CN105579885A - 能够佩戴到使用者头上且产生图像的显示装置的镜片以及具有这种镜片的显示装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于能够佩戴到使用者头上而且产生图像的显示装置(1)的镜片，所述镜片包括：具有正面(8)和背面(9)的镜片体(7)；以及在镜片(3、4)的俯视图中看，处于镜片(3、4)的边缘区域(12)中的耦合输入分段(20)和处于镜片(3、4)的中心区域(13)中的耦合输出分段(21)；两个相对置的、处于耦合输入分段(20)中的反射面(8、9)；磨面(26)，磨面在镜片体(7)中的耦合输入分段(20)的区域中、嵌入两个反射面(8、9)之间，并且在从耦合输入分段(20)向耦合输出分段(21)的方向上，彼此并排布置在第一区域(30)和与第一区域相接的第二区域(31)中，其中，在第一区域(30)中的磨面(26)起部分反射作用或起反射作用，在第二区域(31)中的磨面(26)是起部分反射作用的，并且第二区域中的直接相邻的磨面(26)通过侧面(27)连接，侧面是部分透明的或者是透明的，其中，镜片(3、4)适用于：将来自所产生的图像的像素的、借助于镜片(3、4)的耦合输入分段(20)耦合输入到镜片(3、4)中的光束(24、24’、24”)在镜片(3、4)中通过反射引导至耦合输出分段(21)，并且经耦合输出分段(21)从镜片(3、4)中耦合输出，在第一区域(30)中的磨面(26)将为了耦合输入而打到其上的光束(24’、24”)至少部分地反射至第二反射面(9)，在第二反射面上，为了引导光束(24’、24”)而发生朝向第一反射面(8)的方向的反射，由此，在第二区域(31)中打到侧面(27)上的光束通过侧面(27)延伸达到第一反射面(8)，并且在第一反射面(8)上为了引导光束而被反射，在反射之后在第二区域(31)中透射通过部分反射的磨面(26)。
Description
技术领域
本发明涉及一种能够佩戴到使用者头上且产生图像的显示装置的镜片以及涉及一种具有这种镜片的显示装置。
背景技术
这种镜片通常以如下方式设计，使得来自所产生的图像的像素的光束经耦合输入分段耦合输入到镜片中，在镜片中通过在正面和背面上的内部全反射而引导至耦合输出分段，并且在耦合输出分段以如下方式发生折转，使得耦合输出借助于镜片的背面来实现。
在耦合输入分段中可能出现如下难点，已经耦合输入或折转的光束当在背面上发生内部全反射之后，重新打到耦合输入区域上并且在耦合输入区域上以不希望的方式发生如下偏转，使得光束变成失真光(Falschlicht)。为了避免这一点，镜片厚度必须做得更大(例如处在10至20mm的范围内)，而这是不希望的。可替换地，可以缩小视场和/或出瞳或者说眼动区域的尺寸，但这也是不希望的。
发明内容
由此出发，本发明的目的在于，提供一种能够佩戴到使用者头上且产生图像的显示装置的镜片，利用这种镜片能够完全尽可能克服开头提出的难点。
本发明的任务通过一种如下的能够佩戴到使用者头上且产生图像的显示装置的镜片来实现，其中，镜片包括：具有正面和背面的镜片体；以及在镜片的俯视图中看，处于镜片边缘区域中的耦合输入分段和处于镜片中心区域中的耦合输出分段；两个相对置的、处于耦合输入分段和磨面区域中的反射面，磨面在镜片体中的耦合输入分段的区域中、嵌入两个反射面之间，并且在从耦合输入分段向耦合输出分段的方向上，彼此并排布置在第一区域和与第一区域相接的第二区域中，其中，在第一区域中的磨面起部分反射作用或起反射作用，在第二区域中的磨面是起部分反射作用的，并且第二区域中的直接相邻的磨面通过侧面连接，侧面是部分透明的或者是透明的，其中，镜片适合用于：将来自所产生的图像的像素的、借助于镜片的耦合输入分段耦合输入到镜片中的光束在镜片中通过反射引导至耦合输出分段，并且经耦合输出分段从镜片中耦合输出，在第一区域中的磨面将为了耦合输入而打到其上的光束至少部分地反射至第二反射面，在第二反射面上，为了引导光束而发生朝向第一反射面方向的反射，由此，在第二区域中打到侧面上的光束通过侧面延伸达到第一反射面，并且在第一反射面上为了引导光束而被反射，在反射之后在第二区域中透射通过部分反射的磨面。
