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WO2024157163A1 - Non-contact calibration of an eyeglass display system with filament kinematics - Google Patents

Non-contact calibration of an eyeglass display system with filament kinematics Download PDF

Info

Publication number
WO2024157163A1
WO2024157163A1 PCT/IB2024/050615 IB2024050615W WO2024157163A1 WO 2024157163 A1 WO2024157163 A1 WO 2024157163A1 IB 2024050615 W IB2024050615 W IB 2024050615W WO 2024157163 A1 WO2024157163 A1 WO 2024157163A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
thread element
beam splitter
heating
thread
splitter elements
Prior art date
Application number
PCT/IB2024/050615
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Miro Taphanel
Original Assignee
VIAHOLO GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by VIAHOLO GmbH filed Critical VIAHOLO GmbH
Publication of WO2024157163A1 publication Critical patent/WO2024157163A1/en

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    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B26/00Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
    • G02B26/08Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light
    • G02B26/10Scanning systems
    • G02B26/105Scanning systems with one or more pivoting mirrors or galvano-mirrors
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01Head-up displays
    • G02B27/017Head mounted
    • G02B27/0172Head mounted characterised by optical features
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    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01Head-up displays
    • G02B27/017Head mounted
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    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B26/00Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
    • G02B26/08Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light
    • G02B26/10Scanning systems
    • G02B26/12Scanning systems using multifaceted mirrors

Definitions

  • the disclosure relates to a device and method for calibrating a glasses display system, wherein the glasses display system is designed to display a virtual image in a field of vision of a user and has a scanning deflection unit with at least two beam splitter elements that are mechanically coupled to one another via at least one thread element.
  • the beam splitter elements are mounted so that they can be tilted about a tilt axis and, when used as intended, move between two
  • a glasses display system or augmented reality (AR) glasses
  • AR augmented reality
  • a scanning principle i.e. in which light from a display unit is directed as computer-generated image information into spatial areas in a user's eye, each assigned to a specific image content, by means of a series of mirrors, the respective mirrors, i.e. beam splitter elements, must ideally be moved parallel to one another.
  • One way to achieve this is to drive each beam splitter element and thus each mirror separately and to use sensors to detect the respective angle, the tilt angle, by which the beam splitter element is tilted.
  • synchronization takes place by means of control via a microcontroller.
  • An alternative approach is a mechanical coupling of the beam splitter elements, as described, for example, in DE 10 2022 212 256.9.
  • the parallelism of the mirrors is achieved by means of a mechanical coupling via a thread kinematics, i.e. a positive and thus play-free connection of the respective beam splitter elements by means of at least one, i.e. one or more thread elements.
  • the content of DE 10 2022 212256.9 is hereby incorporated by reference for the subject matter described in more detail below.
  • a change in length of just 500 nm therefore leads to a tilting of neighboring mirror elements of 1/120° and can therefore be perceived with the naked eye.
  • a manufacturing tolerance of the thread length of less than 500 nm must therefore be technically achieved. Tolerances of this size can only be achieved with mechanical production processes and, in particular, when assembling different elements, with great effort. Accordingly, a calibration process is advantageous in which the length of the respective thread element can be adjusted with great accuracy, for example in the three-digit nanometer range.
  • One aspect relates to a method for calibrating a glasses display system for displaying a virtual image in a user's field of vision, i.e. AR glasses (augmented reality glasses).
  • AR glasses augmented reality glasses
  • These can, for example, have a line screen unit for emitting light as computer-generated image information in a radiation direction.
  • the radiation direction is then a vertical direction when used as intended by the user.
  • the radiation direction can be understood as the middle direction of an emitted non-parallel light beam as emitted light.
  • one or more lens elements in particular one or more free-form lens elements, can be arranged in a beam path of the light between the screen unit and the scanning deflection unit described below.
  • the line screen unit can also be referred to as a line-shaped screen unit, since at a given time it can only display one or a few lines of a two-dimensional (2D) image to be displayed.
  • the second dimension of the image to be displayed is then made available by displaying further lines of the image to be displayed at other times.
  • a length as the main direction of extension of the cellular screen unit can be at least one order of magnitude, i.e. a factor of 10, in particular at least 1.5 orders of magnitude, i.e. a factor of 50, greater than a width of the cellular screen unit running transversely to the length.
  • the width and length of the screen unit run transversely, i.e. essentially perpendicular (perpendicular or perpendicular up to a predetermined deviation) to the direction of radiation.
  • the glasses display system comprises a scanning deflection unit for scanning the screen unit and for deflecting the data from the scanned screen unit.
  • unit radiated computer-generated image information into one of the user's eyes in a second direction which is different from the radiation direction.
  • the second direction can also be understood as a directional range which covers various possible positions of the eye when used as intended, i.e. positions of the eye in a so-called eyebox, as well as a target position for the line of the 2D image displayed by the line screen unit at a given time in the user's field of vision.
  • the second direction can then be understood as an essentially horizontal direction or an essentially horizontal directional range.
  • the second direction or the second directional range is then accordingly oriented horizontally up to a predetermined deviation of, for example, a maximum of 45 or a maximum of 30° when used as intended, i.e. the second directional range then only includes directions which deviate from the horizontal by less than the predetermined deviation.
  • the predetermined deviation can also be less, for example 25 or 15°, and can be specified individually for a deviation from the horizontal in the positive and negative vertical direction.
  • the scanning-deflection unit has at least two, preferably more than two, for example 4 or 5 or 6 or 7 or 8 or 9 or 10, beam splitter elements arranged one behind the other in the direction of emission of the light, each with a mirror layer that is partially transparent to the light emitted by the screen unit.
  • the beam splitter elements can also be arranged one behind the other in the direction of emission, offset in the horizontal direction.
  • the beam splitter elements are mounted so as to be movable, i.e. tiltable, around a respective central position and thus tiltable between two reversal positions along a tilt axis running perpendicular to the direction of emission and the second direction.
  • the tilting speed of the beam splitter elements is zero when used as intended, in which the screen unit is scanned or the computer-generated image information is redirected to different positions in the user's eye by tilting back and forth between the two reversal positions.
  • the tilt axis runs along a main extension direction, a length of the beam splitter elements. Since the beam splitter elements only have one dimension actively scan, namely the dimension perpendicular to the tilt axis and thus perpendicular to the (main extension direction of the) line screen unit, the scanning deflection unit can in this case also be referred to as a one-dimensional (ID) scanning deflection unit.
  • ID one-dimensional
  • the screen unit and scanning deflection unit can be arranged on a common frame unit, a glasses frame unit, by means of which the glasses display system can be worn by the user on his head.
  • the glasses display system can have a control unit for controlling the scanning deflection unit and the screen unit, which synchronizes the angular position of the beam splitter elements based on sensor data from a sensor unit for detecting the respective angular position of the beam splitter elements with the image contents of the screen unit, i.e. synchronizes the light emitted as computer-generated image information at a given point in time.
  • the scanning deflection unit has at least one thread element which mechanically couples two or more beam splitter elements, in particular the beam splitter elements closest to each other, and is designed to hold the beam splitter elements coupled by the thread element in a predetermined parallel position (in a calibration process as described below) when the beam splitter elements coupled by the thread element are moved around the tilt axis.
  • the thread element thereby creates a positive, tension-positive mechanical connection between the beam splitter elements coupled to each other.
  • the thread element can be understood as a thread in the broader sense.
  • the thread element can consist in particular of glass fiber, polyethylene, polyamide, nylon, steel, stainless steel, carbon fiber, aramid, natural fibers (such as silk or spider threads or wool) or other fibers, or comprise one or more of the components mentioned. Both metallic thread elements and non-metallic thread elements are therefore possible.
  • the thread element can also be selected as a monofilament or as a filament bundle, and can be braided or twisted in some other way. It does not have to be a round Cross-section can be selected for the thread element(s); the thread element can also be designed in the form of a flat strip, for example.
  • thread elements are form-fitting mechanical connections which are made using thin and therefore thread-like etched parts, for example using structures etched from silicon, glass or metal.
  • the thread element can be connected to the beam splitter element in a form-fitting manner by means of gluing, whereby alternatively or additionally other joining methods can be used, such as welding and/or knotting or others.
  • the thread element is therefore a thin structure compared to the beam splitter element, which creates a mechanical connection between two moving, adjacent beam splitter elements, is positively connected to the respective beam splitter elements and enables relative movement through beam splitter elements, preferably exclusively by means of elastic deformation.
  • Spring energy can also be absorbed by the thread element, which stores kinematic energy as a participating spring element during an oscillating movement of the beam splitter elements and thus influences the natural frequency of the coupled beam splitter elements.
  • hardened carbon beam is proposed as the material for the thread element, i.e. as the (thread) material from which the thread element can consist or which can comprise the thread element.
  • This can, for example, have a thickness of at most 50 qm, preferably at most 20pm, particularly preferably at most 10pm, for example 10pm+/-lprn, so that the thread element can still be wound around comparatively small radii without plastic deformation occurring.
  • a metal strip of the mentioned thickness and less than 3 mm wide preferably less than 500 qm wide, particularly preferably less than 55pm wide, for example 50 qm wide and 10 pm thickness.
  • the use of hardened carbon steel has the advantage that no plastic deformation can occur during assembly, since hardened steel either breaks as a brittle fracture or does not plastically deform.
  • the yield strength of hardened steel is very high, which means that a very small thread element can be realized, which is beneficial to the overall system due to the resulting low mass.
  • the advantage here is low damping due to movement through the air with a small surface and low masses compared to the total mass of the mass-spring system and thus a low influence on it.
  • the yield strength is related to the minimum radius that the thread material can be bent without the maximum permissible tension of the yield strength being exceeded. Accordingly, the minimum bending radius that can be structurally required in the glasses display system can be smaller, the higher the yield strength. Hardened carbon steels offer one of the highest yield strengths here and are therefore particularly advantageous.
  • the thickness of the thread element for example the metal strip or wire, also influences the minimum radius. Accordingly, the use of a thread material with high yield strength allows the use of a thicker wire or strip. This is advantageous because semi-finished products in the thickness range of 10 pm, i.e. foils or microwires, can only be produced with great effort.
  • the method for calibration described here comprises, as a method step, detecting a deviation of the beam splitter elements coupled to one another via the at least one thread element from a parallel position. In the parallel position, the respective partially reflecting surfaces, the mirrors, and thus the beam splitter elements are aligned parallel. Accordingly, the relative angle of two adjacent beam splitter elements can be monitored by measurement, for example by means of an auto-collimator.
  • a further method step is contactless heating of the at least one thread element by means of a heating device, with an automatic change in the length of the at least one thread element between the two beam splitter elements as an (automatic) consequence of the heating, which accordingly changes the relative angle of the two adjacent beam splitter elements.
  • Elements are also controlled, in particular the heating device is regulated, in such a way that the detected deviation is permanently reduced, ie over the period of heating and thus also when the thread element has cooled back to its original temperature.
  • a structural change in the thread material, the material of the thread element i.e. for example a change in the crystal structure, but also a change in another structure
  • the parallel position of the beam splitter elements can be calibrated with the desired accuracy of, for example, at least three-digit nanometers, without coming into mechanical contact with the thread element.
  • the process can be used for any thread material that reacts to heating with a permanent change in structure.
  • Carbon steel exists in different crystal structures, including martensite, austenite, bainite or pearlite. The steel takes up a different amount of space in each of these different material structures. Hardened carbon steel is predominantly present as martensite.
  • the material structure is at least partially changed, which also changes the dimensional stability of a component made from the steel, for example.
  • the structure can be influenced by heating and thus the length of the respective thread element can be changed. For example, for a hardened 100 CR6 steel with a structure of 80% martensite, 15% austenite and 5% carbide residues, the following volume changes occur when heated:
  • the length of a thread element made of hardened carbon steel can therefore be permanently changed by heating it. For example, if a thread element with a length of 50 pm is heated to a temperature that results in a volume change of 0.15% shrinkage, the thread shortens by 75 nm.
  • any material with a structure that can be manipulated by heating is basically suitable.
  • Another example of an alloy with a complex structure i.e. a material that changes its volume and/or anisotropically its length over the long term when heated, is titanium grade 5.
  • other titanium alloys or aluminum alloys can also be considered, and pure metals with temperature-dependent structural changes can also be used.
  • heating can cause the thread element to shrink or grow in length, so that different manufacturing tolerances can be responded to. Overall, this creates an effective and efficient method for calibrating beam splitter elements that are mechanically coupled to one another using thread elements in a scanning glasses display system.
  • the contactless heating is a local heating, wherein in particular the at least one thread element is warmed or heated by at least one order of magnitude more, preferably at least two or at least three orders of magnitude more, than one of the beam splitter elements or the beam splitter elements.
  • the contactless heating is carried out on a central section of the at least one thread element, which extends between two fastening areas of the at least one thread element, in particular between two fastening areas of the at least one thread element designed with unwinding areas. The central section is preferably spaced from the fastening areas by a distance greater than zero.
  • An unwinding area of the respective thread element can in particular be defined as an area which, when used as intended, comes into mechanical contact with the beam splitter element at least temporarily.
  • a duration of the contactless heating and/or a size of a section, in particular a size of a subsection of the central section, of the at least one thread element on which the heating device acts is set depending on a size of the detected deviation.
  • a check is provided as to whether the length of the at least one thread element must be increased or decreased in order to reduce the detected deviation, and depending on a Result of the checking during control, setting a first heating power which corresponds to a local first temperature of the at least one thread element if the length has to be reduced, and setting a second heating power which is different from the first heating power and corresponds to a local second temperature of the at least one thread element if the length has to be increased.
  • the heating powers can be determined, for example, by heating power ranges for the temperatures to be achieved. They can, for example, be calculated depending on the heating device used and the respective geometry of the thread elements and stored in a table in order to control the heating device. Alternatively or additionally, the heating power can also be regulated depending on the detected deviation and in accordance with a result of the checking. This has the advantage that particularly large manufacturing tolerances can be compensated for by calibration.
  • the deviation is quantified during the check, and the first and/or second heating power is selected from predetermined first and second heating power ranges depending on the result of the quantification.
  • first and/or second heating power ranges are specified.
  • the different heating power ranges can also be interlocking heating power ranges with increasing temperature: a first heating power range is then followed by a second heating power range with increasing temperature, and this in turn is followed by another first heating power range, etc., as is the case, for example, in the table shown above.
  • the heating power ranges can be assigned to respective temperature ranges which are achieved with a heating power in the corresponding heating power range on the thread element with the respective heating device. This has the advantage that the accuracy of the calibration procedure is even better adapted to the respective material properties and accordingly a more precise calibration with greater dynamics can be achieved.
  • the beam splitter elements are coupled to one another via at least one first thread element and at least one second thread element, with the tilt axis running between the first thread element and the second thread element. Accordingly, the first thread element can be attached to the beam splitter elements in a respective first end region and the second thread element can be attached to the beam splitter elements in a respective second end region.
  • the two end regions of a beam splitter element are each separated by a central region through which the tilt axis runs.
