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JP2023518417A - データグラス用の投影装置、投影装置によって画像情報を表示するための方法、および制御デバイス - Google Patents

データグラス用の投影装置、投影装置によって画像情報を表示するための方法、および制御デバイス Download PDF

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Abstract

Figure 2023518417000001
本発明は、データグラス(1a)用の投影装置(2a)に関する。投影装置(2a)は、画像情報を表す少なくとも1つの第1の光線(15)を生成するための画像生成ユニット(5)と、少なくとも1つの偏光素子(21)であって、第1の光線(15)を、第1の画像情報を表す第2の光線(35a、35b、35c)の形で、および第1の光線(15)を、第2の画像情報を表す第3の光線(40a、40b、40c)の形で、眼球(55)の第1の視野(30a)および/または第2の視野(30b)に偏光するように構成されている偏光素子(21)とを含み、第2の光線(35a、35b、35c)と第3の光線(40a、40b、40c)とがビーム発散特性に関して異なり、第2の視野(30b)と第1の視野(30a)とが少なくとも重なり合う。

Description

本手法は、独立請求項に属する装置または方法に基づく。さらに、本手法の対象は、コンピュータプログラムでもある。
使用者の視界内に情報をフェードインするデータグラスが公知である。
この背景に基づき、本明細書で提示する手法によって、主請求項による、データグラス用の投影装置、投影装置によって画像情報を表示するための方法、さらにはこの方法を使用する制御デバイス、および最後に、それに対応するコンピュータプログラムが提示される。従属請求項に記載された手段により、独立請求項に記載された装置の有利な発展形態および改良形態が可能である。
本明細書で提示する手法によって達成することができる利点は、非常に少ない構成要素のみで、データグラス用の投影装置の省資源であり単純なシステム構造を実現可能にすることである。したがって、例えば、ホログラム機能の大幅な単純化、画像データ処理の労力の軽減、および公差要件の大幅な低減が可能になる。さらに、特に表示すべき各原色に関して、ただ1つの波長の光線のみが必要とされる。
データグラス用の投影装置であって、以下の特徴:
画像情報を表す少なくとも1つの第1の光線を生成するための画像生成ユニットと、
少なくとも1つの偏光素子であり、第1の光線を第1の画像情報を表す第2の光線の形で、および第1の光線を第2の画像情報を表す第3の光線の形で、眼の第1の視野および追加または代替として第2の視野に偏光するように構成されている偏光素子とを有し、第2の光線と第3の光線とがビーム発散特性に関して異なり、第2の視野と第1の視野とが少なくとも重なり合う、投影装置が提示される。
第2の光線と第3の光線との異なるビーム発散特性は、有利には、第3の光線によって瞳孔面内のできるだけ大きい面積を照光することを可能にし、したがって広い視角領域で画像情報を眼に提供することを可能にする。その結果、眼球の画像情報の知覚可能な画像鮮鋭度が異なって見える。例えば、第2の光線は、第3の光線よりも高い画像鮮明度で知覚できるようなビーム発散特性を有し得る。以下では、第2の光線によって伝送される画像情報は第1の画像情報と呼ばれ、第3の光線によって伝送される画像情報は第2の画像情報と呼ばれる。第1の画像情報と第2の画像情報とは、知覚可能な画像鮮鋭度に関してのみ互いに異なることがある。好ましくは、偏光素子は、第2の光線と第3の光線とに対して異なる偏光効率を有するように設計されてもよい。このようにして、第2の光線と第3の光線とが、ビーム発散特性に加えて強度についても異なることが達成され得る。したがって、例えば、不鮮明な投影のための第3の光線を生成するための偏光効率は、鮮明な投影のための第2の光線を生成するための偏光効率よりも低くすることができる。
言い換えると、偏光素子は、眼の第1の視野および第2の視野内で、第2の光線を用いて第1の画像情報を表示し、眼の第1の視野および第2の視野内で、第3の光線を用いて第2の画像情報を表示するように構成され、眼の第1の視野に偏向された光と眼の第2の視野に偏向された光とは、それらのビーム発散特性に関して、したがって知覚可能な画像鮮鋭度およびそれらの強度に関して異なり、第2の視野と第1の視野とは少なくとも重なり合う。ここで、特に表示すべき各原色に関して、単一波長の光のみが必要とされる。
一実施形態によれば、画像生成ユニットは、第1の光線を生成するように構成されている場合もある。それに対応して、提案される投影装置の場合、特に表示すべき各原色に関して、単一波長の光のみが必要とされる。
この実施形態によれば、投影装置は、少なくとも1つの偏光素子を含み、少なくとも1つの偏光素子が、第1の光線を第2の光線の形で、および第1の光線を第3の光線の形で、眼の第1の視野およびさらに第2の視野に偏光するように構成されており、第2の光線と第3の光線とがビーム発散特性に関して異なり、したがって知覚可能な画像鮮鋭度およびそれらの強度に関して異なり、第2の視野と第1の視野とが少なくとも重なり合う。
偏光素子は、単一波長の第1の光線を、コリメート光線と発散光線とに分割する働きをする。
データグラスとは、データグラスの装着者の視界に視覚情報を表示するための眼鏡を意味し得る。視覚情報とは、例えば画像点または画像コンテンツを意味し得る。実施形態に応じて、第1または第2の画像情報は、モノクロまたはカラー画像を表すことができる。どちらの画像情報も、例えば、異なる仮想画像離隔距離で同一の画像コンテンツを表すことができ、したがって異なって知覚される画像鮮鋭度を表すことができる。したがって、例えば、第1の画像情報は、鮮明に知覚される画像であり、第2の画像情報は、不鮮明に知覚される画像であり得る。光線は、例えば、それぞれレーザビーム(モノクロ画像表示)またはそれぞれ複数のほぼ重ね合わされたレーザビーム(多色画像表示)であり得る。画像鮮鋭度とは、光線の物理的特性ではなく、観察者の眼球と仮想画像の離隔距離との間の間隔に起因するものと理解することができる。ここで、例えば、第2の光線は、より大きい離隔距離で仮想画像を表示し、第3の光線は、眼鏡レンズの平面上に画像を表示することができる。この第2の画像は、眼までの距離が短いので、コンタクトレンズなどの光学補助手段なしでは鮮明に投影され得ない。
