DE102018219477A1 - Verfahren zum Durchführen einer virtuellen Netzhautanzeige und Umlenkelement für eine virtuelle Netzhautanzeige - Google Patents

Abstract

Verfahren zum Durchführen einer virtuellen Netzhautanzeige, bei dem mit einer Lichterzeugungseinheit ein Lichtstrahl erzeugt wird, der auf ein Reflexionselement geleitet wird, das dazu eingerichtet ist, ein Strahlenbündel (208) zu erzeugen, das über ein Umlenkelement (202) durch eine Pupille eines Auges (200) auf die Netzhaut des Auges (200) projiziert wird, so dass auf der Netzhaut ein virtuelles Bild erzeugt wird, wobei Kegelachsen für Lichtkegel einzelner Eyeboxen bezüglich verschiedener Blickrichtungen ausgerichtet werden.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Durchführen einer virtuellen Netzhautanzeige und ein Umlenkelement für eine virtuelle Netzhautanzeige.
• Stand der Technik
• Aus der Druckschrift DE 10 2015 213 376 A1 ist eine Projektionsvorrichtung für eine Datenbrille bekannt, die zumindest eine Lichtquelle zum Aussenden eines Lichtstrahls und zumindest ein an einem Brillenglas der Datenbrille angeordnetes holografisches Element zum Projizieren eines Bilds auf eine Netzhaut eines Nutzers der Datenbrille durch Umlenken und/oder Fokussieren des Lichtstrahls auf eine Augenlinse des Nutzers aufweist.
• Offenbarung der Erfindung
• Vor diesem Hintergrund werden ein Verfahren gemäß Anspruch 1 sowie ein Umlenkelement mit den Merkmalen des Anspruchs 8 vorgestellt. Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und aus der Beschreibung.
• Die Retina bzw. Netzhaut, die auch als innere Augenhaut bezeichnet wird, ist das mehrschichtige, spezialisierte Nervengewebe, das die Innenseite des Auges auskleidet. In der Retina wird das einfallende Licht, nachdem es die Hornhaut, die Linse und den Glaskörper des Auges durchquert hat, in Nervenimpulse umgeleitet. Die Retina stellt damit eine Art Projektionsfläche für die Abbildung der Umgebung, ähnlich einer Leinwand oder einem lichtempfindlichen Film, dar und leitet die durch Lichtreize hervorgerufenen Erregungen weiter an Hirnregionen.
• Mit dem Begriff virtuelle Netzhautanzeige (VNA, engl. Virtual Scan Display, Retinal Scan(ner) Display oder auch Retinal Image Display) wird eine Anzeigetechnologie bezeichnet, die ein Rasterbild direkt auf die Netzhaut des Auges zeichnet. Der Nutzer bekommt dabei den Eindruck einer vor ihm schwebenden Leinwand.
• Anordnungen zur Durchführung einer virtuellen Netzhautanzeige, die hierin auch als Retina Scanner Displays (RSD) bezeichnet werden, werden in freihändig am oder auf dem Kopf tragbaren Anzeigensystemen, sogenannten Helmet-Mounted Displays (HMD) bzw. Head-Worn Displays (HWD), eingesetzt. Die Retina Scanner Display Technologien ermöglichen es, leichte, schlanke Augmented Reality-(AR)-Brillen (Augmented Reality: erweiterte Realität) mit ansprechendem Design ähnlich einer Korrektur- oder Sonnenbrille herzustellen und den Nutzer mit eingeblendeten Informationen, die z. B. die Wahrnehmung der realen Umwelt überlagern oder ergänzen, zu versorgen. Ein typischer Ansatz hierfür ist das Abtasten bzw. Scannen mindestens eines Laserstrahls mittels eines MEMS-Spiegels (MEMS: Mikroelektromechanisches System) über ein Umlenkelement.
• Das Grundprinzip der virtuellen Netzhautanzeige besteht darin, dass mindestens ein Laserstrahl derart mittels z. B. mindestens eines beweglich gelagerten Reflexionselements, bspw. eines Spiegels, abgetastet bzw. gescannt und über ein Umlenkelement, wie bspw. ein holografisch optisches Element (HOE) oder einen Freiformspiegel, geleitet wird, dass ein Knotenpunkt in der Position der Pupille (Iris) des Nutzers entsteht. Durch Bewegung des Spiegels kann der durch die Augenlinse tretende Strahl über die Netzhaut gescannt werden, so dass bei entsprechender Ansteuerung der Laserquellen in Abhängigkeit von der Spiegelposition gezielt Lichtreize auf der Retina und damit Bildeindrücke von virtuellen Objekten erzeugt werden können.
• Das vorgestellte Umlenkelement ist typischerweise eine Komponente einer Anordnung zum Durchführen einer virtuellen Netzhautanzeige, wobei die Anordnung regelmäßig neben dem Umlenkelement eine Lichterzeugungseinheit und ein Reflexionselement, bspw. einen MEMS-Spiegel, umfasst. Diese Anordnung mit dem besonders ausgestalteten Umlenkelement ist ebenfalls Gegenstand der hierin vorgestellten Erfindung.
• Mit dem vorgestellten, insbesondere holografischen Umlenkelement ist es möglich, die Netzhaut eines Auges zu erfassen bzw. zu scannen und/oder auf die Netzhaut Bilder zu projizieren. Hierzu ist vorgesehen, sogenannte Eyeboxen auf die Netzhaut zu projizieren. Unter einer Eyebox, die auch als Austrittspupille (engl.: Exit Pupil) bezeichnet wird, ist der Raumbereich zu verstehen, in dem sich die Pupille des Nutzers befinden muss, um den virtuellen Bildinhalt wahrnehmen zu können.
