CN105474074A - 镜片以及具有这种镜片的显示装置 - Google Patents

Abstract

提供一种用于能够佩戴到用户头上并且产生图像的显示装置的镜片，其中，为了减小所产生的图像在经输入分段(15)输入镜片(3、4)中并且透过镜片(3、4)借助于反射传导至镜片(3、4)的输出分段(13)的过程中出现的虚光，镜片(3、4)的正面和/或背面在输入分段所处的边缘区域(10)中的曲率分布与正面和/或背面(7、8)在边缘区域(10)中相应预先确定的曲率分布以如下方式有所不同，使得边缘区域(10)中镜片(3、4)的厚度比边缘区域(10)中根据预先确定的曲率分布所得的厚度更大。

Description

镜片以及具有这种镜片的显示装置

技术领域

本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分的特征所述的、用于能够佩戴到用户头上并且产生图像的显示装置的镜片以及一种具有这种镜片的显示装置。

背景技术

在这种镜片和显示装置中存在的难题在于，基于反射(例如全反射)在镜片中传导的图像或相应光波例如受到弯曲的表面半径的影响，从而在反射后，传播的光波存在不同的状态。特别是当借助于全反射传导穿过以全反射为条件倾斜入射到弯曲的面(正面或背面)上时，出现例如像散和拖尾的偏差。在此，无关重要的是，光在射入镜片中之前是否准直。

另外，基本难点在于，传导穿过镜片的光束的直径从输出分段朝向输入分段的方向来看增大，从而仅受限制的光导通量被无遮暗地传导通过镜片，既而可能发生不希望的虚光。

为了避免虚光，可以给输出分段设计相对强的正的折射能力，其中，由此改变的、由显示装置的图像生成模块规定的总焦距借助于输入分段的折射能力的匹配而得到修正。但这使得光学比例关系非常受约束。特别是基于输出分段的较短焦距，聚焦的光束多次在入射角很大的全反射期间经弯曲的镜面得到传导，由此，产生了诸如像散和拖尾的图像偏差并且非常强烈地有损于成像的整体表现。

发明内容

由此出发，本发明的目的在于，对开头提到类型的镜片以如下方式做出改进，使得当其应用于能够佩戴到用户头上而且产生图像的显示装置中时，实现了尽可能无遮暗的成像，以便获得很大的出瞳和很大的视野。

根据本发明，上述目的在开头所述类型的镜片中以如下方式实现，正面和/或背面在边缘区域中的曲率分布与正面和/或背面在边缘区域中相应的预先确定的曲率分布以如下方式有所不同：使得边缘区域中镜片的厚度比边缘区域中根据预先确定的曲率分布所得的厚度更大。

由此，充分利用如下事实，有针对性地“加厚的”边缘区域是所产生的图像的光具有大光束直径的区域，从而避免发生遮暗，上述区域处在用户佩戴显示装置时透过镜片透视的区域之外，从而不干涉到显示装置的用户的视场，这种干涉被视为是不利的，这是因为由于边缘区域加厚，边缘区域不再提供预先确定的光学成像功能。

通过在边缘区域中的曲率分布的根据本发明的设计，则能够明显减少虚光并且还实现了：入射角在全反射时不太大，由此，能够避免或减少像散和拖尾。

输入分段和/或输出分段特别是可以具有成像作用。于是，输入分段例如可以具有准直作用。

输入分段和/或输出分段优选执行光路折叠。

在根据本发明的镜片中，背面在边缘区域中的曲率分布与背面在边缘区域中相应预先确定的曲率分布有所不同。这按照有利的方式使得：较厚的边缘区域从外部几乎感觉不到。

有所不同的曲率分布特别是以如下方式设计，对镜片的在所产生的图像从输入分段至输出分段传导通过镜片时出现的成像偏差加以修正。于是，例如可以对像散和拖尾加以修正。

有所不同的曲率分布可以是非球形的面。有所不同的曲率分布特别是可以为非球形且不具备旋转对称性的自由形状的面。另外，自由形状的面也还可以不具有镜面对称性。

边缘区域例如从大于20°、30°或40°的视向开始(特别是关于沿直线看出的方向而言)。

输入分段还可以包括镜片的将正面和背面相连接的端面的区域。端面的上述区域特别是可以具有成像的作用。

输入分段能够以折射和/或反射的方式来设计。

在根据本发明的镜片中，正面和/或背面的曲率分布与预先确定的曲率分布可以仅在边缘区域中存在不同。

有所不同的曲率分布可以仅设计在正面上，仅设计在背面上，或者也设计在正面和背面上。

边缘区域可以延伸至将正面与背面相连接的端面。边缘区域特别是布置在镜片的边缘上，和/或在镜片的俯视图中看不沿着镜片的整个周边延伸。在周边上的延伸例如可以小于45°、30°或15°。但也可行的是，边缘区域在镜片的俯视图中看沿着镜片的整个周边延伸或者说是环形的。

