DE102022134421A1

DE102022134421A1 - Vorrichtung zur Erzeugung und Darstellung eines Bildes auf einem Beobachtungsfeld unter Verwendung eines Pupillenvervielfachers und Augmented-Reality-Brille

Info

Publication number: DE102022134421A1
Application number: DE102022134421.5A
Authority: DE
Inventors: Stefan Franz
Original assignee: Oqmented GmbH
Current assignee: Oqmented GmbH
Priority date: 2022-12-21
Filing date: 2022-12-21
Publication date: 2024-06-27
Also published as: WO2024133304A1

Abstract

Vorrichtung zur Erzeugung und Darstellung von Bildern in einem zur Einblendung von Informationen und Bildern vorgesehenen Beobachtungsfeld (10), umfassend mindestens eine Lichtquelle (1) zum Aussenden mindestens eines Lichtbündels (3), einen Mikroscanner (4) zur variablen Ablenkung des mindestens einen Lichtbündels (3), wobei der Mikroscanner (4) mindestens eine Drehachse für eine rotatorische Schwingbewegung zur Ablenkung des mindestens einen Lichtbündels (3) sowie eine Verkapselung (5) aufweist, die den Mikroscanner (4) hermetisch abschließt, und einen Pupillenvervielfacher (6), der durch Amplituden-Teilerflächen (7), an denen das Lichtbündel (3) mehrfach zumindest anteilig reflektiert wird, oder durch diffraktive Strukturen (12, 13), an denen das Lichtbündel (3) gebeugt wird, gebildet ist und der in oder an der Verkapselung (5) so angebracht ist, dass das mindestens eine von dem Mikroscanner (4) abgelenkte Lichtbündel (3) in ein erstes Teillichtbündel (31) und mindestens ein zweites Teillichtbündel (32) aufgeteilt ist, wobei das erste Teillichtbündel (31) und das mindestens eine zweite Teillichtbündel (32) in unterschiedliche benachbarte Bereiche des Beobachtungsfelds (10) gerichtet sind und aneinander angepasste Intensitäten aufweisen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Projektionsvorrichtung zur Erzeugung und Darstellung von Bildern auf einem zur Projektion erweiterter Realität vorgesehenen Beobachtungsfeld, welches insbesondere ein Brillenglas oder eine Netzhaut eines Benutzers einer Augmented-Reality-Brille sein kann.
Erweiterte Realität (engl.: Augmented Reality, kurz AR) bezeichnet die computergestützte Erweiterung der Realitätswahrnehmung, die mindestens eine der menschlichen Sinnesmodalitäten anspricht. Häufig wird unter AR jedoch nur die visuelle Darstellung von Informationen verstanden, nämlich die Ergänzung von Bildern oder Videos mit computergenerierten Zusatzinformationen und/oder virtuellen Objekten mittels Einblendung bzw. Überlagerung. Insbesondere die visuelle Darstellung bzw. Projektion von Bildern, Benutzeroberflächen oder Informationen, wie Wegbeschreibungen, Wetterinformationen oder Nachrichten, stellt eine häufige Anwendung von AR dar und findet zunehmend Anwendung in sogenannten AR-Brillen, die Bilder, Benutzeroberflächen oder Informationen direkt auf den Brillengläsern oder der Netzhaut eines Benutzers darstellen können.
Zur Projektion von Bildern oder Textinformationen kann ein Mikroscanner (auch mikro-elektro-mechanisches System, kurz: MEMS) verwendet werden. Auf den MEMS-Scanner wird ein Lichtbündel, der von einer beispielsweise in einem Bügel einer Brille angeordneten Lichtquelle erzeugt und anschließend geformt wird, abgelenkt. Durch den MEMS-Scanner kann das Lichtbündel dann gescannt werden, wodurch auf einem Beobachtungsfeld ein Bild erzeugt wird. Ein solches bildgebendes System mit MEMS-Scanner benötigt vergleichsweise wenig optische Elemente, wodurch kleine und kostengünstige Projektoren realisiert werden können. Für AR-Anwendungen muss ein Projektor eine sehr gute optische Auflösung erzielen und sehr wenig Strom verbrauchen. Aufgrund mangelnder Alternativen werden daher häufig Kantenemitter als Lichtquelle verwendet. Diese emittieren jedoch ein stark divergentes, elliptisch geformtes Lichtbündel, das kollimiert werden muss.
Ein MEMS-Scanner ist beispielsweise in der DE 10 2021 116 151 B3 beschrieben. Der dort offenbarte MEMS-Scanner kann um zwei resonante Schwingungsachsen simultan rotatorische Oszillationen ausführen, um durch Ablenken eines während der Oszillationen auf ein Ablenkelement einfallenden Lichtstrahls eine nichtlineare Lissajous-Projektion in ein Beobachtungsfeld zu bewirken.
Durch die Oszillationen wird ein Sichtfeld (engl.: Field of View, kurz: FOV) mit hohen Frequenzen in einem Scan-Muster, das einer Lissajous-Figur gleicht, gescannt. Im Gegensatz zu konventionellen Rasterscanverfahren, die das FOV periodisch von oben nach unten mit maximaler Auflösung scannen, können so hunderte Teilbilder gleichzeitig verarbeitet und eine flüssigere Bewegungsdarstellung ermöglicht werden. Außerdem werden Artefakte bei der dreidimensionalen Wahrnehmung von sich schnell bewegenden Objekten stark reduziert.