  • first tilt direction corresponding mechanical forces are transmitted essentially completely by the first thread element
  • second tilt direction opposite to the first tilt direction
  • the mechanical forces are transmitted essentially completely by the second thread element.
  • the thread elements can also be pre-tensioned, i.e. braced against each other, taking advantage of the respective elasticity of the thread elements, and thus be under tension even when the beam splitter elements are not moving, which enables particularly precise calibration of the parallel position.
  • a check is carried out to determine whether the length of the first thread element or the length of the second thread element must be reduced in order to reduce the detected deviation, and, depending on the result of the check, the first thread element is heated, in particular only the first thread element, or the second thread element is heated, in particular only the second thread element.
  • thread materials are used here which only shrink permanently when heated. This has the advantage that when producing the glasses display system, materials for the thread element which only shrink permanently when heated can also be considered, so that greater freedom is achieved with regard to the design of the thread elements and the calibration process can still be achieved with the desired accuracy.
  • thread elements with different thread materials can also be used, for example a first thread element with a first thread material and a second thread element with a second thread material which is different from the first Thread material is different.
  • a first, coarser calibration can be achieved by changing the length of the first thread element and a second, finer calibration can be achieved by changing the length of the second thread element.
  • the contactless heating is carried out using a laser device as a heating device.
  • a laser device as a heating device.
  • at least one thread element can be heated with particular precision, i.e. the size of the section on which the heating device acts can be set particularly precisely, thereby achieving particularly precise adjustment of the length change of the respective thread element.
  • the respective thread element can also be heated using electricity or induction or other heat radiation.
  • subsequent calibration is also advantageously possible, i.e. calibration after the glasses display system has been fully assembled and, accordingly, recalibration after a predetermined number of operating hours, for example after 100 operating hours.
  • the contactless heating can take place at a time when the beam splitter elements are already protected from mechanical and other influences from the environment of the glasses display system by a - preferably transparent - protective device such as a spectacle lens. This also contributes to the success of the calibration, as it reduces the probability of subsequent interference with the calibrated glasses display system.
  • a temperature reached in the thread element is measured, in particular as a function of an elongation of the thread element during heating, and the heating device is controlled (in particular regulated) as a function of the temperature measured for the thread element, in particular using a material-specific table stored for the respective thread material of the respective thread element, which describes a relationship between length and temperature change.
  • the measurement can alternatively be carried out via a radiation spectrum of the heated thread element.
  • a change in a relative angle of the beam splitter elements to one another can preferably be measured during during heating, which, according to the laws of physics, consists of a temporary thermal elongation and a permanent structural change, the amounts of which can be determined individually for each thread element based on the thread element geometry and thread material.
  • a material of the at least one thread element is heated with a volume that changes permanently during the heating.
  • the thread material is selected depending on the respective structural changes during heating.
  • the thread materials that can be used are, in particular, the thread materials mentioned above, in particular a carbon steel, such as a hardened carbon steel.
  • a structure can also be set in advance during the manufacture of the thread element, which is then changed again by the contactless heating after it has been attached to the respective beam splitter elements. This possibility is not limited to metallic thread materials.
  • a further aspect is a manufacturing and calibration method with the method according to one of the described embodiments with setting a material structure, for example a crystal structure, in particular with hardening, of a thread material of the thread element before carrying out the above-mentioned method steps of detecting the deviation, contactless heating and controlling, so that the previously set material structure can be dissolved by the contactless heating, ie the setting of the material structure can be reversed.
  • a further aspect relates to a calibration and/or manufacturing device for carrying out a method according to one of the described embodiments.
  • Another aspect relates to a glasses display system for displaying a virtual image in a user's field of vision, with a scanning deflection unit with at least two beam splitter elements that are each mechanically coupled to one another via at least one thread element, wherein the beam splitter elements are mounted so that they can be tilted about a tilt axis and are designed to move between two reversal positions when used as intended, at which a tilting speed of the beam splitter elements is zero.
  • the beam splitter elements coupled to one another via the at least one thread element are calibrated in a parallel position using the method described above according to one of the embodiments described.
  • the method can be demonstrated, for example, by a grinding profile and analysis of the locally adjusted structure and/or a tensile test with the respective thread element, whereby it is examined whether there are other yield points in the unrolling area relative to the connection area of the thread between two beam splitters.
  • Fig. 1 shows the schematic structure of an exemplary embodiment of a glasses display system with thread kinematics
  • Fig. 2a is a schematic view of the coupling of several beam splitter elements with one or more threads with at least one thread element;
  • FIG. 2b the coupling of Fig. 2a with further details.
  • Fig. 1 shows an exemplary embodiment of a glasses display system 1.
  • a screen unit 110 emits light which is parallelized by a lens unit 111, i.e., imaged to infinity. Parallel light rays in the emission direction corresponding to the light beam 112 thus leave the lens unit 110 in the negative z-direction as the emission direction.
  • the parallelized light strikes partially transparent beam splitter elements 11 which are mounted around a tilt axis 15 which runs parallel to the screen unit 110, perpendicular to the plane of the drawing and thus in a y-direction.
  • the beam splitter elements 11 scan in a tilt range 0 with respective reversal positions 116 and a respective center position 116'. At the reversal positions 116, the beam splitter elements 11 have a speed of 0.
  • the field of view is twice as large as the tilt range 0 (in this case composed of the angle ranges 114, 114' with center position 113), in the light, represented here by light beam 112, is deflected.
  • a human observer, a user, with eye 10 and pupil 101 can thus see computer-generated image information in the field of vision.
  • the screen unit 110 is sensor-coupled to the angular position of the beam splitter elements 11, which is not shown here.
  • a positive mechanical connection is created using a thread element 16.
  • two thread elements 16 are shown arranged symmetrically about the tilt axis 15.
  • a first thread element 16 is thus arranged in an area of the beam splitter elements 11 facing the eye, and a further thread element 16 is arranged in an area of the beam splitter elements 11 facing away from the eye 10, with the tilt axes 15 running between the two areas.
  • the thread element 16 is shown here as a non-tightened thread element 16 for optical reasons alone.
  • the thread serves the purpose of a mechanical coupling between adjacent beam splitter elements 11, whereby forces must also be transmitted via the respective thread element 16.
  • a tensioned thread element 16 is a prerequisite for this.
  • the parallelism of the beam splitter elements 11 to one another is crucial for the function.
  • the visual beam 14 corresponds to beam paths in which the light 112 can be directed to the same place in the eye by two different beam splitter elements 11. Accordingly, the visual beam 14 touches both a lower edge 13' of an upper beam splitter element 11' and an upper edge 13" of a next-neighboring lower beam splitter element 11". Since the pupil 101 typically has an opening diameter of approximately 2.5 mm, the overlap region formed in the eye 10, in which light directed into the eye by the upper beam splitter element 11' and the lower beam splitter element 11" simultaneously overlaps, larger than in Fig.
  • the beam splitter elements 11 In order to prevent such image deterioration accordingly, the beam splitter elements 11 must have a smaller maximum deviation from parallelism so that the image deterioration can be neglected. This can be achieved, for example, by a specified maximum deviation of less than 1/120 degrees or ideally less than 1/1200 degrees.
  • a positive synchronization of the beam splitter elements 11 by means of a thread element 16 is advantageous, for example because the synchronization with the thread element can be carried out without bearing play with a permanent preload.
  • the thread element 16 can be used to take advantage of the fact that, due to the relative position of the overlapping areas of the beam splitter elements 11 to the pupil 101 of the eye 10, the overlapping area is only visible in a very small angular range of the entire field of view.
  • a tilting error of adjacent beam splitter elements 11, ie the parallelism of adjacent beam splitter elements 11, only has to be realized in a relatively small angular range, for example less than 15 degrees, or better still less than 10 degrees, ideally less than 3 degrees. It is therefore sufficient to ensure the parallelism of the beam splitter elements 11 with the greatest precision only in a sub-angle range, the overlap tilt angle range, which makes production significantly easier and makes it easier to achieve a high effective accuracy with regard to parallelism.
  • the thread kinematics described is particularly suitable for this.
  • Fig. 2a three beam splitter elements 11, 11', 11" are shown, which are held in a parallel position by at least one, in this case several thread elements 16, 16', 16", 16'" during swinging, i.e. tilting about the tilt axis 15.
  • the thread elements 16, 16', 16", 16'" each connect two beam splitter elements 11, 11', 11" to one another in a form-fitting manner and here also with pre-tension. They touch the corresponding beam splitter elements 11, 11', 11" in respective rolling areas 113, 113', 113".
  • Fig. 2b the thread elements 16', 16" are shown with a gap 117 to the respective unwinding area 118 for a clearer illustration.
  • two thread elements 16' and 16" are shown, which are arranged offset in the y-direction.
  • the thread element 16' connects the uppermost beam splitter element 11 in the z-direction with the middle beam splitter element 11' and the thread element 16" connects the uppermost beam splitter element 11 with the lowermost beam splitter element 11".
  • the beam splitter elements 11, 11', 11" swing in the z-direction around a first position in which the respective thread elements 16', 16" start from the respective starting points 119 and 119' or 119" up to the position 181 and 181' or 181" rest on the respective beam splitter element 11, 11'.
  • the corresponding thread elements 16', 16" each rest on the beam splitter element 11 or 11' up to the position 182 and 182' or up to the position 182* and 182*'.
  • the respective thread element here for example the thread element 16', can be divided into the following sections: a rolling area between the positions 182, 182* or 182' and 182*', a transition area 183, 183' and a central section 184.
  • the respective rolling area plus the area between the positions 182 or 182*' and the attachment points 119 or 119' can be regarded as the fastening area.
  • the central area is subjected to a purely tensile load homogeneously across the entire cross-section.
  • the transition area 183, 183' between the respective rolling areas and the central section 184 corresponds accordingly to a spacing of the central section 184 from the rolling areas and thus the fastening areas.
  • corresponding length changes can be generated by means of heating.
  • a laser device with a focal point 151 is provided as a heating device 115. The heating thus takes place essentially exclusively in the area of the focal point 151.
  • the thread element In order to ensure fatigue strength, the thread material must not deform plastically in the unwinding area, i.e. the maximum stress must not reach the yield point. In contrast, the stresses in the calibration area are significantly lower because the force is distributed over the entire cross-section.
  • heating in which the structure of the thread material is locally changed, for example by the laser, does result in changes to the mechanical properties of the thread material, but these are not relevant due to the significantly lower requirements for tensile strength in the central section 184.
  • the size of the influence zone for example the focus point 151, the set temperature and The duration of the temperature can be used to adjust the change in the structure of the thread material and thus the lengthening or shortening of the thread element 16, 16', 16", 16'".
  • the limits of the adjustment options are essentially determined by the thread material.

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Abstract

The invention relates to a device and method for calibrating an eyeglass display system (1) which is designed to display a virtual image in a field of vision of a user and which has a scanning deflection unit having at least two beam splitter elements (11, 11', 11'') that are each mechanically coupled to one another via at least one filament element (16, 16', 16'', 16'''); wherein the beam splitter elements (11, 11', 11'') are movably mounted so as to be tiltable about a tilting axis (15) and, when used as intended, move between two reversal positions (116) at which the tilting speed of the beam splitter elements (11, 11', 11'') is zero. The method comprises: detecting a deviation of the beam splitter elements (11, 11', 11''), which are coupled to one another via the at least one filament element (16, 16', 16'', 16'''), from a parallel position; using a heating device (115) to heat the at least one filament element (16, 16', 16'', 16''') without contacting it, causing the at least one filament element (16, 16', 16'', 16''') to change in length; and controlling the heating device (115) in such a way that the detected deviation is reduced in order to carry out a calibration process in which the length of each filament element (16, 16', 16'', 16''') can be adjusted with high accuracy, for example in the three-digit nanometre range.

Description

Berührungslose Kalibrierung eines Brillen-Anzeige-Systems mit Faden-Kinematik Non-contact calibration of a glasses display system with thread kinematics
Die Offenbarung bezieht sich auf Vorrichtung und Verfahren zum Kalibrieren eines Brillen-Anzeige-Systems, wobei das Brillen-Anzeige-System ausgebildet ist, ein virtuelles Bild in einem Sichtfeld eines Nutzers anzuzeigen, und eine Ab- tast-Umlenkeinheit mit zumindest zwei jeweils über zumindest ein Faden-Element mechanisch miteinander gekoppelt Strahlteiler-Elemente aufweist. Dabei sind die Strahlteiler-Elemente beweglich um eine Kippachse verkippbar gela- gert und bewegen sich bei bestimmungsgemäßem Gebrauch zwischen zweiThe disclosure relates to a device and method for calibrating a glasses display system, wherein the glasses display system is designed to display a virtual image in a field of vision of a user and has a scanning deflection unit with at least two beam splitter elements that are mechanically coupled to one another via at least one thread element. The beam splitter elements are mounted so that they can be tilted about a tilt axis and, when used as intended, move between two
Umkehrpositionen, an welchen eine Kipp-Geschwindigkeit der Strahlteiler-Elemente null ist. Reversal positions at which the tilting speed of the beam splitter elements is zero.
Bei einem Brillen-Anzeige-System, kurz einer Augmented-Reality-(AR-)Brille, welches auf einem scannenden Prinzip beruht, d. h. bei welchem mittels einer Reihe von Spiegeln Licht einer Anzeigeeinheit als computergenerierte Bildinformation in jeweils einem spezifischen Bildinhalt zugeordnete räumliche Bereiche in einem Auge eines Nutzers gelenkt werden, müssen die jeweiligen Spiegel, d. h. Strahlteiler-Elemente, idealerweise parallel zueinander bewegt werden. Eine Möglichkeit dies zu realisiere, ist, jedes Strahlteiler-Element und somit jeden Spiegel separat anzutreiben und den jeweiligen Winkel, den Kippwinkel, um welchen das Strahlteiler-Element verkippt ist, sensorisch zu erfassen. Die Synchronisierung erfolgt in diesem Fall mittels einer Regelung über einen Micro-Controller. Ein alternativer Ansatz ist eine mechanische Kopplung der Strahlteiler-Elemente, wie sie beispielsweise in der DE 10 2022 212 256.9 beschrieben ist. Dabei wird die Parallelität der Spiegel mittels einer mechanischen Kopplung über eine Faden-Kinematik erreicht, also einer formschlüssigen und somit spielfreien Verbindung der jeweiligen Strahlteiler-Elemente mittels zumindest eines, also eines oder mehrerer Faden-Elemente. Der Inhalt der DE 10 2022 212256.9 ist entsprechend hiermit durch Bezugnahme für den unten näher beschriebenen Gegenstand aufgenommen. With a glasses display system, or augmented reality (AR) glasses, which is based on a scanning principle, i.e. in which light from a display unit is directed as computer-generated image information into spatial areas in a user's eye, each assigned to a specific image content, by means of a series of mirrors, the respective mirrors, i.e. beam splitter elements, must ideally be moved parallel to one another. One way to achieve this is to drive each beam splitter element and thus each mirror separately and to use sensors to detect the respective angle, the tilt angle, by which the beam splitter element is tilted. In this case, synchronization takes place by means of control via a microcontroller. An alternative approach is a mechanical coupling of the beam splitter elements, as described, for example, in DE 10 2022 212 256.9. The parallelism of the mirrors is achieved by means of a mechanical coupling via a thread kinematics, i.e. a positive and thus play-free connection of the respective beam splitter elements by means of at least one, i.e. one or more thread elements. The content of DE 10 2022 212256.9 is hereby incorporated by reference for the subject matter described in more detail below.
