CN105829798B - 具有滤光功能的头戴式显示器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种头戴式显示器(1)，该显示器包括：‑光学模块(2)，该光学模块包含图像源(21)；‑成像器(3)，该成像器用于在操作中将该图像源(21)发射的光引导至佩戴者眼睛(E)；以及‑滤光片，该滤光片用于过滤该图像源(21)发射的光的一部分。本发明还提供了一种旨在安装到包括图像源(21)的头戴式显示器(1)上的眼科镜片(4)，其中所述眼科镜片(4)包括滤光片，该滤光片旨在在操作中过滤该头戴式显示器(1)的图像源(21)发射的光。
Description
技术领域
本发明涉及头戴式显示器的技术领域。更具体地，本发明涉及以下头戴式显示器的技术领域，该头戴式显示器包括包含图像源的光学模块和用于在操作中将该图像源发射的光引导至佩戴者眼睛的成像器。
背景技术
头戴式显示器(HMD)是戴在头部从而使在一只眼睛(单目HMD–图1)或每只眼睛(双目HMD–图2)前面直接显示信息内容的显示装置。HMD也被称为近眼式显示器。
HMD可以采取各种形式，包括眼镜、护目镜、头盔、面罩以及防护镜。
总体上，HMD包括从电子信号产生光束的具有图像源的光学模块，该图像源总体上是微型屏、激光二极管、发光二极管类型、有机发光二极管或空间光调制器。HMD还包括用于使来自该光学模块的光束成形并且用于引导光束朝向佩戴者的眼睛以使信息内容可视化的成像器。
HMD可以是沉浸式或非沉浸式(后者具有透视机构或环视机构)HMD。沉浸式HMD包括阻挡佩戴者的全视野的不透明成像器。环视HMD包括部分地阻挡佩戴者视野的不透明成像器。透视HMD包括不呈现对佩戴者视野阻挡的透明成像器。
关于非沉浸式HMD，两个光路径通向佩戴者的视网膜：HMD的光学模块发射的光束采取的显示图像路径和来自佩戴者的环境的光束采取的场景图像路径。
因此，佩戴者的眼睛接收人工光，其光谱不同于自然光。
人眼可以看到在约380nm至约780nm范围内的波长。超出此可见光光谱，一些波长诱发对于眼睛的急性或累积光损害。特别地，紫外线辐射，例如UVA(在315nm至380nm范围内的紫外辐射)和UVB(在280nm和315nm范围内的紫外辐射)是对人眼的角膜和晶状体有害的并且是白内障的原因。在可见波长之中，包含在380nm与500nm之间的高能量可见光(蓝色光)诱发对人眼视网膜的累积损害，并且特别是包含在415nm与455nm之间的蓝紫色光。
最近的流行病学分析证据：在年龄相关的黄斑变性(AMD)发病机理中蓝光是环境因素，像吸烟或营养抗氧化剂缺乏(Cruickshanks等人，2001，在美国医学会眼科杂志(Arch.Ophthalmol.)中；Taylor等人，1992，在美国医学会眼科杂志中；Young，1992，在国家医学协会杂志(J.Natl Med.Assoc.)中；Mitchell和Wang，1998，在眼科学(Ophthalmology)中；Fletcher等人，2008，在美国医学会眼科杂志中；Butt等人，2011，在眼科学中；以及Vojnikovic等人，2010，在人类学学会杂志(Coll.Antropol.)中)。
例如，EUREYE研究发现在具有最低抗氧化剂水平的个体中在蓝光暴露与新生血管性AMD之间存在显著相关性(Fletcher等人，2008，在美国医学会眼科杂志中)。在先前20年内对切萨皮克湾的838名船工进行的另一项研究表明晚期AMD患者具有显著更高的蓝色或可见光暴露(Taylor等，1992，在美国医学会眼科杂志中)。最后，流行病学文献的最近一项系统分析的结论是对于具有更多阳光(包含蓝光)暴露的个体显著上升的AMD风险(Sui等人，2013，英国眼科学杂志(Br.J.Ophthalmol.)中)。
蓝光对视网膜的毒性作用已经在视网膜退行性病变的很多细胞(Sparrow等人，2002在IOVS中；Youn等人，2009，在光化学光生物学杂志B(Photochem Photobiol B)中)以及动物(Putting等人，1994在实验眼科研究(Exp Eye Res)中)模型上用实验证明。最近，在生理照明条件中的体外AMD模型上已经鉴定了蓝光的精确光毒性作用谱(Arnault等人，2013，在PlosOne中)。在蓝色波长之中，正是包含在415nm与455nm之间的40nm光谱带，蓝-紫光，对视网膜带来最高的光学毒性风险。
HMD的图像源，特别地具有荧光灯或白色发光二极管(LED)的图像源，可能呈现以下发射光谱，该发射光谱具有大比例的不希望的光(这些不希望的光可能对佩戴者的眼睛是累积地有害的)，附加地具有天然光暴露，即来自佩戴者的环境的光。的确，难以提供发射具有所希望的光谱的光的发光元件，提供发光元件而无光子噪声变成一项挑战。例如，一些荧光灯可包含约26％蓝光(即，荧光灯26％的可见发射是在蓝色范围内)，并且冷白色LED，具有高于或等于6000K的色温，可以包含最高达35％的蓝光，而传统白炽灯，具有低的色温(约2700K)，仅含有小于5％的蓝光。现在，照明工业的领先者相信到2020全世界所有光源超过90％将是基于固态照明，-即，使用LED、OLED(有机发光二极管)或PLED(聚合物发光二极管)的照明，包括HMD。
因此，存在着对于提供对佩戴者的眼睛更安全的HMD的需要。