• Das beschriebene Verfahren dient zum Durchführen einer virtuellen Netzhautanzeige, wobei hierfür typischerweise eine Anordnung zum Durchführen einer virtuellen Netzhautanzeige eingesetzt wird. Diese Anordnung umfasst unter anderem ein Umlenkelement, bspw. ein holografisches Umlenkelement, das mehrere unterschiedliche funktionale Bereiche umfasst.
• In diesem Zusammenhang bezeichnet der Begriff funktionaler Bereich, z. B. in einem bspw. holografischen Umlenkelement, einen geometrischen Bereich, z. B. ein Subhologramm, des Umlenkelements. Ein funktionaler Bereich erfüllt dabei eine definierte optische Funktion für eine definierte Wellenfront oder für definierte Wellenfronten, z. B. die Umlenkung einer ersten einfallenden Wellenfront in eine zweite gebeugte Wellenfront. Insbesondere kommen hier Subhologramme in Betracht, deren Gesamtheit das gesamte Umlenkelement bilden, die aber bspw. lokal die vorzugsweise disjunkten Grundflächen von einem MEMS (MEMS: Microelectromechanical System) ausgehenden kegelförmigen Raumsegmenten bilden. Vom MEMS in diese Raumsegmente bzw. -bereiche gelenktes Laserlicht wird dann von der beugenden Struktur im funktionalen Bereich in einen zugeordneten zweiten Raumbereich abgelenkt. Damit kann z. B. im Falle eines RSD eine sogenannte Austrittspupillenvervielfältigung realisiert werden. Dies kann z. B. realisiert werden, indem unterschiedliche funktionale Bereiche die einfallenden Strahlen wiederum in vorzugsweise getrennte kegelförmige Raumbereiche ablenkt. Dies kann bspw. derart geschehen, dass auch die gebeugten Strahlen wiederum kegelförmig in einem dem funktionalen Bereich zugeordneten, idealerweise punktförmigen Ort, auch Austrittspupille genannt, zusammenlaufen. Ein in der Austrittspupille platziertes Auge kann nun durch Modulation, insbesondere farbliche Zusammensetzung und Helligkeit, im einfachsten Fall durch Ein- und Ausschalten, der auf den funktionalen Bereich einfallenden Strahlen mit Lichtreizen auf der Retina für die Darstellung von virtuellen bzw. überlagerten, bspw. augmentierten, Bildinhalten bedient werden.
• Gemäß dem vorgestellten Verfahren werden die Kegelachsen für die Lichtkegel der einzelnen Eyeboxen bezüglich verschiedener Blickrichtungen ausgerichtet. Dabei ist insbesondere die Positionierung der Vertices verschiedener Eyeboxen auf einer gekrümmten Fläche und nicht nur, wie dies bei bislang bekannten Verfahren der Fall ist, in einer Ebene vorteilhaft. Zudem besteht die Möglichkeit, durch die Neigung der Kegelachsen verschiedener Eyeboxen zueinander die zugehörigen Bereiche auf dem Umlenkelement zu trennen oder den Überlappungsbereich zumindest zu reduzieren.
• Vertex bezeichnet allgemein den Schnittpunkt eines optischen Elements mit der optischen Achse. Im Zusammenhang des beschriebenen Verfahrens bezeichnet Vertex die Spitze des Kegels, der von den gescannten Strahlen gebildet wird und somit die Position der Austrittspupille.
• Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
• Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
• Figurenliste
• 1 zeigt in einer schematischen Darstellung das Abtasten eines Winkelbereichs mit einem Strahl.
• 2 zeigt in einer weiteren schematischen Darstellung das Abtasten eines Winkelbereichs mit einem Strahl.
• 3 zeigt in einer schematischen Darstellung die begrenzende Strahlengeometrie von dem Umlenkelement zu der Netzhaut.
• 4 zeigt in einer schematischen Darstellung eine virtuelle Netzhautanzeige.
• 5 zeigt die Fokussierung von Ausschnitten paralleler Strahlenbündel mit großem Durchmesser.
• 6 zeigt multiple Eyeboxen mit Vertices in einer Ebene und lateralem Versatz der Augenposition.
• 7 zeigt multiple Eyeboxen mit Vertices in einer Ebene und Rotation des Auges.
• 8 zeigt multiple Eyeboxen mit Vertices in einer Ebene und Rotation des Auges bei longitudinalem Versatz von Vertex und Pupille.
• 9 zeigt multiple Eyeboxen mit Vertices auf einer gekrümmten Fläche und Rotation des Auges.
• 10 zeigt multiple Eyeboxen mit Vertices auf einer gekrümmten Fläche und Rotation des Auges sowie lateraler Verschiebung der schräg einfallenden Eyebox.
• 11 zeigt eine Anordnung der Eyebox-Vertices auf einer gekrümmten Fläche zur Optimierung der Ausrichtung der Kegelachse bzgl. der Blickachse und Trennung der Grundflächen der Eyebox-Lichtkegel am Umlenkelement.
• 12 zeigt Eyebox-Vertices für den Blick geradeaus und sekundären Eyebox-Vertices zur Kompensierung von lateralem Versatz.
• 13 zeigt Eyebox-Vertices für Blickrichtungen bei gedrehtem Augapfel und sekundären Eyebox-Vertices zur Kompensierung von lateralem Versatz.
• 14 zeigt die Bedienung einer Pupille mit verschiedenen Eyebox-Vertices für Blickrichtung geradeaus, Blickrichtung bei Geradeausblick und lateralem Versatz und Blickrichtung bei gedrehtem Augapfel.