In einem derartigen System sind die Anforderungen an die Parallelität ausgesprochen hoch. Sie leiten sich von der Auflösung des menschlichen Auges ab, welche ca. 1/60° beträgt und aufgrund der Gesetzmäßigkeit „Einfallswinkel = Ausfallswinkel" in einem scannenden Verfahren wie dem hier beschriebenen zu einer verdoppelten Anforderung von 1/120° für die Genauigkeit der Positionierung der scannenden Spiegel, d. h. der Strahlteiler-Elemente, nach sich zieht. Als Folge ergibt sich für einen Hebelarm von beispielsweise 3,5 mm, an welchem ein solches Faden-Element angebracht ist, eine Sensitivität bezüglich der Fadenlänge von tan(l/120°) x 3,5 mm = 509 nm. Bereits eine Längenänderung von 500 nm führt also entsprechend zu einer Verkippung benachbarter Spiegel-Elemente von 1/120° und kann folglich mit bloßem Auge wahrgenommen werden. Mit Blick auf die Fertigung muss also eine Fertigungstoleranz der Fadenlänge von weniger als 500 nm technisch realisiert werden. Toleranzen in dieser Größe sind mit mechanischem Fertigungsverfahren und gerade bei einem Zusammenbau unterschiedlicher Elemente nur unter sehr großem Aufwand zu realisieren. Entsprechend ist ein Kalibrierprozess vorteilhaft, bei welchem die Länge des jeweiligen Faden-Elementes mit großer Genauigkeit, beispielsweise im dreistelligen Nanometer-Bereich, in seiner Länge eingestellt werden kann. In such a system, the requirements for parallelism are extremely high. They are derived from the resolution of the human eye, which is approximately 1/60° and, due to the law "angle of incidence = angle of reflection", in a scanning process such as the one described here, results in a doubled requirement of 1/120° for the accuracy of positioning the scanning mirrors, i.e. the beam splitter elements. As a result, for a lever arm of, for example, 3.5 mm, to which such a thread element is attached, there is a sensitivity with regard to the thread length of tan(l/120°) x 3.5 mm = 509 nm. A change in length of just 500 nm therefore leads to a tilting of neighboring mirror elements of 1/120° and can therefore be perceived with the naked eye. With regard to production, a manufacturing tolerance of the thread length of less than 500 nm must therefore be technically achieved. Tolerances of this size can only be achieved with mechanical production processes and, in particular, when assembling different elements, with great effort. Accordingly, a calibration process is advantageous in which the length of the respective thread element can be adjusted with great accuracy, for example in the three-digit nanometer range.
Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen, der Beschreibung und den Figuren. This object is achieved by the subject matter of the independent patent claims. Advantageous embodiments emerge from the dependent patent claims, the description and the figures.
Ein Aspekt betrifft ein Verfahren zum Kalibrieren eines Brillen-Anzeige-Systems zum Anzeigen eines virtuellen Bildes in einem Sichtfeld eines Nutzers, d. h. einer AR-B ri I le (Augmented-Reality-Brille). Diese kann beispielsweise eine Linien- Bildschirm-Einheit zum Abstrahlen eines Lichtes als computergenerierte Bildinformation in eine Abstrahlrichtung aufweisen. Die Abstrahlrichtung ist dann bei bestimmungsgemäßem Gebrauch durch den Nutzer eine Vertikalrichtung. Die Abstrahlrichtung kann dabei als mittlere Richtung eines emittierten nichtparallelen Lichtbündels als abgestrahltes Licht verstanden werden. Zum Parallelisieren des abgestrahlten Lichtes kann in einem Strahlengang des Lichts zwischen der Bildschirmeinheit und der unten beschriebenen Abtast-Umlenkeinheit entsprechend ein oder mehrere Linsenelemente, insbesondere eine oder mehrere Freiform-Linsenelemente angeordnet sein. Die Linien-Bildschirmeinheit kann auch als zeilenförmige Bildschirmeinheit bezeichnet werden, da sie zu einem vorgegebenen Zeitpunkt lediglich eine oder wenige Zeilen eines anzuzeigenden zweidimensionalen (2D) Bildes darstellen kann. Die zweite Dimension des anzuzeigenden Bildes wird dann durch eine Darstellung weiterer Zeilen des anzuzeigenden Bildes zu anderen Zeitpunkten erschlossen. Dabei kann eine Länge als Haupterstreckungsrichtung der zellenförmigen Bildschirmeinheit um mindestens eine Größenordnung, d h. den Faktor 10, insbesondere um zumindest 1,5 Größenordnung, also dem Faktor 50, größer sein als eine quer zur Länge verlaufenden Breite der zellenförmigen Bildschirmeinheit. Insbesondere verlaufen Breite und Länge der Bildschirmeinheit dabei quer, also im Wesentlichen senkrecht (senkrecht oder bis auf eine vorgegebene Abweichung senkrecht) zur Abstrahlrichtung. One aspect relates to a method for calibrating a glasses display system for displaying a virtual image in a user's field of vision, i.e. AR glasses (augmented reality glasses). These can, for example, have a line screen unit for emitting light as computer-generated image information in a radiation direction. The radiation direction is then a vertical direction when used as intended by the user. The radiation direction can be understood as the middle direction of an emitted non-parallel light beam as emitted light. To parallelize the emitted light, one or more lens elements, in particular one or more free-form lens elements, can be arranged in a beam path of the light between the screen unit and the scanning deflection unit described below. The line screen unit can also be referred to as a line-shaped screen unit, since at a given time it can only display one or a few lines of a two-dimensional (2D) image to be displayed. The second dimension of the image to be displayed is then made available by displaying further lines of the image to be displayed at other times. A length as the main direction of extension of the cellular screen unit can be at least one order of magnitude, i.e. a factor of 10, in particular at least 1.5 orders of magnitude, i.e. a factor of 50, greater than a width of the cellular screen unit running transversely to the length. In particular, the width and length of the screen unit run transversely, i.e. essentially perpendicular (perpendicular or perpendicular up to a predetermined deviation) to the direction of radiation.
Das Brillen-Anzeige-System weist eine Abtast-Umlenkeinheit zum Abtasten der Bildschirmeinheit und zum Umlenken der von der abgetasteten Bildschirm-Ein- heit abgestrahlten computergenerierten Bildinformation in eine von der Abstrahlrichtung verschiedene zweite Richtung in ein Auge des Nutzers auf. Die zweite Richtung kann dabei auch als Richtungsbereich verstanden werden, der verschiedene mögliche Positionen des Auges bei bestimmungsgemäßem Gebrauch, d. h. Positionen des Auges in einer sog. Eyebox, abdeckt, sowie eine Sollposition für die jeweils zu einem gegebenen Zeitpunkt von der Linienbildschirmeinheit dargestellte Zeile des 2D-Bildes im Sichtfeld des Nutzers. Die zweite Richtung kann dann als im Wesentlichen horizontale Richtung oder im Wesentlichen horizontaler Richtungsbereich verstanden werden. Die zweite Richtung oder der zweite Richtungsbereich ist dann entsprechend bis auf eine vorgegebene Abweichung von beispielsweise maximal 45 oder maximal 30° bei bestimmungsgemäßem Gebrauch horizontal orientiert, d. h. der zweite Richtungsbereich umfasst dann ausschließlich Richtungen, welche von der Horizontalen um weniger als die vorgegebene Abweichung abweichen. Die vorgegebene Abweichung kann auch weniger, beispielsweise 25 oder 15° betragen und einzeln für eine Abweichung von der Horizontalen in positiver und negativer Vertikalrichtung vorgegeben sein. The glasses display system comprises a scanning deflection unit for scanning the screen unit and for deflecting the data from the scanned screen unit. unit radiated computer-generated image information into one of the user's eyes in a second direction which is different from the radiation direction. The second direction can also be understood as a directional range which covers various possible positions of the eye when used as intended, i.e. positions of the eye in a so-called eyebox, as well as a target position for the line of the 2D image displayed by the line screen unit at a given time in the user's field of vision. The second direction can then be understood as an essentially horizontal direction or an essentially horizontal directional range. The second direction or the second directional range is then accordingly oriented horizontally up to a predetermined deviation of, for example, a maximum of 45 or a maximum of 30° when used as intended, i.e. the second directional range then only includes directions which deviate from the horizontal by less than the predetermined deviation. The predetermined deviation can also be less, for example 25 or 15°, and can be specified individually for a deviation from the horizontal in the positive and negative vertical direction.
Dabei weist die Abtast-Umlenkeinheit zumindest zwei, bevorzugt mehr als zwei, beispielsweise 4 oder 5 oder 6 oder 7 oder 8 oder 9 oder 10, in der Abstrahlrichtung des Lichtes hintereinander angeordnete Strahlteiler-Elemente mit einer jeweiligen für das von der Bildschirmeinheit abgestrahlte Licht teildurchlässigen Spiegelschicht auf. Die Strahlteilerelemente können dabei auch in der Abstrahlrichtung hintereinander in der horizontalen Richtung versetzt angeordnet sein. Dabei sind die Strahlteiler-Elemente beweglich, d. h. verkippbar, gelagert und zwar um eine jeweilige Mittelposition herum und somit entlang einer senkrecht zur Abstrahlrichtung und zur zweiten Richtung verlaufenden Kippachse verkippbar zwischen zwei Umkehrpositionen gelagert. An den Umkehrpositionen ist eine Kipp-Geschwindigkeit der Strahlteiler-Elemente bei bestimmungsgemäßem Gebrauch, bei welchem durch ein Hin- und Herkippen zwischen den beiden Umkehrpositionen ein Abtasten der Bildschirmeinheit bzw. ein Umlenken der computergenerierten Bildinformationen an unterschiedliche Positionen in dem Auge des Nutzers realisiert wird, Null. Die Kippachse verläuft dabei entlang einer Haupterstreckungsrichtung, einer Länge der Strahlteiler-Elemente. Da die Strahlteiler-Elemente nur in einer Dimension aktiv abtasten, nämlich der Dimension senkrecht zur Kippachse und somit senkrecht zur (Haupterstreckungsrichtung der) Linien-Bildschirm-Einheit, kann die Abtast-Umlenkeinheit in diesem Fall auch als eindimensionale (ID) Abtast-Um- lenkeinheit bezeichnet werden. The scanning-deflection unit has at least two, preferably more than two, for example 4 or 5 or 6 or 7 or 8 or 9 or 10, beam splitter elements arranged one behind the other in the direction of emission of the light, each with a mirror layer that is partially transparent to the light emitted by the screen unit. The beam splitter elements can also be arranged one behind the other in the direction of emission, offset in the horizontal direction. The beam splitter elements are mounted so as to be movable, i.e. tiltable, around a respective central position and thus tiltable between two reversal positions along a tilt axis running perpendicular to the direction of emission and the second direction. At the reversal positions, the tilting speed of the beam splitter elements is zero when used as intended, in which the screen unit is scanned or the computer-generated image information is redirected to different positions in the user's eye by tilting back and forth between the two reversal positions. The tilt axis runs along a main extension direction, a length of the beam splitter elements. Since the beam splitter elements only have one dimension actively scan, namely the dimension perpendicular to the tilt axis and thus perpendicular to the (main extension direction of the) line screen unit, the scanning deflection unit can in this case also be referred to as a one-dimensional (ID) scanning deflection unit.
Bildschirmeinheit und Abtast-Umlenkeinheit können an einer gemeinsamen Gestelleinheit, einer Brillengestell-Einheit angeordnet sein, mittels welcher das Brillen-Anzeige-System von dem Nutzer auf seinem Kopf getragen werden kann. Das Brillen-Anzeige-System kann eine Steuereinheit zum Steuern der Ab- tast-Umlenkeinheit und der Bildschirmeinheit aufweisen, welche die Winkelposition der Strahlteiler-Elemente basierend auf Sensordaten einer Sensoreinheit zum Erfassen der jeweiligen Winkelposition der Strahlteiler-Elemente mit den Bildinhalten der Bildschirmeinheit synchronisiert, d. h. dem als computergenerierte Bildinformation zu einem gegebenen Zeitpunkt abgestrahlten Licht synchronisiert. The screen unit and scanning deflection unit can be arranged on a common frame unit, a glasses frame unit, by means of which the glasses display system can be worn by the user on his head. The glasses display system can have a control unit for controlling the scanning deflection unit and the screen unit, which synchronizes the angular position of the beam splitter elements based on sensor data from a sensor unit for detecting the respective angular position of the beam splitter elements with the image contents of the screen unit, i.e. synchronizes the light emitted as computer-generated image information at a given point in time.
Die Abtast-Umlenkeinheit weist zumindest ein Faden-Element auf, welches je zwei oder mehr Strahlteiler-Elemente, insbesondere nächstbenachbarte Strahlteiler-Elemente, mechanisch miteinander koppelt und dazu ausgebildet ist, bei Bewegen der durch das Faden-Element gekoppelten Strahlteiler-Elemente um die Kippachse die durch das Faden-Element gekoppelten Strahlteiler-Elemente in einer (in einem Kalibrierverfahren wie unten noch beschrieben wird) vorgegebenen Parallel-Position zu halten. Das Faden-Element realisiert dabei eine formschlüssige, auf Zug kraftschlüssig wirkende mechanische Verbindung zwischen den miteinander gekoppelten Strahlteiler-Elementen. Das Faden-Element kann als Faden im weiteren Sinne verstanden werden. The scanning deflection unit has at least one thread element which mechanically couples two or more beam splitter elements, in particular the beam splitter elements closest to each other, and is designed to hold the beam splitter elements coupled by the thread element in a predetermined parallel position (in a calibration process as described below) when the beam splitter elements coupled by the thread element are moved around the tilt axis. The thread element thereby creates a positive, tension-positive mechanical connection between the beam splitter elements coupled to each other. The thread element can be understood as a thread in the broader sense.