此外，在HMD中，该图像源接近该佩戴者的眼睛。所获得的反射朝向佩戴者眼睛的图像可能具有与投射朝向壁或从屏幕发射的情况下不同的特性。因此，与图像投射或发射中遇到的那些不同的图像畸变可能不利于由佩戴者眼睛如原样接收的或感知的图像品质。
因此，还存在着对于改进HMD中的图像品质的需要。
发明内容
因此，本发明的目标在于克服至少一种如以上所提及的现有技术的技术问题。具体地，本发明的一个目的是提供具有无害的光发射的HMD。本发明的另一个目的是提供具有改进的图像品质的HMD。
为了这些目的，本发明提供了头戴式显示器，该头戴式显示器包括
-光学模块，该光学模块包含图像源；
-成像器，该成像器用于在操作中将该图像源发射的光引导至佩戴者眼睛；以及
-滤光片，该滤光片用于过滤该图像源发射的光的一部分。
这样一种HMD概念使得有可能获得反射朝向佩戴者眼睛的具有受控特性、并且特别是具有平衡光谱的图像。
该滤光片有利地过滤该图像源发射的在280nm至610nm范围内的波长。
该成像器可以包括用于在操作中引导偏振光的光导，并且该滤光片可以被施用在该光导上。该成像器可以包括(偏振)光束分离器，并且该滤光片被施用在该光束分离器上。
该成像器可以进一步包括在该光导上的绝缘层，并且该滤光片被施用在该绝缘层上。
该成像器可以进一步包括施用在该光导的在操作中面向佩戴者眼睛的一部分上的提取表面，并且该滤光片被施用在该提取表面上。
该HMD可以进一步包括眼科镜片，该眼科镜片具有正面、背面并且可任选地包含光学连接到该图像源上的图像插入区域，该眼科镜片包括该成像器。该滤光片被施用在该眼科镜片的图像插入区域、以及背面中的至少一者上。
该滤光片可以包括选自至少以下项的干涉滤光片：基于布拉格反射镜的滤光片、多层介质滤光片、全息器件、和梳状滤光片。该干涉滤光片可以进一步包括光子带隙材料。当该干涉滤光片是基于布拉格反射镜的滤光片、多层介质滤光片和梳状滤光片中的一者时，该干涉滤光片可以包括一种具有1.9至2.6高折射率的材料和一种具有1.2至1.8低折射率的材料的交替层的多层介质堆叠体，每一层为5nm到420nm，并且该多层介质叠堆体的总厚度为1150nm到5770nm。
可替代地或另外地，该滤光片可以至少包括一个吸收性滤光片，该吸收性滤光片至少包括吸收在380nm至500nm范围内的波长、并且透射至少85％的从500nm至780nm的波长的染料和/或颜料。该吸收性滤光片可以进一步包括光学增亮剂。
可替代地或另外地，该吸收性滤光片被施用在至少一个功能层上。该功能层是选自抗冲击和/或粘附底漆层、耐磨和/或耐刮擦层、减反射层、抗静电层、防污层、防雾层、自恢复偏振层、着色层、光致变色、以及它们的组合。
该染料和/或颜料可以包括从由以下各项组成的组中选择的至少一种组分：金胺O；香豆素6；香豆素343；香豆素314；硝基苯并噁二唑；荧光黄CH；二萘嵌苯；9,10-双(苯乙炔基)蒽(BPEA)；原黄素；4-(二氰基亚甲基)-2-甲基-6-(4-二甲氨基苯乙烯基)-4H-吡喃；2-[4-(二甲氨基)苯乙烯基]-1-甲基碘化吡啶鎓；试卤灵甲醚；吖啶；叶黄素；玉米黄质；以及它们的混合物。
该显示器可以包括眼科镜片，并且该吸收性滤光片至少包括分散在热塑性或热固性聚合物材料、和/或分散在眼科镜片本体材料和/或在粘合剂材料中的染料和/或颜料。
本发明还提供了一种旨在被安装到头戴式显示器上的眼科镜片。该头戴式显示器包括图像源，并且该眼科镜片包括旨在在操作中过滤该头戴式显示器的图像源发射的光的一部分的滤光片。任选地，该眼科镜片包括用于在操作中将该图像源发射的光引导至佩戴者眼睛的成像器。
本发明还提供了一种旨在被安装到头戴式显示器上的成像器。该头戴式显示器包括图像源，并且该成像器包括旨在在操作中过滤该头戴式显示器的图像源发射的光的一部分的滤光片。
本发明还提供了一种用于头戴式显示器的光学模块，该光学模块包括图像源、显示器、光学组件和用于在操作中过滤该图像发射的光的一部分的滤光片，该滤光片被施用在该图像源、该显示器或该光学组件中的至少一者上。
附图说明
其他目的、特征和优点将参照示例性和非限制附图在下面进行描述。在附图中，贯穿这些视图的类似的参考号表示类似的部件或步骤：
-图1是单目头戴式显示器的图解；
-图2是双目头戴式显示器的图解；
-图3是本发明的头戴式显示器的示意性图解，其中该成像器被封装在该眼科镜片内；
-图4是本发明的头戴式显示器的示意性图解，其中该成像器被定位在眼科镜片的正面；
-图5是本发明的头戴式显示器的示意性图解，其中该成像器被定位在该眼科镜片的背面；
-图6是图3的放大细节；
-图7是示出了在基于布拉格反射镜的滤光片内的折射率变化的曲线图；
-图8是示出了在梳状滤光片内的折射率变化的曲线图；
-图9是曲线图，示出了在本发明第一具体实施例的干涉滤光片的垂直入射下的反射光谱，该干涉滤光片被施用在1.6折射率的材料(MR8TM，三井公司(Mitsui))上并且空气作为入射介质；
-图10是曲线图，示出了由ZrO2和SiO2的交替层(各自6个层)构成的偏振光束分离器的45°入射下的反射光谱，该偏振光束分离器被施用在聚合物材料(MR8TM，三井公司)上，该入射和出射介质是该聚合物材料；
-图11是曲线图，示出了由ZrO2和SiO2的交替层(各自6个层)构成的具有滤光功能的改良的偏振光束分离器的45°入射下的反射光谱(第二具体实施例)，该偏振光束分离器被施用在聚合物材料(MR8TM，三井公司)上，该入射和出射介质是该聚合物材料；
