenlängen über 640 nm unterdrückt, die Reflektion der übrigen Wellenlängen dagegen nicht (siehe Figur 10). Durch das Zusammenwirken der drei Beschichtungen bietet die Lichtleitanordnung des dritten Ausführungsbeispiels für jeden Farbkanal jeweils nur einen engen Transmissionsbereich mit einer Breite von 20 nm, der um die Grundfarbe des jeweiligen Farbkanals zentriert ist. Im Ergebnis wird daher für den blauen Farbkanal also lediglich der Spektralbereich von 440 bis 460 nm, für den grünen Farbkanal der Spektralbereich von 530 bis 550 nm und für den roten Farbkanal der Spektralbereich von 620 bis 640 nm übertragen. Wie in den übrigen Ausführungsbeispielen können die Beschichtungen des dritten Ausführungsbeispiels durch Interferenzschichten oder Absorptionsschichten realisiert sein.
In den Ausführungsbeispielen 1 bis 3 weist bzw. weisen wenigstens eine der reflektierenden Flächen 1 1 a bis 1 1f und/oder die Lichtleitereintrittsfläche 5 und/oder die Flächen der Auskoppelstruktur 13 und/oder die Lichtleiteraustrittsfläche 7 einzeln oder gemeinsam abbildende Eigenschaften auf. Wenn eine Fläche einzeln abbildende Eigenschaften aufweist, soll dies so zu verstehen sein, dass die entsprechende Fläche derart ausgestaltet ist, dass sie alleine im Zusammenwirken mit der Augenlinse 17 das Bild auf der Netzhaut 19 generiert. Wenn mehrere Flächen gemeinsam abbildende Eigenschaften aufweisen, soll dies so zu verstehen sein, dass das Bild auf der Netzhaut durch das Zusammenwirken dieser Flächen und der Augenlinse 17 generiert wird.
Ein viertes Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Datenbrille ist in Figur 1 1 dargestellt. Elemente des vierten Ausführungsbeispiels, die Elementen des ersten Ausführungsbeispiels entsprechen, sind in Figur 1 1 mit denselben Bezugszeichen wie in Figur 2 bezeichnet und werden nicht noch einmal erläutert, um Wiederholungen zu vermeiden. Tatsächlich ist der einzige Unterschied des vierten Ausführungsbeispiels zum ersten Ausführungsbeispiel der, dass das in Figur 4 gezeigte Transmissionsverhalten nicht durch eine Beschichtung der Lichtleitereintrittsfläche 5 realisiert ist, sondern durch ein zwischen dem Bildgeber 1 und der Lichtleitereintrittsfläche 5 angeordnetes Spektralfilterelement 19, welches als Reduzierelement zum Reduzieren der spektralen Bandbreite der Farbkanäle dient. Dieses Spektralfilterelement 19, das als Interferenzfilter oder als Absorptionsfilter ausgebildet sein kann, weist eine Transmissionscharakteristik auf, wie sie in Figur 4 gezeigt ist. Diese Transmissionscharakteristik kann insbesondere auch dadurch erreicht werden, dass die Beschichtung, die im ersten Ausführungsbeispiel auf die Lichtleitereintrittsfläche 5 aufgebracht ist, auf ein separates transparentes Element aufgebracht wird, welches dann als Spektralfilterelement 19 zwischen dem Display 1 und der Lichtleitereintrittsfläche 5 angeordnet ist.
Wie in den ersten drei Ausführungsbeispielen kann bzw. können auch im vierten Ausführungsbeispiel wenigstens eine der reflektierenden Flächen 1 1 a bis 1 1f und/oder die Lichtleitereintrittsfläche 5 und/oder die Flächen der Auskoppelstruktur 13 und/oder die Lichtleiteraustrittsfläche 7 einzeln oder gemeinsam abbildende Eigenschaften aufweisen. Zusätzlich oder alternativ kann das Spektralfilterelement 19 alleine oder mit wenigstens einem der zuvor genannten Elemente zusammen abbildende Eigenschaften aufweisen.