正面和背面的预先确定的曲率分布例如可以分别是球面形的。球面形的曲率分布可以是同心的，从而预先确定的光学成像功能是折射率为零的成像。预先确定的光学成像功能当然也可以具有不为零的折射率并且例如用于视差修正。

输出分段可以布置在镜片的中部区域中。

所产生的图像在镜片中的传导可以借助于一次或多次反射在正面和/或背面上实现。为此，能够在正面和背面的相应分段上设置有反射性涂层或部分反射性涂层。可替换地可行的是，在正面和/或背面上进行的反射分别是内部全反射。在这种情况下，在正面和/或背面上不需要反射性或部分反射性的涂层。

同样可行的是，在镜片中设计有至少一个反射层，从而传导一方面借助于在正面或背面上的反射实现，另一方面借助于反射层上的反射实现。在这种情况下，正面或背面上的反射也可以借助于内部全反射或者借助于基于反射性或部分反射性的涂层的反射来实现。另外，也可以在镜片中彼此间隔地设计两个反射性的层，其中，在镜片中(至少在一定的分段上)的传导借助于在两个层上的反射来实现。图像在镜片中传导的所介绍的方案当然也可以相互组合。

由此，根据本发明的镜片可以特别是以如下方式设计，使经输入分段输入镜片中的图像在镜片中借助于反射而被传导至输出分段并且经输出分段从镜片中输出。

另外，提供一种显示装置，其具有：能够佩戴到用户头上的保持装置；固定在保持装置上的、用于产生图像的图像产生模块；以及固定在保持装置上的成像光学器件，成像光学器件具有根据本发明的镜片(包括根据本发明的改进方案在内)并且所产生的图像在保持装置佩戴于头上的状态下以如下方式成像，使得所产生的图像能够作为虚像被用户感知到。

由此，根据本发明的显示装置包括：能够佩戴于用户头上的保持装置；固定在保持装置上的、用于产生图像的图像产生模块；以及固定在保持装置上的成像光学器件，成像光学器件具有带弯曲的正面和弯曲的背面的镜片并且所产生的图像在保持装置佩戴于头上的状态下以如下方式成像，使得所产生的图像能够作为虚像被用户感知到，其中，由图像产生模块产生的图像借助于镜片的输入分段输入到镜片中，在镜片中借助于反射(例如内部全反射)传导至输出分段中并且借助于输出分段从镜片中输出，在镜片的俯视图中看来，设计有：处于镜片的边缘区域中的输入分段和与之间隔的(例如处于镜片的中部区域中的)输出分段，其中，镜片对于用户而言在透过镜片观察环境时提供预先确定的光学成像功能，这种光学成像功能由正面的预先确定的曲率分布和背面的预先确定的曲率分布来规定，为了减少在借助于成像光学器件成像时出现的虚光，正面和/或背面在边缘区域中的曲率分布与正面和/或背面在边缘区域中预先确定的曲率分布产生如下差别，镜片在边缘区域中的厚度比在边缘区域中由预先确定的曲率分布所给定的厚度更厚。

成像光学器件可以具有作为唯一的光学元件的镜片。但也可行的是，成像光学器件除了镜片之外，包括另外的一个或多个光学元件。

另外，可行的是，在镜片与(也可以称为成像模块)的图像产生模块之间布置有准直光学器件，从而从成像模块中发出的光作为准直光束输入到镜片中。准直光学器件可以是成像光学器件的一部分。