-图12是曲线图，示出了根据第三具体实施例的干涉滤光片的反射光谱(0°入射用于总平均偏振的光束，62°入射用于已经穿过偏振光束分离器的S-偏振光束)，该干涉滤光片被封装在该聚合物材料内部(MR8TM，三井公司)；
-图13是曲线图，示出了根据第四具体实施例的干涉滤光片的垂直入射下的反射光谱(0°入射用于总平均偏振的光束，62°入射用于已经穿过偏振光束分离器的S-偏振光束)，该干涉滤光片被封装在该聚合物材料内部(MR8TM，三井公司)；
-图14是曲线图，示出了对于根据该第四具体实施例的干涉滤光片的波长460nm(平均偏振)和550nm(已经穿过偏振光束分离器的S-偏振光束)，反射率作为入射角函数的变化；
-图15是曲线图，示出了根据本发明的第五具体实施例的干涉滤光片的反射光谱，在62°高入射角下并且对于耦合到光导(在其上施用干涉滤光片)上的S-偏振光束，该光束已经穿过偏振光束分离器；
-图16是曲线图，示出了根据本发明的第六具体实施例的干涉滤光片的反射光谱，在垂直入射下，该干涉滤光片被施用在聚合物材料(MR8TM，三井公司)上，入射介质是该聚合物材料并且出射介质是空气。
具体实施方式
现在参见图1至6，将描述根据本发明的具体实施例的头戴式显示器(HMD)。
在此描述中给出的光的任何百分比应被理解为表示针对所讨论光的总能量的一部分光能量。
此种HMD 1包括包含图像源21的光学模块2、用于在操作中将图像源21发射的光引导至佩带者的眼睛E的成像器3、和至少一个用于过滤图像源21发射的光的一部分的滤光片。该滤光片可以被放置在该图像源与佩戴者的眼睛E之间的光(来自图像源)的光学路径中的任何地方。
该滤光片被特别构思以保证佩戴者所感知的图像品质。有利地，该滤光片被构思为使得获得与没有滤光功能的图像相同或尽可能接近的水平的图像品质(几乎没有畸变)。以下参数可帮助评估畸变水平：色域、颜色方面(colour respect)、对比度/亮度、锐利度、亮度均匀性、色彩均匀性、色度(chromaticism)、反射、和透明度。
有利地，这些滤光片过滤图像源发射的在280nm至610nm范围内的波长。
在本发明的范围内，动词“过滤”意思是“部分或完全过滤掉”。在本发明的范围内，词语“过滤A至B范围内的波长/光”意思是“过滤掉位于范围A至B内的一个或多个波长(诸如带)”。它也可以表示“过滤掉整个A至B波长范围”。
该滤光片可以过滤光如UV(包括仅一个或多个子范围像UVA和UVB)、蓝光和红外辐射(IR)。该滤光片还可以过滤如佩戴者的眼睛的特定条件或针对光源的特定特征所需要的其他可见波长。UV包括在280nm至380nm范围内的波长并且可以被细分为含有在315nm至380nm范围内的波长的UVA以及含有在280nm至315nm范围内的波长的UVB。蓝光包括在380nm至500nm、优选380nm至455nm范围内的波长。蓝光的特定带宽是在对应于有害的蓝-紫光的415nm至455nm范围内；滤光片可以有利地选择性地过滤这个范围的波长。近IR包括在780nm至1400nm内的波长。该滤光片可以总体上过滤含有UV、有害蓝光和IR中的至少一种的波长的有害光。
可替代地，该滤光片可以过滤至少一个特定的带宽来改进图像品质。例如，这些滤光片过滤在约580nm的波长以改善图像的对比感知。这还可以防止眩目。过滤有害蓝光还可以通过减少眩光来提高对比灵敏度以及佩戴者的视觉舒适度。
光学模块2引导并且加工图像源到成像器3中并且包括图像源21以及通常至少显示器22和光学元件23，例如透镜安排和/或准直仪。任选地，当(偏振)光束分离器没有提供在成像器3中时，光学模块2还可以包括(偏振)光束分离器(未示出)。
成像器3可以包括以下各项中的至少一项：光导31、(偏振)光束分离器32、位于光导31的在操作中面向佩戴者眼睛E的一部分上的提取表面33以及在光导31上的绝缘层34。
更具体地，该滤光片被施用在图像源21(以及更通常光学模块2的任何元件)、光导31、(偏振)光束分离器32、提取表面33、以及绝缘层34中的至少一者上。
施用该滤光片在本发明范围内应理解为是指将该滤光片加入至该元件部分的表面、至构成该元件的一个部件的表面、到该元件内，或者是指对该元件进行修改以便呈现除了其一个或多个原始功能之外的滤光功能。
如果滤光片被施用在图像源21上，因此有可能过滤图像源21发射的光，例如以除去有害光和/或以改善图像品质。因此，没有必要改变HMD的其他元件的任何特性。因此，这免受改变已有的复杂HMD制造工艺的负担。
光导31将图像源发射的光引导到佩戴者的眼睛E而没有实质性的信息损失。将该滤光片施用到光导31上，尤其是在其表面的至少一部分上或结合在光导31内部，使得有可能在显示图像路径与场景图像路径之间施加不同的过滤水平。
偏振光束分离器32将入射光(来自图像源)分离成S-偏振和P-偏振光束。只有S-偏振(对应地P-偏振)光束在操作中被选择性地反射到光导31内以形成由佩戴者的眼睛E接收的图像。P-偏振(对应地S-偏振)光束被透射穿过偏振光束分离器32。偏振光束分离器的一个实例在US6891673中给出并且由ZrO2和SiO2的交替层组成(各自6个层)。这一具体偏振光束分离器的每个层是50nm至170nm厚，总厚度是约1285nm。这个特定的偏振光束分离器典型地透射平均98％的P-偏振光束并且将平均超过90％的S-偏振光束反射朝向光导(图10)。将该分离功能施用于从380nm至780nm的整个可见光谱。将该滤光片施用到偏振光束分离器32使得有可能选择朝向光导31反射的波长。
