DE10127366A1

DE10127366A1 - Laser projection of a wide angle image onto the surface of a human eye

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

The observers eye is represented by an ideal lens (8) with an image plane of the eye surface(9). The image modulated light (1) falls a lens(2) and is deflected by a mirror (6) onto a second mirror (7) in front of an elliptic reflector(4). The mirror position is dependent upon the wavelength of the optical beam. This provides an extremely wide angle field of vision.

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).The invention relates to an optical arrangement and a method for the projection of single or multi-colored video images onto the retina of the human eye with the aid of a light beam modulated in brightness and its color (for example a laser beam mixture), but which mirror one or more electrically controlled deflections (Mirror scanner) is guided two-dimensionally over the retina for sequential sharp imaging of the pixels. Depending on the application, either only the video image (application: video glasses) is projected onto the retina, or the video image is additionally overlaid with the image of the field of vision of the eye through the outer ellipsoid ( 4 ) (application: pilot glasses).

Nach dem Stand der Technik sind verschiedene optische Anordnungen zur Lösung dieses Problems bekannt, z. B.:
Various optical arrangements for solving this problem are known in the prior art, e.g. B .:

1. "Helmet-Mounted-Displays and Sights", Mordekhai Velger, Artech House, Boston/London, 19981. "Helmet-Mounted Displays and Sights", Mordekhai Velger, Artech House, Boston / London, 1998
2. "Der Fernseher in der Brille", Elektronik S.18,20,19992. "The TV in the glasses", Electronics p.18,20,1999
3. US-Pat.Nr. 6 140 979, Microvision Inc. 31.10.20003. US-Pat.Nr. 6,140,979, Microvision Inc. 10/31/2000

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.).All previous projection systems are based on due to the optical aberrations and the arrangements these systems often only have a small maximum video image angle between 20 ° -40 ° reached, or the image sharpness is not satisfactory (see under 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.3. is in contrast to this patent application an optical systems mentioned that is a pair there is a curved and partially transparent mirror, whereby the eye must look through both partial areas without detailed description of the type of laser beam and Type of curved surfaces that make up the functional capability of the system.

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.It was therefore the aim of this invention to be an optical one System to create with a video field up to maximum approx. 0 °, overlaid with an extreme wide-angle view field of up to approx. 120 ° z. B. for use in Helmet display systems for helicopter pilots.

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.This object is achieved by the measures laid down in the characterizing part of claim 1. In the subclaims, advantageous refinements are specified in the description below and the invention will be illustrated by a few embodiments and the associated optical structure and its optical path in the drawings Fig. 1 and Fig. Shown schematically. 2 A single or multi-colored parallel light beam (e.g. laser beam mixture) is assumed, the color components of which are modulated in their brightness by the serial pixel data of a video signal. Furthermore, an electronic control unit is required, which generates the necessary control signals from the line and image sychronis signals or other data for the coordinates of the pixels in order to electrically control the gimbal-mounted two-axis deflection mirror (mirror scanner) ( 7 ), so that the light beam for each pixel of the video signal is deflected by the deflecting mirror ( 7 ) by the required azimuth and elevation angle, so that the pixel on the retina ( 9 ) of the observer's eye is imaged at the desired location in the projected video image.

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.The observer eye is replaced in FIG. 1 and FIG. 2 by an ideal eye, with the ideal thin lens ( 8 ) and the associated image plane, ie the retina ( 9 ). The presupposed modulated light beam, represented by two marginal beams and a central beam, is fed in Fig. 1 and Fig. 2 at the coupling point ( 1 ) of a single or multi-lens arrangement ( 2 ) which beam the parallel light beam into a divergent light with the desired beam cross-section is transformed and fed via a deflecting mirror ( 6 ) to the two-axis deflecting mirror ( 7 ). In Fig. 1 and Fig. 2, the deflecting mirror ( 7 ) is drawn simultaneously in five different deflection angle positions with the associated reflected beams. Each divergent beam bundle reflected by the deflecting mirror ( 7 ) for an angular position is assigned a virtual beam intersection behind the deflecting mirror ( 7 ). These virtual intersections of all angular positions of the deflecting mirror ( 7 ) lie on a spherical surface which represents the virtual object which must be displayed as a video image on the retina ( 9 ).

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).To curvature the field of view, the divergent light bundles after the deflecting mirror ( 7 ) pass through the single or multi-lens lens group ( 3 ) and then enter a reflection channel which consists of the inner mirrored outer ellipsoid ( 4 ) and an outer mirrored inner ellipsoid ( 5 ). The deflection mirror ( 7 ) is located in or near the left focal point of the outer ellipsoid ( 5 ). The exact position of the deflecting mirror ( 7 ) depends on the optical path length of the light rays through the lens system ( 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.The reflected beam bundle belonging to an angular position of the deflecting mirror ( 7 ) passes through m = 1, 2, 3, 4,. , , Reflections on the outer ellipsoid ( 4 ) and m-1 reflections on the inner ellipsoid ( 5 ). In Fig. 1, the case with m = 2 and is shown in Fig. 2 shown is the case with m = 3. In Fig. 1 and Fig. 2, the centers of the two ellipsoids ( 4 ) and ( 5 ) and the directions of their major and minor major axes coincide. In or near the right focal point of the outer ellipsoid ( 4 ), the light beams intersect in the exit pupil of the system, where the pupil and the lens ( 8 ) of the observer's eye are arranged. The bundle of rays that belongs to a deflection angle position of the deflection mirror ( 7 ) is parallel before entering the eye lens ( 8 ) and is thus formed in a punctiform manner by the eye lens ( 8 ) on the retina ( 9 ).