偏光素子とは、第1の光線、および追加または代替としてさらなる第1の光線を偏光するための素子を意味し得る。特に、偏光素子とは、ホログラム、ホログラム光学素子、または場合によっては部分透過性ミラーであり得る。例えば、他の動作原理も考えられる。したがって、偏光素子は、例えば、光学位相アレイ、電気もしくは磁気光学偏光器、またはそのような偏光器のアレイとして実現されていてもよい。偏光素子は、例えば、データグラスの眼鏡レンズに組み込まれていてもよい。実施形態に応じて、偏光素子は、第1の光線を第2の光線の形に偏光するための第1の機能と、第1の光線を第3の光線の形に偏光するための第2の機能とを少なくとも満たすことができる。第1の機能とは、例えば、偏光素子が、第1の光線を、第2の光線としての第1の光線の第1の成分、特に第1の光線のコリメート成分と、第3の光線としての第1の光線の第2の成分、特に第1の光線の発散成分とに分割することを意味し得る。視野とは、データグラスの装着時に、装着者の1つの眼球によって知覚可能な領域を意味し得る。第1の視野と第2の視野とは、少なくとも重なり合う、または完全に重畳して配置されていてもよい。特に、第1の視野は眼の中心視野であり、第2の視野は眼の周辺視野であり得る。
各光線が、視野全体をカバーし得る。ここで、第3の光線の不鮮明に知覚される画像情報と、第2の光線の鮮明に知覚される画像情報との両方を、使用者の視線方向に応じて選択的にオフにするまたは減光することができ、例えば視覚的印象の適合および/またはエネルギー節約を行うことができる。好ましくは、第2および/または第3の光線の減光は、データグラス装着者の視線方向に応じて行われる。
第1の光線は、例えば、複数の第1の光線からなる光線束でもあり得る。同様に、第2の光線は、複数の第2の光線からなる光線束であり得る。同様に、第3の光線は、複数の第3の光線からなる光線束であり得る。
本明細書で提示する手法は、データグラスが、適切な偏光素子、特に例えばホログラム光学素子によって、異なる鮮明さの画像を、少なくとも重なり合うまたは完全に重畳して配置されている観察者の眼球の複数の視野に投影することができるという見解に基づいている。例えば、ここで、人間の眼球の生理学的特性を利用することにより、鮮明な画像コンテンツと不鮮明な画像コンテンツとが同時に、例えば重ね合わせられて表示され得ることが達成され得る。
これは、できるだけ少数の構成要素で省資源のシステム構造を可能にする。本明細書で提示する投影装置では、特に表示すべき各原色に関して、単一波長の光のみが必要とされる。したがって、例えば、必要な光源の数を、モノクロ画像表示の場合には1つの光源に、フルカラー画像表示(RGB)の場合には3つの光源に減少させることができる。例えば、2つの原色と、それらから得られる混合色との場合、2つの光源でも十分であり得る。したがって、ホログラム層など必要な反射層の数も、それに対応して減少させることができる。同時に、本明細書で提示する手法は、「視野(field of view)」とも呼ばれる大きな視界と、大きな実効のアイボックスとを備えたデータグラスの実現を可能にする。したがって、データグラスの機能が改良され得る。
一実施形態によれば、偏光素子は、第1の画像情報が第2の画像情報よりも高く知覚される画像鮮鋭度を有するように、偏光によって第1の光線から第2の光線を生成するように構成され得る。偏光素子は、第1の視野としての眼の中心視野内で第1の画像情報を表示し、追加または代替として、第2の視野領域としての眼の周辺視野内で第2の画像情報を表示するように構成され得る。さらに、偏光素子は、第2の視野領域としての眼の周辺視野内で第1の画像情報を表示し、追加または代替として、第1の視野としての眼の中心視野内で第2の画像情報を表示するように構成され得る。ここで、第1の画像情報は、より高い画像鮮鋭度を有する画像を有し得る。異なる画像鮮明度は、特に、ビーム発散特性、およびそれに関連する仮想画像離隔距離、ならびにビーム直径、およびそれに関連する実効アパーチャによって実現し得る。極度の遠視のための適切な強さのコンタクトレンズによって、第2の画像情報も鮮明に知覚可能であり得る。中心視野とは、高い視力で眼が画像を知覚する領域、すなわち中心窩を意味し得る。周辺視野とは、より低い視力で眼が画像を知覚する領域、すなわち周辺部を意味し得る。例えば、中心視野は、周辺視野によって少なくとも部分的に取り囲まれていることがある。これにより、眼球によって知覚可能な全ての領域、すなわち眼球が実際に鮮明に見ることができる領域においても、眼が不鮮明にしか見ることができない領域においても、高い画像鮮明度で画像情報が表示されることが可能になる。それにより、投影装置の効率を高めることができる。したがって、投影装置の製造コストが低減され得る。
偏光素子は、第1の視野内および追加または代替として第2の視野内で第1の画像情報を偏光または表示し、追加または代替として、第2の視野内でおよび追加または代替として第1の視野内で第2の画像情報を偏光または表示するように構成されていてもよく、第2の視野と第1の視野とは完全に重畳して配置されていてもよい。これにより、例えば眼球の視野全体において、鮮明な画像コンテンツと不鮮明な画像コンテンツとの同時の表示が可能になる。したがって、有利には、眼球の特定の視野に対する特定の画像コンテンツの複雑な追跡を省くことができる。
偏光素子は、第1の光線を第1の画像情報を表す第2の光線の形で、および追加または代替として、第1の光線を第2の画像情報を表す第3の光線の形で、眼球の瞳孔の後ろに配置された点に偏光するように構成されていてもよい。これに対する代替形態として、偏光素子はさらに、第1の光線を、第2の画像情報を表す第3の光線の形で、眼球の瞳孔の前に配置された点に偏光するように構成されている。
偏光素子は、例えば、第1の光線を、第1の画像情報を表す第2の光線の形で、および追加または代替として第1の光線を、第2の画像情報を表す第3の光線の形で、眼球回旋点を表す点に偏光するように構成されていてもよい。したがって、眼球の特に大きな視界のための特に大きな角度幅が可能になる。したがって、有利には、第1の画像コンテンツおよび/または第2の画像コンテンツは、例えば60°の角度範囲内で眼を比較的大きく回転運動させても依然として見ることができる。
