Virtual Retinal Display (VRD)

Virtual Retinal Display (VRD)

Bei einem Virtual Retinal Display werden mittels winziger Halbleiterlaser oder LED's die Bildinformationen direkt auf die menschliche Netzhaut projiziert.

© Medical Device Link

Das Fenster in die digitale Welt ist oftmals eine lichtemittierende Fläche. Richtet man seine Augen darauf, so werden die einfallenden Lichtstrahlen von einer Linse gebündelt, gelangen dann durch den Glaskörper und treffen schließlich seitenverkehrt auf der Netzhaut (Retina) auf. Diese wandelt die Helligkeits- und Farbinformationen in Stromimpulse um und leitet die Informationen über den Sehnerv an das Gehirn weiter, welche dort von uns als Bild wahrgenommen werden. Der einfachere Weg aber mit dieser Welt in Kontakt zu treten ist der Direkte. Anstatt der unhandlichen und energiehungrigen Geräte werden die Bilder gleich direkt auf die Retina gezeichnet. Möglich wird dies mittels winziger Halbleiterlaser oder speziellen LED's, jeweils eine für die Primärfarben – Rot, Grün und Blau. Durch die additive Farbmischung kann man damit nahezu das gesamte Farbspektrum des Auges abdecken. Ein Scanner projiziert den Lichtstrahl zeilenweise und vertikal versetzt auf die Retina, ähnlich der Funktionsweise eines Röhrenfernsehers. Zumindest bis zum optischen Nerv hin, stellt das Virtual Retinal Display den effektivsten Weg dar, um ein Bild in das Gehirn zu transportieren.

Wie funktioniert eine Virtual Retinal Display (VRD)?

Virtual Retinal Displays wurden ursprünglich entwickelt, um die Einschränkungen herkömmlicher Head-Mounted-Displays hinsichtlich ihrer Bildqualität, Gewicht und Kosten zu umgehen. Die VRD-Technologie stellt dabei eine Erweiterung der Scanning-Laser-Ophthalmoskopie dar – Erzeugung von flimmerfreien und hochauflösenden Bildern. Herkömmliche Head-Mounted Displays (HMD) erzeugen ein virtuelles Bild, das entweder direkt oder über optische Systeme projiziert, aktiv betrachtet wird. Hierbei fokussiert der Benutzer seine Augen auf den Hintergrund, sodass das Bild wirkt, als würde es schweben. Der Nachteil dieser Systeme ist die begrenzte Bilddarstellungsfläche und das hohe Gewicht der Komponenten. Ausserdem wirkt das Bild nur scharf wenn der Benutzer seine Augen auf eine bestimmte Tiefe fokussiert. Durch die begrenzte Helligkeit dieser Systeme sind diese zudem nur für die Nutzung in Innenräumen brauchbar. Bei der Virtual Retinal Display Technologie hingegen entsteht das Bild unmittelbar auf der Netzhaut des Betrachters. Mit Hilfe von lichtbrechenden und lichtreflektierenden Spiegeln oder modulierbaren Prismen wird der Lichtstrahl so auf die Netzhaut gelenkt, dass beim Betrachter der Eindruck eines großen, virtuellen Bildes entsteht. Es geht praktisch kein Licht verloren und die Helligkeit der Displays ist so groß, dass sie auch für den Einsatz bei Umgebungslicht geeignet sind. Da das System mit äußerst niedrigen Lichtintensitäten arbeitet, besteht keine direkte Gefahr für das menschliche Auge.

Mehr 3D als die Realität erlaubt

Schon seit längerer Zeit wird an so genannten Augmented-Reality-Techniken geforscht und entwickelt. Bei dieser Art von Systemen werden reale Bilder mit zusätzlichen Informationen ergänzt. Augmented Reality stellt also eine Verbindung zwischen realer und virtueller Welt her. Dies ähnelt ein wenig einem Röntgenblick der das Innere von Objekten freigibt – etwa den Motor eines Autos oder die Organe eines menschlichen Körpers. Für einen echten 3D-Eindruck sorgen wie in der Stereoskopie zwei Bilder mit unterschiedlicher Perspektive, jeweils für ein Auge. Zusätzlich kann durch Variation der Größe beziehungsweise Schärfe eines Objektes ein unterschiedlicher Tiefeneindruck erzeugt werden, dadurch entsteht ein noch natürlicherer 3D-Eindruck. Der Konflikt von Akkommodation und Konvergenz, der bei herkömmlichen Stereobetrachtungsgeräten auftritt wird minimiert.

