CN104155764B - 用于头盔显示装置的光束组合器及分束器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于将第一光束与不平行于该第一光束的第二光束结合在一起形成公共光束的光束组合器，该光束组合器包括第一光束(US)的透明主体，具有所述第一光束(US)穿过所述主体时所照射的叠加区(9)，并且该叠加区分为第一部分(10)和第二部分(11)，只有由多个彼此隔开的反射和/或折射偏转元件(12)所形成的所述第一部分(10)通过反射和/或折射导致所述第二光束(US)的偏转，使得所述第一光束(US)一旦离开所述主体时与偏转的第二光束(BS)一起形成公共光束(GS)。

Description

用于头盔显示装置的光束组合器及分束器

本申请是申请日为2010年02月25日、申请号为201080009002.7、发明名称为“用于头盔显示装置的光束组合器及分束器”的申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及光束组合器及分束器。

背景技术

在诸如可以安装到用户头部的显示装置这样的装置中需要使用光束组合器，以将叠加在可感知环境上的生成的图像呈现给用户。在这种情况下，光束组合器通常形成为曲面镜片。

已知可以通过半透明镜来实现光束组合。但是，该项生产技术是困难的，特别是，如果需要在镜片中引导生成的图像的光线，并且镜片是弯曲的。

此外，光束组合能够通过光栅实现。但是，这样做的通常缺点包含会产生附加衍射级所导致的不希望的散射光。此外，该种光栅通常仅适用于很狭窄的谱带，结果是所产生图像仅能是单色的。

发明内容

由此开始，本发明的目的是提供改进的光束组合器及分束器。

根据本发明，该目的通过光束组合器实现，该光束组合器将第一光束与不平行于该第一光束的第二光束结合在一起形成一公共光束，并包括主体，该主体对于第一光束是透明的，并具有叠加区，当第一光束穿过主体时投射到所述叠加区，并且该叠加区分为第一部分和第二部分，其中只有由多个彼此隔开的反射和/或折射偏转元件所形成的第一部分通过反射和/或折射将第二光束偏转，使得第一光束在离开主体后和偏转的第二光束一起形成公共光束。

借助于反射和/或折射偏转元件，能够实现大波长范围内的光束组合(特别是相对于借助衍射光栅的传统光束结合器而言)。

第一部分可以具有对第二光束成像的功能。因此，借助第一部分不仅能够实现所期望的光束组合，还能够获得对应的成像特性。第一部分的成像特性可以对应于虚构的光学有效表面，该表面是弯曲的，并优选地不具有镜像对称和旋转对称。该有效表面还可以不具有平移对称。当然，所述虚构的光学有效表面也可能为旋转对称的(如，旋转非球面)或环面的。

特别地，从叠加区的俯视图看，第一部分的表面优选地为叠加区的表面的5％至30％。但是，相对于叠加区，第一部分的比例还可以为50％或更高。

偏转元件可以形成在主体的材料边界表面(该表面可以是平的，或弯曲的)。因此，借助诸如金刚石研磨这样的手段，生产可以特别简单。此外，还可以借助模制和铸造方法进行生产。

每个偏转元件可以形成为平的。但是，也可以将单个偏转元件形成为弯曲的。

特别地，所有的偏转元件可以形成为一样的。或者，偏转元件的形式可以不相同。

优选地，偏转元件在叠加区内不规则分布，可以形成为多边形的和/或具有优选范围为20μm至30μm的最大长度。但是，所述最大长度还可以为200μ或100μ。

可以形成光束组合器，使得照射第一部分的部分光束被屏蔽，并且该部分光束不构成公共光束的一部分。或者，第一部分对于第一光束来说也可以为可穿透的。

第一部分可以形成为不连续的菲涅尔结构。菲涅尔结构具有对应于虚构的光学有效表面的成像特性。

偏转元件的反射构造可以通过反射涂层实现。该反射涂层能够产生完全反射，或部分反射。此外，还可以通过全内反射来实现反射。在这种情况下，不需要反射涂层。

特别地，可以形成光束组合器，使得第二光束在透明主体中被引导至叠加区。这可以通过诸如在材料边界表面处的反射这样的方式来实现。特别地，这些反射为全内反射。

此外，根据本发明的光束组合器中，叠加区的第二部分能够传导第一光束。

光束组合器可以用在显示装置中，该显示装置包括图像生成模块，及能够安装至用户头部的夹持装置，其中光束组合器连接至夹持装置，使得当安装夹持装置时，用户能够通过光束组合器的叠加区感知真实环境，并且其中图像生成模块生成图像，并将其作为第二光束引导至叠加区上，使得当夹持装置安装至头部时，用户能够感知叠加于真实环境上的图像。