好ましくは、偏光素子は、第1のホログラム層を含み、第1のホログラム層は、第1の光線を、第1の画像情報を表す第2の光線の形で、および第1の光線を、第2の画像情報を表す第3の光線の形で、眼球の第1の視野および/または第2の視野に偏光するように構成されている。したがって、これに関連して単一のホログラム光学素子(HOE)として構成される第1のホログラム層は、少なくとも2つの異なる機能を有する。一方では、第1のホログラム層において、コリメートされた第2の光線としての第1の光線の成分が、眼球の方向に反射される。このために、第1の光線は、例えば画像生成ユニット、特にレーザ走査ユニットにおいて、例えばレーザモジュールの入力および/または出力にある1つまたは複数のフォーカスレンズによって、第1の光線が第1のホログラム層での反射後に第2の光線の形でコリメートされているように適合される。コリメートされた第2の光線の直径は、眼の瞳孔の直径よりもかなり小さく、したがって、実際の遠近調節の状態とはほぼ無関係に網膜上に鮮明な投影像が生じる。周辺視界に位置される他の画像部分領域が同時に見ることができるようになるように、第1のホログラム層の第2の機能化は、第1の光線に関して、反射後に、発散する第3の光線を眼球の位置に生成するように作用するように設計される。第3の発散光線の方向は、好ましくは第2の機能化された領域の全ての位置に関して、第2の射出瞳が眼球の瞳孔の領域に生じるように規定される。発散する光線の直径は、眼の瞳孔の位置で、コリメートされた光線の直径よりも実質的に大きい。その結果、画像の全ての部分領域の光が網膜に到達し、そこで不鮮明な投影像を生じる。
これに対する代替として、偏光素子は、第2のホログラム層および第3のホログラム層を含み、第2のホログラム層は、第3のホログラム層とは異なる位置に配置されている。第2のホログラム層は、第1の光線を、第1の画像情報を表す第2の光線の形で、眼の第1の視野および/または第2の視野に偏光するように構成されている。第3のホログラム層は、第1の光線を、第2の画像情報を表す第3の光線の形で、眼の第1の視野および/または第2の視野に偏光するように構成されている。ここでも、ホログラム層とは、層として実現されるホログラム光学素子を意味し得る。そのようなホログラム光学素子は、眼の方向で所定の入射角で所定の波長の光のみを反射するように構成されている。別の位置とは、別の平面を意味することがあり、例えば第2のホログラム層と第3のホログラム層とを例えば面一に、重なり合わせて、またはずらして互いに配置されていてもよい。第1の光線を第2の光線と第3の光線とに分割するために、第2のホログラム層の効率は、第1の光線の一部のみが第2のホログラム層によって眼の方向に反射されるように構成されていてもよい。特に、第1の光線の一部は、第2のホログラム層によって、コリメートされた第2の光線の形で眼に反射される。第1の光線の残りの部分は、第2のホログラム層を透過し、その後、第3のホログラム層によって第3の光線の形で反射される。特に、第1の光線の一部は、第3のホログラム層によって、発散する第3の光線として反射される。
さらに好ましくは、投影装置は、好ましくは少なくとも1つのレンズを含み、レンズは、第1の光線を、第1の画像情報を表す第2の光線と、第2の画像情報を表す第3の光線とに分割するように構成されている。レンズは、第1の光線が偏光素子に当たる前に、第1の光線をコリメート成分と発散成分、特に第1の光線の中核成分と外殻成分に分解するのに特に適している。中核成分と外殻成分とは異なる発散角を有し、発散角は、偏光素子での反射後に、コリメート成分と発散成分とが再び生じるように設定されている。これに関連して、偏光素子は、好ましくはホログラム層、特に第1のホログラム層として構成されており、第1のホログラム層は、第1の光線を、第1の画像情報を表す第2の光線の形で、および第1の光線を、第2の画像情報を表す第3の光線の形で、眼球の第1の視野および/または第2の視野に偏光する。第1の光線をコリメート成分と発散成分とに分解するために、レンズは、特に少なくとも2つの互いに異なる領域、特に機能領域を有し、ここで、レンズの少なくとも2つの互いに異なる領域は、第1の光線を、第1の画像情報を表す第2の光線と、第2の画像情報を表す第3の光線とに分割するように構成されている。そのようなレンズの一例は、2区域レンズに変更されたフォーカスレンズであり、第1の光線の中核成分と外殻成分とは、例えば異なる曲率半径により異なる焦点距離の領域を通過する。しかし、代替として、2つのレンズ区域のうちの1つの微細構造化または粗面化も考えられる。さらなる代替形態は、レンズ表面のホログラム機能化、またはHOEとしての多区域レンズ機能の完全な実施である。
好ましくは、偏光素子は、第1の視野としての眼の中心視野での第1の画像情報を表す第2の光線の第1の光束が、ユーザの所定の視線方向で、特に直線視線方向で、眼球の中心視野での第2の画像情報を表す第3の光線の第2の光束に対して適合、特に増加されるように構成されている。光束は、人間の眼球で知覚可能な光に関して光源が単位時間あたりに放射する光量を示す測光変数である。これは、物理的(放射測定)放射出力に対応するが、さらに人間の眼球の感度も考慮に入れている。光束は、ルーメン(Im)の測定単位で示される。ここで、光束は、例えば、偏光素子の少なくとも1つのホログラム層の効率の設定によって設定され得る。要約すると、より高い画像鮮鋭度で知覚される第1の画像情報は、眼球の中心視野において、第2の画像情報よりも高い画像輝度で投影される。さらに、偏光素子の少なくとも1つのホログラム層は、眼球の周辺視野での第2の画像情報を表す第3の光線の第3の光束が、眼球の周辺視野での第1の画像情報を表す第2の光線の第4の光束に対して増加するように構成されていてもよい。例えば、これに関して、前述のホログラム層は、中心領域、特にグラス装着者の直線の視線方向に対応する領域において、上記少なくとも1つのホログラム層のさらなる外側領域とは異なるように構成され得る。したがって、まっすぐ前を見るグラス装着者は、中心視野だけでなく周辺視野でもクリアで高コントラストの画像を認識可能であり得る。
これに対する代替として、偏光素子は、中心視野および周辺視野内で、第1の画像情報を表す第2の光線の第5の光束を、第2の画像情報を表す第3の光線の第6の光束に対して増加するように構成されている。画像生成ユニットは、これに関連して、好ましくは、眼球の周辺視野での第1の光線の第7の光束を、中心視野での第1の光線の第8の光束に対して増加するように構成されている。このために、画像生成ユニット、特にレーザ走査ユニットは、例えばユーザの周辺視野に対応する視野で、ユーザの中心視野に対応する視野におけるよりも高いレーザ出力を使用することができる。この措置によって、周辺視野において、上述した第3の画像情報の画像輝度の低下が補償される。さらに、不鮮明な投影像では物体によって発出された光がより大きな面積に分散されるので、自己照明物体の不鮮明な光学投影像が、同じ物体の鮮明な光学投影像よりも低い画像光密度をもたらすという効果も補償される。この効果は、明るいピクセルがほとんどなく黒いピクセルが多い画像コンテンツ(例えば黒い背景での白いテキスト)で特に効果的である。