Bei augennahen Displaysystemen, die dreidimensionale Augmented und/oder Virtual Reality unterstützen, ist die Größe der sogenannten Austrittspupille (engl.: Exit Pupil oder Eyebox) ein wesentlicher Faktor für das Nutzererlebnis. Die Austrittspupille ist der Bereich vor einem augennahen Display, in dem projizierte Bildinhalte durch die Pupille korrekt wahrgenommen werden können. Außerhalb der Austrittspupille können Bildinhalte verzerrt sein, Farben können falsch oder gespiegelt sein oder Bildinhalte sind überhaupt nicht sichtbar.
Die praktische Mindestgröße der Austrittspupille ist die Größe der Pupille des menschlichen Auges, in der Regel ca. 3-5 mm. Bei Ferngläsern oder Mikroskopen genügt eine solche Austrittspupille, da die Pupille des Auges sich in der Regel wenig bewegt. Im Falle von augennahen Displays bewegen sich die Augen des Benutzers jedoch. Um diese Augenbewegung zu unterstützen, muss die Größe der Austrittspupille um mindestens ein paar Millimeter in jede Richtung vergrößert werden. Hinzu kommt ein von Mensch zu Mensch abweichender Pupillenabstand, der bei Ferngläsern oder Okularen beispielsweise über mechanische Einstellungen kompensiert werden kann. Bewegliche mechanische Teile sind jedoch bei AR-Brillen aufgrund ihrer hohen Anfälligkeit für mechanische Einwirkungen sowie dem damit verbundenen Verschleiß und dem erforderlichen Bauraum nicht gewünscht, weshalb das mechanische Einstellen hier keine Option darstellt. Daher muss die Austrittspupille auf mindestens 1 cm, idealerweise sogar auf mehrere Zentimeter, vergrößert werden.
Ein Display für eine augennahe Anzeige von Abbildungen ist durch die WO 2021/122948 A1 offenbart. Das Display umfasst eine Lichtquelle zum emittieren von Licht in Richtung eines Wellenleiters, den Wellenleiter sowie ein erstes optisches Element, das auf dem Wellenleiter vorgesehen und so konfiguriert ist, dass es Licht empfängt und in den Wellenleiter einkoppelt. Zum Anzeigen der Abbildungen kann sogenanntes Laser Beam Scanning (LBS) eingesetzt werden.
Die US 2016/0377866 A1 offenbart ein tragbares Heads-up-Display, umfassend einen Abtastlaserprojektor, einen holografischen Kombinierer und einen optischen Teiler, der im optischen Pfad dazwischen angeordnet ist. Der optische Teiler empfängt die vom Abtastlaserprojektor erzeugten Lichtsignale und trennt die Lichtsignale in mehrere Teilbereiche, basierend auf dem Einfallspunkt jedes Lichtsignals am optischen Teiler. Der optische Teiler leitet die Lichtsignale, die den jeweiligen mehreren Teilbereichen entsprechen, auf den holografischen Kombinierer um. Der holografische Kombinierer konvergiert die Lichtsignale und leitet sie zu den jeweiligen räumlich voneinander getrennten Instanzen der Austrittspupille am Auge des Benutzers. Auf diese Weise werden mehrere Instanzen der Austrittspupille über den Bereich des Auges verteilt und die Austrittspupille wird erweitert.
Ein optisches System für eine virtuelle Netzhautanzeige und ein Verfahren zum Projizieren von Bildinhalten auf eine Netzhaut ist aus der DE 10 2021 200 893 A1 bekannt. Das optische System umfasst eine Bildquelle, die einen Bildinhalt liefert, eine Bildverarbeitungseinrichtung, eine Projektoreinheit mit einer Lichtquelle zum Generieren eines Lichtstrahls mit einer ansteuerbaren Ablenkeinrichtung für den mindestens einen Lichtstrahl zur scannenden Projektion des Bildinhalts sowie eine Umlenkeinheit, auf die der Bildinhalt projizierbar ist und die dazu eingerichtet ist, den projizierten Bildinhalt auf ein Auge eines Nutzers zu lenken. Das optische System umfasst darüber hinaus ein optisches Segmentierungselement, mit dessen Hilfe der Bildinhalt über unterschiedliche Abbildungswege auf mindestens einen Projektionsbereich der Umlenkeinheit projizierbar ist und eine optische Replikationskomponente, die in dem mindestens einen Projektionsbereich der Umlenkeinheit angeordnet und dazu eingerichtet ist, den projizierten Bildinhalt repliziert und räumlich versetzt auf das Auge des Nutzers zu lenken, so dass eine Mehrzahl von zueinander räumlich versetzt angeordneten Austrittspupillen mit dem Bildinhalt erzeugt wird.