虽然光导31通过内反射引导光(如同光被捕获在光导内部)，施用在光导31的一个区域内的提取表面33使得在操作中光有可能透射穿过光导31和提取表面33的叠加体而大体上朝向佩戴者的眼睛E(如同光脱离该光导)，因此确保了耦合输出功能。将滤光片施用到提取表面33上使得有可能选择待提取的波长并且朝向该佩戴者的眼睛E行进。
绝缘层34是成像器3的层，通常置于与支撑光导31的透明或部分透明的基片处于接触。绝缘层34可以被施用在光导31的前侧(即，在操作中距离佩戴者眼睛更远的光导侧)、光导31的后侧(即，在操作中更靠近该佩戴者眼睛的光导侧)或二者。当指明该滤光片可以施用在绝缘层34上时，这还包括其中该滤光片被施用在成像器3的绝缘层34和光导31的之间的实施例。一旦联接到基片(特别是眼科镜片的本体)上，绝缘层34是用以保持光导31的光学特性。绝缘层34使得有可能选择性地反射在确定的入射角度范围内的光并且透射该确定的入射角度范围之外的光。
此类绝缘层的实例在WO 2008/099116中描述。在有利的情况下，将该滤光片施用在光导31的前侧的绝缘层34(特别是作为改良的绝缘层以便增加如下所述的干涉滤光片功能)上，通常在透视类型的HMD中，使得非所希望的波长在佩戴者的眼睛的相反方向中被选择性地透射出光导31。该滤光片当通过改变绝缘层的设计施用在绝缘层34上时提供了用于过滤在光导31内部反射的光(即，来自图像源的图像)和来自该佩戴者环境光的滤光功能。在光导31内部的多次反射确保滤光功能的高效率。当该滤光片是具有至少一种如下所述染料或颜料的吸收性滤光片时，该滤光片还可以被放置在光导31与绝缘层34之间。在此情况下，这种吸收性滤光片通常被定位在光导31的前侧、后侧或两侧上以最大化该过滤效应。
除了此处已经所述的，如果提供光束分离器，将该滤光片施用在该提取表面、绝缘层或更通常地光束分离器之后该图像源发射的光跨越的任何元件中之一上使得有可能将滤光功能仅施用到该S-偏振光束上。在这种情况下，如果滤光片作为如下面将描述的干涉滤光片被提供，其结构可以更容易地优化，因为该滤光功能不需要对于S-和P-偏振光束而仅对于S-偏振光束进行设计。
HMD 1可以进一步包括眼科镜片4，该眼科镜片具有正面41、背面42以及可任选地光学连接到图像源21上的图像插入区域43，眼科镜片4包括成像器3。正面和背面41、42相对于HMD的正常操作被指定，即正面41对应于眼科镜片4的距离佩戴者眼睛E更远的面并且后面42是在操作中该眼科镜片4的更靠近该佩戴者眼睛E的面。眼科镜片4在本发明的上下文中应理解为表示镜片，其功能是保护眼睛和/或矫正视力；该镜片选自无焦点的、单焦点的、双焦点的、三焦点的、以及渐进式的镜片。然后，应理解的是该眼科镜片可以是校正或非矫正型眼科镜片。如果眼科镜片4是矫正型的，它可以在透视HMD中提供矫正用于显示图像路径和场景图像路径两者，如果该成像器被放置在该眼科镜片的正面并且在较小程度当该成像器被封装在该眼科镜片中时(在后一情况下，提供不同校正用于这两个路径)。眼科镜片4可以是钝化系统或活性系统。通过钝化系统应理解的是眼科镜片4至少呈现出不能被修改或改变的功能(像抗冲击、耐磨、减反射功能，等等)。通过活性系统，应理解的是眼科镜片4至少呈现出通过外部刺激(如能量、光化辐射、加热等)可修该或改变的功能。该后一类型的眼科镜片是例如在UV或光化光的存在下能够改变其色彩的光致变色镜片，或能够通过电刺激改变其色彩的电致变色镜片。
可以将光导31放置在背面42(图5)、正面41(图4)处或在眼科镜片4内(图3)。当说光导31被放置在眼科镜片4内，这意味着光导31被至少部分地封装在眼科镜片4内部。滤光片可以被施用在眼科镜片4的图像插入区域43、正面41和背面42中的至少一者上，可替代地或另外地光导31、偏振光束分离器32、提取表面33、以及绝缘层34中的至少一者上。该滤光片也可以被施用于光导31与眼科镜片4之间的粘合剂层上。
总体上，该滤光片在所提及的HMD的元件之一中的位置取决于提供给由佩戴者眼睛E接收的图像的所希望的效果。
图像插入区域43是眼科镜片4的区域，在这里从图像源21发射的图像进入其材料，通常到达放置在眼科镜片的正面41上的或包封装在其中的光导31，因此确保了耦合进功能。
在这种特定情况下，绝缘层34是在光导31与部分地用作光导31的支撑的眼科镜片4之间。
根据本发明，该滤光片可以通过吸收性滤光片、反射滤光片如干涉滤光片或它们的组合获得，如以下说明的这些实施例中所展示的。
该滤光片可以包括干涉滤光片，该干涉滤光片包括由具有不同折射率的材料制成的多个沉积层以在至少基于布拉格反射镜的滤光片、多层介质滤光片和梳状滤光片之中获得滤光功能。
基于布拉格反射镜的滤光片和梳状滤光片是由具有不同折射率的材料制成的层堆叠构成的滤光片。在布拉格反射镜中这些层之间的折射率变化在是轮廓清晰的(图7)，而在梳状滤光片中它是连续且光滑的(图8)。通常，在梳状滤光片内的折射率在两个极端之间振荡，例如以正弦方式。梳状滤光片已知具有非常轮廓分明的阻带用于波长阻挡，具有非常少的在阻带之外的衰减和光学回弹。
