CN103180773B - 具有可以安置在用户头部上的保持装置的显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种显示装置，该显示装置具有：保持装置(2)，该保持装置可以安置在用户头部上；紧固在保持装置(2)上的图像生成模块(8、9)，该图像生成模块生成图像；以及紧固在保持装置(2)上的成像镜片系统(5、6)，该成像镜片系统包含具有弯曲的前部(14)和弯曲的背部(13)的眼镜片(5)，并且该成像镜片系统当保持装置(2)安置在头部上时投射所生成的图像，使得用户可以感知叠加在环境上的该图像。来自图像生成模块(8、9)的光经由入射部(15)被耦入眼镜片(5)中的光学通道(17)，在光学通道(17)中传导到出射部(16)并且经由出射部(16)从眼镜片(5)耦出。光学通道(17)分别在前部和背部(14、13)的区域中具有菲涅耳结构(18、19)，该菲涅耳结构(18、19)具有多个面(20、21)，在光学通道(17)中传导的光在所述面(20、21)上被反射，并且所述面(20、21)相互平行地对齐。

Description

具有可以安置在用户头部上的保持装置的显示装置

技术领域

本发明涉及根据权利要求1的前序部分中具有可以安置在用户头部上的保持装置的显示装置。

背景技术

这种显示装置的主要困难在于：将来自环境的正常束路径与由图像生成模块生成的图像的光的束路径叠加，并且将其传递到将显示装置佩戴在其头部上的用户的眼睛。本身考虑的所生成的图像的光的束路径代表目镜，该目镜将图像生成模块的图像信息投射到眼睛中。现在如果目镜设计成使得同时利用大的出射光瞳而获得尽可能大的图像场，则这要求使用形式为反射镜或棱镜的偏转元件。这些附加偏转元件增大了整个显示装置的重量和体积，这例如显著限制了佩戴舒适度。

眼镜片的前部和背部的弯曲另外造成下述困难：在光学通道中传导期间出现大的图像误差，所述图像误差必须被补偿。

发明内容

由此开始，本发明的目的是进一步发展在开篇提及类型的显示装置，使得所生成的图像以最少的可能成像误差呈现给用户，并且显示装置同时设计成小且紧凑型。

该目的是利用在开篇所提及类型的显示装置来实现，其中光学通道在前部和背部的区域中，在各个情形下具有菲涅耳结构，该菲涅耳结构具有多个面，在光学通道中传导的光在所述面上被反射，并且所述面相互平行地对齐。

由于所述面相互平行地对齐(在前部上的菲涅耳结构的面与在背部上的菲涅耳结构的面平行地对齐)，光学通道在光学上充当平面平行板，从而可以有效地防止由前部和背部的弯曲导致的成像误差。两个菲涅耳结构的面实际上抵消眼镜片的弯曲的前部和背部的效果。

在该显示装置中，在眼镜片的前部上的入射部可以具有第三菲涅耳结构，该第三菲涅耳结构具有第三面，所述第三面相互平行地对齐并且相对于第一和第二面倾斜。第三面的倾斜优选地选择为使得在第三面上反射的光因而被耦合到光学通道中并且可以在光学通道中传导。

第三菲涅耳结构可以设计成使得它仅仅引起束路径的弯折并且不具有成像特性。然而也可能的是，第三菲涅耳结构引起束路径的弯折并且同时具有成像特性。成像特性特别地可以是准直效应。成像镜片系统因此整体上可以是非常紧凑的设计。特别地，成像镜片系统可以仅由眼镜片实现。

此外，在根据本发明的显示装置中，眼镜片的前部上的出射部可以具有第四菲涅耳结构，该第四菲涅耳结构具有第四面，所述第四面相互平行地对齐并且相对于第一和第二面倾斜。第四面特别地倾斜成使得来自光学通道并且在第四面上反射的光垂直于第一和第二菲涅耳结构的面行进。

眼镜片的背部上的菲涅耳结构可以延伸远至入射部及/或出射部。这是有利的，因为在此区域中，与平面平行板的侧面类似，背部对光起作用。

在根据本发明的显示装置中，第四面可以或者形成连续锯齿结构或者布置成彼此相距一定距离。特别地，第四面可以涂覆有部分反射层。部分反射层可以例如是金属层或干涉层。

此外，第四面可以填充有具有与眼镜片相同或类似折射率的材料，使得眼镜片的前部在被填充的区域是平坦的。优选地，具有填充的平坦侧面平行于在眼镜片的背部上的菲涅耳结构的面。然而，该填充也可能这样实施，使得在被填充的区域中再次产生眼镜片的原始弯曲。