• 15 zeigt die Bedienung der Pupille mit verschiedenen Eyebox-Vertices für Blickrichtung geradeaus, Blickrichtung bei gedrehtem Augapfel und Blickrichtung bei gedrehtem Augapfel und lateralem Versatz.
• 16 zeigt Eyebox-Vertices für den Blick geradeaus und sekundären Eyebox-Vertices zur Kompensierung von lateralem Versatz mit reduziertem Abstand der Eyebox-Vertices.
• 17 zeigt Eyebox-Vertices für Blickrichtungen bei gedrehtem Augapfel und sekundären Eyebox-Vertices zur Kompensierung von lateralem Versatz mit reduziertem Abstand der Eyebox-Vertices.
• 18 zeigt primäre Eyebox-Vertices für den Blick geradeaus und eine Blickrichtung für einen gedrehten Augapfel und sekundäre Eyebox-Vertices zur Kompensation von lateralem Versatz mit reduziertem Abstand der Eyebox-Vertices.
• 19 zeigt einen Designansatz für Eyebox-Konzepte basierend auf einer Kombination von planaren und gekrümmten Vertex-Flächen.
• 20 zeigt einen Designansatz für Eyebox-Konzepte basierend auf einer Kombination von planaren und gekrümmten Vertex-Flächen.
• 21 zeigt überlappende Umlenkbereiche für verschiedene Eyebox-Ausrichtungen.
• 22 zeigt ein Übersprechen verschiedener Eyebox-Ausrichtungen.
• 23 zeigt eine Geometrie zur Abschätzung des Akzeptanzwinkels in Abhängigkeit von der Pupillengröße.
• 24 zeigt schief einfallende Lichtkegel für verschiedene Eyebox-Positionen.
• 25 zeigt einen lateralen Versatz der Fokuspunkte bei Lichteinfall aus verschiedenen Winkeln.
• Ausführungen der Erfindung
• Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.
• 1 verdeutlicht ein Abtasten bzw. Scannen eines Winkelbereichs mit einem wellenoptischen Strahl oder einem geometrisch optischen Strahlenbündel über einen MEMS-Spiegel (MEMS: Microelectromechanical System), der insgesamt mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet ist. Die Darstellung zeigt weiterhin eine erste MEMS-Spiegelachse 12, eine zweite MEMS-Spiegelachse 14 und ein kollimiertes Strahlenbündel 16 bzw. einen Strahl. Weiterhin ist eine Einhüllende 18 der reflektierten Strahlenbündel oder Strahlen dargestellt.
• 2 verdeutlicht ebenfalls ein Abtasten eines Winkelbereichs mit einem wellenoptischen Strahl oder einem geometrisch optischen Strahlenbündel über einen MEMS-Spiegel (MEMS: Microelectromechanical System), der insgesamt mit der Bezugsziffer 30 bezeichnet ist. Die Darstellung zeigt weiterhin eine erste MEMS-Spiegelachse 32, eine zweite MEMS-Spiegelachse 34 und ein kollimiertes Strahlenbündel 36 bzw. einen Strahl. Weiterhin ist eine Einhüllende 38 der reflektierten Strahlenbündel oder Strahlen dargestellt.
• Das hierin vorgestellte Umlenkelement lenkt einfallendes Licht, wie z. B. das vom Spiegel in einem kegel- oder pyramidenförmigen Raumbereich auseinfallende Licht, derart um, dass die Strahlengänge wiederum, z. B. kegel- oder pyramidenförmig, im Bereich der Pupille des Auges des Nutzers zusammenlaufen. Somit kann in einem maßgeblich vom Auslenkwinkel des Reflexionselements, bspw. einem MEMS-Spiegel, vorgegebenen Winkelbereich der Laserstrahl über die Netzhaut gescannt werden kann.
• 3 zeigt ein Umlenkelement 50 zusammen mit einem Auge 52, das eine Pupille 54 und eine Netzhaut 56 umfasst. Die Darstellung verdeutlicht die begrenzende Strahlengeometrie des Umlenkelements 50 zur Netzhaut 56 für eine Eyebox 58 einer virtuellen Netzhautanzeige. In der Darstellung sind weiterhin gezeigt ein Durchmesser eines Kegels r_cone 60, ein Winkel α 62 und ein Abstand eines Vertex d_vertex 64.
• Der Kegeldurchmesser korreliert mit dem Winkel des Gesichtsfelds α (engl.: Field of View FoV) und der Entfernung zum Vertex. Je größer das Gesichtsfeld im Winkelraum, d. h. je größer α, desto größer ist auch die Grundfläche des Kegels auf dem Umlenkelement 50.
• Die somit auf der Netzhaut erzeugten Lichtreize können, bei entsprechender Koordination von Spiegelposition und Beleuchtung, zur Darstellung von virtuellen Bildinhalten genutzt werden.
• 4 zeigt in schematischer Darstellung eine virtuelle Netzhautanzeige. Zu berücksichtigen ist, dass die Anordnung zum Durchführen der virtuellen Netzhautanzeige durch Verdopplung auch stereoskopisch realisiert werden kann. Die Darstellung zeigt einen ersten Augapfel 70, einen zweiten Augapfel 72, eine erste Pupille 74, eine zweite Pupille 76, einen Augenabstand 78, einen Abstand 80 von Auge zu Brillenglas, ein erstes Brillenglas 82 und ein zweites Brillenglas 84 mit z. B. holografischer Schicht als Umlenker, einen Rahmen 86, ein Packaging 88 für Lichtquelle(n), Mikrospiegel und Elektronik, abgetastete Strahlen 90 und eine Netzhaut 92.
