CN110832383A - 用于数据眼镜的投影装置、数据眼镜及用于改进光束的对称性和/或减小光束的直径的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于数据眼镜的投影装置（100）。该投影装置（100）具有下列特征：至少一个光源（104），用于发出至少一个光束（106）；至少一个准直元件（114），用于对至少一个由光源（104）发出的光束（106）进行准直；至少一个布置在或者能布置在数据眼镜的眼镜片（402）上的转向元件，以便通过将至少一个光束（106）转向和/或聚焦到用户的晶状体（108）上而将图像投影到数据眼镜的用户的视网膜（110）上；和至少一个反射元件（112），用于将经准直的光束（106）反射到转向元件（102）上。此外，该投影装置（100）还具有至少一个校正光学器件（116），该校正光学器件为了改进光束（106）的对称性和/或为了减小光束（106）的斑点尺寸而具有非旋转对称的光学元件。此外本发明还涉及数据眼镜以及用于改进光束（106）的对称性和/或用于减小光束（106）的直径的方法。

Description

用于数据眼镜的投影装置、数据眼镜及用于改进光束的对称 性和/或减小光束的直径的方法

技术领域

本发明涉及用于数据眼镜的投影装置、数据眼镜、用于改进光束的对称性和/或减小光束的直径的方法、计算机程序、能机读的存储介质以及电子的控制器。

背景技术

将来可期的一个趋势就是佩戴数据眼镜，数据眼镜能将虚拟的图像信息显示到用户的视野中。当前的数据眼镜例如不是透明的并且因此会隐没环境，较新的方案则追求虚拟的图像内容与环境叠合的实践方案。虚拟的图像内容与此外还能感知到的环境的叠合称为增强现实。一种应用例如是在进行专业活动时显示信息。因此机械师可以看到技术图纸或者数据眼镜可以用彩色标记机器的特定区域。但所述方案也应用在计算机游戏或其它休闲活动的领域中。

例如用于应用在增强现实（AR）领域内的透明的头戴式显示器（HMD），是研究和开发的活跃主题。尤其地，不仅对于工业应用而且对于终端用户来说，对开发具有小型形状因数的、利于成本的、轻巧的、节约的系统的兴趣都是很大的兴趣。用于这种显示器的一种可能的技术方案在此基于飞点激光投影仪，借助该飞点激光投影仪将图像信息直接写入到用户的视网膜（Retina）上。因此这种HMD也称为视网膜扫描仪。

所述方案基于此，即，各个光束、尤其是激光束，借助诸如MEMS（微机电系统）反射镜这样的电子驱控的扫描光学器件在角度范围上扫描。光束例如可以以这种方式在眼镜片上扫描。为了保证之后扫描光束到达观察者的眼睛或其瞳孔，通常需要转向入射光束。在此出于几何原因一般会违背入射角等于出射角的反射定律。在技术上，这例如可以通过将全息光学元件（HOE）施加到眼镜片上来实现。HOE在此典型地通过光敏聚合物层实现。

DE 10 2012 219 723 A1公开了一种用于将针对观察者的图像信息投影到视场显示设备的眼睛区域面中的视场显示设备，其中，该视场显示设备具有投影仪和投影面单元。投影仪构造用于，朝着视场显示设备的光轴的方向提供图像信息。投影面单元则构造用于，将图像信息转化成真实图像。投影面单元在光轴中布置在视场显示设备的投影仪和图像输出端之间。投影面单元具有体积全息图，该体积全息图带有针对信息的对准眼睛区域面的散射特性，或者该投影面单元设计成体积全息图，该体积全息图带有针对图像信息的对准眼睛区域面的散射特性。

发明内容

用于数据眼镜的投影装置具有用于发出至少一个光束的至少一个光源。

光源可以指的是发光元件，如发光二极管、尤其是有机发光二极管、激光二极管或由多个这种发光元件构成的装置。光源尤其可以构造用于发出不同波长的光。光束可以用于在视网膜上产生多个像点，其中，光束例如成行列地或者以李萨如图案的形式扫描视网膜并且可以被相应地脉冲化。眼镜片可以指的是由透明的材料、如玻璃或塑料制成的盘形元件。视实施方式而定，眼镜片可以例如成形为校正镜片或者具有用于过滤特定波长的光、如UV光的色调。