特别地，本发明还包括具有本发明的光束组合器的显示装置。该显示装置称为头盔显示器(HMD)。该显示装置还可以包括本领域人员所公知用于其运行的其他元件。

显示装置可以具有诸如根据本发明(或本发明的一个改进)的光束组合器、图像生成模块、及能够安装至用户头部并连接有光束组合器的夹持装置，使得当安装夹持装置时，用户能够通过光束组合器的叠加区感知真实环境，其中图像生成模块生成图像，并将其作为第二光束引导至叠加区上，使得当夹持装置安装至头部时，用户能够感知叠加于真实环境上的图像。

特别地，光束组合器能够具有对第二光束成像的特性。

此外，光束组合器可以具有耦入区，第二光束通过该耦入区耦入到光束组合器，然后(例如，通过全内反射)在光束组合器中被引导至叠加区，其中该耦入区形成为折叠光束路径的菲涅尔表面。

优选地，菲涅尔表面具有对第二光束成像的特性。特别地，菲涅尔表面和/或叠加区可以形成在光束组合器的弯曲的材料边界表面。

菲涅尔表面表面能够以与光束组合器的叠加区相同的方式形成。

根据本发明的光束组合器还可以集成于，例如，头盔面罩上，由此诸如信息等能够通过叠加区投影给头盔佩戴者。本发明的光束组合器还可以有其它应用。因此，为了按照本发明的方式对信息进行投影，可以相应地形成窗玻璃板等。

本发明还提供分束器，用于将入射于所述分束器上的光束分为第一光束和不平行于第一光束的第二光束，其中该分束器包括主体，该主体对于入射光束是透明的，并具有分割区，入射光投射到所述分割区，并且该分割区分为具有多个彼此隔开的反射和/或折射偏转元件的第一部分，以及第二部分，其中由分割区投射的部分入射光束形成第一光束，于偏转元件处通过反射和/或折射被偏转的部分入射光束形成第二光束。上述分束器可以对频带很宽的入射光束进行分割。

偏转元件可以具有对第二光束成像的功能，可以形成为平的或弯曲的，并不规则地分布在分割区上和/或形成为多边形。每个偏转元件的长度优选地为20μm至20μm(但是最大长度也可以为100μm或200μm)，从分割区的俯视图看，第一部分的表面优选地为分割区的表面的5％至30％(但是，也可以为50％或更高)。

