WO2023144189A1 - Optische baugruppe zur detektion einer vom auge reflektierten strahlung eines retinaprojektors und verfahren - Google Patents

Optische baugruppe zur detektion einer vom auge reflektierten strahlung eines retinaprojektors und verfahren Download PDF

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WO2023144189A1
WO2023144189A1 PCT/EP2023/051766 EP2023051766W WO2023144189A1 WO 2023144189 A1 WO2023144189 A1 WO 2023144189A1 EP 2023051766 W EP2023051766 W EP 2023051766W WO 2023144189 A1 WO2023144189 A1 WO 2023144189A1
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WO
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light
optical assembly
assembly according
beam path
retina
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PCT/EP2023/051766
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Inventor
Simon Lankes
Stephan Janka
Original Assignee
Ams-Osram International Gmbh
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/017—Head mounted
    • G02B27/0172—Head mounted characterised by optical features
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/0093—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00 with means for monitoring data relating to the user, e.g. head-tracking, eye-tracking

Definitions

  • the present invention claims the priorities of the German applications DE 102022 101727.3 of January 25, 2022 and DE 10 2022 119578.3 of August 4, 2022, the disclosure content of which is hereby fully incorporated by reference.
  • the present invention relates to an optical assembly that forms a beam path that is suitable for projecting light onto a retina of a user's eye.
  • VR virtual reality
  • AR in German "augmented reality”
  • augmented reality in German "augmented reality”
  • Additional information can be displayed to help the user with complex tasks.
  • the parts of a device could be "labeled” for a mechanic and work instructions could be directly shown visually without having to look at a manual or the like of visible elements during an operation.
  • this can be done intraoperatively, as an "X-ray view” for the surgeon, based on previous tomography or current image data from ultrasound devices or open magnetic resonance tomographs.
  • Augmented reality digital planning data can be used in industrial applications in the design of machines or buildings existing real geometries are compared. Augmented reality can also be used for navigating on foot off-road or in vehicles, where, for example, situation information can be displayed for security tasks or in civil protection.
  • Mobile artificial reality (AR) display systems are limited by the size available for integration (e.g. in glasses) and by the energy storage that can be integrated. For these applications, display systems are favored that allow for a small design and are characterized by low energy consumption.
  • display systems are favored that allow for a small design and are characterized by low energy consumption.
  • retina scanning promises to best meet both requirements.
  • eye tracking technologies Current eye tracking systems are based on a lighting and camera unit that uses complex pattern recognition software to identify and calculate the pupil position from the camera image. These systems are only suitable for mobile AR display systems to a limited extent, as they significantly increase the space required and the need for electronic peripherals, making integration more difficult. Due to their not inconsiderable energy requirement, such systems limit the running time of the energy source.
  • a MEMS scanner creates a grid of points on the retina.
  • a mirror system or holographic optical element continuously tracks the exit pupil (eye-box) of the optical system, which lies in the plane of the iris of the eye.
  • the electrical control signal required for this is supplied by a system consisting of an eye-tracking sensor and signal evaluation. If the exit pupil is not tracked, the beam of rays will be partially restricted by the iris and the image will appear darker, also known as vignetting.
  • a reflection on the surface of the eye is detected and evaluated by a camera or the position of the iris is observed and measured with the camera.
  • An additional emitter preferably an IR emitter
  • the additional IR emitter scans the "eye box” and a photodetector (e.g. a photodiode) detects the signals in a time-resolved manner.
  • An image is assembled using the time resolution, this image is analyzed using software for pattern recognition and the pupil position is determined.
  • Another option is to use a camera without an additional emitter. This creates an image of the eye, and the position of the pupil is determined using pattern recognition. Sufficient ambient light is required for the latter variant.
  • hyperspectral imaging is a form of spectral imaging used for remote sensing of satellite imagery in agriculture and water control was developed.
  • HSI collects data across the entire electromagnetic spectrum by capturing a contiguous spectrum of wavelengths for each pixel of an image. It creates an image that captures information from multiple wavelengths, creating a four-dimensional hyperspectral cube: two dimensions for orthogonal spatial data, a third for wavelength bands, and finally one for the corresponding absorption/reflection intensities at each wavelength.
  • HSI offers higher spectral resolution compared to multispectral imaging, which captures only specific wavelengths such as red, green, and blue. This enables a more precise analysis that can also detect subtle spectral differences.
  • HSI spatially resolved spectral imaging
  • HSI has emerged as a useful imaging modality for noninvasive disease diagnosis and image-guided surgery in a number of medical fields, including ophthalmology.
  • HSI is used to analyze retinal vascular oxygenation and tissue perfusion associated with diabetic retinopathy, retinal vein occlusion and glaucoma, and retinal molecules and cell types associated with age-related macular degeneration (AMD) or Alzheimer's disease to be brought.
  • AMD age-related macular degeneration
  • physiological parameters such as the oxygen content of the blood can be determined.
  • Vital parameter trackers in the consumer sector are mainly integrated into wristbands and can measure little more than blood oxygen and heart rate. Due to the measurement on the wrist, only limited statements can be made about certain heart diseases, for example.
  • In-eye diagnostics is stressful for the patient and is currently only possible in clinical settings.
  • By integrating the measurement of vital parameters in the eye one achieves greater accuracy than on the wrist, since blood vessels are optically much more accessible.
  • the integration into VR glasses in particular, allows continuous measurement without stress on the patient.
  • research has already shown ways of making other diseases possible at an early stage using in-eye diagnostics, such as Alzheimer's or glaucoma.
  • a further object of the invention is to specify an alternative solution for determining the pupil position. This is intended to reduce as far as possible the design effort and possibly also the power consumption of the arrangement.
  • a further object of the invention is to provide mobile display systems such as artificial reality (AR) display systems which can be used for medical diagnosis or for determining vital parameters such as the oxygen saturation of the blood.
  • AR artificial reality
  • an optical assembly forming a beam path that is suitable for projecting light onto a retina of a user's eye, with a light reflected from the retina at least partially via parts of the beam path back to an arrangement for Pupil tracking is performed.
  • the arrangement for Pupil tracking is used in particular to determine an eye position, ie an angle to the "straightening" of the eye position.
  • the light of the projection is light for displaying information, ie light that is recognized by a user as an image.
  • the eye acts as a retroreflector for the rays of light that pass through the pupil. This effect is also known from photography as the red-eye effect, because the reflection coefficient of the retina is higher for red light than for other colors. Light that falls on other areas of the eye is scattered lambertically.
  • the solution according to the invention allows simple integration into the existing beam path of the projection system. No further elements are required outside of the projection system.
  • an image is generated and projected onto a user's retina. Due to the red eye effect mentioned above, part of the light is reflected back along the beam path and used to detect a position of the eye.
  • the signal-to-noise ratio can be improved by evaluating a frame repetition rate of the light that is detected. It is also possible, for example, in the case of colored images which generate colors at different times or also to use detectors which are color-sensitive and matched to the light to be detected. A corresponding detector can also be active at times when no image is being generated, and in this way a dark current capture. This can be used later to compensate for the noise during the measurement to improve the signal-to-noise ratio.
  • the beam path includes a means for projecting an image.
  • the means for projecting an image comprises a scanner.
  • the scanner comprises at least one movably mounted mirror for coupling light into the beam path.
  • the optical system of the projection collects the backscattered light and forms a sharp image of the pupil plane in the plane of the moveable mirror.
  • the scanner is preferably exposed to light of different wavelengths, with light from light-emitting diodes or laser diodes including edge-emitting lasers or also VCSELs of different wavelengths being coupled into the beam path via half mirrors.
  • the means for projecting an image comprise a holographic image combiner or a matrix light source or the like.
  • a holographic image combiner or a matrix light source or the like.
  • other optical concepts for image combination can also be used.
  • the essential requirement here is that the light reflected by the eye is thrown back into the optical system, which also directs the light onto the eye.
  • the beam path includes at least one steering mirror. This is rotatably movably mounted via a drive and is used to track the image projected onto the retina depending on the position of the eyes.
  • the drive can be electric in some aspects and piezomechanical in other aspects.
  • the eye position determined by the system according to the invention is converted into corresponding control signals for the electric drive by an electric control and regulation system.
  • the beam path includes at least one semi-transparent mirror.
  • the semi-transparent mirror should influence the beam path of the image generation as little as possible. Its purpose is to deflect the light scattered back from the pupil and the eye onto the additional detector.
  • the half mirror can be designed and arranged in various ways. In one aspect, the arrangement is such that light from the scanner is reflected onto the steering mirror and the light reflected from the steering mirror is projected through the half mirror onto the holographic image combiner. Such an arrangement of the assemblies can advantageously be arranged in the manner of glasses.
  • a lens arrangement is arranged in the beam path between the scanner and the semitransparent mirror.
  • the lens arrangement comprises a diverging lens and/or a converging lens for projecting the image onto the user's eye.
  • the arrangement for pupil tracking is arranged within the lens arrangement and is preferably arranged between the diverging lens and the converging lens of the lens arrangement.
  • the means for projecting an image is a spatial light modulator. This can be inserted into the beam path and modulates a desired image onto the light passing through. Such augmented reality arrangements are also referred to as the Maxwell type.
  • converging lenses are arranged on both sides of the spatial light modulator, so that the light modulator is irradiated by parallel light beams.
  • the arrangement for pupil tracking comprises a partially transparent mirror which can direct light reflected from the retina at least partially onto a detector. The partially transparent mirror allows the image to be deflected onto a detector and analyzed there. The arrangement gives high contrast since only the light passing through the pupil is effectively collected. The contrast can be increased further by using a red filter.
  • the partially transparent mirror is arranged on the side of the light modulator facing away from the eye when the optical assembly is in use in the beam path in front of the converging lens.
  • the partially transparent mirror is arranged in the beam path between the diverging lens and the converging lens of the lens arrangement.
  • the detector comprises at least one light-sensitive cell or, alternatively, a plurality of light-sensitive cells.
  • the light-sensitive cells are arranged in a matrix-like manner in rows and columns, for example in at least two rows and two columns.
  • the pupil tracking function can be implemented with just a few detector elements, for example four or more detector elements. In the simplest case by a quadrant detector. The position of the pupil is then determined simply by forming a focal point. Defocusing may help here to reduce the number of elements.
  • the solution according to the invention has a low energy requirement, so that correspondingly small power electronics and power supply can be implemented.
  • control and monitoring circuit is designed in such a way that, depending on the signal from the detector, the steering mirror is controlled in such a way that it pulls the projected image of the iris into the center of the detector", i.e. the signal from the detector becomes maximum and distributed evenly over all four quadrants (in the case of a quadrant detector.) This requires rather simple algorithms and thereby reduces the energy requirement.
  • the optical assembly includes a means for measuring at least a portion of the spectrum of the reflected light.
  • Spectral analysis of the reflected light can be used to assess the status and distribution of chromophores such as cytochrome c and to evaluate the metabolic status of hemoglobin related to the oxygenation of the retinal blood vessels.
  • Such information is valuable for diagnosing and monitoring various eye diseases, including age-related macular degeneration (ARMD), glaucoma, and diabetic retinopathy.
  • a spectral analysis of the reflected light allows conclusions to be drawn about the oxygen saturation of the blood.
  • the means for measuring at least a partial range of the spectrum of the reflected light comprises a color filter, which is arranged in the beam path in front of the detector.
  • a color filter is a bandpass filter that lets part of the spectrum through and blocks the rest.
  • time-varying parameters can be measured that correlate with the spectrum of the reflected light over a limited spectral range.
  • the means for measuring at least a portion of the spectrum of the reflected light comprises a spectrometer, which in turn preferably comprises a spectrally filtered photodiode or an array of spectrally filtered photodiodes or miniaturized grating spectrometers or photonic crystals.