好ましくは、投影装置は、眼球の視線方向を決定するための視線方向決定ユニットをさらに含む。特に、視線方向決定ユニットは、レーザを使用して視線方向を決定するように構成されている。さらに、視線方向決定ユニットは、好ましくは750nm~1500nmの領域内の波長を有する赤外光を使用して視線方向を決定するように特に構成されている。前の段落で述べた画像生成ユニットの機能に関連して、そのような視線方向決定ユニットによって、決定された視線方向に応じて第7および第8の光束を適合させるという利点が得られる。したがって、このシステムは、使用者の1つの視線方向だけで最適化され得るだけでなく、グラス装着者の様々な視線方向に合わせて設定可能である。
さらなる実施形態によれば、投影装置は、眼鏡レンズを有してもよい。ここで、偏光素子は、眼鏡レンズの一部として実現されていてもよく、特に、偏光素子は、眼鏡レンズに鋳造されていてもよく、追加または代替として積層されていてもよく、追加または代替として眼鏡レンズに適用されていてもよく、追加または代替として露光されていてもよい。眼鏡レンズとは、例えば、ガラスまたはプラスチックからなるプレートまたはレンズを意味し得る。実施形態に応じて、眼鏡レンズは、眼の屈折異常を矯正するために成形され得る。この実施形態は、特に単純で、目立たず、費用対効果の高い偏光素子の統合を可能にする。
ここで、偏光素子は、眼鏡レンズの表面の少なくとも主要部分にわたって延在することができる。これにより、偏光素子による眼の視界のできるだけ広い面積のカバーが可能になる。
さらに、画像生成ユニットは、第1の画像情報、および追加または代替として第2の画像情報が少なくとも2色、特に多色の画像を表すように第1の光線を生成するように構成されていてもよい。それにより、投影装置の表示品質が改良され得る。
本明細書で提示する手法は、上記の実施形態のうちの1つによる投影装置を用いて画像情報を表示するための方法であって、
少なくとも1つの第1の光線を生成するステップと、
眼球の第1の視野および追加または代替として第2の視野に、第1の光線を、第1の画像情報を表す第2の光線の形で偏光、特に部分偏光し、第1の光線を、第2の画像情報を表す第3の光線の形でさらに偏光、特に部分偏光するステップとを含み、第1の光線が、第2の光線と第3の光線とがビーム発散特性に関して異なるように偏光され、第2の視野と第1の視野とが少なくとも重なり合う、方法をさらに提供する。
偏光ステップでは、第1の画像情報を第1の視野および第2の視野内に表示するために第2の光線が偏光され得、追加または代替として、第2の画像情報を第2の視野および第1の視野内に表示するために第3の光線が偏光され得る。
偏光ステップの前に、方法は、少なくとも第1の光線が偏向される偏向ステップを有し得る。したがって、例えば固定して設置された光生成ユニットによって生成された第1の光線は、偏向ステップにおいて、例えば可動マイクロミラーまたはDMDやLCoSなどの空間光変調器によって偏光素子に偏向され得、その後、例えば不動の偏光素子によって視界に偏光される。
この方法は、例えばソフトウェアもしくはハードウェアで、またはソフトウェアとハードウェアとの混合形式で、例えば制御デバイスで実装されていてもよい。
本明細書で提示する手法はさらに、本明細書で提示する方法の変形形態のステップを、対応する機構で実施、制御、または実装するように構成されている制御デバイスも提供する。制御デバイスの形での本発明のこの変形実施形態によっても、本発明の基礎となる目的が迅速にかつ効率的に解決され得る。
このために、制御デバイスは、信号またはデータを処理するための少なくとも1つの計算ユニット、信号またはデータを記憶するための少なくとも1つのメモリユニット、センサからセンサ信号を読み取るためもしくは制御信号をアクチュエータに出力するためのセンサまたはアクチュエータへの少なくとも1つのインターフェース、および/または通信プロトコルに埋め込まれているデータの読み出しもしくは出力のための少なくとも1つの通信インターフェースを有し得る。計算ユニットは、例えば信号プロセッサやマイクロコントローラなどであり得、メモリユニットは、フラッシュメモリ、EPROM、または磁気メモリユニットであり得る。通信インターフェースは、無線および/または有線でデータを読み取るまたは出力するように構成されていてもよく、有線でデータを読み取るまたは出力することができる通信インターフェースは、例えば、これらのデータを対応するデータ伝送ラインから電気的または光学的に読み取り、または対応するデータ伝送ラインに出力し得る。
本明細書において、制御デバイスとは、センサ信号を処理し、それらに応じて制御信号および/またはデータ信号を出力する電気デバイスを意味し得る。制御デバイスは、ハードウェアおよび/またはソフトウェアとして構成されていてもよいインターフェースを有し得る。ハードウェアとしての構成の場合、インターフェースは、例えば、制御デバイスの様々な機能を含む、いわゆるシステムASICの一部であり得る。しかし、インターフェースが別個の集積回路であること、または少なくとも部分的にディスクリート部品からなることも可能である。ソフトウェアとしての構成の場合、インターフェースは、例えば他のソフトウェアモジュールと共にマイクロコントローラに存在するソフトウェアモジュールであり得る。
半導体メモリ、ハードディスクメモリ、光学メモリなどの機械可読キャリアまたは記憶媒体に記憶されていることもある、上述した実施形態の1つによる方法のステップを実行、実装、および/または制御するために使用されるプログラムコードを備えるコンピュータプログラム製品またはコンピュータプログラムも、特に、そのプログラム製品またはプログラムがコンピュータまたは装置上で実行されるときに有利である。
本明細書で提示する手法の例示的実施形態を図面に示し、以下の記載でより詳細に説明する。
