数据眼镜的投影装置、数据眼镜和用于运行数据眼镜的投影装置的方法与流程

本发明从根据独立权利要求所述类型的装置或方法出发。本发明的主题也是一种计算机程序。

背景技术：

未来中所期望的一种趋势是佩戴数据眼镜，这些数据眼镜可以使虚拟图像信息渐显到用户的视野中。当前的数据眼镜例如是不透明的并且由此遮没环境，而较新的方案则遵循将虚拟的图像内容与环境重叠的方案。虚拟的图像内容与此外还被觉察的环境的重叠被称为增强现实。一种应用例如是在从事职业活动时渐显信息。因此，机械师可能看到技术视图或者数据眼镜可能将机器的特定区域彩色地标出。然而，该方案也在计算机游戏或其他休闲活动的领域内得到应用。

技术实现要素：

在该背景下，利用这里所提出的方案，根据主要权利要求来提出数据眼镜的投影装置、数据眼镜、用于运行用于数据眼镜的投影装置的方法，此外提出一种使用该方法的控制设备，以及最后提出一种相应的计算机程序。通过在从属权利要求中所讲述的措施，对独立权利要求中所说明的装置的有利的扩展方案和改进方案是可能的。

提出数据眼镜的投影装置，其中该投影装置具有以下特征：

用于发出光射束的至少一个光源；和至少一个被布置或能够被布置在数据眼镜的眼镜镜片上的全息元件，用于通过将光射束转向和/或聚焦到用户的晶状体上来将图像投影到数据眼镜的用户的视网膜上。

光源可以被理解为发光元件，诸如发光二极管、激光二极管或有机发光二极管或由多个这样的发光元件所组成的装置。光源尤其可以被构造用于，发射不同波长的光。光射束可以用于在视网膜上产生多个图像点，其中光射束可以例如以行和列或以丽萨茹图形的形式对视网膜扫描并且相应地被脉冲。眼镜镜片可以被理解为由透明材料、诸如玻璃或塑料所制成的片状元件。根据实施方式而定，眼镜镜片可以例如作为矫正镜片被成形或者具有用于过滤确定的波长的光、诸如uv光的色调。

全息元件可以例如被理解为全息光学器件，简称hoe，其可以履行透镜、镜（spiegel）或棱镜的功能。根据实施方式而定，全息元件可以针对确定的颜色和入射角而言有选择性的。尤其是，全息元件可以履行如下光学功能，这些光学功能可以利用简单的点光源被照入到全息元件中。由此该全息元件可以非常低成本地被制造。

该全息元件可以是透明的。由此可以将眼镜镜片上的图像信息与环境相重叠。

在这里所提出的方案基于如下认识：通过在数据眼镜的眼镜镜片上所布置的全息元件可以这样将光射束转向到数据眼镜佩带者的视网膜上，使得该佩戴者觉察到清晰的虚拟图像。例如，该图像可以通过激光射束的扫描经由微镜和全息元件直接被投影到该视网膜上。

这样的投影装置可以在小结构空间上相对低成本地被实现并且使得能够将图像内容以足够的距离引导到佩戴者。由此，图像内容与环境的重叠被实现。通过可以借助该全息元件将图像直接写出到该视网膜上，可以放弃dlp芯片（dlp=digitallightprocessing（数字光处理））。此外，可以由此实现特别大的景深清晰度。

按照一种实施方式，投影装置可以具有至少一个用于反射光射束到该全息元件上的反射元件。反射元件可以例如被理解为镜、尤其是微镜或由微镜组成的阵列，或者被理解为全息图（hologramm）。借助该反射元件，可以将光射束的光路适配于给定的空间情况（raumverhältnisse）。

