Augmented Reality RGB-Laserscanner mit Mikrolinsen passt in jede Alltagsbrille

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TriLite Technologies GmbH

ET System electronic GmbH

ISH Ingenieursozietät GmbH

DMB Technics AG

Für alltagstaugliche AR-Brillen sind kompakte und leichte Displays notwendig, die zudem ein helles und hochwertiges Bild erzeugen. Ermöglicht wird das von einem winzigen RGB-Lasermodul in Kombination mit einer cleveren Software.

Intelligente Brillen mit Augmented-Reality-Funktionen gibt es schon seit mehr als einem Jahrzehnt. Wirklich durchsetzen konnten sie sich bisher nicht. Das liegt vor allem darin, dass Projektor und Optik zu groß sind, um problemlos in eine alltagstauglich Brille integriert zu werden. Beim Augmented Reality werden digitale Objekte vor den Augen des Betrachters in die reale Welt eingefügt. Damit diese Technologie eine breite Akzeptanz findet, muss das sogenannte Head-Mounted Display (HMD) – also das visuelle Ausgabegerät, das der Nutzer am Kopf trägt – möglichst leicht, komfortabel und unauffällig sein.

Aktuelle optische Entwicklungen dürften den Markt für intelligente Brillen künftig revolutionieren. Kleinere und leichtere Display-Systeme ermöglichen die Entwicklung von tragbaren und formschönen Brillen, die die reale Umgebung mit digitalen Informationen anreichern und den Träger in eine ebenso realistische wie informative virtuelle Welt eintauchen lassen.

Die Anforderungen an ein AR-Mikrodisplay

Die Engine eines AR-Mikrodisplays besteht im Wesentlichen aus zwei Komponenten: einem Projektor und einem „optischen Kombinierer“. Diese zweite Komponente lenkt das Bild des Displays optisch auf das Auge. Dabei sollen helle und hochauflösende Bilder erzeugt werden, die auch bei Tageslicht deutlich zu sehen sind.

Für den Einsatz in AR-Brillen sind zwei Arten von Kombinierern geeignet: der holografische Kombinierer und der Wellenleiter-Kombinierer. Generell bietet ein holografischer Kombinierer mehr Effizienz bei der Lichtübertragung. Der Nachteil: die deutlich kleinere Eyebox. So bezeichnet man ein imaginäres Sichtfeld, in dem sich das Auge des Nutzers bewegen kann, ohne das Bild zu verfälschen. AR-Brillen mit einer großen Eyebox können praktisch von jedermann getragen werden: Selbst, wenn die Brille dem Träger nicht genau passt, sieht er ein perfektes Bild – eine wichtige Voraussetzung für eine möglichst breite Akzeptanz.

Optisches System basiert auf Scanner

Wellenleiter-Kombinierer dagegen bieten ein größeres Sichtfeld, sind dafür aber weniger lichteffizient. Für AR-Anwendungen kommen hauptsächlich zwei Arten von Mikrodisplays zum Einsatz: panelbasierte und scannerbasierte optische Systeme. Bei einem panelbasierten System sind die Pixel ähnlich wie bei einem Computerbildschirm zweidimensional angeordnet. Der Nachteil besteht darin, dass Herstellungs- und Effizienzfaktoren die minimale Pixelgröße limitieren. Dies wiederum beschränkt die minimale Panelgröße für eine bestimmte Bildauflösung. Daher sind panelbasierte Systeme in der Regel vergleichsweise sperrig und schwer.

Scannerbasierte optische Systeme wie Laserstrahlscanner (LBS) lenken die Laserstrahlen mithilfe beweglicher, auf Silizium basierenden Mikrospiegel (MEMS-Spiegel) ab. Dadurch sind sie in der Lage, die einzelnen Pixel eines Bildes in zeitlicher Abfolge anzuzeigen, vergleichbar mit der Bildgenerierung eines Elektronenstrahls in Röhrenfernsehgeräten. Im Vergleich zu einem panelbasierten System bietet dieser Scan-Ansatz Vorteile in puncto Größe und Gewicht.