データグラス用の投影装置の第1の実施形態を概略的に示す図である。 データグラス用の投影装置の偏光素子の第1の実施形態を概略的に示す図である。 データグラス用の投影装置の偏光素子の第2の実施形態を概略的に示す図である。 データグラス用の投影装置の第2の実施形態を概略的に示す図である。 データグラス用の投影装置の偏光素子の第3の実施形態を概略的に示す図である。 第1の光線を第1の画像情報を表す第2の光線と第2の画像情報を表す第3の光線とに分割するためのレンズを概略的に示す図である。 例として、第1の視野でより高い画像鮮鋭度を有する投影画像を示す図である。 図3aに示される画像が網膜に投影されたときに観察者が感じる、一様に知覚される画像鮮鋭度の主観的な視覚的印象を示す図である。 投影装置による画像情報を表示するための方法を示す図である。
図1aは、第1の例示的実施形態による投影装置2aを備えるデータグラス1aの概略図を示す。単に一例として、この例示的実施形態による投影装置2aは、少なくとも部分的にデータグラス1aに配置されている。
投影装置2aは、画像生成ユニット5と、ここでは例としてデータグラス1aの眼鏡レンズ20に組み込まれた偏光素子21とを有し、偏光素子21は、例えば、眼鏡レンズ20に鋳造および/または積層されている。代替の例示的実施形態によれば、偏光素子21は、眼鏡レンズ20に適用して配置されていてもよい。単に一例として、この例示的実施形態による眼鏡レンズ20は、投影装置2aの一部である。
画像生成ユニット5は、画像情報を表す第1の光線15を生成し、偏光素子21に向けるように構成されている。例として、ここでは、偏光素子21の外側の点25aおよび25cと、偏光素子の中心点25bとに向けられた第1の光線15が示される。このために、投影装置2aは、第1の光線15を偏光素子21に向けるように配置および構成された可動または不動のマイクロミラー10を任意選択で有する。偏光素子21、例えばホログラム層または複数のホログラム層の複合体は、第1の光線15を、第1の画像情報を表す第2の光線35a、35b、および35cの形で、および第1の光線15を、第2の画像情報を表す第3の光線40a、40b、および40cの形で、眼球55の第1の視野30aおよび/または第2の視野30bに偏光するように構成されており、ここで、第2の光線35a、35b、および35cと第3の光線40a、40b、および40cとはビーム発散特性に関して異なり、第2の視野30bと第1の視野30aとは少なくとも重なり合う。この例示的実施形態によれば、第1の画像情報と第2の画像情報とは、知覚可能な画像鮮鋭度に関して異なり、2つの画像情報が同一の画像コンテンツを表すことができる。この例示的実施形態によれば、偏光素子21は、第2の光線35a、35b、および35cを眼球55の第1の視野30aに偏光し、第3の光線40a、40b、および40cを眼球55の第2の視野30bおよび第1の視野30aに偏光するように構成されている。2つの視野30aおよび30bは、概して完全に重畳している、すなわち、両方の視野30aおよび30bが、視界全体または眼鏡レンズ20をカバーする。1つの例示的実施形態によれば、偏光素子21は、眼球55の視界のできるだけ大きい領域をカバーするために、眼鏡レンズ20の表面の大部分にわたって延在する。例えば、第1の視野30aは、眼球55が高い視力で画像を知覚することができる中心視野であり、第2の視野30bは、眼球55が低い視力でしか画像を知覚することができない周辺視野である。
図示の例示的実施形態では、第1の光線15は、偏光素子2aによって、第2の光線35a、35b、および35cによって表される第1の画像情報が第3の光線40a、40b、および40cによって表される第2の画像情報よりも高い知覚可能な画像鮮鋭度を有するように偏光され、それにより、眼球55が実際に鮮明に見ることができる第1の視野30aとしての中心視野に、より大きな画像鮮鋭度を有する画像情報が表示される。より低い画像鮮鋭度を有する第2の画像情報は、第2の視野30bとしての周辺視野と、第1の視野30aとしての中心視野とに表示される。
図1aに示される例示的実施形態によれば、データグラス1aは、画像生成ユニット5、ならびにマイクロミラー10および/または偏光素子21を制御するための任意選択の制御デバイス3をさらに含む。このために、制御デバイス3は、対応する制御信号(ここでは図示せず)を画像生成ユニット5に送信し、画像生成ユニット5は、制御信号を使用して少なくとも第1の光線15を生成するように構成されている。制御デバイス3は、追加または代替として、制御信号を偏光素子21に出力することができ、偏光素子21は、制御信号を使用して、少なくとも第2の光線35a、35b、および35c、および/または第3の光線40a、40b、および40cを生成または偏光するように構成されている。
この例示的実施形態によれば、偏光素子21は、第2の光線35a、35b、および35cの形での第1の光線15を、コリメートされた第2の光線35a、35b、および35cの形で偏光するように構成されている。コリメートされた光線とは、発散しないまたはほぼ発散しない光線、例えば少なくともレーザビームとして理解することができる。コリメートされた第2の光線35a、35b、および35cの直径は、眼の瞳孔45の直径よりもかなり小さく、したがって、実際の遠近調節の状態とはほぼ無関係に網膜76上に鮮明な投影像が生じる。さらに、偏光素子21は、これに関連して、第3の光線40a、40b、および40cの形での第1の光線15を、発散する第3の光線40a、40b、および40cの形で偏光するように構成されている。発散する光線40a、40b、および40cの直径は、眼の瞳孔45の位置で、コリメートされた光線35a、35b、および35cの直径よりも実質的に大きい。その結果、画像の全ての部分領域の光が網膜76に到達し、そこで不鮮明な投影像を生じる。
図示される例示的実施形態によれば、第1の光線15は、画像生成ユニット5によってレーザビームの形で生成される。この例示的実施形態によれば、画像生成ユニット5は、第1の画像情報および/または第2の画像情報が少なくとも2色、特に多色の画像を表すように第1の光線15を生成するようにさらに構成されている。
