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Dokumentenidentifikation DE69636515T2 20.09.2007
EP-Veröffentlichungsnummer 0000826207
Titel VIRTUELLE NETZHAUTBILDANZEIGE MIT FASEROPTISCHER PUNKTFÖRMIGER QUELLE
Anmelder University of Washington, Seattle, Wash., US
Erfinder FURNESS, A., Thomas, Seattle, WA 98115, US;
MELVILLE, D., Charles, Issaquah, WA 98027, US;
TIDWELL, R., Michael, Seattle, WA 98119, US
Vertreter Dr. Hoffmeister & Tarvenkorn, 48147 Münster
DE-Aktenzeichen 69636515
Vertragsstaaten AT, BE, CH, DE, DK, ES, FI, FR, GB, GR, IE, IT, LI, LU, MC, NL, PT, SE
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 19.04.1996
EP-Aktenzeichen 969129089
WO-Anmeldetag 19.04.1996
PCT-Aktenzeichen PCT/US96/05431
WO-Veröffentlichungsnummer 1996036036
WO-Veröffentlichungsdatum 14.11.1996
EP-Offenlegungsdatum 04.03.1998
EP date of grant 06.09.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 20.09.2007
IPC-Hauptklasse G09G 3/02(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP
IPC-Nebenklasse G02B 27/01(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   H04N 3/08(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   H04N 9/31(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft ein virtuelles Bildanzeigesystem, insbesondere eine virtuelle Retina-Anzeige, die eine Glasfaser verwendet, um Licht von einer Lichtquelle auf ein Auftastsystem oder Abgabesystem zu koppeln, um eine punktförmige Lichtquelle am Input des Auftastsystems zu erzeugen.

Systeme dieser Art sind in WO94/09472 und in EP-A-0 562 742 offenbart Bei bekannten virtuellen Bildanzeigen betrachtet ein Benutzer nicht direkt einen physischen Bildschirm wie bei reellen Bildanzeigen. Üblicherweise erzeugt die virtuelle Anzeige nur ein kleines physisches Bild mittels einer Flüssigkristallanordnung, Leuchtdioden oder einer Miniatur-Kathodenstrahlröhre (KSR), wobei das Bild durch optische Linsen und Spiegel projiziert wird, so dass das Bild ein großes, in der Umgebung oder Welt hängendes Bild zu sein scheint.

Eine Miniatur-Kathodenstrahlröhre kann ein einfarbiges Bild mittlerer Auflösung erzeugen. Diese Vorrichtungen sind jedoch schwer und unhandlich. Beispielsweise beträgt ein typisches Gewicht einer Miniatur-KSR mit Kabeln mehr als vier Unzen (mehr als 113 g), wobei die KSR einen Durchmesser von einem Zoll (2,54 cm) und eine Länge von vier Zoll (ca. 10 cm) aufweist. Ferner haben diese Vorrichtungen ein Beschleunigungsspannungspotential, typischerweise 7 bis 13 kV, was für eine Anzeige, die auf dem Kopf eines Benutzers befestigt ist, unerwünscht hoch ist. Das Erzeugen von Farbe mittels einer einzelnen Miniatur-KSR ist schwierig und verursacht üblicherweise erhebliche Kompromisse bei Bildauflösung und Leuchtdichte. Obwohl das KSR-Bild über ein kohärentes Lichtwellenleiter-Bündel übertragen werden kann, damit die KSR entfernt von der am Kopf befestigten Optik angeordnet werden kann, sind die hierfür nötigen Geräte ebenfalls schwer und verursachen bedeutsame Lichtverluste. Zeitfolge/Rasterwechselverfahren [Field Sequential Color], die ein Multiplex-Farbfilter und eine KSR mit weißem Phosphoreszenz-Leuchtstoff verwenden, können eine gute Farbtonsättigung erzeugen, allerdings ebenfalls bei einer signifikant verringerten Auflösung. Beispielsweise müssen drei Farbhalbbilder in derselben Zeitspanne wie ein normales 60 Hz-Halbbild erzeugt werden, wodurch die Videobandbreite für jede Farbe durch drei geteilt wird.

Eine Flüssigkristallanordnung kann ein Farbbild unter einer niedrigen Betriebsspannung erzeugen, kann jedoch nur eine geringfügige Bildelement- bzw. Pixeldichte erzeugen, d. h. weniger als 800 mal 800 Elemente. Ein handelsübliches Gerät ist bekannt, das eine lineare Anordnung von Leuchtdioden verwendet, die über einen Schwingspiegel und ein einfaches Vergrößerungsglas betrachtet werden. Wenn auch dies eine preiswerte und leistungsarme Alternative ist, ist die Anzeige einfarbig und in der Linienauflösung auf die Anzahl an Elementen begrenzt, die in die lineare Anordnung integriert werden können.

Sowohl die KSR als auch die Flüssigkristallanzeige erzeugen reelle Bilder, die durch ein unbegrenztes optisches System zu den Augen übertragen werden. Das einfachste optische System ermöglicht einem Benutzer, die Bildquelle durch eine einfache Linse eines Vergrößerungsglases zu betrachten. Für Blickfelder größer als 30° führt diese Methode zu einer Anzahl von Problemen, einschließlich Lichtverlusten und chromatischen Abweichungen. Ferner sind diese optischen Geräte unhandlich und schwer.

Optische Konstruktionen mit virtueller Projektion erzeugen ein virtuelles Bild irgendwo auf dem Lichtweg in einer Bildebene, die dann als ein aufrechtes virtuelles Bild über ein Okular oder eine Objektivlinse betrachtet wird. Diese Methode erhöht die Flexibilität, mit der das Bild von der Bildquelle bei einem am Kopf befestigten Anzeigesystem um den Kopf des Benutzers gelegt werden kann, aber große Blickfelder erfordern große und unhandliche reflektierende und lichtbrechende optische Elemente.

Neben Auflösungsbegrenzungen haben derzeitige Systeme außerdem Unzulänglichkeiten bei der Bandbreite. Die Bandbreite ist ein Maß dafür, wie schnell das Anzeigesystem die Lichtemissionen der Anzeigeelemente der Lichtquelle ansteuern, modulieren oder ändern kann. Die Bandbreite der Bildquelle wird auf der Grundlage der Anzahl an Elementen berechnet, die über eine festgelegte Zeitspanne angesteuert werden müssen. Das zeitliche Ansprechen von Elementen ist erforderlich, um eine wahrgenommene Leuchtdichte jedes Elementes aufzufrischen oder aufrechtzuerhalten, wobei die Dynamik der Lichtintegration der Retina-Rezeptoren und die Frequenz, mit der sich Informationen wahrscheinlich ändern werden, berücksichtigt werden. Die Mindest-Auffrischrate ist eine Funktion des lichtadaptiven Zustandes des Auges, der Anzeigenleuchtdichte und der Pixelnachleuchtdauer, d. h. der Zeitdauer, in der das Bildelement Licht erzeugt, nachdem es angesteuert wurde. Mindest-Auffrischraten von 50 bis 60 Mal pro Sekunde sind typischerweise für TV-artige Anzeigen erforderlich. Ferner ist eine Aktualisierungsrate von mindestens 30 Hz erforderlich, um eine kontinuierliche Bewegung auf einer dynamischen Anzeige oder bei einer Darstellung wahrzunehmen, bei der das Anzeigebild infolge einer Kopfbewegung stabilisiert wird. Ein sequentielles Auffrischen, d. h. jeweils ein Element, von 40 Millionen Bildelementen bei einer Frequenz von 60 Hz würde eine Videobandbreite von 2,4 GHz erfordern. Die Bandbreitenanforderungen können durch das Zeilensprungverfahren verringert werden, welches das Auge in seiner Wahrnehmung von Flimmern täuscht, aber immer noch erfordert, dass alle Elemente der Bildquelle angesteuert werden, um eine Mindest-Auffrischrate von 30 Hz bzw. 1,2 GHz Bandbreite zu erreichen. Typische Bandbreiten mit Fernsehübertragungsqualität betragen etwa 8 MHz bzw. zwei Größenordnungen weniger als die 1,2 GHz. Hochauflösende Computerbildschirme haben 1400 mal 1100 Bildelemente, die bei einer nicht im Zeilensprungverfahren arbeitenden Rate von 70 Hz angesteuert werden, was einer Bandbreite von etwa 100 MHz entspricht.