Bei den vorgenannten Systemen, die mit Mitteln zur Vergrößerung der Austrittspupille ausgestattet sind, wird das von dem Mikroscanner kommende Licht stets auf einen Wellenleiter geschickt und vor oder auf dem Wellenleiter geteilt, um eine Mehrzahl von zueinander räumlich versetzt angeordneten Austrittspupillen zu erzeugen. Bei einer kompakten AR-Brille besteht jedoch das Problem, dass ein solcher Freistrahlbereich an dem Kopf eines Nutzers vorbeigeführt werden muss, wodurch viele Kompromisse beim Design einer solchen AR-Brille notwendig sind. Darüber hinaus wird viel Bauraum für Projektionssysteme und strahlformende Optiken benötigt und die zurückgelegten Strahlwege sind verhältnismäßig lang.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neue Möglichkeit zur Bilderzeugung und Bilddarstellung auf einem Beobachtungsfeld zur AR-Informationsprojektion zu finden, die wenige optische Elemente und wenig Bauraum beansprucht und gleichzeitig eine große Austrittspupille aufweist.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zur Erzeugung und Darstellung von Bildern in einem zur Einblendung von Informationen und Bildern vorgesehenen Beobachtungsfeld, umfassend mindestens eine Lichtquelle zum Aussenden mindestens eines Lichtbündels, einen Mikroscanner zur variablen Ablenkung des mindestens einen Lichtbündels, wobei der Mikroscanner mindestens eine Drehachse für eine rotatorische Schwingbewegung zur Ablenkung des mindestens einen Lichtbündels sowie eine Verkapselung aufweist, die den Mikroscanner hermetisch abschließt, und einen Pupillenvervielfacher, der durch Amplituden-Teilerflächen, an denen das Lichtbündel mehrfach zumindest anteilig reflektiert wird, oder durch diffraktive Strukturen, an denen das Lichtbündel gebeugt wird, gebildet ist und der in oder an der Verkapselung des Mikroscanners so angebracht ist, dass das mindestens eine von dem Mikroscanner abgelenkte Lichtbündel in ein erstes Teillichtbündel und mindestens ein zweites Teillichtbündel aufgeteilt ist, wobei das erste Teillichtbündel und das mindestens eine zweite Teillichtbündel in unterschiedliche benachbarte Bereiche des Beobachtungsfelds gerichtet sind und aneinander angepasste Intensitäten aufweisen.
Die Verkapselung des Mikroscanners ist generell zum Schutz der beweglichen mechanischen und optischen Komponenten des Mikroscanners vorgesehen und unverzichtbar, um ihn vor äußeren Einflüssen und Verschmutzungen zu schützen. Durch die Erfindung kann die Verkapselung einer weiteren Funktionalität zugeführt werden, um Stabilität und Kompaktheit von AR-Bilderzeugung und -darstellung weiter zu erhöhen.
Durch den Pupillenvervielfacher bleibt die Größe der Austrittspupille der Vorrichtung zur Erzeugung und Darstellung von Bildern bzw. der Projektionsvorrichtung gleich, während die Kompaktheit der Projektionsvorrichtung verbessert wird. Alternativ kann bei gleichbleibender Kompaktheit die Austrittspupille vergrößert werden. Der Pupillenvervielfacher ist ein Strahlteiler oder eine Anordnung von Strahlteilern, durch den oder die das Lichtbündel in mehrere, vorzugsweise parallel zueinander verlaufende, Teillichtbündel aufgeteilt wird, oder er ist durch diffraktive Strukturen gebildet, an denen das Lichtbündel gebeugt wird. Die diffraktiven Strukturen können auch als holographische optische Elemente ausgebildet sein.
Die Erzeugung und Darstellung von Bildern ist im Sinne der Erfindung als die Erzeugung und Darstellung von einem Bild, mehreren Bildern oder einer Abfolge von Bildern zu verstehen. Mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung können auch Benutzeroberflächen oder Informationen, wie Wegbeschreibungen, Wetterinformationen oder Nachrichten auf dem Beobachtungsfeld dargestellt werden.
Das Beobachtungsfeld ist vorteilhaft mindestens eine optisch wirksame Fläche, beispielsweise mindestens ein Strahlteiler oder ein holographisches optisches Element (engl.: Holographic Optical Element, kurz: HOE), das in einem Brillenglas einer AR-Brille oder auf einer Frontscheibe eines Kraftfahrzeugs aufgebracht ist. Alternativ kann das Beobachtungsfeld die Netzhaut mindestens eines Auges eines Nutzers sein.
Vorteilhaft umfasst die Vorrichtung mindestens einen Wellenleiter, der flächig ausgebildet ist und zueinander parallel verlaufende Außenflächen aufweist. Mindestens ein Wellenleiter kann durch die parallel verlaufenden Außenflächen der Verkapselung gebildet sein. Der Wellenleiter ist im Wesentlichen plattenförmig und besteht aus einem Material, durch das das von der Lichtquelle emittierte Lichtbündel propagieren kann. Der Wellenleiter kann parallelflächig sein. Das mindestens eine Lichtbündel propagiert bevorzugt durch Totalreflektion an den Außenflächen des Wellenleiters. Dazu muss das Lichtbündel unter einem Winkel, der größer als ein Winkel der Totalreflexion ist, in den Wellenleiter eingekoppelt werden. Der Winkel der Totalreflexion hängt von dem Material ab, aus dem der Wellenleiter besteht. Der mindestens eine Wellenleiter kann aus mehreren Schichten oder aus nur einer Schicht bestehen. Bevorzugt ist der Wellenleiter eine Platte aus Glas oder transparentem optischem Kunststoff. Besonders bevorzugt ist der Wellenleiter ein Brillenglas einer AR-Brille oder die Frontscheibe eines Kraftfahrzeugs.
An dem Wellenleiter kann zudem mindestens ein Deckglas aufgebracht sein, das die Außenseite des Wellenleiters vor äußeren Einflüssen schützt. Besonders bevorzugt ist auf beiden Außenseiten des Wellenleiters ein Deckglas aufgebracht.
