CN105579886A - 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
本发明涉及一种镜片，用于能够佩戴到使用者头上而且产生图像的显示装置(1)，包括：具有正面(8)和背面(9)的镜片体(7)，正面(8)和/或背面(9)是弯曲的，镜片体(7)具有第一和第二分体(20、21)，第一和第二分体的彼此面向的边界面相互连接；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(25)和具有反射磨面(27)的、处于镜片(3、4)的中心区域(13)中的反射耦合输出分段(26)；以及在耦合输出分段(26)的区域中布置在两个边界面之间的分光层(22)，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(25)耦合输入到镜片(3、4)中的光束在镜片(3、4)中通过在背面(9)和与所述背面相对置的反射面(8、22)上的反射而引导至耦合输出分段(26)，并且经耦合输出分段(28)从镜片(3、4)中耦合输出，分光层(22)分别将由背面(9)反射的光束(24)中的一部分反射至背面(9)并且透射一部分，被反射的部分在背面上发生反射之后重新打到分光层(22)上并且在分光层上又部分地被朝向背面(9)反射，并且一部分被透射，被透射的部分打到磨面(27)上，磨面实现了朝向背面(9)的如下反射，使得通过分光层(22)和背面(9)实现耦合输出。
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
这种镜片通常在镜片的俯视图中来看，具有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，其中，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，以便提供虚像。在实践中，已经表明：很难一方面将镜片尽可能薄地构造并且另一方面提供了针对耦合输出的光束而言尽可能大的出瞳。因此，一般来讲，在耦合输出分段中构成所谓的光瞳扩展器，以便实现对出瞳所希望的扩展。光瞳扩展器通常设计为衍射的光瞳扩展器，其一方面表现出强烈的波长相关性，另一方面难于实现。
发明内容
由此出发，本发明的目的在于，提供一种镜片，利用该镜片能够尽可能完全排除开头所提到的难点。
按照本发明，所述目的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，正面和/或背面是弯曲的，镜片体具有第一和第二分体，第一和第二分体的彼此面向的边界面相互连接；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具有反射磨面的、处于镜片中心区域中的反射耦合输出分段；以及在耦合输出分段的区域中布置在两个边界面之间的分光层，其中，镜片适用于：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耦合输入到镜片中的光束在镜片中通过在背面和与背面相对置的反射面上的反射而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，分光层分别将由背面反射的光束中的一部分朝向背面反射并且将一部分透射，被反射的部分在背面上发生反射之后重新打到分光层上并且在分光层上又部分地被朝向背面反射，并且部分地被透射，被透射的部分打到磨面上，磨面实现了朝向背面的如下反射，使得通过分光层和背面实现耦合输出。
利用这种镜片能够以简单的方式实现光瞳的扩宽，因为借助于分光层确保了：光束(或每个光束的相应透射的部分)分别多次在旁侧间隔地打到耦合输出分段的磨面上，从而在实现在磨面上(借助于反射)完成折转之后，在出瞳扩宽的同时，实现所希望的耦合输出。
由此，耦合输出分段作为反射耦合输出分段起作用，因为以如下方式设置反射磨面，所述磨面不产生一定的或所希望的衍射效果。
在按照本发明的镜片中，分光层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。
另外，磨面设计为部分反射的磨面。特别是磨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。