例如，反射元件可以作为微镜被实现。该微镜可以以能够移动的方式被成形，例如具有能够围绕至少一个轴倾斜的镜面。这样的反射元件提供特别紧凑的结构形状的优点。

此外有利的是，使该反射元件被构造用于，改变光射束在全息元件上的入射角，并且附加地或可替代地改变光射束在全息元件上的击中点。由此可以以平面的方式、尤其是例如以行和列的方式用光射束对该全息元件进行扫描。

根据另一种实施方式，该全息元件可以具有至少一个被分配给用户的第一视向的第一投影面区域和被布置在该第一投影面区域之外并且被分配给用户的第二视向的第二投影面区域，其用于将光射束转向和/或聚焦。该反射元件可以被构造用于，在该第一投影面区域和第二投影面区域上反射光射束。投影面区域可以被理解为，全息元件的如下表面的部分区段，该表面在佩戴数据眼镜时面向该用户的眼睛。这些不同的投影面区域在此可以部分地或全部地叠加或者在空间上彼此分开。该实施方式具有如下优点：在使用仅一个光源的情况下该光射束可以被扇形地散开到不同的、作为可替代的成像路径起作用的区域中。这具有如下优点：在瞳孔移动时并不通过用户的视向的改变而丢失任何图像信息，因为将多个可用成像路径作为eyebox（眼盒）来提供给该用户。因此可以放弃用于检测眼睛移动的眼睛追踪单元，由此可以减少投影装置的制造成本。

也有利地是，使该投影装置根据另一种实施方式具有至少一个光学元件，用于将由反射元件所反射的光射束转向和/或聚焦到第一投影面上和/或第二投影面上。光学元件可以例如同样地是全息元件。但是能够设想的也是，将镜或透镜作为光学元件来使用。通过该实施方式，可以以比较小的耗费来确保：用户不仅在对第一投影面进行观察时而且也在对第二投影面进行观察时，觉察到清晰的、未被歪曲的图像。

此外，该投影装置可以具有至少一个准直元件，用于对从光源所发出的光射束进行准直。准直元件可以例如被理解为起到准直器作用的、用于将光射束平行对准（parallelrichten）的透镜。由此，光射束可以在尽可能直的线上被转向到全息元件或反射元件。例如可以通过借助经准直的激光射束写出图像来实现：图像清晰度尽可能无关于晶状体的聚焦，由此该用户也在聚焦到实际空间中的不同层面上的情况下仍清晰地觉察到该图像。

有利的是，使光源具有至少一个激光二极管。尤其是，光源可以具有三个激光二极管，用于发出以三个不同波长，诸如红、绿和蓝的光射束。这具有的优点是：全息元件可以被设计仅用于三个彼此比较远地分开的波长，由此光学功能可以针对相应的波长有效地被相互分开。

在此所提出的方案此外创建具有以下特征的数据眼镜：眼镜镜片；和根据在此所描述的实施方式之一的投影装置，其中该全息元件被布置在眼镜镜片上。

例如可以通过使用用于成形和转向rgb激光的全息元件来在视网膜上写出清晰的图像，其中经由以微镜的形式的反射元件来扫描该rgb激光。根据一种实施方式，反射元件在此并不仅仅用于写出图像的行和列，而是也用于将位于眼睛的视野中的不同成像路径部分地或完全地空间上分开。

根据实施方式而定，这些成像路径可以在空间上分开之后部分地借助其他全息元件来被操纵，以便将这些光射束适配于共同所使用的、处在眼镜镜片上的全息元件的光学功能。通过适合的全息图的组合，可以例如在其中每个成像路径中产生清晰的激光斑，利用这些激光斑能够在用户的视网膜上写出清晰分辨的图像。

例如能够借助全息元件的不同投影面来产生两个或更多的成像路径。对仅三个激光源的使用例如具有如下优点：该全息元件可以被设计仅用于三个非常远地彼此分开的波长，由此可以有效地将相应的光学功能彼此分开。

最后，在此所提出的方案创建一种用于运行根据以上所描述的实施方式之一的投影装置的方法，其中该方法包括以下步骤：操控光源，以便发出光射束；和提供控制信号，用于控制反射元件，以便将光射束转向和/或聚焦到全息元件上。