Im Strahlengang des Lichtbündels ist, wenn die Lichtquelle ein divergentes Lichtbündel aussendet, vorzugsweise vor dem Mikroscanner ein Kollimationselement eingebracht. Im Strahlengang des Lichtbündels kann außerdem ein optisches Element zur Korrektur von Aberrationen und/oder zur Strahlformung eingebracht sein. Besonders bevorzugt ist das Kollimationselement gleichzeitig zur Korrektur von Aberrationen und zur Strahlformung ausgelegt. Auf diese Weise werden nur sehr wenig optische Elemente im Strahlengang des Lichtbündels benötigt, um dieses zu kollimieren, zu korrigieren und zu formen.
Vorteilhaft ist zwischen dem Mikroscanner und dem Wellenleiter ein Einkoppelelement angeordnet, durch welches das mindestens eine Lichtbündel in den Wellenleiter einkoppelbar ist. Das Einkoppelelement ist also dazu ausgelegt, das von dem Mikroscanner kommende Lichtbündel in den Wellenleiter einzukoppeln. Durch das Einkoppelelement können gleichzeitig Bildfehler und Ablenkungen des Lichtbündels, die an einer Eintrittsfläche des Wellenleiters entstehen, verringert oder vermieden werden.
In oder an dem Wellenleiter kann außerdem mindestens ein Auskoppelelement angebracht sein, an dem das mindestens eine Teillichtbündel aus dem Wellenleiter auskoppelbar ist. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn das Lichtbündel durch Totalreflexion an den Außenseiten des Wellenleiters durch den Wellenleiter propagiert. In diesem Fall findet an den Auskoppelelementen keine Totalreflexion statt und das Lichtbündel wird durch die Austrittsfläche transmittiert. Dazu kann das Auskoppelelement oder die Auskoppelelemente beispielsweise dieselbe Brechzahl wie der Wellenleiter und eine senkrecht zu dem Lichtbündel verlaufende Ebene aufweisen.
Die Teilerflächen können durch eine das mindestens eine Lichtbündel reflektierende erste Außenfläche der Verkapselung und eine für das mindestens eine Lichtbündel teilweise durchlässige und reflektierende zweite Außenfläche der Verkapselung gebildet sein. Ein Reflexionsvermögen der zweiten Außenfläche kann in der Richtung, wobei ein Reflexionsvermögen der zweiten Außenfläche in einer Richtung, in die die mindestens zwei Teillichtbündel entlang der Verkapselung propagieren, abnehmen. Das Reflexionsvermögen der zweiten Außenfläche nimmt in der Richtung, in die das mindestens eine Lichtbündel entlang der Verkapselung propagiert, so ab, dass alle Teillichtbündel im Wesentlichen dieselbe Intensität aufweisen. In diesem Fall sind keine zusätzlichen Teilerflächen notwendig. Es ist jedoch mit einer solchen Anordnung ohne das Einbringen zusätzlicher optischer Elemente nicht möglich, das Lichtbündel entlang mehrerer Richtungen aufzuspalten.
Um das Lichtbündel entlang der Verkapselung in mehr als einer Richtung aufzuspalten, können weitere Teilerflächen in die Verkapselung eingebracht sein. In diesem Fall kann ein Reflexionsvermögen bzw. Teilungsverhältnis der weiteren Teilerflächen in der Richtung, in die das mindestens eine Lichtbündel entlang der Verkapselung propagiert, abnehmen. Das Reflexionsvermögen der weiteren Teilerflächen nimmt in der Richtung, in die das mindestens eine Lichtbündel entlang der Verkapselung propagiert, so ab, dass alle Teillichtbündel im Wesentlichen dieselbe Intensität aufweisen.
Prinzipiell können auch die erste und/oder die zweite Außenfläche der Verkapselung als Teilerfläche wirken und/oder zusätzliche Teilerflächen in den Wellenleiter eingebracht sein, um das Lichtbündel mit möglichst wenigen optischen Elementen entlang mehr als einer Richtung aufzuspalten.
Vorteilhaft ist in oder an dem Wellenleiter ein weiterer Pupillenvervielfacher angebracht, sodass das erste Teillichtbündel und das mindestens eine zweite Teillichtbündel noch weiter aufgespalten werden. Der weitere Pupillenvervielfacher kann analog zu dem Pupillenvervielfacher ausgebildet sein. Es können auch hier die Außenflächen des Wellenleiters Teilerflächen des weiteren Pupillenvervielfachers sein.
Der Mikroscanner kann insbesondere als mikro-elektro-mechanisches System (MEMS) ausgebildet und dazu ausgelegt sein, eine nichtlineare Lissajous-Projektion in das Beobachtungsfeld zu bewirken. Der Mikroscanner ist so ausgebildet, um das Lichtbündel über das Beobachtungsfeld zu scannen, wodurch auf dem Beobachtungsfeld ein Bild erzeugt wird. Durch das Scannen des mindestens einen Lichtbündels entlang einer Lissajous-Figur können hunderte Teilbilder gleichzeitig verarbeitet werden und eine flüssigere Bewegungsdarstellung ermöglicht werden. Außerdem werden Artefakte bei der dreidimensionalen Wahrnehmung von sich schnell bewegenden Objekten durch den Nutzer stark reduziert.