在根据本发明的显示装置中，光在光学通道中优选地通过全内反射而传导。

菲涅耳结构的面优选地为平坦设计。面的台阶高度优选地在20μm至300μm的范围内。

图像生成模块可以具有图像发射器，优选地为平坦图像发射器，该图像发射器可以是自发光或者非自发光的。特别地，图像发射器可以设计成倾斜反射镜矩阵，设计成LCD模块，设计成LCoS模块，或者设计成OLED模块。此外，图像生成模块还可以具有用于控制图像发射器的控制单元。

成像镜片系统可以具有准直镜片系统，该准直镜片系统布置在图像生成模块和眼镜片之间。准直镜片系统可以例如由单个镜片实现。单个镜片可以设计成平凸镜片，其中优选地平坦侧面面向图像发射器。凸侧面可以具有球形弯曲或者也可以具有非球形弯曲。

当然，准直镜片系统有可能具有超过一个的单独镜片。

此外，第三菲涅耳结构可以设计成使得其成像特性取代准直镜片系统的效果。在这种情况下，可以省略分离的准直镜片系统或者分离的镜片。

根据本发明的显示装置可以具有：第二眼镜片，其按照与第一眼镜片相同的方式设计；以及第二图像生成模块，其与第一图像生成模块类似地设计。在这种情况下，有可能将所生成的图像例如作为三维图像呈现给用户。

此外，根据本发明的显示装置还可以进一步具有显示装置的操作所必需的、本领域技术人员熟知的元件。

可以理解地是，，在不脱离本发明的范围的情况下，上文所述特征以及将在下文解释的特征不仅可以在所列举的组合中使用，而且可以在其它组合中使用或者单独地使用。

附图说明

下面利用附图通过示例方式更详细地解释本发明，附图还公开了本发明的必要特征。图式中：

图1为根据本发明的显示装置的第一实施例的示意性俯视图；

图2为第一眼镜片和相关图像生成模块的放大图示；

图3为摘自图2的放大图示；

图4为图2的截面的放大图示；

图5为第四菲涅耳结构的放大图示；

图6为第四菲涅耳结构可替换设计的放大图示；以及

图7为根据本发明的显示装置的另一实施例的眼镜片以及相关成像镜片系统的示意性图示。

具体实施方式

在图1中的俯视图所示的实施例中，根据本发明的显示装置1包括：可安装在用户头部上的保持装置2，其具有两个眼镜状侧臂3、4；两个眼镜片5、6(一个用于左眼睛LA且一个用于右眼睛RA)；以及桥接部7，其连接两个眼镜片5、6。

此外，为用户的每个眼睛提供了图像生成模块8、9，其可以紧固在相应侧臂3、4上或者也可以紧固在相应眼镜片5、6上。由于眼镜片5、6的设计以及图像生成模块8、9的设计基本上具有相对于平行于侧臂3延伸穿过桥接部7的轴的镜像对称，在下文中将仅仅更加详细地描述用于用户的左眼睛LA的眼镜片5以及相关图像生成模块8。

在图2中，在与图1相同的视图中放大示出左眼镜片5和图像生成模块8。

图像生成模块8包括平坦图像发射器10(此处为OLED或LCD图像发射器)和控制单元11，该控制单元11控制图像发射器10用于生成图像。

图像生成模块8还含有布置在图像发射器10后面的准直镜片系统12，该准直镜片系统12此处设计成平凸镜片，其中平坦侧面面向图像发射器10并且凸侧面具有非球形弯曲。

来自准直镜片系统的准直的光经由左眼镜片5的弯曲的背部13而进入左眼镜片5，行进到弯曲的前部14并且在那里在第一区域15中被反射回到背部13。

从图2所示的束路径可以看出，束路径在背部13和前部14上出现若干弯折，并且光因而被传导到前部14的第二区域16。光在第二区域16上被反射，使得它行进穿过背部13并且因而离开眼镜片5且撞击在用户的眼睛LA上，从而使用户可以感知借助图像发射器10呈现的图像。左眼睛LA未示于图3中。