在此情况下有利的是，使光源在操控的步骤中被操控，以便以脉冲的方式来发出光射束。由此，可以在视网膜上产生大量不同的图像点。此外，可以由此减小光射束的被觉察的射束直径。

该方法，例如可以以软件或硬件的方式或者以由软件和硬件组成的混合形式来例如在控制设备中被实现。

在此所提出的方案此外创建一种控制设备，该控制设备被构造用于，在相应的装置中执行、操控或实施在此所提出的方法的一种变型方案的步骤。通过本发明的以控制设备的形式的这些实施变型方案，也可以快速并且有效地解决本发明所基于的任务。

控制设备当前可以被理解为一种电设备，该电设备处理传感器信号并且根据这些传感器信号来输出控制和/或数据信号。该控制设备可以具有接口，该接口能够以硬件式和/或软件式来构造。在硬件式构造的情况下，这些接口例如可以是所谓的系统asic的部分，该部分包含控制设备的不同功能。然而也可能的是，这些接口是自有的、集成的电路或者至少部分地由分散的器件所组成。在软件式构造的情况下，这些接口可以是除了其他软件模块以外也存在于例如微控制器上的软件模块。

具有程序代码的计算机程序产品或计算机程序也是有利的，该程序代码可以被存储在机器可读的载体或存储介质上，例如半导体存储器、硬盘存储器或光学存储器上并且被用于执行、实施和/或操控根据上文所描述的实施方式之一所述的方法的步骤，尤其是当该程序产品或程序在计算机或装置上被运行时。

附图说明

本发明的实施例在附图中被示出并且在接下来的描述中被进一步阐述。其中：

图1示出根据一种实施例的投影装置的示意图；

图2示出根据一种实施例的具有能够移动的反射元件的投影装置的示意图；

图3示出根据一种实施例的具有多个成像路径的投影装置的示意图；

图4示出根据一种实施例的数据眼镜的示意图；和

图5示出根据一种实施例的用于运行投影装置的方法的流程图。

在对本发明的有利的实施例的接下来的描述中，对于在不同图中所示的并且起相似作用的元素，使用相同或相似的附图标记，其中放弃对这些元素的重复描述。

具体实施方式

图1示出根据一种实施例的投影装置100的示意图。所示出的是基于全息元件102的数据眼镜的原则上的工作方式。该投影装置100具有光源104，用于在全息元件102的方向上发出光射束106。该光源104例如是激光二极管。该全息元件102被施加和构造在数据眼镜的这里没有被示出的眼镜镜片处，以便这样转向或聚焦该光射束106，使得光射束106通过晶状体108被击中到用户的眼睛的视网膜110上并且在那里产生图像点111，例如激光斑。

根据该实施例，微镜作为反射元件112被布置在光射束106的在光源104和全息元件102之间的光路中。反射元件112这样反射在图1中的光射束106到全息元件102的面向用户眼睛的表面上，使得该光射束106从那里以大约居中的方式击中到视网膜110上。

此外，在光源104和反射元件112之间布置可选的、例如作为准直透镜被实现的准直元件114，该准直元件用于，将由光源104所发出的光射束106平行对准，使得该光射束在基本上笔直的线中击中到该反射元件112上。

投影装置100利用人眼的视网膜作为投影面并且将图像直接写出到该视网膜上。借助全息元件102，单个光射束106这样被成形，使得在空间内该光射束的自然的、高斯形状的扩张被减小并且因此使得其在视网膜上的射束直径被减小。

