CN100426051C - 用于制造电子显示装置的光管 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种适用于电子显示装置的光管，其设计为从被称作入射面(SE)的它的一个端部朝使用者的眼睛(O)传送光信号到被称作出射面(SS)的它的另一个端部，用于使用者观察虚像(I)，所述光管在其被称为改进面的一个表面上包括衍射元件，所述衍射元件是一种满足回转对称非球面部件的公式的元件。根据本发明，所述衍射元件直接形成在所述入射面(SE)上。

Description

用于制造电子显示装置的光管
技术领域
本发明涉及一种用于制造安装在眼镜型(spectacles type)框架上的电子显示装置(electronic display arrangement)的光管。
背景技术
美国专利第6,023,372中公开了这种显示装置，其如图1中的平面视图所示。
该装置10包括外壳组件16，所述外壳组件16包括具有用于接收数据或图像的电路并具有图像生成组件的第一外壳20。由图像生成组件发射的光经由光学设备14转送到使用者的眼睛，例如通过一副眼镜的透镜24。该光管14包括沿其纵轴A-A′传输光的透明的线性光中继器(relay)26以及偏向装置28，所述偏向装置28包括位于相对该第一轴A-A′倾斜的表面上的反射镜30以及与倾斜壁对齐并具有回转轴B-B′的非球面透镜32，在该例中，回转轴B-B′垂直于第一轴A-A′。外壳组件16通过紧固装置36安装在一副眼镜的镜框的其中一个眼镜腿34上。
所述光管具有透镜厚度以外的给定最大高度Hmax，以及沿其纵轴A-A′的给定平均长度Lmoy。作为示例，这种现有技术的光管的最大高度Hmax为11毫米(mm)，平均长度Lmoy为32mm。利用该现有技术装置，使用者所看到的图像的清晰视角可达到11.5°。
光管最好由热塑性材料制成。
发明内容
本发明的目的是可在获得尺寸更大的图像的同时保持良好的图像质量而不管光管的长度Lmoy如何。
对于现有技术装置，图像的任何放大都会不可避免地导致图像质量的问题，特别是导致被称为色差(具体而言为横向色差)的光学缺陷。单色像差也显著增加。
美国专利No.6,349,004描述了一种特别用于电子显示装置的光学装置，其设计为从已知为入射面的它的一个端部朝使用者的眼睛传送光信号到已知为出射面的它的另一个端部，从而可观察到虚像。该装置包括一衍射元件，该衍射元件是满足回转非球面体的公式的元件。
在该现有技术装置中，光学装置由组装在一起的多个光学元件构成，而所述衍射元件由位于光信号入口处、被设置于光学元件组件之前的单独透镜构成。
采用多个器件或透镜的该实施方式在组装方面比较复杂且昂贵。
本发明通过提供一种由制成为单件并能例如通过对塑料进行注模成型而制造的光管来解决该问题，同时仍然提供大尺寸、高质量的图像。
为此，本发明提供一种特别用于电子显示装置的光管，其设计为从被称作入射面的它的一个端部朝使用者的眼睛传送光信号到被称作出射面的它的另一个端部，用于观察虚像，所述光管在其被称为改进面的一个表面上包括衍射元件，所述衍射元件是满足回转非球面体公式的元件，所述光管特征在于所述衍射元件直接形成在所述入射面上。
这种实施方式具有衍射表面位于显示装置内部而不会暴露被灰尘污染的优势。
因此可获得能显示角度大小超过15°的高质量图像的光管。
本发明的光管制造为整体的，优选地，由模制的热塑性材料制成。因此，可相对简单地制造并且具有成本上的优势。
另外，最好光管的长度相对长，因为通过该长度佩戴者可通过光管的中继器保持周围视野的透明。本发明解决了当保持光管长度足以使佩戴者通过光管保持周围良好视野的同时图像质量的问题。
这里所用的术语“衍射元件”指的是通过将波前分割成片断并利用干涉和相位控制(phase control)重定向这些片断而修改波前的光学元件。
在优选的实施例中，所述衍射元件是“开诺(kinoform)”型元件。
这里所用的术语“开诺型元件”指的是具有缓慢、平滑地变化的相位控制表面的衍射元件。
优选地，它是一种满足以步长为模的回转非球面体的公式的“开诺”型元件。
此外，优选地，所述表面中的至少一个是包括光所经过的“工作”面的非球面表面，所述工作面的局部曲率符号至少改变一次。
这种结构使得图像质量可以通过以非常良好的方式控制图像中像散和场曲水平而得到提高。
