WO2024133304A1 - Device for generating and displaying an image in an observation field using a pupil multiplier - Google Patents

Device for generating and displaying an image in an observation field using a pupil multiplier Download PDF

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WO2024133304A1
WO2024133304A1 PCT/EP2023/086703 EP2023086703W WO2024133304A1 WO 2024133304 A1 WO2024133304 A1 WO 2024133304A1 EP 2023086703 W EP2023086703 W EP 2023086703W WO 2024133304 A1 WO2024133304 A1 WO 2024133304A1
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light beam
encapsulation
microscanner
waveguide
partial light
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PCT/EP2023/086703
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Stefan Franz
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OQmented GmbH
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Definitions

  • the invention relates to a projection device for generating and displaying images on an observation field intended for projecting augmented reality, which can in particular be a spectacle lens or a retina of a user of augmented reality glasses.
  • Augmented reality refers to the computer-aided extension of the perception of reality that addresses at least one of the human sensory modalities.
  • AR is often understood to mean only the visual representation of information, namely the addition of computer-generated additional information and/or virtual objects to images or videos by means of overlay or superimposition.
  • the visual representation or projection of images, user interfaces or information, such as directions, weather information or news is a common application of AR and is increasingly being used in so-called AR glasses, which can display images, user interfaces or information directly on the lenses or retina of a user.
  • a microscanner also known as a micro-electro-mechanical system, MEMS for short
  • MEMS micro-electro-mechanical system
  • a beam of light which is generated by a light source arranged in the temple of a pair of glasses, for example, and then shaped, is deflected onto the MEMS scanner.
  • the MEMS scanner can then scan the beam of light, creating an image on an observation field.
  • Such an imaging system with a MEMS scanner requires comparatively few optical elements, which means that small and inexpensive projectors can be realized.
  • a projector must achieve very good optical resolution and consume very little power. Due to a lack of alternatives, edge emitters are therefore often used as the light source. However, these emit a highly divergent, elliptically shaped beam of light that must be collimated.
  • a MEMS scanner is described, for example, in DE 10 2021 1 16 151 B3.
  • the MEMS scanner disclosed there can simultaneously perform rotary oscillations around two resonant oscillation axes in order to Oscillations of a light beam incident on a deflection element cause a nonlinear Lissajous projection into an observation field.
  • the oscillations scan a field of view (FOV) at high frequencies in a scan pattern that resembles a Lissajous figure.
  • FOV field of view
  • hundreds of partial images can be processed simultaneously and a smoother representation of motion is possible.
  • artifacts in the three-dimensional perception of fast-moving objects are greatly reduced.
  • the size of the so-called exit pupil is a key factor for the user experience.
  • the exit pupil is the area in front of a near-eye display in which projected image content can be correctly perceived by the pupil. Outside the exit pupil, image content can be distorted, colors can be incorrect or mirrored, or image content is not visible at all.
  • the practical minimum size of the exit pupil is the size of the pupil of the human eye, usually about 3-5 mm.
  • the size of the exit pupil must be increased by at least a few millimeters in each direction.
  • the pupil distance varies from person to person, which can be compensated for in binoculars or eyepieces, for example, by mechanical adjustments.
  • moving mechanical parts are not desired in AR glasses due to their high susceptibility to mechanical influences and the associated wear and tear and the required installation space, which is why mechanical adjustment is not an option here.
  • the exit pupil must therefore be increased to at least 1 cm, ideally even to several centimeters.
  • a display for a near-eye display of images is disclosed by WO 2021/122948 A1.
  • the display comprises a light source for emitting light in the direction of a waveguide, the waveguide and a first optical element which is arranged on the waveguide and is configured to receive light and couple it into the waveguide.
  • Laser beam scanning (LBS) can be used to display the images.
  • US 2016/0377866 A1 discloses a portable heads-up display comprising a scanning laser projector, a holographic combiner and an optical splitter arranged in the optical path therebetween.
  • the optical splitter receives the light signals generated by the scanning laser projector and separates the light signals into a plurality of sub-areas based on the point of incidence of each light signal at the optical splitter.
  • the optical splitter redirects the light signals corresponding to the respective plurality of sub-areas to the holographic combiner.
  • the holographic combiner converges the light signals and directs them to the respective spatially separated instances of the exit pupil at the user's eye. In this way, a plurality of instances of the exit pupil are distributed over the area of the eye and the exit pupil is dilated.
  • An optical system for a virtual retinal display and a method for projecting image content onto a retina is known from DE 10 2021 200 893 A1.
  • the optical system comprises an image source that provides an image content, an image processing device, a projector unit with a light source for generating a light beam with a controllable deflection device for the at least one light beam for scanning projection of the image content, and a deflection unit onto which the image content can be projected and which is configured to direct the projected image content onto an eye of a user.
  • the optical system further comprises an optical segmentation element, with the aid of which the image content can be projected onto at least one projection area of the deflection unit via different imaging paths, and an optical replication component, which is arranged in the at least one projection area of the deflection unit and is designed to replicate the projected image content and to direct it spatially offset onto the eye of the user, so that a plurality of exit pupils arranged spatially offset from one another are generated with the image content.
  • the light coming from the microscanner is always sent to a waveguide and split in front of or on the waveguide to form a plurality of to create exit pupils that are spatially offset from one another.
  • the problem that such a free beam area has to be guided past the head of a user which means that many compromises are necessary in the design of such AR glasses.
  • a lot of installation space is required for projection systems and beam-forming optics and the beam paths covered are relatively long.
  • the invention is based on the object of finding a new possibility for image generation and image display on an observation field for AR information projection, which requires few optical elements and little installation space and at the same time has a large exit pupil.
  • a device for generating and displaying images in an observation field intended for displaying information and images comprising at least one light source for emitting at least one light beam, a microscanner for variable deflection of the at least one light beam, wherein the microscanner has at least one axis of rotation for a rotary oscillating movement for deflecting the at least one light beam and an encapsulation that hermetically seals the microscanner, and a pupil multiplier that is formed by amplitude splitter surfaces on which the light beam is reflected at least partially several times, or by diffractive structures on which the light beam is diffracted, and that is mounted in or on the encapsulation of the microscanner in such a way that the at least one light beam deflected by the microscanner is divided into a first partial light beam and at least one second partial light beam, wherein the first partial light beam and the at least one second partial light beam are directed into different adjacent areas of the observation field and have intensities that are adapted to one
  • the encapsulation of the microscanner is generally intended to protect the moving mechanical and optical components of the microscanner and is indispensable to protect it from external influences and contamination.
  • the invention allows the encapsulation to be given additional functionality to further increase the stability and compactness of AR image generation and display.
  • the pupil multiplier ensures that the size of the exit pupil of the device for generating and displaying images or the projection device remains the same, while the compactness of the projection device is improved. Alternatively, the exit pupil can be enlarged while maintaining the same compactness.
  • the pupil multiplier is a beam splitter or an arrangement of beam splitters by which the light beam is divided into several partial light beams, preferably running parallel to one another, or it is formed by diffractive structures at which the light beam is diffracted.
  • the diffractive structures can also be designed as holographic optical elements.
  • the generation and display of images is to be understood in the sense of the invention as the generation and display of one image, several images or a sequence of images.
  • user interfaces or information such as directions, weather information or news can also be displayed on the observation field.
  • the observation field is advantageously at least one optically effective surface, for example at least one beam splitter or a holographic optical element (HOLOGRAPHIC OPTICAL ELEMENT, HOE for short), which is applied in a lens of AR glasses or on a windshield of a motor vehicle.
  • the observation field can be the retina of at least one eye of a user.
  • the device advantageously comprises at least one waveguide which is flat and has outer surfaces running parallel to one another.
  • At least one waveguide can be formed by the parallel outer surfaces of the encapsulation.
  • the waveguide is essentially plate-shaped and consists of a material through which the light beam emitted by the light source can propagate.
  • the waveguide can be parallel-surface.
  • the at least one light beam preferably propagates by total resection on the outer surfaces of the waveguide. To do this, the light beam must be coupled into the waveguide at an angle that is greater than an angle of total reflection. The angle of total reflection depends on the material from which the waveguide is made.
  • the at least one waveguide can consist of several layers or of just one layer.
  • the waveguide is preferably a plate made of glass or transparent optical plastic.
  • the waveguide is particularly preferably a lens of AR glasses or the windshield of a motor vehicle.
  • At least one cover glass can also be applied to the waveguide to protect the outside of the waveguide from external influences.
  • a cover glass is particularly preferably applied to both outside sides of the waveguide.
  • a collimation element is preferably inserted in front of the microscanner in the beam path of the light beam.
  • An optical element for correcting aberrations and/or for beam shaping can also be inserted in the beam path of the light beam.
  • the collimation element is particularly preferably designed to correct aberrations and for beam shaping at the same time. In this way, only very few optical elements are required in the beam path of the light beam to collimate, correct and shape it.
  • a coupling element is arranged between the microscanner and the waveguide, through which the at least one light beam can be coupled into the waveguide.
  • the coupling element is therefore designed to couple the light beam coming from the microscanner into the waveguide.
  • the coupling element can reduce or avoid image errors and deflections of the light beam that occur on an entry surface of the waveguide.
  • At least one coupling element can also be attached, at which the at least one partial light beam can be coupled out of the waveguide.
  • the coupling element or the coupling elements can, for example, have the same refractive index as the waveguide and a plane running perpendicular to the light beam.
  • the splitter surfaces can be formed by a first outer surface of the encapsulation that reflects the at least one light beam and a second outer surface of the encapsulation that is partially transparent and reflective for the at least one light beam.
  • a reflectivity of the second outer surface can decrease in the direction in which the at least two partial light beams propagate along the encapsulation.
  • the reflectivity of the second outer surface decreases in the direction in which the at least one light beam propagates along the encapsulation so that all Partial light beams have essentially the same intensity. In this case, no additional splitter surfaces are necessary. However, with such an arrangement it is not possible to split the light beam along several directions without introducing additional optical elements.
  • further splitter surfaces can be introduced into the encapsulation.
  • a reflectivity or splitting ratio of the further splitter surfaces can decrease in the direction in which the at least one light beam propagates along the encapsulation.
  • the reflectivity of the further splitter surfaces decreases in the direction in which the at least one light beam propagates along the encapsulation such that all partial light beams have essentially the same intensity.
  • first and/or the second outer surface of the encapsulation can also act as a splitter surface and/or additional splitter surfaces can be introduced into the waveguide in order to split the light beam along more than one direction with as few optical elements as possible.
  • a further pupil multiplier is fitted in or on the waveguide so that the first partial light beam and the at least one second partial light beam are split even further.
  • the further pupil multiplier can be designed in a similar way to the pupil multiplier.
  • the outer surfaces of the waveguide can be dividing surfaces of the further pupil multiplier.
  • the microscanner can be designed in particular as a micro-electro-mechanical system (MEMS) and can be configured to cause a non-linear Lissajous projection in the observation field.