该干涉滤光片可以包括含全息记录的全息器件。此类全息记录的实例描述在Stephen A.Benton和V.Michael Bove的“全息成像(Holographic Imaging)”，Wiley-Interscience，2008年中。此类全息记录是通过使用光敏材料生产的，在其上两个相干激光束之间的干涉被再现。该相干激光束需要适当地成形并且每个在选定的方向上传播。在记录步骤过程中控制设置参数，如每个光束的聚散度、形状和相对强度。监测该光敏材料的曝光和加工以获得所需性能，使得可以适当定义待抑制的目标波长带并且可以保证将该带的中心定在给定波长上。光敏材料总体上是涂覆在扁平的或者弯曲的表面上的光敏聚合物，或在两个弯曲表面之间流延的光敏聚合物，这两个弯曲表面之一可在记录阶段之后被去除。该光敏材料可以是厚的，例如成形为光学镜片，例如眼科镜片，其在记录并且固定后取决于该设置设计的干涉呈现非常小的周期性折射率调制。该周期性折射率调制产生所希望的滤光片(可能是带阻类型的)。
该干涉滤光片可以进一步包括光子带隙材料，如胆甾醇型液晶。该光子带隙材料可以根据一维、二维或三维被安排。这种胆甾醇型液晶可以通过施加电场电活化，该电场调制液晶的取向和因此它们的光反射特性。
该干涉滤光片总体上包括一种具有1.9至2.6高折射率的材料和一种具有1.2至1.8低折率的材料的交替层的多层介质堆叠体，每一层是5nm到500nm，并且多层介质叠堆体的总厚度是500nm至高达10μm。每个层可以通过溅射、真空蒸发、物理气相沉积或化学气相沉积而沉积。这些材料是无机或杂化的有机-无机材料。
该具有高折射率的材料可以选自由以下各项组成的组：氧化锆(ZrO2)、二氧化钛(TiO2)、氧化铝(Al2O3)、五氧化二钽(Ta2O5)、氧化钕(Nd2O5)、氧化镨(Pr2O3)、氧化铪(HfO2)、硫化锌(ZnS)、氧化钇(Y2O3)、五氧化二铌(Nb2O5)、以及它们的任何混合物。
该具有低折射率的材料可以选自由以下各项组成的组：二氧化硅(SiO2)、氧化铝(Al2O3)、氧化镁(MgO)、以及它们的任何混合物(特别SiO2与Al2O3的混合物)、氟化镁(MgF2)。
在第一示例性实施例中，该干涉滤光片由ZrO2和SiO2(各自50个层)的交替层的堆叠体组成，具有约3800nm的总厚度用于获得透射超过473nm的波长(大于99％)并且反射低于473nm的波长(98％)的长通滤光片(图9)。通过调整层厚度和数目，该截止波长可以移向蓝色或红色，尤其是如果所希望的是平衡该蓝色光阻挡效率与该图像品质。该长通滤光片优选被施用在图像源21上。
在第二示例性实施例中，通过修改偏振光束分离器32的组成，该干涉滤光片被组合到上述示例的偏振光束分离器层32上。对偏振光束分离器32进行的相应修改引起总厚度增加至约1365nm，各层被调节为10nm至190nm厚。所得的偏振光束分离器反射平均小于10％的低于470nm的蓝光到该成像器内(图11)。换句话说，将90％以上的蓝光从HMD中过滤掉。此类功能可以通过更多修改(包括层数目、层厚度、总厚度和材料选择)进一步改善。
在第三示例性实施例中，该干涉滤光片由ZrO2和SiO2(各自25个层)的交替层的堆叠体组成，具有约3286nm的总厚度。这种示例的干涉滤光片可以施用到绝缘层34上以获得对于在高入射角下的引导光的滤光功能：在大于62°的入射角下，平均小于10％的在425nm至470nm之间的S-偏振光被反射到成像器3内，因此平均超过90％的不希望的蓝光通过透射穿过绝缘层34被过滤(图12)。同时，超过99％的来自佩戴者环境的可见光(垂直入射的光)透射穿过绝缘层34到佩戴者的眼睛(图12)。
在第四示例性实施例中，对绝缘层34进行修改以便包括干涉滤光片。包括该干涉滤光片的绝缘层34由ZrO2和SiO2(各自25个层)的交替层的堆叠体组成，具有约2921nm的总厚度。因此，绝缘层34包括对于在高入射角下的引导光的滤光功能和过滤来自佩戴者环境的不希望波长的光(在垂直入射下)的滤光功能。所不希望的波长为蓝光波长，因此干涉滤光片具有蓝光阻挡功能(图13)。因此，在垂直入射下，平均超过85％的来自环境的蓝光通过反射回到环境被阻挡(图13)。在高入射角下，来自图像源21的蓝光透射穿出成像器3。图14示出了对于两个波长：460nm(平均偏振)和550nm(S-偏振光束)，反射率作为入射角函数的变化。对应于460nm波长的曲线证明了干涉滤光片被施用到其上的绝缘层34的蓝光阻挡功能。对应于550nm波长的曲线证明了光学绝缘功能。
在第五示例性实施例中，对提取表面33进行修改以结合干涉滤光片。结合了干涉滤光片的这个提取表面33由ZrO2和SiO2的交替层(各自19个层)的堆叠体组成，具有约5191nm的总厚度。因此，提取表面33包括滤光功能，其中不希望的波长透射出光导而不是反射朝向佩戴者的眼睛。在62°的高入射角下，对于透射进入成像器3的S-偏振光，平均小于10％的425nm至470nm之间的蓝光在成像器3内部被反射；因而，90％以上的不希望的蓝光通过透射穿过提取表面33被滤掉(图15)。
在第六示例性实施例中，该干涉滤光片由ZrO2和SiO2的交替层(各自16个层)的堆叠体组成，具有约1670nm的总厚度以获得带通滤光片。这种示例的干涉滤光片可以被施用到眼科镜片4的背面或光导31的背面(如果提取表面33与佩戴者的眼睛之间不存在眼科镜片的话)。这导致不希望的425nm至470nm之间的蓝光通过反射回该成像器或眼科镜片被阻挡。平均85％的不希望的蓝色光可以被阻挡并且被反射回(图16)。该阻挡功能可以通过修改层数目、层厚度、总厚度和材料选择进一步改善。
可替代地或另外地，该滤光片可以是吸收性滤光片。该吸收性滤光片可以至少包含化学化合物，该化合物能够吸收至少一部分的波长。作为实例并且没有任何限制，这种化学化合物可以选自染料、颜料、吸收剂(像UV吸收剂)、光学增亮剂以及它们的组合。
