DE10127366A1

DE10127366A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Laserprojektion eines Bildes auf die Netzhaut des Auges, überlagert mit einem Weitwinkelgesichtsfeld

Info

Publication number: DE10127366A1
Application number: DE2001127366
Authority: DE
Inventors: Klaus Dietrich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-06-06
Filing date: 2001-06-06
Publication date: 2002-12-12

Abstract

Die Anordnung dient zur Laserprojektion von Videobildern auf die Netzhaut des Auges mit einem Bildwinkel von typisch bis zu 60 DEG , wobei das Laserbild mit einem extrem großen Weitwinkelbild (bis zu 120 DEG ) des Gesichtsfeldes überlagert werden kann, bei Berücksichtigung der Eigenbewegung des Auges. DOLLAR A Der mit Videobilddaten in der Helligkeit modulierte Laserstrahl wird divergent über einen Zweiachsen-Winkelablenkspiegel in der Nähe des ersten Brennpunktes eines äußeren Ellipsoids über ein Linearsystem, zur Korrektur der Bildfeldkrümmung, zur Mehrfachreflexion in den Raum zwischen zwei spiegelnden Ellipsoiden eingestrahlt und trifft als paralleler Lichtstrahl in der Nähe des zweiten Brennpunktes das Beobachterauge und wird auf dessen Netzhaut fokussiert. DOLLAR A Durch einen Bildsensor oder Mehrfachsegmentsensor kann die Augenbewegung detektiert und das Projektionssystem dieser Bewegung nachgeführt werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Anordnung und ein Verfahren zur Projektion von ein- oder mehrfarbigen Videobildern auf die Netzhaut des Menschenauges mit Hilfe eines in der Helligkeit und seiner Farbe modulierten Lichtstrahles (z. B. Laserstrahlgemisch), der aber ein oder mehrere elektrisch gesteuerte Ablenk spiegel (Spiegelscanner) zweidimensional über die Netzhaut geführt wird, zur sequentiellen scharfen Ab bildung der Bildpunkte. Je nach Anwendung wird dabei entweder nur das Videobild (Anwendung: Videobrille) auf die Netzhaut projiziert, oder das Videobild zu sätzlich mit dem Bild des Blickfeldes des Auges durch das äußere Ellipsoid (4) überlagert (Anwendung: Pilotenbrille).

Nach dem Stand der Technik sind verschiedene optische Anordnungen zur Lösung dieses Problems bekannt, z. B.:

1. "Helmet-Mounted-Displays and Sights", Mordekhai Velger, Artech House, Boston/London, 1998
2. "Der Fernseher in der Brille", Elektronik S.18,20,1999
3. US-Pat.Nr. 6 140 979, Microvision Inc. 31.10.2000

Bei allen bisherigen Projektionssystemen werden auf grund der optischen Abbildungsfehler und der Anordungen dieser Systeme häufig nur geringe maximale Videobild winkel zwischen 20°-40° erreicht, oder die Bildschärfe ist nicht zufriedenstellend (siehe unter 2.).

Unter 3. wird im Gegensatz zu dieser Patentanmeldung ein optisches Systeme erwähnt, das aus einem Paar gekrümmter und teildurchlässiger Spiegel besteht, wobei das Auge durch beide Teilflächen blicken muß, ohne nähere Beschreibung der Art des Laserstrahls und der Art der gekrümmten Flächen, aus der sich die Funktions fähigkeit des Systems schließen läßt.

Es war daher das Ziel dieser Erfindung ein optisches System zu schaffen mit einem Videobildfeld bis maximal ca. 0°, überlagert mit einem extremen Weitwinkelblick feld von bis zu ca. 120° z. B. für die Anwendung in Helmdisplaysystemen für Hubschrauberpiloten.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichnungsteil des Anspruches 1 niedergelegten Maßnahmen gelöst. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen angegeben und in der nachfolgenden Beschreibung wird die Erfindung an einigen Beispielen erläutert und der zugehörige optische Aufbau und sein Strahlengang in den Zeichnungen Fig. 1 und Fig. 2 schematisch dargestellt. Vorausgesetzt wird ein ein- oder mehrfarbiger paralleler Lichtstrahl (z. B. Laserstrahlgemisch), dessen Farbkomponenten in ihrer Helligkeit von den seriellen Bildpunktdaten eines Videosignals moduliert sind. Ferner wird ein elektronisches Steuergerät vorausgesetzt, das aus den Zeilen- und Bildsysnchro nisablonssignalen oder sonstigen Daten zu den Koordi naten der Bildpunkte die erforderlichen Steuersignale erzeugt, um den kardanisch aufgehängten Zweiachsen- Ablenkspiegel (Spiegelscanner) (7) elektrisch anzu steuern, sodaß der Lichtstrahl für jeden Bildpunkt des Videosignals vom Ablenkspiegel (7) um den erforder lichen Azimut- und Elevationswinkel abgelenkt wird, sodaß der Bildpunkt auf der Netzhaut (9) des Beobach terauges an der gewünschten Stelle im projizierten Videobild abgebildet wird.