Mehr Freiheit durch Eye-Tracking

Eines der größten Probleme bei einem Virtual Retinal Display stellt die Fokussierung freischwebender Bildern dar. Ist das Abbild nicht perfekt scharf oder erfolgt die Projektion nicht exakt coplanar zur Pupillenöffnung, versucht das Auge sich immer wieder auf das Objekt scharfzustellen, was nicht gelingen kann und weshalb es zu Augenschmerzen kommt. Bei Augenbewegungen treten weitere Probleme auf. Da die Austrittsöffnung des VRD bei nur 1,2 mm liegt, führen kleine Translations- und Rotationsbewegungen des Auges zu Verdeckungen des Lichtstrahls durch die Iris. Damit verschwindet das Bild auf der Retina. 1 Durch die Anbindung eines Eye-Tracking Device an das Virtual Retinal Display wird die Bewegung des Auges oder ein Verrutschen des Displays innerhalb eines bestimmten Sichtradiuses erkannt. Eine Neukalibrierung oder -justage des Gerätes ist nicht mehr notwendig. Der Nutzer kann somit problemlos das VRD auf- und absetzen. Die Grundlage für das Eye-Tracking sind kantenbasierte Algorithmen zur Erfassung der Pupille. Dabei erfolgt die Unterscheidung zwischen den Bewegungen des Auges und dem Verrutschen des Displays durch die gleichzeitige Erfassung der Pupille und des Cornealen Reflexes.

Nicht die kleinste Energieeinheit wird verschwendet

Das Beste aber ist, dass ein Virtual Retinal Display praktisch kein Photon verschwendet, extrem effizient ist und sich somit sehr gut für energiesparende Anwendungen, etwa mobile Geräte eignet. LED's und Laser verbrauchen etwa ein hundertstel der Energie im Vergleich zu kleinen LC-Displays, wie etwa in Subnotebooks oder handlichen PDA's. Stellen Sie sich ein Handy oder PDA vor mit einer kleinen Lichtquelle vergleichbar einem Bildsucher in einer Kamera, welche Bilder in höchster Farb- und Detailgenauigkeit auf ihre Netzhaut projiziert. Diese Bilder erscheinen dann im Gehirn groß, hell strahlend, eine Armlänge entfernt und sind wahlweise umschaltbar zwischen den klassischen 4:3 und 16:9 Bilddiagonalen.

Ist ein Virtual Retinal Display eine Gefahr für das Auge?

Auch wenn die Vorstellung ein wenig gruselig wirkt, dass ein Laser direkt Bilder auf die eigene Netzhaut zeichnet, so scheint die Verletzungsgefahr nicht wirklich groß zu sein. Hier drängt sich die Frage auf, inwieweit die von einem VRD generierten Lichtstrahlen schädlich für das Auge sind. Die größte Gefahr besteht darin, dass die Scanner blockieren und der Lichtstrahl der sich üblicherweise über die Zeit und Projektionsfläche verteilt, auf einem Punkt stehen bleibt. Dann nämlich würde die absorbierte Energie die herkömmlichen Werte um den Faktor 10E+5 überschreiten. Die von einem Virtual Retinal Display erzeugte Gesamtenergie des Lichtstrahls liegt laut den Angaben des HIT-Laboratory der Universität von Washington im Bereich zwischen 100-300 nW. Damit liegt man etwa um 2-3 Größenordnungen unterhalb der maximal zulässigen Laserstrahlungsmenge, die noch keine bleibenden Schäden am Auge verursacht (Maximum Permissible Exposure, MPE). Netzhautverbrennungen würden nicht einmal dann entstehen, wenn bei einem Ausfall der Scanner der Lichtstrahl länger als zwei Stunden die selbe Stelle beleuchtet. Laut den Angaben von Microvision und Telesensory genügen ihre VRDs dem ANSI-Standard „For Safe Use of Lasers“, sowie dem „Sicherheit von Laserprodukten“ Standard der EU. Neuere Geräte besitzen darüber hinaus eine sogenannte "failsafe" Funktion die die Lichtquelle bei fehlerhaften Verhalten sofort abschaltet.