Entsprechend kann das Faden-Element insbesondere aus Glasfaser, Polyethylen, Polyamid, Nylon, Stahl, rostfreiem Stahl, Carbonfaser, Aramid, Naturfasern (wie beispielsweise Seide oder Spinnenfäden oder Wolle) oder sonstigen Fasern bestehen, oder eine oder mehrere der genannten Komponenten umfassen. Es kommen also sowohl metallische Faden-Elemente, wie auch nicht-metallische Faden-Elemente in Betracht. Auch kann das Faden-Element als Monofilament oder als Filament-Bündel gewählt werden, sowie geflochten oder auf sonstige Art und Weise verzwirnt ausgeführt sein. Es muss auch kein runder Querschnitt für das oder die Faden-Elemente gewählt werden, das Faden-Element kann beispielsweise auch in Form eines Flachbandes ausgeführt werden. Ebenfalls als Faden-Element bezeichnet werden hier formschlüssige mechanische Verbindungen, welche durch dünne und damit fadenartige Ätzteile realisiert werden, beispielsweise durch aus Silicium, Glas oder Metall geätzte Strukturen. Dadurch kann die mechanische Ankopplung des Faden-Elementes in Form einer dünnen fadenartigen Struktur an die zugehörigen Strahlteiler-Elemente als gemeinsames Ätzteil integriert werden. Alternativ zu dieser Integration kann das Faden-Element mittels Kleben formschlüssig mit dem Strahlteiler- Element verbunden werden, wobei alternativ oder ergänzend weitere Fügeverfahren genützt werden können, wie beispielsweise Schweißen und/oder Knoten oder weitere. Accordingly, the thread element can consist in particular of glass fiber, polyethylene, polyamide, nylon, steel, stainless steel, carbon fiber, aramid, natural fibers (such as silk or spider threads or wool) or other fibers, or comprise one or more of the components mentioned. Both metallic thread elements and non-metallic thread elements are therefore possible. The thread element can also be selected as a monofilament or as a filament bundle, and can be braided or twisted in some other way. It does not have to be a round Cross-section can be selected for the thread element(s); the thread element can also be designed in the form of a flat strip, for example. Also referred to as thread elements here are form-fitting mechanical connections which are made using thin and therefore thread-like etched parts, for example using structures etched from silicon, glass or metal. This means that the mechanical coupling of the thread element in the form of a thin thread-like structure to the associated beam splitter elements can be integrated as a common etched part. As an alternative to this integration, the thread element can be connected to the beam splitter element in a form-fitting manner by means of gluing, whereby alternatively or additionally other joining methods can be used, such as welding and/or knotting or others.
Das Faden-Element bezeichnet also eine im Vergleich zum Strahlteiler-Element dünne Struktur, welche eine mechanische Verbindung zwischen zwei bewegten nächst benachbarten Strahlteiler-Elementen herstellt, dabei formschlüssig mit den jeweiligen Strahlteiler-Elementen verbunden ist und eine Relativbewegung durch Strahlteiler-Elemente bevorzugt ausschließlich mittels einer elastischen Verformung ermöglicht. Dabei kann auch Federenergie durch das Faden-Element aufgenommen werden, welche bei einer schwingenden Bewegung der Strahlteiler-Elemente als beteiligtes Feder-Element kinematische Energie speichert und damit die Eigenfrequenz der gekoppelten Strahlteiler-Elemente beeinflusst. The thread element is therefore a thin structure compared to the beam splitter element, which creates a mechanical connection between two moving, adjacent beam splitter elements, is positively connected to the respective beam splitter elements and enables relative movement through beam splitter elements, preferably exclusively by means of elastic deformation. Spring energy can also be absorbed by the thread element, which stores kinematic energy as a participating spring element during an oscillating movement of the beam splitter elements and thus influences the natural frequency of the coupled beam splitter elements.
Als Material für das Faden-Element, d. h. als das (Faden-)Material, aus welchem das Faden-Element bestehen kann oder welches das Faden-Element umfassen kann, wird in einer Ausführungsform gehärteter Kohlenstoffstrahl vorgeschlagen. Dieser kann beispielsweise eine Dicke von höchstens 50 qm, bevorzugt höchstens 20pm, besonders bevorzugt höchstens 10pm, beispielsweise 10pm+/-lprn, haben, sodass das Faden-Element noch um vergleichsweise kleine Radien gewickelt werden kann, ohne dass es zu einer plastischen Verformung kommt. Dabei kann die Belastbarkeit bezüglich Zugkräften bei einer Drahtform, d. h., bei rundem oder quadratischem Querschnitt unter Umständen schon zu gering sein, so dass beispielsweise ein Metallband der genannten Dicke und weniger als 3 mm Breite, bevorzugt weniger als 500 qm Breite, besonders bevorzugt weniger als 55pm Breite, beispielsweise 50 qm Breite und 10 pm Dicke, genutzt werden kann. Die Verwendung von gehärtetem Kohlenstoffstahl hat den Vorteil, dass bei der Montage keine plastischen Verformungen auftreten können, da ein gehärteter Stahl entweder als Sprödbruch reißt oder aber nicht plastisch verformt. Zudem sind die Streckgrenzen von gehärtetem Stahl sehr hoch, wodurch ein sehr kleines Faden-Element realisiert werden kann, was dem Gesamtsystem aufgrund der resultierenden geringen Masse zuträglich ist. Vorteil ist dabei eine geringe Dämpfung aufgrund einer Bewegung durch die Luft mit geringer Oberfläche und geringen Massen im Vergleich zur Gesamtmasse des Masse-Feder-Systems und somit eine geringe Beeinflussung desselben. Zudem hängt die Streckgrenze mit dem minimalen Radius zusammen, die das Faden-Material gebogen werden kann, ohne dass die maximal zulässige Spannung der Streckgrenze überschritten wird. Entsprechend kann der minimale Biegeradius, der in dem Brillen-Anzeige-System konstruktiv gefordert sein kann, umso geringer ausfallen, desto höher die Streckgrenze ist. Gehärtete Kohlenstoffstähle bieten hier eine der höchstens Streckgrenzen und sind entsprechend besonders vorteilhaft. Es ist zu beachten, dass auch die Dicke des Faden-Elementes, also beispielsweise des Metallbandes oder des Drahtes einen Einfluss auf den minimalen Radius hat. Entsprechend erlaubt die Verwendung eines Faden-Materials mit hohen Streckgrenzen die Verwendung eines dickeren Drahtes oder Bandes. Dies ist vorteilhaft, da Halbzeuge im Dickenbereich von 10 pm, also Folien oder Mikrodrähte, nur mit großem Aufwand hergestellt werden können. In one embodiment, hardened carbon beam is proposed as the material for the thread element, i.e. as the (thread) material from which the thread element can consist or which can comprise the thread element. This can, for example, have a thickness of at most 50 qm, preferably at most 20pm, particularly preferably at most 10pm, for example 10pm+/-lprn, so that the thread element can still be wound around comparatively small radii without plastic deformation occurring. The load-bearing capacity with regard to tensile forces in a wire shape, i.e. with a round or square cross-section, can under certain circumstances already be too low, so that, for example, a metal strip of the mentioned thickness and less than 3 mm wide, preferably less than 500 qm wide, particularly preferably less than 55pm wide, for example 50 qm wide and 10 pm thickness. The use of hardened carbon steel has the advantage that no plastic deformation can occur during assembly, since hardened steel either breaks as a brittle fracture or does not plastically deform. In addition, the yield strength of hardened steel is very high, which means that a very small thread element can be realized, which is beneficial to the overall system due to the resulting low mass. The advantage here is low damping due to movement through the air with a small surface and low masses compared to the total mass of the mass-spring system and thus a low influence on it. In addition, the yield strength is related to the minimum radius that the thread material can be bent without the maximum permissible tension of the yield strength being exceeded. Accordingly, the minimum bending radius that can be structurally required in the glasses display system can be smaller, the higher the yield strength. Hardened carbon steels offer one of the highest yield strengths here and are therefore particularly advantageous. It should be noted that the thickness of the thread element, for example the metal strip or wire, also influences the minimum radius. Accordingly, the use of a thread material with high yield strength allows the use of a thicker wire or strip. This is advantageous because semi-finished products in the thickness range of 10 pm, i.e. foils or microwires, can only be produced with great effort.
Das hier beschriebene Verfahren zum Kalibrieren umfasst dabei als einen Verfahrensschritt ein Erfassen einer Abweichung der miteinander über das zumindest eine Faden-Element gekoppelten Strahlteiler-Elemente von einer Parallel- Position. In der Parallel-Position sind jeweilige teilreflektierende Flächen, die Spiegel, und damit die Strahlteiler-Elemente parallel ausgerichtet. Entsprechend kann hier der relative Winkel zweier benachbarter Strahlteiler-Elemente messtechnisch überwacht werden, beispielsweise mittels eines Auto-Kollimators. Ein weiterer Verfahrensschritt ist ein berührungsloses Erhitzen des zumindest einen Faden-Elements mittels einer Heizvorrichtung, mit einem automatischen Verändern einer Länge des zumindest einen Faden-Elementes zwischen den beiden Strahlteiler-Elementen als (automatische) Folge des Erhitzens, welches entsprechend den relativen Winkel der beiden benachbarten Strahlteiler- Elemente beeinflusst. Es erfolgt auch ein Steuern der Heizvorrichtung, insbesondere ein Regeln der Heizvorrichtung, derart, dass die erfasste Abweichung dauerhaft verringert wird, d. h. über den Zeitraum des Erhitzens hinweg und damit auch wenn das Faden-Element wieder auf eine ursprüngliche Temperatur abgekühlt ist. The method for calibration described here comprises, as a method step, detecting a deviation of the beam splitter elements coupled to one another via the at least one thread element from a parallel position. In the parallel position, the respective partially reflecting surfaces, the mirrors, and thus the beam splitter elements are aligned parallel. Accordingly, the relative angle of two adjacent beam splitter elements can be monitored by measurement, for example by means of an auto-collimator. A further method step is contactless heating of the at least one thread element by means of a heating device, with an automatic change in the length of the at least one thread element between the two beam splitter elements as an (automatic) consequence of the heating, which accordingly changes the relative angle of the two adjacent beam splitter elements. Elements are also controlled, in particular the heating device is regulated, in such a way that the detected deviation is permanently reduced, ie over the period of heating and thus also when the thread element has cooled back to its original temperature.
Das hat den Vorteil, dass eine Gefügeänderung des Faden-Materials, des Materials des Faden-Elementes, d. h. beispielsweise eine Änderung im Kristallgefüge, aber auch eine Änderung in einem sonstigen Gefüge, genutzt werden kann, um über eine mit der Gefügeänderung verbundenen Volumenänderung des Faden-Elementes eine Länge des erhitzten Faden-Elementes gezielt anzupassen. Damit kann die Parallel-Position der Strahlteiler-Elemente ohne in mechanischen Kontakt mit dem Faden-Element zu kommen mit der gewünschten Genauigkeit von beispielsweise zumindest dreistelliger Nanometergröße kalibriert werden. This has the advantage that a structural change in the thread material, the material of the thread element, i.e. for example a change in the crystal structure, but also a change in another structure, can be used to specifically adjust the length of the heated thread element via a volume change in the thread element associated with the structural change. This means that the parallel position of the beam splitter elements can be calibrated with the desired accuracy of, for example, at least three-digit nanometers, without coming into mechanical contact with the thread element.
Dies wird hier anhand des genannten gehärteten Kohlenstoffstahls exemplarisch für die in für dieses Kalibrierverfahren möglichen Materialien erläutert. Anwendbar ist das Verfahren für jegliche Faden-Materialen, welche auf Erhitzen mit einer dauerhaften Gefügeänderung reagieren. So existiert ein Kohlenstoffstahl in unterschiedlichen Kristallgefügen, unter anderem als Martensit, Austenit, Bainit oder Perlit. Der Stahl nimmt in jedem dieser unterschiedlichen Materialgefüge unterschiedlich viel Raum ein. Gehärteter Kohlenstoffstahl liegt vorwiegend als Martensit vor. This is explained here using the hardened carbon steel mentioned above as an example of the materials that can be used for this calibration process. The process can be used for any thread material that reacts to heating with a permanent change in structure. Carbon steel exists in different crystal structures, including martensite, austenite, bainite or pearlite. The steel takes up a different amount of space in each of these different material structures. Hardened carbon steel is predominantly present as martensite.
Bei einer Wärmebehandlung, d.h. einem Erhitzen des gehärteten Kohlenstoffstahls wird das Materialgefüge zumindest teilweise verändert, wodurch sich beispielsweise auch die Maßhaltigkeit eines aus dem Stahl gefertigten Bauteils ändert. Im Fall von gehärtetem Kohlenstoffstahl als Faden-Material kann entsprechend durch ein Erhitzen das Gefüge beeinflusst werden und somit die Länge des jeweiligen Faden-Elements verändert werden. Beispielsweise ergeben sich für einen gehärteten 100 CR6 Stahl mit einem Gefüge aus 80 % Martensit, 15 % Austenit und 5 % Carbid Rückständen bei einem Erhitzen folgende Volumenänderungen:
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During heat treatment, i.e. heating of the hardened carbon steel, the material structure is at least partially changed, which also changes the dimensional stability of a component made from the steel, for example. In the case of hardened carbon steel as a thread material, the structure can be influenced by heating and thus the length of the respective thread element can be changed. For example, for a hardened 100 CR6 steel with a structure of 80% martensite, 15% austenite and 5% carbide residues, the following volume changes occur when heated:
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Es kann also die Länge eines Faden-Elements mit oder aus gehärtetem Kohlenstoffstahl durch ein Erhitzen dauerhaft verändert werden. Wird beispielsweise ein Faden-Element auf einer Länge von 50 pm auf eine Temperatur erwärmt, die eine Volumenänderung von 0,15 % Schrumpfung zur Folge hat, dann verkürzt sich der Faden um 75 nm. The length of a thread element made of hardened carbon steel can therefore be permanently changed by heating it. For example, if a thread element with a length of 50 pm is heated to a temperature that results in a volume change of 0.15% shrinkage, the thread shortens by 75 nm.
Zu beachten ist, dass für das beschriebene Verfahren kein Stahl als Material für das Faden-Element verwendet werden muss. Vielmehr ist grundsätzlich jedes Material mit einem Gefüge, welches sich durch Erhitzen manipulieren lässt, geeignet. Ein weiteres Beispiel für eine Legierung mit komplexem Gefüge, also einem Material, welches durch ein Erhitzen langfristig sein Volumen und/oder anisotrop seine Länge ändert, ist Titan Grade 5. Allgemein kommen auch andere Titanlegierungen oder Aluminiumlegierungen in Betracht, auch Reinmetalle mit temperaturabhängigen Gefügeänderungen können genutzt werden. In Abhängigkeit des für das Faden-Element genutzten Faden-Materials kann durch das Erhitzen entsprechend sowohl ein Schrumpfen als auch ein Wachsen des Faden-Elements in seiner Länge erreicht werden, so dass auf unterschiedliche Fertigungstoleranzen reagiert werden kann. Insgesamt wird so ein effektives und effizientes Verfahren zum Kalibrieren von mittels Faden-Elementen mechanisch miteinander gekoppelten Strahlteiler-Elementen in einem scannend abtastenden Brillen-Anzeige-System realisiert. It should be noted that the method described does not require steel to be used as the material for the thread element. Rather, any material with a structure that can be manipulated by heating is basically suitable. Another example of an alloy with a complex structure, i.e. a material that changes its volume and/or anisotropically its length over the long term when heated, is titanium grade 5. In general, other titanium alloys or aluminum alloys can also be considered, and pure metals with temperature-dependent structural changes can also be used. Depending on the thread material used for the thread element, heating can cause the thread element to shrink or grow in length, so that different manufacturing tolerances can be responded to. Overall, this creates an effective and efficient method for calibrating beam splitter elements that are mechanically coupled to one another using thread elements in a scanning glasses display system.