Besonders vorteilhaft ist der Mikroscanner um genau zwei Drehachsen, die orthogonal zueinander sind, für rotatorische Schwingbewegungen ausgebildet und oszilliert mit seiner Eigenfrequenz um die beiden Drehachsen. Der Mikroscanner kann auch für eine rotatorische Schwingbewegung nur um eine Drehachse ausgebildet sein, wobei im letzteren Fall die Lichtquelle derart ausgebildet ist, um mehrere nebeneinander angeordnete Lichtbündel zeilenartig zu emittieren.
Vorteilhaft ist die mindestens eine Lichtquelle eine Laserdiode, die als Kantenemitter, Oberflächenemitter ausgebildet ist oder eine fasergekoppelte Laserlichtquelle. Oberflächenemitter und fasergekoppelte Lichtquellen haben den Vorteil, dass die von diesen Lichtquellen emittierten Lichtbündel in der Regel weniger divergent als die von Kantenemittern emittierten Lichtbündel sind. Dafür sind die Anschaffungskosten von Oberflächenemittern und fasergekoppelten Lichtquellen in der Regel deutlich höher als die von Kantenemittern.
Die mindestens eine Lichtquelle kann so ausgebildet sein, um mehrere Lichtbündel mit paarweise voneinander verschiedenen spektralen Zusammensetzungen zu emittieren. Alternativ kann die mindestens eine Lichtquelle durch weitere gleichartige Lichtquellen ergänzt werden, sodass mehrere Lichtbündel mit derselben spektralen Zusammensetzung emittiert werden. Durch ein zusätzliches optisches Element kann vorzugsweise der Abstand der von der Lichtquelle oder den Lichtquellen emittierten Lichtbündel zueinander eingestellt werden. Das Verwenden einer Lichtquelle, die mehrere Lichtbündel emittiert, oder mehrerer Lichtquellen ist insbesondere dann sinnvoll, wenn der Mikroscanner um nur eine Drehachse drehbar ausgebildet ist, da dann durch ein gleichzeitiges Ansteuern von Zeilenlichtquelle und Mikroscanner ein Bild in zwei Dimensionen erzeugt werden kann.
Die Aufgabe wird weiterhin durch eine Augmented-Reality-Brille, enthaltend eine Vorrichtung zur Erzeugung und Darstellung von Bildern gemäß einer der beschriebenen Ausführungen, gelöst.
Die Erfindung soll nachfolgend durch Ausführungsbeispiele anhand von Zeichnungen näher beschrieben werden. Hierzu zeigen:

1 Eine Seitenansicht einer ersten Ausführung einer Vorrichtung zur Erzeugung und Darstellung von Bildern in einem Beobachtungsfeld,
2 eine Ansicht einer zweiten Ausführung der Vorrichtung zur Erzeugung und Darstellung von Bildern in dem Beobachtungsfeld,
3 eine Ansicht einer dritten Ausführung der Vorrichtung zur Erzeugung und Darstellung von Bildern in dem Beobachtungsfeld,
4A eine erste Ansicht einer vierten Ausführung der Vorrichtung zur Erzeugung und Darstellung von Bildern in dem Beobachtungsfeld,
4B eine zweite Ansicht einer vierten Ausführung der Vorrichtung zur Erzeugung und Darstellung von Bildern in dem Beobachtungsfeld,
5 eine Ansicht einer fünften Ausführung der Vorrichtung zur Erzeugung und Darstellung von Bildern in dem Beobachtungsfeld,
6 eine Seitenansicht einer sechsten Ausführung der Vorrichtung zur Erzeugung und Darstellung von Bildern in dem Beobachtungsfeld mit einem weiteren Wellenleiter.

In 1 ist eine erste Ausführung einer Vorrichtung zur Erzeugung und Darstellung von Bildern in einem Beobachtungsfeld 10 gezeigt.
Die erste Ausführung umfasst eine Lichtquelle 1 zum Aussenden mindestens eines Lichtbündels 3 in Richtung eines Mikroscanners 4. Die Lichtquelle 1 ist bei der ersten Ausführung als stark divergente Laserdiode, beispielsweise in Form eines Kantenstrahlers, ausgebildet und oberhalb eines Mikroscanners 4 angeordnet. Das Lichtbündel 3 trifft nach dem Austritt aus der Lichtquelle 1 auf ein Kollimationselement 2, das dazu ausgelegt ist, das divergente Lichtbündel 3 zu kollimieren oder zumindest teilweise zu kollimieren und zu formen.
Der Mikroscanner 4 ist zur variablen Ablenkung des Lichtbündels 3 ausgelegt und weist mindestens eine Drehachse für eine rotatorische Schwingbewegung zur Ablenkung des Lichtbündels 3 auf. Er ist vorzugsweise als mikro-elektro-mechanisches System ausgebildet und dazu ausgelegt, eine nichtlineare Lissajous-Projektion in das Beobachtungsfeld 10 zu bewirken. Der Mikroscanner 4 weist eine Verkapselung 5 auf, die generell zum Schutz vor äußeren Einflüssen und Verschmutzungen ist. Die Verkapselung 5 ist flächig ausgebildet und weist zueinander parallel verlaufende Außenflächen auf.
