CN102165357A - 显示装置和显示方法 - Google Patents

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CN102165357A CN2009801384129A CN200980138412A CN102165357A CN 102165357 A CN102165357 A CN 102165357A CN 2009801384129 A CN2009801384129 A CN 2009801384129A CN 200980138412 A CN200980138412 A CN 200980138412A CN 102165357 A CN102165357 A CN 102165357A
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Abstract

本发明涉及一种显示装置，具有夹持装置(2)，佩戴用户的头部；多功能玻璃(4)，与夹持装置(2)粘接且给用户佩戴夹持装置(2)时利用所述玻璃用户能感知真实的环境，所述玻璃包含第一和第二耦合输出截面(9，7)，及耦合输入截面(7)；图像产生模块(5)，产生图像并经由耦合输入截面(7)将图像耦合输入至多功能玻璃(4)，依照此方式图像在多功能玻璃(4)中被导引至在佩戴夹持装置(2)时影响用户方向中图像重定向的第一耦合输出截面(9)，依照此方式用户可感知到与真实周围环境叠加的图像；以及用于图像产生模块(5)的控制单元(12)。显示装置包含检测器(11)，其连接至控制单元(12)且测量环境光的强度，环境光经由第一耦合输出截面(9)耦合输入至多功能玻璃(4)，在多功能玻璃(4)中导引至第二耦合输出截面(7)并经由第二耦合输出部分(7)自多功能玻璃(4)耦合输出，其中，控制单元(12)在藉图像产生模块(5)产生图像的过程中控制亮度，亮度是基于检测器(11)测量的强度来控制。

Description

显示装置和显示方法
技术领域
本发明涉及根据权利要求1的前序部分所述的一种显示装置，以及根据权利要求11的前序部分所述的一种显示方法。
背景技术
这样的显示装置和显示方法如从WO 2008/089992 A1的专利申请中为已知。在这种情况下，由于周围环境的亮度可能变化很大，因此很难产生出能让用户感知与环境对比良好的图像。
发明内容
从此开始，本发明的目的是开发一种在开头所述的显示装置，从而在叠加过程中获得生成的图像相对于感知的周围环境具有良好对比度。再者，提供一种对应的显示方法。
为了达到获得开头所述显示装置的目的，提供一检测器，该检测器与控制单元连接并测量环境光的强度，该环境光经第一耦合输出截面耦合输入至多功能玻璃中，在该多功能玻璃中导引至第二耦合输出截面，并经由该第二耦合输出截面自多功能玻璃耦合输出，其中在凭藉图像产生模块在图像产生过程中，该控制单元基于检测器测量的强度控制亮度。
由此，可获得对环境亮度的优秀适应力。同时，由于产生的图像与感知的周围环境叠加所需的第一耦合输出截面同样也用来将环境光耦合输入至多功能玻璃中，因而光学结构变得简单。
尤其，第二耦合输出截面和耦合输入截面可为相同的截面。在这种情况下，图像在多功能玻璃中从耦合输入截面导引至第一耦合输出截面所经过的光路，同样也可用于耦合输入的环境光以相反方向穿过。
再者，一分光镜可配置在第二耦合输出截面和图像产生模块之间，用于将自第二耦合输出截面耦合输出的光导引到检测器上。在开头所述已知类型的光学结构原则上可保留，只要该分光镜可配置在图像产生模块和多功能玻璃之间。
然而，还有可能形成耦合输入截面以便实现所述分光镜的功能。这将产生出一个非常小型化的显示装置。
在所述显示装置中，控制单元在凭藉检测器测量强度的过程中可中断图像产生模块的图像产生。因此在测量强度的过程中，可减少图像产生模块所造成的不想要的散射光。尤其，图像产生短暂地中断以至于用户无法感知到图像中断。
向光性层可形成在多功能玻璃的前侧。该向光性层可形成为一钝化层或一活性层，其透射率能够得到控制。当对穿过向光性层之后的环境亮度进行测量时，也同等考虑到由于该向光性层所造成的透射中亮度降低的影响。
所述第一耦合输出截面可形成在多功能玻璃的前侧或后侧。该第一耦合输出截面可形成为一全息元件、衍射元件或折射元件。
所述显示装置可形成用于用户的单眼。然而，还可形成用于用户的双眼，因而存在二个多功能玻璃(一个用于用户的右眼，而一个用于该用户的左眼)。利用这个双目构造，图像可表现出一立体图像。
再者，检测器不仅仅可测量所述的亮度，而且还可实施亮度的空间分辨测量。尤其，感知的周围环境可当作一图像投影至检测器并由该检测器记录。因此可在图像产生过程中改变空间分辨亮度，结果是，如，在感知的周围环境中，由明亮到黑暗转变时，为了获得希望的对比度，图像反映出具有适应的图像亮度。因此，例如，当表现一文本时，位于周围环境的明亮区域内的该文本区域可表现出黑暗，且位于周围环境的黑暗区域内的该文本部分可表现出明亮。
所述耦合输出截面可具有第一截面和第二截面，其中仅第一截面会经反射及/或折射影响图像的偏转，该第一截面由多个互相分离的反射及/或折射偏转元件形成。尤其，该耦合输出截面可划分为第一截面和第二截面。