  • An array of spectrally filtered photodiodes can also be used to monitor several spectral ranges that correlate with different vital parameters.
  • Vital parameters are understood here to be a plurality of individual pixels in rows and columns, in particular physical variables associated with variables such as blood pressure, heart rate, oxygen saturation, glucose saturation or markers for diseases such as the occurrence or concentration of certain substances such as proteins in the blood or are associated with or in the retina.
  • the beam path comprises at least one further light source in addition to the means for projecting an image. This makes it possible to couple certain wavelengths into the beam path in addition to the light coupled onto the retina and to measure its reflected spectrum.
  • the additional light source is set up to generate monochromatic light.
  • light of a suitable wavelength can be used for the targeted excitation of specific molecules and their remission can be analyzed spectrally using Raman, fluorescence or reflection spectroscopy. The presence or concentration of these molecules correlates with the user's vital signs.
  • several additional light sources are arranged in the beam path to generate monochromatic light, so that light of a suitable wavelength is emitted can be coupled into the beam path for the targeted excitation of different specific molecules.
  • the existing optical path in AR systems is well suited to collecting the light reflected from the fundus and projecting it onto the detector. Apart from the partially transparent mirror and the spectral sensor, no additional optical elements are required for a standard in-eye projector.
  • the integration of the sensor into an everyday object is hardly stressful for the patient and allows trend analyzes in contrast to today's snapshots.
  • the measurement in the eye allows a more direct access than the optical measurement of blood vessels and thus a higher accuracy than e.g. on the wrist or the fingertip.
  • the measurement in the eye correlates with diseases in the patient's head area, which are only insufficiently possible with measurements on the wrist.
  • the pupil diameter can also be measured with a higher detector resolution. This can serve as a measure of the dark adaptation of the eye.
  • the brightness of the projection can then be adjusted accordingly.
  • This information can also be used for vital sign monitoring. For example, if the user is under the influence of drugs and therefore not fit to drive, this information can be used for an immobilizer when coupling with a vehicle, for example.
  • An offset of the pupil plane to the exit pupil of the projection optics of the optical assembly can be determined with an even higher resolution. This manifests itself in a blurred image of the pupil on the detector.
  • the problem mentioned at the outset is also solved by using an optical assembly according to the invention for measuring vital parameters of a user of the optical assembly.
  • the vital parameters of a user of the optical assembly are measured over time.
  • spatially resolved vital parameters of a user of the optical assembly are measured over time.
  • a temporally and/or spatially resolved time series of the vital parameter(s) can be created for an eye.
  • the temporal and/or spatial development of the vital parameter is then correlated with blood values such as oxygen saturation or the presence of certain diseases.
  • the vital parameter is an oxygen saturation of the blood.
  • the problem mentioned at the outset is also solved by methods for measuring vital functions and/or early detection of health risks requiring therapy using an optical assembly according to the invention, a spectrum of light reflected from the retina being measured.
  • the spectrum of light reflected back from the retina is measured over time.
  • a reflected spectrum of a monochromatic light source is measured in one embodiment of the invention.
  • the reflected spectrum is assigned to individual points on the retina, with the assignment to individual points on the retina being based on the position of the movably mounted mirror for coupling light into the beam path and/or the position of the steering mirror .
  • FIG. 1 shows a first exemplary embodiment of an optical assembly according to the proposed principle in interaction with a human eye of a user in a basic sketch
  • FIG. 2 shows a schematic representation of an optical scanner in FIG. 1;
  • FIG. 3 shows the arrangement for pupil tracking in FIG. 1
  • FIG. 4 shows a sketch for imaging the pupil via the red-eye effect on the detector
  • FIG. 5 shows a second exemplary embodiment of an optical assembly according to the invention in interaction with a human eye of a user in a basic sketch
  • FIG. 6 shows a second exemplary embodiment of the arrangement for pupil tracking in FIG. 1;
  • FIG. 7 shows a further exemplary embodiment of the arrangement for pupil tracking in FIG. 1;
  • FIG. 8 shows a basic illustration of a further exemplary embodiment of an optical scanner.
  • FIG. 1 shows a first exemplary embodiment of an optical assembly 1 according to the invention in interaction with a human eye 2 in a basic sketch.
  • the optical assembly 1 includes almost an optical scanner 3, which can project an image onto a retina 4 of the human eye 2 via optical elements arranged downstream in a beam path.
  • a lens arrangement 5 is arranged in the beam path, which collects divergent light bundles emitted by the scanner as a point light source and images them onto a steering mirror 7 via a semitransparent mirror 6 .
  • the light of the steering mirror 7 is on a holographic image combiner 8 is projected.
  • the image generated by the scanner 3 is projected onto the retina 4 via the lens 9 of the eye 2 together with an image of the surroundings.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of the optical scanner 3.
  • This includes colored light-emitting diodes or laser diodes or other lasers, namely in particular a red light-emitting diode 31, a green light-emitting diode 32 and a blue light-emitting diode 33 for the three primary colors red, green and blue.
  • the term light-emitting diode also includes laser diodes and is also intended to include other lasers here.
  • Their light is in each case via beam-shaping lenses 34, 35,36, of which only the lenses arranged in the beam path of the blue light-emitting diode 33 are provided with a reference number in FIG scanning mirror 41, which can be moved in two directions, onto the elements arranged downstream in the beam path.
  • the scanning mirror 41 as a scanning head is controlled via electrical drive means such as electric motors or the like and driver and control electronics. Neither the power electronics required for this nor the control electronics nor data transmission means or a power supply are explained in more detail here, since the design of the scanner 3 is not important here and such scanners are known per se in the prior art.
  • the lens arrangement 5 includes lenses and filters for beam shaping; in the exemplary embodiment shown, these are a diverging lens 51 and a converging lens 52 for shaping a parallel light beam. Appropriate filters 53, 54 can be arranged in the beam path to attenuate and compensate for the color of the laser beam.
  • the steering mirror 7 is pivoted about two axes, so that the image generated by the scanner 3 depends on the Eye position can be mirrored onto the Retina 4. A turning of the eye 4 on the part of the user can therefore be compensated for with the aid of the steering mirror 7 .
  • the mirror 7 is pivoted about an axis perpendicular to the plane of the drawing and about an axis parallel to the plane of the drawing along the mirror surface.
  • the bundle of rays, which continues to be parallel after being deflected by the steering mirror 7 is then projected by the mirror 6 onto the holographic image combiner 8 .
  • the holographic image combiner 8 includes a holographic optical element (Holographic Optical Element, HOE) configured so that external light 10 is transmitted through the HOE, focused at a focal point 11, and thus forms an image comprising a plurality of pixels on the retina 4 is projected while it reflects light 12 from the steering mirror 7, which falls through the semi-transparent mirror 6 onto the holographic image combiner 8, and also focuses on a focal point 11 and an image generated by the laser scanner 3 onto the retina 4 projected.
  • HOE holographic Optical Element
  • Holographic optical elements are used for the holographic image combiner 8 to provide a transparent holographic image combiner.
  • a holographic optical element is usually a thin, transparent film that can deflect light.
  • the holographic optical elements act as a parabolic mirror, which acts as a mirror only for light with a specific angle of incidence and a specific wavelength. Otherwise it is optically transparent.
  • the holographic image combiner 8 is in the form of a spectacle lens and comprises a photopolymer film which is completely surrounded by a lens material. The photopolymer film is positioned as close as possible to the eye 2 facing surface of the lens material. Laser light 12 can strike this surface of the lens material and pass through the lens material to strike the photopolymer film.
  • One or more holograms in the photopolymer film reflect the laser light 12 towards the user's eye 2 .
  • the laser light is refracted as it enters the lens material, travels through the lens material, is reflected and diffracted by the photopolymer sheet, travels through the lens material, and is then refracted again as it exits the lens material .
  • at the point of decoupling from the lens material at least part of the projected display light can be reflected back inwards towards the photopolymer film, from where this part of the projected display light can be redirected towards the user's eye and undesirably a Replication or "ghosting" effect created in projected display content.
  • Positioning the photopolymer film off-center and near the eye-facing surface of the lens can advantageously reduce such ghosting.
  • the exit pupil of the system is tracked and adjusted to the pupil position with the steering mirror 7 , the position of the pupil being detected in real time by an arrangement for pupil tracking 13 .
  • a partially transparent mirror 14 is arranged in the beam path, as shown in FIG.
  • the eye 2 acts like a retroreflector for the laser beams that pass through the pupil 9 .
  • This effect is also known from photography as the red-eye effect, because the reflection coefficient of the Retina 4 is higher for red light than for different colors.
  • Light falling on other areas of the eye 2 is lambertian scattered.
  • the optical system of the projection (8, 7, 6, 54, 53, 52, 51) now collects the backscattered light and forms the pupil plane in the plane of the scanning mirror 41 sharply.
  • the image is deflected by the partially transparent mirror 14 onto the detector 15 and can be analyzed there.
  • the image has high contrast because only the light passing through the pupil is effectively collected.
  • the contrast can be further increased by using a red filter directly in front of the detector 15, for example.
  • the detector 15 comprises a plurality of photosensitive cells 16, for example and in particular photodiodes, arranged in the form of a matrix.
  • a 4 ⁇ 4 matrix of light-sensitive cells 16 is shown in FIG. 4.
  • a 2 ⁇ 2 or 3 ⁇ 3 matrix is also sufficient here.
  • the photodiodes are set up in such a way that they can measure a partial range of the spectrum of the reflected light, as will be explained with reference to the following exemplary embodiments.
  • the pupil is imaged as a circular area 17 on the detector 15 via the red-eye effect shown above.
  • the circle is sharply focused as a result of the optical path ("backward") through the optical assembly 1 according to the invention.
  • individual light-sensitive cells 16 are illuminated to different degrees.
  • the light-sensitive cell 16 is at the matrix position 3 -2 are almost completely illuminated, the light-sensitive cells 16 at the matrix positions 2-1 and 3-2 only very slightly, which is represented by the overlapping of the circle 17 over the light-sensitive cells 16.
  • the position of the circle can correspondingly be determined using statistical methods 17, which represents the pupil of the eye 2, can be determined on the detector 15.
  • FIG 5 shows an alternative exemplary embodiment of an optical assembly 1 according to the invention in interaction with a human eye 2 in a basic sketch.
  • the optical assembly 1 is of the Maxwell type here. This comprises a spatial light modulator 18 on which converging lenses 19, 20 are arranged on both sides.
  • the spatial light modulator 18 is also referred to as Spatial Light Modulator SLM and includes z.
  • the Maxwell-type optical assembly 1 thin parallel beams emitted from a pixel 21 are modulated by the spatial light modulator 18 and through the lens system comprising the converging lenses 19, 20 arranged on either side of the light modulator 19 in the center of the pupil brought together and projected directly onto the retina 4 .
  • Each pixel of the light modulator 18 that produces a clear image anywhere behind the light modulator 18 stimulates a specific, unique point on the retina. In this way, an image pattern modulated by the light modulator 18 is projected onto the retina. The image pattern can be observed in the Maxwell type without eye accommodation since all the rays pass through the center of the pupil 9 lens. Therefore, the arrangement supports an extremely long focal length.
  • an arrangement 13 for pupil tracking which is constructed as in the previous exemplary embodiment, is arranged in the beam path in front of the converging lens 20 .
  • FIGS. 6 and 7 show further exemplary embodiments of the invention. The illustrations largely correspond to those in FIG. 3, so identical parts and assemblies will not be discussed again.
  • the backscattered light is analyzed spectrally.
  • a spectrometer 60 is arranged instead of the detector 15, or a spectral or color filter 61 is arranged in front of the detector 15, as shown in FIG.