另外可行的是，磨面设计为反射磨面(尽可能100％反射)。
磨面可以按照如下类型彼此并排地布置，使得在磨面的俯视图中存在(基本上)连续的反射或部分反射的层。可替换地，相邻的磨面能够彼此间隔，使得在其间存在透明的空隙(在俯视图中看)。
在按照本发明的镜片中，反射面可以是正面或者施加到正面上的反射层。
另外可行的是，反射层构造在两个分光层的两个边界面之间。
在背面上的反射和/或在反射面上的反射可以通过内部全反射面来实现。
磨面可以构造在镜片体的正面上。磨面特别是可以设计为埋入式的磨面。在这种情况下，由磨片构成的凹陷部被以镜片体(或相应的分体)的材料填充，从而构成光滑的正面并且填充特别是以如下方式实施，使得正面原有的曲率分布也存在于被埋的磨面的区域中。
反射面可以平坦或者说平整或弯曲地设计。分光层也可以平坦或者说平整或弯曲地设计。
在反射面和/或分光层弯曲的设计方案中，其也可以被用于对光束成像时的成像差错加以修正。
反射面和分光层可以通过同一个层来实现。
耦合输入分段和/或耦合输出分段可以具有成像作用。
另外，可行的是，耦合输入分段具有准直效果。耦合输入分段还可以是起折射作用和/或反射作用的。
可行的是，耦合输入镜片的过程经端面、正面和背面相结合地来实施。端面特别是可以具有成像功能。
按照本发明的镜片可以由合成材料或玻璃形成。
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。
另外，提供了一种显示装置，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，其中，成像光学器件具有按照本发明的镜片，所产生的图像当保持装置佩戴到头上的状态下以如下方式成像，使得图像能够作为虚像被使用者感知。
成像光学器件可以具有作为唯一光学元件的镜片。但也可行的是，成像光学器件除了镜片之外还包括至少一个其他光学元件。
这样，其他光学元件例如可以是准直光学器件，准直光学器件布置在镜片与图像产生模块之间，使得出自图像产生模块的光束能够作为准直光束耦合输入到镜片中。
成像光学器件特别是能够以如下方式设计，使得所有光束在耦合输入分段中的伸展尽可能小。这特别是能够以如下方式实现，即，成像光学器件的入瞳被放入耦合输入分段的区域中。
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。
按照本发明的显示装置可以具有其他本领域技术人员已知的、对于显示装置的工作所需的元件。
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，借助于附图示例性地详细阐述本发明。附图同样公开了对于本发明关键的特征。其中：
图1示出按照本发明的显示装置的实施方式的示意透视图；
图2示出图1的第一镜片3的细节剖视图；
图3示出根据图2的耦合输出分段26的一部分的细节放大图；
图4至图8示出第一镜片3的剖视图，用于阐述借助于耦合输出分段的不同耦合输出方案；
图9至图11示出在出瞳针对不同视场点的相同位置上，出瞳的视图；
图12至图14示出与图9至图11相对应的视图，具有眼瞳水平移位的位置；以及
图15示出根据图3的、用于阐释耦合输出分段26的磨面27的构造的变型的图示。
具体实施方式
在图1中所示的实施方式中，按照本发明的显示装置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仅示例性地连同按照本发明的显示装置1一起示出。镜片3、4或至少是左侧镜片分别被设计用于按照本发明的镜片3、4。按照本发明的左侧镜片3当然也可以设计为右侧镜片。
如最佳地从图2的第一(左侧)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以及耦合输入光学器件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OLCD模块、CMOS模块、LCoS模块或倾斜镜阵)，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、弯曲的背面9和端面10。镜片体7分两部分地设计并且包括内部分体20和外部分体21。两个分体20、21的彼此面向的侧面具有相同的曲率，从而这两个分体能够平整地相互连接。在两个彼此面向的侧面之间，布置有反射层22(例如二氧化钛)，反射层从镜片3的边缘区域12延伸至中心区域13。在边缘区域12上构造有耦合输入分段25，在中心区域13中构造有耦合输出分段26。