Die vorliegende Erfindung befasst sich mit den Nachteilen von früheren virtuellen Bildanzeigesystemen. Das virtuelle Bildanzeigesystem der vorliegenden Erfindung umfasst eine Lichtquelle, wobei das Licht mit Videoinformationen moduliert wird, ein Auftastsystem mit einem Ausgang zum Auftasten [Ablenken] dieses modulierten Lichts auf die Retina des Auges eines Benutzers, und eine einzelne Monofilament-Glasfaser mit einer Eintrittsapertur und einer Austrittsapertur zum Koppeln von Licht von der Quelle auf das Auftastsystem zum Erzeugen einer punktförmigen Lichtquelle an der Austrittsapertur der Glasfaser. Ein derartiges System ist in der internationalen Patentanmeldung Nr. WO94/09472 offenbart.

Gemäß Erfindung ist eine erste Linse zwischen der Austrittsapertur der Glasfaser und dem Auftastsystem angeordnet, und eine zweite Linse ist neben dem Ausgang von dem Auftastsystem angeordnet, wobei der Abstand zwischen der ersten und der zweiten Linse zum Justieren des Blickfelds des Anzeigesystems variabel ist. Die Verwendung einer Glasfaser ermöglicht das Erzeugen einer punktförmigen Lichtquelle, die auf die Retina des Auges eines Benutzers aufgetastet [abgelenkt] wird, um darauf ein hochauflösendes, virtuelles Panorama-Farbbild zu erzeugen.

Die Erfindung erstreckt sich auf ein Verfahren zum Erzeugen eines virtuellen Bildes mittels des oben beschriebenen Gerätes.

Das bevorzugte Auftastsystem bei Systemen der vorliegenden Erfindung beinhaltet einen Horizontal-Mikroscanner und einen Vertikal-Mikroscanner, die das videomodulierte Licht auf die Retina des Auges eines Benutzers auftasten [ablenken]. Eine einzelne Monofilament-Glasfaser besitzt eine Eintrittsapertur, in die Licht von der Quelle geleitet wird, wobei die Glasfaser das Licht auf das Auftastsystem koppelt, um eine punktförmige Lichtquelle an der Austrittsapertur der Glasfaser zu erzeugen.

Die in der vorliegenden Erfindung verwendete Lichtquelle kann ein Laser sein, welcher es ermöglicht, dass die Glasfaser eine punktförmige Lichtquelle an ihrer Austrittsapertur ohne jeden Astigmatismus erzeugt, der in dem vom Laser ausstrahlenden Licht vorhanden sein kann. Außerdem ermöglicht die Glasfaser, die Modulationsschaltung für Laser und Video entfernt vom Auftastsystem zu positionieren, um das Gewicht des auf dem Kopf eines Benutzers befestigten Auftastsystems zu minimieren.

Alternativ kann die in dem System der vorliegenden Erfindung verwendete Lichtquelle eine Leuchtdiode beinhalten. Bekannte Leuchtdioden haben einen Lichtemissionsbereich, der üblicherweise zu groß ist, um eine punktförmige Lichtquelle zum Erzeugen von sehr hochauflösenden Bildern zu erzeugen. Gemäß vorliegenden Erfindung empfängt die Glasfaser an ihrer Eintrittsapertur Licht von der Leuchtdiode und erzeugt eine punktförmige Lichtquelle an ihrer Austrittsapertur.

Außerdem ist zu bemerken, dass die im System der vorliegenden Erfindung verwendete Lichtquelle mehrere Lichtemitter beinhalten kann, die farbig sind, z. B. einen Rotlichtemitter, einen Blaulichtemitter und einen Grünlichtemitter, wobei jeder Lichtemitter direkt mit entsprechenden roten, blauen und grünen Videoinformationen moduliert werden kann. Das Farblicht von jeder Quelle kann in eine individuelle Glasfaser geleitet werden, die mit dem Emitter assoziiert ist. Alternativ kann das von jedem Emitter kommende Farblicht kombiniert und danach mit der Eintrittsapertur der Glasfaser gekoppelt werden, um eine punktförmige farbige, videomodulierte Lichtquelle an der Austrittsapertur der Faser zu erzeugen.

Die oben genannten und weitere Gegenstände, Vorteile und neuartige Merkmale der vorliegenden Erfindung sowie Einzelheiten einer veranschaulichten Ausführungsform davon werden besser aus ihrer folgenden beispielhaften Beschreibung verstanden werden. Dabei wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen:

1 ist ein Blockdiagramm einer virtuellen Retina-Anzeige;

2 ist ein Blockdiagramm, das eine Ausführungsform der in 1 dargestellten virtuellen Retina-Anzeige veranschaulicht;

3 ist eine zweite Ausführungsform der virtuellen Retina-Anzeige von 1, die Farbe verwendet;

4 ist ein Blockdiagramm, das eine weitere Ausführungsform einer farbigen virtuellen Retina-Anzeige veranschaulicht;

5 ist ein Diagramm einer LED-Anordnung, die in einer weiteren Ausführungsform der virtuellen Retina-Anzeige verwendet wird, bei der parallele Photonenerzeugung und -modulation verwendet wird;

6 ist eine Darstellung einer phasengesteuerten Laser-Anordnung;

7 ist eine Darstellung eines Mikroscanners;

8 ist eine Darstellung eines weiteren Mikroscanners; und

9 ist ein Diagramm gemäß der vorliegenden Erfindung, welches das optische System einer Ausführungsform der virtuellen Retina-Anzeige von 1 veranschaulicht, bei der eine Glasfaser verwendet wird;

10 ist eine Seitenansicht eines Teils der in 9 dargestellten Glasfaser, von der ein Ende direkt an einer LED anstößt; und

11 ist eine Seitenansicht, die eine Glasfaser mit einem trichterförmigen Ende neben einem Photonengenerator veranschaulicht.

Die in 1 dargestellte virtuelle Retina-Anzeige 10 verwendet Photonenerzeugung und -manipulation, womit ein hochauflösendes Panorama-Farbbild erzeugt werden kann, das direkt auf das Auge eines Benutzers projiziert wird. Die virtuelle Retina-Anzeige verwendet keine Anzeige, die ein reelles Bild erzeugt, wie z. B. eine KSR, Flüssigkristallanzeige oder LED-Anordnung bei früheren virtuellen Bildanzeigen. Stattdessen werden mit Videoinformationen modulierte Photonen direkt auf die Retina 22 eines Auges eines Benutzers 20 aufgetastet [aufgerastert/abgelenkt], um die Wahrnehmung eines aufrechten virtuellen Bildes zu erzeugen. Da die virtuelle Retina-Anzeige 10 keine reelle Bildanzeige verwendet, ist die virtuelle Retina-Anzeige 10 klein und leicht und deshalb dafür geeignet, leicht als Datenhelm am Kopf des Benutzers befestigt zu werden.