在图1中，示出该投影装置100的原则上的工作方式。根据一种实施例，作为光源104的激光二极管的光借助作为准直元件114的透镜被准直并且在微镜的方向上作为反射元件112被引导。该反射元件112将光转向到全息元件102的方向。光射束106通过高斯形状的扩张在空间中逐渐收成狭窄部（engstelle）并且随后再次变宽。位于眼镜镜片上的全息元件102作为进行转向的和进行聚焦的元件起作用。该光射束106在那里重新被成形并且朝眼睛的方向被引导。在通过该晶状体108时，光射束106很少被影响，因为射束直径仅导致对晶状体108的非常小的部分的照亮。在光射束106在视网膜110上的击中点处，可以通过对投影装置100的全息元件102和其他光学元件的适合的设计，实现足够更小的射束直径。

如果反射元件112如接下来根据图2进一步阐述的那样被移动，则该反射元件经该全息元件102扫描光射束106，该全息元件将光射束106又朝眼睛的方向偏转。通过由晶状体108由此引起的光射束106的倾斜入射，在视网膜110上的击中点被相应地移位。该反射元件112因此同样地也经由视网膜110进行扫描。通过快速地接通和关断到视网膜110的相应的要利用图像点照明的位置处的光源104，现在将图像写出到视网膜110上。

根据一种实施例，根据图1所描述的原理也能够利用不同的激光颜色同时实现。在此情况下，该全息元件102例如以相互尽量独立的方式来处理图像的三原色的不同波长。通过波长的色彩间隔（chromatischerabstand），因此被分配给第一颜色的光学功能并不对全息元件102的被分配给第二颜色的光学功能作出任何干扰性影响。

由于晶状体108的微小影响，眼睛在现实空间中不同层面的聚焦情况下也清晰地看到所写出的图像。这在增强现实系统的实现中是特别有利的。

对于数据眼镜系统的要求例如在于，晶状体108可以被移动，而并不使所觉察的图像信息丧失。如果眼睛转动，因此可能的是，晶状体108从激光射束的区域移出并且因此使该图像丧失。

为了对此补偿，给眼睛提供多个成像路径，如接下来参照图3所示出的。

图2示出根据一种实施例的具有能够移动的反射元件112的投影装置100的示意图。该投影装置100例如是根据图1所描述的投影装置。不同于图1，该反射元件112根据图2而以能够移动的方式来实施。该反射元件112例如具有能够围绕至少一个轴来移动的镜面。根据镜面的斜率而定，该光射束106在不同入射角的情况下被转向到全息元件102的表面的不同点上，使得在视网膜110上所投影的图像点112相应地移位。

根据该实施例，光源104和反射元件112能够通过控制设备200来被操控。该控制设备200被构造用于将用于激活光源104的激活信号202发送给光源104以及将用于控制反射元件112的控制信号204发送给反射元件112。该控制设备200例如作为投影装置100的组件被实现。

图2图解视网膜110的扫描原理。如果反射元件112从自身的初始位置移动，则全息元件102由于改变的入射角和改变的击中点而在另一位置处被照明。光射束106进一步通过晶状体108被引导，然而其现在击中到视网膜110的另一点。光射束106的通过调节反射元件112所改变的光路用虚线来标出。要在视网膜110上呈现的图像以这种方式能够逐像素地被写出到该视网膜上。

图3示出根据一种实施例的具有多个成像路径的投影装置100的示意图。该投影装置100基本上与上文根据图1和图2所描述的投影装置相应，其具有的区别是，为了使光射束106投影到视网膜110上，根据该实施例的全息元件102的表面而被划分为：被分配给眼睛的第一视向300的第一投影面301、被分配给眼睛的第二视向302的第二投影面303和被分配给眼睛的第三视向304的第三投影面305，其中这三个投影面301、303、305可以叠加或相互分开。在此，第一投影面301被布置在第二投影面303和第三投影面305之间,其中该第一投影面示例性地与在图1中所示的光射束106的光路相应。相应地，该反射元件112被构造用于，交替地或同时地将光射束106转向或聚焦到三个投影面301、303、305之一上。