第一部分可以形成为不连续的菲涅尔结构。

此外，本发明的分束器能够以与本发明的光束组合器相同的方式形成。

当本发明的光束组合器或者分束器用于光学装置时，优选地，叠加区或分割区设置为，离视觉系统的瞳孔尽可能的远或者离视觉系统的瞳孔尽可能的近。

可以理解的是，在不超出本发明范围的前提下，上面所提到的特征以及下文中将要描述的特征不仅能以指定的组合方式应用，还能以其他组合方式应用，或单独地应用。

下面借助附图通过举例的方式对本发明进行更近一步的详细描述，这些附图也公开了本发明的必要技术特征。

附图说明

图1为具有本发明光束组合器的显示装置的示意图；

图2为图1所示光束组合器的叠加区9的俯视图；

图3为沿图2所示截面线B-B的放大截面图；

图4为图3所示细部C1的放大图；

图5为描述偏转元件排列的示意图；

图6为描述偏转元件排列的另一个示意图；

图7为图3所示细部C2的放大图；

图8为图3所示细部C2的第一变型的放大图；

图9为图3所示细部C2的另一变型的放大图；

图10至图12示例出了偏转元件12的其他剖面形状；

图13为图1所示多功能镜片1的透视图；

图14为沿图13所示截面线D-D的放大截面图；

图15为图1所示多功能镜片1的另一实施方式的透视图；

图16为图1所示多功能镜片1的另一实施方式的透视图；

图17A为沿图16所示截面线E-E的放大截面图；

图17B为图17A所示截面的变型；

图18A为本发明显示装置2的另一实施方式的示意侧视图；

图18B为图18A所示显示装置的透视图；

图18C为图18A和图18B所示多功能镜片1的叠加区9的俯视图；

图18D为本发明显示装置2的另一实施方式的透视图；

图18E为本发明显示装置2的另一实施方式的透视图；

图19为图1所示多功能镜片1的另一实施方式的透视图；

图20为图1所示多功能镜片1的另一实施方式的透视图；

图21为图1所示多功能镜片1的另一实施方式的透视图；

图22为本发明光束组合器1的另一实施方式；

图23为本发明光束组合器的偏转镜12的变型；

图24为本发明分束器27的示意截面图；

图25为图24所示分束器的变型；以及

图26为图24所示分束器的另一变型。

具体实施方式

在图1至图3所示实施方式中，本发明的光束组合器1形成为显示装置2的多功能镜片，该显示装置包括能以镜片框架形式安装至用户头部的夹持装置3，图1中仅图解示出了一个侧臂4.

光束组合器1连接至夹持装置3，使得当夹持装置3安装至头部时，光束组合器1以眼镜透镜的形式设置于用户的眼睛A前面。通过光束组合器1，用户能够感知环境。

显示装置2还包括图像生成模块5，当用户头部佩戴显示装置时，图像模块5生成呈现给显示装置2的用户的图像，该图像通过多功能镜片1叠加在用户感知的环境上。

为此，多功能镜片1在其下侧6具有耦入区7，并在其前部8具有叠加区9。如下所述，叠加区9传导环境光US，而不使其偏转。此外，在用户的眼睛A的方向，叠加区9引导来自图像生成模块5的光BS，该光BS通过耦入区7耦入到多功能镜片1，并在多功能镜片1中通过全内反射被引导至叠加区9，使得用户能够感知生成的图像，该图像作为虚拟图像叠加在环境上。

特别是如图2那样俯视，叠加区9大体上形成为圆形，分为第一部分10，及第二部分11，其中第一部分10的作用为偏转来自图像生成模块5的图像光束BS，第二部分11的作用为传导来自环境的环境光束US。在此处描述的实施方式中，叠加区9包括多个子部分S，该多个子部分S彼此隔开，并在叠加区9中任意分布。

图3示出其中一个子部分S沿线B-B的放大截面图，可以看到每个子部分S包括多个偏转镜12，这些偏转镜12彼此隔开，并垂直于图3绘制的平面延伸。

子部分S中偏转镜12之间的区域与叠加区9的子部分S旁边的剩余区域一起形成第二部分11。第一部分10由偏转镜12形成。

还可以从图3中看出，叠加区9以及偏转镜12形成在多功能镜片1的前部8上。尽管前部8是弯曲的，为简化起见，图3中未示出这种弯曲。偏转镜12相对于前部8的法线倾斜，由此，照射各个偏转镜12的部分图像光束BS作为图像部分光束BS’朝向眼睛A偏转。没有照射偏转镜12的图像光束BS的剩余部分在前部8处被反射和/或传导，用户无法感知。

(从图3左侧)照射偏转镜12背部的部分环境光束US被偏转镜12屏蔽，用户无法感知。该部分在图3中以阴影线绘出。环境光束US的剩余部分作为环境部分光束US’穿过透射区13，该透射区13位于偏转镜12之间，或偏转镜12旁边。

因此，叠加区9将穿过透射区13形成第二部分11的环境光束US的US’部分，以及在偏转镜12处反射的图像光束BS的部分BS′叠加在一起，以形成公共光束GS。头部佩戴显示装置2的用户由此能够感知由图像生成模块5生成而叠加在环境上的图像。