• Aufgrund der begrenzten Pupillenweite ist es notwendig, dass der Vertex des Kegels, der die Einhüllende der umgelenkten Strahlengänge bildet, möglichst mittig in der Pupille liegt, um den Winkelbereich, in dem Strahlen durch die Pupille treten und auf die Netzhaut treffen können, möglichst maximal auszunutzen. Daraus ergeben sich jedoch hohe Anfälligkeiten bezüglich Positionstoleranzen und Augenbewegungen.
• Bekannte Lösungen sehen daher den Einsatz von Laserstrahlen mit Durchmessern vor, die ausreichend groß sind, um die gesamte Pupille und vorzugsweise einen größeren Bereich zur Kompensation von Augenbewegungen zu überdecken. Die verschiedenen möglichen Ausschnitte, die z. B. bei lateralem Versatz auf die Pupille treffen, können dann bspw. geometrisch optisch als Ausschnitte aus einem parallelen Strahlenbündel betrachtet werden, die auf gleiche Weise fokussiert werden. Da nur ein Lichtkegel erzeugt wird, ist dieses Verfahren unanfällig für Drehungen des Auges. Ein großer Nachteil ist allerding der benötigte Strahldurchmesser, da dieser meist durch die Apertur des MEMS-Spiegels begrenzt wird.
• Alternativ können Strahlen mit sehr kleinen Durchmessern verwendet werden, um mehrere Kegel zu bilden, deren Vertices in einer Ebene, meist senkrecht zur Achse des zentralen Kegels beim geradeaus gerichteten Blick, liegen. Bei engen Vertexabständen überlappen sich hier jedoch die einzelnen Kegel auf dem Umlenkelemente, so dass z. B. mehrere Wellenlängen in Kombination mit verschiedenen holografischen Umlenkelementen verwendet werden müssen.
• 5 zeigt die Fokussierung von Ausschnitten paralleler Strahlenbündel mit großem Durchmesser relativ zum Pupillendurchmesser. Hierzu zeigt die Darstellung ein Auge 100, ein Augendurchmesser r_eye 102, ein Durchmesser einer Iris r_iris 104, C_eye 106 und ein Strahlenbündel 108. C_eye bezeichnet das Zentrum des Auges 100.
• 6 zeigt multiple Eyeboxen mit Vertices in einer Ebene und lateralem Versatz der Augenposition. Die Darstellung zeigt ein Auge 120, ein Umlenkelement 122, einen Abstand eines Vertex zum Umlenkelement 122 d_vertex 124, ein Strahlenbündel 128 und zwei Winkel α 130 sowie einen Durchmesser eines Kegels r_cone 132.
• Es wurde erkannt, dass neben den vorstehend genannten technischen Schwierigkeiten, wie z. B. der Begrenzung durch die Spiegel-Apertur bei der Erzeugung einer großen Eyebox oder der Verwendung mehrerer Lichtquellen zur Trennung der Wellenlängen bei mehreren Eyeboxen, sich auch Mängel aus der Geometrie der einfallenden Lichtkegel ergeben, wenn diese alle mit parallelen Achsen angeordnet werden. Diese Anordnung ist im Falle von lateralen Verschiebungen hilfreich, bei Rotationen des Auges kann es jedoch sehr schnell zu Abschattung von Teilen des Winkelbereichs kommen, vor allem wenn der Vertex der Eyebox bzw. Austrittspupille nicht optimal im Bereich der Pupille positioniert ist.
• 7 zeigt multiple Eyeboxen mit Vertices in einer Ebene und Rotation des Auges. Die Darstellung zeigt ein Auge 140, ein Umlenkelement 142, einen Abstand eines Vertex zum Umlenkelement 142 d_vertex 144, ein Strahlenbündel 148 und zwei Winkel α 150 sowie einen Durchmesser eines holgraphischen Umlenkelements r_HOE 152.
• 8 zeigt multiple Eyeboxen mit Vertices in einer Ebene und Rotation des Auges bei longitudinalem Versatz von Vertex und Pupille. Die Darstellung zeigt ein Auge 160, ein Umlenkelement 162, ein Abstand eines Vertex d_vertex 164, ein Strahlenbündel 168 und zwei Winkel α 170 sowie ein Durchmesser eines holgraphischen Umlenkelements r_HOE 172. Der Doppelpfeil 174 zeigt den Abstand vom Vertex des oberen Lichtkegels zum Augapfel bzw. zur Pupille an.
• Es wird nunmehr angestrebt, die Kegelachse bezüglich der Blickrichtung auszurichten, so dass eine optimale Ausnutzung des gescannten Winkelbereichs auf der Netzhaut möglich ist.
• Es ist nunmehr die Ausrichtung der Kegelachsen für die Lichtkegel der einzelnen Eyeboxen bezüglich verschiedener Blickrichtungen vorgesehen. Dabei ist insbesondere die Positionierung der Vertices verschiedener Eyeboxen auf einer gekrümmten Fläche und nicht nur, wie beim Stand der Technik, in einer Ebene, von Vorteil. Zudem besteht die Möglichkeit, durch die Neigung der Kegelachsen verschiedener Eyeboxen zueinander die zugehörigen Bereiche auf dem Umlenkelement zu trennen oder den Überlappungsbereich zumindest zu reduzieren. Es wird hierzu auf die 8 und 9 verwiesen.