借助这些投影面301、303、305可以同时产生多个用于眼睛的瞳孔的成像路径。如果眼睛通过用户的视向的改变而移动，则晶状体108此外捕捉光射束106，以便实现将图像信息此外成像在视网膜110上并且因此由用户来觉察。

全息元件102的表面到多个投影面的这样的划分另外实现：立体图像的部分图像的成像。对于这样的部分图像的扫描范围在图3中分别用双箭头来标记。

可选地，根据该实施例的投影装置100具有：第一光学元件306，用于转向或聚焦由反射元件112所反射的光射束106到第二投影面303上；和第二光学元件308，用于转向或聚焦由反射元件112所反射的光射束106到第三投影面305上。这两个光学元件306、308例如作为全息元件来被实现。

为了更好的可识别性，由光源104所发出的光射束106并不近似为扩展的、单个高斯射束而是近似为线形的、薄的、平行的射束。击中到反射元件112的经准直的光射束106在此由移动的反射元件112朝不同方向偏转。反射元件112的调节角被划分成多个角范围，在这些角范围内，反射元件112分别能够这样被调节，使得能够在其中写出整个要呈现的图像，因此多次地写出一个图像并且朝不同方向转向，其中各个图像可以以透视的方式被修正。

全息元件102例如这样在第一投影面301的范围内被优化，使得当光射束106击中在视网膜110上时得出足够更小的射束直径，以便能够写出高分辨率的图像。通过两个投影面303、305所形成的可替代的成像路径（在这里示例性地除了在第一投影面301的形态中的中间的路径以外还示出这些可替代的成像路径）引起：晶状体108的孔径在眼睛转动时继续实现将光射束106投影到视网膜110上。由此产生小的eyebox（眼盒），在该eyebox内该图像对于眼睛而言能够觉察。例如，不同的成像路径持续地并且同步地被提供。由此不再需要：实时地确定晶状体108的精确位置。因此可以放弃耗费的眼睛追踪单元。

根据该实施例，附加的全息图作为光学元件306、308处在这两个外部路线的成像路径中，光射束106通过这些光学元件被转向并且重新聚焦，尤其该全息元件102就中间的成像路径方面被优化。光学元件306、308适配于激光射束106的射束形状，以便也在从第二视向302和第三视向304来观察全息元件102时确保在视网膜110上的微小的射束直径并且产生清晰图像。此外，在通过反射元件112扩大了角之后，光学元件306、308将光射束106再次朝全息元件102的方向转向。通过使用全息图作为光学元件，可以实现在非常小的空间上对此所需的转向角。

所有被呈现给眼睛的图像例如在使用同一激光源、例如以原色：红、绿和蓝的三个激光源的情况下被产生。这具有的好处是：全息元件102仅必须处理这三个颜色。经由以可替代的方式所提供的成像路径，光射束106在另一位置并且以另一角度击中到该全息元件102上。该全息元件通过被略更改的入射条件自动地被偏转到略不同的方向，由此可以产生用于晶状体的eyebox。对射束质量的修正通过被安置在可替代的成像路径中的光学元件306、308来进行。

通过将全息元件102安置在眼镜镜片上，该系统证实为在选择入射角情况下特别灵活的，其中光射束106在该入射角情况下击中到全息元件102上。例如，全息元件102被构造用于，处理从80度以上至表面法线的入射角。由此可以实现在安置光学元件时的自由度。

为了进一步优化该系统，替代利用简单的点光源所拍摄的全息图，也可以将逐像素地写出或印出的全息图作为全息元件102来使用。在这样的全息图中，可以例如实现更复杂的光学功能，这些光学功能可以被用于修正射束质量，以便例如缩小斑直径并且因此达到更高分辨率。

根据一种实施例，光学元件306、308可替代地作为屈光光学装置或者镜光学装置被实现。如果光源104相应地被定位，则例如通过使用小的自由形状镜也可能的是，进行朝全息元件102的方向的转向和对射束形状的适配。