  • the color filter 61 can transmit light in the red color range in particular, since the light backscattered by the retina has red color components in particular. Alternatively or additionally, other spectral ranges can also be let through, depending on the vital parameter to be measured and the backscattered light correlating therewith.
  • the color filter 61 can be embodied as a bandpass filter that allows wavelengths within a specific range to pass and attenuates wavelengths outside this range (eg liquid crystal filter).
  • a suitable spectrometer is, for example, a spectrally filtered photodiode or an array of spectrally filtered photodiodes or a miniaturized grating spectrometer or a Fabry-Perot spectrometer. This is or are read out with a temporal resolution.
  • the spectrometer signal is used to measure a time-varying parameter that correlates with the spectrum of the reflected light or, for example, a spectral power density over a limited spectral range.
  • lasers 70 with a suitable wavelength can be used for the targeted excitation of specific molecules and their remission can be analyzed spectrally using Raman, fluorescence or reflection spectroscopy.
  • Raman spectroscopy the matter to be examined is irradiated with monochromatic light. In the spectrum of the light scattered on the sample, other frequencies are observed in addition to the incident frequency. From the spectrum obtained, conclusions can be drawn about the substance being examined.
  • the Fluorescence spectroscopy uses fluorescence phenomena for the qualitative and quantitative analysis of substances. In reflectance spectroscopy, the dependency of the degree of reflection of a material on the wavelength of the incident light is measured. For this purpose, as shown in FIG.
  • a further diode or laser diode 70 with corresponding beam shaping lenses 34, 35, 36 is arranged in the scanner 3.
  • further laser diodes 70 with corresponding beam-shaping lenses 34, 35, 36 are additionally arranged in the scanner 3.
  • the laser diode 70 enables a light signal that is independent of the image to be projected onto the retina to be coupled into the beam path. In particular, this can also be IR or UV light of a certain wavelength correlating with a time-variable parameter.
  • the spectrum of the light reflected by the retina 4 is measured over time, ie the intensity and/or the frequency of the reflected light is measured over time.
  • the intensity of the reflected light measured with a device according to FIG. 1 can be measured over time. Assuming that the spectrum of the light projected onto the retina is approximately constant over time, a change in the intensity of the reflected light is based on the change in a vital parameter such as oxygen saturation.
  • an image is projected onto the retina by means of the scanner 3 and the steering mirror 7 as well as the other components arranged in the beam path, the image being generated line by line in the form of individual pixels.
  • the reflected light is possibly projected onto the detector 15 or the spectrometer 60 via the color filter 61 .
  • the spectrum is measured over a wide range or the intensity is measured in a small spectral range or at a specific wavelength. This creates a time series of reflection intensities that are assigned to individual points of the retina in terms of time and space.
  • Optical assembly (1) forming a beam path that is suitable for projecting light onto a retina (4) of an eye (2) of a user, characterized in that the retina (4) reflected light at least partially over parts of the beam path is guided back to an arrangement for pupil tracking (13).
  • Optical assembly according to object 1 characterized in that the beam path comprises a means (3, 8, 18) for projecting an image.
  • Optical assembly according to item 2 characterized in that the means for projecting an image comprises a scanner (3). 4. Optical assembly according to item 3, characterized in that the scanner (3) comprises at least one movably mounted mirror (41) for coupling light into the beam path. 5. Optical assembly according to item 4, characterized in that the scanner (3) is acted upon by light of different wavelengths. 6. Optical assembly according to item 5, characterized in that light from light-emitting diodes (31, 32, 33) or lasers of different wavelengths are coupled into the beam path via half mirrors. 7. Optical assembly according to one of the preceding objects, characterized in that the means for projecting an image comprises a holographic image combiner (8). 8.
  • the beam path comprises at least one steering mirror (7).
  • the optical path comprises at least one semi-transparent mirror (6) arranged so that light from the scanner (3) is reflected onto the steering mirror (7). and that of the steering light reflected by the mirror (7) is projected through the semi-transparent mirror (6) onto the holographic image combiner (8).
  • a lens arrangement (5) is arranged in the beam path between the scanner (3) and the semi-transparent mirror (6).
  • the lens arrangement (5) comprises a diverging lens (51). 12.
  • Optical assembly according to item 10 or 11 characterized in that the lens arrangement (5) comprises a converging lens (52). 13.
  • Optical assembly according to item 13 characterized in that the arrangement (13) for pupil tracking (13) is arranged between the diverging lens (51) and the converging lens (52) of the lens arrangement (5).
  • An optical assembly according to item 2 characterized in that the means for projecting an image comprises a spatial light modulator (18). 16.
  • the arrangement (13) for pupil tracking comprises a partially transparent mirror (14) which directs light reflected from the retina at least partially onto a detector (15). can.
  • the arrangement (13) for pupil tracking comprises a partially transparent mirror (14) which directs light reflected from the retina at least partially onto a detector (15). can.
  • the partially transparent mirror (14) is arranged on the side of the light modulator 18 facing away from the eye 2 when the optical assembly is in use in the beam path in front of the converging lens 20 is.
  • the partially transparent mirror (14) is arranged in the beam path between the diverging lens (51) and the converging lens (52) of the lens arrangement (5).
  • the detector (15) comprises at least one light-sensitive cell (16).
  • the detector (15) comprises a plurality of light-sensitive cells (16).
  • the light-sensitive cells (16) are arranged in a matrix in rows and columns.
  • Optical assembly according to item 22 characterized in that the light-sensitive cells (16) are arranged in a matrix in at least two rows and two columns.
  • Optical assembly according to one of the preceding objects, characterized in that a red filter is arranged between the partially transparent mirror (14) and the detector (15).
  • Optical assembly according to one of objects 1 to 24, characterized in that it comprises a means for measuring at least a portion of the spectrum of the reflected light.
  • Optical assembly according to item 27 characterized in that the spectrometer (60) comprises an array of spectrally coated photodiodes.
  • the spectrometer (60) comprises a miniaturized grating spectrometer.
  • the spectrometer (60) comprises photonic crystals.
  • the beam path comprises at least one further light source (70) in addition to the means (3, 8, 18) for projecting an image.
  • the further light source (70) is set up to generate monochromatic light. 34.
  • Optical assembly according to item 32 or 33 characterized in that several further light sources (70) for generating monochromatic light are arranged in the beam path.
  • 35. Use of an optical assembly according to one of the items 1 to 34 for measuring the pupil diameter of an eye.
  • 36. Use of an optical assembly according to one of objects 1 to 34 for measuring an offset of a pupil plane to the exit pupil of the optical assembly (1).
  • 37. Use of an optical assembly according to one of the objects 1 to 34 for measuring vital parameters of a user of the optical assembly (1).
  • SLM spatial light modulator

Abstract

Die Erfindung betrifft eine optische Baugruppe ausbildend einen Strahlengang, der geeignet ist zur Projektion von Licht auf eine Retina eines Auges eines Anwenders. Eine Verringerung des konstruktiven Aufwandes und/oder des Stromverbrauchs wird erreicht, indem von der Retina reflektiertes Licht zumindest teilweise über Teile des Strahlenganges zurück zu einer Anordnung zur Pupillenverfolgung geführt ist. Insbesondere kann das reflektierte Licht zumindest in Teilbereichen des Spektrums ausgewertet werden. Eine spektrale Analyse des zurückgestrahlten Lichts kann zur Beurteilung des Zustands und der Bewertung verschiedener Parameter im Zusammenhang mit dem Blutfluss der Netzhaut verwendet werden.

Description

OPTISCHE BAUGRUPPE ZUR DETEKTION EINER VOM AUGE REFLEKTIERTEN STRAHLUNG EINES RETINAPROJEKTORS UND VERFAHREN
Die vorliegende Erfindung nimmt die Prioritäten der deutschen Anmeldungen DE 102022 101727.3 vom 25. Januar 2022 sowie DE 10 2022 119578.3 vom 4. August 2022 in Anspruch deren Offen- barungsgehalt hiermit durch Rückbezug vollständig aufgenommen wird.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Baugruppe aus- bildend einen Strahlengang, der geeignet ist zur Projektion von Licht auf eine Retina eines Auges eines Anwenders.
HINTERGRUND
Neben Virtual Reality (VR) Anwendungen, bei denen einem Nutzer ein vollständig computergeneriertes Bild beispielsweise mit ei- ner so genannten VR-Brille gezeigt wird, sind computergestützte Erweiterungen der Realitätswahrnehmung als Augmented Reality oder Artificial Reality (AR, auf Deutsch "erweiterter Realität") bekannt, bei denen ein Umgebungsbild mit einer computergene- rierten Darstellung überlagert wird. Durch Anzeigen von Zusatz- informationen kann eine Hilfestellung für den Anwender bei kom- plexen Aufgaben geschehen. Beispielsweise könnten für einen Me- chaniker die Teile eines Gerätes „beschriftet" werden und Ar- beitsanweisungen direkt, ohne den Blick zu einem Handbuch oder dergleichen wenden zu müssen visuell gezeigt werden. In der Medizin kann erweiterte Realität beispielsweise genutzt werden, um die Darstellung nicht sichtbarer Elemente während einer Ope- ration zu ermöglichen. Zum Beispiel kann dies intraoperativ geschehen, als „Röntgenblick" für den Operateur, basierend auf vorheriger Tomographie oder aktuellen Bilddaten von Ultra- schallgeräten oder offenen Kernspintomografen. Mit Augmented Reality können bei industriellen Anwendungen in der Konstruk- tion von Maschinen oder Gebäuden digitale Planungsdaten mit vorhandenen realen Geometrien abgeglichen werden. Augmented Re- ality kann zudem in der Navigation zu Fuß im Gelände oder in Fahrzeugen verwendet werden, wobei beispielsweise bei Sicher- heitsaufgaben oder im Katastrophenschutz Lageinformationen ein- geblendet werden können.
Mobile Artificial Reality (AR) Anzeigesysteme (Displays und Projektoren) sind limitiert durch die verfügbare Baugröße zur Integration (z.B. in einer Brille) und durch den integrierbaren Energiespeicher. Für diese Anwendungen werden Anzeigesysteme favorisiert, die eine kleine Bauweise ermöglichen und sich durch einen geringen Energiebedarf auszeichnen. Von den bekannten Systemansätzen für Anzeigesysteme verspricht Retina Scanning beiden Anforderungen am ehesten gerecht zu werden. Um stetig ein Bild auf die Retina schreiben zu können, muss der Projek- tionsweg auf die Pupillenposition in situ angepasst werden. Dies wird durch so genannte Eye Tracking Technologien erreicht. Ak- tuelle Eye Tracking Systeme basieren auf einer Beleuchtungs- und Kameraeinheit, die aufwändige Mustererkennungssoftware ver- wenden, um die Pupillenposition aus dem Bild der Kamera zu erkennen und zu berechnen. Diese Systeme sind für mobile AR Anzeigesysteme nur begrenzt geeignet, da sie den benötigten Bauraum und den Bedarf an elektronischer Peripherie wesentlich vergrößern und dadurch die Integration erschweren. Durch ihren nicht unerheblichen Energiebedarf limitieren solche Systeme die Laufzeit der Energiequelle.
Im Stand der Technik erzeugt ein MEMS-Scanner Punktraster auf der Retina. Ein Spiegelsystem oder holografisches optisches Element führt die Austrittspupille (eye-box) des optischen Sys- tems, die in der Ebene der Iris des Auges liegt, kontinuierlich nach. Das dazu notwendige elektrische Steuersignal liefert ein System aus Eye-Tracking-Sensor und Signalauswertung. Wird die Austrittspupille nicht nachgeführt, wird das Strahlenbündel von der Iris teilweise beschränkt und das Bild erscheint dunkler, was auch als Vignettierung bezeichnet wird. Eine Reflexion auf der Augenoberfläche wird dazu durch eine Kamera detektiert und ausgewertet oder die Position der Iris wird mit der Kamera beobachtet und vermessen.