Das Beobachterauge ist in Fig. 1 und Fig. 2 durch ein ideales Auge ersetzt, mit der idealen dünnen Linse (8) und der zugeordneten Bildebene, d. h. der Netzhaut (9). Der vorausgesetzte modulierte Lichtstrahl, dargestellt durch zwei Randstrahlen und einen Zentralstrahl wird in Fig. 1. und Fig. 2 an der Einkoppelstelle (1) einer ein- oder mehrlinsigen Linsenanordnung (2) zugeführt, die den parallelen Lichtstrahl in einen divergenten Licht strahl mit dem gewünschten Strahlquerschnitt trans formiert und über einen Umlenkspiegel (6) dem zwei achsigen Ablenkspiegel (7) zuführt. In Fig. 1 und Fig. 2 ist der Ablenkspiegel (7) gleichzeitig in fünf verschiedenen Ablenkwinkelpositionen mit den zuge hörigen reflektierten Strahlenbündeln gezeichnet. Jedem vom Ablenkspiegel (7) für eine Winkelstellung reflektierten divergenten Strahlbündel ist hinter dem Ablenkspiegel (7) ein virtueller Strahlschnittpunkt zugeordnet. Diese virtuellen Schnittpunkte aller Winkelstellungen des Ablenkspiegels (7) liegen auf einer Kugelfläche, die das virtuelle Objekt darstellt, das als Videobild auf der Netzhaut (9) abgebildet werden muß.

Zur Bildfeldentkrümmung durchlaufen die divergenten Lichtbündel nach dem Ablenkspiegel (7) die ein- oder mehrlinsige Linsengruppe (3) und treten dann in einen Reflexionskanal ein, der aus dem innen verspiegelten äußeren Ellipsoid (4) und einem außen verspiegelten inneren Ellipsoid (5) besteht. Der Ablenkspiegel (7) befindet sich in oder in der Nähe des linken Brenn punktes des äußeren Ellipsoids (5). Die genaue Position des Ablenkspiegels (7) ist abhängig von der optischen Weglänge der Lichtstrahlen durch das Linsensystem (3).

Das zu einer Winkelstellung des Ablenkspiegels (7) gehörende reflektierte Strahlenbündel durchläuft m = 1, 2, 3, 4, . . . Reflexionen am äußeren Ellipsoid (4) und m-1 Reflexionen am inneren Ellipsoid (5). In Fig. 1 ist der Fall mit m = 2 und in Fig. 2 der Fall mit m = 3 gezeigt. In Fig. 1 und Fig. 2 fallen die Mittelpunkte der beiden Ellipsoide (4) und (5) und die Richtungen ihrer großen bzw. kleinen Hauptachsen zusammen. In oder in der Nähe des rechten Brennpunktes des äußeren Ellipsoids (4) schneiden sich die Lichtbündel in der Austrittspupille des Systems, dort ist die Pupille und die Linse (8) des Beobachterauges ange ordnet. Das Strahlenbündel das zu einer Ablenkwinkel position des Ablenkspiegels (7) gehört ist vor Eintritt in die Augenlinse (8) parallel und wird somit von der Augenlinse (8) auf der Netzhaut (9) punktförmig abge bildet.

Zur Korreketur von Fehlsichtigkeit des Beobachterauges bestehend aus Linse (8) und Netzhaut (9) kann vor der Augenlinse (8) eine Korrekturoptik angeordnet sein, zur Erzeugung geringer Strahlkonvergenz oder Strahl divergenz. Falls das Videobild auf der Netzhaut mit dem Bild des Gesichtsfeldes des Auges überlagert werden soll (z. B. Anwendung: Pilotenbrille) wird das äußere Ellipsoid (4) in einem Flächenbereich zwischen den Punkten P1 und P2 nur teildurchlässig verspiegelt. Falle bei der Beobachtung des projizierten Videobildes eine Bewegung des Beobachterauges (Verdrehung der optischen Achse des Auges) zugelassen werden soll, dann ist es empfehlenswert einen Bildsensor (10) oder einen Mehrsegment-Lichtdetektor mit Abbildungsobjektiv vorzusehen, zur Beobachtung der Augenoberfläche im Bereich der Augenlinse (8). Aus den Sensorsignalen läßt sich dann die Position der Pupille des Beobachterauges bestimmen und diese Position verfolgen. Daraus lassen sich Steuersignale für ein zwei dimensionales lineares Antriebssystem gewinnen, das die ganze optische Anordnung bestehend aus den Kompo nenten (1), (2), (6), (7), (3), (4), (5), (10) so ver schiebt, daß die Austrittspupille des Systems in oder in der Nähe des rechten Brennpunktes des äußeren Ellipsoids (4) der Pupillenbewegung des Beobachter auges nachgeführt wird.