Das nach dem Kollimationselement 2 kollimierte Lichtbündel 3 trifft anschließend auf die Verkapselung 5, durch die es transmittiert wird, und auf den Mikroscanner 4, wobei der Mikroscanner 4 einen Scanspiegel aufweist, der von einer Verkapselung 5 eingeschlossen ist. An dem Scanspiegel des Mikroscanners 4 wird das Lichtbündel 3 abgelenkt. Der Scanspiegel weist einen Scanbereich auf, innerhalb dessen das Lichtbündel 3 abgelenkt werden kann. Der Scanbereich kann den gesamten Halbraum über dem Scanspiegel umfassen, um im Beobachtungsfeld 10 eine Bilddarstellung zu projizieren. Das Beobachtungsfeld 10 ist in 1 und in den folgenden Figuren jeweils nur schematisch dargestellt. Die Vorrichtung zur Erzeugung und Darstellung von Bildern in einem Beobachtungsfeld 10 ist im Folgenden auch als Projektionsvorrichtung bezeichnet.
Die Projektionsvorrichtung umfasst weiterhin einen Pupillenvervielfacher 6 (in 1 nicht konkret dargestellt), der in die Verkapselung 5 eingebracht ist. Durch den Pupillenvervielfacher 6 wird das Lichtbündel 3 in mehrere, hier beispielhaft drei Teillichtbündel 3₁-3₃ entlang einer Ebene aufgespalten, wobei die Teillichtbündel 3₁-3_i in unterschiedliche Bereiche des Beobachtungsfelds 10 gerichtet sind und im Wesentlichen gleiche Intensitäten und Strahlformen aufweisen. Auch wenn in 1 nur drei Teillichtbündel 3₁ bis 3₃ dargestellt sind, kann die Anzahl der Teillichtbündel 3_i, in die das Lichtbündel 3 durch den Pupillenvervielfacher 6 aufgeteilt wird, beliebig gewählt werden. Bevorzugt beträgt die Anzahl der Teillichtbündel 3_i zwischen zwei und hundert. Die Anzahl der Teillichtbündel 3_i hängt insbesondere von der Größe einer Austrittspupille ab, in die die Projektionsvorrichtung Bilder projizieren soll.
In 2 ist eine zweite Ausführung der Projektionsvorrichtung dargestellt, bei der eine fasergekoppelte Lichtquelle 1 ein divergentes Lichtbündel 3 liefert, das durch das Kollimationselement 2 kollimiert wird. Bei dieser zweiten Ausführung ist der Pupillenvervielfacher 6 durch Teilerflächen 7, konkret durch eine das Lichtbündel 3 reflektierende erste Außenfläche 7₁ der Verkapselung 5 und eine für das Lichtbündel 3 teilweise durchlässige und reflektierende zweite Außenfläche 7₂ der Verkapselung 5, gebildet.
Die Teillichtbündel 3₁ und 3₂ verlaufen in 2, wie schon in 1, parallel zueinander und das Lichtbündel 3 wird in nur einer Richtung aufgespalten. Die Projektionsvorrichtung ist durch einen Schichtaufbau gebildet, wobei die einzelnen Schichten auf einem Wafer aufgebracht sein können. In 2 ist als unterste Schicht ein solcher Wafer gezeigt. Auf dem Wafer ist eine Schicht, die den Mikroscanner 4 enthält, und darüber die Verkapselung 5 aufgebracht. Die Verkapselung 5 ist transparent für das von der Lichtquelle 1 kommende Lichtbündel 3.
3 zeigt eine dritte Ausführung der Projektionsvorrichtung. Das in die Verkapselung 5 einfallende Lichtbündel 3 wird, nachdem es durch den Mikroscanner 4 abgelenkt worden ist, durch eine schräge Außenfläche 7₃ in eine Propagationsrichtung abgelenkt und gleichzeitig in vier Teillichtbündel 3_i aufgespalten. Auch bei der zweiten Ausführung sind die das Lichtbündel 3 reflektierende erste Außenfläche 7₁ der Verkapselung 5 und die für das Lichtbündel 3 teilweise durchlässige und reflektierende zweite Außenfläche 7₂ der Verkapselung 5 Bestandteil des Pupillenvervielfachers 6. Durch die erste Außenfläche 7₁ und die zweite Außenfläche 7₂ werden die Teillichtbündel 3_i weiter in insgesamt acht sekundäre Teillichtbündel 3₅-3₁₂ aufgespalten. Die sekundären Teillichtbündel 3₅-3₈ propagieren nach dem Verlassen der Verkapselung 5 durch die Austrittsfläche bzw. die zweite Außenfläche 7₂ der Verkapselung 5 in Richtung des hier nicht dargestellten Beobachtungsfeldes 10.
Bei der dritten Ausführung schließt die Verkapselung 5 den Mikroscanner 4, wie auch schon bei den ersten beiden Ausführungen, hermetisch ab, um ihn vor äußeren Einflüssen und Verschmutzung zu schützen, und stellt zugleich die verwendeten Teilerflächen 7 als Amplitudenteiler für den Pupillenvervielfacher 6 zur Verfügung.
In 4A und 4B ist jeweils Varianten einer vierten Ausführung der Projektionsvorrichtung abgebildet. Bei der vierten Ausführung sind die Teilerflächen 7 in die Verkapselung 5 eingebracht und die Reflexionsvermögen der einzelnen parallel hintereinanderliegenden Teilerflächen 7₄ bzw. 7₅ nehmen entlang des Strahlengangs des Lichtbündels 3 in der Verkapselung 5 ab.