图像产生模块特别是可以具有平面的显像装置，例如LCD模块、LCoS模块或者OLED模块。显像装置可以是自发光的或者不是自发光的。

图像产生模块特别是能够这样设计，使图像产生模块产生黑白或彩色的图像。

根据本发明的显示装置和/或根据本发明的镜片特别是这样设计，使得有助于产生虚像的光线在转向分段与输出分段之间全部获得相同程度的反射。

根据本发明的显示装置可以具有其他对于本领域技术人员已知的、针对其工作所需的元件。

不言而喻的是，前面提到的以及后面还有阐释的特征能够以给出的组合使用，而且也能够以其他组合或者单独加以使用，而不离开本发明的保护范围。

附图说明

下面例如借助于也公开了本发明重要特征的附图详细阐述本发明。其中：

图1示出根据本发明的显示装置的一种实施方式的示意透视图；

图2示出图1中的显示装置1的右侧的镜片3的细节剖视图；

图3a从正面示出图1的镜片3的俯视图；

图3b从正面示出图1的镜片3的根据本发明的改动方案的俯视图；

图4示出传统镜片的根据图2的剖视图；

图5示出另一传统镜片的根据图2的剖视图；以及

图6示出根据本发明的显示装置的另一实施方式的镜片的根据图2的剖视图。

具体实施方式

在图1中所示的实施方式中，根据本发明的显示装置1包括：能够佩戴到用户头上的保持装置2(其例如可以依照传统的镜架的方案来设计)以及固定在保持装置2上的第一和第二镜片3、4。带有镜片3、4的保持装置2例如可以设计为运动眼镜或太阳镜，其中，对于用户而言，借助于第一镜片3能够将虚像映入其视野中，正如后面介绍那样。镜片3、4以如下方式设计，即镜片不具有光学成像作用进而不能实现视差修正。

镜片3、4以及特别是右边的镜片3仅示例性地结合根据本发明的显示装置1来介绍。镜片3、4或者至少是右边的镜片3分别被设计用作根据本发明的镜片3、4。

如最佳地从第一(右边的)镜片3的放大细节剖视图中可见(保持装置2未示出)，显示装置1包括图像产生模块5以及控制单元6。图像产生模块5还有控制单元6纯示意地示出并且优选固定在保持装置2上。

右边的镜片3具有呈球面状弯曲的正面7、弯曲的背面8以及端面9。在正面7上，在边缘区域10中(如特别是从图3a中可见)设计有转向分段11，在中部区域12中设计有输出分段13。中部区域12进而还有输出区域13优选以如下方式安置，使得戴着显示装置1的用户的视轴在沿直线看出时，穿过中部区域12，也穿过输出分段13。相应的穿透点以附图标记17标示。转向分段11例如能够起反射作用地按照如下方式设计，使得从图像产生模块5中发出的、经端面9打到转向分段11上的光线以如下方式转向，使得所述光线在背面8和正面7上借助于内部全反射传导至输出分段13。由此，转向分段11连同端面9一起形成输入分段15。

输出分段13以如下方式设计，输出分段将光线朝向出瞳14的方向转向，用户在佩戴显示装置时在出瞳上获得其眼瞳或者说可视范围(Augenpupille)。端面9、转向分段11和/或输出分段13具有成像特性，成像特性以如下方式选定，使得借助于图像产生模块5产生的图像对于用户而言在出瞳14中作为虚像呈现。

输出分段13优选这样设计，使得戴着显示装置1的用户能够将呈现的图像与环境相叠加地感知。于是，输出分段13例如可以设计为部分透明的菲涅耳结构。输出分段13特别是可以作为根据在WO2010/097442A1以及在WO2010/097439A1中介绍的菲涅耳结构来实现，其中，该文献的相应的说明书连同附图一并引入到本公开文件中。

在图2中示出的实施方式的长处在于很大的出瞳或眼动区域14(由显示装置1提供的区域并且用户的眼睛在该区域中运动并且用户始终能够感知到输出的图像)和很大的视野。

这有利地以如下方式实现，其中设计有输入分段15的边缘区域10相比于在图4中示意示出的传统设计(对应元件的附图标记相比于根据本发明的设计方案分别打撇地示出)具有更大的厚度。