Augmented Reality in der Medizin

Ärzte erhalten durch den sogenannten Röntgenblick wichtige Informationen für die Operation noch bevor diese überhaupt begonnen hat.

© TU-München

Anwendungs- und Forschungsgebiete

Virtual Retinal Displays eignen sich besonders für den Einsatz in der Medizin, bei der täglich bildgebende Informationen verarbeitet und analysiert werden. Chirurgen sehen dadurch direkt am Patienten, wo genau sie operieren müssen und wo sich kritische Bereiche befinden, beispielsweise bei einer Gehirnoperation. Durch die Erzeugung von 3D-Bildern entsteht für den Arzt der Eindruck eines Röntgenblicks – die bereits vorliegenden Röntgenbilder werden quasi direkt auf den Patienten übertragen. Der Arzt sieht virtuell das Innere eines Patienten, so als würde das umgebende Gewebe einfach durchsichtig sein. Sollte das VRD einmal ausfallen so hat der Arzt nachwievor volle Sicht und kann ungehindert seine Arbeit fortsetzen. Im Vergleich zu herkömmlichen HMD's sind die erzeugten Bilder wesentlich heller und dadurch auch in der Umgebung eines Operationsaals gut zu erkennen.

Virtual Retinal Displays in der Automobilindustrie

Virtual Retinal Displays werden bereits bei den Automobilherstellern Honda und Volvo in den USA eingesetzt. Während die Arbeiter dort die Personen- und Lastkraftwagen zusammenbauen liefert Ihnen das System wichtige Informationen, wie etwa Anleitungen, Datenblätter, Skizzen, etc. gleich direkt auf das Auge. Dadurch entfällt eine aufwendige Informationsrecherche an einem Computer oder Handbuch, was wiederrum die Effizienz steigert und die Arbeitszeit verkürzt. Studien zu Folge liegt das Einsparpotenzial in manchen Bereichen über 30%. Ein weiterer interessanter Anwendungsfall für Virtual Retinal Displays ergibt sich in Verbindung mit GPS oder anderen Positionierungssystemen. So könnte ein Arbeiter beim Benutzen von Baggern oder anderen Abbaumaschinen direkt über das VRD sehen, welche Bereiche er ausheben muss, ohne diese vorher real abzustecken.

Einsatz in mobilen Geräten

Kürzlich gab es wieder Interesse an Virtual Retinal Displays zum Einsatz in mobilen Geräten wie Mobiltelefonen, PDAs und verschiedenen Abspielgeräten. In dieser Rolle wird das VRD vor dem Benutzer aufgestellt, z.B. auf einem Tisch und auf dessen Augen gerichtet. Das System erkennt dann die Augen mittels Gesichtsabtastung und projiziert das Bild mittels Bewegungskompensation an die richtige Stelle. In dieser Aufgabe bietet das Virtual Retinal Display einzigartige Vorteile, da es ermöglicht, einen ausgewachsenen Monitor in einem kleinen Gerät zu simulieren. 3

Militär

Natürlich hat auch das Militär solide Interessen an dieser Technologie, schließlich gehört das Pentagon zu den größten Auftraggebern dieser Technik. Hunderte von diesen High-Tech-Monokeln wurden und werden nachwievor im Irak-Krieg eingesetzt um etwa die Sichtverhältnisse der Stryker-Brigade zu verbessern. Laut Nachrichtenagenturen hat die Firma Microvision erst in diesem Jahr wieder einen Zuschlag von der U.S. Airforce in der Größendordnung von 3.2 Millionen $ erhalten.

Wie geht's weiter?

Abschließend kann gesagt werden, dass das Virtual Retinal Display sich bereits heute und in naher Zukunft weiterhin gegenüber den herkömmlichen HMD's durchsetzen wird. VRDs weißen eine hohe Helligkeit, hohes Auflösungsvermögen und ein großes Blickfeld auf. Dadurch lässt es sich in Umgebungen mit hellem Sonnenlicht einsetzen und eignet sich auch für Outdoor-Anwendungen. In anderen Gebieten wie etwa in einem Operationssaal könnte das Virtual Retinal Display die bisher eingsetzten Monitore teilweise ersetzen, da diese ja viel handlicher sind. Und wer weiss, vielleicht ist auch bald das eine oder andere Handy nebst Kamerafunktion auch mit VRD ausgerüstet und im Handel erhältlich.