DE102022101727A1

DE102022101727A1 - Optische baugruppe zur detektion einer vom auge reflektierten strahlung eines retinaprojektors

Info

Publication number: DE102022101727A1
Application number: DE102022101727.3A
Authority: DE
Inventors: Simon Lankes; Stephan Janka
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2022-01-25
Filing date: 2022-01-25
Publication date: 2023-07-27

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.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Baugruppe ausbildend 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 einer 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 computergenerierten Darstellung überlagert wird. Durch Anzeigen von Zusatzinformationen kann eine Hilfestellung für den Anwender bei komplexen Aufgaben geschehen. Beispielsweise könnten für einen Mechaniker die Teile eines Gerätes „beschriftet“ werden und Arbeitsanweisungen 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 Operation zu ermöglichen. Zum Beispiel kann dies intraoperativ geschehen, als „Röntgenblick“ für den Operateur, basierend auf vorheriger Tomographie oder aktuellen Bilddaten von Ultraschallgeräten oder offenen Kernspintomografen. Mit Augmented Reality können bei industriellen Anwendungen in der Konstruktion von Maschinen oder Gebäuden digitale Planungsdaten mit vorhandenen realen Geometrien abgeglichen werden. Augmented Reality kann zudem in der Navigation zu Fuß im Gelände oder in Fahrzeugen verwendet werden, wobei beispielsweise bei Sicherheitsaufgaben oder im Katastrophenschutz Lageinformationen eingeblendet 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 Projektionsweg auf die Pupillenposition in situ angepasst werden. Dies wird durch so genannte Eye Tracking Technologien erreicht. Aktuelle Eye Tracking Systeme basieren auf einer Beleuchtungs- und Kameraeinheit, die aufwändige Mustererkennungssoftware verwenden, 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 Systems, 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 festgestellt. 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 festgestellt. Eine weitere Möglichkeit ist die Nutzung einer Kamera ohne zusätzlichen Emitter. Diese erstellt ein Bild des Auges, die Pupillenposition wird mittels einer Mustererkennung festgestellt. Für die letztgenannte Variante ist genügend Umgebungslicht erforderlich.
Eine Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine alternative Lösung zur Bestimmung der Pupillenposition anzugeben. Diese soll möglichst den konstruktiven Aufwand sowie ggf. auch den Stromverbrauch der Anordnung verringern.
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 zumindest teilweise über Teile des Strahlenganges zurück zu einer Anordnung zur Pupillenverfolgung geführt ist. Die Anordnung zur Pupillenverfolgung dient insbesondere zur Bestimmung einer Augenstellung, also einem Winkel zu „Geradeausrichtung“ der Augenstellung. Das Licht der Projektion ist dabei Licht zur Darstellung 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 Fotographie als Rote-Augen-Effekt bekannt, weil der Reflexionskoeffizient der Retina für rotes Licht höher ist als für andere Farben. Licht, das auf andere Bereiche des Auges fällt, wird lambertsch gestreut.
Die erfindungsgemäße Lösung erlaubt eine einfache Integration in den bestehenden Strahlengang der Projektionssystems. Es werden 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 benötigt, 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 rückgestreute Teil, der zumindest entlang eines Teils des Strahlengangs zurückläuft wird detektiert und zur Bestimmung der Position der Pupille verwendet. Durch Auswertung einer Bildwiederholrate des Lichts, auf das detektiert wird kann das Signal/Rausch-Verhältnis verbessert werden. Ebenso lässt sich beispielsweise bei farbigen Bildern, die Farben zu unterschiedlichen Zeiten erzeugen oder auch farbsensitive und auf das zu detektierende Licht abgestimmte Detektoren benutzen. Ein entsprechender 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 Verhältnisses verwendet werden.
Der Strahlengang umfasst in einer Ausführungsform der Erfindung ein Mittel zur Projektion eines Bildes. Das Mittel zur Projektion 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 unterschiedlicher Wellenlänge beaufschlagt, wobei Licht von Leuchtmitteln unterschiedlicher Wellenlänge über Halbspiegel in den Strahlengang eingekoppelt ist. Die Leuchtmittel sind durch Leuchtdioden oder auch Laserdioden gebildet, welche das Licht der entsprechenden Wellenlänge entweder direkt oder über eine geeignete Konversion erzeugen. Beide werden im Folgenden als Laserdioden bezeichnet.
Die Mittel zur Projektion eines Bildes umfassen in einer Ausführungsform der Erfindung einen holografischen Bildkombinierer.
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 anderen Aspekten piezomechanisch erfolgen. Die durch das erfindungsgemäße System ermittelte Augenstellung wird durch ein elektrisches Steuer- und Regelsystem in entsprechende Steuersignale für den elektrischen Antrieb umgesetzt.
In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst der Strahlengang mindestens einen halbdurchlässigen Spiegel. Der halbdurchlässige 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 umzulenken. 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 Lenkspiegel reflektiert wird und das von dem Lenkspiegel reflektierte Licht durch den halbdurchlässigen Spiegel auf den holografischen Bildkombinierer projiziert wird. Eine derartige Anordnung 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 Linsenanordnung 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 bezeichnet. Beiderseits des räumlichen Lichtmodulators sind in einer Ausführungsform der Erfindung Sammellinsen angeordnet, sodass der Lichtmodulator von parallelen Lichtstrahlen durchstrahlt 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 Kontrast kann durch Verwendung eines Rotfilters weiter erhöht werden.
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 Vorrichtungen nach Stand der Technik erforderlich.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist der teildurchlässige Spiegel im Strahlengang zwischen der Streulinse und der Sammellinse der Linsenanordnung angeordnet. Auch bei dieser Anordnung sind abgesehen vom Hinzufügen der Anordnung zur Pupillenverfolgung 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 erfindungsgemäß schon durch wenige Detektorelemente, beispielsweise vier oder mehr Detektorelemente, realisierbar. Im einfachsten Fall durch einen Quadrantendetektor. Die Positionsbestimmung der Pupille erfolgt dann einfach durch Schwerpunktbildung. 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.
In einigen Aspekten besitzt der Detektor eine Mehrzahl von einzelnen Pixeln in Zeilen und Spalten, insbesondere mehr als zwei Reihen und zwei Spalten. Mit einer höheren Detektorauflösung kann auch der Pupillendurchmesser gemessen werden. Dies kann als Maß für die Dunkeladaption des Auges dienen. Die Helligkeit der Projektion kann dann daran angepasst werden.
Mit einer noch höheren Auflösung kann ein Versatz der Pupillenebene zur Austrittspupille der Projektionsoptik der optischen Baugruppe ermittelt werden. Diese äußert sich in einer unscharfen Abbildung der Pupille auf dem Detektor.
Figurenliste
Weitere Aspekte und Ausführungsformen nach dem vorgeschlagenen Prinzip werden sich in Bezug auf die verschiedenen Ausführungsformen und Beispiele offenbaren, die in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen ausführlich beschrieben werden. Dabei zeigen:

1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer optischen Baugruppe nach dem vorgeschlagenen Prinzip im Zusammenwirken mit einem menschlichen Auge eines Benutzers in einer Prinzipskizze;
2 eine Prinzipdarstellung eines optischen Scanners in 1;
3 die Anordnung zur Pupillenverfolgung in 1;
4 eine Skizze zur Abbildung der Pupille über den rote-Augen-Effekt auf den Detektor;
5 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen optischen Baugruppe im Zusammenwirken mit einem menschlichen Auge eines Benutzers in einer Prinzipskizze.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die folgenden Ausführungsformen und Beispiele zeigen verschiedene 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 hervorzuheben. Es versteht sich von selbst, dass die einzelnen Aspekte und Merkmale der in den Abbildungen gezeigten Ausführungsformen 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 können, 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 Proportionen zwischen den einzelnen Elementen müssen nicht grundsätzlich richtig sein. Einige Aspekte und Merkmale werden hervorgehoben, indem sie vergrößert dargestellt werden. Begriffe wie „oben“, „oberhalb“, „unten“, „unterhalb“, „größer“, „kleiner“ und dergleichen werden jedoch in Bezug auf die Elemente in den Figuren korrekt dargestellt. So ist es möglich, solche Beziehungen zwischen den Elementen anhand der Abbildungen abzuleiten. Jedoch ist das vorgeschlagene Prinzip nicht hierauf beschränkt, sondern es können verschiedene optoelektronische Bauelemente, mit unterschiedlicher Größe und auch Funktionalität bei der Erfindung eingesetzt werden. In den Ausführungsformen sind wirkungsgleiche oder wirkungsähnliche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen ausgeführt.
1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen optischen Baugruppe 1 im Zusammenwirken mit einem menschlichen Auge 2 in einer Prinzipskizze. Die optische Baugruppe 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 Strahlengang 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 abgebildet.
2 zeigt eine Prinzipdarstellung des optischen Scanners 3. Dieser umfasst farbige Leuchtdioden oder Laserdioden, nämlich eine rote Leuchtdiode 31, eine grüne Leuchtdiode 32 und eine blaue Leuchtdiode 33 für die drei Grundfarben Rot, Grün und Blau. Deren Licht wird jeweils über Strahlformungslinsen 34, 35,36, von denen in 2 nur die im Strahlengang der blauen Leuchtdiode 33 angeordneten Linsen mit einem Bezugszeichen versehen sind, und über dichroitische Spiegel 37,38 und 39, einen Umlenkspiegel 40 und einen in zwei Richtungen beweglichen Scanspiegel 41 auf die im Strahlengang nachgeordneten Elemente gegeben. Der Scanspiegel 41 als Scankopf wird über elektrische Antriebsmittel wie beispielsweise Elektromotoren oder dergleichen und eine Treiber- sowie eine Steuerelektronik angesteuert. Weder die dazu notwendige Leistungselektronik, noch die Steuerelektronik noch Daten Übertragungsmittel oder eine Stromversorgung 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 Strahlformung, im gezeigten Ausführungsbeispiel sind dies eine Streulinse 51 sowie eine Sammellinse 52 zur Formung eines parallelen Lichtbündels. 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. Mithilfe des Lenkspiegels 7 kann also ein Drehen des Auges 4 seitens des Benutzers ausgeglichen werden. Dazu ist der den Spiegel 7 um eine Achse senkrecht zu zeichnen Ebene sowie um eine Achse parallel zu zeichnen Ebenen entlang der Spiegel Oberfläche schwenkbar gelagert. Das nach Ablenkung durch den Lenkspiegel 7 weiterhin parallele Strahlenbündel wird sodann durch den arglistigen Spiegel 6 auf den holographischen Bildkombinierer 8 projiziert.