• 9 zeigt multiple Eyeboxen mit Vertices auf einer gekrümmten Fläche und Rotation des Auges. Die Darstellung zeigt ein Auge 200, ein Umlenkelement 202, einen Abstand eines Vertex zum Umlenkelement 202 d_vertex 204, ein Strahlenbündel 208 und zwei Winkel α 210 sowie einen Durchmesser eines Kegels r_cone 212.
• 10 zeigt mutiple Eyeboxen mit Vertices auf einer gekrümmten Fläche und Rotation des Auges sowie einer lateralen Verschiebung des schräg einfallenden Eyebox. Die Darstellung zeigt ein Auge 220, ein Umlenkelement 222, einen Abstand eines Vertex zum Umlenkelement 222 d_vertex 224, ein Strahlenbündel 228 und zwei Winkel α 230 sowie einen Durchmesser eines Kegels r_cone 232.
• In einer Ausführungsform können die Eyeboxen für verschiedene Blickrichtungen auf einer gekrümmten Fläche, im einfachsten Fall eines sphärischen Augenmodells auf einer konzentrischen Sphäre mit vergleichbarem Durchmesser, angeordnet werden. Damit sind die Kegelachsen der Eyeboxen kollinear zu den Achsen der Blickrichtungen und der Öffnungskegel kann bei mittiger Platzierung des Kegelvertex in der Pupille den Pupillendurchmesser optimal ausnutzen.
• 11 zeigt die Anordnung der Eyebox-Vertices auf einer gekrümmten Fläche zur Optimierung der Ausrichtung der Kegelachse bzgl. der Blickachse. Die Darstellung zeigt ein Auge 240, ein Umlenkelement 242, einen Abstand eines Vertex zum Umlenkelement 242 d_vertex 244, ein Strahlenbündel 248 und zwei Winkel α 250 sowie einen Durchmesser eines Kegels r_cone 252.
• Eine weitere mögliche Ausführungsform besteht in der Kombination von Kegeln mit parallelen Achsen und geneigten Achsen, um sowohl laterale Verschiebungen als auch Augendrehungen optimal berücksichtigen zu können. Zudem bietet dieser Ansatz die Möglichkeit, das System gegenüber lateralen Verschiebungen tolerant zu machen, und gleichzeitig den Steuerungsaufwand für die Bildgenerierung gering zu halten. Bei einer Erzeugung von separaten Eyeboxen mit parallelen Kegelachsen ist davon auszugehen, dass parallele Strahlenbündel aus verschiedenen Kegeln im gleichen Bereich auf der Netzhaut fokussiert werden, so dass keine aufwändige Regelung für den Fall, das mehrere Eyeboxen gleichzeitig die Pupille bedienen, notwendig ist. Für signifikante Änderungen der Blickrichtung können dann wiederum Gruppen von planar angeordeneten Eyebox-Vertices mit entsprechend gedrehten Kegelachsen verwendet werden.
• 12 und 13 zeigen jeweils eine der primären Eyeboxen und zwei sekundäre Eyeboxen zur Kompensation lateraler Verschiebungen für jeweils verschiedene Blickrichtungen. Die Darstellung zeigen jeweils ein Auge in zwei Positionen 300 und 302, ein Umlenkelement 304, einen Abstand eines Vertex zum Umlenkelement 304 d_vertex 306, ein Strahlenbündel 308 und Winkel α 310 sowie einen Durchmesser eines Kegels r_cone 312.
• Die Kombination von primären und sekundären Eyeboxen für verschieden Blickrichtungen ist in 14 und 15 dargestellt, wobei in diesem Fall teilweise eine deutliche Überlappung der Grundflächen der Einhüllenden verschiedener Eyeboxen zu erkennen ist. In einer weiteren Ausführungsform wird gezeigt, wie diese Überlappung reduziert oder ggf. ganz vermieden werden kann. Die Darstellung zeigen jeweils ein Auge in zwei Positionen 340 und 342, ein Umlenkelement 344, einen Abstand eines Vertex zum Umlenkelement 344 d_vertex 346, ein Strahlenbündel 348 und Winkel α 350 sowie einen Durchmesser eines Kegels r_cone 352.
• Durch Variation verschiedener Designparameter, wie z. B. Abstand primäre und sekundäre Eyebox-Vertices für die Kompensation von lateralem Versatz und den Achswinkel für die primären Eyebox-Vertices bei geänderter Blickrichtung, ergeben sich unterschiedliche Gestaltungsmöglichkeiten zur Berücksichtigung optischer, visueller und fertigungstechnischer Aspekte. So kann z. B. der Bereich, in dem sich die Grundflächen der Eyebox-Kegel oder -Pyramiden auf dem Umlenkelement überlappen, vergrößert oder verkleinert werden. Dies beeinflusst, ob verschiedene Umlenkstrukturen überlagert werden müssen und ob mehrere Eyebox-Vertices von gemeinsamen Flächen des Umlenkelements bedient werden.
• 16 und 17 zeigen die Einhüllenden der Strahlengänge für primäre und sekundäre Eyeboxen für jeweils eine Blickrichtung. Die Darstellung zeigen jeweils ein Auge in zwei Positionen 380 und 382, ein Umlenkelement 384, einen Abstand eines Vertex zum Umlenkelement 384 d_vertex 386, ein Strahlenbündel 388 und Winkel α 390 sowie einen Durchmesser eines Kegels r_cone 392.
• Die Kombination für beide Blickrichtungen ist in 18 dargestellt. Die Darstellung zeigt ein Auge 400, ein Umlenkelement 404, einen Abstand eines Vertex zum Umlenkelement 404 d_vertex 406, ein Strahlenbündel 408 und Winkel α 410 sowie einen Durchmesser eines Kegels r_cone 412.