在图3所示示意图中，光束BS′和US′彼此平行。但是，也可能不是这样。因此，例如，由于前部的弯曲，光束BS′和US′可以混合在一起。

与现有的衍射方案相比，如上形成的光束组合器1的优势在于其频带非常宽。

优选地，各个偏转镜12在叠加区9上不规则分布，如同此处是基于子部分S在叠加区9上任意分布。当然，举例来说，相邻偏转镜12之间的距离也可以改变。偏转镜12也可以其他方式在叠加区9上分布。从叠加区9的俯视图看，相对于叠加区9的整个表面，偏转镜12的表面部分的比例可以为，举例来说，5％至30％。

当然，也可以在整个叠加区9中设置偏转镜12。这种情况下，如果(图4所示)比例b/a的范围为3∶1至20∶1，上述表面比例也是可以实现的。在所有的实施方式中，高度h的范围优选为5μm至500μm，特别是0.01 mm至0.1mm。特别优选的范围为0.05 mm至0.3mm，及200μm至300μm。优选为20μm至30μm的尺寸被证明为对参数a是特别有利的。

图2中的第一部分10也可以称为不连续菲涅尔结构，因为偏转镜12是基于分布的子部分而分布设置的。该菲涅尔结构可以如下确定。初始假设为下面给出的通用表面函数f(x，y)。

特别地，表面函数f(x，y)可以描述弯曲的表面。该弯曲的表面可以形成为旋转对称。举例来说，表面函数可以描述旋转非球面。但是，还可以描述弯曲的并不具有镜面对称和旋转对称的表面。这样的表面也可以称为自由曲面。优选地，自由曲面不具有平移对称。

通过预先确定最大槽深h(在此，例如，范围为0.01至0.1 mm)，考虑到多功能镜片的前部8的高度z(x，y)，如下的实际Profile函数可以作为剖面高度推出：

Profile＝z(x，y)-modulo(f(x，y)，h) (2)

在此，module(f(x，y)，h)描述各个从0增加至h，然后一下回落至0的菲涅尔比例。因此，module(f(x，y)，h)描述直角三角形的三角函数。由此获得如图5所示的连续Profile函数。

根据所需要的偏转镜12和整个叠加区之间的表面比例，以及子部分S的尺寸和个数，该Profile函数的区域或部分由多功能镜片的前部8的球面半径替代，结果为图6所示的菲涅尔结构。由于仅示出了前部8的一小部分，前部的球面弯曲在该图中无法看到。

在此描述的实施方式中，用到下列多项式系数，其中带系数c的第一个数在所有情况下代表权x，第二个数代表权y，结果是，例如，c21为xxy之前的系数。任何未列出的系数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

应用菲涅尔结构的眼镜透镜的半径为105.08 mm。

在描述的实施方式中，偏转镜12通过倾斜部分的金属化V形成，可以参考图7，其示出了图3所示细部C2的放大图。

图8示出了一种变型，其中由于偏转镜12相对于多功能镜片1的前部8的倾斜而形成的自由区由材料14填充至前部8。优选地，填充形成光滑的，连续的前部8。特别地，材料14可以使用与多功能镜片1相同的材料。

但是，光束组合器1也可以设计为使得图像光束BS的偏转由全内反射实现，由此，如图9所示，不再需要进行金属化。在这种情况下，环境光束US也通过偏转元件12传导。

当然，也可以对偏转元件12进行部分金属化，由此，偏转元件12既可以反射图像光束BS，又可以传导环境光束US。

此外，还可以形成折射偏转元件，替代反射偏转元件。在这种情况下，叠加区9优选地形成在多功能镜片1的内部16上。

在描述的实施方式中，截面形式的偏转元件12的剖面形状总是线性的。但是，也可以是其它的剖面形状。因此，如图10所示，边缘在截面中中凸地弯曲。图10，图11以及图12所示的形式对应于图5所示的形式，由此，由截面形状入手，在区域中依然提供所述球面半径代替所示截面层，进而获得所述子部分S中所需的截面层。还可以提供如图11所示的凹入的边缘弯曲。

如图12所示，还可以提供任意所期望的弯曲。

图13示出了图1所示多功能镜片1的变型。在该变型中，图像生成模块或成像系统5设置在上边缘15上。由成像系统5发射的图像光束BS在镜片1中通过在镜片1的前部8和后部16处的全内反射被引导至叠加区9，在该叠加区中，多个具有偏转元件12的子部分S以与图2相同的方式设置。