通过在两个区域中构造磨面，以有利的方式在第二区域中提供两种光学功能。一方面，已经通过在第一区域的磨面上的反射为了引导而耦合输入到镜片中的光束在第一反射面上以如下方式反射，使光束在穿过第二区域的磨面之后(磨面可以说是从后方被穿透)按照所希望的方式引导。另一方面，还有待耦合输入而且一次性打到磨面上的光束(在此情况下是打到第二区域的磨面上)按照所希望的方式以如下方式折转，使得光束同样引导至耦合输出分段。
由此，通过上述方式，能够将已经耦合输入的光束毫无问题地打到具有用于耦合输入其他光束的磨面的第二区域上，从而耦合输入分段在朝向耦合输出分段的方向上的伸展不会受到实际情况的限制，使得已经耦合输入的光束不被允许重新打到耦合输入分段上。由此，需要耦合输入的光束的整体在从耦合输入分段向耦合输出分段的方向上具有所希望的很大的伸展，以便提供很大的视场和/或出瞳在上述方向上很大的伸展。耦合输入分段当然也可以具有第三区域以及其他区域，第三区域以及其他区域与第二区域相接，按照与第二区域相同的方式将已经耦合输入的光束按照所希望的方式继续传导并且使一次性射入的光束以如下方式发生折转，使得能够以所希望的方式传导至耦合输出分段。镜片体的正面和/或背面可以弯曲地设计。
对于磨面特别是被理解为如下的面分段、分面或面。面分段、分面或面可以提供磨面所介绍的光学作用。
第一反射面特别是可以由正面形成。另外，第二反射面可以由背面形成。
可替换地可行的是，第一和/或第二反射面构造在正面和背面之间。在这种情形下，第一和/或第二反射面也可以平坦或者说平整地设计。
第一反射面的反射率可以在从耦合输入分段向耦合输出分段的方向上增大。磨面的反射率也可以沿上述方向增大。
耦合输入分段和/或耦合输出分段可以具有成像作用。另外，耦合输入分段可以具有准直作用。
另外，提供一种能够佩戴到使用者头上而且产生图像的显示装置的镜片，其中，镜片包括：具有正面和背面的镜片体；以及在镜片的俯视图中看，处于镜片边缘区域中的耦合输入分段和处于镜片中心区域中的耦合输出分段；两个相对置的、处于耦合输入分段和磨面区域中的反射面，磨面在镜片体中的耦合输入分段的区域中、嵌入两个反射面之间，并且在从耦合输入分段向耦合输出分段的方向上，彼此并排布置在第一区域和与第一区域相接的第二区域中，其中，在第一区域中的磨面起部分反射作用，在第二区域中的磨面是起部分反射作用或起反射作用的，并且在第一区域中的直接相邻的磨面通过侧面连接，侧面是部分透明的或者是透明的，其中，镜片适合用于：将来自所产生的图像的像素的、借助于镜片的耦合输入分段耦合输入到镜片中的光束在镜片中通过反射引导至耦合输出分段，并且经耦合输出分段从镜片中耦合输出，在第一区域中的磨面将为了耦合输出而打到其上的光束部分地为了耦合输出而反射至第二反射面并且部分地透射至第一反射面，在第一反射面上，发生朝向第二反射面方向的反射，由此，在第一区域中打到侧面上的光束通过侧面延伸达到第二反射面，并且在第二反射面上被反射至第二区域中的磨面，并且从第二区域为了耦合输出而反射至第二反射面。
通过耦合输出分段的这种设计方案，提供了有效的光瞳扩展器。
具有设计为光瞳扩展器的耦合输出分段的镜片能够以与已经介绍的根据本发明的镜片相同的方式来改进。两个镜片特别是也能够以如下方式组合，耦合输入分段的所介绍的磨面结构与耦合输出分段的所介绍的磨面结构相组合。