  • MEMS micro-electro-mechanical system
  • the microscanner is designed to scan the light beam across the observation field, thereby generating an image on the observation field.
  • By scanning the at least one light beam along a Lissajous figure hundreds of partial images can be processed simultaneously and a smoother representation of movement is made possible.
  • artifacts in the three-dimensional perception of fast-moving objects by the user are greatly reduced.
  • the microscanner is designed for rotary oscillation movements around exactly two axes of rotation that are orthogonal to one another and oscillates at its natural frequency around the two axes of rotation.
  • the microscanner can also be designed for rotary oscillation movements around only one axis of rotation, in which case the light source is designed to emit several light beams arranged next to one another in a line-like manner.
  • the at least one light source is a laser diode that is designed as an edge emitter, surface emitter or a fiber-coupled laser light source.
  • Surface emitters and fiber-coupled light sources have the advantage that the light beams emitted by these light sources are generally less divergent than the light beams emitted by edge emitters.
  • the acquisition costs of surface emitters and fiber-coupled light sources are generally significantly higher than those of edge emitters.
  • the at least one light source can be designed to emit a plurality of light beams with pairwise different spectral compositions.
  • the at least one light source can be supplemented by further similar light sources so that a plurality of light beams with the same spectral composition are emitted.
  • the distance between the light beams emitted by the light source or light sources can preferably be adjusted using an additional optical element.
  • a light source that emits a plurality of light beams or a plurality of light sources is particularly useful if the microscanner is designed to be rotatable about only one axis of rotation, since an image in two dimensions can then be generated by simultaneously controlling the line light source and the microscanner.
  • augmented reality glasses containing a device for generating and displaying images according to one of the described embodiments.
  • FIG. 1 A side view of a first embodiment of a device for generating and displaying images in an observation field
  • Fig. 2 is a view of a second embodiment of the device for generating and displaying images in the observation field
  • Fig. 3 is a view of a third embodiment of the device for generating and displaying images in the observation field
  • Fig. 4A is a first view of a fourth embodiment of the device for generating and displaying images in the observation field
  • Fig. 4B is a second view of a fourth embodiment of the device for generating and displaying images in the observation field
  • Fig. 5 is a view of a fifth embodiment of the device for generating and displaying images in the observation field
  • Fig. 6 is a side view of a sixth embodiment of the device for generating and displaying images in the observation field with a further waveguide.
  • Fig. 1 shows a first embodiment of a device for generating and displaying images in an observation field 10.
  • the first embodiment comprises a light source 1 for emitting at least one light beam 3 in the direction of a microscanner 4.
  • the light source 1 is designed as a strongly divergent laser diode, for example in the form of an edge emitter, and is arranged above a microscanner 4.
  • the light beam 3 After emerging from the light source 1, the light beam 3 strikes a collimation element 2 which is designed to collimate the divergent light beam 3 or at least partially collimate and shape it.
  • the microscanner 4 is designed for variable deflection of the light beam 3 and has at least one axis of rotation for a rotary oscillating movement for deflecting the light beam 3. It is preferably designed as a micro-electro-mechanical system and is designed to cause a non-linear Lissajous projection in the observation field 10.
  • the microscanner 4 has an encapsulation 5, which is generally for protection against external influences and contamination.
  • the encapsulation 5 is flat and has outer surfaces that run parallel to one another.
  • the light beam 3 collimated after the collimation element 2 then strikes the encapsulation 5, through which it is transmitted, and the microscanner 4, wherein the microscanner 4 has a scanning mirror which is enclosed by an encapsulation 5.
  • the light beam 3 is deflected at the scanning mirror of the microscanner 4.
  • the scanning mirror has a scanning area within which the light beam 3 can be deflected.
  • the scanning area can comprise the entire half-space above the scanning mirror in order to project an image representation in the observation field 10.
  • the observation field 10 is only shown schematically in Fig. 1 and in the following figures.
  • the device for generating and displaying images in an observation field 10 is also referred to below as a projection device.
  • the projection device further comprises a pupil multiplier 6 (not specifically shown in Fig. 1), which is introduced into the encapsulation 5.
  • the pupil multiplier 6 splits the light beam 3 into several, here for example three, partial light beams 3i-3s along a plane, wherein the partial light beams 3i-3i are directed into different areas of the observation field 10 and have essentially the same intensities and beam shapes. Even if only three partial light beams 3i to 33 are shown in Fig. 1, the number of partial light beams 3i into which the light beam 3 is divided by the pupil multiplier 6 can be chosen arbitrarily.
  • the number of partial light beams 3i is preferably between two and one hundred.
  • the number of partial light beams 3i depends in particular on the size of an exit pupil into which the projection device is to project images.
  • Fig. 2 shows a second embodiment of the projection device in which a fiber-coupled light source 1 supplies a divergent light beam 3 which is collimated by the collimation element 2.
  • the pupil multiplier 6 is formed by splitter surfaces 7, specifically by a first outer surface 7i of the encapsulation 5 which reflects the light beam 3 and a second outer surface 72 of the encapsulation 5 which is partially transparent and reflective for the light beam 3.
  • the partial light beams 3i and 32 run parallel to one another in Fig. 2, as in Fig. 1, and the light beam 3 is split in only one direction.
  • the projection device is formed by a layer structure, whereby the individual layers can be applied to a wafer. In Fig. 2, such a wafer is shown as the bottom layer. On A layer containing the microscanner 4 is applied to the wafer, and the encapsulation 5 is applied on top of this. The encapsulation 5 is transparent to the light beam 3 coming from the light source 1.
  • Fig. 3 shows a third embodiment of the projection device.
  • the light beam 3 incident on the encapsulation 5 is, after it has been deflected by the microscanner 4, deflected in a propagation direction by an inclined outer surface 73 and simultaneously split into four partial light beams 3i.
  • the first outer surface 7i of the encapsulation 5, which reflects the light beam 3 and the second outer surface 72 of the encapsulation 5, which is partially transparent and reflective for the light beam 3, are also part of the pupil multiplier 6.
  • the partial light beams 3i are further split into a total of eight secondary partial light beams 3s-3i2 by the first outer surface 7i and the second outer surface 72. After leaving the encapsulation 5, the secondary partial light beams 3s-3s propagate through the exit surface or the second outer surface 72 of the encapsulation 5 in the direction of the observation field 10, not shown here.
  • the encapsulation 5 hermetically seals the microscanner 4, as in the first two embodiments, in order to protect it from external influences and contamination, and at the same time provides the splitter surfaces 7 used as amplitude splitters for the pupil multiplier 6.
  • Fig. 4A and Fig. 4B each show variants of a fourth embodiment of the projection device.
  • the splitter surfaces 7 are introduced into the encapsulation 5 and the reflectivity of the individual splitter surfaces 74 and 7s lying parallel one behind the other decreases along the beam path of the light beam 3 in the encapsulation 5.
  • Fig. 4A the beam path of the light beam 3 is only shown up to the microscanner 4 (not shown) and the beam path of all partial light beams 3i only after exiting the encapsulation 5 in order to make the splitter surfaces 7 introduced into the encapsulation 5 more clearly visible.
  • the light beam 3 falls on the microscanner 4 and is deflected by it in the direction of a reflective surface 11.
  • the reflective surface 11 is introduced into the encapsulation 5 in order to deflect the light beam 3 in the direction of the pupil multiplier 6, which is formed from a total of six splitter surfaces 7.
  • the three first splitter surfaces 74 divide the light beam 3 into three Partial light beams 3i (not shown) and deflect the three primary partial light beams 3i in the direction of the three second splitter surfaces 7s.
  • the second splitter surfaces 7s divide the three primary partial light beams 3i into nine secondary partial light beams 3s-3i3 and deflect them in the direction of the observation field 10, creating an array of three times three secondary partial light beams 3s-3i3.
  • the nine secondary partial light beams 3s-3i3 have an intensity that is adapted to one another and the same beam shape.
  • the beam path of the light beam 3 is shown in Fig. 4B only up to the reflective surface 11.
  • the light beam 3 hits the scanning mirror of the microscanner 4 (not shown), it is deflected by the reflective surface 11 in the direction of the three first splitter surfaces 74, split there into three primary partial light beams 3i (not shown) and deflected in the direction of the second splitter surfaces 7s and then split three times again at the second splitter surfaces 7s and - as in Fig. 4A as nine secondary partial light beams 3s-3i3 - coupled out upwards (not shown in Fig. 4B).
  • Fig. 5 shows a fifth embodiment of the device for generating and displaying images in the observation field 10 (not shown).
  • the light source 1 is also not shown, only the already collimated and formed light beam 3.
  • the light beam 3 strikes the encapsulation 5 and is transmitted through the encapsulation 5 to the microscanner 4.
  • the light beam 3 is deflected or scanned by the microscanner 4 and strikes a first diffractive structure 12, where it is split into nine primary partial light beams 3I-39.
  • the nine primary partial light beams 3I-39 then strike a second diffractive structure 13, which, like the first diffractive structure 12, is introduced into the encapsulation 5, and are each split into nine secondary partial light beams 3io-3go.
  • the 81 secondary partial light beams 3 -9o then leave the encapsulation 5 in the direction of the observation field 10.
  • the diffractive structures 12 and 13 can be, for example, flat gratings or three-dimensional holographic elements.
  • the light source 1 is a fiber-coupled light source.
  • the divergent light beam 3 enters a waveguide 14 arranged between the light source 1 and the microscanner 4 and is collimated by a collimation element 2 arranged in the waveguide 14.
  • the collimated light beam 3 is transmitted through the encapsulation 5 and strikes the microscanner 4.
  • the encapsulation 5 is designed as a semicircular dome above the microscanner 4.
  • the light beam 3 is deflected by the microscanner 4 and hits the encapsulation 5 again.
  • the encapsulation 5 contains a pupil multiplier 6 (not shown) and divides the light beam 3 into four primary partial light beams 3I-34 when it hits it for the second time perpendicular to the plane of the drawing.
  • the pupil multiplier 6 is only arranged in the area of the encapsulation 5 into which the light beam 3 is deflected by the microscanner 4.
  • the four primary partial light beams 3I-34 are coupled into the waveguide 14 by a coupling element 8 and reflected by total reflection on an outside of the waveguide 14.
  • the four primary partial light beams 3I-34 are divided into sixteen secondary partial light beams 3s-320, which are coupled out of the waveguide 14 in the direction of the observation field 1 by an output coupling element 9 perpendicular to the other outer surface of the waveguide 14.
  • the input coupling element 8 and the output coupling element 9 can be designed, for example, as an echelle grating or a blaze grating (slanted edge grating).

