Datenbrille für Industrieanwendungen Modularer Systemaufbau erforderlich

Generische Datenbrillen für eine breite Palette an Anwendungsfällen erfüllen die hochspezifischen Anforderungen im Industriesektor meist nicht. Dafür wurden modular konfigurierbare Systeme entwickelt.
Generische Datenbrillen für eine breite Palette an Anwendungsfällen erfüllen die hochspezifischen Anforderungen im Industriesektor meist nicht. Dafür wurden modular konfigurierbare Systeme entwickelt.

Datenbrillen sind im Status der Ernüchterung angekommen. Die Hoffnung der Hersteller auf ein generisches Produkt für eine breite Anwenderzahl hat sich bisher nicht erfüllt. Dafür sind Datenbrillen systembedingt auch nicht geeignet – ein Überblick zu den Möglichkeiten und Grenzen.

Aktuell sind im Kontext der Schlagwörter Industrie 4.0, Digitale Transformation und IoT überhäuft Meldungen zum Einsatz von Datenbrillen im industriellen Bereich zu finden. Systemanbieter werben mit erheblichen Steigerungen der Produktivität, Reduzierung der Fehleranfälligkeit und hohem Nutzerkomfort.

Werden die benannten Anwender in der Industrie befragt, zeichnet sich jedoch ein anderes Bild ab: Verschiedene Datenbrillen wurden zwar in großer Menge angeschafft, über den Pilotbetrieb hinaus schafften es aber nur die wenigsten. Ein Grund dafür ist, dass Hersteller eine hohe Flexibilität ihrer Datenbrillen-Modelle bewerben, was in der Praxis aber nicht funktioniert. Die Anwendungen sind zu spezifisch. Große Unternehmen sind am Markt mit eigenen Datenbrillen bereits gescheitert. Google bewegt sich nur noch im Nischenmarkt mit einer Enterprise Edition und Intel hat sich kürzlich aus dem Datenbrillen-Geschäft komplett zurückgezogen. Es herrscht offenbar Unklarheit darüber, wo genau die Möglichkeiten und Grenzen der Datenbrillen liegen.

Aufbau und Funktion einer Datenbrille

Prinzipiell besteht die einfachste Variante einer Datenbrille aus zwei Komponenten: einem miniaturisierten Display mit Elektronik sowie einer Linse, die das Bild des Displays vergrößert. Man kann den Aufbau mit einer Lupe vergleichen, die Kleingedrucktes vergrößert darstellt. Soll für Augmented-Reality-Anwendungen (AR) das Bild auf eine reale Umgebung projiziert werden, dann ist als dritte Komponente noch ein optischer Kombinierer erforderlich.

Bild 1 zeigt den optischen Aufbau einer einfachen Direktsicht-Datenbrille nach dem Lupenprinzip. Hierbei schaut der Anwender über die Linse auf das vergrößerte Bild des Displays. Das Field of View (Sichtfeld oder Sichtfeld), das der Nutzer sieht, kann stark vereinfacht nach Formel 1 bestimmt werden [1].

F o V space equals 2 times a r c tan open parentheses fraction numerator D subscript L i n s e end subscript over denominator 2 times L subscript e end fraction close parentheses

Die Formel zeigt, dass zwei Parameter das Sichtfeld bestimmen: der Durchmesser der Linse und der Abstand vom Auge zur Linse. Für ein großes Sichtfeld muss eine Linse mit großen Durchmesser verwendet werden und das Auge muss in sehr geringem Abstand durch die Linse blicken. Praktische Werte für einen Linsendurchmesser liegen zwischen 12 mm – 30 mm. Datenbrillen, die nach der klassischen Optik aufgebaut sind, benötigen für ein großes Sichtfeld im Bereich von 25 ° – 40 ° auch einen entsprechenden Bauraum.

Der optische Kombinierer ist bei AR-Datenbrillen erforderlich, bei denen die reale Umgebung mit virtuellen Objekten angereichert wird. Optisch lenkt diese Komponente das Bild des Displays auf das Auge und gleichzeitig blickt der Nutzer auf die reale Umgebung (Bild 1, unten). Daraus lassen sich zwei Parameter ableiten: Reflexion und Transmission. Die Reflexion in Prozent sagt aus, wie viel Licht vom Display auf das Auge reflektiert wird. Der verbleibende Anteil ist die Transmission und gibt an, wie viel Licht von der Umgebung auf das Auge gelangt. Für die Anwendung muss deshalb entschieden werden, welcher prozentuale Anteil reflektiert und transmittiert werden soll.

Zum Beispiel wird im hellen Außenbereich durch eine geringe Transmission eine Lichtfilterung geschaffen und gleichzeitig durch eine hohe Reflexion das Display-Bild möglichst hell auf das Auge projiziert. Ein optischer Kombinierer sollte für diesen Fall ein Verhältnis von rund 75 % Reflektion und 25 % Transmission aufweisen. Hingegen sollte bei einer Datenbrille für den dunklen Innenbereich, zum Beispiel zur Nutzung bei Montagearbeiten im Flugzeuginnenraum, die Optik das wenige Umgebungslicht nicht noch weiter abschwächen. Im Gegenzug muss auch nur wenig Licht vom Display auf das Auge gelangen, um bei dunkler Umgebung genügend Kontrast zu erzeugen. Für diese Anwendung wäre ein umgekehrtes Verhältnis am optischen Kombinierer von ca. 25 % Reflektion und 75 % Transmission angebracht.