Genauer werden, wie in 1 gezeigt, Photonen von einem Photonengenerator 12 mittels eines Modulators 14 mit Videoinformationen moduliert. Die modulierten Photonen werden in einer ersten Richtung und in einer zweiten Richtung, die im Allgemeinen senkrecht zu der ersten Richtung verläuft, mit einer Auftasteinheit 16 abgetastet [aufgerastert/abgelenkt], um ein Photonenraster zu erzeugen, das mittels der Projektoroptik 18 direkt auf die Retina 22 des Auges 20 des Benutzers projiziert wird, um die Wahrnehmung eines aufrechten virtuellen Bildes zu erzeugen. Obwohl es nicht notwendig ist, ist es wünschenswert, ein Nachführsystem für das Auge 24 zu verwenden, um das aufgetastete [aufgerasterte/abgelenkte] Lichtraster neu zu positionieren, wenn sich die Pupille 26 des Auges 20 bewegt, so dass die Lichtstrahlenbündel genau mit der Eintrittspupille des Auges übereinstimmen. Das Nachführsystem für das Auge 24 kann außerdem als Rückkopplung verwendet werden, um das Bild bzw. den Brennpunkt des auf die Retina abgelenkten Bildes zu ändern, wenn sich das Auge bewegt, so dass der Benutzer den Eindruck hat, dass er den Blick auf einen anderen Teil einer Panoramaszene konzentriert, wenn er sein Auge bewegt. Es ist zu bemerken, dass die in 1 sowie in nachfolgenden Figuren gezeigten, in das Auge 20 eintretenden gestrichelten Linien den Ablenkbereich darstellen und nicht das momentane Strahlenbündel.

Der Photonengenerator 12 kann kohärentes Licht wie z. B. einen Laser oder nichtkohärentes Licht wie z. B. durch Verwendung einer oder mehrerer Leuchtdiode(n) erzeugen. Ferner können Strahlen roten, grünen und gelben oder blauen Lichts mittels RGG- bzw. RGB-Videosignalen moduliert werden, um farbige Photonen direkt auf das Auge des Benutzers abzulenken/zu rastern. Um die Bandbreite der virtuellen Retina-Anzeige zu verringern, können mehrere monochromatische Strahlen bzw. mehrere Gruppen farbiger Strahlen moduliert und parallel auf die Retina gerastert werden, wo die zum Modulieren der Photonen verwendeten Videoinformationen in verschiedene Abschnitte bzw. Bereiche aufgeteilt werden, und jeder Strahl bzw. jede Gruppe farbiger Strahlen ist wie nachstehend beschrieben mit einem anderen Abschnitt der Videoinformationen verknüpft. Ferner ist zu bemerken, dass die von einem Photonengenerator 12, Modulator 14, einer Auftasteinheit 16 und einer Projektoroptik 18 bzw. mehreren davon ausgeführten Funktionen kombiniert werden können, so dass sie je nach den faktisch in dem System verwendeten Bauelementen mit weniger Elementen ausgeführt werden können. Eine akusto-optische Ablenkeinheit kann beispielsweise sowohl zum Modulieren des Lichtes vom Photonengenerator 12 als auch zum Auftasten [Aufrastern/Ablenken] des modulierten Lichtes in mindestens einer Richtung verwendet werden. Ferner kann eine phasengesteuerte Laser-Anordnung verwendet werden, um die Funktionen des Photonengenerators, des Modulators und einer bzw. möglicherweise zweier Auftasteinheit(en) gemäß nachstehender Erörterung auszuführen.

Die Bauelemente der virtuellen Retina-Anzeige 10 können klein, raumsparend und leicht sein, so dass die virtuelle Retina-Anzeige 10 leicht auf dem Kopf eines Benutzers befestigt werden kann, ohne dass ein Helm oder eine besonders ausgearbeitete Kopfbefestigung als Tragkonstruktion benötigt wird. Ferner können der Photonengenerator 12 und der Modulator 14 von der Auftasteinheit 16 und der Projektoroptik 18 getrennt werden, sodass nur die Auftasteinheit 16 und die Optik 18 auf dem Kopf eines Benutzers befestigt werden müssen, wobei die modulierten Photonen über ein Bündel Monofilament-Glasfasern oder eine einzelne Monofilament-Glasfaser wie nachstehend ausführlich beschrieben mit der Auftasteinheit gekoppelt werden. In einer bevorzugten Ausführungsform werden Mikroscanner zum Auftasten [Aufrastern/Ablenken] der Photonen verwendet, da solche Mikroscanner klein, schmal und gewölbt sind, um die Photonen als Antwort auf einen elektrischen Antrieb oder ein Ablenksignal zu rastern. Geeignete Mikroscanner-Typen werden nachstehend und in der US-Patentanmeldung Seriennr. 08/329.508 beschrieben, welche am 26. Oktober 1994 eingereicht, auf den Zessionar der vorliegenden Erfindung übertragen wurde und durch Bezugnahme Bestandteil der vorliegenden Erfindung wird. Der Photonengenerator, der Modulator und die Auftasteinheit können deshalb sehr klein gefertigt werden, z. B. 1S Zoll hoch mal 1S Zoll breit mal R Zoll dick oder weniger, mit einem Gewicht von weniger als einer Unze (28,35 g), um eine Kopfbefestigung für die virtuelle Retina-Anzeige 10 zu erleichtern.

Wie in 2 gezeigt, werden hochauflösende Auftasteinheiten verwendet, um einen Lichtstrahl sowohl horizontal als auch vertikal in einem zweidimensionalen Rastermuster abzulenken. Zum Bündeln des Strahls wird keine Linse verwendet, um vor dem Auge ein reelles Bild darzustellen. Stattdessen bündelt die Linse 29 des Auges den Strahl auf einen Punkt auf der Rückseite der Retina, wobei die Position des Strahlpunktes die Retina bestreicht, wenn die Auftasteinheit 16 die modulierten Photonen rastert. Der Ausfallwinkel der gebündelten Lichtstrahlen stimmt mit der Position des gebündelten Lichtflecks auf der Retina für jede bestimmte Augenposition überein, so als ob ein Bild in einem unendlichen Abstand entfernt vom Betrachter abgetastet [aufgerastert/abgelenkt] würde. Die Lichtstärke wird durch das Videosignal moduliert, um ein Bild mit dem gewünschten Kontrast zu erzeugen. Wenn sich das Auge des Benutzers bewegt, nimmt der Benutzer deshalb ein stehendes Bild wahr, während er auf verschiedene Teile der Szene blickt. Die Seitenausdehnung des Bildes ist proportional zum Abtastwinkel. Gegebenenfalls wird anamorphotische Optik verwendet, um die abgetasteten [aufgerasterten/abgelenkten] Photonen auszurichten und um das wahrgenommene Bild zu skalieren. Durch die Gestaltung eines verkleinerten Bildes der Öffnung der Auftasteinheit ergibt sich ein proportional größerer Abtastwinkel. Außerdem ist die Größe des Bildes der Auftasteinheit irrelevant, solange das Licht in das Auge eintritt.

Genauer wird Licht bzw. werden Photonen, wie in 2 gezeigt, von einem Photonengenerator 12 durch eine Zylinderlinse 30 und eine sphärische Linse 32 auf eine akusto-optische Ablenkeinheit 34 projiziert, welche die Photonen in einer ersten bzw. horizontalen Richtung auftastet [aufrastert/ablenkt]. Die Zylinderlinse streut den Lichtstrahl vom Photonengenerator 12 horizontal, so dass er die Öffnung der akusto-optischen Ablenkeinheit 34 ausfüllt. Die sphärische Linse 32 bündelt das Licht horizontal, das auf die akusto-optische Ablenkeinheit 34 trifft.