根据所考虑的实施例，该吸收性滤光片可以是额外层和/或结合到眼科镜片的功能层中和/或分散在该眼科镜片材料中和/或在粘合剂材料(如放置在光导31与眼科镜片4之间的粘合剂材料)中，如下所述。
该吸收性滤光片可以通过借助于各种方法涂覆溶液或膜层压而被施用到HMD的元件上，包括眼科镜片的功能层，在这些方法之中是湿加工、气体处理、膜转移和层压方法如旋涂、浸涂、喷涂、真空淀积、蒸发、溅射、化学气相沉积。
在本发明的范围内功能层应理解为能够改进其所施用到的元件的光学和/或机械特性的层。将该功能层施用到元件上可以通过以下方式进行：至少将功能涂层和/或功能膜添加到眼科镜片的面的至少一个部分上。可以将功能层添加到该眼科镜片的一面、或该眼科镜片的两面上。如果功能层被施加在每个面上，这些功能层可以是相同或不同的。可以添加功能涂层和/或功能膜，例如并且没有任何限制，通过至少一种选自以下项的方法：浸涂、旋涂、喷涂、真空沉积、溅射、转移方法或层压方法。
该功能层可以另外包含至少一种染料和/或颜料，该染料和/或颜料吸收例如在280nm至380nm的范围内的不希望的波长用于过滤UV，在380nm至500nm范围内的不希望的波长用于过滤蓝光，在400nm至455nm、优选415nm至455nm范围内的不希望的波长用于过滤有害蓝光，并且透射至少85％从500nm至780nm的波长。
功能层的非限制性实例是抗冲击和/或粘附底漆层、耐磨和/或耐刮擦层、减反射层、抗静电层、防污层、防雾层、自恢复层、偏振层、着色层、光致变色层以及由这些层中的两个或更多个制成的堆叠体，如具有耐磨和/或耐刮擦性层涂覆的抗冲击和/或粘附底漆层的堆叠体。抗冲击和/或粘附底漆层指任何改善层的抗冲击性和/或其对于成品的另一个层的粘附的层。这种层的实例描述于WO 2007/088312中。当它包含染料和/或颜料时，该染料和/或颜料可以优选地以合适的浓度溶解在水基底漆溶液、或基于有机溶剂的底漆溶液中，从而使得该固化的抗冲击和/或粘附底漆层包含0.01wt％至5wt％的这样的染料和/或颜料。仍优选地，该抗冲击和/或粘附底漆层在完全固化后是0.1μm到3μm厚。固化是有利地在室温下并且与空气接触、或在50℃与120℃之间的温度下进行持续5min至30min。此抗冲击和/或粘附底漆层是例如放置在光导31与眼科镜片4之间。
耐磨损/耐刮擦层总体上是基于聚(甲基丙烯酸酯)丙烯酸酯、产生自环氧均聚反应的聚醚、聚硅氧烷或它们的组合的硬质层。当它包含染料和/或颜料时，该染料和/或颜料可以优选以合适的浓度溶解或分散到US5619288中提及的基于水/醇共溶剂的硬涂层溶液中、或如描述于EP0614957(实例3)中的基于溶剂的硬涂层溶液中，从而使得该固化的耐磨损/耐刮擦性层包含0.01wt％至1wt％的这样的染料和/或颜料。仍优选地，该耐磨损/耐刮擦性层在完全固化后是1μm至10μm厚。固化有利地通过UV光聚合或使用在50℃至100℃的预固化步骤，然后在100℃至135℃的后固化步骤持续30min至3小时进行。
减反射层通过在可见光谱内的相对大的范围内减少在该制品-空气界面处的光反射改善了最终光学制品的反射特性。该减反射层总体上包括介质或溶胶-凝胶材料的单层或介质或溶胶-凝胶材料构成的多层堆叠体。
可替代地或另外地，该滤光片可以进一步包括吸收性滤光片，该吸收性滤光片包含分散在如以上所定义的热塑性或热固性聚合物中的至少一种这样的染料和/或颜料。在此情况下，在热塑性或热固性聚合物中该染料和/或颜料浓度优选是3ppm至1000ppm。该染料和/或颜料可以在交联过程之前加入到该聚合物的单体中并且然后在交联过程中被束缚在该聚合物内。
在一个具体实例中，该包含染料和/或颜料的热塑性或热固性聚合物是施用在HMD的一个元件上的额外的层。
在另一个具体实例中，该眼科镜片的本体包括至少一种染料和/或颜料，该染料和/或颜料吸收例如在280nm至380nm的范围内的不希望的波长用于过滤UV，在380nm至500nm范围内的不希望的波长用于过滤蓝光，在400nm至455nm、优选415nm至455nm范围内的不希望的波长用于过滤有害蓝光，并且透射至少85％从500nm至780nm的波长。眼科镜片4的本体在本发明的范围内理解为表示未涂覆的基片，通常在成品眼科镜片中具有对应于其正面和背面的两个主面。该本体特别是由光学透明材料制成的，一般选自眼科工业中使用的眼科等级的透明材料，且被成形为光学物品(例如被安装在HMD中的眼科镜片)的形状。光学透明材料可以是矿物或有机玻璃。有机玻璃的实例是由热塑性或热固性树脂制成的那些。
如果该透明材料是由热塑性塑料制成的有机玻璃，该热塑性塑料可以选自以下各项组成的组：聚酰胺、聚酰亚胺、聚砜、聚碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚((甲基)丙烯酸甲基酯))、三乙酸纤维素、以及它们的共聚物。
如果该透明材料是由热固性树脂制成的有机玻璃，该热固性树脂可以选自以下各项组成的组：环烯烃共聚物、直链或支链的脂肪族或芳香族多元醇的碳酸烯丙基酯的均聚物和共聚物、(甲基)丙烯酸及其酯的均聚物和共聚物、硫代(甲基)丙烯酸及其酯的均聚物和共聚物、烯丙基酯的均聚物和共聚物、氨基甲酸乙酯和硫代氨基甲酸乙酯的均聚物和共聚物、环氧树脂的均聚物和共聚物、硫化物的均聚物和共聚物、二硫化物的均聚物和共聚物、环硫化物的均聚物和共聚物、以及它们的组合。