Die vorliegende Erfindung wurde zu Erläuterungszwecken anhand von Ausführungsbeispielen im Detail beschrieben. Ein Fachmann erkennt jedoch, dass von diesen Ausführungsbeispielen abgewichen werden kann, ohne dabei von der Lehre der Erfindung abzuweichen. Beispielsweise erkennt ein Fachmann, dass, obwohl in den Ausführungsbeispielen jeweils drei Farbkanäle beschrieben sind, die Erfindung auch mit weniger oder mehr als drei Farbkanälen realisiert werden kann. Insbesondere kann die Erfindung auch mit lediglich einem Farbkanal realisiert werden. Dies eröffnet bspw. die Möglichkeit, Bildgeber mit einem breiten Emissionsspektrum zum Generieren monochromatischer Bilder hoher Auflösung und hohen Kontrastes zu verwenden. Zudem erkennt ein Fachmann auch, dass eine erfindungsgemäße Lichtleitanordnung auch in Head Mounted Displays Verwendung finden kann, die nicht als Datenbrillen ausgebildet sind, d.h. die keine unmittelbare Wahrnehmung der Umgebung ermöglichen. Die vorliegende Erfindung soll daher nicht auf die mit Bezug auf die Ausführungsbeispiele beschriebenen Ausgestaltungen beschränkt sein, sondern es soll lediglich eine Beschränkung durch die Ansprüche erfolgt.
Bezugszeichenliste
I Display
3 Lichtleitanordnung
4 Lichtleiter
5 Lichtleitereintrittsfläche
7 Lichtleitereintrittsfläche
9 Strahlenbündel
I I a-f reflektierende Flächen
13 Auskoppelstruktur 15 Augenlinse
17 Netzhaut
19 Spektralfilterelement
20 Datenbrille
21 Brillengestell
22 Brillenglas
23 Brillenglas
24 Brillenbügel
25 Brillenbügel

Claims

Patentansprüche
1. Lichtleitanordnung (3) mit einem Lichtleiter (4) zum Übertragen wenigstens eines Farbkanals (I, II, III), der ein spektrales Maximum und eine spektrale Bandbreite aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtleitanordnung (3) eine Einrichtung zum Reduzieren der spektralen Bandbreite des Farbkanals (I, II, III) umfasst.
2. Lichtleitanordnung (3) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Lichtleiter (4) zum Übertragen wenigstens eines ersten
Farbkanals (I, II, III) und eines zweiten Farbkanals (I, II, III) aufweist, wobei die Farbkanäle (I, II, III) jeweils ein spektrales Maximum und jeweils eine spektrale Bandbreite aufweisen, sich die Lage der spektralen Maxima der Farbkanäle im Spektrum voneinander unterscheiden und die Lichtleitanordnung (3) eine Einrichtung zum
Reduzieren der spektralen Bandbreite der Farbkanäle aufweist.
3. Lichtleitanordnung (3) nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zum Reduzieren der spektralen Bandbreite des Farbkanals oder der Farbkanäle (I, II, III) in den
Lichtleiter (4) integriert ist.
4. Lichtleitanordnung (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zum Reduzieren der spektralen Bandbreite des Farbkanals oder der Farbkanäle (I, II, III) ein dem
Lichtleiter vor- oder nachgeordnetes Reduzierelement (19) ist.
5. Lichtleitanordnung (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zum Reduzieren der spektralen Bandbreite des Farbkanals oder der Farbkanäle (I, II, III) wenigstens einen Transmissionsfilter umfasst.
6. Lichtleitanordnung (3) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Transmissionsfilter durch eine mit Transmissionsfiltereigenschaften versehene Lichtleitereintrittsfläche (5) realisiert ist.