图14放大地示出了沿线D-D的子部分S的截面。基于图像光束BS和环境光束US的叠加，产生了所需要的公共光束GS，由此，佩戴具有多功能镜片1的眼镜，并且眼睛A位于与后部6隔开的瞳孔区P的用户能够感知环境，成像系统5生成的图像叠加在环境上。

在图13和图14所示的实施方式，及其范围内的所有实施方式中，叠加区形成在前部8中。偏转镜12一体形成在前部8中，由此，叠加区9是多功能镜片1的前部8的一部分。

图15示出了多功能镜片1另一个变型，在此，以及在下面将要描述的实施方式中，同样元件的附图标记相同，为避免不必要的重复，参照上面的相应描述。

在图15所示实施方式中，成像系统5设置在多功能镜片的后部16上，或者与后部16隔开，由此，图像光束BS通过后部16进入镜片1。然后图像光束BS在前部8和后部16处通过全内反射被引导至上部边缘15的区域17。该区域17被金属化，由此，图像光束BS朝着叠加区9的方向反射。在镜区17和叠加区9之间，图像光束BS再次在前部8和后部16处通过全内反射而被引导。所需要的用于产生公共光束GS的叠加发生在叠加区9中。

产生反射的镜区17的表面可以为水平的。但是，任意的期望的弯曲也是可以的。特别地，它可以是弯曲的，并不具有旋转对称，或镜面对称。此外，其优选地不具有平移对称。

在图16所示的实施方式中，成像系统5再次设置在背部或与背部隔开，以使得图像光束BS通过背部16进入多功能镜片1，但是，图像光束BS直接到达形成有偏转区18的前部8。该偏转区18包括多个彼此临近设置并彼此基本平行地延伸的偏转镜19。偏转镜19在图16所示的形式中从顶部到底部设置，并相对于前部8倾斜。与叠加区的偏转镜12不同的是，各个偏转镜19之间没有间隔，由此，偏转区18也可以称为菲涅耳区或菲涅尔结构18。图17A示出了沿图16所示线E-E的截面图。在截面中，偏转镜19为线性，并设置在弯曲的基部表面上，在此，弯曲的基部表面为多功能镜片的前部8。将偏转镜彼此连接在一起的各个边缘19’彼此平行对齐。在此，前部8的原始形式也图解地绘出。

在图16所示多功能镜片1的另一实施方式(未示出)中，在镜片1的前部8或后部16上，偏转区18和叠加区9之间提供有另一个菲涅尔表面，以引导光束。该另一个菲涅尔表面可以与偏转区18或叠加区9相同的方式形成。

图17B示出了图17A所示剖面的一个变型，不同之处基本上在于连接偏转镜19的边缘19’在截面中不再彼此平行设置，而是相对于前部8的中心(未示出)径向设置。

图18A示出了本发明显示装置2的另一实施方式的图解侧视图，其中仅画出了多功能镜片1，图像生成模块5，眼睛位置K，及图像光束BS和公共光束GS的光束路线的一些例子。图18A所示显示装置2的对应透视图在图18B中示出。

如图18A和图18B所示，与图16所示实施方式不同的是，偏转区18不再挨着叠加区9设置，而是设置在叠加区9之上。

在此，偏转区18为耦入区或耦入部分，图像生成模块5的图像通过该耦入区或耦入部分被耦入多功能镜片1，由此，图像光束BS通过全内反射被引导至叠加区或耦出区9.