図1aから見て取れるように、偏光素子21は、この例示的実施形態では、第1の光線15を、第1の画像情報を表す第2の光線35a、35b、および35cの形で、および第1の光線15を、第2の画像情報を表す第3の光線40a、40b、および40cの形で、眼球55の瞳孔45の後ろに配置された眼球55回旋点60に偏光するように構成されている。このようにして、視界全体(ここでは例として60°)を鮮明に知覚可能ではなくなり、その一部(ここでは例として16.7°)のみが鮮明に知覚可能である。しかし、目に見える部分のサイズは、眼球55の眼球運動とはほぼ無関係である。その結果、眼球55は視界全体を端まで観察し得る。したがって、データグラス1aは、大きい視界を有するARデータグラスと呼ぶこともできる。中心視界では、あらゆる視角に関して鮮明な画像情報が眼球55に提供される。さらに、視界の残りの領域は、第2の光線35a、35b、および35cと同じ波長を有する第3の光線40a、40b、および40cによってカバーされる。発散光によって書かれたこの画像情報は、眼球55によって不鮮明に知覚される。この例示的実施形態によれば、中心窩70はFOV(Field of Views;視野)の中心にある。コリメート光を使用すると、眼球55にはFOVが部分的に見える(ここでは16.7°)。発散光を使用すると、眼球55にはFOVが完全に見える(ここでは60°)。これにより、眼球55でのレーザビームが十分に大きくなり、全ての眼球位置において瞳孔45が照射領域内にあることが達成される。
図示される実施形態では、偏光素子21bは、少なくとも1つのホログラム層75を含む。図1bから見て取れるように、偏光素子21bは、これに関連して、第1のホログラム層75cを含み、第1のホログラム層75cは、第1の光線15を、第1の画像情報を表す第2の光線35eの形で、および第1の光線15を、第2の画像情報を表す第3の光線40eの形で、眼球55の第1の視野30aおよび/または第2の視野30bに偏光するように構成される。第2の光線35eは、コリメートされた第2の光線であり、第3の光線40eは、発散する第3の光線である。したがって、これに関連して単一のホログラム光学素子(HOE)として構成される第1のホログラム層75cは、2つの異なる機能を有する。一方では、第1のホログラム層75cにおいて、第2の光線35eとしての第1の光線15のコリメートされた成分が、眼球55の方向に反射される。他方では、第1のホログラム層75cは散乱機能を有し、第1の光線15の発散成分が眼の方向に反射される。
これに対する代替として、図1cに示されるように、偏光素子21aは、第2のホログラム層75aおよび第3のホログラム層75bを含むことができ、第2のホログラム層75aは、第3のホログラム層75bとは異なる位置に配置されている。本例示的実施形態では、第2のホログラム層75aと第3のホログラム層75bとが前後に配置されている。第2のホログラム層75aは、第1の光線15を、第1の画像情報を表す第2の光線35dの形で、眼球55の第1の視野30aに偏光するように構成されている。ここでも、第2の光線35dは、コリメートされた第2の光線である。第2のホログラム層75aの効率は、第1の光線15の一部が第2のホログラム層75aを透過し、次いで第3のホログラム層75bによって、第2の画像情報を表す第3の光線40dの形で、眼球55の第1の視野30aおよび/または第2の視野30bに偏光されるように設定されている。ここでも、第3の光線40dは、発散する第3の光線である。
第1の視野30aとしての中心視野では、コリメートされた第2の光線35b(知覚される画像鮮鋭度が高い)と発散する第3の光線40b(知覚される画像鮮鋭度が低い)とが重なり合う。図3aは、これに関連して一例として画像83を示し、中心視野30a内の画像83の部分領域82内で、コリメート光線81と発散光線80aとのそのような重畳が網膜上で生じている。これに関連して、図1bおよび図1cに示される偏光素子21aおよび21bの実施形態は、第1の視野30aとしての眼球55の中心視野内での第1の画像情報を表す第2の光線35bの第1の光束を、眼球55の中心視野30a内での第2の画像情報を表す第3の光線40bの第2の光束に対して増加するように構成されていてもよい。このために、例えば中心視野30aでのホログラム層75a~75cの効率は、ホログラム層75a~75cの外側領域でのホログラム層75a~75cの効率とは異なるように構成されていてもよい。中心視野30aでは、コリメートされた第2の光線35bに変換される第1の光線15の割合の増加が生じる。これにより、グラス装着者の主観では、鮮明な投影像が中心視野30aで支配的になる。図3aからも見て取れるように、画像83は、データグラス装着者の周辺視野に対応する部分領域84に現れるが、そこでは発散光線80bのみが網膜に投影されるので、ユーザには不鮮明である。ここでさらに、周辺視野30bでの投影像を、中心視野30aでの投影像に匹敵する知覚輝度でデータグラス1aのユーザに対して表示するために、偏光素子21aおよび21bはさらに、眼球55の周辺視野30bでの第2の画像情報を表す第3の光線40aおよび40cの第3の光束を、眼球55の周辺視野30aでの第1の画像情報を表す第2の光線35aおよび35cの第4の光束に対して増加するように構成されている。ここで、外側の周辺視野30bでは、外側領域でのホログラム層75a~75cの異なる設定にされた効率により、第1の光線15のより高い割合が、発散する第3の光線40aおよび40cに変換される。したがって、中心視野30aでは、鮮明な投影像が視覚的印象を支配し、周辺視野30bでは、投影像は、露出の増加により、同様にほぼ同じ輝度で表示される。図3bは、図3aに示される画像が網膜に投影されたときに観察者が感じる、一様に知覚される画像鮮鋭度の主観的な視覚的印象を示す。どの眼球位置でも、中心視界において、不鮮明な投影像よりも鮮明な投影像が支配的であり、周辺視界での投影像の不鮮明さが自然なものとして知覚されるからである。しかし、この実施形態は、グラス装着者の所定の視線方向(この場合には、直線方向での視線方向79)での最適化に限定される。
この実施形態の代替として、偏光素子21aおよび21bは、中心視野および周辺視野内で、第1の画像情報を表す第2の光線の第5の光束を、第2の画像情報を表す第3の光線の第6の光束に対して増加するように構成されている。さらに、画像生成ユニット5は、眼球55の周辺視野30bでの第1の光線15の第7の光束を、中心視野30aでの第1の光線の第8の光束に対して増加するように構成されている。このために、画像生成ユニット5は、ユーザの中心視野30aに対応する視野よりも、ユーザの周辺視野30bにおいて高いレーザ出力を使用し得る。グラス装着者の所定の視線方向以外の視線方向でも表示される画像を最適化するために、投影装置2aは、眼球55の視線方向を決定するための視線方向決定ユニット78もさらに有する。この実施形態では、視線方向決定ユニット78は、レーザを使用して視線方向を決定するように構成される。ここで、画像生成ユニット5は、決定された視線方向に応じて、第7および第8の光束を適合し得る。