Üblicherweise wird dazu ein zusätzlicher Emitter, bevorzugt ein IR Emitter, verwendet. Dieser rastert die "eye box" ab und eine Kamera zeichnet wellenlängensensitiv das Bild des Auges auf. Die Pupillenposition wird mittels einer Mustererkennung fest- gestellt.Alternativ rastert der zusätzliche IR Emitter die "eye box" ab und ein Fotodetektor (z.B. eine Fotodiode) detektiert zeitaufgelöst die Signale. Über die Zeitauflösung wird ein Bild zusammengesetzt, dieses Bild wird mit Hilfe von Software zur Mustererkennung analysiert und die Pupillenposition festge- stellt. Eine weitere Möglichkeit ist die Nutzung einer Kamera ohne zusätzlichen Emitter. Diese erstellt ein Bild des Auges, die Pupillenposition wird mittels einer Mustererkennung fest- gestellt. Für die letztgenannte Variante ist genügend Umge- bungslicht erforderlich.
Viele Vitalparameter (Blutsauerstoff, Puls, ...) lassen sich im Auge genauer detektieren und können mit therapiebedürftigen Ge- sundheitsrisiken (Alzheimer, Glaukom, Gehirnschlag) korreliert werden. Eine kontinuierliche Überwachung wäre wünschenswert, um Mess-Ausreißer zu eliminieren und Trends besser erkennen zu können. Veränderungen in der Reflexion und Absorption von Licht in der Netzhaut, die während der Entwicklung verschiedener Au- genkrankheiten auftreten, spielen heutzutage eine zentrale Rolle in der ophthalmologischen Diagnostik. Die spektralen In- formationen, die aus digitalen Netzhautbildern gewonnen werden, sind begrenzt, es wird nur monochromatisches oder trichromati- sches (rotes, grünes, blaues) Licht registriert, das von Netz- hautstrukturen reflektiert wird.
Die hyperspektrale Bildgebung (HSI) beispielsweise ist eine Form der spektralen Bildgebung, die für die Fernerkundung von Satel- litenbildern in der Landwirtschaft und bei der Wasserkontrolle entwickelt wurde. HSI sammelt Daten aus dem gesamten elektro- magnetischen Spektrum, indem für jedes Pixel eines Bildes ein zusammenhängendes Spektrum von Wellenlängen erfasst wird. Es wird dabei ein Bild erzeugt, das Informationen aus mehreren Wellenlängen erfasst und einen vierdimensionalen hyperspektra- len Würfel erzeugt: zwei Dimensionen für orthogonale räumliche Daten, eine dritte für Wellenlängenbänder und schließlich eine für die entsprechenden Absorptions-/Reflexionsintensitäten bei jeder Wellenlänge. Durch die Erfassung eines zusammenhängenden Spektrums bietet HSI eine höhere spektrale Auflösung im Ver- gleich zur multispektralen Bildgebung, die nur bestimmte Wel- lenlängen wie Rot, Grün und Blau erfasst. Dies ermöglicht eine präzisere Analyse, die auch subtile spektrale Unterschiede er- fassen kann. Das Ziel dieser ortsaufgelösten spektralen Bild- gebung, die zweidimensionale Bilder über einen Bereich des elektromagnetischen Spektrums liefert, besteht im Wesentlichen darin, die Identifizierung bestimmter Objekte oder Prozesse im Bild zu ermöglichen. HSI wird heute in einer Vielzahl von Be- reichen eingesetzt, darunter Lebensmittelverarbeitung, Archäo- logie und Kunsterhaltung, Kontrolle von Wasserressourcen und Forensik.
In jüngster Zeit hat sich die HSI als nützliche Bildgebungsme- thode für die nichtinvasive Krankheitsdiagnose und die bildge- stützte Chirurgie in einer Reihe von medizinischen Bereichen, einschließlich der Augenheilkunde, erwiesen. HSI wird bei- spielsweise eingesetzt, um die Sauerstoffversorgung der Netz- hautgefäße und die Gewebedurchblutung im Zusammenhang mit dia- betischer Retinopathie, retinalen Venenverschlüssen und Glaukom sowie Moleküle und Zelltypen in der Netzhaut zu analysieren, die mit altersbedingter Makuladegeneration (AMD) oder Alzheimer in Verbindung gebracht werden. Zudem können physiologische Pa- rameter wir der Sauerstoffgehalt des Blutes bestimmt werden. Tracker von Vitalparametern im Consumerbereich werden haupt- sächlich in Armbänder integriert und können kaum mehr als Blut- sauerstoff und Puls messen. Aufgrund der Messung am Handgelenk sind nur bedingt Aussagen beispielsweise zu bestimmten Herzer- krankungen möglich. Die In-Eye-Diagnostik ist für den Patienten belastend und derzeit nur im klinischen Bereich möglich. Durch die Integration der Messung von Vitalparametern im Auge erzielt man zum einen eine höhere Genauigkeit als am Handgelenk, da Blutgefäße optisch sehr viel besser zugänglich sind. Zum anderen erlaubt die Integration insbesondere in eine VR-Brille eine Dauermessung ohne Belastung des Patienten. Darüber hinaus sind in der Forschung schon Möglichkeiten aufgezeigt, weitere Krank- heiten frühzeitig durch die In-Eye-Diagnostik zu ermöglichen, beispielsweise Alzheimer oder Glaukom.
Eine Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine alternative Lösung zur Bestimmung der Pupillenposition anzugeben. Diese soll mög- lichst den konstruktiven Aufwand sowie ggf. auch den Stromver- brauch der Anordnung verringern. Eine weitere Aufgabe der Er- findung ist es, mobile Anzeigesysteme wie Artificial Reality (AR) Anzeigesysteme bereitzustellen, die zur medizinischen Di- agnose oder zur Ermittlung von Vitalparametern wie beispiels- weise der SauerstoffSättigung des Blutes zu verwenden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Dieses Problem wird durch eine optische Baugruppe nach Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen, Ausgestaltungen oder Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Das oben genannte Problem wird insbesondere gelöst durch eine optische Baugruppe ausbildend einen Strahlengang, der geeignet ist zur Projektion von Licht auf eine Retina eines Auges eines Anwenders, wobei ein von der Retina reflektiertes Licht zumin- dest teilweise über Teile des Strahlenganges zurück zu einer Anordnung zur Pupillenverfolgung geführt ist. Die Anordnung zur Pupillenverfolgung dient insbesondere zur Bestimmung einer Au- genstellung, also einem Winkel zu "Geradeausrichtung" der Au- genstellung. Das Licht der Projektion ist dabei Licht zur Dar- stellung von Information, d.h. Licht das von einem Benutzer als Bild erkannt wird.
Das Auge wirkt für die Lichtstrahlen, die die Pupille passieren, wie ein Retroreflektor. Dieser Effekt ist auch aus der Fotogra- phie als Rote-Augen-Effekt bekannt, weil der Reflexionskoeffi- zient der Retina für rotes Licht höher ist als für andere Far- ben. Licht, das auf andere Bereiche des Auges fällt, wird lam- bertsch gestreut.
Die erfindungsgemäße Lösung erlaubt eine einfache Integration in den bestehenden Strahlengang der Projektionssystems. Es wer- den keine weiteren Elemente außerhalb des Projektionssystems benötigt. Mit anderen Worten wird bei der erfindungsgemäßen Lösung ein Bild erzeugt und auf die Retina eines Benutzers geworfen. Durch den oben genannten roten Augeneffekt wird ein Teil des Lichtes entlang des Strahlengangs zurückgeworfen und für die Detektion einer Position des Auges verwendet.
Auf diese Weise ist keine zusätzliche Lichtquelle nötig, wodurch sich im Ergebnis auch der gesamte Energiebedarf verringert. Vielmehr wird das bereits für das projizierte Bild erzeugte Licht genommen und ein Teil davon zurückgestreut. Dieser rück- gestreute Teil, der zumindest entlang eines Teils des Strahlen- gangs zurückläuft wird detektiert und zur Bestimmung der Posi- tion der Pupille verwendet. Durch Auswertung einer Bildwieder- holrate des Lichts, auf das detektiert wird, kann das Sig- nal/Rausch-Verhältnis verbessert werden. Ebenso lässt sich bei- spielsweise bei farbigen Bildern, die Farben zu unterschiedli- chen Zeiten erzeugen oder auch farbsensitive und auf das zu detektierende Licht abgestimmte Detektoren benutzen. Ein ent- sprechender Detektor kann auch zu Zeiten, in denen kein Bild erzeugt wird, aktiv sein und auf diese Weise einen Dunkelstrom erfassen. Dieser kann für die spätere Kompensation des Rauschens bei der Messung für die Verbesserung des Signal/Rausch Verhält- nisses verwendet werden.
Der Strahlengang umfasst in einer Ausführungsform der Erfindung ein Mittel zur Projektion eines Bildes. Das Mittel zur Projek- tion eines Bildes umfasst in einer Ausführungsform der Erfindung einen Scanner. Der Scanner umfasst in einer Ausführungsform der Erfindung mindestens einen beweglich gelagerten Spiegel zur Einkopplung von Licht in den Strahlengang. Das optische System der Projektion sammelt das zurückgestreute Licht und bildet die Pupillenebene in der Ebene des beweglich gelagerten Spiegels scharf ab. Der Scanner ist vorzugsweise mit Licht unterschied- licher Wellenlänge beaufschlagt, wobei Licht von Leuchtdioden oder Laserdioden einschließlich kantenemittierender Laser oder auch VCSEL unterschiedlicher Wellenlänge über Halbspiegel in den Strahlengang eingekoppelt ist.
Die Mittel zur Projektion eines Bildes umfassen in einer Aus- führungsform der Erfindung einen holografischen Bildkombinierer oder eine Matrixlichtquelle oder dergleichen. Prinzipiell sind auch andere optische Konzepte zur Bildkombination verwendbar. Wesentliche Voraussetzung dabei ist, dass das vom Auge reflek- tierte Licht in das optische System zurückgeworfen wird, welches das Licht auch auf das Auge lenkt.
In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst der Strahlengang mindestens einen Lenkspiegel. Dieser ist über einen Antrieb drehbar beweglich gelagert und dient der Nachführung des auf die Retina projizierten Bildes abhängig von der Augenstellung. Der Antrieb kann dabei in einigen Aspekten elektrisch, in an- deren Aspekten piezomechanisch erfolgen. Die durch das erfin- dungsgemäße System ermittelte Augenstellung wird durch ein elektrisches Steuer- und Regelsystem in entsprechende Steuer- signale für den elektrischen Antrieb umgesetzt. In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst der Strahlengang mindestens einen halbdurchlässigen Spiegel. Der halbdurchläs- sige Spiegel soll den Strahlengang der Bilderzeugung möglichst wenig beeinflussen. Er dient dazu, das von der Pupille und dem Auge zurückgestreuten Licht auf den zusätzlichen Detektor um- zulenken. Der halbdurchlässigen Spiegel kann auf verschiedene Arten ausgebildet und angeordnet sein. In einem Aspekt erfolgt die Anordnung derart, dass Licht von dem Scanner auf den Lenk- spiegel reflektiert wird und das von dem Lenkspiegel reflek- tierte Licht durch den halbdurchlässigen Spiegel auf den holo- grafischen Bildkombinierer projiziert wird. Eine derartige An- ordnung der Baugruppen kann vorteilhaft nach Art einer Brille angeordnet werden.
