Kern, Thorsten AlexanderThorsten AlexanderKern1324356750000-0002-3336-4383Shelam, SravanSravanShelam2026-09-102026-09-102026Technische Universität Hamburg (2026)https://hdl.handle.net/11420/64205Projection-type optical systems, such as Head-Up Displays (HUDs), Virtual Reality (VR), and Augmented Reality (AR), provide immersive experiences in virtual worlds or ergonomically present supplementary information in real-world contexts. These systems play a crucial role in modifying the light emitted by imagers to generate virtual images in front of the user, greatly enhancing user engagement and interaction. In VR and AR applications, the immersive quality and usability of the system depend critically on the fidelity and stability of these virtual images. Central to these experiences is the concept of a virtual image, an image plane created in a space without physical representation. A virtual image typically arises when projection systems modify and direct light to form the perception of an object or scene at a specific location in space. However, a significant challenge in such optical systems is image distortion, which occurs as light passes through complex optical paths. A wide range of optical technologies including holograms, Fresnel lenses, traditional lenses, and mirror optics are employed to construct these systems. As images propagate through these elements, distortions can cause elements of the virtual image to be projected at varying distances. This results in visual inconsistencies that can disrupt the immersive experience. While the human visual system can often compensate for these distortions unconsciously, evidence shows that persistent image distortion may lead to discomfort, motion sickness, and headaches. These effects hinder long-term ergonomic usage and holistic user experience. Image distortion in these systems is inherently three-dimensional due to the complex arrangement of optical components. This 3D distortion is a major challenge for optical design, impacting device quality and user satisfaction, especially for AR applications. Accurately measuring and characterizing these distortions requires advanced methods. To address this, a light field measurement system has been developed, with the ability to reconstruct images and analyze spatial and angular light information far beyond the limits of human perception. This thesis addresses the sources and impacts of three-dimensional distortion in projection-type optical systems. It presents a comprehensive measurement methodology for evaluating image quality. By tackling these challenges and optimizing projection systems, this work contributes to improved user experience and long-term usability in next-generation immersive display technologies.Optische Projektionssysteme wie Head-up-Displays (HUDs), Virtual Reality (VR) und Augmented Reality (AR) bieten immersive Erlebnisse in virtuellen Welten oder stellen ergänzende Informationen in realen Kontexten auf ergonomische Weise dar. Diese Systeme spielen eine entscheidende Rolle bei der Modifizierung des von Bildgebern ausgestrahlten Lichts, um virtuelle Bilder vor dem Nutzer zu erzeugen, was das Engagement und die Interaktion des Nutzers erheblich verbessert. In VR- und AR-Anwendungen hängen die Immersionsqualität und die Benutzerfreundlichkeit des Systems entscheidend von der Wiedergabetreue und Stabilität dieser virtuellen Bilder ab. Im Mittelpunkt dieser Erlebnisse steht das Konzept des virtuellen Bildes, einer Bildebene, die in einem Raum ohne physische Darstellung erzeugt wird. Ein virtuelles Bild entsteht typischerweise, wenn Projektionssysteme Licht so modifizieren und lenken, dass an einer bestimmten Stelle im Raum die Wahrnehmung eines Objekts oder einer Szene entsteht. Eine erhebliche Herausforderung bei solchen optischen Systemen ist jedoch die Bildverzerrung, die auftritt, wenn Licht komplexe optische Pfade durchläuft. Zum Aufbau dieser Systeme kommt eine breite Palette optischer Technologien zum Einsatz, darunter Hologramme, Fresnel-Linsen, herkömmliche Linsen und Spiegeloptiken. Während sich Bilder durch diese Elemente ausbreiten, können Verzerrungen dazu führen, dass Elemente des virtuellen Bildes in unterschiedlichen Entfernungen projiziert werden. Dies führt zu visuellen Unstimmigkeiten, die das immersive Erlebnis stören können. Zwar kann das menschliche Sehsystem diese Verzerrungen oft unbewusst ausgleichen, doch gibt es Hinweise darauf, dass anhaltende Bildverzerrungen zu Unwohlsein, Reisekrankheit und Kopfschmerzen führen können. Diese Effekte beeinträchtigen die langfristige ergonomische Nutzung und das ganzheitliche Nutzererlebnis. Bildverzerrungen in diesen Systemen sind aufgrund der komplexen Anordnung der optischen Komponenten von Natur aus dreidimensional. Diese 3D-Verzerrung stellt eine große Herausforderung für das optische Design dar und wirkt sich auf die Gerätequalität und die Nutzerzufriedenheit aus, insbesondere bei AR-Anwendungen. Die genaue Messung und Charakterisierung dieser Verzerrungen erfordert fortschrittliche Methoden. Um diesem Problem zu begegnen, wurde ein Lichtfeld-Messsystem entwickelt, das in der Lage ist, Bilder zu rekonstruieren und räumliche sowie winkelspezifische Lichtinformationen weit über die Grenzen der menschlichen Wahrnehmung hinaus zu analysieren. Diese Arbeit befasst sich mit den Ursachen und Auswirkungen dreidimensionaler Verzerrungen in optischen Projektionssystemen. Sie stellt eine umfassende Messmethodik zur Bewertung der Bildqualität vor. Durch die Bewältigung dieser Herausforderungen und die Optimierung von Projektionssystemen trägt diese Arbeit zu einem verbesserten Benutzererlebnis und einer langfristigen Nutzbarkeit bei immersiven Display-Technologien der nächsten Generation bei.enhttps://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/HUDARLight FieldDistortionLight Field ReconstructionTechnology::621: Applied Physics::621.3: Electrical Engineering, Electronic EngineeringDoctoral Thesis10.15480/882.17771Penn, AlexanderAlexanderPenn