• Im Vergleich zu der Konfiguration in 14 ist der Bereich sich überlappender Eyebox-Grundflächen für verschiedene Blickrichtungen in 18 deutlich reduziert. Dies wird im Folgenden auch nochmals zusammenfassend erörtert.
• Durch die vorstehend vorgestellten Ausführungsformen wird ebenfalls erreicht, dass die Umlenkflächen für die verschiedenen Blickrichtungen besser, vorzugsweise sogar vollständig, voneinander getrennt werden können. Es wird in diesem Zusammenhang auf die 19 und 20 verwiesen, wobei letztere eine bevorzugte Konfiguration mit fast vollständig getrennten Umlenkflächen für verschiedene Blickrichtungen illustriert.
• In den nachfolgenden Darstellungen sind die Komponenten nicht mehr mit Bezugszeichen versehen, entsprechen aber denen der vorstehenden Figuren.
• 19 zeigt einen Designansatz für Eyebox-Konzepte basierend auf einer Kombination von planaren und gekrümmten Vertex-Flächen. Oben links ist eine Anordnung der Eyebox-Vertices auf einer gekrümmten Fläche zur Optimierung der Ausrichtung der Kegelachse bzgl. der Blickachse bei Augenrotationen gezeigt. unten links ist eine Anordnung der Eyebox-Vertices auf einer ebenen Fläche zur Optimierung der Ausrichtung der Kegelachsen bzgl. der Blickachse bei lateraler Verschiebung gezeigt. Auf der rechten Seite ist eine Kombination einer ebenen und gekrümmten Anordnung der Eyebox-Vertices gezeigt.
• 20 zeigt oben links einen Designansatz für Eyebox-Konzepte basierend auf einer Kombination von planaren und gekrümmten Vertex-Flächen. Oben rechts ist eine Anordnung der Eyebox-Vertices auf einer gekrümmten Fläche zur Optimierung der Ausrichtung der Kegelachse bzgl. der Blickachse bei Augenrotation gezeigt. Unten links ist eine Anordnung der Eyebox-Vertices auf einer ebenen Fläche zur Optimierung der Ausrichtung der Kegelachse bezüglich der Blickachse bei lateraler Verschiebung gezeigt. Auf der rechten Seite ist eine Kombination einer ebenen und gekrümmten Anordnung der Eyebox-Vertices gezeigt.
• In einer weiteren Ausführungsform können die Bildinhalte benachbarter Eyeboxen mit unterschiedlich geneigten Kegelachsen durch eine geeignete Regelung derart optimiert und abgestimmt werden, dass Störeffekte, wie bspw. eine Reduzierung der Auflösung durch Bildversatz oder gar Mehrfachbilder, möglichst unterdrückt werden. Hierbei erweist sich eine Kombination von planaren und gekrümmten Eyebox-Vertex-Anordnungen wiederum als besonders vorteilhaft. Die achsparallelen Eyeboxen erlauben es, in einem Bereich große Pupillendurchmesser ohne Doppelbilder zu bedienen und gleichzeitig laterale Versätze auch bei kleinen Pupillendurchmessern zu kompensieren. Durch eine möglichst weitgehende Reduzierung der gemeinsamen Fläche auf dem Umlenkelement für verschiedene Ausrichtungen der Kegelachsen können zudem Doppelbilder oder negative Einflüsse auf die Bildauflösung unterdrückt oder zumindest reduziert werden. Zudem kann bei Verwendung einer Vorrichtung zur Bestimmung der (Haupt-)Blickrichtung und entsprechender Trennung der Umlenkbereiche für Eyeboxen verschiedener Blickrichtungen eine gezielte Steuerung der Lichtquelle(n) genutzt werden, um nur die für die momentane Blickrichtung relevanten Bereiche des Umlenkelements zu nutzen und damit Störeffekte weiter zu reduzieren oder vorzugsweise zu eliminieren.
• Die Regelung der Bildinhalte und Abstimmung benachbarter Eyeboxen in Abhängigkeit von der Blickrichtung ist auch im einfachsten Fall einer sphärischen Anordnung der Eyebox-Vertices hilfreich. Dies trifft insbesondere zu, wenn sich auf dem Umlenkelement Bereiche verschiedener Eyebox-Ausrichtungen, d. h. unterschiedlich geneigter Kegelachsen, überlagern oder die Pupille von mehr als einem Eyebox-Vertex bedient wird.
• Überlagern sich die Bereiche verschiedener Eyebox-Ausrichtungen auf dem Umlenkelement, so sollte der daraus resultierende Versatz bei der Fokussierung ggf. bei der Bilddarstellung berücksichtigt werden, da dieser z. B. als eine Vergrößerung der Spotgröße wirken kann. Damit ergibt sich auch ein Designansatz, indem für eine maximal tolerierbare Spotvergrößerung der zugehörige Einfallswinkel für den entsprechenden Versatz berechnet wird. Benachbarte Eyeboxen dürfen sich dann in ihrer Ausrichtung nicht um mehr als den so abgeleiteten Winkel unterscheiden.