光束可以在轴旁近似中指的是高斯光束。

投影装置还具有至少一个用于对至少一个由光源发出的光束进行准直的准直元件。该准直元件优选直接布置在光源后方。倘若使用多个光源，那么准直元件的数量优选与光源的数量一致。在这种情况下还优选的是，直接在每个光源后方布置各一个准直元件。

投影装置还具有至少一个布置在或能布置在数据眼镜的眼镜片上的转向元件，以便通过将至少一个光束转向和/或聚焦到用户的晶状体上而将图像投影到数据眼镜的用户的视网膜上。该转向元件可以是全息元件或自由成形反射镜。

全息元件可以例如指的是全息光学结构元件，简称HOE，其还可以履行透镜、反射镜或棱镜的功能。视实施方式而定，全息元件对于特定的颜色和入射角可以是选择性的。全息元件尤其可以履行光学功能，所述光学功能可以用简单的点光源写入到或者成像到全息元件中。由此能极为利于成本地制造全息元件。

全息元件可以是透明的。图像信息因此能与环境叠合。

通过布置在数据眼镜的眼镜片上的转向元件可以将光束这样转到数据眼镜的佩戴者的视网膜上，使得该佩戴者感受到清晰的虚拟图像。所述图像例如可以经由激光束在微镜和全息元件上扫描而直接投影到视网膜上。

这种投影装置可以在很小的结构空间上较为利于成本地实现并且能相对于佩戴者以足够的距离带来图像内容。由此能使图像内容与周围环境的图像在视网膜上叠合。通过使图像能借助全息元件直接写入到视网膜上，可以取消平面的显示元件、如基于LCD或DMD的系统。此外，由此还可以达到尤其大的景深。

在全息元件的表面上的反射特性通常在每个点上均是不同的。如上文已经提到的那样，入射角等于出射角通常无效。全息元件的表面（用于将光束转向给用户的眼睛）的分区，称为功能区。

针对全息元件的说明原则上同样适用于自由成形反射镜。

投影装置还具有至少一个用于将经准直的光束反射到转向元件上的反射元件。反射元件可以例如指的是反射镜、尤其是微镜或由微镜构成阵列或者全息图。借助反射元件可以使光束的光程与给定的空间情况相匹配。反射元件例如可以实现为微镜。所述微镜可以成形为能移动的，例如具有能围绕至少一个轴倾斜的镜面。这种反射元件提供了尤其紧凑的构造形式的优点。还有利的是，反射元件构造用于改变入射角以及额外或备选地改变光束在全息元件上的撞击点。由此能用光束平面地、尤其是例如成行列地扫描全息元件。

此外，反射元件可以是有能变形的表面的反射镜。这样的优点是，反射元件不仅可以转向光束，而且也能改变光束参数。

此外，投影装置具有至少一个校正光学器件，其为了改进对称性和/或为了减小、尤其是最小化光束的斑点尺寸而具有非旋转对称的光学元件。校正光学器件优选布置在至少一个准直元件后方。针对使用能聚集成一个光束的有不同波长的多个光源的情况，可以在光束聚集之前为每个光束设置各一个校正光学器件。针对这种情况也可以在光束聚集之后设置单个校正光学器件，该校正光学器件优选设置用于全部三个波长，这就是说，是跨波长的。按照另一种实施方式，在这种情况下也在光束聚集之前设置三个校正光学器件并且在光束聚集之后设置一个校正光学器件。

光学系统的这种围绕至少一个额外的光学元件（其具有非旋转对称的光学元件）的修正，有利地允许将设计方案扩展了额外的设计参数。这可以既用于减小设计优化时在视网膜上的斑点尺寸，也用于影响在不同的系统配置中光束的对称特性。

按照一种实施方式，非旋转对称的光学元件是柱面透镜。旋转对称的概念在此涉及光学元件关于光轴的对称性。非旋转对称的光学元件通常改变沿着光束的一个轴的光束参数，不同于有关垂直于这个轴的另一个轴的光束参数。非旋转对称的光学元件可以例如具有两个交叉的柱面透镜或一个自由成形面。非旋转对称的光学元件优选可以具有衍射光学元件（DOE）。衍射光学元件具有重量轻的优点。