In einer Ausführungsform ist das berührungslose Erhitzen ein lokales Erhitzen, wobei insbesondere das zumindest eine Faden-Element um zumindest eine Größenordnung mehr, bevorzugt zumindest zwei oder zumindest drei Größenordnungen mehr, erwärmt oder erhitzt wird als eines der Strahlteiler-Elemente oder die Strahlteiler-Elemente. Das hat den Vorteil, dass andere Elemente des Brillen-Anzeige-Systems, insbesondere die Strahlteiler-Elemente nicht durch das Erhitzen verändert werden und entsprechend das Kalibrieren besonders genau erfolgen kann. In einerweiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass das berührungslose Erhitzen an einem Zentralabschnitt des zumindest einen Faden-Elements vorgenommen wird, welcher sich zwischen zwei Befestigungsbereichen des zumindest einen Faden-Elements, insbesondere zwischen zwei mit Abrollbereichen ausgeführten Befestigungsbereichen des zumindest einen Faden-Elements erstreckt. Bevorzugt ist der Zentralabschnitt von den Befestigungsbereichen mit einem Abstand größer Null beabstandet. Ein Abrollbereich des jeweiligen Faden-Elementes kann dabei insbesondere als ein Bereich definiert sein, welcher bei bestimmungsgemäßem Gebrauch zumindest zeitweise mit dem Strahlteiler-Element in mechanischen Kontakt kommt. Das hat den Vorteil, dass die bei dem Erhitzen bewirkte Gefügeänderung sich nicht auf die Befestigungsbereiche der jeweiligen Faden-Elemente auswirkt und entsprechend die Verlässlichkeit der mechanischen Kopplung der Strahlteiler-Elemente nicht beeinträchtigt, sodass die Genauigkeit des Systems verlässlich erhalten bleibt. Zudem beeinflusst eine lokale Wärmebahandlung das Gefüge und somit die mechanische Streckgrenze, was wiederum die Anforderungen für einen minimalen Biegeradius verändert. Somit ist es vorteilhaft das Gefüge im Abrollbereich nicht zu verändern. In one embodiment, the contactless heating is a local heating, wherein in particular the at least one thread element is warmed or heated by at least one order of magnitude more, preferably at least two or at least three orders of magnitude more, than one of the beam splitter elements or the beam splitter elements. This has the advantage that other elements of the glasses display system, in particular the beam splitter elements, are not changed by the heating and the calibration can accordingly be carried out particularly precisely. In a further embodiment, the contactless heating is carried out on a central section of the at least one thread element, which extends between two fastening areas of the at least one thread element, in particular between two fastening areas of the at least one thread element designed with unwinding areas. The central section is preferably spaced from the fastening areas by a distance greater than zero. An unwinding area of the respective thread element can in particular be defined as an area which, when used as intended, comes into mechanical contact with the beam splitter element at least temporarily. This has the advantage that the structural change caused by the heating does not affect the fastening areas of the respective thread elements and accordingly does not impair the reliability of the mechanical coupling of the beam splitter elements, so that the accuracy of the system is reliably maintained. In addition, local heat treatment influences the structure and thus the mechanical yield point, which in turn changes the requirements for a minimum bending radius. It is therefore advantageous not to change the structure in the unwinding area.
In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass bei dem Steuern eine zeitliche Dauer des berührungslosen Erhitzens und/oder eine Größe eines Abschnitts, insbesondere eine Größe eines Unterabschnitts des Zentralabschnitts, des zumindest einen Faden-Elements, auf welchen die Heizvorrichtung wirkt, in Abhängigkeit einer Größe der erfassten Abweichung eingestellt wird. Das hat den Vorteil, dass sich bei großer Dynamik sehr feinfühlig kleinste Längenänderungen des Faden-Elements einstellen lassen. Beispielsweise kann bei einer Größe des Zentralabschnitts, also der größtmöglichen Wärmeeinflusszone zwischen zwei benachbarten Strahlteilern von 4 mm unter Annahme einer Veränderung des Volumens bzw. der Länge von 0,15 % eine Längenänderung von bis zu 6 pm realisiert werden. Wird von der oben genannten Erhitzung in einem Abschnitt von 50 pm Größe als untere Grenze ausgegangen, ergibt sich so eine Längenänderung, welche zwischen 75 nm und 6 pm einstellbar ist, und zwar auf rund 75nm genau. In a further embodiment, it is provided that during the control, a duration of the contactless heating and/or a size of a section, in particular a size of a subsection of the central section, of the at least one thread element on which the heating device acts, is set depending on a size of the detected deviation. This has the advantage that, with great dynamics, the smallest changes in the length of the thread element can be set very sensitively. For example, with a size of the central section, i.e. the largest possible heat-affected zone between two adjacent beam splitters, of 4 mm, assuming a change in volume or length of 0.15%, a change in length of up to 6 pm can be achieved. If the above-mentioned heating in a section of 50 pm size is assumed as the lower limit, this results in a change in length that can be set between 75 nm and 6 pm, to an accuracy of around 75 nm.
In einer anderen Ausführungsform ist ein Überprüfen vorgesehen, ob zum Verringern der erfassten Abweichung die Länge des zumindest einen Faden-Elements vergrößert oder verkleinert werden muss, sowie in Abhängigkeit eines Ergebnisses des Überprüfens bei dem Steuern ein Einstellen einer ersten Heizleistung, welche einer lokalen ersten Temperatur des zumindest einen Faden- Elements entspricht, falls die Länge verkleinert werden muss, und ein Einstellen einer von der ersten Heizleistung verschiedenen zweiten Heizleistung, welche einer lokalen zweiten Temperatur des zumindest einen Faden-Elements entspricht, falls die Länge vergrößert werden muss. Die Heizleistungen können beispielsweise durch Heizleistungsbereiche für jeweils zu erzielende Temperaturen bestimmt sein. Sie können beispielsweise in Abhängigkeit der genutzten Heizvorrichtung und der jeweiligen Geometrie der Faden-Elemente berechnet und in einer Tabelle hinterlegt werden, um so die Heizvorrichtung zu steuern. Alternativ oder ergänzend kann die Heizleistung auch in Abhängigkeit der erfassten Abweichung und entsprechend eines Ergebnisses des Überprüfens geregelt werden. Das hat den Vorteil, dass durch das Kalibrieren besonders große Fertigungstoleranzen kompensiert werden können. In another embodiment, a check is provided as to whether the length of the at least one thread element must be increased or decreased in order to reduce the detected deviation, and depending on a Result of the checking during control, setting a first heating power which corresponds to a local first temperature of the at least one thread element if the length has to be reduced, and setting a second heating power which is different from the first heating power and corresponds to a local second temperature of the at least one thread element if the length has to be increased. The heating powers can be determined, for example, by heating power ranges for the temperatures to be achieved. They can, for example, be calculated depending on the heating device used and the respective geometry of the thread elements and stored in a table in order to control the heating device. Alternatively or additionally, the heating power can also be regulated depending on the detected deviation and in accordance with a result of the checking. This has the advantage that particularly large manufacturing tolerances can be compensated for by calibration.
Entsprechend kann hier vorgesehen sein, dass bei dem Überprüfen ein Quantifizieren der Abweichung erfolgt, sowie die erste und/oder zweite Heizleistung in Abhängigkeit eines Ergebnisses des Quantifizierens aus jeweils vorgegebenen ersten bzw. zweiten Heizleistungs-Bereichen ausgewählt wird. Dabei sind insbesondere mehrere unterschiedliche erste und/oder zweite Heizleistungs- Bereiche vorgegeben. In Abhängigkeit der temperaturabhängigen Gefügeänderungen des für die jeweiligen Faden-Elemente genutzten Faden-Materials können die unterschiedlichen Heizleistungs-Bereiche dabei auch mit aufsteigender Temperatur verkämmte Heizleistungs-Bereiche sein: Auf einen ersten Heizleistungs-Bereich folgt dann mit aufsteigender Temperatur ein zweiter Heizleistungs-Bereich und auf diesem wiederum ein weiterer erster Heizleistungs-Bereich etc., wie dies beispielsweise auch in der oben gezeigten Tabelle der Fall ist. Die Heizleistungs-Bereiche können jeweiligen Temperaturbereichen zugeordnet sein, welche bei einer Heizleistung im entsprechenden Heizleistungs- Bereich an dem Faden-Element mit der jeweiligen Heizvorrichtung erreicht werden. Das hat den Vorteil, dass das Kalibrierverfahren in seiner Genauigkeit nochmals besser an die jeweiligen Materialeigenschaften angepasst ist und entsprechend eine genauere Kalibrierung mit größerer Dynamik erreicht werden kann. In einer anderen Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Strahlteiler-Elemente über zumindest ein erstes Faden-Element und zumindest ein zweites Faden-Element miteinander gekoppelt sind, wobei die Kippachse zwischen dem ersten Faden-Element und dem zweiten Faden-Element verläuft. Entsprechend kann das erste Faden-Element in einem jeweiligen ersten Endbereich an den Strahlteiler-Elementen befestigt sein und das zweite Faden-Element in einem jeweiligen zweiten Endbereich an den Strahlteiler-Elementen. Die beiden Endbereiche eines Strahlteiler-Elements werden dabei jeweils durch einen Mittelbereich getrennt, durch welchen die Kippachse verläuft. Somit werden bei einem Verkippen der Strahlteiler-Elemente in eine erste Verkipprichtung entsprechende mechanische Kräfte im Wesentlichen vollständig durch das erste Faden-Element und bei dem Verkippen der Strahlteiler-Elemente in eine der ersten Kipprichtung entgegengesetzten zweiten Kipprichtung die mechanischen Kräfte im Wesentlichen vollständig durch das zweite Faden-Element übertragen. Die Faden-Elemente können insbesondere auch eine jeweilige Elastizität der Faden-Elemente ausnutzend vorgespannt, also gegeneinander verspannt, montiert sein, also auch bei unbewegten Strahlteiler-Elementen unter Spannung stehen, was ein besonders genaues Kalibrieren der Parallel-Position ermöglicht. Accordingly, it can be provided here that the deviation is quantified during the check, and the first and/or second heating power is selected from predetermined first and second heating power ranges depending on the result of the quantification. In particular, several different first and/or second heating power ranges are specified. Depending on the temperature-dependent structural changes of the thread material used for the respective thread elements, the different heating power ranges can also be interlocking heating power ranges with increasing temperature: a first heating power range is then followed by a second heating power range with increasing temperature, and this in turn is followed by another first heating power range, etc., as is the case, for example, in the table shown above. The heating power ranges can be assigned to respective temperature ranges which are achieved with a heating power in the corresponding heating power range on the thread element with the respective heating device. This has the advantage that the accuracy of the calibration procedure is even better adapted to the respective material properties and accordingly a more precise calibration with greater dynamics can be achieved. In another embodiment, it is provided that the beam splitter elements are coupled to one another via at least one first thread element and at least one second thread element, with the tilt axis running between the first thread element and the second thread element. Accordingly, the first thread element can be attached to the beam splitter elements in a respective first end region and the second thread element can be attached to the beam splitter elements in a respective second end region. The two end regions of a beam splitter element are each separated by a central region through which the tilt axis runs. Thus, when the beam splitter elements are tilted in a first tilt direction, corresponding mechanical forces are transmitted essentially completely by the first thread element and when the beam splitter elements are tilted in a second tilt direction opposite to the first tilt direction, the mechanical forces are transmitted essentially completely by the second thread element. In particular, the thread elements can also be pre-tensioned, i.e. braced against each other, taking advantage of the respective elasticity of the thread elements, and thus be under tension even when the beam splitter elements are not moving, which enables particularly precise calibration of the parallel position.
Bei dem Kalibrieren erfolgt entsprechend ein Überprüfen, ob zum Verringern der erfassten Abweichung die Länge des ersten Faden-Elements oder die Länge des zweiten Faden-Elements verkleinert werden muss, und, in Abhängigkeit eines Ergebnisses des Überprüfens, erfolgt dann bei dem Erhitzen ein Erhitzen des ersten Faden-Elements, insbesondere nur des ersten Faden-Elements, oder ein Erhitzen des zweiten Faden-Elements, insbesondere, nur des zweiten Faden-Elements. Bevorzugt kommen hier Faden-Materialien zum Einsatz, die bei Erwärmen ausschließlich dauerhaft schrumpfen. Das hat den Vorteil, dass bei dem Herstellen des Brillen-Anzeige-Systems auch Materialien für das Faden- Element in Betracht kommen, welche bei Erhitzen lediglich dauerhaft schrumpfen, so dass eine größere Freiheit hinsichtlich der Gestaltung der Faden-Elemente erreicht wird und das Kalibrierverfahren dennoch mit der gewünschten Genauigkeit erzielt werden kann. Überdies können auch Fadenelemente mit jeweils unterschiedlichen Faden-Materialien zum Einsatz kommen, beispielsweise ein erstes Faden-Element mit einem ersten Faden-Material und ein zweites Faden-Element mit einem zweiten Faden-Material, welches von dem ersten Faden-Material verschieden ist. So kann beispielsweise ein erstes, gröberes Kalibrieren durch eine Längenänderung des ersten Faden-Elements zu erzielt werden und eine zweite feinere Kalibrierung durch eine Längenänderung des zweiten Faden-Elements. During calibration, a check is carried out to determine whether the length of the first thread element or the length of the second thread element must be reduced in order to reduce the detected deviation, and, depending on the result of the check, the first thread element is heated, in particular only the first thread element, or the second thread element is heated, in particular only the second thread element. Preferably, thread materials are used here which only shrink permanently when heated. This has the advantage that when producing the glasses display system, materials for the thread element which only shrink permanently when heated can also be considered, so that greater freedom is achieved with regard to the design of the thread elements and the calibration process can still be achieved with the desired accuracy. In addition, thread elements with different thread materials can also be used, for example a first thread element with a first thread material and a second thread element with a second thread material which is different from the first Thread material is different. For example, a first, coarser calibration can be achieved by changing the length of the first thread element and a second, finer calibration can be achieved by changing the length of the second thread element.
In einerweiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass das berührungslose Erhitzen mittels einer Laservorrichtung als Heizvorrichtung erfolgt. Das hat den Vorteil, dass das zumindest eine Faden-Element besonders punktgenau erhitzt werden kann, d.h. eine Größe des Abschnitts, auf welchen die Heizvorrichtung wirkt, besonders genau eingestellt werden kann, wodurch ein besonders genaues Einstellen der Längenänderung des jeweiligen Faden-Elements erreicht wird. Alternativ oder ergänzend kann das jeweilige Faden-Element auch mittels Strom oder Induktion oder sonstiger Wärmestrahlung erhitzt werden. Gerade bei Nutzung eines Lasers ist vorteilhafterweise auch ein nachträgliches Kalibrieren, d.h. ein Kalibrieren nach der fertigen Montage des Brillen-Anzeige-Systems möglich und entsprechend beispielsweise auch ein Nachkalibrieren nach einer vorgegebenen Anzahl von Betriebsstunden, beispielsweise nach 100 Betriebsstunden. Entsprechend kann das berührungslose Erhitzen zu einem Zeitpunkt erfolgen, bei welchem die Strahlteiler-Elemente bereits durch eine -bevorzugt transparente- Schutzvorrichtung wie beispielsweise ein Brillenglas vor mechanischen und weiteren Einflüssen aus einer Umgebung des Brillen-Anzeige-Sys- tems geschützt sind. Auch dies trägt zum Erfolg des Kalibrierung bei, da so die Wahrscheinlichkeit eines nachträglichen Störens des kalibrierten Brillen-An- zeige-Systems reduziert wird. In a further embodiment, the contactless heating is carried out using a laser device as a heating device. This has the advantage that at least one thread element can be heated with particular precision, i.e. the size of the section on which the heating device acts can be set particularly precisely, thereby achieving particularly precise adjustment of the length change of the respective thread element. Alternatively or additionally, the respective thread element can also be heated using electricity or induction or other heat radiation. Particularly when using a laser, subsequent calibration is also advantageously possible, i.e. calibration after the glasses display system has been fully assembled and, accordingly, recalibration after a predetermined number of operating hours, for example after 100 operating hours. Accordingly, the contactless heating can take place at a time when the beam splitter elements are already protected from mechanical and other influences from the environment of the glasses display system by a - preferably transparent - protective device such as a spectacle lens. This also contributes to the success of the calibration, as it reduces the probability of subsequent interference with the calibrated glasses display system.
In einer anderen Ausführungsform erfolgt ein Messen einer in dem Faden-Element erreichten Temperatur, insbesondere als Funktion einer Längung des Faden-Elements bei dem Erhitzen, sowie ein Steuern (insbesondere Regeln) der Heizvorrichtung in Abhängigkeit der für das Faden-Element gemessenen Temperatur, insbesondere unter Verwendung einer materialspezifischen für das jeweilige Faden-Material des jeweiligen Faden-Elements hinterlegten Tabelle welche einen Zusammenhang zwischen Längen- und Temperaturänderung beschreibt. Das Messen kann dabei alternativ über ein Strahlungsspektrum des erhitzten Faden-Elements erfolgen werden. Bei dem Messen kann bevorzugt eine Änderung eines Relativwinkels der Strahlteiler-Elemente zueinander wäh- rend des Erhitzens verfolgt werden, welche sich gemäß der physikalischen Gesetzmäßigkeiten aus einer vorübergehenden Wärmelängung und einer dauerhaften Gefügeänderung zusammensetzt, deren Beträge für ein jeweiliges Faden-Element anhand Faden-Element-Geometrie und Faden-Material einzeln bestimmbar sind. Somit lässt sich aus einer über die Wärmelängung des Faden- Elements festgestellte Winkeländerung bei dem Erhitzen des Strahlteiler-Elements die erreichte Temperatur und somit auch die dauerhafte Änderung der Länge in dem Faden-Element bestimmen. Das hat den Vorteil, dass die Genauigkeit des Steuerns bzw. Regelns verbessert wird und somit auch die Genauigkeit des Kalibrierverfahrens insgesamt erhöht ist. In another embodiment, a temperature reached in the thread element is measured, in particular as a function of an elongation of the thread element during heating, and the heating device is controlled (in particular regulated) as a function of the temperature measured for the thread element, in particular using a material-specific table stored for the respective thread material of the respective thread element, which describes a relationship between length and temperature change. The measurement can alternatively be carried out via a radiation spectrum of the heated thread element. During the measurement, a change in a relative angle of the beam splitter elements to one another can preferably be measured during during heating, which, according to the laws of physics, consists of a temporary thermal elongation and a permanent structural change, the amounts of which can be determined individually for each thread element based on the thread element geometry and thread material. This means that the temperature reached and thus the permanent change in length in the thread element can be determined from an angle change determined via the thermal elongation of the thread element when the beam splitter element is heated. This has the advantage that the accuracy of the control or regulation is improved and thus the accuracy of the calibration process is increased overall.
In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass bei dem berührungslosen Erhitzen ein Material des zumindest einen Faden-Elements, ein Faden- Material, mit sich bei dem Erhitzen dauerhaft verändernden Volumen erhitzt wird. Entsprechend erfolgt bei dem Herstellen des Brillen-Anzeige-Systems ein Auswählen des Faden-Materials in Abhängigkeit jeweiliger Gefügeänderungen bei Erhitzen. Bei den Faden-Materialien kommen entsprechend insbesondere die oben genannten Faden-Materialien in Betracht, insbesondere also ein Kohlenstoffstahl, wie ein gehärteter Kohlenstoffstahl. Dabei kann, wie dies im Prinzip auch bei einem Härten der Fall ist, auch vorab ein Gefüge bei dem Herstellen des Faden-Elements eingestellt werden, welches durch das berührungslose Erhitzen nach Befestigen an den jeweiligen Strahlteiler-Elementen erneut verändert wird. Diese Möglichkeit ist nicht auf metallische Faden-Materialien beschränkt. In a further embodiment, it is provided that during the contactless heating, a material of the at least one thread element, a thread material, is heated with a volume that changes permanently during the heating. Accordingly, during the manufacture of the spectacle display system, the thread material is selected depending on the respective structural changes during heating. The thread materials that can be used are, in particular, the thread materials mentioned above, in particular a carbon steel, such as a hardened carbon steel. As is in principle also the case with hardening, a structure can also be set in advance during the manufacture of the thread element, which is then changed again by the contactless heating after it has been attached to the respective beam splitter elements. This possibility is not limited to metallic thread materials.
Entsprechend ist ein weiterer Aspekt ein Herstellungs- und Kalibrierverfahren mit dem Verfahren gemäß einer der geschilderten Ausführungsformen mit einem Einstellen eines Materialgefüges, beispielsweise eines Kristallgefüges, insbesondere mit einem Härten, eines Faden-Materials des Faden-Elements vor dem Durchführen der oben genannten Verfahrensschritte des Erfassens der Abweichung, berührungslosen Erhitzens und des Steuerns, so dass das zuvor eingestellte Materialgefüge durch das berührungslose Erhitzen aufgelöst, d.h. das Einstellen des Materialgefüges rückgängig gemacht werden kann. Damit können nochmals mehr unterschiedliche Materialien für die Faden-Elemente gewählt werden, so dass ein besseres Funktionieren des Brillen-Anzeige-Sys- tems ermöglicht ist. Ein weiterer Aspekt betrifft eine Kalibrier- und/oder Herstellungsvorrichtung zum Durchführen eines Verfahrens nach einer der beschriebenen Ausführungsformen. Accordingly, a further aspect is a manufacturing and calibration method with the method according to one of the described embodiments with setting a material structure, for example a crystal structure, in particular with hardening, of a thread material of the thread element before carrying out the above-mentioned method steps of detecting the deviation, contactless heating and controlling, so that the previously set material structure can be dissolved by the contactless heating, ie the setting of the material structure can be reversed. This means that even more different materials can be selected for the thread elements, so that a better functioning of the glasses display system is possible. A further aspect relates to a calibration and/or manufacturing device for carrying out a method according to one of the described embodiments.
Noch ein Aspekt betrifft ein Brillen-Anzeige-System zum Anzeigen eines virtuellen Bilds in einem Sichtfeld eines Nutzers, mit einer Abtast-Umlenkeinheit mit zumindest zwei jeweils über zumindest ein Faden-Element mechanisch miteinander gekoppelten Strahlteiler-Elementen, wobei die Strahlteiler-Elemente beweglich um eine Kippachse verkippbar gelagert sind und ausgebildet sind, sich bei bestimmungsgemäßem Gebrauch zwischen zwei Umkehrpositionen zu bewegen, an welchen eine Kippgeschwindigkeit der Strahlteiler-Elemente Null ist. Dabei sind die miteinander über das zumindest eine Faden-Element gekoppelten Strahlteiler-Elemente mit dem oben beschriebenen Verfahren nach einer der geschilderten Ausführungsformen in einer Parallel-Position kalibriert. Der Nachweis des Verfahrens kann beispielsweise durch ein Schleiffprofil und Analyse des lokal eingestellten Gefüges und/oder einen Zugversuch mit dem jeweiligen Faden-Element geführt werden, wobei untersucht wird, ob im Abrollbereich andere Streckgrenzen vorhanden sind, relativ zum Verbindungsbereich des Fadens zwischen zwei Strahlteilern. Another aspect relates to a glasses display system for displaying a virtual image in a user's field of vision, with a scanning deflection unit with at least two beam splitter elements that are each mechanically coupled to one another via at least one thread element, wherein the beam splitter elements are mounted so that they can be tilted about a tilt axis and are designed to move between two reversal positions when used as intended, at which a tilting speed of the beam splitter elements is zero. The beam splitter elements coupled to one another via the at least one thread element are calibrated in a parallel position using the method described above according to one of the embodiments described. The method can be demonstrated, for example, by a grinding profile and analysis of the locally adjusted structure and/or a tensile test with the respective thread element, whereby it is examined whether there are other yield points in the unrolling area relative to the connection area of the thread between two beam splitters.
Vorteile und vorteilhafte Ausführungsformen von Kalibrier- und/oder Herstellungsvorrichtungen sowie Brillen-Anzeige-System entsprechen dabei Vorteilen und vorteilhaften Ausführungsformen, wie sie für die Verfahren geschildert sind. Advantages and advantageous embodiments of calibration and/or manufacturing devices as well as glasses display systems correspond to advantages and advantageous embodiments as described for the methods.
Die vorstehend in der Beschreibung, auch im einleitenden Teil, genannten Merkmale und Merkmalskombinationen, sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen von der Erfindung als umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt und erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind. Es sind auch Ausführungen und Merkmalskombinationen als offenbart anzusehen, die somit nicht alle Merkmale eines ursprünglich formulierten unabhängigen Anspruchs aufweisen. Es sind darüber hinaus Ausführungen und Merkmalskombinationen, insbesondere durch die oben dargelegten Ausführungen, als offenbart anzusehen, die über die in den Rückbezügen der Ansprüche dargelegten Merkmalskombinationen hinausgehen oder von diesen abweichen. The features and combinations of features mentioned above in the description, including in the introductory part, as well as the features and combinations of features mentioned below in the description of the figures and/or shown in the figures alone can be used not only in the combination specified in each case, but also in other combinations without departing from the scope of the invention. Thus, embodiments are also to be regarded as encompassed and disclosed by the invention that are not explicitly shown and explained in the figures, but which emerge and can be produced by separate combinations of features from the explained embodiments. Embodiments and combinations of features are also to be regarded as disclosed, which therefore do not have all the features of an originally formulated independent claim. Furthermore, embodiments and combinations of features, in particular through the embodiments set out above, are to be considered as disclosed, which go beyond or deviate from the combinations of features set out in the references to the claims.
Dabei zeigen Show
Fig. 1 den schematischen Aufbau einer beispielhaften Ausführungsform eines Brillen-Anzeige-Systems mit Faden-Kinematik; Fig. 1 shows the schematic structure of an exemplary embodiment of a glasses display system with thread kinematics;
Fig. 2a eine schematische Ansicht der Kopplung mehrerer Strahlteiler-Elemente mit einem oder mehreren Faden mit zumindest einem Fadenelement; sowie Fig. 2a is a schematic view of the coupling of several beam splitter elements with one or more threads with at least one thread element; and
Fig. 2b die Kopplung von Fig. 2a mit weiteren Details. Fig. 2b the coupling of Fig. 2a with further details.
Gleiche oder funktionsgleiche Elemente sind in den unterschiedlichen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Identical or functionally equivalent elements are provided with the same reference symbols in the different figures.
In Fig. 1 ist eine beispielhafte Ausführungsform eines Brillen-Anzeige-Systems 1 gezeigt. Eine Bildschirmeinheit 110 strahlt ein Licht aus, welches durch eine Linsen-Einheit 111 parallelisiert, d. h., nach Unendlich abgebildet wird. Somit verlassen parallele Lichtstrahlen in Abstrahlrichtung entsprechend dem Lichtstrahl 112 die Linseneinheit 110 in negativer z-Richtung als Abstrahlrichtung. Das parallelisierte Licht trifft auf teildurchlässige Strahlteiler-Elemente 11, welche um eine Kippachse 15 gelagert sind, welche parallel zur Bildschirmeinheit 110 senkrecht zur Zeichenebene und damit in einer y-Richtung verläuft. Die Strahlteiler-Elemente 11 scannen in einem Kipp-Bereich 0 mit jeweiligen Umkehrpositionen 116 und einer jeweiligen Mittelposition 116'. An den Umkehrpositionen 116 haben die Strahlteiler-Elemente 11 eine Geschwindigkeit 0. Fig. 1 shows an exemplary embodiment of a glasses display system 1. A screen unit 110 emits light which is parallelized by a lens unit 111, i.e., imaged to infinity. Parallel light rays in the emission direction corresponding to the light beam 112 thus leave the lens unit 110 in the negative z-direction as the emission direction. The parallelized light strikes partially transparent beam splitter elements 11 which are mounted around a tilt axis 15 which runs parallel to the screen unit 110, perpendicular to the plane of the drawing and thus in a y-direction. The beam splitter elements 11 scan in a tilt range 0 with respective reversal positions 116 and a respective center position 116'. At the reversal positions 116, the beam splitter elements 11 have a speed of 0.
Gemäß der Gesetzmäßigkeit „Einfallswinkel = Ausfallswinkel" ergibt sich ein im Vergleich zum Kipp-Bereich 0 doppelt so großer Sichtbereich (vorliegend zusammengesetzt aus den Winkelbereichen 114, 114' mit Mittelposition 113), in den das Licht, vorliegend repräsentiert von Lichtstrahl 112, umgelenkt wird. Ein menschlicher Betrachter, ein Nutzer, mit Auge 10 und Pupille 101 kann somit eine computergenerierte Bildinformation im Sichtbereich sehen. Dazu ist die Bildschirmeinheit 110 mit der Winkelposition der Strahlteiler-Elemente 11 sensorisch gekoppelt, was vorliegend nicht dargestellt ist. According to the law "angle of incidence = angle of reflection", the field of view is twice as large as the tilt range 0 (in this case composed of the angle ranges 114, 114' with center position 113), in the light, represented here by light beam 112, is deflected. A human observer, a user, with eye 10 and pupil 101 can thus see computer-generated image information in the field of vision. For this purpose, the screen unit 110 is sensor-coupled to the angular position of the beam splitter elements 11, which is not shown here.