因为该偏转元件可用于反射及/或折射，所以图像的偏转可在大波长范围中实现(尤其与利用衍射光栅的偏转比较)。
所述第一截面可具有图像的成像功能。因此，不仅仅影响了想要的偏转，而且成像属性同样也凭藉该第一截面实现。该第一截面的成像属性可对应于虚光学有效表面，该虚光学有效表面是曲面，且最好不具有镜面和旋转对称。该有效表面还可不具有平移对称。显然，该虚光学有效表面还可为旋转对称(如，旋转非球面)或环面。
尤其，从顶部俯视该第一耦合输出截面，该第一截面的表面最好为第一耦合输出截面的表面的5％至30％。然而，该第一截面与第一耦合输出截面的比也可为50％以上。
所述偏转元件可形成在主体的材料接口上。因此可进行特别简单的制造，如凭借钻石切割。再者，可利用成型和铸造方法进行生产。
每个偏转元件可形成为平坦。然而，各别的偏转元件也可弯曲成形。
尤其，所有的偏转元件可形成为相同。可选地，偏转元件的成形可变化。
所述偏转元件最好在第一耦合输出截面中规则地分布，可形成为多边形及/或最好在20μm至30μm的范围内具有一最大长度。然而，该最大长度也可为200μm或100μm。
可形成所述第一耦合输出截面，从而碰到第一截面的该部分环境光被遮挡并因此不被用户感知。可选地，第一截面还可透射该环境光。
所述第一截面可以不连续菲涅尔结构的方式形成。该菲涅尔结构可具有对应虚光学有效表面的成像属性。
所述偏转元件可利用一反射涂层获得反射。该反射涂层可形成为一全反射或也可形成为一部分反射。再者，可利用全内反射实现反射效果。在这种情况下，就不需要反射涂层。
尤其可形成所述多功能玻璃，从而图像产生模块的图像在该多功能玻璃中导引至第一耦合输出截面。这例如可在材料接口上的反射中发生。尤其，这些反射可为全内反射。
再者，第一耦合输出截面的第二截面可传输环境光。
根据本发明，所述显示装置可称为HMD装置(头盔显示器装置)。该显示装置可进一步包含显示装置操作领域的技术人员所熟知的元件。
根据本发明的显示装置，所述第二耦合输出截面及/或所述耦合输入截面可利用投影属性形成为菲涅尔(Fresnel)结构。
尤其，该菲涅尔结构可具有几个菲涅尔段，其中该菲涅尔段的光学有效面光学地对应于呈曲面的虚光学有效表面，且不具有镜面对称或旋转对称。这种光学有效表面在这里称为自由形式表面。该自由形式表面尤其也可不具有平移对称。
这种光学有效表面或自由形式表面可独立于其空间长度进行初始计算优化，从而使随后生产出的具有菲涅尔结构的光学元件具有想要的属性。该自由形式表面的空间长度在实现作为菲涅尔结构的自由形式表面中没有起到特别作用，因为可利用各个面以光学等效方式提供该自由形式表面，最终可实施上述计算优化。
所述最大面高度可预定且例如处于5μm至500μm的范围内，尤其在0.01mm至0.1mm的范围内。
尤其，光学活性面形成在多功能玻璃的接口处。这简化了制造。因此，所述菲涅尔结构例如可利用钻石切割生产。然而，也可利用成型和浇铸方法生产该菲涅尔结构或该多功能玻璃。
所述菲涅尔段可形成为反射段或折射段。在反射情况下，可调节反射且调节范围处于0以上至几乎为100％之内。
尤其，对于菲涅尔结构，每个面的最大高度可相同。
再者，面的形状可近似，尤其线性近似于虚光学有效表面的对应表面截面的形状。因此，可一直获得光学对应的效果。当然，该菲涅尔结构的光学效应实际上不同于虚光学有效表面的光学效应。根据本发明，至关重要的是该菲涅尔结构的实际光学效应偏离于虚光学有效表面的最优光学效应是如此的小，以至于光学元件能满足设定的光学条件，因为一直都具有光学元件，所以实际上永远不会获得理论上的最大光学效果。
所述面在其截面中可为凹曲或凸曲。
再者，所述菲涅尔段可直接相邻。然而，各个菲涅尔段还可互相分离。
具有菲涅尔结构的所述光学有效表面尤其为连续表面。
为了达到获得在开头所述显示方法的目的，测量环境光的强度，该环境光经由第一耦合输出截面耦合输入至多功能玻璃中，在该多功能玻璃中导引至第二耦合输出截面，并经由该第二耦合输出截面自多功能玻璃耦合输出，以及基于测量的强度控制图像的亮度。
想要的对比度因此可基于该环境亮度调节。
在所述方法中，所述第二耦合输出截面和所述耦合输入截面可为相同的截面。
再者，在所述方法中，可将一分光镜配置在该第二耦合输出截面和图像产生模块之间，用于将自第二耦合输出截面耦合输出的光导引到检测器。
此外，在所述方法中，图像可在多功能玻璃中沿图像光路导引，其中经由第一耦合输出截面耦合到多功能玻璃中的环境光穿过图像光路。
在所述方法中，凭藉图像产生模块的图像产生可在强度测量过程中被中断。
再者，向光性层可形成在多功能玻璃的前侧。该向光性层可实现为一钝化层或一活性层。
在所述方法中，第一耦合输出截面可形成在多功能玻璃的前侧或后侧，作为具有衍射效果的元件。
再者，在所述方法中，强度可被空间分辨地测量，且产生的图像中的亮度可被空间分辨地控制。
根据本发明，所述方法的优选实施例在从属的方法权利要求中记载。
尤其，可测量空间分辨强度。因此，如，可测量感知的周围环境的图像。在这种情况下，图像亮度的控制还可空间分辨变化，结果对当前周围环境中亮度的最优适应度成为可能。
所述菲涅尔段最好形成在多功能玻璃的接口上。这简化了多功能玻璃的生产。