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Abstract

The invention relates to a device for generating and displaying images in an observation field (10) provided for overlaying information and images, comprising at least one light source (1) for outputting at least one light beam (3), a microscanner (4) for variably deflecting the at least one light beam (3), wherein the microscanner (4) has at least one axis of rotation for a rotational oscillating movement for deflecting the at least one light beam (3), as well as an encapsulation (5) that hermetically seals the microscanner (4), and a pupil multiplier (6) which is formed by amplitude splitter surfaces (7) on which the light beam (3) is at least proportionately reflected multiple times, or by diffractive structures (12, 13) on which the light beam (3) is deflected, and which is fixed in or on the encapsulation (5) such that the at least one light beam deflected by the microscanner (4) is divided into a first partial light beam (31) and at least one second partial light beam (32), wherein the first partial light beam (31) and the at least one second partial light beam (32) is directed in different neighbouring regions of the observation field (10) and have intensities that are coordinated with one another.

Description

Vorrichtung zur Erzeugung und Darstellung eines Bildes auf einem Beobachtungsfeld unter Verwendung eines Pupillenvervielfachers Device for generating and displaying an image on an observation field using a pupil multiplier
Die Erfindung betrifft eine Projektionsvorrichtung zur Erzeugung und Darstellung von Bildern auf einem zur Projektion erweiterter Realität vorgesehenen Beobachtungsfeld, welches insbesondere ein Brillenglas oder eine Netzhaut eines Benutzers einer Augmented-Reality-Brille sein kann. The invention relates to a projection device for generating and displaying images on an observation field intended for projecting augmented reality, which can in particular be a spectacle lens or a retina of a user of augmented reality glasses.
Erweiterte Realität (engl.: Augmented Reality, kurz AR) bezeichnet die computergestützte Erweiterung der Realitätswahrnehmung, die mindestens eine der menschlichen Sinnesmodalitäten anspricht. Häufig wird unter AR jedoch nur die visuelle Darstellung von Informationen verstanden, nämlich die Ergänzung von Bildern oder Videos mit computergenerierten Zusatzinformationen und/oder virtuellen Objekten mittels Einblendung bzw. Überlagerung. Insbesondere die visuelle Darstellung bzw. Projektion von Bildern, Benutzeroberflächen oder Informationen, wie Wegbeschreibungen, Wetterinformationen oder Nachrichten, stellt eine häufige Anwendung von AR dar und findet zunehmend Anwendung in sogenannten AR-Brillen, die Bilder, Benutzeroberflächen oder Informationen direkt auf den Brillengläsern oder der Netzhaut eines Benutzers darstellen können. Augmented reality (AR) refers to the computer-aided extension of the perception of reality that addresses at least one of the human sensory modalities. However, AR is often understood to mean only the visual representation of information, namely the addition of computer-generated additional information and/or virtual objects to images or videos by means of overlay or superimposition. In particular, the visual representation or projection of images, user interfaces or information, such as directions, weather information or news, is a common application of AR and is increasingly being used in so-called AR glasses, which can display images, user interfaces or information directly on the lenses or retina of a user.
Zur Projektion von Bildern oder Textinformationen kann ein Mikroscanner (auch mikro- elektro-mechanisches System, kurz: MEMS) verwendet werden. Auf den MEMS-Scanner wird ein Lichtbündel, der von einer beispielsweise in einem Bügel einer Brille angeordneten Lichtquelle erzeugt und anschließend geformt wird, abgelenkt. Durch den MEMS-Scanner kann das Lichtbündel dann gescannt werden, wodurch auf einem Beobachtungsfeld ein Bild erzeugt wird. Ein solches bildgebendes System mit MEMS- Scanner benötigt vergleichsweise wenig optische Elemente, wodurch kleine und kostengünstige Projektoren realisiert werden können. Für AR-Anwendungen muss ein Projektor eine sehr gute optische Auflösung erzielen und sehr wenig Strom verbrauchen. Aufgrund mangelnder Alternativen werden daher häufig Kantenemitter als Lichtquelle verwendet. Diese emittieren jedoch ein stark divergentes, elliptisch geformtes Lichtbündel, das kollimiert werden muss. A microscanner (also known as a micro-electro-mechanical system, MEMS for short) can be used to project images or text information. A beam of light, which is generated by a light source arranged in the temple of a pair of glasses, for example, and then shaped, is deflected onto the MEMS scanner. The MEMS scanner can then scan the beam of light, creating an image on an observation field. Such an imaging system with a MEMS scanner requires comparatively few optical elements, which means that small and inexpensive projectors can be realized. For AR applications, a projector must achieve very good optical resolution and consume very little power. Due to a lack of alternatives, edge emitters are therefore often used as the light source. However, these emit a highly divergent, elliptically shaped beam of light that must be collimated.
Ein MEMS-Scanner ist beispielsweise in der DE 10 2021 1 16 151 B3 beschrieben. Der dort offenbarte MEMS-Scanner kann um zwei resonante Schwingungsachsen simultan rotatorische Oszillationen ausführen, um durch Ablenken eines während der Oszillationen auf ein Ablenkelement einfallenden Lichtstrahls eine nichtlineare Lissajous- Projektion in ein Beobachtungsfeld zu bewirken. A MEMS scanner is described, for example, in DE 10 2021 1 16 151 B3. The MEMS scanner disclosed there can simultaneously perform rotary oscillations around two resonant oscillation axes in order to Oscillations of a light beam incident on a deflection element cause a nonlinear Lissajous projection into an observation field.
Durch die Oszillationen wird ein Sichtfeld (engl.: Field of View, kurz: FOV) mit hohen Frequenzen in einem Scan-Muster, das einer Lissajous-Figur gleicht, gescannt. Im Gegensatz zu konventionellen Rasterscanverfahren, die das FOV periodisch von oben nach unten mit maximaler Auflösung scannen, können so hunderte Teilbilder gleichzeitig verarbeitet und eine flüssigere Bewegungsdarstellung ermöglicht werden. Außerdem werden Artefakte bei der dreidimensionalen Wahrnehmung von sich schnell bewegenden Objekten stark reduziert. The oscillations scan a field of view (FOV) at high frequencies in a scan pattern that resembles a Lissajous figure. In contrast to conventional raster scanning methods, which periodically scan the FOV from top to bottom at maximum resolution, hundreds of partial images can be processed simultaneously and a smoother representation of motion is possible. In addition, artifacts in the three-dimensional perception of fast-moving objects are greatly reduced.
Bei augennahen Displaysystemen, die dreidimensionale Augmented und/oder Virtual Reality unterstützen, ist die Größe der sogenannten Austrittspupille (engl.: Exit Pupil oder Eyebox) ein wesentlicher Faktor für das Nutzererlebnis. Die Austrittspupille ist der Bereich vor einem augennahen Display, in dem projizierte Bildinhalte durch die Pupille korrekt wahrgenommen werden können. Außerhalb der Austrittspupille können Bildinhalte verzerrt sein, Farben können falsch oder gespiegelt sein oder Bildinhalte sind überhaupt nicht sichtbar. For near-eye display systems that support three-dimensional augmented and/or virtual reality, the size of the so-called exit pupil (or eyebox) is a key factor for the user experience. The exit pupil is the area in front of a near-eye display in which projected image content can be correctly perceived by the pupil. Outside the exit pupil, image content can be distorted, colors can be incorrect or mirrored, or image content is not visible at all.
Die praktische Mindestgröße der Austrittspupille ist die Größe der Pupille des menschlichen Auges, in der Regel ca. 3-5 mm. Bei Ferngläsern oder Mikroskopen genügt eine solche Austrittspupille, da die Pupille des Auges sich in der Regel wenig bewegt. Im Falle von augennahen Displays bewegen sich die Augen des Benutzers jedoch. Um diese Augenbewegung zu unterstützen, muss die Größe der Austrittspupille um mindestens ein paar Millimeter in jede Richtung vergrößert werden. Hinzu kommt ein von Mensch zu Mensch abweichender Pupillenabstand, der bei Ferngläsern oder Okularen beispielsweise über mechanische Einstellungen kompensiert werden kann. Bewegliche mechanische Teile sind jedoch bei AR-Brillen aufgrund ihrer hohen Anfälligkeit für mechanische Einwirkungen sowie dem damit verbundenen Verschleiß und dem erforderlichen Bauraum nicht gewünscht, weshalb das mechanische Einstellen hier keine Option darstellt. Daher muss die Austrittspupille auf mindestens 1 cm, idealerweise sogar auf mehrere Zentimeter, vergrößert werden. The practical minimum size of the exit pupil is the size of the pupil of the human eye, usually about 3-5 mm. For binoculars or microscopes, such an exit pupil is sufficient, since the pupil of the eye usually moves very little. In the case of displays close to the eyes, however, the user's eyes move. To support this eye movement, the size of the exit pupil must be increased by at least a few millimeters in each direction. In addition, the pupil distance varies from person to person, which can be compensated for in binoculars or eyepieces, for example, by mechanical adjustments. However, moving mechanical parts are not desired in AR glasses due to their high susceptibility to mechanical influences and the associated wear and tear and the required installation space, which is why mechanical adjustment is not an option here. The exit pupil must therefore be increased to at least 1 cm, ideally even to several centimeters.
Ein Display für eine augennahe Anzeige von Abbildungen ist durch die WO 2021 /122948 A1 offenbart. Das Display umfasst eine Lichtquelle zum emittieren von Licht in Richtung eines Wellenleiters, den Wellenleiter sowie ein erstes optisches Element, das auf dem Wellenleiter vorgesehen und so konfiguriert ist, dass es Licht empfängt und in den Wellenleiter einkoppelt. Zum Anzeigen der Abbildungen kann sogenanntes Laser Beam Scanning (LBS) eingesetzt werden. A display for a near-eye display of images is disclosed by WO 2021/122948 A1. The display comprises a light source for emitting light in the direction of a waveguide, the waveguide and a first optical element which is arranged on the waveguide and is configured to receive light and couple it into the waveguide. Laser beam scanning (LBS) can be used to display the images.
Die US 2016/0377866 A1 offenbart ein tragbares Heads-up-Display, umfassend einen Abtastlaserprojektor, einen holografischen Kombinierer und einen optischen Teiler, der im optischen Pfad dazwischen angeordnet ist. Der optische Teiler empfängt die vom Abtastlaserprojektor erzeugten Lichtsignale und trennt die Lichtsignale in mehrere Teilbereiche, basierend auf dem Einfallspunkt jedes Lichtsignals am optischen Teiler. Der optische Teiler leitet die Lichtsignale, die den jeweiligen mehreren Teilbereichen entsprechen, auf den holografischen Kombinierer um. Der holografische Kombinierer konvergiert die Lichtsignale und leitet sie zu den jeweiligen räumlich voneinander getrennten Instanzen der Austrittspupille am Auge des Benutzers. Auf diese Weise werden mehrere Instanzen der Austrittspupille über den Bereich des Auges verteilt und die Austrittspupille wird erweitert. US 2016/0377866 A1 discloses a portable heads-up display comprising a scanning laser projector, a holographic combiner and an optical splitter arranged in the optical path therebetween. The optical splitter receives the light signals generated by the scanning laser projector and separates the light signals into a plurality of sub-areas based on the point of incidence of each light signal at the optical splitter. The optical splitter redirects the light signals corresponding to the respective plurality of sub-areas to the holographic combiner. The holographic combiner converges the light signals and directs them to the respective spatially separated instances of the exit pupil at the user's eye. In this way, a plurality of instances of the exit pupil are distributed over the area of the eye and the exit pupil is dilated.