如从图2的图示中得悉，光束24从图像产生模块5延伸至耦合输入光学器件15，并且经端面10和背面9以如下方式输入到镜片(在这里为内部分体20)中，使得光束以如下角度从反射层22反射到背面9上，以该角度在背面9上发生全反射。由此，光束在反射层22与背面9之间来回反射，由此引导至耦合输出分段26。
在耦合输出分段26的区域中，反射层22设计为分光层22，分光层将每个打到其上的光束24的一部分加以反射，一部分被透射。被透射的部分延伸穿过外部分体21并且打到菲涅耳结构28的磨面27上，菲涅耳结构在耦合输出分段26的区域中构造在正面9上。磨面27部分反射地设计并且(通过反射)实现了朝向分光层22和背面9的方向的光路伸展，方式为：光束24的按照这样反射的部分延伸透过分光层22和背面9(这是因为基于入射角很小，在背面9上不再发生内部全反射)并且由此耦合输出。
由分光层22反射的部分在背面9上被全反射并且由此在旁侧错开地(也即是沿从耦合输入分段25向耦合输出分段26的方向错开地)作为光束24’重新打到分光层22上，在分光层上又有一部分光透射以及一部分光反射。光束24’的透射的部分在旁侧错开地达到其他磨面27上并且从该其他磨面再度折转，实现了耦合输出。光束24’的由分光层22反射的部分在旁侧错开地重新打到背面9上并且从背面上发生全反射。分光层22的工作原理在图3中的放大细节图中再度示意示出，其中，光束24’以虚线示出。
按照这种方式，借助于非涅耳结构28、分光层22和背面9在耦合输出分段26的区域中实现了光瞳扩展器，从而能够实现出瞳29在旁侧方向上很大的伸展。
出瞳29的扩大在按照本发明的镜片3中执行，因为基于镜片体7非常薄的设计方案，单独耦合输出的光束直径不足以填满出瞳29。出瞳29也可以称为眼动区域。这是指如下的区域，所述区域由显示装置1提供并且在其中，使用者的眼睛能够运动，并且使用者始终还能够感知到耦合输出的图像。因此，对于每个视场点(例如需要显示的图像的像素)而言，需要两个或者三个相邻的耦合输出部，以便填满使用者的定位于眼动区域29中的一个部位上的出瞳29。因此，例如两个或三个耦合输出部应当在视网膜上成像在相同的(处于眼镜分辨能力之内)的图像点上。也就是应当存在全等性。就此，特别是理解为，在小于1分钟的眼睛分辨能力的范围内，打到的是视网膜上相同的位置。也可以说成，对于相邻的耦合输出部而言，针对一个视场点存在相同的主辐射角。
反射层22可以在耦合输入和耦合输出分段25、26之间的区域中，以与在耦合输出分段26的区域中相同的方式设计为分光层，分光层将打到其上的一部分光反射并且透射一部分。在图2中，仅示出反射的部分。可替换地，反射层能够以如下方式构造在耦合输入和耦合输出分段25、26之间，使得反射层作为全反射层以如下方式起作用，即反射层自一预先确定的入射角起，使光束24反射并且使入射角小于该预先确定的入射角的光透射。在这种情况下，显示装置的使用者也可以穿过反射层的处于耦合输入和耦合输出分段25、26之间的区域观视。另外，反射层可以在耦合输入和耦合输出分段25、26之间分别具有其他所希望的反射率(大于0％至100％)。
反射层22也可以在耦合输入分段25的区域中延伸。在这里，反射层优选设计为如下反射层，该反射层将透射到其上的光束完全反射(也就是尽可能100％的反射率)。这在不妨碍使用者的情况下可行，因为使用者在边缘区域中不透过镜片看视。特别是边缘区域可以例如处在保持装置2的侧部的镜腿或相应的铰接件的区域中。
在所介绍的实施方式中，光束的耦合输入部分地经背面9以及部分地经端面10(在这里为内部分体20的端面10的分段)实现。当然，耦合输入也能够以如下方式实现，即，耦合输入要么仅在端面10上执行，要么仅在背面9上执行。
在图2中还绘出了穿戴显示装置1的使用者的眼睛的视网膜的位置30，以便阐明：多个耦合输出部针对每个视场点在视网膜中是全等的。