Die akusto-optische Ablenkeinheit 34 spricht auf ein Videosignal auf einer Leitung 36 an, das als Treibersignal an einen Wandler der akusto-optischen Ablenkeinheit 34 angelegt wird, um die Intensität der Photonen bzw. des Lichts vom Photonengenerator 12 zu modulieren und das modulierte Licht vom Photonengenerator 12 in einer ersten Richtung bzw. horizontal abzutasten. Das Videosignal auf der Leitung 36 wird mittels eines allgemein mit 38 bezeichneten Video-Treibersystems erzeugt, das eine Videosteuereinheit 42 beinhaltet. Die Videosteuereinheit 42 kann einen Bildgenerator wie z. B. einen Bildspeicher 40 beinhalten, der Videosignale auf einer Leitung 56 und entsprechende Horizontal- und Vertikal-Synchronsignale erzeugt. Die Videosteuereinheit 42 kann außerdem einen Mikroprozessor beinhalten, der gemäß der in einem ROM 46 oder dergleichen gespeicherten Software arbeitet und einen RAM 48 als Notizblockspeicher verwendet. Das Horizontal-Synchronsignal vom Bildgenerator 40 wird mittels eines Sägezahngenerators 50 in eine Sägezahnwellenform umgewandelt, wobei die horizontalsynchrone Sägezahnwellenform an einen spannungsgesteuerten Oszillator 52 angelegt wird, der als Antwort auf die Sägezahnsignaeingabe ein Signal mit einer derart wechselnden Frequenz erzeugt, dass es zirpt [Chirpen]. Der Ausgang vom spannungsgesteuerten Oszillator 52 wird an einen Verstärker 54 angelegt, dessen Verstärkung durch das vom Bildgenerator 40 ausgegebene Videodatensignal 56 verändert wird, so dass das vom Verstärker 54 ausgegebene Videosignal 36 eine Amplitude hat, die sich gemäß der Videoinformationen auf Leitung 56 ändert und eine Frequenz hat, die in Form von Chirpen wechselt. Das Videosignal auf Leitung 36 wird an einen Antriebswandler der akusto-optischen Ablenkeinheit 34 angelegt. Eine Änderung der Amplitude des Treibersignals auf Leitung 36 mit den Videoinformationen bewirkt, dass die akusto-optische Ablenkeinheit 34 die Intensität des Lichts vom Photonengenerator 12 mit den Videoinformationen moduliert. Ein Wechsel der Frequenz des Treibersignals auf Leitung 36 in Form von Chirpen bewirkt, dass die akusto-optische Ablenkeinheit den Winkel ändert, in welchem das Licht dabei abgelenkt wird, um das Licht in einer ersten bzw. horizontalen Richtung abzutasten.

Ein Paar sphärische Linsen 64 und 66 bildet das horizontal aufgetastete [aufgerasterte/abgelenkte] Licht bzw. die Photonen auf einer vertikalen Auftasteinheit 62 ab, worin eine Zylinderlinse 68 das Licht vertikal streut, um die Öffnung der vertikalen Auftasteinheit 62 auszufüllen. Die vertikale Auftasteinheit 62 kann z. B. ein Galvanometer sein. Das vom Bildgenerator 40 ausgegebene Vertikal-Synchronsignal wird von einem Sägezahngenerator 58 in eine Sägezahnwellenform umgewandelt und mittels eines Verstärkers 60 verstärkt, um die vertikale Auftasteinheit 62 anzutreiben. Die Auftastgeschwindigkeit der vertikalen Auftasteinheit 62 ist langsamer als das Auftasten [Aufrastern/Ablenken] der horizontalen Auftasteinheit 34, so dass der Ausgang der vertikalen Auftasteinheit 62 ein Photonenraster ergibt. Dieses Photonenraster wird mittels Projektoroptik direkt auf das Auge 20 des Benutzers projiziert, wobei sie die Form eines ringförmigen oder kugelförmigen optischen Elementes 72 hat, z. B. eine Brechungslinse, ein Spiegel, ein holographisches Element usw.

Das ringförmige oder kugelförmige optische Element 72 erzeugt die Endabbildung und die Verkleinerung der gerasterten Photonen. Genauer überträgt das ringförmige oder kugelförmige optische Element die gerasterten Photonen, so dass sie nahe der Eintrittspupille 26 des Auges 20 zusammentreffen. Da ein verkleinertes Bild der Öffnung der Auftasteinheit dargestellt wird, werden die Ausfallwinkel gemäß der Lagrangeschen Invariante multipliziert, wonach das Blickfeld und die Bildgröße umgekehrt proportional sind. Da die Größe der gerasterten Photonen, d. h. die Austrittsapertur der virtuellen Retina-Anzeige, vermindert wird, nimmt das Blickfeld des vom Auge wahrgenommenen Bildes zu.

Das optische Element 72 kann ein verschlossenes Element sein, das kein Licht von außerhalb des Anzeigesystems durchlässt. Alternativ kann das optische Element 72 lichtdurchlässig gefertigt sein, damit der Benutzer die reale Welt durch das Element 72 betrachten kann, wobei der Benutzer das von der Anzeige 10 erzeugte aufgetastete [aufgerasterte/abgelenkte] virtuelle Bild als die reale Welt überlagerndes Bild wahrnimmt. Ferner kann das optische Element 72 veränderbar durchlässig gefertigt sein, um den Kontrast zwischen der Außenwelt und dem angezeigten virtuellen Bild aufrechtzuerhalten. Ein passiv veränderbares lichtdurchlässiges Element 72 kann gebildet werden, indem ein photochromes, lichtempfindliches Material dazwischen geschoben wird, um die Lichtdurchlässigkeit des Elementes als eine Funktion des Umgebungslichtes zu ändern. Ein aktiv veränderbares lichtdurchlässiges Element 72 kann ein Material aus Flüssigkristall beinhalten. Ein Photosensor kann mit solch einem Element verwendet werden, um die Menge an Umgebungslicht zu erfassen, wobei eine Vorspannung über dem Material aus Flüssigkristall entsprechend dem erfassten Licht geändert wird, um die Lichtdurchlässigkeit des Elementes 72 aktiv zu verändern.

Das bisher mit Bezug auf 2 beschriebene System ist monokular. Um ein stereoskopisches System bereitzustellen, kann eine zweite virtuelle Retina-Anzeige 10' parallel mit der ersten Retina-Anzeige 10 verwendet werden, wobei die zweite virtuelle Retina-Anzeige 10' mit den entsprechenden Videoinformationen modulierte gerasterte Photonen direkt auf das zweite Auge 20' des Benutzers projiziert. Dies bietet ein Medium für binokulare Tiefeninformationen, sodass angezeigte Objekte in verschiedenen Tiefen erscheinen. Jedes Pixel des Objektes erscheint jedoch in demselben Abstand vom Benutzer, was einen möglichen Konflikt zwischen der stereoskopischen Information und der monokularen Information schaffen kann, wenn sich die stereoskopische Information mit der Positionierung des Objektes in Bezug auf jedes Auge und die monokulare Information mit dem Brennpunkt des Lichtes des auf der Retina abgebildeten Objektes befasst. Genauer gesagt: bei früheren virtuellen Bildanzeigesystemen wurde jede monokulare Bildebene normalerweise in optischer Unendlichkeit fokussiert, was bewirkte, dass jedes Pixel in dem virtuellen Bild in einem Abstand erschien. Die Kombination zweier früherer monokularer Systeme zur Bildung der binokularen Ansicht schuf jedoch einen möglichen Konflikt zwischen den Abstandsinformationen und der Brennpunkt- bzw. Anpassungsinformation.