Ein optisches System für eine virtuelle Netzhautanzeige und ein Verfahren zum Projizieren von Bildinhalten auf eine Netzhaut ist aus der DE 10 2021 200 893 A1 bekannt. Das optische System umfasst eine Bildquelle, die einen Bildinhalt liefert, eine Bildverarbeitungseinrichtung, eine Projektoreinheit mit einer Lichtquelle zum Generieren eines Lichtstrahls mit einer ansteuerbaren Ablenkeinrichtung für den mindestens einen Lichtstrahl zur scannenden Projektion des Bildinhalts sowie eine Umlenkeinheit, auf die der Bildinhalt projizierbar ist und die dazu eingerichtet ist, den projizierten Bildinhalt auf ein Auge eines Nutzers zu lenken. Das optische System umfasst darüber hinaus ein optisches Segmentierungselement, mit dessen Hilfe der Bildinhalt über unterschiedliche Abbildungswege auf mindestens einen Projektionsbereich der Umlenkeinheit projizierbar ist und eine optische Replikationskomponente, die in dem mindestens einen Projektionsbereich der Umlenkeinheit angeordnet und dazu eingerichtet ist, den projizierten Bildinhalt repliziert und räumlich versetzt auf das Auge des Nutzers zu lenken, so dass eine Mehrzahl von zueinander räumlich versetzt angeordneten Austrittspupillen mit dem Bildinhalt erzeugt wird. An optical system for a virtual retinal display and a method for projecting image content onto a retina is known from DE 10 2021 200 893 A1. The optical system comprises an image source that provides an image content, an image processing device, a projector unit with a light source for generating a light beam with a controllable deflection device for the at least one light beam for scanning projection of the image content, and a deflection unit onto which the image content can be projected and which is configured to direct the projected image content onto an eye of a user. The optical system further comprises an optical segmentation element, with the aid of which the image content can be projected onto at least one projection area of the deflection unit via different imaging paths, and an optical replication component, which is arranged in the at least one projection area of the deflection unit and is designed to replicate the projected image content and to direct it spatially offset onto the eye of the user, so that a plurality of exit pupils arranged spatially offset from one another are generated with the image content.
Bei den vorgenannten Systemen, die mit Mitteln zur Vergrößerung der Austrittspupille ausgestattet sind, wird das von dem Mikroscanner kommende Licht stets auf einen Wellenleiter geschickt und vor oder auf dem Wellenleiter geteilt, um eine Mehrzahl von zueinander räumlich versetzt angeordneten Austrittspupillen zu erzeugen. Bei einer kompakten AR-Brille besteht jedoch das Problem, dass ein solcher Freistrahlbereich an dem Kopf eines Nutzers vorbeigeführt werden muss, wodurch viele Kompromisse beim Design einer solchen AR-Brille notwendig sind. Darüber hinaus wird viel Bauraum für Projektionssysteme und strahlformende Optiken benötigt und die zurückgelegten Strahlwege sind verhältnismäßig lang. In the aforementioned systems, which are equipped with means for enlarging the exit pupil, the light coming from the microscanner is always sent to a waveguide and split in front of or on the waveguide to form a plurality of to create exit pupils that are spatially offset from one another. However, with compact AR glasses, there is the problem that such a free beam area has to be guided past the head of a user, which means that many compromises are necessary in the design of such AR glasses. In addition, a lot of installation space is required for projection systems and beam-forming optics and the beam paths covered are relatively long.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neue Möglichkeit zur Bilderzeugung und Bilddarstellung auf einem Beobachtungsfeld zur AR-Informationsprojektion zu finden, die wenige optische Elemente und wenig Bauraum beansprucht und gleichzeitig eine große Austrittspupille aufweist. The invention is based on the object of finding a new possibility for image generation and image display on an observation field for AR information projection, which requires few optical elements and little installation space and at the same time has a large exit pupil.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zur Erzeugung und Darstellung von Bildern in einem zur Einblendung von Informationen und Bildern vorgesehenen Beobachtungsfeld, umfassend mindestens eine Lichtquelle zum Aussenden mindestens eines Lichtbündels, einen Mikroscanner zur variablen Ablenkung des mindestens einen Lichtbündels, wobei der Mikroscanner mindestens eine Drehachse für eine rotatorische Schwingbewegung zur Ablenkung des mindestens einen Lichtbündels sowie eine Verkapselung aufweist, die den Mikroscanner hermetisch abschließt, und einen Pupillenvervielfacher, der durch Amplituden-Teilerflächen, an denen das Lichtbündel mehrfach zumindest anteilig reflektiert wird, oder durch diffraktive Strukturen, an denen das Lichtbündel gebeugt wird, gebildet ist und der in oder an der Verkapselung des Mikroscanners so angebracht ist, dass das mindestens eine von dem Mikroscanner abgelenkte Lichtbündel in ein erstes Teillichtbündel und mindestens ein zweites Teillichtbündel aufgeteilt ist, wobei das erste Teillichtbündel und das mindestens eine zweite Teillichtbündel in unterschiedliche benachbarte Bereiche des Beobachtungsfelds gerichtet sind und aneinander angepasste Intensitäten aufweisen. The object is achieved by a device for generating and displaying images in an observation field intended for displaying information and images, comprising at least one light source for emitting at least one light beam, a microscanner for variable deflection of the at least one light beam, wherein the microscanner has at least one axis of rotation for a rotary oscillating movement for deflecting the at least one light beam and an encapsulation that hermetically seals the microscanner, and a pupil multiplier that is formed by amplitude splitter surfaces on which the light beam is reflected at least partially several times, or by diffractive structures on which the light beam is diffracted, and that is mounted in or on the encapsulation of the microscanner in such a way that the at least one light beam deflected by the microscanner is divided into a first partial light beam and at least one second partial light beam, wherein the first partial light beam and the at least one second partial light beam are directed into different adjacent areas of the observation field and have intensities that are adapted to one another.
Die Verkapselung des Mikroscanners ist generell zum Schutz der beweglichen mechanischen und optischen Komponenten des Mikroscanners vorgesehen und unverzichtbar, um ihn vor äußeren Einflüssen und Verschmutzungen zu schützen. Durch die Erfindung kann die Verkapselung einer weiteren Funktionalität zugeführt werden, um Stabilität und Kompaktheit von AR-Bilderzeugung und -darstellung weiter zu erhöhen. The encapsulation of the microscanner is generally intended to protect the moving mechanical and optical components of the microscanner and is indispensable to protect it from external influences and contamination. The invention allows the encapsulation to be given additional functionality to further increase the stability and compactness of AR image generation and display.
Durch den Pupillenvervielfacher bleibt die Größe der Austrittspupille der Vorrichtung zur Erzeugung und Darstellung von Bildern bzw. der Projektionsvorrichtung gleich, während die Kompaktheit der Projektionsvorrichtung verbessert wird. Alternativ kann bei gleichbleibender Kompaktheit die Austrittspupille vergrößert werden. Der Pupillenvervielfacher ist ein Strahlteiler oder eine Anordnung von Strahlteilern, durch den oder die das Lichtbündel in mehrere, vorzugsweise parallel zueinander verlaufende, Teillichtbündel aufgeteilt wird, oder er ist durch diffraktive Strukturen gebildet, an denen das Lichtbündel gebeugt wird. Die diffraktiven Strukturen können auch als holographische optische Elemente ausgebildet sein. The pupil multiplier ensures that the size of the exit pupil of the device for generating and displaying images or the projection device remains the same, while the compactness of the projection device is improved. Alternatively, the exit pupil can be enlarged while maintaining the same compactness. The pupil multiplier is a beam splitter or an arrangement of beam splitters by which the light beam is divided into several partial light beams, preferably running parallel to one another, or it is formed by diffractive structures at which the light beam is diffracted. The diffractive structures can also be designed as holographic optical elements.
Die Erzeugung und Darstellung von Bildern ist im Sinne der Erfindung als die Erzeugung und Darstellung von einem Bild, mehreren Bildern oder einer Abfolge von Bildern zu verstehen. Mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung können auch Benutzeroberflächen oder Informationen, wie Wegbeschreibungen, Wetterinformationen oder Nachrichten auf dem Beobachtungsfeld dargestellt werden. The generation and display of images is to be understood in the sense of the invention as the generation and display of one image, several images or a sequence of images. With a device according to the invention, user interfaces or information such as directions, weather information or news can also be displayed on the observation field.
Das Beobachtungsfeld ist vorteilhaft mindestens eine optisch wirksame Fläche, beispielsweise mindestens ein Strahlteiler oder ein holographisches optisches Element (engL: Holographie Optical Element, kurz: HOE), das in einem Brillenglas einer AR-Brille oder auf einer Frontscheibe eines Kraftfahrzeugs aufgebracht ist. Alternativ kann das Beobachtungsfeld die Netzhaut mindestens eines Auges eines Nutzers sein. The observation field is advantageously at least one optically effective surface, for example at least one beam splitter or a holographic optical element (HOLOGRAPHIC OPTICAL ELEMENT, HOE for short), which is applied in a lens of AR glasses or on a windshield of a motor vehicle. Alternatively, the observation field can be the retina of at least one eye of a user.
Vorteilhaft umfasst die Vorrichtung mindestens einen Wellenleiter, der flächig ausgebildet ist und zueinander parallel verlaufende Außenflächen aufweist. Mindestens ein Wellenleiter kann durch die parallel verlaufenden Außenflächen der Verkapselung gebildet sein. Der Wellenleiter ist im Wesentlichen plattenförmig und besteht aus einem Material, durch das das von der Lichtquelle emittierte Lichtbündel propagieren kann. Der Wellenleiter kann parallelflächig sein. Das mindestens eine Lichtbündel propagiert bevorzugt durch Totalresektion an den Außenflächen des Wellenleiters. Dazu muss das Lichtbündel unter einem Winkel, der größer als ein Winkel der Totalreflexion ist, in den Wellenleiter eingekoppelt werden. Der Winkel der Totalreflexion hängt von dem Material ab, aus dem der Wellenleiter besteht. Der mindestens eine Wellenleiter kann aus mehreren Schichten oder aus nur einer Schicht bestehen. Bevorzugt ist der Wellenleiter eine Platte aus Glas oder transparentem optischem Kunststoff. Besonders bevorzugt ist der Wellenleiter ein Brillenglas einer AR-Brille oder die Frontscheibe eines Kraftfahrzeugs. An dem Wellenleiter kann zudem mindestens ein Deckglas aufgebracht sein, das die Außenseite des Wellenleiters vor äußeren Einflüssen schützt. Besonders bevorzugt ist auf beiden Außenseiten des Wellenleiters ein Deckglas aufgebracht. The device advantageously comprises at least one waveguide which is flat and has outer surfaces running parallel to one another. At least one waveguide can be formed by the parallel outer surfaces of the encapsulation. The waveguide is essentially plate-shaped and consists of a material through which the light beam emitted by the light source can propagate. The waveguide can be parallel-surface. The at least one light beam preferably propagates by total resection on the outer surfaces of the waveguide. To do this, the light beam must be coupled into the waveguide at an angle that is greater than an angle of total reflection. The angle of total reflection depends on the material from which the waveguide is made. The at least one waveguide can consist of several layers or of just one layer. The waveguide is preferably a plate made of glass or transparent optical plastic. The waveguide is particularly preferably a lens of AR glasses or the windshield of a motor vehicle. At least one cover glass can also be applied to the waveguide to protect the outside of the waveguide from external influences. A cover glass is particularly preferably applied to both outside sides of the waveguide.