菲涅耳结构28能够以如下方式构造，即，菲涅耳结构除了是光线折转之外，还实现了成像功能。这也能够以如下方式实现，以具有所希望的成像特性的弯曲的反光面为出发点，然后对反光面以磨面27加以后续调整。在此，各个磨面27可以是平坦或弯曲的。这种方式例如在WO2010/097442A1和WO2010/097439A1中描述，其中，上述出版文献的相应的说明和附图被一并纳入本公开文件中。
根据图2的镜片体7可以具有例如2.0mm的厚度。正面和背面8、9的曲率半径的量值为90mm。所产生的视场为10°×4°。可以用作镜片体7的材料的例如是PMMA(基甲基丙烯酸甲酯)。眼动区域的直径进而还有最大旁侧伸展为7mm，最多存在五个耦合输出部，以便填满眼瞳，其中，假设眼瞳具有2至3mm的直径。
分光层22特别是这样设计，使得分光层在耦合输出分段26的区域中具有从耦合输入分段朝向耦合输出分段26的方向升高的通过透射率(也就是可以降低的反射率)。
另外，内、外分体20、21的彼此面向的侧面的形状进而还有将借助于图像产生模块5产生的图像作为虚像成像的反射层22的形状在优化借助于按照本发明的镜片3提供的成像特性时，能够得到顾及。这样，反射层22可以例如设计为自由形状面(其例如在两个垂直的分段或两个主分段中具有不同的曲率)，由此，在不影响透光成像质量(其仅由正面和背面8、9来决定)的情况下映出图像时，能够明显改善成像质量。
这样，背面9的曲率(其通常用于矫正缺陷视力)例如可以通过相应设计反射层22的曲率来补偿，而不对透光成像性质产生影响。如果需要的话，例如也可以一并考虑到正面8的曲率，从而对于使用者而言，虚像在透过背面9之后也表现出所希望的缺陷视力矫正。
在图4至图8中的图示中，针对边缘视场和视场中心示出五个不同的耦合输出部。所有其他耦合输出部不再达到眼睛并且因此也不再示出。
在图9中示出：当使用者的眼睛的光瞳31定位于眼动区域29的中心处时，该光瞳的照明情况，其中，五个耦合输出部被标示为A1、A2、A3、A4和A5。如从图9中的图示得悉，第三耦合输出部(A3)以最大程度有助于成像，其中，作为补充仅添加第二和第四耦合输出部(A2、A4)的小部分。
在图10中，按照与图9中类似方式示出：哪个耦合输出部针对下部视场边缘(-5°)的光束有助于成像。在此情况下，主要是指第四和第五耦合输出部A4、A5。在图11中示出针对上部视场边缘(+5°)的相同图示。从而得出，第一和第二耦合输出部A1、A2被感知。
在图12和图14中，相应的图示示出当眼瞳31在眼动区域29内沿水平移位的位置(y方向)上时，相应的图示。
在迄今介绍的实施方式的改动方案中，反射层22从耦合输入分段25直至稍前于耦合输出分段26都透明地设计或不设置，使得在上述区域中，光传导通过内部全反射在正面和背面8、9上发生(在图2中通过虚线40示出)。
在耦合输出分段26的区域中，反射层22才按照已经介绍的方式作为分光层起作用，使得每根打到其上的光束24的一部分被透射，一部分被反射(之后，光线延伸与迄今介绍的实施方式相同，从而在耦合输出分段的区域中不再绘出线40)。被透射的部分打到菲涅耳结构28上，被菲涅耳结构折转并且被耦合输出至出瞳29。被反射的部分在背面上重新反射至分光层22，使得实现所希望的出瞳29的扩宽。分光层22又以如下方式设计，分光层在从耦合输入分段25向耦合输出分段26的方向上具有升高的透射率，进而具有降低的反射率。
磨面27在迄今所介绍的实施方式中构造在正面8上。但也可行的是，磨面27构造在镜片体7中，特别是构造在外部分体21中，如在图15中的示意图中所示那样。图15基本上与图3的图示相同，但其中，在这里磨面27设计为埋入镜片体7中的磨面27。通过磨面27形成的凹陷部优选被填满，使得在耦合输出区域26中存在正面8的原有曲率分布。由此，当透过镜片3观察环境时，在耦合输出分段26的区域中不出现不希望的折射部位。
在迄今的实施方式中，磨面27设计为部分反射的磨面。但磨面也可以设计为反射磨面(尽可能反射率为100％)。在这种情况下，对于观察者在耦合输出分段的区域中不能看到透光。但还可行的是，反射或部分反射的磨面27不仅按照介绍的方式以在俯视图中看形成连续的部分反射或反射面的方式来布置，而且彼此间隔地布置，使得在两个磨面27之间分别存在磨面27的透射区域。在这种情况下，即使磨面27设计为反射磨面27的情况下，也能够透过耦合输出分段26观察透光。