另外，提供一种用于引导光束的光学元件，光学元件包括：针对光束的、具有正面和背面的透明体；耦合输入分段和与之间隔的耦合输出分段；两个相对置的、处于耦合输入分段和磨面区域中的反射面，磨面在耦合输入分段的区域中、嵌入两个反射面之间，并且在从耦合输入分段向耦合输出分段的方向上，彼此并排布置在第一区域和与第一区域相接的第二区域中，其中，在第一区域中的磨面起部分反射作用或起反射作用，在第二区域中的磨面是起部分反射作用的，并且第二区域中的直接相邻的磨面通过侧面连接，侧面是部分透明的或者是透明的，其中，光学器件适合用于：将借助于耦合输入分段耦合输入到光学器件中的光束在光学器件中通过反射引导至耦合输出分段，并且经耦合输出分段从光学器件中耦合输出，在第一区域中的磨面将为了耦合输入而打到其上的光束至少部分地反射至第二反射面，在第二反射面上，为了引导光束而发生朝向第一反射面方向的反射，由此，在第二区域中打到侧面上的光束通过侧面延伸达到第一反射面，并且在第一反射面上为了引导光束而被反射，在反射之后在第二区域中透射通过部分反射的磨面。
这种光学元件能够以与已经介绍的镜片相同地方式得到改进。
特别是两个反射面能够构造在正面和背面上。另外，反射面可以在正面和背面上通过内部全反射实现反射。
磨面特别是以如下方式设计，使得磨面不产生所希望的衍射作用。
耦合输入和/或耦合输出分段的第一和第二区域优选分别具有至少一个、两个或更多磨面。
另外，提供一种显示装置，具有：能够佩戴到使用者头上的保持装置；固定在保持装置上的、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，所产生的图像在保持装置佩戴到头上的状态下以如下方式成像，使得图像对于使用者而言，能够作为虚像被感知。
成像光学器件可以具有镜片，以作为唯一的光学器件。但也可行的是，成像光学器件除了镜片外还包括至少一个另外的光学元件。
这样，另外的光学元件例如可以是准直光学元件，其布置在镜片与图像产生模块之间，使得来自图像产生模块的光束作为准直化的光束耦合输入到镜片中。
图像产生模块特别是可以具有平面的图像生成器，例如LCD(液晶)模块、LcoS(液晶附硅)模块、OLED(有机发光二极管)模块或倾斜镜阵。图像生成器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以如下方式设计，使得图像产生模块产生单色图或彩色图。
根据本发明的镜片可以由玻璃和/或合成材料制成。
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、对于其运行所需的元件。
不言而喻的是，前面提到的以及后面还要阐释的特征能够不仅以给出的组合应用，而且也能够以其他组合或者单独应用，而不离开本发明的范围。
附图说明
下面，例如借助于附图详细阐述本发明。附图同样公开了对于本发明关键的特征。其中：
图1示出根据本发明的显示装置1的实施方式的示意透视图；
图2示出第一镜片3的放大剖视图；
图3示出镜片3的放大剖视图，用于说明耦合输入分段20；
图4示出图3中的耦合输入分段20的进一步放大的图示；以及
图5示出耦合输出分段21的放大的剖视图。
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：能够佩戴到使用者头上的保持装置2，该保持装置例如能够按照常规镜架的类型来设计；以及第一和第二镜片3、4，该第一和第二镜片固定在保持装置2上。保持装置2连同镜片3、4例如可以设计为运动眼镜、太阳镜和/或用于矫正缺陷视力的眼镜，其中，能够借助于第一镜片3为使用者将虚像映入其视场中，如在下面介绍那样。
镜片3、4以及特别是左侧镜片3仅示例性地连同根据本发明的显示装置1一起示出。镜片3、4或至少是左侧镜片3分别被设计用于根据本发明的镜片3、4。根据本发明的左侧镜片3当然也可以设计为右侧镜片。