Weitere Vorzüge sind die höhere Helligkeit und der größere Kontrast bei gleichzeitig geringerem Stromverbrauch und kürzerer Latenzzeit. Zusätzlich kann durch eine die Ansteuerung eine sinusförmige Abtastbewegungen entlang der x- und y-Achse entsprechend einer Lissajous-Figur das Bild gleichzeitig über die gesamte Anzeigefläche aufgebaut wird anstatt schrittweise Zeile für Zeile, und dadurch wird auch noch weniger Energie für den Antrieb des Spiegels benötigt.

LBS-Systeme weisen zudem geringere optische Verzerrungen auf als panelbasierte Displays und bieten in der Regel ein größeres Sichtfeld (Field of View, FoV) – der Faktor, der bestimmt, wie viel der Betrachter von der Welt um sich herum wahrnimmt. Das optimale Sichtfeld für AR-Geräte der nächsten Generation beträgt 30° über die Diagonale.

Herzstück ist ein integriertes RGB-Lasermodul

Das Trixel-3-Mikro-Display von TriLite ist das kleinste LBS-Projektionsdisplay der Welt und mit einem Gewicht von unter 1,5 g und einer Größe von weniger als 1 cm x 1 cm auf die Integration in AR-Brillen zugeschnitten. Das Herzstück von Trixel 3 besteht aus einem integrierten RGB-Lasermodul von TriLite und speziell für AR-Anwendungen entwickelten Mikrolinsen. Mit einer softwaregesteuerten Hardware-Architektur und firmeneigenen, hochpräzisen Laser-Bonding-Techniken konnte TriLite die Kosten des Moduls erheblich senken, ohne Kompromisse in puncto Bildqualität oder Leistung einzugehen.

Der Software kommt in der Trixel-Architektur eine entscheidende Rolle zu, die sich deutlich von den üblichen reinen Hardware-Systemen unterscheidet. Durch eine intelligente, softwarebasierte Ansteuerung des LBS- Projektionsdisplay ergeben sich eine hohe Montageausbeute und niedrige Herstellungskosten. Die patentierten Laser-Timing-Algorithmen von TriLite sorgen für eine perfekte Überlappung der RGB-Farbkanäle, wodurch Verzerrungen in hochwertigen Bildern vermieden werden.

Das Schlüsselkonzept besteht darin, die Komplexität eines Projektors von der Hardware auf die Software zu verlagern, wodurch das optische System kleiner, leichter und einfacher wird. Aktuell arbeitet TriLite am Aufbau einer Plattform für Serienproduktionsdienstleistungen, die auf der Zusammenarbeit mit Partnerfirmen in den Bereichen Montage und Komponenten basiert – etwa dem MEMS-Spiegel von Infineon. Die Plattform soll Kunden helfen, den Produktentstehungsprozess und die Markteinführung zu vereinfachen und zu beschleunigen.

Eine zusätzliche Relais-Optik ist nicht notwendig

Trixel 3 ist so konzipiert, dass es sowohl mit diffraktiven Wellenleitern als auch mit holografischen optischen Elementen als optische Kombinierer kompatibel ist. Das finnische Unternehmen Dispelix ist auf dem Gebiet der einschichtigen, diffraktiven Wellenleiter führend und hat gemeinsam mit TriLite ein ultrakompaktes Displaysystem für AR-Brillen vorgestellt. Dieses System kombiniert das Trixel 3 LBS von TriLite mit den diffraktiven Wellenleitern von Dispelix, wobei der Wellenleiter ein überwiegend transparentes, dünnes Stück Glas oder Kunststoff ist, das Licht beugt und bündelt.

Im Gegensatz zu anderen Systemen benötigt TriLite keine zusätzliche Relais-Optik zwischen dem LBS-Projektor und dem Wellenleiter. Dadurch ist das System nur etwa halb so groß wie die Entwicklungen anderer Anbieter. Der kombinierte Formfaktor mit dem hauchdünnen Wellenleiter von Dispelix ermöglicht besonders kompakte Abmessungen: So lässt sich das System in jede Alltagsbrille verbauen – unabhängig von Größe und Stil. Und: Es liefert selbst bei starker direkter Sonneneinstrahlung helle, gestochen scharfe Bilder und Texte. Die für AR-Brillen konzipierte Architektur lässt sich einfach und kostengünstig in die Serienproduktion überführen.

* Dr. Peter Weigand ist CEO bei der TriLite Technologies in Wien.

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