按照另一种实施方式，非旋转对称的光学元件不是衍射光学元件。

按照另一种实施方式，投影装置还具有至少一个自适应光学元件用于匹配地改变至少一个光束参数，其中，该至少一个自适应光学元件布置在至少一个光源和至少一个全息元件之间的光程中。

自适应光学元件可以指的是每个适合改变光束参数的光学元件。因为光学元件通常在该光学元件的地点上仅能少量改变光束参数，所以术语“光束参数”尤其指的是处在光学元件后方的地点上的光束参数。光束参数还可以是：发散角或光束发散、光束腰或光束直径以及光束与光轴的距离。在此也要注意的是，光束通常是非旋转对称的。这意味着，光束的特性在例如两个彼此正交的方向上可能是不同的。在一个地点上的光束通常通过两个光束腰和两个发散角说明。

自适应光学元件可以设计成能开关的。可以例如设置控制单元，该控制单元调节自适应光学元件。在此，光学系统可以主动地与不同的系统配置或者也与不同的用户相匹配。

自适应光学元件可以具有或者是：有可变的折射特性的透镜、尤其是有可变的焦距的透镜、有可变的焦距的液态透镜、有可变的焦距的望远镜、有可变的透镜距离的望远镜、有可变的反射特性的反射镜、有能变形的表面的反射镜、液晶反射镜、液晶显示器（SLM空间光调制器/LCoS硅基液晶）或基于液晶技术的反射式SLM。望远镜可以例如具有伽利略式或开普勒式布置方案。

有可变的焦距的望远镜可以例如通过常用的望远镜实现，在常用的望远镜中，透镜彼此间的距离是可以变化的。一个或多个透镜的焦距备选或额外地可以改变。透镜的形状额外能以非对称的方式改变，例如以均衡或引起散光。

有能变形的表面的反射镜在施加电压时其表面形状发生改变。由此改变了反射镜的光学特性、尤其是焦距。但光束成形也是可能的，这就是说，光束轮廓的改变。因此反射镜可以在进行扫描的微镜之前安装光学路径中。进行扫描的微镜，这就是说反射元件，也可以被这样进一步开发，使得该反射元件额外同时在扫描运动期间变形。

在自适应光学元件中，非旋转对称的变化也是可能的，因此例如也可以影响光束成形和散光。这可以例如通过液态透镜以分段的电极针对散光的透镜轮廓实现。

按照投影装置的一种实施方式，至少一个校正光学器件具有自适应光学元件或者是自适应光学元件。按照投影装置的另一种实施方式，至少一个准直元件具有至少一个自适应光学元件或者是自适应光学元件。按照另一种实施方式，投影装置具有带自适应光学元件的至少一个校正光学器件和带自适应光学元件的至少一个准直元件。由此有利地达到了，至少一个校正光学器件或至少一个准直元件可以自适应地改变、控制或调节光束的光束参数。

优选的是，针对投影装置仅使用一个反射元件。这样做的优点是，可以使用简单的结构并且数据眼镜具有轻巧的构造方式。

按照另一种实施方式，投影装置具有三个光源来发出各一个光束，其中，所述三个光源分别具有不同的波长。所述三个光源的三个不同的波长优选形成RGB色彩空间。光源优选是单色的或准单色的。RGB色彩空间是相加的色彩空间，该色彩空间通过三原色（红、绿和蓝）的相加混合来仿造彩色感觉。三个不同的波长适用于在用户处产生相加的混色的印象。这个实施方式的优点是，用这三个光源可以投影任意能让人类识别的颜色。

三个光束优选被聚集成唯一一个光束。优选使用有衍射的耦合元件的光导体或二向色分束器以聚集三个光源的光束。作为二向色分束器的备选，也可以使用二向色滤光器或二向色镜。

三个光束的每个光程优选具有至少一个自适应光学元件。在此，光程指的是从光源直至光束被吸收的地点的路程。因此当在三个光束的光束聚集后布置至少一个自适应光学元件时，至少一个自适应光学元件也可以是仅唯一一个自适应光学元件。由此能有利地达到的是，可以为每个光束改变光束参数。三个光束的每个光程尤其优选具有刚好一个自适应光学元件。