Für die Funktion des Brillen-Anzeige-Systems ist wichtig, dass die einzelnen Strahlteiler-Elemente 11 parallel zueinander ausgerichtet sind. Dazu wird vorliegend mittels eines Faden-Elementes 16 eine formschlüssige mechanische Verbindung erzeugt. Dabei sind in der hier gezeigten beispielhaften Ausführungsform zwei Faden-Elemente 16 symmetrisch angeordnet um die Kippachse 15 gezeigt. Es ist somit ein erstes Faden-Elemente 16 an einem dem Auge zugewandten Bereich der Strahlteiler-Elemente 11 angeordnet, und ein weiteres Faden-Element 16 an einem dem Auge 10 abgewandten Bereich der Strahlteiler-Elemente 11, wobei zwischen den beiden Bereichen die Kippachsen 15 verlaufen. Zum Zwecke der besseren Erkennbarkeit in der Figur ist vorliegend allein aus optischen Gründen das Faden-Element 16 als nicht gespanntes Faden- Element 16 eingezeichnet. Bei bestimmungsgemäßem Gebrauch hat der Faden den Zweck einer mechanischen Kopplung zwischen benachbarten Strahlteiler- Elementen 11, wobei auch Kräfte über das jeweilige Faden-Element 16 übertragen werden müssen. Dazu ist ein gespanntes Faden-Element 16 Voraussetzung. For the glasses display system to function, it is important that the individual beam splitter elements 11 are aligned parallel to one another. To this end, a positive mechanical connection is created using a thread element 16. In the exemplary embodiment shown here, two thread elements 16 are shown arranged symmetrically about the tilt axis 15. A first thread element 16 is thus arranged in an area of the beam splitter elements 11 facing the eye, and a further thread element 16 is arranged in an area of the beam splitter elements 11 facing away from the eye 10, with the tilt axes 15 running between the two areas. For the purpose of better recognition in the figure, the thread element 16 is shown here as a non-tightened thread element 16 for optical reasons alone. When used as intended, the thread serves the purpose of a mechanical coupling between adjacent beam splitter elements 11, whereby forces must also be transmitted via the respective thread element 16. A tensioned thread element 16 is a prerequisite for this.
Entscheidend für die Funktion ist die Parallelität der Strahlteiler-Elemente 11 zueinander. So gibt es zwischen benachbarten Strahlteiler-Elementen 11 einen optischen Überlappungsbereich, wie dies beispielsweise anhand von Sichtstrahl 14 erläutert werden soll. Sichtstrahl 14 entspricht Strahlgängen, bei welchen das Licht 112 durch zwei unterschiedliche Strahlteiler-Elemente 11 an den gleichen Ort im Auge gelenkt werden kann. Entsprechend berührt Sichtstrahl 14 sowohl eine Unterkante 13' eines oberen Strahlteiler-Elementes 11', als auch eine Oberkante 13" eines nächstbenachbarten unteren Strahlteiler-Elementes 11". Da die Pupille 101 typischerweise einen Öffnungsdurchmesser von ca. 2,5 mm aufweist, ist der entsprechend im Auge 10 gebildete Überlappungsbereich, in welchem sich vom oberen Strahlteiler-Element 11' und vom unteren Strahlteiler-Element 11" in das Auge gelenktes Licht gleichzeitig überlagert, größer als in Fig. 1 abstrakt geometrisch mit dem Sichtstrahl 14 konstruiert visualisiert. In dem Überlappungsbereich wird somit eine Bildinformation gleichzeitig mittels der beiden unterschiedlichen Strahlteiler-Elemente 11', 11" wahrgenommen. Der Kippwinkelbereich, der diesem Überlappungsbereich 2 (Fig. 2b) entspricht, wird als Überlappungs-Kippwinkelbereich bezeichnet. The parallelism of the beam splitter elements 11 to one another is crucial for the function. There is an optical overlap area between adjacent beam splitter elements 11, as will be explained using the example of the visual beam 14. The visual beam 14 corresponds to beam paths in which the light 112 can be directed to the same place in the eye by two different beam splitter elements 11. Accordingly, the visual beam 14 touches both a lower edge 13' of an upper beam splitter element 11' and an upper edge 13" of a next-neighboring lower beam splitter element 11". Since the pupil 101 typically has an opening diameter of approximately 2.5 mm, the overlap region formed in the eye 10, in which light directed into the eye by the upper beam splitter element 11' and the lower beam splitter element 11" simultaneously overlaps, larger than in Fig. 1, visualized abstractly geometrically constructed with the viewing beam 14. In the overlap area, image information is thus perceived simultaneously by means of the two different beam splitter elements 11', 11". The tilt angle range that corresponds to this overlap area 2 (Fig. 2b) is referred to as the overlap tilt angle range.
Im Allgemeinen wird das Auflösungsvermögen des menschlichen Auges mit typischerweise 1/60 Grad angegeben. Aufgrund der Gesetzmäßigkeit „Einfallswinkel = Ausfallswinkel" bei der Reflexion von Licht an einem Strahlteiler-Element 11 ergibt sich eine doppelt so hohe Anforderung an die Genauigkeit der Parallelität der Strahlteiler-Elemente 11. Würde somit eine Abweichung von der Parallelität um 1/120 Grad vorliegen, so würden bei gleichzeitiger Betrachtung der Bildschirmeinheit 110 über zwei benachbarte Strahlteiler-Elemente 11 zwei Pixel überlappend durch den Nutzer wahrgenommen werden, wenn die vertikale Auflösung der computergenerierten Bildinformation 1/60 Grad betrüge. Sobald sich zwei Pixel optisch überlagern, wird dies als nachteilige Mitteilung von dem Nutzer als eine geringere Auflösung wahrgenommen. Um eine derartige Bildverschlechterung entsprechend zu verhindern, müssen die Strahlteiler-Elemente 11 eine kleinere Höchstabweichung von der Parallelität aufweisen, so dass die Bildverschlechterung vernachlässigt werden kann. Dies kann beispielsweise durch eine vorgegebene Höchstabweichung von weniger als 1/120 Grad oder idealerweise kleiner als 1/1200 Grad erreicht werden. In general, the resolving power of the human eye is typically given as 1/60 degree. Due to the law "angle of incidence = angle of reflection" when reflecting light on a beam splitter element 11, the requirement for the accuracy of the parallelism of the beam splitter elements 11 is twice as high. If there were a deviation from parallelism of 1/120 degrees, two pixels would be perceived as overlapping by the user when the screen unit 110 was viewed simultaneously via two adjacent beam splitter elements 11 if the vertical resolution of the computer-generated image information was 1/60 degrees. As soon as two pixels optically overlap, this is perceived by the user as a disadvantageous message as a lower resolution. In order to prevent such image deterioration accordingly, the beam splitter elements 11 must have a smaller maximum deviation from parallelism so that the image deterioration can be neglected. This can be achieved, for example, by a specified maximum deviation of less than 1/120 degrees or ideally less than 1/1200 degrees.
Nun ist der Hebelarm von der Kippachse 15 zum äußeren Rand des Strahlteiler- Elementes 11, an dem das Faden-Element 16 fixiert ist, typischerweise rund 2,5 mm groß. Daraus folgt eine zulässige Fertigungstoleranz beim Fertigen der parallel orientierten Strahlteiler-Elemente 11 von Tan(l/120 Grad) x 2,5 mm = 363 nm. Daraus folgt, dass sich eine Abweichung von der Parallelität, ein Kippfehler, von 1/120 Grad ergäbe, wenn einer der beiden Faden-Elemente 16 sich um 363 nm verlängern oder verkürzen würde. Toleranzen im Nanometer-Bereich sind jedoch auf mechanische Art und Weise sehr schwer einzustellen. Besonders vor dem Hintergrund, dass eine mechanische Lagerung um die Kippachse 15 realisiert werden muss und eine solche mechanische Lagerung mit weiteren Toleranzen nicht vernachlässigbarer Größe behaftet ist, wird klar, dass das Problem nicht ohne Weiteres gelöst werden kann. Aus diesem Grund ist eine formschlüssige Synchronisierung der Strahlteiler-Elemente 11 mittels Faden-Element 16 vorteilhaft, beispielsweise da die Synchronisierung mit Faden-Element ohne Lagerspiel mit einer permanenten Vorspannung ausgeführt werden kann. Zudem kann mittels des Faden-elements 16 ausgenutzt werden, dass aufgrund der relativen Lage der Überlappungsbereiche der Strahlteiler-Elemente 11 zur Pupille 101 des Auges 10 der Überlappungsbereich nur in einem sehr kleinen Winkelbereich des gesamten Sichtbereiches sichtbar ist. Somit muss ein Kippfehler benachbarter Strahlteiler-Elemente 11, d.h. die Parallelität benachbarter Strahlteiler-Elemente 11, nur in einem verhältnismäßig kleinen Winkelbereich, beispielsweise weniger als 15 Grad, oder besser noch kleiner als 10 Grad, idealerweise kleiner als 3 Grad realisiert werden. Es genügt somit, die Parallelität der Strahlteiler-Elemente 11 mit der größten Präzision nur in einem Unter-Winkelbereich, dem Überlappungs-Kippwinkelbereich sicherzustellen, was die Fertigung deutlich erleichtert bzw. es erleichtert, eine große effektive Genauigkeit bezüglich der Parallelität zu erreichen. Hierfür ist die beschriebene Faden-Kinematik besonders geeignet. Now the lever arm from the tilt axis 15 to the outer edge of the beam splitter element 11, to which the thread element 16 is fixed, is typically around 2.5 mm. This results in a permissible manufacturing tolerance when manufacturing the parallel oriented beam splitter elements 11 of Tan(l/120 degrees) x 2.5 mm = 363 nm. This means that a deviation from parallelism, a tilt error, of 1/120 degrees would result if one of the two thread elements 16 were to lengthen or shorten by 363 nm. Tolerances in the nanometer range are, however, very difficult to set mechanically. Particularly in view of the fact that a mechanical bearing must be implemented around the tilt axis 15 and that such a mechanical bearing is subject to further tolerances of a non-negligible size, it is clear that the problem cannot be easily solved. For this reason, a positive synchronization of the beam splitter elements 11 by means of a thread element 16 is advantageous, for example because the synchronization with the thread element can be carried out without bearing play with a permanent preload. In addition, the thread element 16 can be used to take advantage of the fact that, due to the relative position of the overlapping areas of the beam splitter elements 11 to the pupil 101 of the eye 10, the overlapping area is only visible in a very small angular range of the entire field of view. A tilting error of adjacent beam splitter elements 11, ie the parallelism of adjacent beam splitter elements 11, only has to be realized in a relatively small angular range, for example less than 15 degrees, or better still less than 10 degrees, ideally less than 3 degrees. It is therefore sufficient to ensure the parallelism of the beam splitter elements 11 with the greatest precision only in a sub-angle range, the overlap tilt angle range, which makes production significantly easier and makes it easier to achieve a high effective accuracy with regard to parallelism. The thread kinematics described is particularly suitable for this.
In Fig. 2a sind drei Strahlteilerelemente 11, 11', 11" gezeigt, welche durch zumindest ein, vorliegend mehrere Faden-Elemente 16, 16', 16", 16'" bei einem Schwingen, d. h., einem Verkippen um die Kippachse 15 in einer Parallel-Position gehalten sind. Die Faden-Elemente 16, 16', 16", 16'" verbinden jeweils zwei Strahlteiler-Elemente 11, 11', 11" miteinander formschlüssig und hier auch in Vorspannung miteinander. Sie berühren die entsprechenden Strahlteiler-Elemente 11, 11', 11" in jeweiligen Abrollbereichen 113, 113', 113". In Fig. 2a, three beam splitter elements 11, 11', 11" are shown, which are held in a parallel position by at least one, in this case several thread elements 16, 16', 16", 16'" during swinging, i.e. tilting about the tilt axis 15. The thread elements 16, 16', 16", 16'" each connect two beam splitter elements 11, 11', 11" to one another in a form-fitting manner and here also with pre-tension. They touch the corresponding beam splitter elements 11, 11', 11" in respective rolling areas 113, 113', 113".
In Fig. 2b sind die Faden-Elemente 16', 16" zur deutlicheren Darstellung mit einem Spalt 117 zum jeweiligen Abrollbereich 118 dargestellt. Dabei sind auf der rechten Seite, in positiver x-Richtung, zwei Faden-Elemente 16' und 16" dargestellt, welche in y-Richtung versetzt angeordnet sind. Das Faden-Element 16' verbindet das in z-Richtung oberste Strahlteiler-Element 11 mit dem mittleren Strahlteiler-Element 11' und das Faden-Element 16" verbindet das oberste Strahlteiler-Element 11 mit dem untersten Strahlteiler-Element 11". In Fig. 2b, the thread elements 16', 16" are shown with a gap 117 to the respective unwinding area 118 for a clearer illustration. On the right-hand side, in the positive x-direction, two thread elements 16' and 16" are shown, which are arranged offset in the y-direction. The thread element 16' connects the uppermost beam splitter element 11 in the z-direction with the middle beam splitter element 11' and the thread element 16" connects the uppermost beam splitter element 11 with the lowermost beam splitter element 11".
Die Strahlteiler-Elemente 11, 11', ll"schwingen dabei vorliegend in z-Richtung um eine erste Lage, in welcher die jeweiligen Faden-Elemente 16', 16" ausgehend von den jeweiligen Ansatzpunkten 119 und 119' bzw. 119" bis zur Position 181 und 181' bzw. 181" an dem jeweiligen Strahlteiler-Element 11, 11' anliegen. Als Folge liegen je nach Kippwinkel der jeweiligen Strahlteiler-Elemente 11, 11' die entsprechenden Faden-Elemente 16', 16" je bis zur Position 182 und 182' bzw. zur Position 182* und 182*' an dem Strahlteiler-Element 11 bzw. 11' an. Entsprechend kann das jeweilige Faden-Element, hier beispielhaft das Faden-Element 16' in folgende Abschnitt eingeteilt werden: Einen Abrollbereich zwischen den Positionen 182, 182* bzw. 182' und 182*', einen Übergangsbereich 183, 183' sowie einen Zentralabschnitt 184. Als Befestigungsbereich kann dabei der jeweilige Abrollbereich zuzüglich des Bereiches zwischen den Positionen 182 bzw. 182*' und den Ansatzpunkten 119 bzw. 119' angesehen werden. Der Zentralbereich wird dabei rein auf Zug homogen über den gesamten Querschnitt belastet. Der Übergangsbereich 183, 183' zwischen den jeweiligen Abrollbereichen und dem Zentralabschnitt 184 entspricht entsprechend einer Be- abstandung des Zentralabschnitts 184 von den Abrollbereichen und damit den Befestigungsbereichen. In dem Zentralbereich 184 als Kalibrierbereich können entsprechend Längenänderungen mittels einer Erhitzung erzeugt werden. Dazu ist vorliegend als eine Laservorrichtung mit Fokuspunkt 151 als Heizvorrichtung 115 vorgesehen. Das Erhitzen erfolgt also vorliegend im Wesentlichen ausschließlich im Bereich des Fokuspunktes 151. The beam splitter elements 11, 11', 11" swing in the z-direction around a first position in which the respective thread elements 16', 16" start from the respective starting points 119 and 119' or 119" up to the position 181 and 181' or 181" rest on the respective beam splitter element 11, 11'. As a result, depending on the tilt angle of the respective beam splitter elements 11, 11', the corresponding thread elements 16', 16" each rest on the beam splitter element 11 or 11' up to the position 182 and 182' or up to the position 182* and 182*'. Accordingly, the respective thread element, here for example the thread element 16', can be divided into the following sections: a rolling area between the positions 182, 182* or 182' and 182*', a transition area 183, 183' and a central section 184. The respective rolling area plus the area between the positions 182 or 182*' and the attachment points 119 or 119' can be regarded as the fastening area. The central area is subjected to a purely tensile load homogeneously across the entire cross-section. The transition area 183, 183' between the respective rolling areas and the central section 184 corresponds accordingly to a spacing of the central section 184 from the rolling areas and thus the fastening areas. In the central area 184 as a calibration area, corresponding length changes can be generated by means of heating. For this purpose, a laser device with a focal point 151 is provided as a heating device 115. The heating thus takes place essentially exclusively in the area of the focal point 151.