Im Strahlengang des Lichtbündels ist, wenn die Lichtquelle ein divergentes Lichtbündel aussendet, vorzugsweise vor dem Mikroscanner ein Kollimationselement eingebracht. Im Strahlengang des Lichtbündels kann außerdem ein optisches Element zur Korrektur von Aberrationen und/oder zur Strahlformung eingebracht sein. Besonders bevorzugt ist das Kollimationselement gleichzeitig zur Korrektur von Aberrationen und zur Strahlformung ausgelegt. Auf diese Weise werden nur sehr wenig optische Elemente im Strahlengang des Lichtbündels benötigt, um dieses zu kollimieren, zu korrigieren und zu formen. If the light source emits a divergent light beam, a collimation element is preferably inserted in front of the microscanner in the beam path of the light beam. An optical element for correcting aberrations and/or for beam shaping can also be inserted in the beam path of the light beam. The collimation element is particularly preferably designed to correct aberrations and for beam shaping at the same time. In this way, only very few optical elements are required in the beam path of the light beam to collimate, correct and shape it.
Vorteilhaft ist zwischen dem Mikroscanner und dem Wellenleiter ein Einkoppelelement angeordnet, durch welches das mindestens eine Lichtbündel in den Wellenleiter einkoppelbar ist. Das Einkoppelelement ist also dazu ausgelegt, das von dem Mikroscanner kommende Lichtbündel in den Wellenleiter einzukoppeln. Durch das Einkoppelelement können gleichzeitig Bildfehler und Ablenkungen des Lichtbündels, die an einer Eintrittsfläche des Wellenleiters entstehen, verringert oder vermieden werden. Advantageously, a coupling element is arranged between the microscanner and the waveguide, through which the at least one light beam can be coupled into the waveguide. The coupling element is therefore designed to couple the light beam coming from the microscanner into the waveguide. At the same time, the coupling element can reduce or avoid image errors and deflections of the light beam that occur on an entry surface of the waveguide.
In oder an dem Wellenleiter kann außerdem mindestens ein Auskoppelelement angebracht sein, an dem das mindestens eine Teillichtbündel aus dem Wellenleiter auskoppelbar ist. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn das Lichtbündel durch Totalreflexion an den Außenseiten des Wellenleiters durch den Wellenleiter propagiert. In diesem Fall findet an den Auskoppelelementen keine Totalreflexion statt und das Lichtbündel wird durch die Austrittsfläche transmittiert. Dazu kann das Auskoppelelement oder die Auskoppelelemente beispielsweise dieselbe Brechzahl wie der Wellenleiter und eine senkrecht zu dem Lichtbündel verlaufende Ebene aufweisen. In or on the waveguide, at least one coupling element can also be attached, at which the at least one partial light beam can be coupled out of the waveguide. This is particularly advantageous if the light beam propagates through the waveguide by total reflection on the outside of the waveguide. In this case, no total reflection takes place at the coupling elements and the light beam is transmitted through the exit surface. For this purpose, the coupling element or the coupling elements can, for example, have the same refractive index as the waveguide and a plane running perpendicular to the light beam.
Die Teilerflächen können durch eine das mindestens eine Lichtbündel reflektierende erste Außenfläche der Verkapselung und eine für das mindestens eine Lichtbündel teilweise durchlässige und reflektierende zweite Außenfläche der Verkapselung gebildet sein. Ein Reflexionsvermögen der zweiten Außenfläche kann in der Richtung, wobei ein Reflexionsvermögen der zweiten Außenfläche in einer Richtung, in die die mindestens zwei Teillichtbündel entlang der Verkapselung propagieren, abnehmen. Das Reflexionsvermögen der zweiten Außenfläche nimmt in der Richtung, in die das mindestens eine Lichtbündel entlang der Verkapselung propagiert, so ab, dass alle Teillichtbündel im Wesentlichen dieselbe Intensität aufweisen. In diesem Fall sind keine zusätzlichen Teilerflächen notwendig. Es ist jedoch mit einer solchen Anordnung ohne das Einbringen zusätzlicher optischer Elemente nicht möglich, das Lichtbündel entlang mehrerer Richtungen aufzuspalten. The splitter surfaces can be formed by a first outer surface of the encapsulation that reflects the at least one light beam and a second outer surface of the encapsulation that is partially transparent and reflective for the at least one light beam. A reflectivity of the second outer surface can decrease in the direction in which the at least two partial light beams propagate along the encapsulation. The reflectivity of the second outer surface decreases in the direction in which the at least one light beam propagates along the encapsulation so that all Partial light beams have essentially the same intensity. In this case, no additional splitter surfaces are necessary. However, with such an arrangement it is not possible to split the light beam along several directions without introducing additional optical elements.
Um das Lichtbündel entlang der Verkapselung in mehr als einer Richtung aufzuspalten, können weitere Teilerflächen in die Verkapselung eingebracht sein. In diesem Fall kann ein Reflexionsvermögen bzw. Teilungsverhältnis der weiteren Teilerflächen in der Richtung, in die das mindestens eine Lichtbündel entlang der Verkapselung propagiert, abnehmen. Das Reflexionsvermögen der weiteren Teilerflächen nimmt in der Richtung, in die das mindestens eine Lichtbündel entlang der Verkapselung propagiert, so ab, dass alle Teillichtbündel im Wesentlichen dieselbe Intensität aufweisen. In order to split the light beam along the encapsulation in more than one direction, further splitter surfaces can be introduced into the encapsulation. In this case, a reflectivity or splitting ratio of the further splitter surfaces can decrease in the direction in which the at least one light beam propagates along the encapsulation. The reflectivity of the further splitter surfaces decreases in the direction in which the at least one light beam propagates along the encapsulation such that all partial light beams have essentially the same intensity.
Prinzipiell können auch die erste und/oder die zweite Außenfläche der Verkapselung als Teilerfläche wirken und/oder zusätzliche Teilerflächen in den Wellenleiter eingebracht sein, um das Lichtbündel mit möglichst wenigen optischen Elementen entlang mehr als einer Richtung aufzuspalten. In principle, the first and/or the second outer surface of the encapsulation can also act as a splitter surface and/or additional splitter surfaces can be introduced into the waveguide in order to split the light beam along more than one direction with as few optical elements as possible.
Vorteilhaft ist in oder an dem Wellenleiter ein weiterer Pupillenvervielfacher angebracht, sodass das erste Teillichtbündel und das mindestens eine zweite Teillichtbündel noch weiter aufgespalten werden. Der weitere Pupillenvervielfacher kann analog zu dem Pupillenvervielfacher ausgebildet sein. Es können auch hier die Außenflächen des Wellenleiters Teilerflächen des weiteren Pupillenvervielfachers sein. Advantageously, a further pupil multiplier is fitted in or on the waveguide so that the first partial light beam and the at least one second partial light beam are split even further. The further pupil multiplier can be designed in a similar way to the pupil multiplier. Here too, the outer surfaces of the waveguide can be dividing surfaces of the further pupil multiplier.
Der Mikroscanner kann insbesondere als mikro-elektro-mechanisches System (MEMS) ausgebildet und dazu ausgelegt sein, eine nichtlineare Lissajous-Projektion in das Beobachtungsfeld zu bewirken. Der Mikroscanner ist so ausgebildet, um das Lichtbündel über das Beobachtungsfeld zu scannen, wodurch auf dem Beobachtungsfeld ein Bild erzeugt wird. Durch das Scannen des mindestens einen Lichtbündels entlang einer Lissajous-Figur können hunderte Teilbilder gleichzeitig verarbeitet werden und eine flüssigere Bewegungsdarstellung ermöglicht werden. Außerdem werden Artefakte bei der dreidimensionalen Wahrnehmung von sich schnell bewegenden Objekten durch den Nutzer stark reduziert. Besonders vorteilhaft ist der Mikroscanner um genau zwei Drehachsen, die orthogonal zueinander sind, für rotatorische Schwingbewegungen ausgebildet und oszilliert mit seiner Eigenfrequenz um die beiden Drehachsen. Der Mikroscanner kann auch für eine rotatorische Schwingbewegung nur um eine Drehachse ausgebildet sein, wobei im letzteren Fall die Lichtquelle derart ausgebildet ist, um mehrere nebeneinander angeordnete Lichtbündel zeilenartig zu emittieren. The microscanner can be designed in particular as a micro-electro-mechanical system (MEMS) and can be configured to cause a non-linear Lissajous projection in the observation field. The microscanner is designed to scan the light beam across the observation field, thereby generating an image on the observation field. By scanning the at least one light beam along a Lissajous figure, hundreds of partial images can be processed simultaneously and a smoother representation of movement is made possible. In addition, artifacts in the three-dimensional perception of fast-moving objects by the user are greatly reduced. It is particularly advantageous if the microscanner is designed for rotary oscillation movements around exactly two axes of rotation that are orthogonal to one another and oscillates at its natural frequency around the two axes of rotation. The microscanner can also be designed for rotary oscillation movements around only one axis of rotation, in which case the light source is designed to emit several light beams arranged next to one another in a line-like manner.
Vorteilhaft ist die mindestens eine Lichtquelle eine Laserdiode, die als Kantenemitter, Oberflächenemitter ausgebildet ist oder eine fasergekoppelte Laserlichtquelle. Oberflächenemitter und fasergekoppelte Lichtquellen haben den Vorteil, dass die von diesen Lichtquellen emittierten Lichtbündel in der Regel weniger divergent als die von Kantenemittern emittierten Lichtbündel sind. Dafür sind die Anschaffungskosten von Oberflächenemittern und fasergekoppelten Lichtquellen in der Regel deutlich höher als die von Kantenemittern. Advantageously, the at least one light source is a laser diode that is designed as an edge emitter, surface emitter or a fiber-coupled laser light source. Surface emitters and fiber-coupled light sources have the advantage that the light beams emitted by these light sources are generally less divergent than the light beams emitted by edge emitters. However, the acquisition costs of surface emitters and fiber-coupled light sources are generally significantly higher than those of edge emitters.