在另一个具体实例中，该吸收性滤光片是10μm至300μm厚的热塑性塑料薄膜，其中该染料和/或颜料是均匀分散的，优选以从3ppm至500ppm范围的浓度。然后该薄膜可以通过层压胶合到位于显示光路径中的HMD的至少一个元件上。
在一个变体中，该吸收性滤光片被施用在如上所述的干涉滤光片内，并且形成该干涉滤光片的一个层，例如低折射率层，该低折射率层具有的所得干涉功能相当于SiO2层的干涉功能，包含至少一种在0.01wt％至10wt％之间的浓度的染料和/或颜料，优选具有10nm至100nm的厚度。本申请方法总体上是与干涉滤光片的其他层相同的。
在另一个变体中，吸收性滤光片被施用在该抗冲击和/或粘附底漆层与耐磨损和/或耐刮擦层之间。在这种情况下，该染料和/或颜料被溶解或分散到单体或聚合物溶液中，如聚乙烯醇(或任何其他可溶性以及透明的聚合物且与染料和/或颜料相容)。在该单体或聚合物溶液中该染料和/或颜料的浓度被适配成使得该固化的吸收性滤光片包含0.01wt％到10wt％的染料和/或颜料。吸收性滤光片可以在室温下并且与空气接触，或在50°C与120℃之间的温度下预固化。吸收性滤光片的厚度优选是0.1μm至10μm。该染料和/或颜料也可通过真空沉积而沉积。
该吸收性滤光片的染料和/或颜料可以包含至少一种选自由以下各项组成的组的组分：金胺O；香豆素6；香豆素343；香豆素314；硝基苯并噁二唑；荧光黄CH；二萘嵌苯；9,10-双(苯乙炔基)蒽(BPEA)；原黄素；4-(二氰基亚甲基)-2-甲基-6-(4-二甲氨基苯乙烯基)-4H-吡喃；2-[4-(二甲氨基)苯乙烯基]-1-甲基碘化吡啶鎓；试卤灵甲醚；吖啶；叶黄素；玉米黄质；以及它们的混合物。
可替代地或另外地，该染料和/或颜料包含一种或多种卟啉、卟啉络合物或其衍生物。例如，该染料和/或颜料包含选自下组的化合物，该组由以下各项组成：叶绿素B；5,10,15,20-四(4-磺酸基苯基)卟啉钠盐络合物；5,10,15,20-四(N-烷基-4-吡啶基)卟啉络合物；5,10,15,20-四(N-烷基-3-吡啶基)卟啉络合物；5,10,15,20-四(N-烷基-2-吡啶基)卟啉络合物；以及它们的混合物。优选的化合物选自由以下各项组成的组：叶绿素B；5,10,15,20-四(4-磺酸基苯基)卟啉钠盐络合物；5,10,15,20-四(N-C1-4烷基-4-吡啶基)卟啉络合物；5,10,15,20-四(N-C1-4烷基-3-吡啶基)卟啉络合物；5,10,15,20-四(N-C1-4烷基-2-吡啶基)卟啉络合物；以及它们的混合物。这些络合物有利地是金属络合物，该金属选自由以下各项组成的组：Cr(III)、Ag(II)、In(III)、Mn(III)、Sn(IV)、Fe(III)、Co(II)、Mg(II)以及Zn(II)。在此方面，该染料和/或颜料包含一种或多种选自下组的卟啉络合物，该组由以下各项组成：镁内消旋-四(4-磺酸基苯基)卟啉四钠盐；八乙基卟啉镁；四三甲苯基卟啉镁；八乙基卟啉镁；四(2,6-二氯苯基)卟啉镁；四(邻-氨基苯基)卟啉镁；四三甲苯基卟啉镁；四苯基卟啉镁；八乙基卟啉锌；四三甲苯基卟啉锌；四苯基卟啉锌；以及双质子化的四苯基卟啉锌。
该染料和/或颜料可以有利地选自以下化合物家族用于过滤蓝光：二萘嵌苯家族、香豆素家族、卟啉家族、吖啶家族和假吲哚(indolenin)(它是3H-吲哚的同义词)家族。用于过滤蓝光的染料和/或颜料具有400nm至460nm，优选415nm至455nm范围内的窄吸收带。窄吸收带是指围绕中心波长最多30nm，优选最多15nm的带宽。有利地，用于过滤蓝光的染料和/或颜料具有中心在约435nm的窄吸收带。优选的家族是二萘嵌苯家族。这些家族的化合物表现出理想光谱特征和令人感兴趣的注射加工性能。确实，此种化合物是选择性黄色染料，它们在400nm至460nm范围外的可见光谱区域内不吸收，或至少非常少地吸收。
该染料和/或颜料可以与添加剂(如光学增亮剂)组合。光学增亮剂(也称为荧光增白剂(FWA)、光学增亮剂(OBA)或荧光增亮剂(FBA))可以用作色彩平衡手段，即，最小化并且优选消除由过滤部分光(例如通过蓝色阻挡染料的蓝光阻挡)造成的颜色感知的变化，因为光学增亮剂发射的光可以补偿由该染料处理的材料的减弱的光，并且恢复原始的无色外观。
该光学增亮剂可以选自由以下各项组成的组：芪、喹诺酮；香豆素；1,3-二苯基-2-吡唑啉；萘二甲酰亚胺；组合的杂芳香族化合物；苯并噁唑；和它们的衍生物。
组合的杂芳香族化合物的实例是芘基-三嗪或例如以下杂环化合物的其他组合：噻唑、吡唑、噁二唑、稠合聚芳族体系或三嗪(直接连接到彼此上或者经由共轭环体系)。
苯并噁唑衍生物的实例是在2-位处被共轭环体系取代的苯并噁唑，该共轭环体系优选包含乙烯、苯乙烯、芪、苯并噁唑和/或噻吩、以及它们的衍生物。
优选地，该光学增亮剂包含至少一种选自下组的化合物，该组由以下各项组成：双-苯并噁唑及其衍生物、苯基香豆素、甲基香豆素和双-(苯乙烯基)联苯。这些化合物更详细描述于A.G.Oertli，塑料添加剂手册(Plastics Additives Handbook)，第6版，编辑H.Zweifel,D.Maier,M.Schiller，2009中。