该菲涅尔结构可在生产数据的基础上进行生产，通过将光学模型表面划分成几个高度范围，并在基底表面(如，在基底表面上或下)计算地配置各个高度范围的表面截面或这些表面截面的近似，从而使这些表面截面光学对应于光学有效表面，进而计算产生这些数据。对几个高度范围的划分可按恒定高度或者也可按可变高度实施。尤其，所述高度处于5μm至500μm的范围内。尤其最好地，该范围为0.01mm至0.1mm。
对所述高度范围进行特别地选择，从而使距基底表面的距离在每种情况中均为恒定。
所述表面截面或者表面截面的近似可在平坦或弯曲基底表面上计算配置。
尤其，选择线性近似作为表面截面的近似。然而，还可使用任何其他类型的近似。
可形成所述面从而使所有面的最大高度均相同。
本发明显示装置的多功能玻璃可依照如WO2008/089992 A1中形成多功能玻璃相同的方式来形成。而且，本申请的图像产生模块可依照如WO2008/089992 A1中形成图像产生模块相同的方式来形成。WO2008/089992 A1的内容在此全部纳入本申请中。
可以理解地是在不脱离本发明的框架的条件下，以上所称并仍然在下面作出解释说明的特征不仅仅可用在给出的组合中，还可用于其它组合或单独使用。
附图说明
图1为本发明第一实施例中显示装置的示意图；
图2为本发明第二实施例中显示装置的示意图；
图3为图2中的多功能玻璃4的耦合输出截面9的俯视图；
图4为图3中沿剖线B-B的放大剖视图；
图5为图4中细节C1的放大图；
图6为说明偏转元件的配置的示意图；
图7为说明偏转元件的配置另外的示意图；
图8为图4中细节C2的放大图；
图9为根据第一变型图4中细节C2的放大图；
图10为根据第二变型图4中细节C2的放大图；
图11至图13为偏转元件12的其他轮廓形状的实例；
图14为反射镜和视线限制边缘形成的另一个实例；
图15为耦合输入截面7的透视图；
图16为根据图15利用菲涅尔结构33仿真光学有效表面的轨迹图；
图17为根据图15耦合输入截面17的俯视图；
图18为活性表面38的xz截面；
图19为图18中细节C3的放大图；
图20为菲涅尔结构33的轮廓形状；
图21为在一曲面基底表面41上实现为菲涅尔结构33的另一个有效表面38的剖视图；
图22为再次被转用到具有与菲涅尔结构同等光学效果的一曲面基底表面41上的另一个有效表面38；
图23至图24为曲面基底表面41上的菲涅尔结构的剖视图；
图25为另一菲涅尔结构33的剖视图；
图26为一不连续菲涅尔结构的剖视图，以及
图27为本发明另一实施例中的显示装置的示意图。
具体实施方式
在图1所示的实施例中，本发明中的显示装置1包含夹持装置2，其能够以眼镜框的形式安装在用户的头上，其中在图1中仅示意性地绘制出一个侧臂3。
用于用户双眼A的二个多功能玻璃4与夹持装置2附接。在图1的侧视图中，仅示意性地表示出一个多功能玻璃4和一只眼睛。
所述显示装置进而包含一图像产生模块5。当用户将显示装置佩戴在头上时，图像产生模块5产生的图像通过多功能玻璃4与用户感知的周围环境进行叠加，然后呈现给显示装置的用户。为此，多功能玻璃在其下侧6上具有耦合输入截面7，并在其后侧8上具有耦合输出截面9。该耦合输出截面9形成为衍射元件，并用以偏转用户眼镜A所在方向中从图像产生模块5经由耦合输入截面7耦合输入的光，结果用户可感知到所产生的图像为与周围环境叠加的虚像。该耦合输入截面7可，但不必须，形成为衍射元件。在多功能玻璃4中，光在三个全内反射的基础上，沿图像光路B导引到耦合输出截面9。
形成所述耦合输出截面从而第-1衍射级在箭头P1所指方向内行进，而第+1衍射级在箭头P2所指方向内行进，其中最好在耦合输出截面9进行优化，使得尽可能与衍射到第+1衍射级一样多的光衍射到第-1衍射级。因为耦合输出截面9在第0衍射级的方向内(根据箭头P1或箭头P2所指方向中的辐射)为透射的，用户可感知到周围环境与图像产生模块5所产生的图像叠加。
然而，来自周围环境一定比例的光在第1衍射级的基础上，在耦合输出截面9被耦合输入至图像光路B，并在多功能玻璃4中，在与图像产生模块的光的相反方向中被导引至耦合输入截面7，然后经由该耦合输入截面7离开多功能玻璃4。分光镜10是配置在耦合输入截面7和图像产生模块5之间，用来将来自耦合输出截面9的部分光从周围环境导引到检测器11上。
检测器11测量与其碰到的光的强度，并发送相应的测量信号到显示装置1的控制单元12。该控制单元12与图像产生模块5连接，用来基于检测器11的测量信号控制图像产生模块5，从而用户可感知图像产生模块5所产生的图像，其在叠加状态中具有相对于周围环境亮度一定程度的亮度。因此，例如凭藉图像产生模块5所产生的图像的亮度可随着环境亮度增大而增大。当然，例如还应考虑由于在图像产生模块5所产生的图像和周围环境之间具有一预定的对比比率，而凭藉检测器11所测量的强度。
在显示装置1的控制或调整过程中，可考虑如下的亮度工程输入变量。
通过多功能玻璃4在其后侧(即在多功能4和眼睛A之间)所感知的周围环境的环境光
Figure BPA00001335090000081
是，对于通过多功能玻璃4(在图1中箭头P1所指的从右到左的方向中)的玻璃透射率τ(λ)1，