如最佳地从图2的第一镜片3的细节剖视图可见(保持装置2未示出)，显示装置1包括图像产生模块5、控制单元6和耦合输入光学器件15。图像产生模块5、控制单元6和耦合输入光学器件15纯示意地示出并且优选固定在保持装置2上。图像产生模块5例如可以具有平面式的光调制器，例如LCD模块、LcoS模块、OLED模块或可调镜阵，其具有大量例如成行和成列布置的像素。可以从每个像素发出光束24。
左侧的镜片3具有镜片体7，其具有弯曲的正面8和弯曲的背面9，其中，在第一镜片3的边缘区域12中在正面8上构造有耦合输入分段20，在中部区域13中，在第一镜片3的正面8上构造有耦合输出分段21。
如在图2的示意图中所示那样，出自图像产生模块5的光束24、24’(二者形成总光束33)借助于耦合输入光学器件15准直化，经背面9进入第一镜片3中，且在第一镜片中打到耦合输入分段20上，耦合输入分段起反射作用地以如下方式设计，使得耦合输入分段以如下方式实现光束24的折转，即，光束此后在镜片3中借助于在背面9和正面8上的内部全反射，引导至耦合输出分段21。耦合输出分段21起反射作用地设计并且使光束24、24’以如下方式朝向背面9折转，使得光束经背面9从镜片3中耦合输出，并且延伸直至出瞳25。使用者可以当佩戴保持装置的情况下，将其眼睛定位于出瞳25的区域中，并且由此感知到虚像。
如在图3中的耦合输入分段20的放大图中可见地，耦合输入分段20具有大量彼此并排布置的部分反射的磨面26，所述磨面用于使光束24、24’折转，其中，磨面26埋在镜片体7中并且在从耦合输入分段20朝向耦合输入分段21的方向上彼此并排布置在第一区域30和与之相接的第二区域31中。两个区域30、31在y方向上的伸展以如下方式选定，使得所述区域对应于打到其上的准直化的总光束33的伸展。基于上述伸展，被第一区域30的磨面26折转的光束24当在背面9上发生内部全反射之后，为了将光束引导至耦合输出分段而打到第二区域31上，在第二区域中，磨面26被布置用于使光束24’折转。由此，在第二区域31中存在已经通过内部全反射传导的光束24与还有待耦合输入或以如下方式折转的光束24’的叠加，所述折转使得光束24’也能够借助于内部全反射传导。
为了能够满足上述两种光学要求，被埋入的磨面26在第二区域31中分别通过透明的或者至少部分透明的侧面27相连接，侧面在图4中的第二区域的放大剖视图以虚线示出。
在耦合输入分段20的第一区域中发生折转的光束24当在背面9上发生内部全反射之后，打到耦合输入分段20的第二区域31上。基于侧面27的所介绍的透明或部分透明的构造方案，光束24延伸穿过侧面27，并且在正面8上为了引导而被全反射，从后方延伸穿过第二区域31中的部分反射的磨面26，再次打到背面9上，从而通过在背面9和正面8上继续发生全反射，而使光束24以一定方式传导至耦合输出分段21。准直化的总光束33的为了耦合输入而一次性打到(这里为第二区域31中的)磨面26上光束24’至少部分地以如下方式被反射回到背面9，使得所述光束然后通过在背面9和正面10上的内部全反射而被引导至耦合输出分段。由此，第二区域实现了两种光学要求(引导已经耦合输入的光束24和将另外的光束24’耦合输入)。当侧面27如迄今常见那样设计为起反射作用的侧面时，这会产生不希望出现的失真光。这样，根据本发明，耦合输入分段20沿光束24在镜片3中引导的方向的伸展不再受到“不允许已经发生折转的光束24重新打到耦合输入分段20上”这个条件的限制。由此，即使镜片3很薄而且图像或像场(借助于图像产生模块5产生的图像的尺寸)很大时，仍实现很大的眼动区域或很大的出瞳25。
由此，正面8在耦合输入分段20中形成第一反射面，背面9则在耦合输入分段20中形成第二反射面，其中，埋入的磨面26布置在两个反射面之间。当侧面27在第二区域31中透明时，则侧面一般不再可见。侧面27在图3以及图4中的图示仅用于更好地理解本发明。在第一区域30中，将磨面26连接的侧面27可以是透明的、部分透明的或起反射作用的。另外，磨面26在第一区域中可以是起部分反射作用或起反射作用的。