Die virtuelle Retina-Anzeige gemäß 2 bewältigt dieses Problem durch Verwendung einer Anpassungsinformation 70 entweder im monokularen Anzeigesystem 10 oder in dem aus den Anzeigen 10 und 10' gebildeten binokularen Anzeigesystem. Die Anpassungsinformation 70 ist eine Fokussierungs- bzw. Tiefeninformation, die zur schnellen Änderung des Brennpunktes oder der Konvergenz bzw. Divergenz der gerasterten Photonen gesteuert wird, um die für jedes Bildelement des virtuellen Bildes wahrgenommene Tiefe zu steuern. Deshalb wird eine echte Tiefenwahrnehmung erreicht, indem jeder Pixel einzeln auf Tiefe moduliert wird, z. B. durch Steuerung des Brennpunktes, d. h. der Konvergenz bzw. Divergenz des einzelnen Pixels. Die Anpassungsinformation 70 beinhaltet eine reflektierende Oberfläche, die schnell die Form ändert. Beispielsweise kann ein Miniaturspiegel mit einer verformbaren Membran, deren Form sich ändert, während die Membran geladen und entladen wird, zur Bildung der Anpassungsinformation verwendet werden. Die Verformung der Membran wird also durch ein elektrisches Treibersignal geändert, um die Konvergenz bzw. Divergenz jedes Pixels auf Tiefe zu steuern. Die Ansteuerung der Anpassungsinformation 70 wird durch die Videosteuereinheit 42 erzeugt, die – neben den zweidimensionalen Videoinformationen in einem typischen Bildspeicher – z. B. einen Z-Pufferspeicher für Videoinformationen im Speicher 48 oder im Bildgenerator 40 speichern kann.

Eine weitere Ausführungsform der virtuellen Retina-Anzeige 10 zum Auftasten [Aufrastern/Ablenken] farbiger Photonen direkt auf die Retina des Auges eines Benutzers ist in 3 dargestellt. Wie in 3 gezeigt, beinhaltet der Photonengenerator 12 Farblaser oder Leuchtdioden wie z. B. einen Rot-Photonengenerator 80, einen Grün-Photonengenerator 82 und einen Blau-Photonengenerator 84. Ist ein Blau-Photonengenerator nicht erhältlich, kann ein Gelb-Photonengenerator verwendet werden. Die farbigen Photonen von den Generatoren 80, 82 und 84 werden mit entsprechenden RGB-Videoinformationen vom Bildgenerator 40 moduliert und dann mit einem Strahlenkombinator/Dispersions-Vorkompensator 86 kombiniert. Der Ausgang des Strahlenkombinators/Dispersions-Vorkompensators 86 wird mittels der Zylinderlinse 30 und der sphärischen Linse 32 auf die horizontale Auftasteinheit 34 projiziert. Es ist zu bemerken, dass die horizontale Auftasteinheit anders als die in 2 gezeigte akusto-optische Ablenkeinheit sein kann. Beispielsweise kann ein resonanter mechanischer Scanner oder verschiedene Mikroscanner-Typen wie nachstehend erörtert für die horizontale Auftasteinheit verwendet werden. Die von der Auftasteinheit 34 ausgegebenen horizontal aufgetasteten [aufgerasterten/abgelenkten] farbmodulierten Photonen werden auf einen Dispersionskompensator 88 projiziert, dessen Ausgang auf ein Prisma projiziert wird, bevor sie mittels des Paares sphärischer Linsen 64 und 68 auf die vertikale Auftasteinheit 62 projiziert werden.

Das farbige Photonenraster wird – wie vom Ausgang der vertikalen Auftasteinheit 62 aufgetastet [aufgerastert/abgelenkt] – mittels einer sphärischen Linse 92 auf einen Schrägspiegel 96 projiziert, der mittels der Augennachführung 106 bewegt wird, um das Photonenraster direkt auf der Eintrittspupille 26 des Auges 20 zu positionieren, während sich die Pupille bewegt. In einer Ausführungsform richtet ein Strahlenteiler 100 ein Bild, das von der Hornhaut des Auges 20 reflektiert wird, auf eine Linse 102 und eine Positionsgeber-Diode 104, die mit der Augennachführung 106 gekoppelt ist, um die Position der Pupille 26 zu erfassen. Als Antwort auf die erfasste Position der Pupille positioniert die Augennachführung den/die Schrägspiegel 96 richtig, so dass die Austrittspupille bzw. Öffnung der virtuellen Retina-Anzeige in etwa auf die Eintrittspupille des Auges ausgerichtet ist und/oder der Auftastwinkel justiert wird, um geänderte Videoinformationen wie nachstehend beschrieben zu reflektieren.

Die von der Augennachführung 106 bestimmte momentane Position der Pupille 26 wird außerdem an die Videosteuereinheit 42 übertragen, so dass der Mikroprozessor 44 Videoinformationen zum Modulieren des Farblichts [dorthin] richten kann, wo die Videoinformationen eine Änderung der Blickrichtung des Benutzers reflektieren. Genauer gesagt: die erfasste Pupillenposition wird vom Mikroprozessor 44 verwendet, um ein „sichtbares Fenster" auf den im Bildspeicher 40 gespeicherten Videoinformationen zu positionieren. Der Bildspeicher 40 kann z. B. Videoinformationen speichern, die eine Panorama-Ansicht darstellen, und die Position des sichtbaren Fensters bestimmt, welchen Teil der Ansicht der Benutzer wahrnehmen soll, wobei die in das sichtbare Fenster fallenden Videoinformationen verwendet werden, um das Licht vom Photonengenerator 12 zu modulieren.

Da die akusto-optische Ablenkeinheit 34 Rotlicht mehr als Grünlicht und Grünlicht mehr als Blaulicht beugt, ist zu bemerken, dass diese Abweichung bei der Beugung ausgeglichen werden muss. Gemäß vorliegender Erfindung kann diese Abweichung der Beugung ausgeglichen werden, indem die RGB-Videosignale, die mit den entsprechenden Rot-, Grün- und Blau-Photonengeneratoren 80, 82 und 84 gekoppelt sind, über Verzögerungsschaltungen 108, 110 und 112 passend verzögert werden, um die roten, grünen und blauen Photonen mit den dazugehörigen roten, grünen und blauen Videoinformationen zu modulieren.

In einer weiteren Ausführungsform der virtuellen Retina-Anzeige gemäß Darstellung in 4 werden Composite- bzw. RGB-Videosignale von einem Digitalvideo-Bildrasterwandler 120 empfangen und in mehrere Felder aufgeteilt, die Sektoren bzw. Bereiche eines abzutastenden Bildes darstellen. Mehrere Video-Treibersignale, die von den Video-Verstärkern 124 ausgegeben werden und die einzelnen Sektoren repräsentieren, werden dazu verwendet, das Licht vom Photonengenerator 12 parallel zu modulieren. Der Photonengenerator kann entweder aus Anordnungen von Laserdioden oder aus Anordnungen von Leuchtdioden mit hoher Leuchtdichte bestehen. Mehrere Strahlen aus Rot-, Grün- und Gelb- bzw. Blaulicht werden für jeden aufgeteilten Sektor bzw. Bereich mit den Videosignalen parallel moduliert und dann direkt oder mittels Monofilament-Glasfasern 131 an einen Mikroscanner 16 übertragen. Der Mikroscanner 16 führt im Wesentlichen zwei Funktionen aus. Erstens tastet der Mikroscanner die mit jedem Sektor bzw. Bereich assoziierten vielfachen Farbstrahlen in zwei Achsen ab, um ein Lichtraster auf der Retina und nicht ein virtuelles Bild zu erzeugen, wobei keine Bildebene zwischen dem Photonengenerator 12 und dem Auge 20 liegt. Zweitens dient der Mikroscanner 16 dazu, das gerasterte Licht relativ zur momentanen Eintrittspupille 26 des Auges gemäß Erfassung durch die Augennachführung 24 zu positionieren.