Figure BPA00001335090000082
其中，Le(λ)环境为碰到多功能玻璃4的环境光。眼睛A在多功能玻璃后面看到的环境亮度
Figure BPA00001335090000083
为
光传感器或检测器11看到的光计算如下：
Figure BPA00001335090000085
其中，η1为耦合输出截面9的衍射效率
Figure BPA00001335090000091
τ(λ)2为沿图像光路B的玻璃透射率，而τ(λ)3为从耦合输入截面7到检测器10的透射率。
通过耦合输出截面9耦合输出之后在出口处进入眼睛的图像产生模块5所产生的图像的辐射为
Figure BPA00001335090000092
其中，η2为衍射效率τ(λ)4为沿玻璃内的光学路径从图像产生模块5到耦合输出截面的玻璃透射率，而Le(λ)图像为从图像产生模块5(在反光镜10的前面)出来的图像的光。在出口进入眼睛A的图像的亮度
Figure BPA00001335090000094
因此为
在光调整过程中，要考虑到检测器11的参数
Figure BPA00001335090000096
感知的环境亮度
Figure BPA00001335090000097
以及图像的感知亮度
Figure BPA00001335090000098
之间的关系。Le(λ)图像可被表达为如a(Le(λ)环境)b+偏移量(offset)。调整算法例如可从下面函数开始：
Figure BPA00001335090000099
环境亮度的测量可连续实施或者也可按预定间隔实施。优点在于在检测器11的测量过程中，如果短暂关闭图像产生模块5，就可避免来自图像产生模块5不想要的散射光可能造成测量的失真。图像产生模块5的这种临时性关闭可能是短暂的，以致于用户不会在使用显示装置1时有所感知。
所述耦合输出截面9不仅仅耦合输出地形成为衍射的耦合输出截面，还可形成为折射耦合输出截面。在这种情况下，最好形成为菲涅尔结构。
根据一可选的实施例，如图2中所示地，所述耦合输出截面9还可形成在多功能玻璃4的前侧13上。在这种情况下，来自图像产生模块5的光在耦合输出截面9反射之后不会立即离开多功能玻璃4，而是在箭头P1所指的方向中穿过多功能玻璃4然后在其后侧8离开。
所述耦合输出截面9还可称作叠加区域9，因为其造成了来自周围环境的光的叠加，如图2中箭头US所代表地，图像产生模块5的光BS经由耦合输入截面7耦合输入。尤其在图3中俯视图可以看出，叠加区域大致形成为圆形并划分为第一截面20和第二截面21，其中第一截面20用于偏转来自图像产生模块5的图像光束BS，而第二截面21用于传输来自周围环境的环境光束US。所述叠加区域9具有多个互相分离的子截面S，这些子截面在这里所述实施例的情况中在叠加区域9内随机分布。
沿图3中子截面S其中之一的剖线B-B，从放大剖视图(图4)中可以看出，每个子截面S具有多个互相分离的偏转镜22，这些偏转镜在这里垂直于图4的绘制平面延伸。
子截面S中偏转镜22之间的区域以及子截面S旁边的叠加区域9的剩余区域一起形成第二截面21。所述第一截面20由偏转镜22形成。
进一步从图4可以看出，叠加区域9及偏转镜22都形成在多功能玻璃4的前侧13上。即使前侧13为弯曲，曲率也没有在图4中显示出来，这是为了简化表达。所述偏转镜22相对前侧13的法线倾斜，从而碰到各个偏转镜12的部分图像光束BS向眼睛A偏转作为图像部分光束BS’。没有碰到偏转镜12的剩余部分图像光束BS在前侧8反射及/或传输，从而不会被用户所感知。
碰到偏转镜22后侧(从图4中的右侧)的部分环境光束US被偏转镜22遮掩，从而用户不会感知这个部分。这个部分因此在图4中以阴影绘制。剩余部分环境光束US在偏转镜22之间或在偏转镜22旁边穿过透射区域23作为环境部分光束US’。
所述叠加区域9因此造成了，穿过形成第二截面21的透射区域23的环境光束US的部分US’与在偏转镜22上反射的图像光束BS的部分BS’之间的叠加，以形成公共光束GS。用户在头上佩戴显示装置1，可感知与周围环境叠加的图像产生模块5所产生的图像。
在图4的示意图中，光束BS’和US’互相平行行进。然而，这种需要并非如此。因此，如因为前侧的曲率，会导致发生光束BS’和US’的“通过混合”。
与衍射的技术方案相比，因此形成的叠加区域9具有的优点是其具有非常宽广的带宽。
再者，所述叠加区域还具有一个或一个以上的偏转元件，图中未示，这确保了一小部分的环境光束US耦合输入至图像光路B中，并因此如图1实施例所述的相同方式在多功能玻璃4中，以与图像光束BS相反的方向行进至耦合输入截面7，然后凭借分光镜10经由多功能玻璃4从玻璃4出来并碰到检测器11。
各个偏转镜22最好不规则地配置在叠加区域9上，因为这里的情况是基于子截面S在叠加区域9内随机分布的。当然，相邻偏转镜22之间的距离例如也可变化。偏转镜22在叠加区域9内的任意其他分布也是可行的。从叠加区域9的俯视图观察，偏转镜22的表面部分与叠加区域9的整个表面可处于如5％至30％的范围内。