Auf der elektrischen Seite sind für eine Datenbrille im Wesentlichen zwei Komponenten erforderlich. Die Energieversorgung in Form eines Akkus mit Lade- und Batteriemanagementfunktion sowie die Elektronik für das Bereitstellen der Bilddaten für das integrierte Display. Bei der Datenbrillen-Elektronik gibt es verschiedene Ansätze der Datenerzeugung. In den meisten Fällen wird ein autarker Rechner implementiert, der die Display-Inhalte generiert. Das Verfahren ist ähnlich wie bei einem Smartphone.

Die Daten können auch über eine kabelgebundene Schnittstelle bereitgestellt werden. In diesem Fall wird die Datenbrille zum Beispiel über ein HDMI-Kabel wie ein Beamer angesteuert. Bei autark ausgelegten Datenbrillen wird drahtlose Elektronik verwendet, bei denen über Wireless-Schnittstellen wie Bluetooth oder WiFi die Daten übertragen werden. Neben den vorgestellten Grundfunktionen der Elektronik gibt es je nach Datenbrillen-Modell zusätzlich verschiedene Sensoren wie Kameras, GPS oder Gyrometer.

Das Herzstück der Datenbrille: die Optik

Neben den anspruchsvollen Komponenten wie Display, Elektronik und Mechanik, die auf aktuellen Technologien basieren, ist die größte Herausforderung die Optik. Insbesondere bei AR-Datenbrillen sind Wunschgrößen ein großes Sichtfeld, gute Bildqualität, hohe Bildhelligkeit und Transparenz. Gleichzeitig soll bei diesen Anforderungen die Optik so klein sein, dass diese komplett im Brillenglas integriert werden könnte. All diese Anforderungen unter einem Hut zu bringen, ist derzeitig technisch und teilweise auch physikalisch nicht möglich. Es können nur Kompromisse eingegangen werden. Prinzipiell kann man zwischen vier verschiedenen Optikkonzeptionen unterscheiden (Bild 2).

Klassische Optik

Variante 1 ist die klassische Optik: Darunter versteht man die Komponenten wie Linsen, Strahlteiler und Prismen in Analogie zu Bild 1. Diese Konzeption bietet die meisten Freiheitsgrade hinsichtlich Sichtfeld, Bildqualität und Helligkeit. Der einzige Nachteil dieser Konzeption ist das Bauvolumen, das insbesondere bei größeren Sichtfeldern zunimmt.

Freiform-Optik
Angelehnt an der klassischen Optik ist Variante 2: die Freiform-Optik: Hierbei wird das Prinzip eines Prismas genutzt. Die Randflächen sind gekrümmt und haben somit die fokussierende Wirkung von Linsen. Im Resultat entsteht damit ein Bauteil, das Kombinierer und Linse enthält. Entsprechend ist damit eine sehr kompakte Datenbrillen-Optik möglich, die jedoch keine Freiheitsgrade enthält, über die Sichtfeld, virtuelle Bildgröße sowie Transmission und Bildhelligkeit variiert werden könnten.

Wellenleiter
Eine weitere Variante ist die Wellenleiter-Optik: Im Prinzip funktioniert sie wie ein Wellenleiter, den auch die Telekom benutzt. Es wird Licht in ein Medium eingekoppelt und durch Reflexionen übertragen. Die Schwierigkeit ist hierbei, dass das Licht über eine optische Struktur in einem bestimmten Winkel ein- und ausgekoppelt werden muss. Dieser Winkel ist vom Material und der Dicke des Wellenleiters abhängig. Als Koppelgitter werden Sägezahnstrukturen genutzt. Der Vorteil dieser Optik ist, dass Wellenleiter in Form eines sehr flachen Glases hergestellt werden können. Nachteilig ist das relativ kleine Sichtfeld. Es wird durch die Begrenzung der Winkel bei der Ein- und Auskoppelung in den Wellenleiter limitiert.

Die Microsoft HoloLens basiert auf diesem Prinzip, die Umsetzung von größeren Sichtfeldern unterliegt somit auch physikalischen Beschränkungen. Hinzu kommt, dass der Anwender die Sägezahnstruktur als störende Streifen im Bild wahrnimmt und es ebenfalls nur wenig Möglichkeiten gibt, um Helligkeit, Transmission und das Sichtfeld anzupassen.

Projektionstechnik
Die letzte Variante der Datenbrillen-Optiken ist eine Projektionslösung: Diese Optik funktioniert ähnlich wie ein Head-up-Display im Fahrzeug. Ein kleiner Projektor an der Seite projiziert das virtuelle Bild direkt auf das Brillenglas. Durch diesen Ansatz kann eine sehr kompakte Bauform realisiert werden, sodass die Datenbrille von außen kaum von einer normalen Brille zu unterscheiden ist.

Technisch bedingt gibt es jedoch Probleme. Im Fahrzeug muss eine sehr hohe Helligkeit auf eine normale Frontscheibe mit geringen Reflexionseigenschaften projiziert werden, um dem Fahrer ein ausreichend helles Bild darstellen zu können. Da bei einer Datenbrille die Energiequelle bereits sehr stark limitiert ist, fällt die Projektion meist sehr dunkel aus. Für Brillenträger gibt es die meisten Einschränkungen, da die Anordnung Projektor und Brillenglas nicht über normalen Lese- oder Schutzbrillen getragen werden kann. Die Anfertigung von Korrekturgläsern für individuelle Nutzer ist hierbei besonders teuer, da das Brillenglas besondere Projektionseigenschaften haben muss.