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.For correcting ametropia of the observer's eye consisting of lens ( 8 ) and retina ( 9 ), correction optics can be arranged in front of the eye lens ( 8 ) to produce low beam convergence or beam divergence. If the video image on the retina is to be overlaid with the image of the visual field of the eye (e.g. application: aviator glasses), the outer ellipsoid ( 4 ) is only partially reflective in an area between points P1 and P2. If movement of the observer's eye (rotation of the optical axis of the eye) is to be permitted when observing the projected video image, then it is advisable to provide an image sensor ( 10 ) or a multi-segment light detector with an imaging lens for observing the surface of the eye in the area of the eye lens ( 8 ). The position of the pupil of the observer's eye can then be determined from the sensor signals and this position can be tracked. From this, control signals can be obtained for a two-dimensional linear drive system, which comprises the entire optical arrangement consisting of the components ( 1 ), ( 2 ), ( 6 ), ( 7 ), ( 3 ), ( 4 ), ( 5 ), ( 10 ) so ver pushes that the exit pupil of the system in or near the right focal point of the outer ellipsoid ( 4 ) tracks the pupil movement of the observer eye.

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.This shift of the system is typically carried out perpendicular to the direction of the light beam at the coupling point ( 1 ). If the cross section of the fixed modulated light beam offered there is sufficiently large compared to the cross section of the light beam received at the coupling point ( 1 ), then the coupling in of the modulated light beam is possible without any problems even when the system is shifted.

Am Beispiel von Fig. 1 erreicht die Bilddiagonale für das Beobachterauge einen Bildfeldwinkel von ca. 120° und einen Videobildfeldwinkel von ca. 60°.Using the example of FIG. 1, the image diagonal for the observer eye reaches an image field angle of approximately 120 ° and a video field angle of approximately 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.1. Optical arrangement and method for the projection of electronic image data (e.g. one or more colored video images) onto the retina of the eye, characterized in that let a single or multi-colored light beam (e.g. laser beam mixture) that is in brightness of its color components for each individual sequentially projected pixel is modulated by the content of a video signal, from an electrically controllable biaxial deflection mirror (mirror scanner) ( 7 ) arranged in or near the first focal point of an outer ellipsoid ( 4 ) onto the one for projecting each individual pixel Necessary azimuth and elevation angle is deflected, then a single-lens or multi-lens system ( 3 ) for correcting the image field curvature error on the retina ( 9 ) passes through and then diverges into a mirror channel consisting of the inner mirrored outer ellipsoid ( 4 ) and the outside mirrored inner ellipsoid ( 5 ) and after m = 1, 2, 3, 4,. , , Reflections on the outer ellipsoid ( 4 ) and after m-1 reflections on the inner ellipsoid ( 5 ) near the second focal point of the outer ellipsoid ( 4 ) meets the eye lens ( 8 ) and is focused on the retina ( 9 ) as a pixel.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Ellipsoide (4) und (5) einen ge meinsamen Mittelpunkt haben.2. Arrangement according to claim 1, characterized in that the two ellipsoids ( 4 ) and ( 5 ) have a common center GE.

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.3. Arrangement according to one of claims 1 or 2, characterized in that the optical system contains a spatially resolving density detector ( 10 ) (image sensor or multiple segment light detector) with imaging optics for observing the eye movement, so that the position of the eye pupil can be determined from the detector signals control signals for servomotors can be generated, which the entire optical projection system, consisting of the components ( 1 ), ( 2 ), ( 6 ), ( 7 ), ( 3 ), ( 4 ), ( 5 ), ( 10 ) move so that the intersection of all light rays in the eye lens ( 8 ) tracks the movement of the eye pupil.

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).4. Arrangement according to one of claims 1 to 3, characterized in that the outer ellipsoid ( 4 ) in the area of a partial area between the points P1 and P2 is a partially transparent mirror, for superimposing the projected video image on the retina with the image field of the eye, observed through the outer 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.5. Arrangement according to one of claims 1 to 4, characterized in that the light rays pass before entering the eye lens ( 8 ) a single or multi-lens optical system with a fixed or variable focal length, which serves to correct possible ametropia of the eye, or it enables the viewer to adjust the distance between the eye and the virtual object of the image projection onto the retina between finite and infinite distance.