能够设想的也可能是，使用反射光学装置来替代全息元件102。

图4示出根据一种实施例的具有上文根据图1至3所所描述的投影装置100的数据眼镜400的示意图。该数据源具有眼镜镜片402，全息元件102被布置在该眼镜镜片上。例如全息元件102作为眼镜镜片402的部分被实现。可替代地，全息元件102作为分开的元件被实现并且借助适合的接合方法与眼镜镜片402连接。

在这里所提出的数据眼镜利用全息元件来工作，以便这样操纵激光射束，使得图像因此可以被写出到用户的视网膜上。为此，激光射束本应该具有在视网膜上足够小的直径，以便能够写出小像素并且因此实现在图像中的高分辨率。

图5示出根据一种实施例的用于运行投影装置的方法500的流程图。该方法500例如可以与上文根据图1至4所描述的投影装置相关联地被实施。在步骤510中，进行对光源的操控，以便发出光射束。根据实施方式而定，要么同时地要么接着步骤510之后地在步骤520中提供用于控制反射元件的控制信号。在使用该控制信号的情况下，可以这样调节反射元件，使得该光射束因此被转向或聚焦到全息元件上，使得该全息元件从那里出发通过晶状体击中到用户的视网膜上并且在那里产生清晰图像。

根据一种实施例，在步骤510中这样操控光源，使得以确定的频率脉冲地发出光射束。例如可以在步骤520中以与光射束的脉冲同步的方式提供控制信号。

根据一种实施例，光源的三个激光二极管的借助准直元件所准直的光被重叠并且经由作为反射元件的、移动的微镜被转向。该反射元件移动激光射束到以全息元件形式的投影面之上，其中该激光被快速地接通和关断，以便将像素写出在该投影面上。在一个过程之后，该光射束一次性地经过该投影面的每个位置移动并且在那里用光来供给或者也不供给每个像素。因此，该图像被写出到该投影面上。在60hz的图像频率情况下，该光射束例如以每秒60次的方式经该投影面的每个像素来移动。

为了实现小于60μm的斑尺寸，光射束可以以非常短的脉冲被脉冲。因为该光射束经视网膜来扫描，该光射束总归被脉冲，以便写出各个像素。该在该视网膜上的光射束的强度在该射束直径之内具有高斯形状的剖面。如果激光被非常短地脉冲，则眼睛并不觉察该高斯剖面的完整宽度，而是仅还觉察该剖面的顶峰的范围。由此，例如从60μm宽的射束中仅还觉察20μm宽的射束，这减小图像的有效像素尺寸并且因此提高分辨率。

在视网膜上的20μm的斑尺寸例如允许写出如下图像：该图像与全hd监视器（full-hd-monitor）的分辨率相应，该监视器占据视野的40度。

如果借助根据图5所描述的方法500同时对于两个眼睛产生虚拟图像，则可以例如通过两个部分图像的相对侧的移位来达到3d效果。在常规的用于3d呈现的系统情况下，银幕、诸如影院银幕被使用，眼睛应该清晰地调准到该银幕。当在图像中的对象通过3d效果而向观察者移位或者从观察者移位离开，也应该将眼睛保持聚焦到该银幕上，以便能够清晰看见该对象。但是因为眼睛从环境中习惯于聚焦，以便将焦点放在对象层面上，这可能在三维视觉情况下造成不舒适和3d印象的损失。

借助该方法500可以实现非常高的景深清晰度，这使得眼睛能够聚焦在另一层面上并且仍然继续清晰地看见该图像。由此，可以减小像是不舒适这样的负面效果。此外，由此增大可用范围，这些对象允许在该可用范围内移动，以便能够被三维地觉察。该方法500因此特别适合于3d应用，也以与增强现实相组合的方式。

如果实施例包括第一特征和第二特征之间的“和/或”关联，则这应解读为，该实施例根据一种实施方式不仅具有第一特征而且也具有第二特征并且根据另一种实施方式要么仅具有第一特征要么仅具有第二特征。