• Überlagern sich die Bereiche von verschiedenen Eyebox-Ausrichtungen auf dem Umlenkelement nicht oder nur geringfügig, so kann in diesem Fall bspw. die Bildgenerieung derart geregelt werden, dass nur die Bereiche für die momentane Blickrichtung genutzt werden. Dies setzt jedoch den Einsatz einer Vorrichtung zur Bestimmung der Blickrichtung voraus, was für viele Anwendungsfälle und Ausführungsformen aber in vielen Fällen eine notwendige oder zumindest bevorzugte Ausführungsform ist. Ist eine solche Vorrichtung nicht verfügbar, besteht aber immer noch die Möglichkeit, die Bilddarstellung auf einzelne Winkelbereiche einzuschränken, so dass Eyeboxen verschiedener Ausrichtung auf die Darstellung von Bildinhalten getrennter Winkelbereiche beschränkt werden. Dies ist z. B. im Fall einfacher und örtlich bzw. im Winkelraum klar getrennter Bildinhalte wie bspw. Statusanzeigen und Ähnlichem am Rand des Sichtbereichs leicht umsetzbar.
• Durch die voranstehend erläuterten Ausführungsformen oder geeignete Kombinationen können Eyeboxen auch auf gekrümmten oder stückweise ebenen Flächen angeordnet werden.
• Das Vorgehen bei der Gestaltung eines Multi-Eyebox-Umlenkelements für eine virtuelle Netzhautanzeige umfasst dabei die folgenden Schritte:
1. 1. Festlegung einer minimalen Pupillengröße und eines maximalen zu tolerierenden lateralen Versatzes.
2. 2. Ermittlung der resultierenden Anzahl kolinearer Eyebox-Kegel und räumliche Anordnung der Vertices in einer Ebene sowie der korrespondierenden Umlenkbereiche.
3. 3. Festlegung oder Berechnung aus den bekannten Größen der Winkelauflösung für die schrägen Eyeboxen.
4. 4. Festlegung der Geometrie für die Positionierung der schrägen Eyeboxen.
5. 5. Gegebenenfalls Prüfung von Überlappungsbereichen auf dem Umlenkelement.
6. 6. Gegebenenfalls Prüfung von Überlappungsbereichen im Winkelraum des einfallenden Lichts auf dem Umlenkelement.
7. 7. Gegebenenfalls Überprüfung des lateralen Versatzes der Fokuspunkte benachbarter Eyeboxen.
8. 8. Iteration von zumindest Teilen der Schritte 1 bis 7 zur Optimierung des gesamten Systemverhaltens.
• Beispielhafte Ausführungen zur Gestaltung und mögliche Ausführungsformen für Multi-Eyebox-Umlenkelemente sind in den 22 und 23 schematisch dargestellt.
• 21 verdeutlicht, dass überlappende Umlenkbereiche für verschiedene Eyebox-Ausrichtungen zu einem lateralen Versatz des fokussierten Lichts aus verschiedenen Eyeboxen und damit zu einer Spotvergrößerung oder zu Mehrfachbildern führen können, wenn mehrere Eyeboxen in der Pupille liegen. Die Auslegung der Eyebox-Anordnungen und die Regelung der Bildgenerierung sollten entsprechend abgestimmt sein.
• 22 zeigt, dass ein Übersprechen der verschiedenen Eyebox-Ausrichtungen durch die räumliche Trennung der Umlenkbereiche vermieden wird. In diesem Beispiel erfolgt dies auf Kosten der Kolinearität der Hauptachse der zweiten Eyebox zur Sichtachse des rotierten Auges. Tabelle 1: Berechnung des Kegelradius auf dem Umlenkelement für eine Beispielkonfiguration

  d_vertex	Öffnungswinkel	Öffnungswinkel	r_cone	r_cone	r_cone
  [m]	(alpha) [deg]	(alpha) [rad]	[m]	[mm]	[µm]
  0,02	1	0,01745329	0,0003491	0,3491013	349,101299
  0,02	2	0,03490659	0,00069842	0,69841539	698,41539
  0,02	3	0,05235988	0,00104816	1,04815559	1048,15559
  0,02	4	0,06981317	0,00139854	1,39853624	1398,53624
  0,02	5	0,08726646	0,00174977	1,74977327	1749,77327
  0,02	6	0,10471976	0,00210208	2,10208471	2102,08471
  0,02	7	0,12217305	0,00245569	2,45569122	2455,69122
  0,02	8	0,13962634	0,00281082	2,81081669	2810,81669
  0,02	9	0,00316769	0,00316769	3,16768881	3167,68881

• 23 zeigt eine Geometrie zur Abschätzung des Akzeptanzwinkels in Abhängigkeit von der Pupillengröße. Tabelle 2: Abschätzung des Akzeptanzwinkels in Abhängigkeit von der Pupillengröße für eine Beispielkonfiguration.

  r_eye [m]	r_Iris [m]	r_Iris [mm]	Öffnungswinkel Zentrum zu Iris (beta) [rad]	Öffnungswinkel Zentrum zu Iris (beta) [deg]
  0,0125	0,0005	0,05	0,03997869	2,29061004
  0,0125	0,001	1	0,07982999	4,57392126
  0,0125	0,0015	1,5	0,11942893	6,84277341
  0,0125	0,002	2	0,15865526	9,09027692
  0,0125	0,0025	2,5	0,19739556	11,3099325
  0,0125	0,003	3	0,23554498	13,4957333
  0,0125	0,0035	3,5	0,2730087	15,6422465
  0,0125	0,004	4	0,30970294	17,7446716
  0,0125	0,0045	4,5	0,34555558	19,7988764
  0,0125	0,005	5	0,38050638	21,8014095
  0,0125	0,0055	5,5	0,41450687	23,7494945

  Tabelle 3: Abschätzung des Akzeptanzwinkels in Abhängigkeit von der Pupillengröße für eine Beispielkonfiguration.