在三个光源的光束聚集之前，优选为每个光束使用特定于波长的光学器件。在三个光源的光束聚集之后，优选为已聚集的光束使用跨波长的光学器件。

优选在三个光源的光束聚集后布置所述至少一个自适应光学元件。这样做的优点是，可以实现简单的构造并且可以减少能开关的光学部件的数量，尤其是减少到最少。

优选在三个光源的光束聚集之前布置至少一个自适应光学元件。当准直元件或校正光学器件具有自适应光学元件时，这尤为优选。

本发明还包括数据眼镜。这种数据眼镜具有眼镜片和上述的投影装置，其中，转向元件布置在眼镜片上。

本发明还包括一种用于改进光束的对称性和/或用于减小光束的直径的方法，所述光束使用在用于数据眼镜的投影装置中。优选在投影面上，这就是说在用户的视网膜上进行改进光束的对称性和减小光束的直径。所述方法优选用于最小化光束的直径。

在所述方法的第一个步骤中，提供一种用于数据眼镜的投影装置。这种投影装置具有下列特征：至少一个光源，用于发出至少一个光束；至少一个准直元件，用于对至少一个由光源发出的光束进行准直；至少一个布置在或者能布置在数据眼镜的眼镜片上的转向元件，以便通过将至少一个光束转向和/或聚焦到用户的晶状体上而将图像投影到数据眼镜的用户的视网膜上；和至少一个反射元件，用于将经准直的光束反射到转向元件上的。

在所述方法的第二个步骤中，将至少一个校正光学器件添加给所述投影装置。上文中已经结合投影装置所述的内容适用于这种校正光学器件。

所述校正光学器件优选布置在至少一个光源和至少一个转向元件之间的光程中。

在所述方法的第三个步骤中，执行针对投影装置的光学部件的多配置优化。这种多配置优化用于改进光束的对称性和/或用于减小或最小化光束的直径。多配置优化的所述方法优选用于最小化光束的直径。

因为通常对投影装置的利于一个配置的要求可能在另一个配置中导致变差，所以在这种情况下执行多配置优化，以便最小化在视网膜上的光束的直径。

这种优化可以例如通过准直元件的、尤其是与光源的距离的和准直元件的焦距的设计参数完成。

优选以如下方式执行多配置优化，即，针对投影装置的每个部件，在预设极限内这样长时间地改变位置、取向或可能改变焦距，直至为投影装置的所有可能的配置找出最优的值。

在此，所述最优的值可以与光束的对称性有关。光束的这种对称性优选在用户的视网膜上是最优的。此外，最优的值可以与光束的斑点尺寸或直径有关。光束的直径优选在用户的视网膜上是最优的。

每个部件的变化的预设极限由投影装置的和/或数据眼镜的构造形式给定。

所述方法的优点在于，通过添加具有非旋转对称的光学元件的校正光学器件达到了以额外的设计参数来扩展设计方案。

这些额外的设计参数既可以用于在设计优化中减小光束在视网膜上的直径，也可以用于影响光束在不同的系统配置中的对称特性。

本发明还包括一种计算机程序，该计算机程序设置用于执行方法的所述步骤，以便用这种计算机程序改进光束的对称性和/或以便减小光束的直径。此外，本发明还包括能机读的存储介质，这种计算机程序存储在该存储介质上，并且本发明还包括电子的控制器，该电子的控制器设置用于，借助方法的所述步骤运行用于数据眼镜的投影装置或数据眼镜。这种电子的控制器可以例如作为微控制器集成在投影装置或数据眼镜中。

本发明的其它的优点和设计方案由说明书和附图得出。

当然，前文所述的和接下来还要阐释的特征不仅能使用在相应说明的组合中，而且也能使用在其它组合中或单独使用，而不会脱离本发明的范畴。

附图说明

本发明的实施例在附图中示出并且在接下来的说明书中加以详细阐释。

图1示出了按照一种实施方式的投影装置的示意图；

图2至9分别示出了按照一种实施方式的投影装置的扫描光学器件的示意图；并且

图10示出了按照一种实施方式的数据眼镜的示意图。

具体实施方式

图1示出了投影装置100的原理性的工作方式。投影装置100具有扫描光学器件152和转向元件102，该转向元件在这个实施方式中设计成全息元件103。全息元件103固定在眼镜片402上。扫描光学器件152布置在壳体105中并且具有在图1中没有示出的光源、准直元件和反射元件。扫描光学器件152的不同的实施方式在图2至9中示出。