In 4A ist der Strahlengang des Lichtbündels 3 nur bis zu dem Mikroscanner 4 (nicht dargestellt) und der Strahlengang aller Teillichtbündel 3_i nur nach dem Austritt aus der Verkapselung 5 dargestellt, um die in die Verkapselung 5 eingebrachten Teilerflächen 7 besser kenntlich zu machen. Das Lichtbündel 3 fällt auch hier auf den Mikroscanner 4 ein und wird von diesem in Richtung einer reflektierenden Fläche 11 abgelenkt. Die reflektierende Fläche 11 ist in die Verkapselung 5 eingebracht, um das Lichtbündel 3 in Richtung des Pupillenvervielfachers 6, der aus insgesamt sechs Teilerflächen 7 gebildet ist, abzulenken. Dabei teilen die drei ersten Teilerflächen 7₄ das Lichtbündel 3 in drei Teillichtbündel 3_i (nicht dargestellt) auf und lenken die drei primären Teillichtbündel 3_i in Richtung der drei zweiten Teilerflächen 7₅ ab. Die zweiten Teilerflächen 7₅ teilen die drei primären Teillichtbündel 3_i in neun sekundäre Teillichtbündel 3₅-3₁₃ auf und lenken diese in Richtung des Beobachtungsfeldes 10 ab, wodurch ein Array von drei mal drei sekundären Teillichtbündeln 3₅-3₁₃ entsteht. Die neun sekundären Teillichtbündel 3₅-3₁₃ weisen eine aneinander angepasste Intensität sowie gleiche Strahlform auf.
Der Strahlengang des Lichtbündels 3 ist in 4B nur bis zu der reflektierenden Fläche 11 dargestellt. Nachdem das Lichtbündel 3 auf den nicht dargestellten Scanspiegel des Mikroscanners 4 trifft, wird es durch die reflektierende Fläche 11 in Richtung der drei ersten Teilerflächen 7₄ abgelenkt, dort in drei primäre Teillichtbündel 3_i (nicht eingezeichnet) aufgeteilt und in Richtung der zweiten Teilerflächen 7₅ abgelenkt sowie anschließend an den zweiten Teilerflächen 7₅ nochmals dreifach aufgeteilt und -wie in 4A als neun sekundäre Teillichtbündel 3₅-3₁₃ - nach oben ausgekoppelt (in 4B nicht gezeichnet).
5 zeigt eine fünfte Ausführung der der Vorrichtung zur Erzeugung und Darstellung von Bildern in dem nicht dargestellten Beobachtungsfeld 10. In 5 ist auch die Lichtquelle 1 nicht dargestellt, sondern nur das bereits kollimierte und geformte Lichtbündel 3. Das Lichtbündel 3 trifft auf die Verkapselung 5 und wird durch die Verkapselung 5 zum Mikroscanner 4 transmittiert. Von dem Mikroscanner 4 wird das Lichtbündel 3 abgelenkt bzw. gescannt und trifft auf eine erste diffraktive Struktur 12, an der es in neun primäre Teillichtbündel 3₁-3₉ aufgeteilt wird. Die neun primären Teillichtbündel 3₁-3₉ treffen anschließend auf eine zweite diffraktive Struktur 13, die wie die erste diffraktive Struktur 12 in die Verkapselung 5 eingebracht ist, und werden jeweils in neun sekundäre Teillichtbündel 3₁₀-3₉₀ aufgespalten. Die 81 sekundären Teillichtbündel 3_10-90 verlassen die Verkapselung 5 anschließend in Richtung des Beobachtungsfeldes 10. Die diffraktiven Strukturen 12 und 13 können beispielsweise flächige Gitter oder dreidimensionale holographische Elemente sein.
In der in 6 gezeigten sechsten Ausführung der Vorrichtung zur Erzeugung und Darstellung von Bildern in dem Beobachtungsfeld 10 ist die Lichtquelle 1 eine fasergekoppelte Lichtquelle. Das divergente Lichtbündel 3 tritt in einen Wellenleiter 14 ein, der zwischen der Lichtquelle 1 und dem Mikroscanner 4 angeordnet ist, und wird durch ein in dem Wellenleiter 14 angeordnetes Kollimationselement 2 kollimiert. Das kollimierte Lichtbündel 3 wird durch die Verkapselung 5 transmittiert und trifft auf den Mikroscanner 4. Die Verkapselung 5 ist bei der sechsten Ausführung als halbkreisförmige Kuppel über dem Mikroscanner 4 ausgeführt. Durch den Mikroscanner 4 wird das Lichtbündel 3 abgelenkt und trifft erneut auf die Verkapselung 5. Die Verkapselung 5 enthält einen Pupillenvervielfacher 6 (nicht dargestellt) und teilt das Lichtbündel 3 bei seinem zweiten Auftreffen senkrecht zur Zeichenebene in vier primäre Teillichtbündel 3₁-3₄ auf. Der Pupillenvervielfacher 6 ist nur in dem Bereich der Verkapselung 5 angeordnet, in den das Lichtbündel 3 durch den Mikroscanner 4 abgelenkt wird. Die vier primären Teillichtbündel 3₁-3₄ werden durch ein Einkoppelelement 8 in den Wellenleiter 14 eingekoppelt und durch Totalreflexion an einer Außenseite des Wellenleiters 14 reflektiert. In dem Wellenleiter 14 werden die vier primären Teillichtbündel 3₁-3₄ in sechszehn sekundäre Teillichtbündel 3₅-3₂₀ aufgeteilt, die durch ein Auskoppelelement 9 senkrecht zu der anderen Außenfläche des Wellenleiters 14 aus dem Wellenleiter 14 in Richtung des Beobachtungsfelds 1 ausgekoppelt werden. Das Einkoppelelement 8 sowie das Auskoppelelement 9 können beispielsweise als Echellegitter oder Blazegitter (Slanted Edge Grating) ausgebildet sein.