Im Strahlengang zwischen dem Scanner und dem halbdurchlässigen Spiegel ist in einer Ausführungsform der Erfindung eine Lin- senanordnung angeordnet. Die Linsenanordnung umfasst in einer Ausführungsform der Erfindung eine Streulinse und/oder eine Sammellinse zur Projektion des Bilds auf das Auge des Benutzers.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Anordnung zur Pupillenverfolgung innerhalb der Linsenanordnung angeordnet und vorzugsweise zwischen der Streulinse und der Sammellinse der Linsenanordnung angeordnet.
Das Mittel zur Projektion eines Bildes ist in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ein räumlicher Lichtmodulator. Dieser kann in den Strahlengang eingefügt werden und moduliert dem durchstrahlenden Licht ein gewünschtes Bild auf. Derartige Augmented Reality Anordnungen werden auch als Maxwell-Typ be- zeichnet. Beiderseits des räumlichen Lichtmodulators sind in einer Ausführungsform der Erfindung Sammellinsen angeordnet, sodass der Lichtmodulator von parallelen Lichtstrahlen durch- strahlt wird. In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die Anordnung zur Pupillenverfolgung einen teildurchlässigen Spiegel, der von der Retina reflektiertes Licht zumindest teilweise auf einen Detektor lenken kann. Durch den teildurchlässigen Spiegel kann die Abbildung auf einen Detektor umgelenkt und dort analysiert werden. Die Anordnung ergibt einen hohen Kontrast, da nur das die Pupille passierende Licht effektiv gesammelt wird. Der Kon- trast kann durch Verwendung eines Rotfilters weiter erhöht wer- den.
Der teildurchlässige Spiegel ist in einer Ausführungsform der Erfindung an der im Gebrauch der optischen Baugruppe dem Auge abgewandten Seite des Lichtmodulators im Strahlengang vor der Sammellinse angeordnet. Dadurch sind abgesehen vom Hinzufügen der Anordnung zur Pupillenverfolgung keine Änderungen an Vor- richtungen nach Stand der Technik erforderlich.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist der teildurchlässige Spiegel im Strahlengang zwischen der Streulinse und der Sammel- linse der Linsenanordnung angeordnet. Auch bei dieser Anordnung sind abgesehen vom Hinzufügen der Anordnung zur Pupillenverfol- gung keine Änderungen an Vorrichtungen nach Stand der Technik erforderlich.
Der Detektor umfasst in einer Ausführungsform der Erfindung mindestens eine lichtempfindliche Zelle oder alternativ mehrere lichtempfindliche Zellen. Die lichtempfindlichen Zellen sind in einer Ausführungsform der Erfindung matrixartig in Reihen und Spalten angeordnet, beispielsweise in mindestens zwei Reihen und zwei Spalten. Die Funktion der Pupillennachführung ist er- findungsgemäß schon durch wenige Detektorelemente, beispiels- weise vier oder mehr Detektorelemente, realisierbar. Im ein- fachsten Fall durch einen Quadrantendetektor. Die Positionsbe- stimmung der Pupille erfolgt dann einfach durch Schwerpunktbil- dung. Eine Defokussierung hilft hier gegebenenfalls, um die Anzahl der Elemente zu reduzieren. Die erfindungsgemäße Lösung hat einen geringen Energiebedarf, sodass entsprechend kleine Leistungselektronik und Stromversorgung realisierbar ist.
In einigen Aspekten ist die Steuerungs- und Kontrollschaltung so ausgeführt, dass abhängig von dem Signal des Detektors, der Lenkspiegel so angesteuert wird, dass er das projizierte Bild der Iris in die Mitte des Detektors zieht", das Signal des Detektors also maximal wird und sich gleichmäßig auf alle vier Quadranten (im Fall eines Quadrantendetektors) verteilt. Dies erfordert eine eher einfache Algorithmik und bewirkt auch dadurch eine Verringerung des Energiebedarfs.
Die optische Baugruppe umfasst in einigen Aspekten ein Mittel zur Messung zumindest eines Teilbereichs des Spektrums des re- flektierten Lichts. Eine spektrale Analyse des zurückgestrahl- ten Lichts kann zur Beurteilung des Zustands und der Verteilung von Chromophoren wie Cytochrom C und zur Bewertung des Stoff- wechselstatus von Hämoglobin im Zusammenhang mit der Sauer- stoffversorgung der Blutgefäße der Netzhaut verwendet werden. Solche Informationen sind wertvoll für die Diagnose und Über- wachung verschiedener Augenkrankheiten, einschließlich alters- bedingter Makuladegeneration (ARMD), Glaukom und diabetischer Retinopathie. Insbesondere erlaubt eine spektrale Analyse des zurückgestrahlten Lichts einen Rückschluss auf die Sauer- stoffSättigung des Blutes.
Das Mittel zur Messung zumindest eines Teilbereichs des Spekt- rums des reflektierten Lichts umfasst in einer Ausführungsform der Erfindung einen Farbfilter, der im Strahlengang vor dem Detektor angeordnet ist. Ein Farbfilter ist ein Bandpassfilter, der einen Teilbereich des Spektrums durchlässt und den Rest sperrt. Dadurch können zeitlich variable Parameter gemessen werden, die mit dem Spektrum des rückgestrahlten Lichtes über einen begrenzten Spektralbereich korrelieren. Das Mittel zur Messung zumindest eines Teilbereichs des Spekt- rums des reflektierten Lichts umfasst in einer Ausführungsform der Erfindung ein Spektrometer, welches wiederum vorzugsweise eine spektral befilterte Fotodiode oder ein Array spektral be- filterter Fotodioden oder miniaturisierte Gitterspektrometer oder photonische Kristalle umfasst. Derartige Bauelemente sind an sich bekannt und kostengünstig herstellbar. Mittels eines Arrays spektral befilterter Fotodioden können zudem mehrere Spektralbereiche überwacht werden, die mit unterschiedlichen Vitalparametern korrelieren. Unter Vitalparametern werden hier eine Mehrzahl von einzelnen Pixeln in Zeilen und Spalten, ins- besondere physikalische Größen verstanden, die mit Größen wie Blutdruck, Herzfrequenz, SauerstoffSättigung, Glukosesättigung oder Markern für Krankheiten wie das Auftreten oder die Kon- zentration bestimmter Stoffe wie Eiweißstoffe im Blut oder an bzw. in der Retina einhergehen.
Der Strahlengang umfasst in einer Ausführungsform der Erfindung zusätzlich zu dem Mittel zur Projektion eines Bildes mindestens eine weitere Lichtquelle. Dies ermöglicht es, bestimmte Wellen- längen zusätzlich zu dem auf die Retina eingekoppelten Licht in den Strahlengang einzukoppeln und dessen reflektiertes Spektrum zu messen.
Die weitere Lichtquelle ist in einer Ausführungsform der Erfin- dung zur Erzeugung von monochromatischem Licht eingerichtet. Dadurch kann Licht geeigneter Wellenlänge zur gezielten Anre- gung spezifischer Moleküle verwendet werden und deren Remission spektral analysiert werden mittels Raman-, Fluoreszenz- oder Reflexionspektroskopie. Das Vorliegen oder die Konzentration dieser Moleküle korreliert mit Vitalparametern des Benutzers.
In einer Ausführungsform der Erfindung sind mehrere weitere Lichtquellen zur Erzeugung von monochromatischem Licht in dem Strahlengang angeordnet, sodass Licht geeigneter Wellenlänge zur gezielten Anregung unterschiedlicher spezifischer Moleküle in den Strahlengang eingekoppelt werden kann.
Der bestehende optische Pfad bei AR Systemen ist gut geeignet das von Augenhintergrund reflektierte Licht zu sammeln und auf den Detektor abzubilden. Es sind also, abgesehen von dem teil- durchlässigen Spiegel und dem Spektralsensor, keine zusätzli- chen optischen Elemente zu einem Standard-In-Eye-Projektor nö- tig. Die Integration des Sensors in einen Alltagsgegenstand ist für den Patienten kaum belastend und erlaubt Trendanalysen im Gegensatz zu heutigen Momentaufnahmen. Die Messung im Auge er- laubt einen direkteren Zugang als bei der optischen Messung an Blutgefäßen und damit eine höhere Genauigkeit als z.B. am Hand- gelenk oder der Fingerkuppe. Die Messung im Auge korreliert mit Erkrankungen im Kopfbereich des Patienten, die bei Messungen am Handgelenk nur ungenügend möglich sind.
Mit einer höheren Detektorauflösung kann auch der Pupillen- durchmesser gemessen werden. Dies kann als Maß für die Dun- keladaption des Auges dienen. Die Helligkeit der Projektion kann dann daran angepasst werden. Diese Information kann auch für Vital-Sign-Monitoring benutzt werden. Ist der User beispiels- weise unter Drogeneinfluss und daher nicht fahrtauglich, kann diese Information bei Kopplung beispielsweise mit einem Fahr- zeug für eine Wegfahrsperre verwendet werden.
Mit einer noch höheren Auflösung kann ein Versatz der Pupillen- ebene zur Austrittspupille der Projektionsoptik der optischen Baugruppe ermittelt werden. Diese äußert sich in einer unschar- fen Abbildung der Pupille auf dem Detektor.
Das eingangs genannte Problem wird auch gelöst durch die Ver- wendung einer erfindungsgemäßen optischen Baugruppe zur Messung von Vitalparametern eines Benutzers der optischen Baugruppe. In einer Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Messung von Vitalparametern eines Benutzers der optischen Baugruppe über der Zeit. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung er- folgt die Messung von räumlich aufgelösten Vitalparametern ei- nes Benutzers der optischen Baugruppe über der Zeit. Dadurch kann eine zeitlich und/oder räumlich aufgelöste Zeitreihe des oder der Vitalparameter für ein Auge erstellt werden. Die zeit- liche und/oder räumliche Entwicklung des Vitalparameters wird sodann mit Blutwerten wie der SauerstoffSättigung oder dem Vor- liegen bestimmter Erkrankungen korreliert. In einer Ausfüh- rungsform der Erfindung ist der Vitalparameter dabei eine Sau- erstoffSättigung des Blutes.
Das eingangs genannte Problem wird auch gelöst durch Verfahren zur Messung von Vitalfuntionen und/oder zur Früherkennung von therapiebedürftigen Gesundheitsrisiken unter Verwendung einer erfindungsgemäßen optischen Baugruppe, wobei ein Spektrum eines von der Retina rückgestrahlten Lichts gemessen wird.
In einer Ausführungsform der Erfindung wird das Spektrum des von der Retina rückgestrahlten Lichts über der Zeit gemessen.
Ein rückgestrahltes Spektrum einer monochromatischen Licht- quelle wird einer Ausführungsform der Erfindung gemessen.