Die mindestens eine Lichtquelle kann so ausgebildet sein, um mehrere Lichtbündel mit paarweise voneinander verschiedenen spektralen Zusammensetzungen zu emittieren. Alternativ kann die mindestens eine Lichtquelle durch weitere gleichartige Lichtquellen ergänzt werden, sodass mehrere Lichtbündel mit derselben spektralen Zusammensetzung emittiert werden. Durch ein zusätzliches optisches Element kann vorzugsweise der Abstand der von der Lichtquelle oder den Lichtquellen emittierten Lichtbündel zueinander eingestellt werden. Das Verwenden einer Lichtquelle, die mehrere Lichtbündel emittiert, oder mehrerer Lichtquellen ist insbesondere dann sinnvoll, wenn der Mikroscanner um nur eine Drehachse drehbar ausgebildet ist, da dann durch ein gleichzeitiges Ansteuern von Zeilenlichtquelle und Mikroscanner ein Bild in zwei Dimensionen erzeugt werden kann. The at least one light source can be designed to emit a plurality of light beams with pairwise different spectral compositions. Alternatively, the at least one light source can be supplemented by further similar light sources so that a plurality of light beams with the same spectral composition are emitted. The distance between the light beams emitted by the light source or light sources can preferably be adjusted using an additional optical element. Using a light source that emits a plurality of light beams or a plurality of light sources is particularly useful if the microscanner is designed to be rotatable about only one axis of rotation, since an image in two dimensions can then be generated by simultaneously controlling the line light source and the microscanner.
Die Aufgabe wird weiterhin durch eine Augmented-Reality-Brille, enthaltend eine Vorrichtung zur Erzeugung und Darstellung von Bildern gemäß einer der beschriebenen Ausführungen, gelöst. The object is further achieved by augmented reality glasses containing a device for generating and displaying images according to one of the described embodiments.
Die Erfindung soll nachfolgend durch Ausführungsbeispiele anhand von Zeichnungen näher beschrieben werden. Hierzu zeigen: The invention will be described in more detail below by means of exemplary embodiments based on drawings.
Fig. 1 Eine Seitenansicht einer ersten Ausführung einer Vorrichtung zur Erzeugung und Darstellung von Bildern in einem Beobachtungsfeld, Fig. 2 eine Ansicht einer zweiten Ausführung der Vorrichtung zur Erzeugung und Darstellung von Bildern in dem Beobachtungsfeld, Fig. 1 A side view of a first embodiment of a device for generating and displaying images in an observation field, Fig. 2 is a view of a second embodiment of the device for generating and displaying images in the observation field,
Fig. 3 eine Ansicht einer dritten Ausführung der Vorrichtung zur Erzeugung und Darstellung von Bildern in dem Beobachtungsfeld, Fig. 3 is a view of a third embodiment of the device for generating and displaying images in the observation field,
Fig. 4A eine erste Ansicht einer vierten Ausführung der Vorrichtung zur Erzeugung und Darstellung von Bildern in dem Beobachtungsfeld, Fig. 4A is a first view of a fourth embodiment of the device for generating and displaying images in the observation field,
Fig. 4B eine zweite Ansicht einer vierten Ausführung der Vorrichtung zur Erzeugung und Darstellung von Bildern in dem Beobachtungsfeld, Fig. 4B is a second view of a fourth embodiment of the device for generating and displaying images in the observation field,
Fig. 5 eine Ansicht einer fünften Ausführung der Vorrichtung zur Erzeugung und Darstellung von Bildern in dem Beobachtungsfeld, Fig. 5 is a view of a fifth embodiment of the device for generating and displaying images in the observation field,
Fig. 6 eine Seitenansicht einer sechsten Ausführung der Vorrichtung zur Erzeugung und Darstellung von Bildern in dem Beobachtungsfeld mit einem weiteren Wellenleiter. Fig. 6 is a side view of a sixth embodiment of the device for generating and displaying images in the observation field with a further waveguide.
In Fig. 1 ist eine erste Ausführung einer Vorrichtung zur Erzeugung und Darstellung von Bildern in einem Beobachtungsfeld 10 gezeigt. Fig. 1 shows a first embodiment of a device for generating and displaying images in an observation field 10.
Die erste Ausführung umfasst eine Lichtquelle 1 zum Aussenden mindestens eines Lichtbündels 3 in Richtung eines Mikroscanners 4. Die Lichtquelle 1 ist bei der ersten Ausführung als stark divergente Laserdiode, beispielsweise in Form eines Kantenstrahlers, ausgebildet und oberhalb eines Mikroscanners 4 angeordnet. Das Lichtbündel 3 trifft nach dem Austritt aus der Lichtquelle 1 auf ein Kollimationselement 2, das dazu ausgelegt ist, das divergente Lichtbündel 3 zu kollimieren oder zumindest teilweise zu kollimieren und zu formen. The first embodiment comprises a light source 1 for emitting at least one light beam 3 in the direction of a microscanner 4. In the first embodiment, the light source 1 is designed as a strongly divergent laser diode, for example in the form of an edge emitter, and is arranged above a microscanner 4. After emerging from the light source 1, the light beam 3 strikes a collimation element 2 which is designed to collimate the divergent light beam 3 or at least partially collimate and shape it.
Der Mikroscanner 4 ist zur variablen Ablenkung des Lichtbündels 3 ausgelegt und weist mindestens eine Drehachse für eine rotatorische Schwingbewegung zur Ablenkung des Lichtbündels 3 auf. Er ist vorzugsweise als mikro-elektro-mechanisches System ausgebildet und dazu ausgelegt, eine nichtlineare Lissajous-Projektion in das Beobachtungsfeld 10 zu bewirken. Der Mikroscanner 4 weist eine Verkapselung 5 auf, die generell zum Schutz vor äußeren Einflüssen und Verschmutzungen ist. Die Verkapselung 5 ist flächig ausgebildet und weist zueinander parallel verlaufende Außenflächen auf. Das nach dem Kollimationselement 2 kollimierte Lichtbündel 3 trifft anschließend auf die Verkapselung 5, durch die es transmittiert wird, und auf den Mikroscanner 4, wobei der Mikroscanner 4 einen Scanspiegel aufweist, der von einer Verkapselung 5 eingeschlossen ist. An dem Scanspiegel des Mikroscanners 4 wird das Lichtbündel 3 abgelenkt. Der Scanspiegel weist einen Scanbereich auf, innerhalb dessen das Lichtbündel 3 abgelenkt werden kann. Der Scanbereich kann den gesamten Halbraum über dem Scanspiegel umfassen, um im Beobachtungsfeld 10 eine Bilddarstellung zu projizieren. Das Beobachtungsfeld 10 ist in Fig. 1 und in den folgenden Figuren jeweils nur schematisch dargestellt. Die Vorrichtung zur Erzeugung und Darstellung von Bildern in einem Beobachtungsfeld 10 ist im Folgenden auch als Projektionsvorrichtung bezeichnet. The microscanner 4 is designed for variable deflection of the light beam 3 and has at least one axis of rotation for a rotary oscillating movement for deflecting the light beam 3. It is preferably designed as a micro-electro-mechanical system and is designed to cause a non-linear Lissajous projection in the observation field 10. The microscanner 4 has an encapsulation 5, which is generally for protection against external influences and contamination. The encapsulation 5 is flat and has outer surfaces that run parallel to one another. The light beam 3 collimated after the collimation element 2 then strikes the encapsulation 5, through which it is transmitted, and the microscanner 4, wherein the microscanner 4 has a scanning mirror which is enclosed by an encapsulation 5. The light beam 3 is deflected at the scanning mirror of the microscanner 4. The scanning mirror has a scanning area within which the light beam 3 can be deflected. The scanning area can comprise the entire half-space above the scanning mirror in order to project an image representation in the observation field 10. The observation field 10 is only shown schematically in Fig. 1 and in the following figures. The device for generating and displaying images in an observation field 10 is also referred to below as a projection device.
Die Projektionsvorrichtung umfasst weiterhin einen Pupillenvervielfacher 6 (in Fig. 1 nicht konkret dargestellt), der in die Verkapselung 5 eingebracht ist. Durch den Pupillenvervielfacher 6 wird das Lichtbündel 3 in mehrere, hier beispielhaft drei Teillichtbündel 3i-3s entlang einer Ebene aufgespalten, wobei die Teillichtbündel 3i-3i in unterschiedliche Bereiche des Beobachtungsfelds 10 gerichtet sind und im Wesentlichen gleiche Intensitäten und Strahlformen aufweisen. Auch wenn in Fig. 1 nur drei Teillichtbündel 3i bis 33 dargestellt sind, kann die Anzahl der Teillichtbündel 3i, in die das Lichtbündel 3 durch den Pupillenvervielfacher 6 aufgeteilt wird, beliebig gewählt werden. Bevorzugt beträgt die Anzahl der Teillichtbündel 3i zwischen zwei und hundert. Die Anzahl der Teillichtbündel 3i hängt insbesondere von der Größe einer Austrittspupille ab, in die die Projektionsvorrichtung Bilder projizieren soll. The projection device further comprises a pupil multiplier 6 (not specifically shown in Fig. 1), which is introduced into the encapsulation 5. The pupil multiplier 6 splits the light beam 3 into several, here for example three, partial light beams 3i-3s along a plane, wherein the partial light beams 3i-3i are directed into different areas of the observation field 10 and have essentially the same intensities and beam shapes. Even if only three partial light beams 3i to 33 are shown in Fig. 1, the number of partial light beams 3i into which the light beam 3 is divided by the pupil multiplier 6 can be chosen arbitrarily. The number of partial light beams 3i is preferably between two and one hundred. The number of partial light beams 3i depends in particular on the size of an exit pupil into which the projection device is to project images.
In Fig. 2 ist eine zweite Ausführung der Projektionsvorrichtung dargestellt, bei der eine fasergekoppelte Lichtquelle 1 ein divergentes Lichtbündel 3 liefert, das durch das Kollimationselement 2 kollimiert wird. Bei dieser zweiten Ausführung ist der Pupillenvervielfacher 6 durch Teilerflächen 7, konkret durch eine das Lichtbündel 3 reflektierende erste Außenfläche 7i der Verkapselung 5 und eine für das Lichtbündel 3 teilweise durchlässige und reflektierende zweite Außenfläche 72 der Verkapselung 5, gebildet. Fig. 2 shows a second embodiment of the projection device in which a fiber-coupled light source 1 supplies a divergent light beam 3 which is collimated by the collimation element 2. In this second embodiment, the pupil multiplier 6 is formed by splitter surfaces 7, specifically by a first outer surface 7i of the encapsulation 5 which reflects the light beam 3 and a second outer surface 72 of the encapsulation 5 which is partially transparent and reflective for the light beam 3.