Genauer gesagt: der Scanner 16 umfasst einen ersten Mikroscanner 132, der auf ein von einem Ablenkverstärker 136 ausgegebenes X-Ablenksignal reagiert, um die Farbstrahlen in einer horizontalen Richtung abzutasten, wobei der Verstärker 136 durch das Horizontal-Synchronsignal von einem Auftastgenerator 122 angesteuert wird. Ein zweiter Mikroscanner 134 reagiert auf ein Y-Ablenksignal von dem Ablenkverstärker 136 gemäß Ansteuerung durch das Vertikal-Synchron- bzw. Ablenk-Treibersignal vom Auftastgenerator 122, um die horizontal aufgetasteten [aufgerasterten/abgelenkten] farbigen Photonen in der vertikalen Richtung abzutasten. Eine Auftast-Sammellinse 140 empfängt ein zweidimensional moduliertes Lichtfeld, das auf einen Dreifarben-Kombinator 142 projiziert wird. Der Kombinator 142 wiederum projiziert das aufgetastete [aufgerasterte/abgelenkte] Licht auf ein Maxwellsches Beobachtungssystem 148. Das optische System 148 projiziert die aufgetasteten [aufgerasterten/abgelenkten] farbigen Photonen auf eine Rasterpositions-Ablenkeinheit, die um zwei Achsen bewegliche Galvospiegel beinhalten kann, die wiederum das aufgetastete [aufgerasterte/abgelenkte] Licht auf ein torisches optisches Element wie z. B. einen Kombinator 152 mit einer trichroitischen [dreifarbigen] Schicht projizieren, wobei der torische Kombinator 152 die aufgetasteten [aufgerasterten/abgelenkten] farbigen Photonen direkt auf das Auge 20 projiziert.

Zum Verfolgen des Auges beinhaltet die Augennachführung 24 eine Infrarotlichtquelle, welche die Oberfläche des Auges wie gezeigt entweder direkt oder indirekt mit schwachem Infrarotlicht beleuchtet. Die Oberfläche des Auges wird durch die Rasterpositions-Ablenkeinheit 150 über den Kombinator 142, eine Linse 140 und ein ladungsgekoppeltes Bauelement (CCD-Sensor) 146 betrachtet. Die Signale vom CCD-Sensor 146 werden mit einem Pupillenpositions-Prozessor 154 zum Erzeugen von Nullsignalen &Dgr;H und &Dgr;V verarbeitet, die mit entsprechenden Farb-Ablenkverstärkern 158 und mit den Rasterpositions-Spiegeln 150 gekoppelt sind, um zu bewirken, dass die aufgetasteten [aufgerasterten/abgelenkten] Photonen der Pupille des Auges 20 des Benutzers folgen.

Ein Beispiel für eine zur Verwendung in einer virtuellen Retina-Anzeige geeignete Leuchtdioden-Anordnung ist in 5 veranschaulicht. Wenn ein X-Y-Gesichtsfeld als aus einer Anordnung von 2.000 × 2.000 auflösbaren Bildpunkten bzw. Pixels zusammengesetzt betrachtet wird, müssen die Bildpunkte 50 Mal pro Sekunde aufgefrischt werden, um eine Informationsbandbreite von ungefähr 200 MHz zu besitzen. LEDs mit hoher Strahldichte haben typischerweise eine Leistungsbandbreitenkurve, die oberhalb von 2 MHz abzufallen beginnt. Dieses Ergebnis ist im Wesentlichen eine Begrenzung des RC-Produkts [Widerstands-Kapazitäts-Produkt], die mit der Diffusionskapazität eines stark in Durchlassrichtung vorgespannten pn-Übergangs zusammenhängt. Um die Bandbreitenanforderungen des Systems zu erfüllen, wird eine lineare Anordnung von 50 bis 100 LED-Pixels pro Farbe verwendet. Die Verwendung einer roten, grünen und blauen LED-Anordnung würde 50–100 LEDs von jeder dieser drei Farben erfordern. Wie in 5 gezeigt, beinhaltet eine Anordnung 200 LED-Chips 201, 202, 203 – N, wobei jeder LED-Chip eine wirksame LED-Fläche 205 beinhaltet. Die wirksame LED-Fläche kann eine GaAsP-Legierung und eine dielektrische Deckschicht aus Si3 N4 enthalten.

Eine wie in 6 veranschaulichte phasengesteuerte Laser-Anordnung hat die Funktion, Photonenerzeugung, Videomodulation und Auftastung in mindestens einer Richtung auszuführen. Die Laserphasen-Anordnung beinhaltet einen Dünnschichtwellenleiter 210, Phasenmodulator-Elektroden 212, einen gereinigten gekoppelten Hohlraum[resonator] 214 und Laserhohlräume 216, wobei die Anordnung einen kohärenten Strahl von etwa 10 mW Leistung emittiert. Wenn zwei Laser mit kleinsten Linienabständen in demselben Chipmaterial verarbeitet sind, werden ihre optischen Felder gekoppelt, so dass die Vorgänge der optischen Emission in den beiden Bauelementen korreliert und kohärent sind. Das Ergebnis ist eine von dem Laserpaar emittierte deutliche Phasenfront. In der phasengesteuerten Laser-Anordnung 220 mit einer Anzahl von Laserhohlräumen 216 ist der optische Strahl phasenkohärent, wenn die Laser nicht mehr als 10 Mikrometer voneinander beabstandet sind. Diese Auflösung kann durch photolithographische Technik erreicht werden. Der elektro-optische Modulator arbeitet so, dass er den Brechungsindex des Wellenleitermediums 210 ändert, durch das der optische Strahl wandern muss, bevor er in den freien Raum eingeleitet wird. Durch Trennung der elektrischen Kontakte 212 bei jedem Modulator kann die relative Phase jedes einzelnen Lasers in der Anordnung vom Modulator geändert werden. Für eine zweckmäßige Reihe von Modulationsspannungen kann die Phasenfront des mit der Anordnung gekoppelten Laserstrahls geändert werden, so dass der emittierte Strahl schräg zur normalen Austrittsrichtung eingeleitet wird. Mit der zweckmäßigen Reihe von Modulationsspannungen kann der Laserstrahl in einer bestimmten Richtung aufgetastet [abgelenkt] werden. Es ist möglich, eine um zwei Achsen bewegliche phasengesteuerte Laser-Anordnung zu konstruieren, so dass kein zusätzlicher Scanner erforderlich ist, um den Laser in einer senkrechten Richtung abzutasten [abzulenken].

Ein Beispiel für einen Mikroscanner 132, 134 zum Auftasten [Aufrastern/Ablenken] von Photonen ist in 7veranschaulicht. Der Mikroscanner beinhaltet ein Stellglied 230. Das Stellglied 230 ist ein piezoelektrischer Bimorph-Freiträger, der als Antwort auf ein elektrisches Treibersignal dreidimensionale Bewegungen ausführen kann. Durch Steuerung der Ablenkung des freitragenden Stellglieds mit den passenden Treibersignalen lenkt das Stellglied 230 die darauf einfallenden Photonen ab, um die Photonen abzutasten [aufzurastern/abzulenken].