Das rückgestrahlte Spektrum wird in einer Ausführungsform der Erfindung jeweils einzelnen Punkten auf der Retina zugeordnet, wobei die Zuordnung zu einzelnen Punkten auf der Retina aufgrund der Stellung des beweglich gelagerten Spiegels zur Einkopplung von Licht in den Strahlengang und/oder der Stellung des Lenk- spiegels erfolgt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG Weitere Aspekte und Ausführungsformen nach dem vorgeschlagenen Prinzip werden sich in Bezug auf die verschiedenen Ausführungs- formen und Beispiele offenbaren, die in Verbindung mit den be- gleitenden Zeichnungen ausführlich beschrieben werden. Dabei zeigen:
Figur 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer optischen Bau- gruppe nach dem vorgeschlagenen Prinzip im Zusammenwirken mit einem menschlichen Auge eines Benutzers in einer Prinzipskizze;
Figur 2 eine Prinzipdarstellung eines optischen Scanners in Figur 1;
Figur 3 die Anordnung zur Pupillenverfolgung in Figur 1;
Figur 4 eine Skizze zur Abbildung der Pupille über den rote- Augen-Effekt auf den Detektor;
Figur 5 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemä- ßen optischen Baugruppe im Zusammenwirken mit einem menschli- chen Auge eines Benutzers in einer Prinzipskizze;
Figur 6 ein zweites Ausführungsbeispiel der Anordnung zur Pu- pillenverfolgung in Figur 1;
Figur 7 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Anordnung zur Pupillenverfolgung in Figur 1;
Figur 8 eine Prinzipdarstellung eines weiteren Ausführungs- beispiels eines optischen Scanners.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die folgenden Ausführungsformen und Beispiele zeigen verschie- dene Aspekte und ihre Kombinationen nach dem vorgeschlagenen Prinzip. Die Ausführungsformen und Beispiele sind nicht immer maßstabsgetreu. Ebenso können verschiedene Elemente vergrößert oder verkleinert dargestellt werden, um einzelne Aspekte her- vorzuheben. Es versteht sich von selbst, dass die einzelnen Aspekte und Merkmale der in den Abbildungen gezeigten Ausfüh- rungsformen und Beispiele ohne weiteres miteinander kombiniert werden können, ohne dass dadurch das erfindungsgemäße Prinzip beeinträchtigt wird. Einige Aspekte weisen eine regelmäßige Struktur oder Form auf. Es ist zu beachten, dass in der Praxis geringfügige Abweichungen von der idealen Form auftreten kön- nen, ohne jedoch der erfinderischen Idee zu widersprechen.
Außerdem sind die einzelnen Figuren, Merkmale und Aspekte nicht unbedingt in der richtigen Größe dargestellt, und auch die Pro- portionen zwischen den einzelnen Elementen müssen nicht grund- sätzlich richtig sein. Einige Aspekte und Merkmale werden her- vorgehoben, indem sie vergrößert dargestellt werden. Begriffe wie "oben", "oberhalb", "unten", "unterhalb", "größer", "klei- ner" und dergleichen werden jedoch in Bezug auf die Elemente in den Figuren korrekt dargestellt. So ist es möglich, solche Be- ziehungen zwischen den Elementen anhand der Abbildungen abzu- leiten. Jedoch ist das vorgeschlagene Prinzip nicht hierauf beschränkt, sondern es können verschiedene optoelektronische Bauelemente, mit unterschiedlicher Größe und auch Funktionali- tät bei der Erfindung eingesetzt werden. In den Ausführungsfor- men sind wirkungsgleiche oder wirkungsähnliche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen ausgeführt.
Figur 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungs- gemäßen optischen Baugruppe 1 im Zusammenwirken mit einem menschlichen Auge 2 in einer Prinzipskizze. Die optische Bau- gruppe 1 um fast einen optischen Scanner 3, der über in einem Strahlengang nachgeordnete optische Elemente ein Bild auf eine Retina 4 des menschlichen Auges 2 projizieren kann. Im Strah- lengang ist eine Linsenanordnung 5 angeordnet, die es von dem Scanner als Punktlichtquelle ausgesandte divergente Lichtbündel sammelt und über einen halbdurchlässigen Spiegel 6 auf einen Lenkspiegel 7 abbildet. Das Licht des Lenkspiegels 7 wird auf einen holographischen Bildkombinierer 8 projiziert. Das durch den Scanner 3 erzeugte Bild wird zusammen mit einem Bild der Umgebung über die Linse 9 des Auges 2 auf die Retina 4 abgebil- det.
Figur 2 zeigt eine Prinzipdarstellung des optischen Scanners 3. Dieser umfasst farbige Leuchtdioden oder Laserdioden oder sons- tige Laser, nämlich insbesondere eine rote Leuchtdiode 31, eine grüne Leuchtdiode 32 und eine blaue Leuchtdiode 33 für die drei Grundfarben Rot, Grün und Blau. Der Begriff Leuchtdiode umfasst dabei auch Laserdioden und soll hier auch sonstige Laser umfas- sen. Deren Licht wird jeweils über Strahlformungslinsen 34, 35,36, von denen in Figur 2 nur die im Strahlengang der blauen Leuchtdiode 33 angeordneten Linsen mit einem Bezugszeichen ver- sehen sind, und über dichroitische Spiegel 37,38 und 39, einen Umlenkspiegel 40 und einen in zwei Richtungen beweglichen Scan- spiegel 41 auf die im Strahlengang nachgeordneten Elemente ge- geben. Der Scanspiegel 41 als Scankopf wird über elektrische Antriebsmittel wie beispielsweise Elektromotoren oder derglei- chen und eine Treiber- sowie eine Steuerelektronik angesteuert. Weder die dazu notwendige Leistungselektronik noch die Steuer- elektronik noch Daten Übertragungsmittel oder eine Stromversor- gung werden hier näher erläutert, da es auf die Ausführung des Scanners 3 hier nicht ankommt und derartige Scanner im Stand der Technik an sich bekannt sind.
Die Linsenanordnung 5 umfasst Linsen und Filter zur Strahlfor- mung, im gezeigten Ausführungsbeispiel sind dies eine Streulinse 51 sowie eine Sammellinse 52 zur Formung eines parallelen Licht- bündels. Zur Abschwächung und zum Farbausgleich des Laserstrahls können entsprechende Filter 53, 54 im Strahlengang angeordnet sein.
Der Lenkspiegel 7 ist um zwei Achsen schwenkbar gelagerte, so dass das durch den Scanner 3 generierte Bild abhängig von der Augenposition auf die Retina 4 ein gespiegelt werden kann. Mit- hilfe des Lenkspiegels 7 kann also ein Drehen des Auges 4 sei- tens des Benutzers ausgeglichen werden. Dazu ist der Spiegel 7 um eine Achse senkrecht zur Zeichenebene sowie um eine Achse parallel zur Zeichenebene entlang der Spiegeloberfläche schwenkbar gelagert. Das nach Ablenkung durch den Lenkspiegel 7 weiterhin parallele Strahlenbündel wird sodann durch den Spie- gel 6 auf den holographischen Bildkombinierer 8 projiziert.
Der holografische Bildkombinierer 8 enthält ein holografisches optisches Element (Holographie Optical Element, HOE), das so konfiguriert ist, dass externes Licht 10 durch das HOE durch- gelassen, auf einen Brennpunkt 11 fokussiert und so ein Bild umfassend eine Vielzahl von Bildpunkten auf die Retina 4 pro- jiziert wird, während es Licht 12 von dem Lenkspiegel 7, das durch den halbdurchlässigen Spiegel 6 auf den holografische Bildkombinierer 8 fällt, reflektiert und ebenfalls auf einen Brennpunkt 11 fokussiert und ein durch den Laserscanner 3 er- zeugtes Bild auf die Retina 4 projiziert. Der Benutzer sieht dadurch gleichzeitig die äußere Umgebung und das von dem La- serscanner 3 als Bildquelle gelieferte Bild. Der holografische Bildkombinierer 8 fungiert daher als Multiplexer für das von dem Laserscanner 3 emittierte Licht 12 und das externe Licht 10 aus der äußeren Umgebung.
Für den holografische Bildkombinierer 8 werden holografische optische Elemente verwendet, um einen transparenten holografi- schen Bildkombinierer bereitzustellen. Ein holografisches op- tisches Elemente ist meist ein dünner, transparenter Film, der das Licht ablenken kann. Im gezeigten Ausführungsbeispiel wir- ken die holografischen optischen Elemente als Parabolspiegel, der nur auf Licht eines bestimmten Einfallswinkels und einer bestimmten Wellenlänge als Spiegel wirkt. Ansonsten ist er op- tisch transparent. Der holografische Bildkombinierer 8 ist in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in der Form eines Bril- lenglases ausgeführt und umfasst einen Fotopolymerfilm, der vollständig vom einem Linsenmaterial umschlossen ist. Die Fo- topolymerfolie ist so nahe wie möglich an der dem Auge 2 zuge- wandten Oberfläche des Linsenmaterials positioniert. Laserlicht 12 kann auf diese Oberfläche des Linsenmaterials auftreffen und durch das Linsenmaterial hindurchtreten, um auf die Fotopoly- merfolie aufzutreffen. Ein oder mehrere Hologramme in der Fo- topolymerfolie spiegeln das Laserlicht 12 zum Auge 2 des Benut- zers. Entlang dieses optischen Weges wird das Laserlicht gebro- chen, wenn es in das Linsenmaterial eintritt, durch das Linsen- material wandert, von der Fotopolymerfolie reflektiert und ge- beugt wird, durch das Linsenmaterial wandert und dann erneut gebrochen wird, wenn es das Linsenmaterial verlässt. Darüber hinaus kann am Punkt der Auskopplung aus dem Linsenmaterial zumindest ein Teil des projizierten Anzeigelichts nach innen in Richtung der Fotopolymerfolie zurückreflektiert werden, von wo aus dieser Teil des projizierten Anzeigelichts wieder in Rich- tung des Auges des Benutzers umgelenkt werden kann und uner- wünschterweise einen Replikations- oder "Geistereffekt" im pro- jizierten Anzeigeinhalt erzeugt. Die Positionierung der Foto- polymerfolie außerhalb der Mitte und in der Nähe dem Auge zu- gewandten Oberfläche der Linse kann solche Geistereffekte vor- teilhaft reduzieren.
Mit dem Lenkspiegel 7 wird die Austrittspupille des Systems an die Pupillenposition nachgeführt und angepasst, wobei die Po- sition der Pupille von einer Anordnung zur Pupillenverfolgung 13 in Echtzeit erfasst wird. Im Strahlengang ist dazu wie in Figur 3 gezeigt zwischen der Streulinse 51 und der Sammellinse 52 ein teildurchlässiger Spiegel 14 angeordnet, der einen Teil des von der Retina 4 rückgestreuten Lichts auf einen Detektor 15 abbildet.
Das Auge 2 wirkt für die Laserstrahlen, die die Pupille 9 pas- sieren, wie ein Retroreflektor. Dieser Effekt ist auch aus der Fotographie als Rote-Augen-Effekt bekannt, weil der Reflexions- koeffizient der Retina 4 für rotes Licht höher ist als für andere Farben. Licht, das auf andere Bereiche des Auges 2 fällt wird lambertsch gestreut. Das optische System der Projektion (8, 7, 6, 54, 53, 52, 51) sammelt nun das zurückgestreute Licht und bildet die Pupillenebene in der Ebene des Scanspiegels 41 scharf ab. Durch den teildurchlässigen Spiegel 14 wird die Ab- bildung auf den Detektor 15 umgelenkt und kann dort analysiert werden. Die Abbildung weist einen hohen Kontrast auf, da nur das die Pupille passierende Licht effektiv gesammelt wird. Der Kontrast kann durch Verwendung eines Rotfilters beispielsweise direkt vor dem Detektor 15 weiter erhöht werden.
Der Detektor 15 umfasst mehrere lichtempfindliche Zellen 16, beispielsweise und insbesondere FotodiodenFotodioden, die in Form einer Matrix angeordnet sind. In Figur 4 dargestellt ist eine 4 x 4 Matrix von lichtempfindlichen Zellen 16. Hier reicht aber auch eine 2x2 oder 3x3 Matrix. Die Fotodioden sind insbe- sondere so eingerichtet, dass diese einen Teilbereich des Spekt- rums des rückgestrahlten Lichts messen können, wie anhand nach- folgender Ausführungsbeispiele erläutert wird.