光在从第一区域15传导到第二区域16的眼镜片5中的区域可以被指定为光学通道17。在光学通道17的区域中，第一菲涅耳结构18形成于背部13上，并且第二菲涅耳结构19形成于眼镜片5的前部14上，其中两个菲涅耳结构18、19的面20、21相互平行地对齐(在图2中，为了更清楚，仅仅某些面20、21用相应附图标记来表示)。

在所描述的实施例中，面20、21垂直于光轴OA，结果由于前部和背部13、14的弯曲，而在每种情况下形成阶梯状结构，例如在图2中以及在图3中的第一区域和部分菲涅耳结构18、19的放大视图中可以看出。面18、19的尺寸优选地选择为使得阶梯状结构的台阶高度在20μm至300μm的范围内。

由于该结构，在光学通道17的区域中，眼镜片5有利地在光学上对应于简单平板。因而在光学通道17的区域中的菲涅耳结构18和19抵消弯曲的背部13和弯曲的前部14的效果。在面20、21上的反射优选地通过全内反射而发生。

另外，从图2和图3中的图示可以看出，第一菲涅耳结构18还延伸到背部13的区域中，准直镜片系统12的准直的光经由该区域进入眼镜片5，从而在入口上经由背部13不存在不期望的准直的光的成像效果，因为第一菲涅耳结构18的面20垂直于准直的光的传播方向。

此外，尤其是可以从图3中看出，在前部14上的第一区域15中形成第三菲涅耳结构22，第三菲涅耳结构22的面23全部倾斜了-30°并且相互平行地对齐。第三菲涅耳结构22因而引起期望的朝向背部13的偏转，结果是，由于第一和第二菲涅耳结构18、19与利用平板的方式相同，光线随后在前部和背部之间来回反射。

图4示出眼镜片5的第二区域16的放大视图。在第二区域16中形成具有面25的第四菲涅耳结构24，其中此处面25倾斜了+30°，从而使撞击在面25上的光线在反射之后平行于光轴OA并且因此垂直于第一菲涅耳结构18的面20行进。因此，光线可以从眼镜片5离开并且行进到用户的左眼睛LA。

从第四菲涅耳结构24的三个面25的图5中的放大图示可以看出，面25可以彼此相距一定距离，其中中间区域26或者设计成平坦区域或者具有前部14的原始弯曲。因而，通过中间区域26，如箭头P1所示的环境光可以经由前部14进入眼镜片5并且从背部13再次离开，藉此用户可以感知由叠加在环境上的图像发射器10生成的图像。

在图6所示的可替换设计中，面25可以挨着彼此放置而没有间距。在这种情况下，面优选地涂覆有薄金属层27，从而使其为部分反射或部分透明。金属层27可以设计成使其透射例如70%至90%的环境光并且反射10%至30%来自光学通道17的光。

另外，从图6可以看出，材料28可以应用到金属层27，该材料28具有与眼镜片5相同或几乎相同的折射率。用材料28填充可以特别地使得前部14是平坦的，从而使环境光可以不受影响地穿过眼镜片。当然，前部还可以具有与眼镜片的前部14的原始弯曲对应的弯曲。可以对图5中的实施例的面25实施与材料28相同的填充。

替代金属层27，也可能使用干涉层。

第一、第二和第四菲涅耳结构18、19和24所描述的设计因而提供了这样的优点，对于环境光以及对于由图像发射器10耦入的光，眼镜片5在光学上均表现为平面平行板，尽管菲涅耳结构18、19和24形成于更大或更小弯曲的前部或背部14、13上。因而有利的是，无论眼镜片的形状如何，光线在光学通道17中的传导上不产生附加图像误差，这可以显著简化整个光学系统。

再者，因此，即使利用弯曲的眼镜片5、6，也可以实现高质量的成像。

此外，还可以有利地实现的是，可以同时产生所谓的束扩展器。这意味着，撞击并且反射在前部14上的垂直面21上的光线在面20上全反射并且第二次撞击在前部14上，其中此处它们也撞击在第四菲涅耳结构24的斜面25的其中之一上并且被耦出，或者第二次撞击在垂直面21的其中之一上并且再次全反射。因而，利用根据本发明的显示装置1，无需遵从通常利用菲涅耳结构必需满足的条件，光不必两次行进穿过同一菲涅耳结构，藉此，非常薄的眼镜片厚度是可能的，并且同时可以实现大的视场和大的耦出光瞳。