由扫描光学器件152发出的光束106通过出口窗口148朝着转向元件102的方向发出。被转向元件102转向的光束106之后击中用户的晶状体108，光束106从晶状体起聚焦到眼珠107的视网膜110上。扫描光学器件152布置在一固定在眼镜架120和眼镜腿118上的壳体105中。

图2示出了扫描光学器件152，其容纳在壳体105中。该扫描光学器件152和未示出的转向元件一起形成了投影装置100，如在图1中所示那样。光源104发出光束106，光束通过准直元件114进行准直。经准直的光束106之后击中校正光学器件116。为清楚起见，在图2至9中没有示出在准直元件114后的光束106。校正光学器件116当前示出为带有彼此垂直布置的纵轴线的两个柱面透镜的一种组合。这个组合代表了上文所述的任意校正光学器件。这种校正光学器件用于改进光束的对称性并且减小或最小化光束的斑点尺寸以及具有两个非旋转对称的光学元件。

在光束106穿过校正光学器件116之后，光束击中反射元件112并且从这个反射元件穿过出口窗口148朝着安装在眼镜片上的转向元件的方向反射。校正光学器件116仅针对一个波长，即针对光源104所使用的波长加以设计和优化。

图3示出了扫描光学器件152的另一种实施方案，在该实施方案中使用三个不同的波长，即红、蓝和绿。所绘出的三个光源104的波长不同。三个不同的光束106在穿过各一个准直元件114之后借助两个二向色分束器150聚集成一个单独的光束106，该单独的光束然后穿过校正光学器件116。按图3的校正光学器件116针对三个不同的波长加以设计和优化。在校正光学器件116后，光束106由反射元件112穿过出口窗口148发出。

在图4中绘出的扫描光学器件152与在图3中绘出的扫描光学器件的区别在于，取代校正光学器件116地在两个二向色分束器150后方分别在准直元件114和用于每个光源104的各一个二向色分束器150之间布置校正光学器件116。这三个校正光学器件116针对所使用的相应的光波长加以设计和优化。

在图5中绘出的扫描光学器件152与在图4中绘出的扫描光学器件的区别在于，额外在二向色分束器150后方还布置着另一个跨波长的校正光学器件116。

图6示出了扫描光学器件152，在该扫描光学器件中，由单个光源104发出的并且由准直元件114准直的光束106在其击中反射元件112之前穿过自适应光学元件140和校正光学器件116的组合。在这个组合中，光束106先是穿过自适应光学元件140并且之后穿过校正光学器件116。按照另一种实施方式，调换自适应光学元件140和校正光学器件116的布置方案。

在图7中绘出的扫描光学器件152与在图6中绘出的扫描光学器件的区别在于，使用有不同的波长的三个光源104，该三个光源借助两个二向色分束器150聚集成一个共同的光束106。所聚集的光束106然后击中自适应光学元件140和校正光学器件116的与在图6中所绘出的相同的组合。在此同样能调换自适应光学元件140和校正光学器件116的布置方案。

在图8中绘出的扫描光学器件152使用有不同波长的三个光源104，其中，三个光束106中的每一个光束先是进行准直，然后穿过校正光学器件116并且最后穿过自适应光学元件140。三个光束106之后借助两个二向色分束器150聚集。在这个实施方式中，相应的校正光学器件116和相应的自适应光学元件140针对一个波长加以设计和优化。

在图9中绘出的扫描光学器件152与在图8中绘出的扫描光学器件的区别在于，在光束聚集之前调换自适应光学元件140和校正光学器件116的布置方案，并且在光束聚集之后同样如在图7中那样存在自适应光学元件140和校正光学器件116的一种组合。按照另一种实施方式可以调换这个组合的布置方案。

图10示出了按照一个实施例所述的带有投影装置100的数据眼镜400的示意图。投影装置100在此具有扫描光学器件152和转向元件102。扫描光学器件152布置在壳体105中并且通过出口窗口148将未示出的光束106发向转向元件102。数据眼镜400具有眼镜片402，转向元件102布置在该眼镜片上。转向元件102例如实现为眼镜片402的一部分。转向元件102备选实现为单独的元件并且借助合适的接合工艺与眼镜片402连接。

Claims (13)