在常规的设计中，例如镜片3’的正面7’和背面8’分别设计为同心布置的、球面形的面，从而对于用户而言无法实现视差修正。镜片3’在其光学成像作用方面而言是中性的，这是因为镜片基于正面7’和背面8’的球面形的曲率分布而被设计为同心月牙透镜或零月牙透镜，进而执行折射率为零的成像。镜片3’的光学成像作用也可以称为预先确定的光学成像功能。通过镜片3’所介绍的设计方案，该镜片具有恒定的厚度。而恒定的厚度产生的难题是，在成像时可能出现虚光，这是因为在y-z平面中在端面9的区域中从图像产生模块5发出且对于照亮出瞳14所需的光线的光束直径比端面9的相应尺寸要大。因此，从图像产生模块5发出的相应光线20打到背面8上，如在图4中所示那样。光线20则以不同于所绘的角度打到转向分段11上进而到达不了出瞳14，因而发生虚光。在图4中所示的光线走向从出瞳14出来，预计到达图像产生模块5，其中，将在端面9’或背面8’与环境转换时发生的折射作用近似地忽略，以便能够凸显处出介绍的虚光。

因此，根据本发明，在边缘区域10中的厚度选择得较大，从而不出现虚光，所有从图像产生模块5发出的光线都按照图2所示的方式经端面9达到转向分段11上。这当然使得，预先确定的光学成像功能(这里没有视差修正或折射率为零的成像作用)不再存在于边缘区域10中，因为这时边缘区域中的曲率分布不同于原本预先确定的曲率分布。而这在实践中不发生干扰，因为通常使用显示装置1时用不到边缘区域10。换言之，用户在佩戴显示装置1时将不透过镜片3的边缘区域10来看视。

边缘区域10优选起始于视向大于20°、30°或40°时。对于x°的视向，在这里特别是理解为视轴关于沿直线看出的视轴成角度α＝x°(图2)。

优选的是，背面8的曲率仅在边缘区域10中有所改变，从而从外部看不出镜片3的厚度发生变化。由此，背面8在边缘区域10中改变的曲率分布16产生了折射率不为零的成像作用。

背面8在边缘区域10中改变的曲率16特别是以如下方式选定，使得该曲率被用于对借助于图像产生模块5产生的图像的成像加以改善。曲率分布16例如可以设计为自由形状的面，自由形状的面虽然是弯曲的，但既不是球面形，也不是旋转对称的。自由形状的面优选也不具有镜面对称性。

在这里介绍的实施方式中，转向分段11构造在整个边缘区域10中，其中，边缘区域10在镜片的俯视图中看，仅沿一部分周边延伸。边缘区域10当然也可以在周边上具有比转向分段11在周向上对应的伸展更大的伸展。边缘区域10特别是可以呈环形设计，如在图3b中所示那样。由此，边缘区域10沿着镜片3的整个周边延伸。相反，转向分段11又沿一部分周边延伸。当边缘区域10呈环形设计时，镜片3能够更容易制造。

在图5中按照与图4中相类似的方式示出传统的镜片3’的剖视图。从眼动区域14的左边边缘发出的在部位P1上打到输出分段13’上的光线S1(看到的是从眼动区域14到图像产生模块的光线走向，在工作中，传播方向当然是与此相反的)经全反射点P2、P3和P4一直达到转向分段11’中的点P5。点P5表现的是转向分段11’的需要的处于最左边的点。

从眼动区域14的右侧边缘发出的经输出分段13’上的点T1和全反射点T2再次朝上延伸的光线S2这时必须在点T3上重新被全反射。而点T3已经处在转向分段11’中，从而光线会发生虚光。这适用于所有其他在点P5的右侧还必须被全反射的光线。这些光线都无助于成像或者是可能的失真来源。

因此，根据本发明，边缘区域10的厚度以如下方式提高，点T3处在点P5的左边，进而正面7的带有输出分段11的球面形的镜片区域不被透射，如在图6中所示那样。由此，不再存在孔径微调(Aperturbeschnitt)并且所有从图像产生模块5到出瞳14的光线都能得到成像。光线S2例如在点T4被重新全反射，然后在点T5上打到转向分段11上。

根据本发明的显示装置1特别是以如下方式设计，使所有传导至出瞳14的光线在镜片3的正面和背面7、8上从转向分段11传导至输出分段13时获得相同程度的反射。

在根据本发明的显示装置1的所介绍的实施方式中，虚像输入到用户视野中的过程借助于右侧的镜片3来实现。输入过程当然也可以仅借助于左侧的镜片4来实现。另外，显示装置1能够以如下方式设计，信息借助于两个镜片3、4映出。在此，映出过程能够以产生立体图像印象的方式实现。