Diese Verschiebung des Systems wird typischerweise senkrecht zur Richtung des Lichtstrahls an der Ein koppelstelle (1) durchgeführt. Ist der Querschnitt des feststehenden angebotenen modulierten Lichtstrahls dort hinreichend groß gegen den Querschnitt des an der Ein koppelstelle (1) aufgenommenen Lichtstrahles, dann ist auch bei der Systemverschiebung die Einkopplung des modulierten Lichtstrahls problemlos möglich.

Am Beispiel von Fig. 1 erreicht die Bilddiagonale für das Beobachterauge einen Bildfeldwinkel von ca. 120° und einen Videobildfeldwinkel von ca. 60°.

Claims

1. Optische Anordnung und Verfahren zur Projektion elektronischer Bilddaten (z. B. ein- oder mehr farbige Videobilder) auf die Netzhaut des Auges, dadurch gekennzeichnet, laß ein ein- oder mehrfarbiger Lichtstrahl (z. B. Laserstrahlgemisch), der in der Helligkeit seiner Farbanteile für jeden einzelnen sequentiell pro jizierten Bildpunkt vom Inhalt eines Videosignals moduliert ist, von einem in oder in der Nähe des ersten Brennpunktes eines äußeren Ellipsoids (4) angeordneten elektrisch ansteuerbaren zweiachsigen Ablenkspiegel (Spiegelscanner) (7) auf den zur Projektion jedes einzelnen Bildpunktes erforder lichen Azimut- und Elevationswinkels abgelenkt wird, dann ein ein- oder mehrlinsiges System (3) zur Korrektur des Bildfeldkrümmungsfehlers auf der Netzhaut (9) durchläuft und dann divergent in einen Spiegelkanal, bestehend aus dem innen ver spiegelten äußeren Ellipsoid (4) und dem außen verspiegelten inneren Ellipsoid (5) eingekoppelt wird und nach m = 1, 2, 3, 4, . . . Reflexionen am äußeren Ellipsoid (4) und nach m-1 Reflexionen am inneren Ellipsoid (5) in der Nähe des zweiten Brennpunktes des äußeren Ellipsoids (4) die Augen linse (8) trifft und auf der Netzhaut (9) als Bildpunkt fokussiert wird.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Ellipsoide (4) und (5) einen ge meinsamen Mittelpunkt haben.

3. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das optische System einen ortsauflösenden Dichtdetektor (10) (Bildsensor oder Mehrfach segment-Lichtdetektor) mit Abbildungsoptik zur Bobachtung der Augenbewegung enthält, sodaß aus den Detektorsignalen die Lage der Augenpupille ermittelt werden kann, und daraus Steuersignale für Stellmotoren erzeugt werden, welche das ganze optische Projektionssystem, bestehend aus den Kom ponenten (1), (2), (6), (7), (3), (4), (5), (10) so verschieben, daß der Schnittpunkt aller Licht strahlen in der Augenlinse (8) der Bewegung der Augenpupille nachgeführt wird.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß das äußere Ellipsoid (4) im Bereich einer Teilfläche zwischen den Punkten P1 und P2 ein teildurchlässiger Spiegel ist, zur Überlagerung des projizierten Videobildes auf der Netzhaut mit dem Bildfeld des Auges, beobachtet durch das äußere Ellipsoid (4).

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtstrahlen vor Eintritt in die Augen linse (8) ein ein- oder mehrlinsiges optisches System mit fester oder variabler Brennweite durchlaufen, das der Korrektur möglicher Fehl sichtigkeit des Auges dient, oder es ermöglicht, daß der Betrachter den Abstand zwischen dem Auge und dem virtuellen Gegenstand der Bildprojektion auf die Netzhaut zwischen endlicher und unendlicher Entfernung einstellen kann.