他の考えられる実現可能性に比べて、本明細書で提示する投影装置2aは、人間の眼の生理学的特性を活用することによって、省資源であり単純なシステム構造(より少数の構成要素が必要とされる)を可能にする(鮮明な画像コンテンツは、それが知覚され得る場所にのみ表示される)。投影装置2aは、必要なレーザ光源の数を、モノクロ画像表示については3つのレーザ光源から1つだけのレーザ光源に減少し、カラー(RGB)画像表示について9つのレーザ光源から3つのレーザ光源に減少することを実現する。投影装置2aでは、個別のビーム拡大光学系、追跡機構、およびコンタクトレンズも省かれる。投影装置2aは、省資源であり単純なシステム構造にもかかわらず、より大きなFOVとより大きなアイボックスとを同時に実現する。
したがって、本明細書で提示する手法の中核は、高い視力を有する中心視野(略してZSB)と、低い視力を有する周辺視野(略してPSB)との2つの視野に視界を分割することであり、ここで、単一の光線のみが必要とされる。このようにして、画像表示が、人間の眼の生理学的特性に適合される。
図2aは、データグラス1b用の投影装置2bのさらなる実施形態を示す。ここでは、第1の実施形態2aとは異なり、投影装置2bは、少なくとも1つのレンズ18を有し、レンズ18は、第1の光線16を、図2bに示される、第1の画像情報を表す第2の光線17bと、第2の画像情報を表す第3の光線17cとに分割するように構成されている。レンズ18は、第1の光線16が偏光素子21cに当たる前に、第1の光線16を、コリメート成分17bと発散成分17c、特に第1の光線16の中核成分と外殻成分に分解する。中核成分と外殻成分とは異なる発散角を有し、発散角は、偏光素子21cでの反射後に、コリメート成分35fと発散成分40fとが再び生じるように設定されている。第1の光線をコリメート成分17bと発散成分17cとに分解するために、レンズ18は、図2cに示されるように、特に少なくとも2つの互いに異なる領域19aおよび19b、特に機能領域を有し、レンズ18の少なくとも2つの互いに異なる領域19aおよび19bは、第1の光線16を、第1の画像情報を表す第2の光線17bと、第2の画像情報を表す第3の光線17cとに分割するように構成されている。この例示的実施形態では、レンズ18は、2区域レンズに変更されたフォーカスレンズとして構成されており、第1の光線16の中核成分と外殻成分とは、例えば、レンズ18の異なる曲率半径により異なる焦点距離の領域を通過する。
図4は、投影装置によって画像情報を表示するための方法をフローチャート形式で示す。ここで、第1の方法ステップ100において、少なくとも1つの第1の光線が生成される。後続の方法ステップ110において、第1の光線は、第1の画像情報を表す第2の光線の形で、および第2の画像情報を表す第3の光線の形で、眼の第1の視野および/または第2の視野に偏光される。ここで、第1の光線は、第2の光線と第3の光線とがビーム発散特性に関して異なるように偏光される。第2の視野と第1の視野とは少なくとも重なり合う。その後、方法は終了される。

Claims (20)

  1. データグラス(1a、1b)用の投影装置(2a、2b)であって、以下の特徴:
    画像情報を表す少なくとも1つの第1の光線(15、16)を生成するための画像生成ユニット(5)と、
    少なくとも1つの偏光素子(21、21a、21b、21c)であり、前記第1の光線(15、16)を、第1の画像情報を表す第2の光線(35a、35b、35c、35d、35e、35f)の形で、および前記第1の光線(15、16)を、第2の画像情報を表す第3の光線(40a、40b、40c、40d、40e、40f)の形で、眼球(55)の第1の視野(30a)および/または第2の視野(30b)に偏光するように構成されている偏光素子(21、21a、21b、21c)とを有し、前記第2の光線(35a、35b、35c、35d、35e、35f)と前記第3の光線(40a、40b、40c、40d、40e、40f)とがビーム発散特性に関して異なり、前記第2の視野(30b)と前記第1の視野(30a)とが少なくとも重なり合う、投影装置(2a、2b)。
  2. 前記偏光素子(21、21a、21b、21c)が、前記第1の画像情報を前記第1の視野(30a)および/または前記第2の視野(30b)に偏光し、前記第2の画像情報を前記第1の視野(30a)および/または前記第2の視野(30b)に偏光するように構成されており、前記第2の視野(30b)と前記第1の視野(30a)とが完全に重畳して配置されていることを特徴とする請求項1に記載の投影装置(2a、2b)。
  3. 前記偏光素子(21、21a、21b、21c)が、前記第1の画像情報が前記第2の画像情報よりも高く知覚される画像鮮明度を有するように前記第1の光線(15、16)を偏光するように構成されており、
    前記偏光素子(21、21a、21b、21c)が、前記第1の視野(30a)としての前記眼球(55)の中心視野内および/または前記第2の視野(30b)としての前記眼球(55)の周辺視野内で、前記第1の画像情報および/または前記第2の画像情報を表示するように構成されていることを特徴とする、請求項1または2に記載の投影装置(2a、2b)。
  4. 前記偏光素子(21、21a、21b、21c)が、前記第1の光線(15、16)を、前記第1の画像情報を表す第2の光線(35a、35b、35c、35d、35e、35f)の形で、前記眼球(55)の瞳孔(45)の後ろに配置された点(60)に偏光し、および/または前記第1の光線(15、16)を、前記第2の画像情報を表す第3の光線(40a、40b、40c、40d、40e、40f)の形で、前記眼球(55)の前記瞳孔(45)の前または後ろに配置された点(60)に偏光するように構成されていることを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載の投影装置(2a、2b)。
  5. 前記偏光素子(21、21a、21b、21c)が、前記第1の光線(15、16)を前記第2の光線(35a、35b、35c、35d、35e、35f)の形で、および/または前記第1の光線(15、16)を前記第3の光線(40a、40b、40c、40d、40e、40f)の形で、前記眼球(55)回旋点(60)を表す点に偏光するように構成されていることを特徴とする請求項4に記載の投影装置(2a、2b)。