显然，偏转镜22还有可能提供在整个叠加区域内。在这种情况中，上面所述的表面部分可具有比例b/a处于3∶1至20∶1的范围内(图5，显示了图4中放大的细节C1)。在所述实施例中，高度h最好处于5μm至500μm的范围内，尤其处于0.01mm至0.1mm的范围内。已经证明20μm至30μm的尺寸为有利于参数a的最佳尺寸。
图3中的第一截面20还可称作不连续菲涅尔结构，由于偏转镜22在在分布的子截面的基础之上配置分布。这个菲涅尔结构可确定如下。初步设想为如下所示的通用表面函数f(x，y)。
Figure BPA00001335090000111
该表面函数f(x，y)尤其可表示曲面。该曲面可旋转对称地形成。例如，该表面函数可表示旋转非球面。然而，还可能表示为弯曲且不具有镜面和旋转对称的表面。此种表面还可称作自由形式表面。该自由形式表面最好不具有平移对称。
通过之前说明的最大凹深h(这里，如0.01mm和0.1mm之间)，考虑多功能玻璃4的前侧8的高度z(x，y)，下面实际轮廓函数可被推导出作为轮廓高度。
轮廓＝z(x，y)-模(f(x，y)，h)        (8)
这里，模(f(x，y)，h)表示在一个步骤中从0增大到h然后跌落回0的代表菲涅尔比例。因此，模(f(x，y)，h)表示直角三角形的三角函数。因此获得如图6示意性所示的下面连续轮廓函数。
依据偏转镜22与整个叠加区域的希望表面比以及子截面S的尺寸和数量，这个轮廓函数的区域或截面由多功能玻璃4的前侧8的球半径取代，结果获得如下图7所示的菲涅尔结构。由于仅示意性地代表了前侧8小截面，所以无法从这个代表图中看到前侧的球曲率。
在这里所述的实施例中，使用下面多项式系数，其中，每种情况中具有系数c的第一数字代表权x，第二数字代表权y，结果如c21为xxy之前的系数。没有列出的任意系数c为0。
  c10   3.09E-02
  c01   -5.69E-01
  c11   -1.00E-04
  c21   2.71E-05
  c12   1.34E-05
  c22   2.57E-06
  c20   3.17E-03
  c02   2.44E-03
  c30   2.64E-05
  c03   2.23E-05
菲涅尔结构所应用的多功能玻璃半径这里为105.08mm。
在所述的实施例中，在图8中从图4中的细节C2的放大图可以看出，偏转镜22由倾斜截面的金属V所形成。
在图9中，显示出一种变型，在偏转镜22相对于前侧倾斜，并因此相对于多功能玻璃4的透射区域23倾斜的基础上所形成的自由区域利用材料24填满至前侧。最好在实施填满过程中形成一平滑、连续的前侧。尤其，多功能玻璃4自身所用的相同材料可用作材料24。
然而，还可设计叠加区域9，从而图像光束BS的偏转利用全内反射发生，结果不再需要金属，如图10所示。在这种情况下，环境光束US也由偏转元件22传输。
当然，还可提供具有部分金属的偏转元件22，结果能实现对图像光束BS的反射功能，还能实现对环境光束US的透射功能。
再者，可形成折射偏转元件以替代反射偏转元件。在这种情况下，所述叠加区域9最好形成在多功能玻璃4的内侧18，如图1所示。
到现在为止描述的实施例中，剖视代表图中所示的偏转元件22的轮廓形状总是线性的。然而，其他轮廓形状也是可行的。因此，边缘在其截面中可为凸曲，如图11所描绘地。图11，还有图12和图13中的描绘对应于图6中的描绘，结果从这个轮廓形状开始，仍然在区域中提供球半径来替代图中所示的轮廓轨迹，进而获得子截面S中想要的轮廓轨迹。如图12所绘制地，还可提供凹边缘曲率。
如在图13中示意性绘制地，还可提供任意想要的曲率。
在多功能玻璃4的一变型(图中未示)中，来自图像产生模块5的光的光路折迭，在耦合输入截面7和叠加区域9之间的多功能玻璃4中以叠加区域9的方式受到一个或一个以上的菲涅尔表面的影响。
在图14中，显示出另一种轮廓，其不同于到现在为止所述的轮廓，重点在于连接偏转镜29的边缘29’从其截面中已不再互相平行，而是基于前侧13的中心呈放射状，图中未示。
所述耦合输入截面7可形成为菲涅尔表面(具有几个菲涅尔段34的菲涅尔结构22)，其具有光学成像属性。这种耦合输入截面7的局部放大图如图15所示，其中，与图1和图2相比，为了简化绘制，所示的耦合输入截面7旋转了180°。来自图像产生模块5的光因此从上碰到耦合输入截面7。
每个菲涅尔段34具有光学有效面35。为了获得如图1所示的阶梯形状，每个菲涅尔段34通常也包含边缘36，在这里基本垂直于下侧6延伸。
面35的公共光学效应对应于虚光学有效表面38，如图16所示，其中光学有效表面38为曲面且最好不具有镜面或旋转对称。通过图15和图16的比较可以简单地看出，图16与图15相比关于z轴旋转了90°。虚光学有效表面38可根据图15实现为如下的菲涅尔结构33。
所述有效表面38在z方向中划分为几个具有相等高度Δh的截面。截面线39也可称作等高线且每个截面线划定因此得到的有效表面38的一表面截面40。该表面截面40所有都在z方向互相转移，从而下截面线(具有较小z值的一个线)和面35的下缘处于同一高度(在z方向中)。垂直边缘36进而从表面截面40的各个上截面线并因此从面35的上缘导引至直接相邻表面截面40的下截面线，从而获得根据图15的菲涅尔结构33的阶梯成形。上缘可在图15中光学元件1的图17俯视图中看到。