非球面表面可为出射面，该出射面优选地，是回转面。优选地，它还提供光管的大部分光功率。
所述改进表面优选地也为非球面表面。
优选地，所述非球面表面是回转面。
优选地，所述非球面表面在所述工作面上在其径向剖面中包括至少一个拐点，该拐点相对与工作面中心的径向距离的二阶导数经过零并改变符号。
所述衍射元件的图像可具有小于-4屈光度的近程(proximity)，具体的，小于-10屈光度的近程，或者它可具有大于0屈光度的近程。
优选地，本发明提供一种如上所述光管，其包括光中继器，该光中继器由矩形棒形成，用于沿其被称作第一轴的纵轴传送光，并在它的一个端部上设有所述入射面，而在其另一端部设有相对所述第一轴倾斜的反射壁以及具有包含在纵向对称平面内的回转轴的出射面。
本发明还提供一种适于安装在眼镜型框架上或能够安装在位于使用者眼睛前方的特定系统上的电子显示装置，其包括如上所述的至少一个光管。
所述显示装置可包括两个光管从而提供双眼的显示。
附图说明
以下参照仅示出本发明的优选实施例的图更详细地描述本发明。
图1是上述安装在眼镜型框架上的现有技术的电子显示装置的俯视图。
图2是变形的现有技术的电子显示装置的示意平面视图。
图3是根据本发明的光管的轴A-A′上的局部剖视图。
图4是根据本发明的光管的入射面的轴A-A′上的更详细的局部剖视图。
具体实施方式
图1示出光管的实施方式以及安装光管的技术，特别是在眼镜类型的框架上安装光管的技术。
在本发明的上下文中，光管14可略微不同。
图2中示出了一种变形。该图示意性地示出了包含在外壳(例如图1所示外壳20)中的微屏幕20A。佩戴者所看见的图像呈现在I处。
在这种情况中，透镜32的回转轴B-B′不与第一轴A-A′垂直，而是相对所述轴在65°到90°的角度范围内倾斜。这使得光管安装后可进行人机工程学的调适，使光管符合使用者脸形，其中使用者由眼睛○表示。
另外，该光管还可安装在用于安装在使用者眼睛前的特定系统上，即眼镜框架以外的系统。
图2还显示了具有相对长的光中继器26的优势。通过该长度，佩戴者可通过光管的中继器保持周围视野的透明。该视野由箭头V表示。
在本实施例中，光管包括由矩形棒形成的光中继器26，该光中继器26设计为沿其纵轴A-A′，即所谓“第一”轴传送光，并且在其端部之一上设置有入射面SE，在其另一端部具有相对于所述第一轴倾斜的反射壁28以及出射面SS，更确切地说，所述出射面SS为具有包含在纵向对称平面内的回转轴B-B′的透镜32。
在本发明的优选实施例中，为了能够获得大尺寸的图像，同时保持图像的高质量，入射面SE的形状如图3和4所示。
图3示出了光管14的入射面SE以及相关的微屏幕20A。光束F从微屏幕20A发出。工作面SU是来自微屏幕的这些光束传到使用者眼睛瞳孔所经过的入射面部分。至少在计算工作面的面积时，所述瞳孔可假设为直径8mm。
由于入射面SE设有衍射元件，更确切地说，设有直接成形在入射面上并呈不连续的“开诺(kinoform)”型环的衍射表面，所以可调整该光学设计的其余部分，使得佩戴者所感知的该入射面的图像位于佩戴者聚焦范围之外。作为示例，在本发明的实施例中，入射面SE的图像的观察近程(viewingproximity)小于-4°屈光度，优选地，小于-10°屈光度，或用屈光度表示的该观察近程为正的，使得图像位于“佩戴者头部后方”。通过这种方法，佩戴者不会受到衍生元件的寄生像的干扰。
横向色差可由微屏幕20A的红蓝发射峰的波长值计算得到。通常，该值对红光为460纳米(nm)，对蓝光为630nm。优选地，考虑至少一个位于微屏幕的绿发射峰，即大约516nm的附加波长，从而考虑到色差点的折叠效应(folding effect)。
优选地，选择衍射元件的衍射能力(power)，使得对于瞳孔与出射面SS相距在10mm到25mm的范围内并位于信号的出射光轴上的使用者来说，使用者所感知到的横向色差值小于7弧度分(arcmins)。
图4中更详细地示出工作面SU。
它示出用于消除色差的衍射表面，该表面由用于控制像散和场曲程度的非球面表面支撑。
在本例中，所述非球面表面也是回转对称面。在工作面SU上，支撑衍射表面的所述表面的径向剖面的二阶导数的符号改变至少一次。在所示例子中，该表面沿其径向剖面PR具有满足二阶导数改变符号条件的拐点P1。