Der holografische Bildkombinierer 8 enthält holografische optische Elemente (Holographie Optical Elements, HOE), die so konfiguriert ist, dass es externes Licht 10 durch das Freiform-HOE durchlässt, auf einen Brennpunkt 11 fokussiert und so ein Bild auf die Retina 4 projiziert, 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 erzeugtes Bild auf die Retina 4 projiziert. Der Benutzer sieht dadurch gleichzeitig die äußere Umgebung und das von dem Laserscanner 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 holografischen Bildkombinierer bereitzustellen. Ein holografisches optisches Elemente ist meist ein dünner, transparenter Film, der das Licht ablenken kann. Im gezeigten Ausführungsbeispiel wirken die holografischen optischen Elemente als Parabolspiegel, der nur auf Licht eines bestimmten Einfallswinkels und einer bestimmten Wellenlänge als Spiegel wirkt. Ansonsten ist er optisch transparent. Der holografische Bildkombinierer 8 ist in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in der Form eines Brillenglases ausgeführt und umfasst einen Fotopolymerfilm, der vollständig vom einem Linsenmaterial umschlossen ist. Die Fotopolymerfolie ist so nahe wie möglich an der dem Auge 2 zugewandten Oberfläche des Linsenmaterials positioniert. Laserlicht 12 kann auf diese Oberfläche des Linsenmaterials auftreffen und durch das Linsenmaterial hindurchtreten, um auf die Fotopolymerfolie aufzutreffen. Ein oder mehrere Hologramme in der Fotopolymerfolie spiegeln das Laserlicht 12 zum Auge 2 des Benutzers. Entlang dieses optischen Weges wird das Laserlicht gebrochen, wenn es in das Linsenmaterial eintritt, durch das Linsenmaterial wandert, von der Fotopolymerfolie reflektiert und gebeugt 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 Richtung des Auges des Benutzers umgelenkt werden kann und unerwünschterweise einen Replikations- oder „Geistereffekt“ im projizierten Anzeigeinhalt erzeugt. Die Positionierung der Fotopolymerfolie außerhalb der Mitte und in der Nähe dem Auge zugewandten Oberfläche der Linse kann solche Geistereffekte vorteilhaft reduzieren.
Mit dem Lenkspiegel 7 wird die Austrittspupille des Systems an die Pupillenposition nachgeführt und angepasst, wobei die Position der Pupille von einer Anordnung zur Pupillenverfolgung 13 in Echtzeit erfasst wird. Im Strahlengang ist dazu wie in 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 passieren, wie ein Retroreflektor. Dieser Effekt ist auch aus der Fotographie als Rote-Augen-Effekt bekannt, weil der Reflexionskoeffizient 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 Abbildung 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 Fotodioden, die in Form einer Matrix angeordnet sind. In 4 dargestellt ist eine 4 × 4 Matrix von lichtempfindlichen Zellen 16. Hier reicht aber auch eine 2x2 oder 3x3 Matrix.
Wie in 4 skizziert, wird die Pupille über den zuvor dargestellten 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 lichtempfindliche Zellen 16 unterschiedlich stark beleuchtet. Im Beispiel der 4 wird die lichtempfindliche Zelle 16 an der Matrixposition 3-2 nahezu vollständig beleuchtet, die lichtempfindlichen 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.
5 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen optischen Baugruppe 1 im Zusammenwirken mit einem menschlichen Auge 2 in einer Prinzipskizze. Die optische Baugruppe 1 ist hier vom Maxwell-Typ. Dieser umfasst einen räumlichen 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 parallele 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 zusammengeführt 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 unterstützt die Anordnung eine extrem lange Brennweite.
An der im Gebrauch dem Auge 2 abgewandten Seite des Lichtmodulators 18 ist im Strahlengang vor der Sammellinse 20 eine Anordnung 13 zur Pupillenverfolgung, die wie beim vorherigen Ausführungsbeispiel aufgebaut ist, angeordnet.
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