下面将结合图18详细描述所述阶梯，通过实现这些梯度，从弯曲且较佳不具有镜面或旋转对称的虚光学有效表面38获得了想要的菲涅尔结构33，其中，所示的有效表面38的xz截面不同于图16的有效表面38，但仍为曲面且不具有镜面或旋转对称。对相等高度的表面截面40的划分(在图18代表的截面代表图中这些表面截面当然为线截面)在图18中用虚线部分绘制出。
在图19中，从图18中的细节C3的放大图中可以看出，所示的表面截面40在预定距离Δh的基础上清楚地定义然后下降至高度z0，如箭头P3示意性地绘制。再者，垂直高度z0延伸的边缘36也加在表面元件的左侧或面35上。因此，所述菲涅尔结构33以高度z0形成在水平的基底表面41上。
因此，下面公式1可用于说明菲涅尔结构33，其中ZF表示菲涅尔结构33，Z基底表面表示菲涅尔结构所应用的基底表面41(这里为平面)的表面形状，而Z面表示相对于基底表面41的菲涅尔面35：
ZF＝Z基底表面+Z面                    (9)
所述面的表面Z面，也可称作“菲涅尔”自由形式表面，根据下面公式10计算
Z面＝模(Z有效表面，Δh)              (10)
其中有效表面38由下面表面公式Z有效表面描述
Figure BPA00001335090000141
其中K1代表x方向中的圆锥项，而K2代表y方向的圆锥项，如下定义
K 1 = C x x 2 1 + 1 - ( 1 + k x ) c 2 x 2 - - - ( 12 )
K 2 = C y y 2 1 + 1 - ( 1 + k y ) c 2 y 2 - - - ( 13 )
通过在有效表面38上应用模函数，该有效表面38在z方向中划分出具有相等高度Δh的距离。因此，面35的最大高度在每种情况中均为Δh。所用的该模函数在下面给出。
其中，高斯括号
Figure BPA00001335090000152
说明小于或等于高斯括号中该数的最大整数，因此除法a/m的结果不包括除法的余数。下面公式因此为所述面表面的结果
Figure BPA00001335090000153
根据上述过程，提供相应光学效应的对应菲涅尔结构38可在想要的光学有效表面38的基础上推导出来，该想要的有效光学有效表面38为曲面且最好不具有镜面或旋转对称。
即使当菲涅尔结构33将在其接口上根据有效表面38形成具有光学元件，在阶梯形状的基础上无法获得相同的光学效果，也可获得一类似的光学效果。
从图18和图19中可以看出，所述面35在高度范围Δh中具有由有效表面38预定的曲率。为了简化菲涅尔结构33的生产，可以将各个面35的轨迹近似到有效表面38的对应表面形状。在最简单的情况下，轨迹可为线性，如图20的剖视图中示意性地绘制。然而，还可提供具有凹曲率(图11)或凸曲率(图12)的面。另一种曲率轨迹的近似手段也可，如图13中所示的实例所说明的。
根据本发明的这个过程，使得任意弯曲的有效表面38形成在平坦表面上作为菲涅尔结构，例如实现了对于安装空间的优化设计。
在前面描述的耦合输入截面7的菲涅尔表面的实施例中，在每种情况中，平坦表面或平面均被假设为基底表面。当然，如，如果菲涅尔结构33形成在球曲面上，还可提供不同的基底表面。在这种情况下，实际上可凭借菲涅尔结构33实施微调，如通过进一步校正球面的畸变或多功能玻璃4的其他成像误差。
如图21所示，有效表面38以相等高度Δh为间距划分，其中，这里的高度在每种情况下均相对于基底表面41的本地表面法线进行观察。因此绘制的截面线之间的距离在每种情况下相对于基底表面41均为恒定。
在如图22所示的实例中，有效表面38相对于球基底表面41明显倾斜。仍在这种情况下，在不需去改变基底表面41的宏观形状的前提下，在基底表面41上形成作为一菲涅尔结构33的有效表面38已不成问题。这里的高度Δh在所有其他的实施例中处于5μm至500μm的范围内，尤其在0.01mm至0.1mm的范围内。再者，高度Δh不需要为常数，但如在所有其他实施例中可变。因此，如，Δh自身可随着z值的增大而增大或减小。
在图23中，显示出弯曲基底表面41上的菲涅尔结构33的剖视图，其中，所述面35每一个都线性形成。各个边缘36互相平行排列，其中基底表面41的原始轨迹也示意性地绘制。在这个实施例中，面函数Z面已经在公式9的变型中从基底表面函数Z基底表面中推导出，最终菲涅尔结构33可表达如下：
ZF＝Z基底表面-Z面                            (16)
这种计算ZF的方法当然也可用于已经描述的实施例中以及下面仍要描述的所有实施例中。
在图24中，显示出图23中轮廓的变型，其重要不同点在于边缘36在其截面中不再互相平行，而是相对于基底表面41的中心呈放射状，图中未示。
可提供所述的菲涅尔结构33，用于折迭在多功能玻璃4的前侧13及/或后侧8上的耦合输入截面7和耦合输出截面9之间的多功能玻璃4中来自图像产生模块5的光的光路，其中，所述面35在这种情况下最好金属化。结合图8至图10，所述面35可使用上述图中所述的相同方式形成。
图25显示出另一个菲涅尔结构33的截面图。在这个菲涅尔结构33中，边缘36没有如之前大多数实施例所述地垂直延伸(这里在z方向中)，而是还有稍许倾斜。这简化了菲涅尔结构33的制造。然而，最好的是边缘36的倾斜角度尽可能的小，最终边缘36可准垂直。所述面的形成还可提供在图2至图14所示的结构中。