7. Lichtleitanordnung (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zum Reduzieren der spektralen
Bandbreite des Farbkanals oder der Farbkanäle (I, II, III) wenigstens ein spektral selektiv reflektierendes Element (11a, 11 b) umfasst.
8. Lichtleitanordnung (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zum Reduzieren der spektralen
Bandbreite des Farbkanals oder der Farbkanäle (I, II, III) als wenigstens eine Beschichtung wenigstens eines Teils des Lichtleiters (4) oder des dem Lichtleiter (4) vor- oder nachgeordneten Reduzierelements (19) ist.
9. Lichtleitanordnung (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zum Reduzieren der spektralen Bandbreite des Farbkanals oder der Farbkanäle (I, II, III) wenigstens einen Schmalbandfilter und/oder ein schmalbandiges spektral selektiv reflektierendes Element umfasst.
10. Lichtleitanordnung (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zum Reduzieren der spektralen Bandbreite des Farbkanals oder der Farbkanäle (I, II, III) wenigstens umfasst:
- zwei Breitbandfilter,
zwei breitbandige spektral selektiv reflektierende Elemente oder einen Breitbandfilter und ein breitbandiges spektral selektiv reflektierendes Element,
die gemeinsam eine Reduktion der spektralen Bandbreite des Farbkanals oder der Farbkanäle (I, II, III) herbeiführen.
11. Lichtleitanordnung (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtleiter (4) ein Brillenglas (22, 23) ist.
12. Abbildungsoptik zum Formen eines virtuellen Bildes von einem auf einem Bildgeber (1 ) dargestellten Urbild, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Lichtleitanordnung (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 und wenigstens ein abbildendes optisches Element umfasst.
13. Abbildungsoptik nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass sie wenigstens ein abbildendes optisches Element umfasst, das in den Lichtleiter (4) integriert ist.
14. Abbildungsoptik nach Anspruch 12 oder Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass sie wenigstens ein abbildendes optisches Element (19) umfasst, das dem Lichtleiter (4) vor- oder nachgeschaltet ist, wobei die Einrichtung zum Reduzieren der spektralen Bandbreite des Farbkanals oder der Farbkanäle (I, II, III) ganz oder teilweise in das vor- oder nachgeschaltete abbildende optische Element (19) integriert ist.
15. Head Mounted Display mit einem Bildgeber (1 ) zum Darstellen eines Urbildes und einer Abbildungsoptik nach einem der Ansprüche 12 bis 14 zum Formen eines virtuellen Bildes von dem auf dem Bildgeber (1 ) dargestellten Urbild.
16. Head Mounted Display nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch seine Ausgestaltung als Datenbrille.
17. Verfahren zum Verbessern der Abbildungsqualität einer Abbildungsoptik beim Übertragen wenigstens eines Farbkanals (I, II, III), der ein spektrales Maximum und eine spektrale Bandbreite aufweist, wobei die Übertragung des wenigstens einen Farbkanals (I, II, III) mittels einer Lichtleitanordnung (3) der Abbildungsoptik erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Übertragung des wenigstens einen Farbkanals (I, II, III) durch die Lichtleitanordnung (3) die spektrale Bandbreite des wenigstens einen Farbkanals verringert wird.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein erster Farbkanal und ein zweiter Farbkanal (I, II, III) übertragen werden, welche jeweils ein anderes spektrales Maximum und jeweils eine spektrale Bandbreite aufweisen, wobei bei der Übertragung der Farbkanäle (I, II, III) durch die Lichtleitanordnung (3) die spektrale Bandbreite der Farbkanäle (I, II, III) verringert wird.
19. Verfahren nach Anspruch 17 oder Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass beim Übertragen der jeweiligen Farbkanäle generierte Verzerrungen in den in den Wellenlängen der spektralen
Maxima vorliegenden Bildern durch inverse Verzerrungen von auf einem Display dargestellten, der Abbildung zugrunde liegenden Urbildern in den Wellenlängen der spektralen Maxima ausgeglichen werden.
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