Wie in Figur 4 skizziert, wird die Pupille über den zuvor dar- gestellten rote-Augen-Effekt als kreisförmige Fläche 17 auf den Detektor 15 abgebildet. Durch den optischen Pfad („rückwärts") durch die erfindungsgemäße optische Baugruppe 1 wird der Kreis scharf fokussiert abgebildet. Dadurch werden einzelne lichtemp- findliche Zellen 16 unterschiedlich stark beleuchtet. Im Bei- spiel der Figur 4 wird die lichtempfindliche Zelle 16 an der Matrixposition 3-2 nahezu vollständig beleuchtet, die lichtemp- findlichen Zellen 16 an den Matrixpositionen 2-1 und 3-2 nur sehr gering, was durch die Überdeckung des Kreises 17 über die lichtempfindlichen Zellen 16 repräsentiert wird. Entsprechend kann mit statistischen Verfahren die Position des Kreises 17, der die Pupille des Auges 2 repräsentiert, auf dem Detektor 15 ermittelt werden. Figur 5 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel einer erfin- dungsgemäßen optischen Baugruppe 1 im Zusammenwirken mit einem menschlichen Auge 2 in einer Prinzipskizze. Die optische Bau- gruppe 1 ist hier vom Maxwell-Typ. Dieser umfasst einen räum- lichen Lichtmodulator 18, an dem beiderseits Sammellinsen 19, 20 angeordnet sind. Der räumlichen Lichtmodulator 18 wird auch als Spatial Light Modulator SLM bezeichnet und umfasst z. B. eine Flüssigkristallanzeige LCD und organische Leuchtdioden (OLED).
Bei der optischen Baugruppe 1 vom Maxwell-Typ werden dünne pa- rallele Strahlen, die von einem Bildpunkt 21 ausgesandt werden, von dem räumlichen Lichtmodulator 18 moduliert und durch das Linsensystem umfassend die beiderseits des Lichtmodulators 19 angeordneten Sammellinsen 19, 20 in der Mitte der Pupille zu- sammengeführt und direkt auf die Netzhaut 4 projiziert. Jedes Pixel des Lichtmodulators 18, das an einer beliebigen Stelle hinter dem Lichtmodulator 18 ein klares Bild erzeugt, stimuliert einen bestimmten, eindeutigen Punkt auf der Netzhaut. Auf diese Weise wird ein vom Lichtmodulator 18 moduliertes Bildmuster auf die Netzhaut projiziert. Das Bildmuster kann bei dem Maxwell- Typ ohne Augenakkommodation beobachtet werden, da alle Strahlen durch das Zentrum der Linse der Pupille 9 gehen. Daher unter- stützt die Anordnung eine extrem lange Brennweite.
An der im Gebrauch dem Auge 2 abgewandten Seite des Lichtmodu- lators 18 ist im Strahlengang vor der Sammellinse 20 eine An- ordnung 13 zur Pupillenverfolgung, die wie beim vorherigen Aus- führungsbeispiel aufgebaut ist, angeordnet.
Die Figuren 6 und 7 zeigen weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung. Die Darstellungen entsprechen weitgehend der der Fi- gur 3, daher wird auf identische Teile und Baugruppen nicht erneut eingegangen. Bei beiden Ausführungsbeispielen wird das zurückgestreute Licht spektral analysiert. Dazu ist im Strah- lengang nach dem teildurchlässigen Spiegel 14 entweder wie in Figur 6 gezeigt statt des Detektors 15 ein Spektrometer 60 angeordnet, oder vor dem Detektor 15 wird wie in Figur 7 gezeigt ein Spektral- oder Farbfilter 61 angeordnet. Der Farbfilter 61 kann insbesondere Licht im roten Farbbereich durchlassen, da das durch die Retina rückgestreute Licht insbesondere rote Farb- anteile aufweist. Alternativ oder zusätzlich können auch andere Spektralbereiche durchgelassen werden, dies abhängig von dem zu messenden Vitalparameter und dem damit korrelierenden rückge- streuten Licht. Der Farbfilter 61 kann als Bandpassfilter, der Wellenlängen innerhalb eines bestimmten Bereichs durchlässt und Wellenlängen außerhalb dieses Bereichs abschwächt (z. B. Flüs- sigkristallfilter), ausgeführt sein.
Ein geeignetes Spektrometer ist z.B. eine spektral befilterte Fotodiode oder ein Array spektral befilterter Fotodioden oder ein miniaturisiertes Gitterspektrometer oder ein Fabry-Perot- Spektrometer. Diese wird bzw. werden zeitlich aufgelöst ausge- lesen. Das Spektrometersignal wird benutzt, um einen zeitlich variablen Parameter zu messen, der mit dem Spektrum des rück- gestrahlten Lichtes oder beispielsweise einer spektralen Leis- tungsdichte über einen begrenzten Spektralbereich korreliert.
Zusammen mit der Position des Scanspiegels 41 kann so ein sowohl örtlich als auch spektral aufgelöstes Bild der Retina erzeugt werden.
Zusätzlich zu den vorhandenen Laserquellen wie in Figur 2 für die Bilderzeugung gezeigt können weitere Laser 70 mit geeigneter Wellenlänge zur gezielten Anregung spezifischer Moleküle ver- wendet werden und deren Remission spektral analysiert werden mittels Raman-, Fluoreszenz- oder Reflexionspektroskopie. Bei der Raman-Spektroskopie wird die zu untersuchende Materie mit monochromatischem Licht bestrahlt. Im Spektrum des an der Probe gestreuten Lichts werden neben der eingestrahlten Frequenz noch weitere Frequenzen beobachtet. Aus dem erhaltenen Spektrum las- sen sich Rückschlüsse auf die untersuchte Substanz ziehen. Die Fluoreszenzspektroskopie nutzt Fluoreszenz-Phänomene zur qua- litativen und quantitativen Analyse von Substanzen. Bei der Reflexionsspektroskopie wird die Abhängigkeit des Reflexions- grads eines Materials von der Wellenlänge des eingestrahlten Lichts gemessen. Dazu wird wie in Figur 8 gezeigt eine weitere Diode oder Laserdiode 70 mit entsprechenden Strahlformungslin- sen 34, 35, 36 in dem Scanner 3 angeordnet. In weiteren Ausfüh- rungsbeispielen sind zusätzlich weitere Laserdioden 70 mit ent- sprechenden Strahlformungslinsen 34, 35, 36 in dem Scanner 3 angeordnet. Die Laserdiode 70 ermöglicht es ein von dem auf die Retina zu projizierenden Bild unabhängiges Lichtsignal in den Strahlengang einzukoppeln. Insbesondere kann dies auch IR oder UV-Licht bestimmter mit einem zeitlich variablen Parameter kor- relierender Wellenlänge sein.
Zur Bestimmung von Vitalparametern eines Nutzers der optischen Baugruppe 1 wird das Spektrum des von der Retina 4 reflektierten Lichtes über der Zeit gemessen, es wird also die Intensität und/oder die Frequenz des rückgestrahlten Lichts über der Zeit gemessen.
Als einfachste Umsetzung kann die mit einer Vorrichtung nach Figur 1 gemessene Intensität des rückgestrahlten Lichts über der Zeit gemessen werden. Davon ausgehend, dass das Spektrum des auf die Retina projizierten Lichts über der Zeit in etwa konstant ist, beruht eine Änderung der Intensität des rückge- strahlten Lichts auf der Änderung eines Vitalparameters wie beispielsweise der Sauerstoffsättigung.
Bei Verwendung einer Vorrichtung nach Figur 6 oder 7 oder einer weiteren Laserdiode 70 in der Lichtquelle wie in Figur 8 kann das rückgestrahlte Licht sowohl räumlich, d. h. über der gesam- ten Netzhaut, als auch zeitlich bezüglich eines definierten Spektralbereichs ausgewertet werden. Bei Verwendung einer wei- teren Laserdiode 70, wie im Ausführungsbeispiel der Figur 8 ist zudem die Wellenlänge und Intensität des durch die weitere La- serdiode 70 auf die Retina projizierte Licht bekannt, sodass direkt Absorptions-/Reflexionsintensitäten bei dieser Wellen- länge bestimmt werden können.
Bei dem Verfahren wird mittels des Scanners 3 und des Lenkspie- gels 7 sowie der weiteren im Strahlengang angeordneten Bauteile ein Bild auf der Retina projiziert, wobei das Bild zeilenweise in Form von einzelnen Pixeln erzeugt wird. Zugleich wird das rückgestrahlte Licht evtl. über den Farbfilter 61 auf den De- tektor 15 oder das Spektrometer 60 projiziert. Dabei wird das Spektrum über einen breiten Bereich oder die Intensität in einem kleinen Spektralbereich bzw. einer bestimmten Wellenlänge ge- messen. Dabei entsteht eine Zeitreihe von Reflexionsintensitä- ten, die zeitlich und räumlich einzelnen Punkten der Retina zugeordnet sind.
Verschiedene Optische Baugruppen nach dem vorgeschlagenen Prin- zip, sowie Verwendungen einer solchen sind in den folgenden Gegenständen angegeben:
1. Optische Baugruppe (1) ausbildend einen Strahlengang, der geeignet ist zur Projektion von Licht auf eine Retina (4) eines Auges (2) eines Anwenders, dadurch gekennzeichnet, dass von der Retina (4) reflek- tiertes Licht zumindest teilweise über Teile des Strah- lenganges zurück zu einer Anordnung zur Pupillenverfol- gung (13) geführt ist.
2. Optische Baugruppe nach Gegenstand 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlengang ein Mittel (3, 8, 18) zur Projektion eines Bildes umfasst.
3. Optische Baugruppe nach Gegenstand 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zur Projektion eines Bildes einen Scanner (3) umfasst. 4. Optische Baugruppe nach Gegenstand 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Scanner (3) mindestens einen beweglich gelagerten Spiegel (41) zur Einkopplung von Licht in den Strahlengang umfasst. 5. Optische Baugruppe nach Gegenstand 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Scanner (3) mit Licht unterschiedlicher Wellenlänge beaufschlagt ist. 6. Optische Baugruppe nach Gegenstand 5, dadurch gekennzeichnet, dass Licht von Leuchtdioden (31, 32, 33) oder Lasern unterschiedlicher Wellenlänge über Halbspiegel in den Strahlengang eingekoppelt sind. 7. Optische Baugruppe nach einem der vorhergehenden Gegen- stände, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zur Projektion eines Bildes einen holografischen Bildkombinierer (8) um- fasst. 8. Optische Baugruppe nach einem der vorhergehenden Gegen- stände, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlengang mindestens einen Lenkspiegel (7) umfasst. 9. Optische Baugruppe nach einem der vorhergehenden Gegen- stände, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlengang mindestens einen halbdurchlässigen Spiegel (6) umfasst, der so an- geordnet ist, dass Licht von dem Scanner (3) auf den Lenkspiegel (7) reflektiert wird und das von dem Lenk- spiegel (7) reflektierte Licht durch den halbdurchlässi- ger Spiegel (6) auf den holografischen Bildkombinierer (8) projiziert wird. 10. Optische Baugruppe nach Gegenstand 9, dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang zwischen dem Scanner (3) und dem halbdurchlässigen Spiegel (6) eine Linsenanordnung (5) angeordnet ist. 11. Optische Baugruppe nach Gegenstand 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Linsenanordnung (5) eine Streulinse (51) umfasst. 12. Optische Baugruppe nach Gegenstand 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Linsenanordnung (5) eine Sammellinse (52) umfasst. 13. Optische Baugruppe nach einem der Gegenstände 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung (13) zur Pu- pillenverfolgung (13) innerhalb der Linsenanordnung (5) angeordnet ist. 14. Optische Baugruppe nach Gegenstand 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung (13) zur Pu- pillenverfolgung (13) zwischen der Streulinse (51) und der Sammellinse (52) der Linsenanordnung (5) angeordnet ist. 15. Optische Baugruppe nach Gegenstand 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zur Projektion eines Bildes einen räumlicher Lichtmodulator (18) um- fasst. 16. Optische Baugruppe nach Gegenstand 15, dadurch gekennzeichnet, dass beiderseits des räumlichen Lichtmodulators (18) Sammellinsen (19, 20) angeordnet sind. 17. Optische Baugruppe nach einem der vorhergehenden Gegen- stände, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung (13) zur Pu- pillenverfolgung einen teildurchlässigen Spiegel (14) um- fasst, der von der Retina reflektiertes Licht zumindest teilweise auf einen Detektor (15) lenken kann. 18. Optische Baugruppe nach Gegenstand 17 rückbezogen auf einen der Gegenstände 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass der teildurchlässige Spiegel (14) an der im Gebrauch der optischen Baugruppe dem Auge 2 abgewandten Seite des Lichtmodulators 18 im Strahlen- gang vor der Sammellinse 20 angeordnet ist. 19. Optische Baugruppe nach Gegenstand 17 rückbezogen auf einen der Gegenstände 3 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der teildurchlässige Spiegel (14) im Strahlengang zwischen der Streulinse (51) und der Sammellinse (52) der Linsenanordnung (5) angeordnet ist. 20. Optische Baugruppe nach einem der vorhergehenden Gegen- stände, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor (15) mindestens eine lichtempfindliche Zelle (16) umfasst. 21. Optische Baugruppe nach Gegenstand 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor (15) mehrere lichtempfindliche Zellen (16) umfasst. 22. Optische Baugruppe nach Gegenstand 21, dadurch gekennzeichnet, dass die lichtempfindlichen Zel- len (16) matrixartig in Reihen und Spalten angeordnet sind.