Ein weiteres Beispiel für einen Mikroscanner, der äußerst klein gefertigt werden kann, ist in 8 gezeigt, wobei der Mikroscanner eine gekrümmte reflektierende Oberfläche besitzt, die sich verlagern lässt, um darauf einfallendes Licht in einer Richtung abzulenken. Genauer gesagt: der Mikroscanner 240 umfasst einen aus einem piezoelektrischen Material gebildeten Sockel bzw. ein Stellglied 242 mit einem auf dem Stellglied 242 gebildeten Substrat 244, wobei das Substrat 244 eine gekrümmte reflektierende Oberfläche 246 besitzt. Als Antwort auf ein sich änderndes Treibersignal verschieben sich das piezoelektrische Stellglied und das Substrat 244 in Richtung der Pfeile 248, um das auf die Oberfläche 246 des Substrats einfallende Licht in einer ersten Richtung abzulenken, die im Allgemeinen senkrecht zur Translationsrichtung 248 liegt. Ein zweiter Mikroscanner 250 tastet das darauf einfallende Licht in einer zweiten Richtung ab, die senkrecht zur ersten Richtung liegt, um ein Rasterbild direkt auf die Retina eines Auges des Benutzers zu werfen.

In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wie in 9 dargestellt, wird eine Einmoden-Monofilament-Glasfaser 300 bzw. eine einsträngige Glasfaser verwendet, um Licht von einer Lichtquelle wie z. B. dem Photonengenerator 12 auf das Auftastsystem 16 zu koppeln. Die einzelne Monofilament-Glasfaser 300 beinhaltet eine in den einadrigen Kern 304 der Faser 300 führende Eintrittsapertur 302, wobei der Kern 304 sich über die Länge der Glasfaser bis zu einer Austrittsapertur 306 erstreckt. Die Austrittsapertur 306 der einzelnen Monofilament-Glasfaser 300 kann äußerst klein sein. Beispielsweise kann der Durchmesser der Austrittsapertur 10 Mikrometer oder weniger betragen, vorzugsweise in der Größenordnung von 3,5 Mikrometern, um eine punktförmige Lichtquelle als Eingang für das Auftastsystem 16 zu erzeugen.

Der Photonengenerator 12 kann wie oben beschrieben kohärentes Licht wie z. B. einen Laser erzeugen. In einer Laser-Ausführungsform des in 9 dargestellten Systems ermöglicht die Glasfaser 300, dass die Laserquelle sowie die Videoquelle und der Teil des Systems zur Videomodulation entfernt vom Auftastsystem 16 liegen. Die Glasfaser 300 weist einen weiteren Vorteil auf, wenn die Laserquelle eine Laserdiode oder ein anderer Lasergenerator ist, die/der astigmatisches Licht erzeugt. Genauer erzeugen Laserdioden typischerweise astigmatisches Licht, das, wenn es auf die Retina des Auges eines Benutzers abgelenkt/geworfen wird, nicht wie gewünscht ein rundes Pixel erzeugt, sondern ein verformtes Pixel wie z. B. ein elliptisches Pixel. Die Glasfaser 300 – wenn mit einer derartigen Laserquelle verwendet – wandelt das astigmatische Laserlicht in eine kreisförmige Punktquelle an der Austrittsapertur 306 der Faser 300 um, so dass man kreisförmige bzw. runde Pixels erhält, wenn das Licht auf die Retina abgelenkt/geworfen wird.

Der Photonengenerator 12 gemäß Darstellung in 9 kann außerdem eine Leuchtdiode (LED) beinhalten. LEDs erzeugen kein kohärentes Licht. Ferner ist der Lichtemissionsbereich einer LED typischerweise zu groß für eine sehr hochauflösende Bilderzeugung, wie es für bestimmte Anwendungen des Anzeigesystems erforderlich ist. Obwohl optische Geräte wie z. B. Linsen verwendet werden können, um die scheinbare Größe einer LED-Lichtquelle zu verringern, kann die Verwendung solcher Geräte einen Intensitätsverlust und ferner eine Zunahme der optischen Weglänge zur Folge haben, so dass sich die Gesamtabmessungen des Anzeigesystems vergrößern. Wenn das LED-Licht jedoch mit einer Einmoden-Monofilament-Glasfaser 300 gekoppelt wird, bildet die Austrittsapertur 306 der Faser 300 eine punktförmige Lichtquelle, die klein genug ist, um sehr hochauflösende Bilder zu erzeugen. Es ist zu bemerken, dass eine typische LED einen Lichtemissionsbereich 308 haben kann, der in der Größenordnung von 500 Mikrometern liegt. Die Glasfaser 300 macht es möglich, dass der sehr große Lichtemissionsbereich der LED auf weniger als 10 Mikrometer verringert werden kann, vorzugsweise in der Größenordnung von 3,5 Mikrometern für eine Faser 300 mit einem Kerndurchmesser 304 in dieser Größenordnung.

Eine Linse wie z. B. die in 9 gezeigte Linse 310 kann verwendet werden, um das Licht von einem Laser, einer LED oder einem anderen Typ Photonengenerator 12 in der Eintrittsapertur 302 der Glasfaser 300 zu bündeln. Alternativ kann das die Eintrittsapertur 302 umfassende Ende 312 der Glasfaser wie in 10 gezeigt direkt an dem Photonengenerator 12 anstoßen, der als LED 314 dargestellt ist. Wie in 10 gezeigt, ist der Durchmesser bzw. der Bereich der Eintrittsapertur 302 der Glasfaser viel kleiner als der Lichtemissionsbereich 308 der LED 314. 11 stellt eine weitere Ausführungsform zum Koppeln des Lichts vom Photonengenerator 12 auf die Glasfaser 300 dar. In dieser Ausführungsform besitzt die Glasfaser 300 ein trichterförmiges Endteil 316, das in die Eintrittsapertur 302 des kleinen, einen gleich bleibenden Durchmesser aufweisenden Kerns 304 der Glasfaser 300 mit einer Eintrittsapertur 302 führt. Eine Eintrittsapertur 318 des Trichterteils 316 der Faser weist einen Durchmesser auf, der größer ist als der Durchmesser der Eintrittsapertur 302 des einen gleich bleibenden Durchmesser aufweisenden Kernteils 320 der Glasfaser 300. Das Trichter-Endteil 316 der in 11 gezeigten Glasfaser kann direkt an die Photonenquelle 12 anstoßen oder alternativ lediglich ganz in deren Nähe positioniert werden.

Das Licht von der an der Austrittsapertur 306 der Glasfaser 300 gebildeten Punktquelle ist über eine Linse 330 mit einem Horizontal-Mikroscanner 332 des Auftastsystems 16 gekoppelt. Das auf den Horizontal-Mikroscanner 332 einfallende Licht wird auf einen Vertikal-Mikroscanner 334 geleitet und über eine Linse 336 auf die Retina eines Auges des Benutzers abgelenkt/geworfen. Der Abstand zwischen der Austrittsapertur 306 der Glasfaser 300 und der Linse 330 kann justiert werden, so dass das von der Linse 330 ausgehende Licht konvergiert und zwischen dem Ausgang des Auftastsystems 16 und dem Auge des Benutzers eine Bildebene 340 gebildet wird. Die Linse 336 ist eine Sammellinse [Kollimator], die das Licht auf die Retina des Benutzers leitet. Um das Blickfeld der in 9 dargestellten virtuellen Retina-Anzeige zu justieren, können die Linse 330 und die Linse 336 näher zueinander bzw. weiter auseinander bewegt werden. Da das System der vorliegenden Erfindung sehr kompakt ist und nur sehr wenige optische Elemente beinhaltet, können die Linsen 330 und 336 auf eine Weise miteinander verbunden werden, dass die Linsen zusammen, einwärts zueinander bzw. auswärts voneinander weg bewegt werden können, so dass der Benutzer keine gesonderten Justierungen dafür ausführen muss. Dies kann durch Verwendung einer Zoomobjektiv-Montagestruktur oder dergleichen für die Linsen 330 und 336 erreicht werden.

