Depth-fused 3D Head-up Display

Optisches Konzept und Machbarkeitsstudie, basierend auf einer Flüssiglinse mit variabler Brennweite.

Masterthesis: Christian Kuhmann

Semesterarbeit: Sebastian Auracher

WS 2011/12

Kurzfassung

In dieser Arbeit wurde ein optisches System für ein Head-up display basierend auf der depth-fused 3D-Technik entworfen und in einem Laboraufbau realisiert. Dieser Laboraufbau besteht aus einem Projektor, der als Bildquelle dient, und einem optischen System, das zwei Linsensysteme und eine Flüssiglinse umfasst. Die elektrisch einstellbare Flüssiglinse synchronisiert die vordere und hintere Fokalebene mit den entsprechenden Bildern. Die Ansteuerung der Flüssiglinse erfolgt dabei über eine Elektronik, die ein Infrarotsignal eines 3D Videosystems auswertet.

Aufgabenstellung

Durchführung einer Machbarkeitsstudie zu einem depth-fused 3D Head-up Display. Diese knüpft damit an die Arbeit von Vogel und Rothenberger an, die sich mit den Übergängen zwischen Fokalebenen in einem depth-fused 3D System auseinandersetzt. Für die Machbarkeitsstudie soll ein optisches System entworfen werden, das auf einer Linse mit variabler Brennweite basiert. Weiter soll ein Laboraufbau als Grundlage für Versuche und Untersuchungen geschaffen werden.

Die Umsetzung des depth-fused 3D soll dabei mit zwei Fokalebenen erfolgen. Zwischen diesen beiden Fokalebenen soll mit hoher Geschwindigkeit (über 100 Hz) hin und her geschaltet werden, anstatt sie dauerhaft darzustellen. Für eine Realisierung zur Anwendung in der Automobilindustrie ist ein Laboraufbau zu entwerfen, der zur Umsetzung des depht-fused 3D Head-up Displays keine mechanisch beweglichen Elemente enthält.

Bilder auf der vorderen (links) und hinteren (rechts) Fokalebene als Beispiel für Informationen, die in einem 3D head-up Display dargestellt werden können.

Bilder auf der vorderen (links) und hinteren (rechts) Fokalebene als Beispiel für Informationen, die in einem 3D head-up Display dargestellt werden können.

Funktion

Depth-fused 3D

Die Depth-fused 3D Technologie kann 3D Inhalte mit nahezu natürlichem Tiefenreiz darstellen. Es werden dazu mehrere Bilder auf mehreren Fokalebenen dargestellt. Benachbarte Fokalebenen haben den Abstand Δz zueinander. Die dargestellten Bilder überlappen sich derartig, dass man sie als eine einzige, fusionierte Fokalebene wahrnimmt. Die Entfernung (Tiefe) z der fusionierten Fokalebene vom Betrachter wird durch die Gewichtung der Helligkeitsverteilung zwischen der vorderen und hinteren Fokalebene bestimmt.

Schematisches Modell eines depth-fused Displays, bestehend aus zwei Fokalebenen

Schematisches Modell eines depth-fused Displays, bestehend aus zwei Fokalebenen.

Entwurf des optischen Systems

Das optische System hat die Aufgabe, das vom Projektor erzeugte Bild auf einer virtuellen Bildebene darzustellen. Gleichzeitig soll das optische System auch die Austrittspupille des Projektors, welche die Eintrittspupille des optischen Systems darstellt, auf die Lage der Iris des Auges abbilden. Diese wiederum entspricht der Austrittspupille des optischen Systems. Die virtuelle Bildebene soll in einer Entfernung von s‘ = -2000 mm und in einem Bereich von zBE = -250 mm durch eine Flüssiglinse mit hoher Geschwindigkeit (über100 Hz) verschiebbar sein. Der Entwurf des optischen Systems basiert auf einem zweilinsigen System, das eine Flüssiglinse enthält, welche mit 100 Hz geschaltet wird.

Entwurf erster Ordnung

Depth-fused 3D Head-up Display: Entwurf erster Ordnung

Das optische System: virtuelles Bild l‘, projiziertes Bild l. Eintrittspupille P (Projektor), zwei Linsensystemen L1 und L2 und Austrittspupille P‘ (Iris des Auges). L1 wird durch eine Flüssiglinse, kombiniert mit einem passenden Linsensystem, realisiert.

Laboraufbau

Im Laboraufbau werden die Flüssiglinse und der Projektor mit 120 Hz synchronisiert.

Depth-fused 3D Head-up Display: Laboraufbau

Laboraufbau: Projektor (120 Hz) (1), Flüssiglinse (2), Okular (3), Fotoobjektiv (4) und optischer Filter (5).

Ergebnisse

Die Machbarkeit einer Bildprojektion in wechselnder Tiefe konnte mit einer Flüssiglinse bei einer Frequenz von 120 Hz erfolgreich demonstriert werden. Der Entwurf des optischen Systems kann durch einen Freiformspiegel leicht an die Head-up Display Umgebung in der Automobilindustrie angepasst werden. Mit dem Laboraufbau können schnelle Tiefenänderungen anhand des Tiefenreizes Akkommodation ausgemacht werden. Für eine Tiefenwahrnehmung bei statischem Bildinhalt ist die Vergenz als zusätzlicher Tiefenreiz erforderlich.

Zusammenfassung

Es wurde ein optisches System entworfen, welches das Umschalten zwischen zwei Fokalebenen mit unterschiedlicher Tiefe erlaubt. Der einzige veränderliche Parameter ist dabei die Brennweite eines der verwendeten Linsensysteme. Neben realistischen Anforderungen, wie die Lage und Größe der Fokalebenen, wurde insbesondere auf die Abbildung der Pupillen geachtet. Das Ergebnis zeigt, dass ein kompaktes System, das die Anforderungen der Automobilindustrie erfüllt, realisierbar ist.

So wurde ein auf diesem Entwurf basierender Laboraufbau geschaffen, wobei nur kommerzielle Komponenten zum Einsatz kamen und auf die Verwendung eines Freiformspiegels verzichtet wurde. Übertragen auf die Anwendung in der Automobilindustrie hat dies nur die Verringerung des Abstands zwischen dem optischen System und dem Auge des Betrachters zur Folge. Die unterschiedlichen Entfernungen der Fokalebenen wurden durch eine elektrisch einstellbare Flüssiglinse realisiert. Der Laboraufbau ermöglicht einer Testperson das Wahrnehmen eines Bilds in unterschiedlichen Tiefen, indem unterschiedliche Spannungen an die Flüssiglinse angelegt werden.

Die Ansteuerung der Flüssiglinse erfolgt über eine Schaltung, die Infrarotsignale eines kommerziellen Synchronisationssystems auswertet und dadurch die zuvor eingestellten Stromquellen für die Flüssiglinse freischaltet. Das vom Projektor projizierte Bild kann mit der entsprechenden Fokalebene bei einer Frequenz von120 Hz synchronisiert werden. Eine gleichzeitige Wahrnehmung der beiden Fokalebenen ist daher möglich.

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