Claims

Optische Baugruppe (1) ausbildend einen Strahlengang, der geeignet ist zur Projektion eines durch ein Leuchtmittel zur Darstellung eins Bildes erzeugtem sichtbarem Licht auf eine Retina (4) eines Auges (2) eines Anwenders, dadurch gekennzeichnet, dass von der Retina (4) reflektiertes Licht aus diesem sichtbaren Licht zumindest teilweise über Teile des Strahlenganges zurück zu einer Anordnung zur Pupillenverfolgung (13) geführt ist.
Optische Baugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlengang ein Mittel (3, 8, 18) zur Projektion des Bildes umfasst.
Optische Baugruppe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zur Projektion des Bildes einen Scanner (3) umfasst.
Optische Baugruppe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Scanner (3) mindestens einen beweglich gelagerten Spiegel (41) zur Einkopplung von dem sichtbaren Licht in den Strahlengang umfasst.
Optische Baugruppe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Scanner (3) mit Licht unterschiedlicher Wellenlänge beaufschlagt ist; oder dass das Leuchtmittel zur Erzeugung von sichtbarem Licht unterschiedlicher Wellenlänge ausgeführt ist.
Optische Baugruppe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Leuchtmittel Leuchtdioden und/oder Laserdioden aufweist, so Licht dieser Leuchtdioden und/oder Laserdioden (31, 32, 33) unterschiedlicher Wellenlänge über Halbspiegel in den Strahlengang eingekoppelt sind.
Optische Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zur Projektion eines Bildes einen holografischen Bildkombinierer (8) umfasst.
Optische Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlengang mindestens einen Lenkspiegel (7) umfasst.
Optische Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlengang mindestens einen halbdurchlässigen Spiegel (6) umfasst, der so angeordnet ist, dass Licht von dem Scanner (3) auf den Lenkspiegel (7) reflektiert wird und das von dem Lenkspiegel (7) reflektierte Licht durch den halbdurchlässigen Spiegel (6) auf den holografischen Bildkombinierer (8) projiziert wird.
Optische Baugruppe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang zwischen dem Scanner (3) und dem halbdurchlässigen Spiegel (6) eine Linsenanordnung (5) angeordnet ist.
Optische Baugruppe nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Linsenanordnung (5) eine Streulinse (51) umfasst.
Optische Baugruppe nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Linsenanordnung (5) eine Sammellinse (52) umfasst.
Optische Baugruppe nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung (13) zur Pupillenverfolgung (13) innerhalb der Linsenanordnung (5) angeordnet ist.
Optische Baugruppe nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung (13) zur Pupillenverfolgung (13) zwischen der Streulinse (51) und der Sammellinse (52) der Linsenanordnung (5) angeordnet ist.
Optische Baugruppe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zur Projektion eines Bildes einen räumlicher Lichtmodulator (18) umfasst.
Optische Baugruppe nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass beiderseits des räumlichen Lichtmodulators (18) Sammellinsen (19, 20) angeordnet sind.
Optische Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung (13) zur Pupillenverfolgung einen teildurchlässigen Spiegel (14) umfasst, der von der Retina reflektiertes Licht zumindest teilweise auf einen Detektor (15) lenken kann.
Optische Baugruppe nach Anspruch 17 rückbezogen auf einen der Ansprüche 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 Strahlengang vor der Sammellinse 20 angeordnet ist.
Optische Baugruppe nach Anspruch 17 rückbezogen auf einen der Ansprüche 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.
Optische Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor (15) mindestens eine lichtempfindliche Zelle (16) umfasst.
Optische Baugruppe nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor (15) mehrere lichtempfindliche Zellen (16) umfasst.
Optische Baugruppe nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die lichtempfindlichen Zellen (16) matrixartig in Reihen und Spalten angeordnet sind.
Optische Baugruppe nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die lichtempfindlichen Zellen (16) matrixartig in mindestens zwei Reihen und zwei Spalten angeordnet sind.
Optische Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem teildurchlässigen Spiegel (14) und dem Detektor (15) ein Rotfilter angeordnet ist.
Verwendung einer optischen Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 23 zur Messung des Pupillendurchmessers eines Auges.
Verwendung einer optischen Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 23 zur Messung eines Versatzes einer Pupillenebene zur Austrittspupille der optischen Baugruppe (1).