染料和/或颜料可以组合的其他添加剂是UV吸收剂，包括三唑和三嗪衍生物。三唑衍生物的实例是来自汽巴精化公司(Ciba Specialty Chemical,Inc.)(BASF公司，自2009)的羟苯基-苯并三唑、1130、328、384、以及928。三唑衍生物的实例是来自汽巴公司的400和405。UV吸收剂可以通过施加UV 400PlusTM、DyeTM(400nm、400nm XL、400nm Ultra-Hard)和UV OnlyTM(400nm、400nm XL、400nm Crystal ClearTM)…结合到该本体镜片、涂层或薄膜中。
在所有情况下，该染料和/或颜料(任选地与添加剂一起)可以被分散在光学透明的聚合物中，该聚合物的含量是0wt％至99.99wt％。当不存在光学透明的聚合物(0wt％)时，该染料和/或颜料(以及任选地与添加剂一起)优选地通过该染料和/或颜料的物理蒸发或升华、或通过湿沉积基于溶剂的溶液然后是蒸发步骤以除去该溶剂而沉积到HMD的一个元件的表面上。该聚合物含量可以在该最终层中保持基本上显著并且表示大于50wt％的该最终层。该聚合物的含量和性质有待根据滤光片的位置和滤光片的其他附加功能决定。
如上所述的眼科镜片4可以与如上所述的滤光片一起但没有HMD的其他部件被提供，例如作为成套模块或备件。当如上所述的成像器3是眼科镜片4的一部分时，它还能够以成套模块或备件的形式与眼科镜片4一起被提供。
如上所述的成像器3也可以与如上所述的滤光片一起但没有HMD的任何其他部件被提供，例如作为成套模块或备件。
如上所述的光学模块2也可以与如上所述的滤光片一起但没有HMD的任何其他部件被提供，例如作为成套模块或备件。
Claims (12)
1.一种头戴式显示器(1)，包括：
-光学模块(2)，该光学模块包含图像源(21)；
-成像器(3)，该成像器用于在操作中将该图像源(21)发射的光引导至佩戴者眼睛；以及
-滤光片，该滤光片用于过滤该图像源(21)发射的光的一部分,
-具有连接到所述图像源(21)上的图像插入区域(43)的眼科镜片(4)，所述图像插入区域(43)是眼科镜片(4)的区域，在这里从图像源(21)发射的图像进入其材料，并且其中，所述滤光片被施用到该图像插入区域(43)上，
其中，该滤光片过滤该图像源发射的在400nm至455nm范围内的波长，以便过滤有害的蓝光，
其中，该滤光片透射至少85％从500nm至780nm的波长。
2.如权利要求1所述的显示器(1)，其中该成像器(3)包含光导(31)、以及以下各项中的至少一项：在该图像源(21)与该光导(31)之间的偏振光束分离器(32)、位于该光导(31)的在操作中面向该佩戴者眼睛的一部分上的提取表面(33)、以及在该光导(31)上的绝缘层(34)。
3.如权利要求1所述的显示器(1)，进一步包括具有正面(41)、背面(42)的眼科镜片(4)，该眼科镜片(4)包括该成像器(3)。
4.如权利要求1所述的显示器(1)，其中该滤光片包括干涉滤光片，该干涉滤光片是从至少基于布拉格反射镜的滤光片、多层介质滤光片、全息滤光片、以及梳状滤光片之中选择的。
5.如权利要求4所述的显示器(1)，其中该干涉滤光片进一步包括光子带隙材料。
6.如权利要求4所述的显示器(1)，其中该干涉滤光片是基于布拉格反射镜的滤光片、多层介质滤光片和梳状滤光片中的一者并且包括一种具有1.9至2.6高折射率的材料和一种具有1.2至1.8低折射率的材料的交替层的多层介质堆叠体，每一层为5nm到420nm，并且该多层介质堆叠体的总厚度为1150nm到5770nm。
7.如权利要求1所述的显示器(1)，其中该滤光片包括至少一个吸收性滤光片，该吸收性滤光片至少包括吸收在380nm至500nm范围内的波长、并且透射至少85％的从500nm至780nm的波长的染料和/或颜料。
8.如权利要求7所述的显示器(1)，其中该吸收性滤光片被施用到至少一个功能层上，该功能层是选自抗冲击和/或粘附底漆层、耐磨和/或耐刮擦层、减反射层、抗静电层、防污层、防雾层、自恢复偏振层、着色层、光致变色、以及它们的组合。
9.如权利要求7所述的显示器(1)，其中该染料和/或颜料包含从由以下各项组成的组中选择的至少一种组分：金胺O；香豆素6；香豆素343；香豆素314；硝基苯并噁二唑；荧光黄CH；二萘嵌苯；9,10-双(苯乙炔基)蒽(BPEA)；原黄素；4-(二氰基亚甲基)-2-甲基-6-(4-二甲氨基苯乙烯基)-4H-吡喃；2-[4-(二甲氨基) 苯乙烯基]-1-甲基碘化吡啶鎓；试卤灵甲醚；吖啶；叶黄素；玉米黄质；以及它们的混合物。
10.如权利要求7所述的显示器(1)，包括眼科镜片，其中该吸收性滤光片至少包含分散在热塑性或热固性聚合物材料中、和/或分散在眼科镜片本体材料和/或在粘合剂材料中的染料和/或颜料。
11.一种眼科镜片(4)，该眼科镜片旨在安装到包括图像源的头戴式显示器上，其中所述眼科镜片(4)包括滤光片，该滤光片旨在在操作中过滤该头戴式显示器的图像源发射的光，
该眼科镜片还包括图像插入区域(43)，并且其中，所述滤光片被施用到该图像插入区域(43)上，
其中，该滤光片过滤该图像源发射的在400nm至455nm范围内的波长，以便过滤有害的蓝光，
其中，该滤光片透射至少85％从500nm至780nm的波长。
12.如权利要求11所述的眼科镜片(4)，进一步包括成像器(3)，该成像器用于在操作中将该图像源发射的光引导至佩戴者眼睛。
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| GR01 | Patent grant |