Bei einer Schwingbewegung treten die höchsten Spannungen im Faden-Material beim Biegen um den Abrollbereich zwischen den Positionen 182, 182* bzw. 182', 182*' auf. Aus diesem Grund muss das Faden-Element im Falle eines metallischen Faden-Materials mit einer geringen Dicke von beispielsweise 10 pm gewählt werden (die Dicke wird im Zentralabschnitt 184 in x-Richtung gemessen). Damit eine Dauerschwingfestigkeit gegeben ist, darf das Faden-Material im Abrollbereich nicht plastisch verformen, d. h. die maximale Spannung darf die Streckgrenze nicht erreichen. Im Gegensatz dazu sind die Spannungen im Kalibrierbereich deutlich geringer, weil die Kraft auf den kompletten Querschnitt verteilt wird. Dadurch hat eine Erhitzung, bei welcher das Gefüge des Faden-Materials beispielweise durch den Laser lokal verändert wird, zwar Veränderungen der mechanischen Eigenschaften des Faden-Materials zur Folge, diese sind aber aufgrund der deutlich geringeren Anforderungen an die Zugfestigkeit in dem Zentralabschnitt 184 nicht relevant. Über die Größe der Einflusszone, beispielsweise des Fokuspunktes 151, der eingestellten Temperatur und der Zeitdauer der Temperatur kann die Änderung des Gefüges des Faden-Materials und damit die Verlängerung oder Verkürzung des Faden-Elementes 16, 16', 16", 16'" eingestellt werden. Die Grenzen der Einstellmöglichkeiten werden dabei wesentlich durch das Faden-Material bestimmt. During an oscillating movement, the highest stresses in the thread material occur when bending around the unwinding area between positions 182, 182* and 182', 182*'. For this reason, in the case of a metallic thread material, the thread element must be selected with a small thickness of, for example, 10 pm (the thickness is measured in the central section 184 in the x direction). In order to ensure fatigue strength, the thread material must not deform plastically in the unwinding area, i.e. the maximum stress must not reach the yield point. In contrast, the stresses in the calibration area are significantly lower because the force is distributed over the entire cross-section. As a result, heating, in which the structure of the thread material is locally changed, for example by the laser, does result in changes to the mechanical properties of the thread material, but these are not relevant due to the significantly lower requirements for tensile strength in the central section 184. The size of the influence zone, for example the focus point 151, the set temperature and The duration of the temperature can be used to adjust the change in the structure of the thread material and thus the lengthening or shortening of the thread element 16, 16', 16", 16'". The limits of the adjustment options are essentially determined by the thread material.

Claims

Ansprüche Expectations
1. Verfahren zum Kalibrieren eines Brillen-Anzeige-Systems (1), welches ausgebildet ist ein virtuelles Bild in einem Sichtfeld eines Nutzers anzuzeigen, und welches eine Abtast-Umlenkeinheit mit zumindest zwei jeweils über zumindest ein Faden-Element (16, 16', 16", 16"') mechanisch miteinander gekoppelte Strahlteiler- Elemente (11, 11', 11") aufweist; wobei die Strahlteiler-Elemente (11, 11', 11") beweglich um eine Kippachse (15) verkippbar gelagert sind und sich bei bestimmungsgemäßem Gebrauch zwischen zwei Umkehrpositionen (116) bewegen, an welchen eine Kipp-Geschwindigkeit der Strahlteiler-Elemente (11, 11', 11") Null ist; mit den Verfahrensschritten: 1. Method for calibrating a glasses display system (1) which is designed to display a virtual image in a field of vision of a user and which has a scanning deflection unit with at least two beam splitter elements (11, 11', 11") which are each mechanically coupled to one another via at least one thread element (16, 16', 16", 16"'); wherein the beam splitter elements (11, 11', 11") are mounted so as to be movable about a tilt axis (15) and, when used as intended, move between two reversal positions (116) at which a tilt speed of the beam splitter elements (11, 11', 11") is zero; with the method steps:
- Erfassen einer Abweichung der miteinander über das zumindest eine Faden-Element (16, 16', 16", 16'") gekoppelten Strahlteiler-Elemente (11, 11', 11") von einer Parallel-Position; - detecting a deviation of the beam splitter elements (11, 11', 11") coupled to one another via the at least one thread element (16, 16', 16", 16'") from a parallel position;
- berührungsloses Erhitzen des zumindest einen Faden-Elements (16, 16', 16", 16'") mittels einer Heizvorrichtung (115), mit einem Verändern einer Länge des zumindest einen Faden-Elements (16, 16', 16", 16'"); - contactless heating of the at least one thread element (16, 16', 16", 16'") by means of a heating device (115), with a change in a length of the at least one thread element (16, 16', 16", 16'");
- Steuern der Heizvorrichtung (115) derart, dass die erfasste Abweichung verringert wird. - Controlling the heating device (115) such that the detected deviation is reduced.
2. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das berührungslose Erhitzen ein lokales Erhitzen ist, wobei insbesondere das zumindest eine Faden-Element (16, 16', 16", 16'") um zumindest eine Größenordnung mehr, bevorzugt zumindest zwei oder zumindest drei Größenordnungen mehr, erhitzt wird als eines der Strahlteiler-Elemente (11, 11', 11") oder die Strahlteiler-Elemente (11, 11', 11"). 2. Method according to the preceding claim, characterized in that the contactless heating is a local heating, wherein in particular the at least one thread element (16, 16', 16", 16'") is heated by at least one order of magnitude more, preferably at least two or at least three orders of magnitude more, than one of the beam splitter elements (11, 11', 11") or the beam splitter elements (11, 11', 11").
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das berührungslose Erhitzen an einem Zentralabschnitt (184) des zumindest einen Faden-Elements (16, 16', 16", 16'") vorgenommen wird, welcher sich zwischen zwei Befestigungsbereichen des zumindest einen Faden-Elements (16, 16', 16", 16'"), insbesondere zwischen zwei mit Abrollbereichen ausgeführten Befestigungsbereichen des zumindest einen Faden-Elements (16, 16', 16", 16'"), erstreckt und bevorzugt von den Befestigungsbereichen beabstandet ist. 3. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the contactless heating is carried out on a central section (184) of the at least one thread element (16, 16', 16", 16'"), which extends between two fastening areas of the at least one thread element (16, 16', 16", 16'"), in particular between two fastening areas of the at least one thread element (16, 16', 16", 16'") designed with unwinding areas, and preferably is spaced from the mounting areas.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Steuern eine zeitlichen Dauer des berührungslosen Erhitzens und/oder eine Größe eines Abschnittes des zumindest einen Faden-Elements (16, 16', 16", 16"') auf welchen die Heizvorrichtung (115) wirkt in Abhängigkeit einer Größe der erfassten Abweichung eingestellt wird. 4. Method according to one of the preceding claims, characterized in that during the control, a duration of the contactless heating and/or a size of a section of the at least one thread element (16, 16', 16", 16"') on which the heating device (115) acts is set depending on a size of the detected deviation.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch 5. Method according to one of the preceding claims, characterized by
- ein Überprüfen, ob zum Verringern der erfassten Abweichung die Länge des zumindest einen Faden-Elements (16, 16', 16", 16'") vergrößert oder verkleinert werden muss; und, in Abhängigkeit eines Ergebnisses des Überprüfens, bei dem Steuern: - checking whether the length of the at least one thread element (16, 16', 16", 16'") needs to be increased or decreased in order to reduce the detected deviation; and, depending on a result of the checking, controlling:
- ein Einstellen einer ersten Heizleistung, falls die Länge verkleinert werden muss, und - setting an initial heating power if the length needs to be reduced, and
- ein Einstellen einer von der ersten Heizleistung verschiedenen zweiten Heizleistung, falls die Länge vergrößert werden muss. - setting a second heating power different from the first heating power if the length needs to be increased.
6. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Überprüfen ein Quantifizieren der Abweichung erfolgt, sowie die erste und/oder zweite Heizleistung in Abhängigkeit eines Ergebnisses des Quantifizierens aus jeweils vorgegebenen ersten beziehungsweise zweiten Heizleistungs-Bereichen ausgewählt wird, wobei insbesondere mehrere unterschiedliche erste und/oder zweite Heizleistungs-Bereiche vorgegeben sind. 6. Method according to the preceding claim, characterized in that the deviation is quantified during the checking, and the first and/or second heating power is selected from respectively predetermined first and second heating power ranges depending on a result of the quantification, wherein in particular a plurality of different first and/or second heating power ranges are predetermined.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Strahlteiler-Elemente (11, 11', 11") über zumindest ein erstes Faden-Element (16, 16'") und zumindest ein zweites Faden-Element (16', 16") miteinander gekoppelt sind, wobei die Kippachse (15) zwischen dem ersten Faden-Element (16, 16'") und dem zweiten Faden-Element (16', 16") verläuft, gekennzeichnet durch 7. Method according to one of the preceding claims, wherein the beam splitter elements (11, 11', 11") are coupled to one another via at least one first thread element (16, 16'") and at least one second thread element (16', 16"), wherein the tilt axis (15) runs between the first thread element (16, 16'") and the second thread element (16', 16"), characterized by
- ein Überprüfen, ob zum Verringern der erfassten Abweichung die Länge des ersten Faden-Elements (16, 16'") oder die Länge des zweiten Faden-Elements (16', 16") verkleinert werden muss; und, in Abhängigkeit eines Ergebnisses des Überprüfens, bei dem Erhitzen: - Erhitzen des ersten Faden-Elements (16, 16"'), insbesondere nur des ersten Faden- Elements (16, 16"'), oder - checking whether the length of the first thread element (16, 16'") or the length of the second thread element (16', 16") needs to be reduced in order to reduce the detected deviation; and, depending on a result of the checking, during the heating: - heating the first thread element (16, 16"'), in particular only the first thread element (16, 16"'), or
- Erhitzen des zweiten Faden-Elements (16', 16"), insbesondere nur des zweiten Faden-Elements (16', 16"). - Heating the second thread element (16', 16"), in particular only the second thread element (16', 16").
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das berührungslose Erhitzen mittels einer Laservorrichtung als Heizvorrichtung (115) erfolgt. 8. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the contactless heating is carried out by means of a laser device as a heating device (115).
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch 9. Method according to one of the preceding claims, characterized by
- ein Messen einer in dem Faden-Element (16, 16', 16", 16'") erreichten Temperatur, insbesondere als Funktion einer Längung des Faden-Elements (16, 16', 16", 16'") bei dem Erhitzen; und - measuring a temperature reached in the thread element (16, 16', 16", 16'"), in particular as a function of an elongation of the thread element (16, 16', 16", 16'") during heating; and
- Steuern der Heizvorrichtung (115) in Abhängigkeit der für das Faden-Element (16, 16', 16", 16'") gemessenen Temperatur, insbesondere in Abhängigkeit einer materialspezifischen für das Faden-Element (16, 16', 16", 16'") hinterlegten Tabelle. - Controlling the heating device (115) as a function of the temperature measured for the thread element (16, 16', 16", 16'"), in particular as a function of a material-specific table stored for the thread element (16, 16', 16", 16'").
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem berührungslosen Erhitzen ein Material des zumindest einen Faden-Elements (16, 16', 16", 16'") mit sich bei dem Erhitzen dauerhaft veränderndem Volumen erhitzt wird. 10. Method according to one of the preceding claims, characterized in that during the contactless heating a material of the at least one thread element (16, 16', 16", 16'") is heated with a volume that changes permanently during the heating.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem berührungslosen Erhitzen ein Kohlestoffstahl des zumindest einen Faden- Elements (16, 16', 16", 16'"), insbesondere ein gehärteter Kohlenstoffstahl, erhitzt wird. 11. Method according to one of the preceding claims, characterized in that during the contactless heating a carbon steel of the at least one thread element (16, 16', 16", 16'"), in particular a hardened carbon steel, is heated.
12. Herstellungs- und Kalibrierverfahren mit dem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Einstellen eines Materialgefüges, insbesondere mit einem Härten, eines Materials des Faden-Elements (16, 16', 16", 16'") vor dem Durchführen des Verfahrens der vorhergehenden Ansprüche, sodass das eingestellte Materialgefüge durch das Erhitzen aufgelöst werden kann. 12. Manufacturing and calibration method with the method according to one of the preceding claims, characterized by adjusting a material structure, in particular by hardening, a material of the thread element (16, 16', 16", 16'") before carrying out the method of preceding claims, so that the adjusted material structure can be dissolved by heating.
13. Kalibrier- und/oder Herstellungsvorrichtung zum Durchführen eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche. 13. Calibration and/or manufacturing device for carrying out a method according to one of the preceding claims.
14. Brillen-Anzeige-System (1) zum Anzeigen eines virtuellen Bilds in einem Sichtfeld eines Nutzers, mit einer Abtast-Umlenkeinheit mit zumindest zwei jeweils über zumindest ein Faden-Element (16, 16', 16", 16"') mechanisch miteinander gekoppelten Strahlteiler-Elementen (11, 11', 11"), wobei die Strahlteiler-Elemente (11, 11', 11") beweglich um eine Kippachse (15) verkippbar gelagert sind und ausgebildet sind, sich bei bestimmungsgemäßem Gebrauch zwischen zwei Umkehrpositionen (116) zu bewegen, an welchen eine Kipp-Geschwindigkeit der Strahlteiler-Elemente (11, 11', 11") Null ist; dadurch gekennzeichnet, dass die miteinander über das zumindest eine Faden-Element (16, 16', 16", 16'") gekoppelten Strahlteiler-Elemente (11, 11', 11") mit dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 in einer Parallel-Position kalibriert sind. 14. Glasses display system (1) for displaying a virtual image in a field of vision of a user, with a scanning deflection unit with at least two beam splitter elements (11, 11', 11"), each mechanically coupled to one another via at least one thread element (16, 16', 16", 16"'), wherein the beam splitter elements (11, 11', 11") are mounted so as to be movable about a tilt axis (15) and are designed to move between two reversal positions (116) when used as intended, at which a tilting speed of the beam splitter elements (11, 11', 11") is zero; characterized in that the beam splitter elements (11, 11', 11") coupled to one another via the at least one thread element (16, 16', 16", 16'") are coupled to one another via the at least one thread element (16, 16', 16", 16'") using the method according to a of claims 1 to 11 are calibrated in a parallel position.
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