结合图15至图25，前面所述的菲涅尔结构33为连续菲涅尔结构。这意味着各个菲涅尔面35总是利用边缘36互相连接。然而，还可提供互相分离的菲涅尔面35和插入截面43，例如可为各个菲涅尔面35之间的基底表面41的截面。在这些截面中利用基底表面Z基底表面的轨迹替代确定的菲涅尔表面ZF的区域或截面就可简单地实现上述内容。这样的菲涅尔结构33的轮廓示意性地在图26中说明。形成方式大致上对应于图2至图14中描述的实施例。
图27显示了本发明的另一个实施例，其中与图1至图26所示的实施例相比，相同的元件给出相同的附图标记，并将图1至图26的对应描述作为参考来解释说明这些元件的功能。
不同于图1中的实施例，在图27的实施例中，透射率调节或向光性层14形成在前侧上。这个层14可实现为钝化层，其中透射率随着环境亮度的增加而降低。因此，用户感知的亮度变得更小。然而，一旦环境光在穿过该向光性层14之后已被检测器测量，当控制图像产生模块5时可考虑该向光性层的影响。因此可获得所产生的图像相对用户感知的环境亮度的非常好的适应力。
所述向光性层还可形成为活性层14(例如液晶涂层)。该活性向光性层14的透射率或者传输比经由虚线所示的线15由控制单元12调节。因此可对图像产生模块5所产生的图像相对用户感知的周围环境的适应度实施优化。
显示装置的调整可基于如最佳对比度，其中图像亮度
Figure BPA00001335090000171
相对环境亮度
Figure BPA00001335090000172
的可视对比度(韦伯对比度)应处于阈值对比度之上，且成像系统的黑电平(黑色像素的图像亮度)相对环境亮度的可视对比度(韦伯对比度)应处于阈值对比度之下。
为了达到这个目的，数据反射(产生图像)的亮度应非常高且图像产生模块5的亮度当关闭(黑电平)时应非常小。这可通过最大化显示对比度而实现，如在图1所示的实施例中。然而，这个最大化的方式受限于使用的图像产生模块5。基于目前可用的图像产生模块5，显示对比度最多为100∶1。再者，环境亮度可独立于数据反射而主动下降，如图27所示的情况中。图1所示的实施例中尽管利用图像产生模块的最大可实现亮度，在一定的环境亮度中也无法确保所产生图像的感知，不同于图1的实施例，在这个实施例中为了确保图像的感知，可提供更多的高亮动态背景场景。
在向光性层14的基础上，仅上面的公式(1)和公式(3)需要作出如下调整：
Figure BPA00001335090000181
其中，τ5为向光性层14的透射率度。公式3改变如下：
Figure BPA00001335090000182
根据图27，显示装置的调节可按如上述图1实施例的相同方式实施。由于向光性层14的τ5可在0.1至0.9的范围内变化，则图27的实施例中可获得的最大对比度很明显大于图1实施例中获得的对比度。

Claims (32)

1.一种显示装置，具有：
夹持装置(2)，其安装在用户的头部，
多功能玻璃(4)，其附接至夹持装置(2)，并且当夹持装置(2)安装于用户时，利用该多功能玻璃(4)感知真实周围环境，并且该多功能玻璃(4)具有第一和第二耦合输出截面(9，7)，以及耦合输入截面(7)，
图像产生模块(5)，其产生图像，并经由耦合输入截面(7)将图像耦合输入至多功能玻璃(4)中，从而当夹持装置(2)安装于用户时，该图像在多功能玻璃(4)中被导引至致使图像在用户方向中偏转的第一耦合输出截面(9)，从而用户可感知到与真实周围环境叠加的该图像，以及
控制单元(12)，控制该图像产生模块(5)，
其特征在于，
该显示装置具有一检测器(11)，该检测器(11)连接至控制单元(12)且测量环境光的强度，该环境光经由第一耦合输出截面(9)耦合输入至多功能玻璃(4)中，在多功能玻璃(4)中导引至第二耦合输出截面(7)，并经由第二耦合输出截面(7)自多功能玻璃(4)耦合输出，
其中，在凭藉图像产生模块(5)产生图像的过程中，该控制单元(12)基于检测器(11)测量的强度控制亮度。
2.如权利要求1所述的显示装置，其特征在于，所述第二耦合输出截面和所述耦合输入截面为同一截面(7)。
3.如权利要求1或2所述的显示装置，其特征在于，分光镜(10)将自第二耦合输出截面(7)耦合输出的光导引到检测器(11)上，且该分光镜(10)是配置在第二耦合输出截面(7)和图像产生模块(5)之间。
4.如前面权利要求任意一项所述的显示装置，其特征在于，所述图像是沿图像光路在多功能玻璃(4)中被导引，其中所述经由第一耦合输出截面(9)耦合输入至多功能玻璃(4)的环境光穿过该图像光路。
5.如前面权利要求任意一项所述的显示装置，其特征在于，在检测器(11)测量强度的过程中，所述控制单元(12)中断图像产生模块的图像产生。
6.如前面权利要求任意一项所述的显示装置，其特征在于，向光性层是形成在所述多功能玻璃的前侧(13)上。
7.如权利要求6所述的显示装置，其特征在于，所述向光性层是形成为钝化层。
8.如权利要求6所述的显示装置，其特征在于，所述向光性层形成为凭藉控制单元(12)控制的活性层。