  6. 前記偏光素子(21、21a、21b、21c)が、第1のホログラム層(75c)を含み、前記第1のホログラム層(75c)が、前記第1の光線(15、16)を、前記第1の画像情報を表す第2の光線(35a、35b、35c、35d、35e、35f)の形で、および前記第1の光線(15、16)を、前記第2の画像情報を表す第3の光線(40a、40b、40c、40d、40e、40f)の形で、前記眼球(55)の前記第1の視野(30a)および/または前記第2の視野(30b)に偏光するように構成されていることを特徴とする請求項1から5のいずれか一項に記載の投影装置(2a、2b)。
  7. 前記偏光素子(21、21a、21b、21c)が、第2のホログラム層(75a)および第3のホログラム層(75b)を含み、前記第2のホログラム層(75a)が、前記第3のホログラム層(75c)とは異なる位置に配置されており、前記第2のホログラム層(75a)が、前記第1の光線(15、16)を、前記第1の画像情報を表す第2の光線(35a、35b、35c、35d、35e、35f)の形で、前記眼球(55)の前記第1の視野(30a)および/または前記第2の視野(30b)に偏光するように構成されており、前記第3のホログラム層(75b)が、前記第1の光線(15、16)を、前記第2の画像情報を表す第3の光線(40a、40b、40c、40d、40e、40f)の形で、前記眼球(55)の前記第1の視野(30a)および/または前記第2の視野(30b)に偏光するように構成されていることを特徴とする請求項1から5のいずれか一項に記載の投影装置(2a、2b)。
  8. 少なくとも1つのレンズ(18)をさらに含み、前記レンズ(18)が、前記第1の光線(15、16)を、前記第1の画像情報を表す前記第2の光線(35a、35b、35c、35d、35e、35f)と、前記第2の画像情報を表す前記第3の光線(40a、40b、40c、40d、40e、40f)とに分割するように構成されていることを特徴とする請求項1から6のいずれか一項に記載の投影装置(2a、2b)。
  9. 前記偏光素子(21、21a、21b、21c)が、所定の視線方向で、第1の視野(30a)としての前記眼球(55)の中心視野内での前記第1の画像情報を表す前記第2の光線(35a、35b、35c、35d、35e、35f)の第1の光束を、前記眼球(55)の前記中心視野内での前記第2の画像情報を表す前記第3の光線(40a、40b、40c、40d、40e、40f)の第2の光束に対して適合する、特に増加および/または減少するように構成されていることを特徴とする、請求項6から8のいずれか一項に記載の投影装置(2a、2b)。
  10. 前記偏光素子(21、21a、21b、21c)が、前記眼球(55)の周辺視野内での前記第2の画像情報を表す前記第3の光線(40a、40b、40c、40d、40e、40f)の第3の光束を、前記眼球(55)の前記周辺視野内での前記第1の画像情報を表す前記第2の光線(35a、35b、35c、35d、35e、35f)の第4の光束に対して適合するように構成されていることを特徴とする、請求項9に記載の投影装置(2a、2b)。
  11. 前記偏光素子(21、21a、21b、21c)が、前記中心視野および前記周辺視野内で、前記第1の画像情報を表す前記第2の光線(35a、35b、35c、35d、35e、35f)の第5の光束を、前記第2の画像情報を表す前記第3の光線(40a、40b、40c、40d、40e、40f)の第6の光束に対して適合する、特に増加および/または減少するように構成されていることを特徴とする、請求項6から8のいずれか一項に記載の投影装置。
  12. 前記画像生成ユニット(5)が、前記眼球(55)の前記周辺視野での前記第1の光線(15、16)の第7の光束を、前記中心視野での前記第1の光線(15、16)の第8の光束に対して増加するように構成されていることを特徴とする請求項11に記載の投影装置(2a、2b)。
  13. 前記眼球(55)の視線方向を決定するための視線方向決定ユニット(78)をさらに含むことを特徴とする、請求項1から12のいずれか一項に記載の投影装置(2a、2b)。
  14. 眼鏡レンズ(20)を含み、前記偏光素子(21、21a、21b、21c)が、前記眼鏡レンズ(20)の一部として実現されており、特に鋳造および/もしくは積層されており、ならびに/または前記眼鏡レンズ(20)に適用されていることを特徴とする請求項1から13のいずれか一項に記載の投影装置(2a、2b)。
  15. 前記偏光素子(21、21a、21b、21c)が、前記眼鏡レンズ(20)の表面の少なくとも主要部分にわたって延在することを特徴とする、請求項14に記載の投影装置(2a、2b)。
  16. 前記画像生成ユニット(5)が、前記第1の画像情報および/または前記第2の画像情報が少なくとも2色、特に多色の画像を表すように前記第1の光線(15、16)を生成するように構成されていることを特徴とする、請求項1から15のいずれか一項に記載の投影装置(2a、2b)。
  17. 請求項1から12のいずれか一項に記載の投影装置(2a、2b)を用いて画像情報を表示するための方法であって、
    少なくとも1つの第1の光線(15、16)を生成するステップ(100)と、
    前記第1の光線(15、16)を、前記第1の画像情報を表す第2の光線(35a、35b、35c、35d、35e、35f)の形で、および前記第1の光線(15、16)を、前記第2の画像情報を表す第3の光線(40a、40b、40c、40d、40e、40f)の形で、前記眼球(55)の第1の視野(30a)および/または第2の視野(30b)に偏光するステップ(110)とを含み、
    前記第1の光線(15、16)が、前記第2の光線(35a、35b、35c、35d、35e、35f)と前記第3の光線(40a、40b、40c、40d、40e、40f)とがビーム発散特性に関して異なるように偏光され、前記第2の視野(30b)と前記第1の視野(30a)とが少なくとも重なり合う、方法。
  18. 請求項16に記載の方法を実施および/または制御するように構成されているユニットを備える制御デバイス(3)。
  19. 請求項16に記載の方法を実施および/または制御するように構成されているコンピュータプログラム。
  20. 請求項16に記載のコンピュータプログラムが記憶されている機械可読記憶媒体。
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