如果径向剖面的公式写为Z(h)，则意味着在相应于限定出工作面的空间部分的定义域或工作域(working domain)上，存在至少一个值h0使得：
(d2Z/dh2)(h0)＝0并在经过h0时改变符号。
更一般地，所述改进表面包括“工作面”，光从微屏幕朝佩戴者眼睛通过所述“工作面”，并且对于该“工作面”存在局部曲率的符号反向。
假设该工作面SU的冲击高度(impact height)写作h，带有衍射元件的非球面表面满足以下公式：
Zsupport(h)＝c1.h2/(1+SQRT(1-(1+k1).c1 2.h2)+A1.h4
+B1h6+C1h8+D1h10+E1.h12+F1.h14+G1.h16
+H1.h18+J1.h20
其中：
Zsupport(h)是平行于轴z的表面的坐标；
c1是表面的极上的曲率；
k1是圆锥系数(conic coefficient)；以及
A1，B1，C1......表示表面的非球面性的多项式系数。
Zsupport(h)是回转非球面表面的通用公式。
衍射面的形式为处在工作面SU上的同心带：构成所谓“开诺”剖面。
衍射面的公式与回转非球面表面的公式类似，对步长s取模写作：
D(h)＝mod[Zdiffract(h)，s]
其中：
Zdiffract(h)＝c2.h2/(1+SQRT(1-(1+k2).c2 2.h2)+A2.h4
+B2h6+C2h8+D2h10+E2.h12+F2.h14+G2.h16
+H2.h18+J2.h20
其中，Zdiffract(h)是平行于轴z的表面的坐标；
c2是表面的极上的曲率；
k2是圆锥系数；以及
A2，B2，C2......表示表面的非球面性的多项式系数。
另外：
s＝λ/[n(λ)-1]
其中，λ是衍射元件的设计波长，通常选择为处在光谱中可视波段的中间，即，在本例中为550nm；以及
n(λ)是构成光管的材料对于所考虑的设计波长λ的折射率。
最后，图4所示表面的公式写作如下形式：
Z(h)＝Zsupport(h)+Zdiffract(h)
另外，在本实施例中，出射面优选地为回转非球面表面。
本发明并不局限于详细描述的该实施例。
一些其它类型的光管可用在本发明中，光管在光学上大致等效于具有入射面SE和出射面SS的透镜。
可以选择设有衍射元件和用于控制像散的非球面表面的出射面，以替代使用所述入射面。

Claims (9)

1. 一种用于电子显示装置的光管，其设计为从被称作入射面(SE)的所述光管的一个端部朝使用者的眼睛(O)传送光信号到被称作出射面(SS)的所述光管的另一个端部，用于观察虚像(I)，所述光管在被称为所述光管的改进面的一个表面上包括衍射元件，所述衍射元件是满足回转非球面体公式的元件，所述光管特征在于所述衍射元件直接形成在所述入射面(SE)上；
所述衍射元件是“开诺”型元件。
2. 根据前述权利要求中任一项所述的光管，其特征在于，所述入射面和出射面中的至少一个是包括光所经过的  工作  面的非球面表面，所述工作面的局部曲率符号至少改变一次。
3. 根据权利要求2所述的光管，其特征在于，所述非球面表面是回转面。
4. 根据权利要求2或3所述的光管，其特征在于，所述非球面表面在所述工作面(SU)上包括：其径向剖面中的至少一个拐点，该拐点相对于与所述工作面中心的径向距离的二阶导数经过零并改变符号。
5. 根据权利要求1-3中任一项所述的光管，其特征在于，所述衍射元件的图像具有小于-4屈光度的近程。
6. 根据权利要求1-3中任一项所述的光管，其特征在于，所述衍射元件的图像具有小于-10屈光度的近程。
7. 根据权利要求1-3中任一项所述的光管，其特征在于，所述衍射元件的图像具有大于0屈光度的近程。
8. 根据权利要求1-3中任一项所述的光管，其包括光中继器(26)，该光中继器由矩形棒形成，用于沿该光中继器的被称作第一轴的纵轴(A-A′)传送光，并在该光中继器的一个端部上设有所述入射面(SE)，而在该光中继器另一端部设有相对所述第一轴倾斜的反射壁(28)和具有包含在纵向对称平面内的回转轴的出射面(SS)。
9. 一种适于安装在眼镜型框架上或安装在定位于使用者眼睛前方的特定系统上的电子显示装置，所述装置包括至少一个根据前述权利要求中任一项所述的光管。
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