Bezugszeichenliste

1: Lichtquelle
2: Kollimationselement
3: Lichtbündel
3i: Teillichtbündel
31-34: (primäre) Teillichtbündel
35-313: sekundäre Teillichtbündel
310-390: sekundäre Teillichtbündel
4: Mikroscanner
5: Verkapselung (des Mikroscanners)
6: Pupillenvervielfacher
7: Teilerfläche (Amplitudenteiler)
71: erste Außenfläche
72: zweite Außenfläche
73: schräge Außenfläche
74: erste Teilerfläche
75: zweite Teilerfläche
8: Einkoppelelement
9: Auskoppelelement
10: Beobachtungsfeld
11: reflektierende Fläche
12: (erste) diffraktive Struktur
13: (zweite) diffraktive Struktur
14: (weiterer) Wellenleiter

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102021116151 B3 [0004]
WO 2021122948 A1 [0008]
US 20160377866 A1 [0009]
DE 102021200893 A1 [0010]

Claims

Vorrichtung zur Erzeugung und Darstellung von Bildern in einem zur Einblendung von Informationen und Bildern vorgesehenen Beobachtungsfeld, umfassend: - mindestens eine Lichtquelle (1) zum Aussenden mindestens eines Lichtbündels (3), - einen Mikroscanner (4) zur variablen Ablenkung des mindestens einen Lichtbündels (3), wobei der Mikroscanner (4) mindestens eine Drehachse für eine rotatorische Schwingbewegung zur Ablenkung des mindestens einen Lichtbündels (3) sowie eine Verkapselung (5) aufweist, die den Mikroscanner (4) hermetisch abschließt, und - einen Pupillenvervielfacher (6), der durch Amplituden-Teilerflächen (7), an denen das Lichtbündel (3) mehrfach zumindest anteilig reflektiert wird, oder durch diffraktive Strukturen (12, 13), an denen das Lichtbündel (3) gebeugt wird, gebildet ist und der in oder an der Verkapselung (5) so angebracht ist, dass das mindestens eine von dem Mikroscanner (4) abgelenkte Lichtbündel (3) in ein erstes Teillichtbündel (3₁) und mindestens ein zweites Teillichtbündel (3₂) aufgeteilt ist -wobei das erste Teillichtbündel (3₁) und das mindestens eine zweite Teillichtbündel (3₂) in unterschiedliche benachbarte Bereiche des Beobachtungsfelds (10) gerichtet sind und aneinander angepasste Intensitäten aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Vorrichtung einen Wellenleiter (14), der flächig ausgebildet ist und zueinander parallel verlaufende Außenflächen aufweist, umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei zwischen dem Mikroscanner (4) und dem Wellenleiter (14) ein Einkoppelelement (8) angeordnet ist, durch welches das mindestens eine Lichtbündel (3) in den Wellenleiter (14) einkoppelbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, wobei in oder an dem Wellenleiter (14) ein Auskoppelelement (9) angebracht ist, an dem mindestens ein Teillichtbündel (3_i) aus dem Wellenleiter (14) auskoppelbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Teilerflächen (7) durch eine das mindestens eine Lichtbündel (3) reflektierende erste Außenfläche (7₁) der Verkapselung (5) und eine für das mindestens eine Lichtbündel (3) teilweise durchlässige und reflektierende zweite Außenfläche (7₂) der Verkapselung (5) gebildet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei ein Reflexionsvermögen der zweiten Außenfläche (7₂) in einer Richtung, in die die mindestens zwei Teillichtbündel (3_i) entlang der Verkapselung (5) propagieren, abnimmt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei die Teilerflächen (7) als innere Teilerflächen in die Verkapselung (5) eingebracht sind.
Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei ein Reflexionsvermögen der inneren Teilerflächen (7) in einer Richtung, in die die mindestens zwei Teillichtbündel (3_i) entlang der Verkapselung (5) propagieren, abnimmt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, wobei in oder an dem Wellenleiter (14) ein weiterer Pupillenvervielfacher (6) angebracht ist, sodass das erste Teillichtbündel (3₁) und das mindestens eine zweite Teillichtbündel (3₂) noch weiter aufgespalten werden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Mikroscanner (4) als mikro-elektro-mechanisches System ausgebildet und dazu ausgelegt ist, eine nichtlineare Lissajous-Projektion in das Beobachtungsfeld (10) zu bewirken.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die mindestens eine Lichtquelle (1) als Kantenemitter, Oberflächenemitter oder als fasergekoppelte Lichtquelle ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 11, wobei der Wellenleiter (14) ein Brillenglas einer Augmented-Reality-Brille ist.
Augmented-Reality-Brille, enthaltend eine Vorrichtung zur Erzeugung und Darstellung von Bildern nach einem der Ansprüche 1 bis 12.