为了产生耦合输入分段20，仅须在正面8上针对磨面26形成凹陷部。之后磨面26需要被设有相应的部分镜面层，而其中，侧面27不被涂层。
之后，磨面26被填充达到正面8的原来的半径，从而正面8也在耦合输入分段20的区域中按照所介绍的方式用于借助于内部全反射传导光。
如在图5中放大的图示中可见地，耦合输出分段21可以具有多个彼此并排布置的部分反射的磨面28，所述磨面通过部分反射的侧面29或透明的侧面29得到连接。这产生如下优点，打到耦合输出分段21的第一区域34中的磨面28上的光束241部分地折转到出瞳25，部分241’(虚线示出)被透射。被透视的部分241’在正面8上发生全反射，延伸穿过耦合输出分段21的第一区域34中的侧面29，当再次在背面9上发生全反射之后，打到另一部分反射的磨面28(其处于耦合输出分段21的第二区域35中)上，在所述磨面28上实现了朝向出瞳25方向的重新折转。
也可行的是如下的光线延伸，其中，由第一区域34中的磨面28透射的部分首先延伸穿过侧面29，然后达到第一区域34中的下一个磨面28上，被该磨面28上折转，正如针对光束242示意示出那样。同样地，在下一个磨面28上又可以透射一部分，这部分然后当在正面8和背面9上又发生全反射之后，打到第二区域35中的另一磨面28上，并且被该磨面28折转。按照这种方式，耦合输出分段21作为光瞳扩展器发挥作用。
由此，磨面28是以与耦合输入分段20的磨面26相同方式埋入的磨面28。磨面26、28能够延伸至正面8，或者可以与正面8间隔。
耦合输入分段20的磨面26以及耦合输入分段21的磨面28能够以如下方式设计，使得除了单纯的光线折转之外，还实现了成像作用。磨面的形状和位置能够例如借助于优化计算来确定。在此，出发点是弯曲的反射面，弯曲的反射面提供了所希望的成像作用并且通过磨面26、28接近。在此，各磨面26、28可以是平坦或者说平整的或弯曲的。这种方式例如在WO2010/097442A1和WO2010/097439A1中得到介绍，其中，所述文献的相应的说明书连同附图被一并引入本公开文件中。
磨面26、28的反射率可以是恒定的。但也可行的是，反射率沿光线传导方向增大或减小。
在所介绍的显示装置1的这里介绍的实施方式中，虚像耦合输入到使用者的视场中的过程借助于左侧的镜片3来实现。当然也可以借助于右侧的镜片4来实现耦合输入。另外，显示装置1能够以如下方式设计，使得图像借助于两个镜片3、4映出。这例如能够按照产生三维图像观感的方式实施。
镜片3、4例如可以由玻璃或者由合成材料制成。
Claims (11)
1.一种镜片，用于能够佩戴到使用者头上且产生图像的显示装置(1)，所述镜片包括：
具有正面(8)和背面(9)的镜片体(7)；以及
在镜片(3、4)的俯视图中看，处于镜片(3、4)的边缘区域(12)中的耦合输入分段(20)和处于镜片(3、4)的中心区域(13)中的耦合输出分段(21)；
两个相对置的、处于耦合输入分段(20)的区域中的反射面(8、9)；
磨面(26)，所述磨面在耦合输入分段(20)的区域中、在镜片体(7)中嵌入两个反射面(8、9)之间，并且在从耦合输入分段(20)向耦合输出分段(21)的方向上，彼此并排布置在第一区域(30)和与第一区域相接的第二区域(31)中，
其中，在第一区域(30)中的磨面(26)起部分反射作用或起反射作用，在第二区域(31)中的磨面(26)是起部分反射作用的，并且第二区域中的直接相邻的磨面(26)通过侧面(27)连接，所述侧面是部分透明的或者是透明的，
其中，镜片(3、4)适合用于：将来自所产生的图像的像素的、借助于镜片(3、4)的耦合输入分段(20)耦合输入到镜片(3、4)中的光束(24、24’、24”)在镜片(3、4)中通过反射引导至耦合输出分段(21)，并且经耦合输出分段(21)从镜片(3、4)中耦合输出，