23. Optische Baugruppe nach Gegenstand 22, dadurch gekennzeichnet, dass die lichtempfindlichen Zel- len (16) matrixartig in mindestens zwei Reihen und zwei Spalten angeordnet sind.
24. Optische Baugruppe nach einem der vorhergehenden Gegen- stände, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem teil- durchlässigen Spiegel (14) und dem Detektor (15) ein Rot- filter angeordnet ist.
25. Optische Baugruppe nach einem der Gegenstände 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass diese ein Mittel zur Messung zumindest eines Teilbereichs des Spektrums des reflek- tierten Lichts umfasst.
26. Optische Baugruppe nach einem der Gegenstände 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zur Messung zu- mindest eines Teilbereichs des Spektrums des reflektier- ten Lichts einen Farbfilter umfasst, der im Strahlengang vor dem Detektor (15) angeordnet ist.
27. Optische Baugruppe nach einem der Gegenstände 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zur Messung zu- mindest eines Teilbereichs des Spektrums des reflektier- ten Lichts ein Spektrometer (60) umfasst.
28. Optische Baugruppe nach Gegenstand 27, dadurch gekennzeichnet, dass das Spektrometer (60) eine spektral befilterte Fotodiode umfasst.
29. Optische Baugruppe nach Gegenstand 27, dadurch gekennzeichnet, dass das Spektrometer (60) ein Array spektral betü terter Fotodioden umfasst. 30. Optische Baugruppe nach Gegenstand 27, dadurch gekennzeichnet, dass das Spektrometer (60) ein miniaturisiertes Gitterspektrometer umfasst. 31. Optische Baugruppe nach Gegenstand 27, dadurch gekennzeichnet, dass das Spektrometer (60) pho- tonische Kristalle umfasst. 32. Optische Baugruppe nach einem der Gegenstände 2 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlengang zusätzlich zu dem Mittel (3, 8, 18) zur Projektion eines Bildes mindestens eine weitere Lichtquelle (70) umfasst. 33. Optische Baugruppe nach Gegenstand 32, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Lichtquelle (70) zur Erzeugung von monochromatischem Licht eingerichtet ist. 34. Optische Baugruppe nach Gegenstand 32 oder 33, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere weitere Lichtquellen (70) zur Erzeugung von monochromatischem Licht in dem Strahlengang angeordnet sind. 35. Verwendung einer optischen Baugruppe nach einem der Ge- genstände 1 bis 34 zur Messung des Pupillendurchmessers eines Auges. 36. Verwendung einer optischen Baugruppe nach einem der Ge- genstände 1 bis 34 zur Messung eines Versatzes einer Pupillenebene zur Austrittspupille der optischen Bau- gruppe (1). 37. Verwendung einer optischen Baugruppe nach einem der Ge- genstände 1 bis 34 zur Messung von Vitalparametern eines Benutzers der optischen Baugruppe (1).
38. Verwendung einer optischen Baugruppe nach einem der Ge- genstände 1 bis 34 zur Messung von Vitalparametern eines Benutzers der optischen Baugruppe (1) über der Zeit.
39. Verwendung einer optischen Baugruppe nach einem der Ge- genstände 1 bis 34 zur Messung von räumlich aufgelösten Vitalparametern eines Benutzers der optischen Baugruppe (1) über der Zeit.
40. Verwendung einer optischen Baugruppe nach Gegenstand 37, wobei der Vitalparameter eine SauerstoffSättigung des Blutes ist.
41. Verfahren zur Messung von Vitalfunktionen und/oder zur Früherkennung von therapiebedürftigen Gesundheitsrisiken unter Verwendung einer optischen Baugruppe nach einem der Gegenstände 1 bis 32, wobei ein Spektrum eines von der Retina (4) rückgestrahlten Lichts gemessen wird.
42 Verfahren nach Gegenstand 41, dadurch gekennzeichnet, dass das Spektrum des von der Retina (4) rückgestrahlten Lichts über der Zeit gemessen wird.
43. Verfahren nach Gegenstand 41 oder 42, dadurch gekenn- zeichnet, dass ein rückgestrahltes Spektrum einer mono- chromatischen Lichtquelle (7) gemessen wird.
44. Verfahren nach einem der Gegenstände 41 bis 43, dadurch gekennzeichnet, dass das rückgestrahlte Spektrum jeweils einzelnen Punkten auf der Retina (4) zugeordnet wird. 45. Verfahren nach Gegenstand 44, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuordnung zu einzelnen Punkten auf der Retina aufgrund der Stellung des beweglich gelagerten
Spiegels (41) zur Einkopplung von Licht in den Strahlen- gang und/oder der Stellung des Lenkspiegels (7) erfolgt.
BEZUGSZEICHENLISTE
1 optische Baugruppe
2 Auge
3 Scanner
4 Retina
5 Linsenanordnung
6 halbdurchlässiger Spiegel
7 Lenkspiegel
8 holographischer Bildkombinierer
9 Pupille
10 externes Licht
11 Brennpunkt
12 Licht
13 Anordnung zur Pupillenverfolgung
14 teildurchlässiger Spiegel
15 Detektor
16 lichtempfindliche Zelle
17 Kreis
18 räumlicher Lichtmodulator (SLM)
19, 20 Sammellinsen
21 Bildpunkt
31, 32, 33 Leuchtdioden
34, 35, 36 Strahlformungslinsen
37, 38, 39 dichromatische Spiegel
40 Umlenkspiegel
41 Scanspiegel
51 Streulinse
52 Sammellinse
53, 54 Filter
60 Spektrometer
61 Farbfilter
70 weitere Leuchtdiode

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Optische Baugruppe (1) ausbildend einen Strahlengang, der geeignet ist zur Projektion eines durch ein Leuchtmittel zur Darstellung eines Bildes erzeugten sichtbaren Lichts auf eine Retina (4) eines Auges (2) eines Anwenders, dadurch gekennzeichnet, dass von der Retina (4) reflek- tiertes Licht aus diesem sichtbaren Licht zumindest teil- weise über Teile des Strahlenganges zurück zu einer An- ordnung zur Messung zumindest eines Teilbereichs des Spektrums des reflektierten Lichts geführt ist.
2. Optische Baugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zur Messung zu- mindest eines Teilbereichs des Spektrums des reflektier- ten Lichts einen Farbfilter umfasst, der im Strahlengang vor dem Detektor (15) angeordnet ist.
3. Optische Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zur Messung zu- mindest eines Teilbereichs des Spektrums des reflektier- ten Lichts ein Spektrometer (60) umfasst.
4. Optische Baugruppe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Spektrometer (60) eine spektral befilterte Fotodiode; und/oder ein miniaturisiertes Gitterspektrometer; und/oder wenigstens einen photonische Kristall; und/oder mindestens einen beweglich gelagerten Spiegel (41) zur Einkopplung von dem sichtbaren Licht in den Strahlengang umfasst.
5. Optische Baugruppe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Spektrometer (60) mit Licht unterschiedlicher Wellenlänge beaufschlagt ist; oder dass das Leuchtmittel zur Erzeugung von sichtbarem Licht unterschiedlicher Wellenlänge ausgeführt ist.
6. Optische Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprü- che, dadurch gekennzeichnet, dass das Leuchtmittel Leuchtdioden und/oder Laserdioden aufweist, so Licht die- ser Leuchtdioden und/oder Laserdioden (31, 32, 33) un- terschiedlicher Wellenlänge über Halbspiegel in den Strahlengang eingekoppelt sind.
7. Optische Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprü- che, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlengang zusätzlich zu einem Mittel (3, 8, 18) zur Projektion eines Bildes mindestens eine weitere Lichtquelle (70), insbesondere mehrere weitere Lichtquellen zur Erzeugung von monochro- matischem Licht in dem Strahlengang umfasst; und/oder dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang mindestens einen halbdurchlässigen Spiegel (6) angeordnet ist, der so angeordnet ist, dass Licht von dem Scanner (3) auf den Lenkspiegel (7) reflektiert wird und das von dem Lenk- spiegel (7) reflektierte Licht durch den halbdurchlässi- gen Spiegel (6) auf den holografischen Bildkombinierer (8) lenkt.
8. Verwendung einer optischen Baugruppe nach einem der vor- hergehenden Ansprüche zur Messung des Pupillendurchmes- sers eines Auges.
9. Verwendung einer optischen Baugruppe nach einem der vor- hergehenden Ansprüche zur Messung eines Versatzes einer Pupillenebene zur Austrittspupille der optischen Bau- gruppe (1).
10. Verwendung einer optischen Baugruppe nach einem der vor- hergehenden Ansprüche zur Messung von Vitalparametern ei- nes Benutzers der optischen Baugruppe (1), insbesondere zur Messung von Vitalparametern eines Benutzers der op- tischen Baugruppe (1) über der Zeit.
11. Verwendung einer optischen Baugruppe nach einem der vor- hergehenden Ansprüche zur Messung von räumlich aufgelös- ten Vitalparametern eines Benutzers der optischen Bau- gruppe (1) über der Zeit.
12. Verwendung einer optischen Baugruppe nach einem der An- sprüche 10 bis 11, wobei der Vitalparameter eine Sauer- stoffSättigung des Blutes ist.
13. Verfahren zur Messung von Vitalfunktionen und/oder zur Früherkennung von therapiebedürftigen Gesundheitsrisiken unter Verwendung einer optischen Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Spektrum eines von der Retina (4) rückgestrahlten Lichts gemessen wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Spektrum des von der Retina (4) rückgestrahlten Lichts über der Zeit gemessen wird; und/oder dass ein rückgestrahltes Spektrum einer monochromatischen Lichtquelle (7) gemessen wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das rückgestrahlte Spektrum jeweils einzelnen Punkten auf der Retina (4) zugeordnet wird; wobei optional eine Zuordnung zu einzelnen Punkten auf der Retina aufgrund der Stellung des beweglich gelagerten Spiegels (41) zur Einkopplung von Licht in den Strahlen- gang und/oder der Stellung des Lenkspiegels (7) erfolgt.
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