  r_eye [m]	r_Iris [m]	r_Iris [mm]	Öffnungswinkel Zentrum zu Iris (beta) [rad]	Öffnungswinkel Zentrum zu Iris (beta) [deg]
  0,0115	0,0005	0,05	0,0434509	2,48955292
  0,0115	0,001	1	0,08673834	4,96974073
  0,0115	0,0015	1,5	0,12970254	7,43140797
  0,0115	0,002	2	0,17219081	9,86580694
  0,0115	0,0025	2,5	0,21406068	12,2647737
  0,0115	0,003	3	0,25518239	14,620874
  0,0115	0,0035	3,5	0,29544084	16,9275131
  0,0115	0,004	4	0,33473684	19,179008
  0,0115	0,0045	4,5	0,37298772	21,3706223
  0,0115	0,005	5	0,41012734	23,4985657
  0,0115	0,0055	5,5	0,44610555	25,5599652

• 24 zeigt einen schief einfallenden Lichtkegel für verschiedene Eyebox-Positionen.
• 25 zeigt einen lateralen Versatz der Fokuspunkte bei Lichteinfall aus verschiedenen Winkeln. Tabelle 4: Berechnung eines lateralen Versatzes in der Brennebene bei schiefen Lichteinfall für eine Beispielkonfiguration mit Abstand Linse zu Brennebene gleich der Brennweite.

  focal lenght f [m]	incidence angle (gamma) [deg]	incidence angle (gamma) [rad]	lateral offset (delta y=f*sin(gamma) [m]	lateral offset (delta y=f*sin(gamma) [µm]
  0,025	0	0	0	0
  0,025	0,1	0,00174533	4,36332E-05	43,6332091
  0,025	0,2	0,00349066	8,72663E-05	87,2662854
  0,025	0,3	0,00523599	0,000130899	13,899096
  0,025	0,4	0,00698132	0,000174532	174,531507
  0,025	0,5	0,00872665	0,000218163	218,163387
  0,025	0,6	0,01047198	0,000261795	261,794603
  0,025	0,7	0,0122173	0,000305425	305,425021
  0,025	0,8	0,01396263	0,000349055	349,054508
  0,025	0,9	0,01570796	0,000392683	392,682933
  0,025	1	0,1745329	0,00043631	436,310161

• Ein einfacher Algorithmus zur Konstruktion von mehreren Eyeboxen mit disjunkten Grundflächen am Umlenkelement kann wie folgt aussehen:
1. 1. Festlegung einer zentralen Sichtachse mit gewünschten Blickfeld,
2. 2. Festlegung einer minimalen Pupillengröße als maximaler Abstand zwischen einzelnen Eyeboxen,
3. 3. Konstruktion der sekundären Eyeboxen, wobei der Mittelpunktstrahl bestimmt wird durch den Sichtfeldwinkel vom Rand zur primären Eyebox. Die Achse der Eyebox ergibt sich durch den Mittelpunktstrahl bestimmt durch den Sichtfeldwinkel zur primären Eyebox und die Lage der Austrittspupille (Eyebox), die durch den maximalen Abstand der Austrittspupillen, z. B. in der Bogenlänge bei Anordnung auf einer sphärischen Fläche, bestimmt ist.
4. 4. Konstruktion von tertiären und ggf. weiteren Eyeboxen analog zu den sekundären Eyeboxen.
• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
• DE 102015213376 A1 [0002]

Claims (9)

1. Verfahren zum Durchführen einer virtuellen Netzhautanzeige, bei dem mit einer Lichterzeugungseinheit ein Lichtstrahl erzeugt wird, der auf ein Reflexionselement geleitet wird, das dazu eingerichtet ist, ein Strahlenbündel (108, 128, 148, 168, 208, 228, 248, 308, 348, 388, 408) zu erzeugen, das über ein Umlenkelement (50, 122, 142, 162, 202, 222, 242, 304, 344, 384, 404) durch eine Pupille (54, 74, 76) eines Auges (52, 100, 120, 140, 160, 200, 220, 240, 300, 302, 340, 342, 380, 400) auf die Netzhaut des Auges (52, 100, 120, 140, 160, 200, 220, 240, 300, 302, 340, 342, 380, 400) projiziert wird, so dass auf der Netzhaut ein virtuelles Bild erzeugt wird, wobei Kegelachsen für Lichtkegel einzelner Eyeboxen (58) bezüglich verschiedener Blickrichtungen ausgerichtet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem Vertices verschiedener Eyeboxen (58) auf einer gekrümmten Fläche positioniert werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem Eyeboxen (58) für verschiedene Blickrichtungen auf einer gekrümmten Fläche angeordnet werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem eine Neigung der Kegelachsen verschiedener Eyeboxen (58) zueinander eingestellt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem Kegel mit parallelen Achsen und geneigten Achsen eingesetzt werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem Gruppen von planar angeordeneten Eyebox-Vertices mit entsprechend gedrehten Kegelachsen verwendet werden.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem Bildinhalte benachbarter Eyeboxen (58) mit unterschiedlich geneigten Kegelachsen durch eine geeignete Regelung abgestimmt werden.
8. Umlenkelement für eine virtuelle Netzhautanzeige, das insbesondere für ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 eingerichtet ist, wobei das Umlenkelement (50, 122, 142, 162, 202, 222, 242, 304, 344, 384, 404) mehrere unterschiedliche funktionale Bereiche umfasst und dazu eingerichtet ist, Kegelachsen für Lichtkegel einzelner Eyeboxen (58) bezüglich verschiedener Blickrichtungen auszurichten.
9. Umlenkelement nach Anspruch 8, das als holografisches Umlenkelement ausgebildet ist.

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