多功能镜片1具有凸出的球面弯曲的前部8，该前部8的半径为143.5mm，以及凹入的球面弯曲的后部16，该后部16的半径为140.0 mm，其中眼镜透镜的厚度为3.5 mm，并且其材料为聚甲基丙烯酸甲酯PMMA。

偏转区18的菲涅尔结构可以如偏转镜12那样根据上述公式(2)确定，其中此处的整个偏转区18形成为连续的菲涅尔结构(由此不需要用球面前部8来替换区域)，使用下面的函数作为表面函数f(x，y)：

其中k(i，j)如下确定：

菲涅尔结构，或在Z形方向卷边的菲涅尔结构的深度，即Δh的值为0.1mm，菲涅尔多项式系数如下所示：

所有上表中未示出的未命名的系数k(i，j)等于0。

耦出区9的菲涅尔结构也可以用公式(2)至公式(4)进行描述。对应的菲涅尔多项式系数如下表所示，其中所有该表中未示出的未命名的系数k(i，j)等于0。

同样，在耦出区或部分9的菲涅耳结构中，Δh也为0.1mm。

在各种情况下，光学表面在眼睛A的瞳孔P的整体坐标系统(原点为K)中的位置参照图18A所示标轴x，y和z相对于在前一行的所述表面(图18A所绘坐标x，y和z与瞳孔P的坐标系统相关，该坐标系统仅用于描述与图18A相关的耦入区18及耦出区9的菲涅尔结构)的方向规定如下

表面	x坐标[mm]	y坐标[mm]	相对X轴的倾斜角(°)
				P	0.000	0.000	0.000
9	0.000	21.500	0.000
				18	0.000	0.000	0.000
5	0.000	16.828	14.042

至于耦入区18及耦出区9，其在坐标系统中的位置已给定，菲涅尔结构参照该位置以上面描述方式限定。所有情况下，值0给予表面18，因为表面9和18的坐标系统重合。对应于耦入区18和耦出区9的各个菲涅尔表面的已使用孔径表面的位置和尺寸参照表面特有的坐标系统给定如下：

区域	x坐标[mm]	y坐标[mm]	APX[mm]	APY[mm]
					9	0.000	0.000	14.5	7.1
18	0.000	19.87	11.6	4.8

该表中，菲涅尔结构在x方向的宽度在APX栏中给出，在y方向的宽度在APY栏中给出。此外，从耦出区9到耦入区18之间的距离已给定。从眼睛瞳孔P到眼镜透镜(后部16)的距离为18mm，其中视野范围是直径为6mm的20×4°。

就耦出区9而言，为避免菲涅尔部分的规则设置或结构，菲涅尔部分可以仅设置在诸如矩形子部分S中(图2)。在图18C所示矩形耦出区9的图解俯视图中，子部分S也可以为圆形的，并描述如下。圆形区是固定的，其直径可以如下确定：

其中T为需要传送的环境光的百分比，N为圆圈在x方向的个数，APX为在x方向的孔径宽度。圆圈最初等距地设置在固定栅格中，在x和y方向的栅格距离为APX/N。通过切割中心的偏移的方向和长度，圆圈的中心的位置很容易地修改。在此，长度选择为使得相邻圆圈之间不产生重叠效应。

下列公式可以应用为长度和角度的统计函数。

统计的位移长度：

r＝(APX/N/2-D/2)·randf

统计的位移方向：

w＝360·randf

其中randf为0和1之间的任意值。圆圈的修改的位置根据下列公式得出：

x＝(i/N)·APX+r·cos(w)

y＝(j/N)·APX+r·sin(w)

M＝round(APY/APX)

其中round函数将标准值(APY/APX)四舍五入至整数。

当然，还可以选择其它类型的菲涅尔结构分布，其中优选地选择不规则的设置。

图18D和图18E示出了图18A和图18B所示显示装置2的变型。在图18D所示实施方式中，耦入区18相对于耦出区9横向地以及垂直地偏移。在图18E所示实施方式中，可以如同耦入区18那样形成为菲涅尔结构(此处为反射菲涅尔结构)的偏转部分18’在耦入区18和耦出区9之间形成在前部8上。特别地，偏转部分18’除了能够折叠光束路径外，还可以具有另外的成像特性(以与耦入区18，以及任选的耦出区9相同或相似的方式)。

通过将耦入区18，耦出区9以及任选的偏转部分18’形成在多功能镜片的相同侧面上(此处为前部8)，使多功能镜片1的生产变得容易。

图19示出了多功能镜片1的另一个变型。图像光束BS再次从后部16进入多功能镜片1，并在前部8处通过菲涅尔表面20在上部边缘15的方向上反射。大体上，菲涅尔表面20以与图16所示菲涅尔表面18相同的方式形成。菲涅尔表面20的偏转镜的倾斜校准仅选择为产生如图19所示的偏转。在菲涅尔表面20处偏转后，图像光束BS通过全内反射在后部16和前部8处被引导至镜区17，在镜区17处反射，然后再次通过全内反射在后部16和前部8之间被引导至叠加区9.