Ferner ist zu bemerken, dass die in die Eintrittsapertur 302 der Glasfaser 300 eintretende Lichtquelle einen Rotlichtemitter, einen Blaulichtemitter und einen Grünlichtemitter beinhalten kann, um ein Vollfarbsystem zu erzeugen. Jeder dieser Lichtemitter ist vorzugsweise direkt mit Videoinformationen modulierbar. Es können jedoch außerdem separate Videomodulatoren mit den Farblichtemittern verwendet werden, um das Rotlicht mit Rot-Videoinformationen, das Blaulicht mit Blau-Videoinformationen und das Grünlicht mit Grün-Videoinformationen zu modulieren. Das Licht von jedem Farbemitter kann in eine diesem einzelnen Lichtemitter zugeordnete Glasfaser geleitet werden, wobei jede Glasfaser mit einer einzigen Glasfaser 300 gekoppelt ist, so dass an deren Austrittsapertur 306 eine punktförmige farbige, videomodulierte Lichtquelle erzeugt wird. Alternativ kann das Farblicht von jedem Emitter wie oben beschrieben kombiniert werden, bevor es in die Eintrittsapertur 302 der Glasfaser 300 eingespeist wird.


Anspruch[de]
Virtuelles Bildanzeigesystem, das Folgendes umfasst:

eine Lichtquelle (12), wobei das genannte Licht mit Videoinformationen moduliert wird (14);

ein Auftastsystem (16, 332, 334) mit einem Ausgang zum Abgeben oder Abrastern (im folgenden Auftasten) solchen modulierten Lichts auf die Retina des Auges eines Benutzers; und

eine einzelne Monofilament-Glasfaser (300) mit einer Eintrittsapertur und einer Austrittsapertur, zum Koppeln von Licht von der Quelle auf das Auftastsystem zum Erzeugen einer punktförmigen Lichtquelle an der Austrittsapertur der Glasfaser,

dadurch gekennzeichnet, dass

eine erste Linse (330) zwischen der Austrittsapertur (306) der Glasfaser (300) und dem Auftastsystem (332, 334) angeordnet ist; und eine zweite Linse (336) neben dem Ausgang von dem Auftastsystem (332, 334) angeordnet ist; wobei der Abstand zwischen der ersten (330) und der zweiten (336) Linse zum Justieren des Blickfelds des Anzeigesystems variabel ist.
Anzeigesystem nach Anspruch 1, wobei die Lichtquelle (12) eine nichtkohärente Lichtquelle ist. Anzeigesystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Lichtquelle (12) eine Leuchtdiode beinhaltet. Anzeigesystem nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Lichtquelle einen Lichtemissionsbereich hat; und die Austrittsapertur der genannten Glasfaser (300) einen Bereich hat, der kleiner ist als der Lichtemissionsbereich der Lichtquelle. Anzeigesystem nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Lichtquelle einen Rotlichtemitter (80), einen Blaulichtemitter (84) und einen Grünlichtemitter (82) beinhaltet, und ein System (86) zum Kombinieren von Licht von den Emittern. Anzeigesystem nach Anspruch 5, wobei der Lichtausgang vom Kombinationssystem mit der Eintrittsapertur der genannten Glasfaser (300) gekoppelt ist. Anzeigesystem nach Anspruch 5 oder Anspruch 6, wobei wenigstens einer der Lichtemitter direkt mit Videoinformationen moduliert wird. Anzeigesystem nach einem der Ansprüche 5 bis 7 mit Mitteln, die mit dem Ausgang von wenigstens einem der Lichtemitter gekoppelt sind, um emittiertes Licht mit Videoinformationen zu modulieren. Anzeigesystem nach einem der Ansprüche 5 bis 8 mit einem individuellen Glasfaserabschnitt, der mit jedem der genannten Rot-, Blau- und Grünlichtemitter verbunden ist. Anzeigesystem nach Anspruch 1, wobei die Lichtquelle (12) eine Quelle von kohärentem Licht ist. Anzeigesystem nach Anspruch 1, wobei die Lichtquelle (12) eine Quelle von nichtkohärentern Licht ist. Anzeigesystem nach einem der Ansprüche mit einer Linse (310), die zwischen der Lichtquelle (12) und der Eintrittsapertur mit der Glasfaser (300) angeordnet ist, um Licht von der Quelle auf die Eintrittsapertur zu bündeln. Anzeigesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Eintrittsapertur zur Glasfaser (300) direkt an der Lichtquelle (314) anstößt. Anzeigesystem nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die erste Linse (330) Licht zur Bildung einer Bildebene neben dem Ausgang vom Auftastsystem (332, 334) und vom Auge des Benutzers konvergiert. Anzeigesystem nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die zweite Linse (336) eine einzelne Linse ist. Verfahren zum Erzeugen eines virtuellen Bildes, das die folgenden Schritte umfasst:

Modulieren von Licht, das von einer Lichtquelle (12) emittiert wurde, mit Videoinformationen;

Positionieren einer Eintrittsapertur einer einzelnen Monofilament-Glasfaser (300) relativ zur Lichtquelle zum Koppeln von Licht von der Quelle mit einer Austrittsapertur der genannten Glasfaser (300);

Auftasten von Licht von der Austrittsapertur der Glasfaser auf das Auge eines Benutzers mit einem Auftastsystem (332, 334),

dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Linse (330) neben der Austrittsapertur der Glasfaser positioniert wird, um Licht davon zu empfangen und es auf das Auftastsystem (332, 334) zum Auftasten von Licht auf das Auge eines Benutzers zu richten; eine zweite Linse (336) neben dem Ausgang von dem Auftastsystem positioniert wird und der Abstand zwischen der ersten Linse (330) und der zweiten Linse (336) zum Justieren des Blickfelds des Anzeigesystems variiert wird.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei die erste Linse in einem Abstand von der Austrittsapertur der Glasfaser (300) positioniert wird, um Licht in einer Bildebene zu konvergieren, auf der Licht aufgetastet wird. Verfahren nach Anspruch 16 oder Anspruch 17, wobei die Lichtquelle ein Laser ist. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, wobei die Lichtquelle eine Leuchtdiode ist. Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Eintrittsapertur zur Glasfaser (300) an der Leuchtdiode anstößt. Verfahren nach Anspruch 16 oder Anspruch 17, wobei der Modulationsschritt Folgendes beinhaltet: Emittieren von rotem Licht und Modulieren desselben mit roten Videoinformationen; Emittieren von blauem Licht und Modulieren desselben mit blauen Videoinformationen; 20 Emittieren von grünem Licht und Modulieren desselben mit grünen Videoinformationen; Kombinieren des modulierten Rotlichts, Blaulichts und Grünlichts zum Bilden des von der Lichtquelle emittierten Lichts; und wobei die Glasfaser so positioniert ist, dass die Eintrittsapertur dazu das genannte kombinierte Rot-, Blau- und Grünlicht empfängt.






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