在按照本发明的显示装置1的所介绍的实施方式中，虚像借助于左侧的镜片3映入使用者的视场中。当然也可以通过右侧的镜片4映出图像。另外，显示装置1能够以如下方式设计，能够借助于两个镜片3、4映出信息(或者说虚像)。在此，能够以产生三维图像感方式实现映出图像。镜片3、4可以具有为零的折射率或不为零的折射率(特别是用于矫正缺陷视力)。镜片3、4例如可以由玻璃或由合成材料制成，当然也可以用在其他能够佩戴到头上的显示装置中。
Claims (15)
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)，包括：
具有正面(8)和背面(9)的镜片体(7)，正面(8)和/或背面(9)是弯曲的，镜片体(7)具有第一和第二分体(20、21)，第一和第二分体的彼此面向的边界面相互连接；
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(25)和具有反射磨面(27)的、处于镜片(3、4)的中心区域(13)中的反射耦合输出分段(26)；以及
在耦合输出分段(26)的区域中布置在两个边界面之间的分光层(22)，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(25)耦合输入到镜片(3、4)中的光束在镜片(3、4)中通过在背面(9)和与所述背面相对置的反射面(8、22)上的反射而引导至耦合输出分段(26)，并且经耦合输出分段(28)从镜片(3、4)中耦合输出，
分光层(22)分别将由背面(9)反射的光束(24)中的一部分朝向背面(8)反射以及将一部分透射，被反射的部分在背面上发生反射之后重新打到分光层(22)上并且在分光层上又部分地被朝向背面(9)反射，并且部分地被透射，被透射的部分打到磨面(27)上，磨面实现了朝向背面(9)的如下反射，使得被磨面(27)反射的部分通过分光层(22)和背面(9)从镜片(3、4)中耦合输出。
2.根据权利要求1所述的镜片，其中，分光层(22)的反射率在从耦合输入分段(25)朝向耦合输出分段(26)的方向上增大。
3.根据权利要求1或2所述的镜片，其中，磨面(27)设计为部分反射的磨面(27)。
4.根据权利要求3所述的镜片，其中，磨面(27)的反射率在从耦合输入分段朝向耦合输出分段(25、26)的方向上增大。
5.根据前述权利要求中任一项所述的镜片，其中，反射面(8)是正面(8)。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的镜片，其中，反射面构造在两个分体(20、21)的两个边界面之间。
7.根据前述权利要求中任一项所述的镜片，其中，由磨面(27)形成的凹陷部利用在分体中构成磨面(27)的分体材料填充，从而形成光滑的正面(8)。
8.根据前述权利要求中任一项所述的镜片，其中，反射面(8、22)平整地设计。
9.根据前述权利要求中任一项所述的镜片，其中，分光层(22)平整地设计。
10.根据前述权利要求中任一项所述的镜片，其中，分光层(22)弯曲地设计。
11.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(25)和/或耦合输出分段(26)具有成像作用。
12.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(25)具有准直作用。
13.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(25)是起折射作用和/或反射作用的。
14.根据前述权利要求中任一项所述的镜片，其中，分光层和反射面通过同一个层来实现。
15.一种显示装置，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(25)，以及
固定在保持装置(2)上的成像光学器件，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)，所产生的图像当保持装置(2)佩戴到头上的状态下以如下方式成像，使得所述图像对于使用者而言，能够作为虚像被感知。
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