图20示出了图19所示多功能镜片的一个变型。在该变型中，取代镜区17，形成有另一个菲涅尔表面21，该菲涅尔表面21大体上与菲涅尔表面18的结构相同。菲涅尔表面21的偏转镜的校准仅选择为产生如图20所示的图像光束BS的偏转。

图21示出了多功能镜片1的另一个变型。在该变型中，来自成像系统5的图像光束BS再次从后部16进入多功能镜片1，并在位于上部边缘的第一偏转区22处朝着多功能镜片1的下部边缘上的偏转区23的方向反射，并在偏转区23处朝着叠加区9的方向反射。光束在多功能镜片1中的引导再次通过全内反射在镜片1的前部8和后部16处进行。偏转区22和23可以形成为金属化区，或菲涅尔表面，或通过全内反射引起偏转的区域。

图22示出了本发明光束组合器1的另一实施方式，其中将要叠加的光束BS和US从相同的侧面以不同的角度照射叠加区9。从图22中可以看出，叠加区9形成为使得光束BS和US聚焦到相同的焦点24.

图23示出了偏转镜12的一个改进型。在该改进型中，偏转镜12具有两个金属化的镜片边缘25和26。因此，如图23所示，三个光束可以互相叠加，即，两个图像光束BS1和BS2，以及环境光束US。具有两个镜片边缘25，26的偏转镜12能够以与前述实施方式中偏转镜12相同的方式设置。

前述的本发明的光束组合器1还可以用作分束器27。为此，只需要使光束从相反方向穿过光束组合器1即可，例如，如图3所示，光束组合器1被来自右侧的光照射。图24示出了这种情况，其中图24示出了分束器27的基本结构，该基本结构与所述光束组合器的结构基本相同。如果入射光束28(从右到左)照射光束组合器27并穿过分割区29，照射偏转元件31(对应于图3所示偏转镜12)之间的分割区29的区域30(对应于图3所示区域13)的部分入射光束28被传导，形成第一光束32。照射偏转元件31的部分入射光束28被偏转元件31反射，形成第二光束33，该第二光束33不与第一光束32平行。偏转元件31以与光束组合器1的偏转元件12相同的方式形成。

图25示出了分束器27的变型，其中分割区29形成在被入射光束28照射的那一侧。此外，偏转元件31形成为并设置为使得反射部分27聚焦到检测器35。由此，除产生光束分割，还产生光束聚焦。

图26示出了图25所示分束器27的变型，其中分割区29形成在入射光束28再次离开分束器27的那一侧上。此外，在该实施方式中，通过偏转元件31将第二光束33聚焦到检测器35上，在此，偏转元件31优选地以折射方式运行。

Claims (19)

1.一种用于显示装置(2)的多功能镜片(1)，其中该显示装置(2)能够安装至用户头部，并且包括生成图像的图像生成模块(5)，其特征在于，

该多功能镜片(1)具有耦入区(7)和叠加区(9)，该叠加区(9)传导环境光(US)，并且该多功能镜片(1)引导来自图像生成模块(5)的光(BS)，该光(BS)通过耦入区(7)耦入到多功能镜片(1)，并在多功能镜片(1)中通过全内反射被引导至叠加区(9)，以及

该叠加区(9)反射所引导来自图像生成模块(5)的光(BS)至于头部佩戴显示装置(2)的用户的眼睛(A)，以使用户能够感知由该图像生成模块(5)生成的图像，该图像作为虚拟图像叠加在环境上；

其中，该叠加区(9)具有多个反射偏转元件(12)，并且具有对所引导来自图像生成模块(5)的光(BS)的成像功能；以及

其中，所述反射偏转元件(12)的成像特性对应于虚构的光学有效表面，该表面是弯曲的。

2.如权利要求1所述的多功能镜片(1)，其特征在于，所述反射偏转元件(12)提供完全反射或部分反射。

3.如权利要求1所述的多功能镜片(1)，其特征在于，该叠加区(9)分为第一部分(10)和第二部分(11)，其中，只有由多个反射偏转元件(12)所形成的所述第一部分(10)通过反射将来自图像生成模块(5)的光(BS)偏转，其中所述反射偏转元件(12)彼此隔开。