9.如前面权利要求任意一项所述的显示装置，其特征在于，所述第一耦合输出截面(9)是形成在所述多功能玻璃的前侧(13)或后侧(8)上，作为具有衍射作用的元件。
10.如前面权利要求任意一项所述的显示装置，其特征在于，所述检测器(11)测量空间分辨强度，且所述控制单元(12)控制所产生的图像中的空间分辨亮度。
11.如前面权利要求任意一项所述的显示装置，其特征在于，所述第一耦合输出截面(9)具有第一截面(20)和第二截面(21)，其中仅第一截面(20)由反射及/或折射影响图像的偏转，该第一截面(20)由互相分离的多个反射及/或折射偏转元件(22)所形成。
12.如权利要求11所述的显示装置，其特征在于，所述第一截面(20)具有图像的成像功能。
13.如前面权利要求任意一项所述的显示装置，其特征在于，所述第一耦合输出截面(9)具有第三截面和第四截面，该第三截面具有互相分离的多个反射及/或折射第二偏转元件，
其中经耦合输出截面(9)传输的部分入射的环境光用来让用户感知周围环境，且在第二偏转元件上利用反射及/或折射偏转的部分入射的环境光用于测量强度。
14.如前面权利要求任意一项所述的显示装置，其特征在于，所述第二耦合输出截面及/或所述耦合输入截面形成为具有成像属性的菲涅尔结构。
15.如权利要求14所述的显示装置，其特征在于，所述菲涅尔结构(33)具有几个菲涅尔段(34)，其中，所述菲涅尔段(34)的光学有效面(35)光学上对应于虚光学有效表面(38)，该虚光学有效表面(38)是曲面且不具有镜面或旋转对称。
16.如权利要求15所述的显示装置，其特征在于，所述光学有效表面(38)不具有平移对称。
17.一种用于显示装置的显示方法，该显示装置具有：
夹持装置，其安装在用户的头部，
多功能玻璃，其附接至夹持装置，并且当夹持装置安装于用户时，利用该多功能玻璃感知真实周围环境，并且该多功能玻璃具有第一耦合输出截面和第二耦合输出截面，以及耦合输入截面，
图像产生模块，其产生图像，并经由耦合输入截面将图像耦合输入至多功能玻璃中，从而当夹持装置(2)安装于用户时，该图像在多功能玻璃中被导引至致使图像在用户方向中偏转的第一耦合输出截面(9)，从而用户可感知到与真实周围环境叠加的该图像，
其特征在于，
环境光的强度经由第一耦合输出截面耦合输入至多功能玻璃中，在多功能玻璃中导引至第二耦合输出截面，并经由第二耦合输出截面自多功能玻璃耦合输出来测量，以及该图像的亮度基于测量的强度进行控制。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述第二耦合输出截面和所述耦合输入截面是同一截面。
19.如权利要求17或18所述的方法，其特征在于，分光镜将自第二耦合输出截面耦合输出的光导引到检测器上，且该分光镜是配置在第二耦合输出截面和图像产生模块之间。
20.如权利要求17至19任意一项所述的方法，其特征在于，所述图像是沿图像光路在多功能玻璃中被导引，其中所述经由第一耦合输出截面耦合输入至多功能玻璃的环境光穿过该图像光路。
21.如权利要求17至20任意一项所述的方法，其特征在于，在测量强度的过程中，凭藉图像产生模块中断图像产生。
22.如权利要求17至21任意一项所述的方法，其特征在于，向光性层是形成在所述多功能玻璃的前侧上。
23.如权利要求22所述的方法，其特征在于，所述向光性层是形成为钝化层。
24.如权利要求22所述的方法，其特征在于，所述向光性层是形成为活性层。
25.如权利要求17至24任意一项所述的方法，其特征在于，所述第一耦合输出截面是形成在所述多功能玻璃的前侧或后侧上，作为具有衍射作用的元件。
26.如权利要求17至25任意一项所述的方法，其特征在于，所述强度是空间分辨测量，且所产生图像中的亮度是空间分辨控制。
27.如权利要求17至26任意一项所述的方法，其特征在于，所述第一耦合输出截面(9)具有第一截面(20)和第二截面(21)，其中仅第一截面(20)由反射及/或折射影响图像的偏转，该第一截面(20)由互相分离的多个反射及/或折射偏转元件(22)所形成。
28.如权利要求27所述的方法，其特征在于，所述第一截面(20)具有图像的成像功能。
29.如权利要求17至28任意一项所述的方法，其特征在于，所述第一耦合输出截面(9)具有第三截面和第四截面，该第三截面具有互相分离的多个反射及/或折射第二偏转元件，
其中经耦合输出截面(9)传输的部分入射的环境光用来让用户感知周围环境，且在第二偏转元件上利用反射及/或折射偏转的部分入射的环境光用于测量强度。
30.如权利要求17至29任意一项所述的方法，其特征在于，所述第二耦合输出截面及/或所述耦合输入截面形成为具有成像属性的菲涅尔结构。
31.如权利要求30所述的方法，其特征在于，所述菲涅尔结构(33)具有几个菲涅尔段(34)，其中，所述菲涅尔段(34)的光学有效面(35)光学上对应于虚光学有效表面(38)，该虚光学有效表面(38)是曲面且不具有镜面或旋转对称。
32.如权利要求31所述的方法，其特征在于，所述光学有效表面(38)不具有平移对称。
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