1.用于数据眼镜（400）的投影装置（100），其中，该投影装置（100）具有下列特征：

至少一个光源（104），用于发出至少一个光束（106）；

至少一个准直元件（114），用于对至少一个由所述光源（104）发出的光束（106）进行准直；

至少一个布置在或者能布置在所述数据眼镜（400）的眼镜片（402）上的转向元件（102），以便通过将至少一个光束（106）转向和/或聚焦到用户的晶状体（108）上而将图像投影到所述数据眼镜（400）的用户的视网膜（110）上；和

至少一个反射元件（112），用于将经准直的光束（106）反射到所述转向元件（102）上；

其特征在于至少一个校正光学器件（116），该校正光学器件为了改进所述光束的对称性和/或为了减小所述光束的斑点尺寸而具有非旋转对称的光学元件。

2.按照权利要求1所述的投影装置（100），其特征在于，所述非旋转对称的光学元件是柱面透镜。

3.按照权利要求1或2所述的投影装置（100），其特征在于，所述非旋转对称的光学元件不是衍射的光学元件。

4.按照前述权利要求中任一项所述的投影装置（100），其特征在于至少一个自适应光学元件（140），用于匹配性地改变至少一个光束参数，其中，所述至少一个自适应光学元件（140）布置在所述至少一个光源（104）和所述至少一个转向元件（102）之间的光程中。

5.按照权利要求4所述的投影装置（100），其特征在于，所述至少一个自适应光学元件（140）具有：有可变的折射特性的透镜、有可变的焦距的液态透镜、有可变的焦距的望远镜、有可变的透镜距离的望远镜、有可变的空气空隙的望远镜、有可变的反射特性的反射镜、有能变形的表面的反射镜、液晶反射镜、液晶显示器或基于液晶技术的反射式SLM。

6.按照权利要求4或5所述的投影装置（100），其特征在于，所述至少一个准直元件（114）和/或所述至少一个校正光学器件（116）具有所述至少一个自适应光学元件（140）中的至少一个自适应光学元件。

7.按照前述权利要求中任一项所述的投影装置（100），其特征在于，所述投影装置（100）具有用于发出各一个光束（106）的三个光源（104），其中，所述三个光源（104）分别具有不同的波长并且所述三个光源（104）的三个不同的波长形成RGB色彩空间。

8.按照权利要求7所述的投影装置（100），其特征在于，使用有衍射的耦合元件（158）的光导体（156）或二向色分束器（150）以聚集所述三个光源（104）的光束。

9. 数据眼镜（400），具有下列特征：

眼镜片（402）；和

按照权利要求1至7中任一项所述的投影装置（100），其中，转向元件（102）布置在所述眼镜片（402）上。

10.用于改进光束的对称性和/或用于减小光束的直径的方法，所述光束使用在用于数据眼镜（400）的投影装置（100）中，其中，该方法具有下列步骤：

提供用于数据眼镜（400）的投影装置（100），其中，所述投影装置（100）具有下列特征：

至少一个光源（104），用于发出至少一个光束（106）；

至少一个准直元件（114），用于对至少一个由所述光源（104）发出的光束（106）进行准直；

至少一个布置在或者能布置在所述数据眼镜（400）的眼镜片（402）上的转向元件（102），以便通过将所述至少一个光束（106）转向和/或聚焦到用户的晶状体（108）上而将图像投影到所述数据眼镜（400）的用户的视网膜（110）上；和

至少一个反射元件（112），用于将经准直的光束（106）反射到所述转向元件（102）上；

添加至少一个校正光学器件（116）给所述投影装置（100），其中，所述至少一个校正光学器件（116）为了改进所述光束（106）的对称性和/或为了减小所述光束（106）的斑点尺寸而具有非旋转对称的光学元件；并且

为所述投影装置（100）的光学部件执行多配置优化以改进所述光束（106）的对称性和/或减小所述光束的直径。

11.计算机程序，该计算机程序设置用于执行按照权利要求10所述的方法的每个步骤。

12.能机读的存储介质，按照前一个权利要求所述的计算机程序存储在该能机读的存储介质上。

13.电子的控制器，该电子的控制器设置用于：借助按照权利要求10所述的方法来运行用于数据眼镜（400）的投影装置（100）或数据眼镜（400）。

Images