4.如权利要求3所述的多功能镜片(1)，其特征在于，从所述叠加区(9)的俯视图看，所述第一部分(10)的表面为所述叠加区(9)的表面的5％至30％。

5.如权利要求3所述的多功能镜片(1)，其特征在于，从所述叠加区(9)的俯视图看，所述第一部分(10)的表面为所述叠加区(9)的表面的至少50％。

6.如权利要求1所述的多功能镜片(1)，其特征在于，所述反射偏转元件(12)形成于所述多功能镜片(1)的材料边界表面上。

7.如权利要求6所述的多功能镜片(1)，其特征在于，在形成所述反射偏转元件(12)处的所述材料边界表面为弯曲的。

8.如权利要求1所述的多功能镜片(1)，其特征在于，每个所述反射偏转元件(12)形成为平的。

9.如权利要求1所述的多功能镜片(1)，其特征在于，所述反射偏转元件(12)在所述叠加区(9)中不规则分布。

10.如权利要求1所述的多功能镜片(1)，其特征在于，每个所述反射偏转元件(12)形成为多边形。

11.如权利要求1所述的多功能镜片(1)，其特征在于，每个所述反射偏转元件(12)的最大长度为200μm。

12.如权利要求11所述的多功能镜片(1)，其特征在于，每个所述反射偏转元件(12)的最大长度的范围为20至30μm。

13.如权利要求3所述的多功能镜片(1)，其特征在于，照射所述第一部分(10)的部分所述环境光(US)被屏蔽。

14.如权利要求3所述的多功能镜片(1)，其特征在于，所述第一部分(10)形成为不连续的菲涅尔结构。

15.一种显示装置(2)，包括：

图像生成模块(5)，用于生成图像；

多功能镜片(1)，具有耦入区(7)和叠加区(9)；以及

夹持装置(3)，该夹持装置能够安装至用户头部，并且该多功能镜片(1)连接至该夹持装置；

其特征在于，该多功能镜片(1)的叠加区(9)传导环境光(US)，并且该多功能镜片(1)引导来自图像生成模块(5)的光(BS)，该光(BS)通过耦入区(7)耦入到多功能镜片(1)，并在多功能镜片(1)中通过全内反射被引导至叠加区(9)，以及

该叠加区(9)反射所引导来自图像生成模块(5)的光(BS)至于头部佩戴显示装置(2)的用户的眼睛(A)，以使用户能够感知该图像生成模块(5)生成的图像，该图像作为虚拟图像叠加在环境上；

其中，该叠加区(9)具有多个反射偏转元件(12)，并且具有对所引导来自图像生成模块(5)的光(BS)的成像功能；以及

其中，所述反射偏转元件(12)的成像特性对应于虚构的光学有效表面，该表面是弯曲的。

16.如权利要求15所述的显示装置，其特征在于，所述耦入区形成为对光束路径进行折叠的菲涅尔表面。

17.如权利要求16所述的显示装置，其特征在于，所述菲涅耳表面具有对来自图像生成模块(5)的光(BS)的成像特性。

18.如权利要求16所述的显示装置，其特征在于，所述菲涅尔表面形成在所述多功能镜片(1)的弯曲的材料边界表面上。

19.一种如权利要求1至14任意一项所述的多功能镜片(1)在显示装置(2)中的用途，该显示装置(2)具有图像生成模块(5)以及夹持装置(3)，该夹持装置(3)能够安装至用户头部，并且所述多功能镜片(1)连接至该夹持装置(3)，使得当安装所述夹持装置(3)时，用户能够通过光束组合器的所述叠加区(9)感知真实环境，其特征在于，所述图像生成模块(5)生成图像，并经由耦入区(7)将其引导至所述叠加区(9)上，使得当所述夹持装置(3)安装至头部时，用户能够感知叠加于真实环境上的所述图像。