Die Teillichtbündel 3i und 32 verlaufen in Fig. 2, wie schon in Fig. 1 , parallel zueinander und das Lichtbündel 3 wird in nur einer Richtung aufgespalten. Die Projektionsvorrichtung ist durch einen Schichtaufbau gebildet, wobei die einzelnen Schichten auf einem Wafer aufgebracht sein können. In Fig. 2 ist als unterste Schicht ein solcher Wafer gezeigt. Auf dem Wafer ist eine Schicht, die den Mikroscanner 4 enthält, und darüber die Verkapselung 5 aufgebracht. Die Verkapselung 5 ist transparent für das von der Lichtquelle 1 kommende Lichtbündel 3. The partial light beams 3i and 32 run parallel to one another in Fig. 2, as in Fig. 1, and the light beam 3 is split in only one direction. The projection device is formed by a layer structure, whereby the individual layers can be applied to a wafer. In Fig. 2, such a wafer is shown as the bottom layer. On A layer containing the microscanner 4 is applied to the wafer, and the encapsulation 5 is applied on top of this. The encapsulation 5 is transparent to the light beam 3 coming from the light source 1.
Fig. 3 zeigt eine dritte Ausführung der Projektionsvorrichtung. Das in die Verkapselung 5 einfallende Lichtbündel 3 wird, nachdem es durch den Mikroscanner 4 abgelenkt worden ist, durch eine schräge Außenfläche 73 in eine Propagationsrichtung abgelenkt und gleichzeitig in vier Teillichtbündel 3i aufgespalten. Auch bei der zweiten Ausführung sind die das Lichtbündel 3 reflektierende erste Außenfläche 7i der Verkapselung 5 und die für das Lichtbündel 3 teilweise durchlässige und reflektierende zweite Außenfläche 72 der Verkapselung 5 Bestandteil des Pupillenvervielfachers 6. Durch die erste Außenfläche 7i und die zweite Außenfläche 72 werden die Teillichtbündel 3i weiter in insgesamt acht sekundäre Teillichtbündel 3s-3i2 aufgespalten. Die sekundären Teillichtbündel 3s-3s propagieren nach dem Verlassen der Verkapselung 5 durch die Austrittsfläche bzw. die zweite Außenfläche 72 der Verkapselung 5 in Richtung des hier nicht dargestellten Beobachtungsfeldes 10. Fig. 3 shows a third embodiment of the projection device. The light beam 3 incident on the encapsulation 5 is, after it has been deflected by the microscanner 4, deflected in a propagation direction by an inclined outer surface 73 and simultaneously split into four partial light beams 3i. In the second embodiment, the first outer surface 7i of the encapsulation 5, which reflects the light beam 3, and the second outer surface 72 of the encapsulation 5, which is partially transparent and reflective for the light beam 3, are also part of the pupil multiplier 6. The partial light beams 3i are further split into a total of eight secondary partial light beams 3s-3i2 by the first outer surface 7i and the second outer surface 72. After leaving the encapsulation 5, the secondary partial light beams 3s-3s propagate through the exit surface or the second outer surface 72 of the encapsulation 5 in the direction of the observation field 10, not shown here.
Bei der dritten Ausführung schließt die Verkapselung 5 den Mikroscanner 4, wie auch schon bei den ersten beiden Ausführungen, hermetisch ab, um ihn vor äußeren Einflüssen und Verschmutzung zu schützen, und stellt zugleich die verwendeten Teilerflächen 7 als Amplitudenteiler für den Pupillenvervielfacher 6 zur Verfügung. In the third embodiment, the encapsulation 5 hermetically seals the microscanner 4, as in the first two embodiments, in order to protect it from external influences and contamination, and at the same time provides the splitter surfaces 7 used as amplitude splitters for the pupil multiplier 6.
In Fig. 4A und Fig. 4B ist jeweils Varianten einer vierten Ausführung der Projektionsvorrichtung abgebildet. Bei der vierten Ausführung sind die Teilerflächen 7 in die Verkapselung 5 eingebracht und die Reflexionsvermögen der einzelnen parallel hintereinander- liegenden Teilerflächen 74 bzw. 7s nehmen entlang des Strahlengangs des Lichtbündels 3 in der Verkapselung 5 ab. Fig. 4A and Fig. 4B each show variants of a fourth embodiment of the projection device. In the fourth embodiment, the splitter surfaces 7 are introduced into the encapsulation 5 and the reflectivity of the individual splitter surfaces 74 and 7s lying parallel one behind the other decreases along the beam path of the light beam 3 in the encapsulation 5.
In Fig. 4A ist der Strahlengang des Lichtbündels 3 nur bis zu dem Mikroscanner 4 (nicht dargestellt) und der Strahlengang aller Teillichtbündel 3i nur nach dem Austritt aus der Verkapselung 5 dargestellt, um die in die Verkapselung 5 eingebrachten Teilerflächen 7 besser kenntlich zu machen. Das Lichtbündel 3 fällt auch hier auf den Mikroscanner 4 ein und wird von diesem in Richtung einer reflektierenden Fläche 1 1 abgelenkt. Die reflektierende Fläche 1 1 ist in die Verkapselung 5 eingebracht, um das Lichtbündel 3 in Richtung des Pupillenvervielfachers 6, der aus insgesamt sechs Teilerflächen 7 gebildet ist, abzulenken. Dabei teilen die drei ersten Teilerflächen 74 das Lichtbündel 3 in drei Teillichtbündel 3i (nicht dargestellt) auf und lenken die drei primären Teillichtbündel 3i in Richtung der drei zweiten Teilerflächen 7s ab. Die zweiten Teilerflächen 7s teilen die drei primären Teillichtbündel 3i in neun sekundäre Teillichtbündel 3s-3i3 auf und lenken diese in Richtung des Beobachtungsfeldes 10 ab, wodurch ein Array von drei mal drei sekundären Teillichtbündeln 3s-3i3 entsteht. Die neun sekundären Teillichtbündel 3s-3i3 weisen eine aneinander angepasste Intensität sowie gleiche Strahlform auf. In Fig. 4A, the beam path of the light beam 3 is only shown up to the microscanner 4 (not shown) and the beam path of all partial light beams 3i only after exiting the encapsulation 5 in order to make the splitter surfaces 7 introduced into the encapsulation 5 more clearly visible. Here, too, the light beam 3 falls on the microscanner 4 and is deflected by it in the direction of a reflective surface 11. The reflective surface 11 is introduced into the encapsulation 5 in order to deflect the light beam 3 in the direction of the pupil multiplier 6, which is formed from a total of six splitter surfaces 7. The three first splitter surfaces 74 divide the light beam 3 into three Partial light beams 3i (not shown) and deflect the three primary partial light beams 3i in the direction of the three second splitter surfaces 7s. The second splitter surfaces 7s divide the three primary partial light beams 3i into nine secondary partial light beams 3s-3i3 and deflect them in the direction of the observation field 10, creating an array of three times three secondary partial light beams 3s-3i3. The nine secondary partial light beams 3s-3i3 have an intensity that is adapted to one another and the same beam shape.
Der Strahlengang des Lichtbündels 3 ist in Fig. 4B nur bis zu der reflektierenden Fläche 1 1 dargestellt. Nachdem das Lichtbündel 3 auf den nicht dargestellten Scanspiegel des Mikroscanners 4 trifft, wird es durch die reflektierende Fläche 1 1 in Richtung der drei ersten Teilerflächen 74 abgelenkt, dort in drei primäre Teillichtbündel 3i (nicht eingezeichnet) aufgeteilt und in Richtung der zweiten Teilerflächen 7s abgelenkt sowie anschließend an den zweiten Teilerflächen 7s nochmals dreifach aufgeteilt und - wie in Fig. 4A als neun sekundäre Teillichtbündel 3s-3i3 - nach oben ausgekoppelt (in Fig. 4B nicht gezeichnet). The beam path of the light beam 3 is shown in Fig. 4B only up to the reflective surface 11. After the light beam 3 hits the scanning mirror of the microscanner 4 (not shown), it is deflected by the reflective surface 11 in the direction of the three first splitter surfaces 74, split there into three primary partial light beams 3i (not shown) and deflected in the direction of the second splitter surfaces 7s and then split three times again at the second splitter surfaces 7s and - as in Fig. 4A as nine secondary partial light beams 3s-3i3 - coupled out upwards (not shown in Fig. 4B).
Fig. 5 zeigt eine fünfte Ausführung der der Vorrichtung zur Erzeugung und Darstellung von Bildern in dem nicht dargestellten Beobachtungsfeld 10. In Fig. 5 ist auch die Lichtquelle 1 nicht dargestellt, sondern nur das bereits kolli mierte und geformte Lichtbündel 3. Das Lichtbündel 3 trifft auf die Verkapselung 5 und wird durch die Verkapselung 5 zum Mikroscanner 4 transmittiert. Von dem Mikroscanner 4 wird das Lichtbündel 3 abgelenkt bzw. gescannt und trifft auf eine erste diffraktive Struktur 12, an der es in neun primäre Teillichtbündel 3I-39 aufgeteilt wird. Die neun primären Teillichtbündel 3I-39 treffen anschließend auf eine zweite diffraktive Struktur 13, die wie die erste diffraktive Struktur 12 in die Verkapselung 5 eingebracht ist, und werden jeweils in neun sekundäre Teillichtbündel 3io-3go aufgespalten. Die 81 sekundären Teillichtbündel 3 -9o verlassen die Verkapselung 5 anschließend in Richtung des Beobachtungsfeldes 10. Die diffrak- tiven Strukturen 12 und 13 können beispielsweise flächige Gitter oder dreidimensionale holographische Elemente sein. Fig. 5 shows a fifth embodiment of the device for generating and displaying images in the observation field 10 (not shown). In Fig. 5, the light source 1 is also not shown, only the already collimated and formed light beam 3. The light beam 3 strikes the encapsulation 5 and is transmitted through the encapsulation 5 to the microscanner 4. The light beam 3 is deflected or scanned by the microscanner 4 and strikes a first diffractive structure 12, where it is split into nine primary partial light beams 3I-39. The nine primary partial light beams 3I-39 then strike a second diffractive structure 13, which, like the first diffractive structure 12, is introduced into the encapsulation 5, and are each split into nine secondary partial light beams 3io-3go. The 81 secondary partial light beams 3 -9o then leave the encapsulation 5 in the direction of the observation field 10. The diffractive structures 12 and 13 can be, for example, flat gratings or three-dimensional holographic elements.