图7示出眼镜片5和图像生成模块8的变型实施例。在目前为止结合图1至图6所描述的示例性实施例中，所有菲涅耳结构18、19、22和24设计成使其引起束路径的弯折而不成像。在每种情况下，它们实际上充当平面反射镜。

在根据图7的变型实施例中，与目前为止所描述的示例性实施例相比较，第三菲涅耳结构22设计成使其不仅仅引起束路径的弯折，而且使其附加地实现成像功能。然而，这可以实现为没有衍射效应。第三菲涅耳结构22实际上充当具有弯曲反射表面的反射镜。第三菲涅耳结构22的面23本身同样设计成平坦状。

当第三菲涅耳结构22具有所描述的成像特性时，不再需要分离的准直镜片系统12，从而使显示装置1可以设计成甚至更紧凑并且更轻。

Claims (15)

1.一种显示装置，包括：

保持装置，该保持装置可以安置在用户的头部上，

紧固在保持装置上的图像生成模块，该图像生成模块生成图像，以及

紧固在保持装置上的成像镜片系统，该成像镜片系统具有含有弯曲的前部和弯曲的背部的眼镜片，并且该成像镜片系统当保持装置安置在头部上时投射所生成的图像，以使用户可以感知叠加在环境上的该图像，

其中来自图像生成模块的光经由入射部被耦入眼镜片中的光学通道，在光学通道中传导到出射部并且经由出射部从眼镜片耦出，

其特征在于，

在背部的区域中，光学通道具有第一菲涅耳结构，该第一菲涅耳结构具有多个第一面，在光学通道中传导的光在所述第一面上被反射，在前部的区域中，光学通道具有第二菲涅耳结构，该第二菲涅耳结构具有多个第二面，在光学通道中传导的光在所述第二面上被反射，并且其中所述第一面平行地对齐所述第二面。

2.如权利要求1所述的显示装置，其特征在于，由于所述面，光学通道在光学上充当平面平行板。

3.如权利要求1所述的显示装置，其特征在于，在所述眼镜片的前部上，入射部具有第三菲涅耳结构，该第三菲涅耳结构具有第三面，所述第三面相互平行地对齐并且相对于第一和第二面倾斜。

4.如权利要求3所述的显示装置，其特征在于，所述第三菲涅耳结构仅引起束路径的弯折并且不具有成像特性。

5.如权利要求3所述的显示装置，其特征在于，所述第三菲涅耳结构引起束路径的弯折并且同时具有成像特性。

6.如权利要求2所述的显示装置，其特征在于，在所述眼镜片的前部上，所述入射部具有第三菲涅耳结构，该第三菲涅耳结构具有第三面，所述第三面相互平行地对齐并且相对于第一和第二面倾斜。

7.如权利要求6所述的显示装置，其特征在于，所述第三菲涅耳结构仅引起束路径的弯折并且不具有成像特性。

8.如权利要求6所述的显示装置，其特征在于，所述第三菲涅耳结构引起束路径的弯折并且同时具有成像特性。

9.如权利要求1所述的显示装置，其特征在于，所述眼镜片的前部上的出射部具有第四菲涅耳结构，该第四菲涅耳结构具有第四面，所述第四面相互平行地对齐并且相对于第一和第二面倾斜。

10.如权利要求9所述的显示装置，其特征在于，所述第四菲涅耳结构仅引起束路径的弯折并且不具有成像特性。

11.如权利要求9所述的显示装置，其特征在于，所述第四面形成连续锯齿结构。

12.如权利要求9所述的显示装置，其特征在于，所述第四面布置成彼此相距一定距离。

13.如权利要求9所述的显示装置，其特征在于，所述第四面涂覆有部分反射层。

14.如权利要求1所述的显示装置，其特征在于，光通过全内反射在光学通道中传导。

15.如权利要求1所述的显示装置，其特征在于，所述图像生成模块具有图像发射器以及排列在该图像发射器后面的准直镜片系统。