其中，在第一区域(30)中的磨面(26)将为了耦合输入而打到该磨面上的光束(24’、24”)至少部分地反射至第二反射面(9)，在第二反射面上，为了引导光束(24’、24”)而发生朝向第一反射面(8)的方向的反射，由此，在第二区域(31)中打到侧面(27)上的光束(24)穿过侧面(27)延伸达到第一反射面(8)，并且在第一反射面(8)上为了引导光束而被反射，以及在反射之后在第二区域(31)中穿过部分反射的磨面(26)透射。
2.根据权利要求1所述的镜片，其中，第一反射面(8)由正面形成。
3.根据权利要求1或2所述的镜片，其中，第二反射面(9)由背面形成。
4.根据权利要求1所述的镜片，其中，第一和/或第二反射面构造在正面(8)与背面(9)之间。
5.根据前述权利要求中任一项所述的镜片，其中，第一和/或第二反射面平整地设计。
6.根据前述权利要求中任一项所述的镜片，其中，第一反射面的反射率在从耦合输入分段(20)向耦合输出分段(21)的方向上增大。
7.根据前述权利要求中任一项所述的镜片，其中，磨面(26、28)的反射率在从耦合输入分段(20)向耦合输出分段(21)的方向上增大。
8.根据前述权利要求中任一项所述的镜片，其中，耦合输入分段(20)和/或耦合输出分段(21)具有成像作用。
9.根据前述权利要求中任一项所述的镜片，其中，耦合输入分段(20)具有准直作用。
10.一种镜片，用于能够佩戴到使用者头上且产生图像的显示装置(1)，所述镜片包括：
具有弯曲的正面(8)和背面(9)的镜片体(7)；以及
在镜片(3、4)的俯视图中看，处于镜片(3、4)的边缘区域(12)中的耦合输入分段(20)和处于镜片(3、4)的中心区域(13)中的耦合输出分段(21)；
两个相对置的、处于耦合输出分段(21)的区域中的反射面(8、9)；
磨面(26)，所述磨面在镜片体(7)中的耦合输出分段(21)的区域中嵌入两个反射面(8、9)之间，并且在从耦合输入分段(20)向耦合输出分段(21)的方向上，彼此并排布置在第一区域(34)和与第一区域相接的第二区域(35)中，
其中，在第一区域(34)中的磨面(28)起部分反射作用，在第二区域(35)中的磨面(28)是起部分反射作用或者起反射作用的，并且第一区域(34)中的直接相邻的磨面(28)通过侧面(29)连接，侧面是部分透明的或者是透明的，
其中，镜片(3、4)适用于：将来自所产生的图像的像素的、借助于镜片的耦合输入分段(20)耦合输入到镜片(3、4)中的光束(24、24’、24”)在镜片(3、4)中通过反射引导至耦合输出分段(21)，并且经耦合输出分段(21)从镜片(3、4)中耦合输出，
其中，在第一区域(34)中的磨面(28)将为了耦合输出而打到其上的光束(24、24’、24”)至少部分地为了耦合输出反射至第二反射面(9)，并且至少部分地透射至第一反射面(8)，在第一反射面上发生朝向第二反射面(9)的方向的反射，由此，在第一区域(34)中打到侧面(29)上的光束(24、24”)通过侧面(29)延伸达到第二反射面(9)，并且在第二反射面(9)上，反射至第二区域(35)中的磨面(28)，并且从该磨面为了耦合输出而反射至第二反射面(9)。
11.一种显示装置，具有：
能够佩戴到使用者头上的保持装置(2)，
固定在保持装置(2)上的、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，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)，并且将所产生的图像在保持装置(2)佩戴到头上的状态下，以如下方式成像，使得图像对于使用者能够作为虚像被感知到。
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