In der in Fig. 6 gezeigten sechsten Ausführung der Vorrichtung zur Erzeugung und Darstellung von Bildern in dem Beobachtungsfeld 10 ist die Lichtquelle 1 eine fasergekoppelte Lichtquelle. Das divergente Lichtbündel 3 tritt in einen Wellenleiter 14 ein, der zwischen der Lichtquelle 1 und dem Mikroscanner 4 angeordnet ist, und wird durch ein in dem Wellenleiter 14 angeordnetes Kollimationselement 2 kollimiert. Das kollimierte Lichtbündel 3 wird durch die Verkapselung 5 transmittiert und trifft auf den Mikroscanner 4. Die Verkapselung 5 ist bei der sechsten Ausführung als halbkreisförmige Kuppel über dem Mikroscanner 4 ausgeführt. Durch den Mikroscanner 4 wird das Lichtbündel 3 abgelenkt und trifft erneut auf die Verkapselung 5. Die Verkapselung 5 enthält einen Pupillenvervielfacher 6 (nicht dargestellt) und teilt das Lichtbündel 3 bei seinem zweiten Auftreffen senkrecht zur Zeichenebene in vier primäre Teillichtbündel 3I-34 auf. Der Pupillenvervielfacher 6 ist nur in dem Bereich der Verkapselung 5 angeordnet, in den das Lichtbündel 3 durch den Mikroscanner 4 abgelenkt wird. Die vier primären Teillichtbündel 3I-34 werden durch ein Einkoppelelement 8 in den Wellenleiter 14 eingekoppelt und durch Totalreflexion an einer Außenseite des Wellenleiters 14 reflektiert. In dem Wellenleiter 14 werden die vier primären Teillichtbündel 3I-34 in sechszehn sekundäre Teillichtbündel 3s- 320 aufgeteilt, die durch ein Auskoppelelement 9 senkrecht zu der anderen Außenfläche des Wellenleiters 14 aus dem Wellenleiter 14 in Richtung des Beobachtungsfelds 1 ausgekoppelt werden. Das Einkoppelelement 8 sowie das Auskoppelelement 9 können beispielsweise als Echellegitter oder Blazegitter (Slanted Edge Grating) ausgebildet sein. In the sixth embodiment of the device for generating and displaying images in the observation field 10 shown in Fig. 6, the light source 1 is a fiber-coupled light source. The divergent light beam 3 enters a waveguide 14 arranged between the light source 1 and the microscanner 4 and is collimated by a collimation element 2 arranged in the waveguide 14. The collimated light beam 3 is transmitted through the encapsulation 5 and strikes the microscanner 4. In the sixth embodiment, the encapsulation 5 is designed as a semicircular dome above the microscanner 4. The light beam 3 is deflected by the microscanner 4 and hits the encapsulation 5 again. The encapsulation 5 contains a pupil multiplier 6 (not shown) and divides the light beam 3 into four primary partial light beams 3I-34 when it hits it for the second time perpendicular to the plane of the drawing. The pupil multiplier 6 is only arranged in the area of the encapsulation 5 into which the light beam 3 is deflected by the microscanner 4. The four primary partial light beams 3I-34 are coupled into the waveguide 14 by a coupling element 8 and reflected by total reflection on an outside of the waveguide 14. In the waveguide 14, the four primary partial light beams 3I-34 are divided into sixteen secondary partial light beams 3s-320, which are coupled out of the waveguide 14 in the direction of the observation field 1 by an output coupling element 9 perpendicular to the other outer surface of the waveguide 14. The input coupling element 8 and the output coupling element 9 can be designed, for example, as an echelle grating or a blaze grating (slanted edge grating).
Bezugszeichenliste List of reference symbols
1 Lichtquelle 1 light source
2 Kollimationselement 2 Collimation element
3 Lichtbündel 3 light beams
3i Teillichtbündel 3i partial light beam
3I-34 (primäre) Teillichtbündel 3I-34 (primary) partial light beams
3ö-3i3 sekundäre Teillichtbündel 3ö-3i3 secondary partial light beams
3IO-39O sekundäre Teillichtbündel 3IO-39O secondary partial light beam
4 Mikroscanner 4 Microscanners
5 Verkapselung (des Mikroscanners)5 Encapsulation (of the microscanner)
6 Pupillenvervielfacher 6 Pupil multipliers
7 Teilerfläche (Amplitudenteiler)7 Divider area (amplitude divider)
71 erste Außenfläche 71 first exterior surface
72 zweite Außenfläche 7 2 second outer surface
73 schräge Außenfläche 73 sloping outer surface
74 erste Teilerfläche 74 first divider area
7s zweite Teilerfläche 7s second divider area
8 Einkoppelelement 8 Coupling element
9 Auskoppelelement 9 Decoupling element
10 Beobachtungsfeld 10 Observation field
11 reflektierende Fläche 11 reflective surface
12 (erste) diffraktive Struktur 12 (first) diffractive structure
13 (zweite) diffraktive Struktur 13 (second) diffractive structure
14 (weiterer) Wellenleiter 14 (additional) waveguide

Claims

Patentansprüche Patent claims
1. Vorrichtung zur Erzeugung und Darstellung von Bildern in einem zur Einblendung von Informationen und Bildern vorgesehenen Beobachtungsfeld, umfassend: 1. Device for generating and displaying images in an observation field intended for displaying information and images, comprising:
- mindestens eine Lichtquelle (1 ) zum Aussenden mindestens eines Lichtbündels (3),- at least one light source (1) for emitting at least one light beam (3),
- einen Mikroscanner (4) zur variablen Ablenkung des mindestens einen Lichtbündels (3), wobei der Mikroscanner (4) mindestens eine Drehachse für eine rotatorische Schwingbewegung zur Ablenkung des mindestens einen Lichtbündels (3) sowie eine Verkapselung (5) aufweist, die den Mikroscanner (4) hermetisch abschließt, und - a microscanner (4) for variable deflection of the at least one light beam (3), wherein the microscanner (4) has at least one axis of rotation for a rotary oscillating movement for deflecting the at least one light beam (3) and an encapsulation (5) which hermetically seals the microscanner (4), and
- einen Pupillenvervielfacher (6), der durch Amplituden-Teilerflächen (7), an denen das Lichtbündel (3) mehrfach zumindest anteilig reflektiert wird, oder durch diffraktive Strukturen (12, 13), an denen das Lichtbündel (3) gebeugt wird, gebildet ist und der in oder an der Verkapselung (5) so angebracht ist, dass das mindestens eine von dem Mikroscanner (4) abgelenkte Lichtbündel (3) in ein erstes Teillichtbündel (3i) und mindestens ein zweites Teillichtbündel (32) aufgeteilt ist- a pupil multiplier (6) which is formed by amplitude splitter surfaces (7) on which the light beam (3) is reflected several times at least in part, or by diffractive structures (12, 13) on which the light beam (3) is diffracted, and which is mounted in or on the encapsulation (5) such that the at least one light beam (3) deflected by the microscanner (4) is divided into a first partial light beam (3i) and at least one second partial light beam (32)
- wobei das erste Teillichtbündel (3i) und das mindestens eine zweite Teillichtbündel (32) in unterschiedliche benachbarte Bereiche des Beobachtungsfelds (10) gerichtet sind und aneinander angepasste Intensitäten aufweisen. - wherein the first partial light beam (3i) and the at least one second partial light beam (32) are directed into different adjacent regions of the observation field (10) and have intensities adapted to one another.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , wobei die Vorrichtung einen Wellenleiter (14), der flächig ausgebildet ist und zueinander parallel verlaufende Außenflächen aufweist, umfasst. 2. Device according to claim 1, wherein the device comprises a waveguide (14) which is flat and has outer surfaces running parallel to one another.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei zwischen dem Mikroscanner (4) und dem Wellenleiter (14) ein Einkoppelelement (8) angeordnet ist, durch welches das mindestens eine Lichtbündel (3) in den Wellenleiter (14) einkoppelbar ist. 3. Device according to claim 2, wherein a coupling element (8) is arranged between the microscanner (4) and the waveguide (14), through which the at least one light beam (3) can be coupled into the waveguide (14).
4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, wobei in oder an dem Wellenleiter (14) ein Auskoppelelement (9) angebracht ist, an dem mindestens ein Teillichtbündel (3i) aus dem Wellenleiter (14) auskoppelbar ist. 4. Device according to claim 2 or 3, wherein in or on the waveguide (14) a coupling-out element (9) is mounted, at which at least one partial light beam (3i) can be coupled out of the waveguide (14).
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Teilerflächen (7) durch eine das mindestens eine Lichtbündel (3) reflektierende erste Außenfläche (7i) der Verkapselung (5) und eine für das mindestens eine Lichtbündel (3) teilweise durchlässige und reflektierende zweite Außenfläche (72) der Verkapselung (5) gebildet sind. 5. Device according to one of claims 1 to 4, wherein the dividing surfaces (7) are formed by a first outer surface (7i) of the encapsulation (5) reflecting the at least one light beam (3) and a second outer surface (72) of the encapsulation (5) partially permeable and reflecting the at least one light beam (3).
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei ein Reflexionsvermögen der zweiten Außenfläche (72) in einer Richtung, in die die mindestens zwei Teillichtbündel (3i) entlang der Verkapselung (5) propagieren, abnimmt. 6. Device according to claim 5, wherein a reflectivity of the second outer surface (72) decreases in a direction in which the at least two partial light beams (3i) propagate along the encapsulation (5).
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei die Teilerflächen (7) als innere Teilerflächen in die Verkapselung (5) eingebracht sind. 7. Device according to one of claims 2 to 6, wherein the dividing surfaces (7) are introduced into the encapsulation (5) as inner dividing surfaces.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei ein Reflexionsvermögen der inneren Teilerflächen (7) in einer Richtung, in die die mindestens zwei Teillichtbündel (3i) entlang der Verkapselung (5) propagieren, abnimmt. 8. Device according to claim 7, wherein a reflectivity of the inner splitter surfaces (7) decreases in a direction in which the at least two partial light beams (3i) propagate along the encapsulation (5).
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, wobei in oder an dem Wellenleiter (14) ein weiterer Pupillenvervielfacher (6) angebracht ist, sodass das erste Teillichtbündel (3i) und das mindestens eine zweite Teillichtbündel (32) noch weiter aufgespalten werden. 9. Device according to one of claims 2 to 8, wherein a further pupil multiplier (6) is mounted in or on the waveguide (14), so that the first partial light beam (3i) and the at least one second partial light beam (32) are split even further.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Mikroscanner (4) als mikro- elektro-mechanisches System ausgebildet und dazu ausgelegt ist, eine nichtlineare Lissajous-Projektion in das Beobachtungsfeld (10) zu bewirken. 10. Device according to one of claims 1 to 9, wherein the microscanner (4) is designed as a micro-electro-mechanical system and is adapted to effect a non-linear Lissajous projection into the observation field (10).
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die mindestens eine Lichtquelle (1 ) als Kantenemitter, Oberflächenemitter oder als fasergekoppelte Lichtquelle ausgebildet ist. 11. Device according to one of claims 1 to 10, wherein the at least one light source (1) is designed as an edge emitter, a surface emitter or as a fiber-coupled light source.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 1 1 , wobei der Wellenleiter (14) ein Brillenglas einer Augmented-Reality-Brille ist. 12. Device according to one of claims 2 to 11, wherein the waveguide (14) is a spectacle lens of augmented reality glasses.
13. Augmented-Reality-Brille, enthaltend eine Vorrichtung zur Erzeugung und Darstellung von Bildern nach einem der Ansprüche 1 bis 12. 13. Augmented reality glasses containing a device for generating and displaying images according to one of claims 1 to 12.
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