镜片3和4的预先确定的光学成像作用在所介绍的实施例中是折射率为零的成像作用。镜片当然也可以具有不为零的折射率并且特别是被设计用于修正视差。在这种情况下，在边缘区域中的厚度也比正面和背面7、8针对预先确定的光学成像功能的曲率分布下的厚度更大。

镜片3、4例如可以由玻璃或合成材料制造并且当然也可以用作其他能够佩戴于用户头上的显示装置。

Claims (17)

1.一种镜片，用于能够佩戴到用户头上并且产生图像的显示装置(1)，所述镜片具有：

弯曲的正面(7)和弯曲的背面(8)，以及

在镜片(3、4)的俯视图中看，处于镜片(3、4)的边缘区域(10)中的输入分段(15)和与输入分段间隔的输出分段(13)，

其中，镜片(3、4)适合用于将所产生的图像经镜片(3、4)的输入分段(15)输入到镜片(3、4)中并且在镜片(3、4)中借助于反射传导到输出分段(13)以及借助于输出分段(13)从镜片(3、4)中输出，

镜片(3、4)提供了预先确定的光学成像功能，所述光学成像功能由正面(7)的预先确定的曲率分布以及背面(8)的预先确定的曲率分布来规定，

其特征在于，

为了减少当所产生的图像经输入分段(15)通过镜片(3、4)传导到输出分段(13)时所出现的虚光，正面和/或背面(7、8)在边缘区域(10)中的曲率分布与正面和/或背面(7、8)在边缘区域(10)中相应的预先确定的曲率分布以如下方式有所不同：使得边缘区域(10)中镜片(3、4)的厚度比边缘区域(10)中根据预先确定的曲率分布所得的厚度更大。

2.根据权利要求1所述的镜片，其特征在于，镜片(3、4)仅在边缘区域(10)中具有更大的厚度。

3.根据权利要求1或2所述的镜片，其特征在于，具有更大厚度的边缘区域(10)在镜片(3、4)的俯视图中看，呈环形地延伸。

4.根据权利要求1或2所述的镜片，其特征在于，具有更大厚度的边缘区域(10)在镜片(3、4)的俯视图中看，在镜片(3、4)的周向上仅沿一部分周边延伸，而不是沿整个周边延伸。

5.根据前述权利要求中任一项所述的镜片，其特征在于，输入和/或输出分段(15、13)具有成像的作用。

6.根据前述权利要求中任一项所述的镜片，其特征在于，输入分段(15)具有准直作用。

7.根据前述权利要求中任一项所述的镜片，其特征在于，输入和/或输出分段(15、13)实现了光路折叠。

8.根据前述权利要求中任一项所述的镜片，其特征在于，背面(8)仅在边缘区域(10)中的曲率分布与背面(8)在边缘区域(10)中相应的预先确定的曲率分布有所不同。

9.根据前述权利要求中任一项所述的镜片，其特征在于，有所不同的曲率分布(16)以如下方式设计，使得镜片的成像偏差在所产生的图像被传导时得到修正。

10.根据前述权利要求中任一项所述的镜片，其特征在于，有所不同的曲率分布(16)对应的是非球面形的面。

11.根据前述权利要求中任一项所述的镜片，其特征在于，边缘区域从大于20°、30°或40°的视向开始。

12.根据前述权利要求中任一项所述的镜片，其特征在于，输入分段(15)包括镜片(3、4)的将正面(7)与背面(8)相连接的端面(9)的区域。

13.根据权利要求12所述的镜片，其特征在于，端面(9)的区域具有成像的作用。

14.根据前述权利要求中任一项所述的镜片，其特征在于，输入分段(15)起折射作用和/或起反射作用。

15.一种显示装置，具有：

能够佩戴到用户头上的保持装置(2)，

固定在保持装置(2)上的、用于产生图像的图像产生模块(5)，以及

固定在保持装置(2)上的成像光学器件(3、4)，所述成像光学器件具有根据前述权利要求中任一项所述的镜片(3、4)并且在保持装置(2)戴于头上的状态下对所产生的图像以如下方式成像，使得图像能够作为虚像被用户感知到。

16.根据权利要求15所述的显示装置，其特征在于，成像光学器件具有布置于镜片(3、4)与显像模块(5)之间的准直光学器件。

17.根据权利要求15或16所述的显示装置，其特征在于，有所不同的曲率分布(16)以如下方式设计，使得成像光学器件的成像偏差得到修正。