CN111065954A - 弯曲光导、成像光学单元以及hmd - Google Patents

Abstract

披露了一种弯曲光导(1)，该弯曲光导可以用作HMD的成像光学单元或者用作成像光学单元的一部分。当按照预期来使用时，该光导(1)布置在至少一只眼睛的前方并且具有如从眼睛看到的凹曲率。所述光导包括：‑面向该眼睛的后表面(6)和背向该眼睛的前表面(4)，输入耦合结构(3)，用于将光按以下方式耦合到该光导(1)中：使得光通过在该前表面(4)和/或该后表面(6)处的反射被引导穿过该光导(1)，以及‑输出耦合结构(13)，用于将被引导穿过该光导(1)的光耦合出。该光导(1)具有发散结构(11)，该发散结构的焦距的绝对值小于或等于该光导(1)的曲率半径。

Description

弯曲光导、成像光学单元以及HMD

技术领域

本发明涉及一种用于HMD(头戴式显示器)、即用于将配戴在头部上的显示器装置的弯曲光导。此外，本发明涉及一种用于HMD的成像光学单元和HMD本身。

背景技术

HMD是显示系统，其中借助于成像光学单元将输出图像成像到HMD的配戴者的视场中。在这种情况下，通常还期望除了提供的图像之外还允许不受打扰地看到周围环境。这种布置阻止了将非透明图像发生器和相关联的成像光学单元布置在眼睛的正前方的解决方案。因此，在一类HMD(有时也被称为智能眼镜)中，通常生成在眼睛的视场之外的输出图像，并且将所生成的输出图像借助于成像光学单元沿期望的观察方向反射在眼睛的前方。为此，HMD包括光导，例如，经由该光导，用于生成虚像的成像束路径通过内反射从位于视场之外的输入耦合结构被引导至位于眼睛的视场内的至少部分透明的输出耦合结构。在这种情况下，输入耦合和输出耦合可以通过折射结构、通过反射结构、或通过衍射结构来实现。例如在DE 10 2015 122 055 A1、US 2006/012181 A1以及US 2010/0220295 A1中描述了衍射性输入和输出耦合结构。例如在US 2012/00002294 A1、DE 10 2011 007 812 A1、WO 2015/075206 A1以及WO 2015/075207 A1中描述了反射或折射性输入或输出耦合结构的实例。

为了获得大的输出光瞳，US 8,320,032 B2提出了多输出耦合。虽然US 8,320,032B2描述了平面光导，但是在US 8,830,584 B2中，多输出耦合的原理适用于球面光导。为了实现理想的多输出耦合，在球面同心光导的情况下，输出耦合结构必须与该球体上的纬度圆平行。光因此可以从输入耦合结构传递至输出耦合结构、并从此被多次耦合出。在这方面，可以在球体的中心实现理想的点对点成像。此外，在DE 10 2015 122 055 A1中也描述了多输出耦合。

在US 2013/0088780 A1中，使用点对点成像原理通过多个光导来实现不同的焦平面。然而，在这种情况下，光导必须背离眼睛弯曲，使得光导具有如从眼睛看到的凸曲率。然而，出于美学原因，光导应具有如从眼睛看到的凹曲率，使得头戴式显示器可以采用常规眼镜的形式。

此外，在US 8,842,368 B2中描述了具有衍射性输入和输出耦合的头戴式显示器，在该显示器中，使用弯曲的衍射结构来生成光瞳成像。然而，这种光瞳成像将与多输出耦合不相容。

US 2012/0300311 A1描述了一种头戴式显示器，该头戴式显示器包括圆柱形弯曲的光导并且具有衍射性输入和输入耦合。为了实现可以使耦合到光导中的准直图像作为具有放大的出射光瞳的准直图像被耦合出这个效果，输入耦合光栅和输出耦合光栅在光导的曲率方向上具有可变的光栅间距。

DE 10 2012 213 685 A1描述了一种显示器装置，其中，耦合到弯曲光导中的光线束在输入耦合之前通过布置在图像发生器与光导之间的额外光学单元被转换为准直光线束，并且作为准直光线束从光导被耦合出。代替通过额外的光学单元9，可以通过用于输入耦合的输入耦合光栅来执行准直。

DE 10 2015 122 055 A1描述了一种包括用于矫正成像像差的矫正布置的显示装置。

DE 10 2008 009 095 A1描述了一种光透射型显示系统，在该显示系统中，通过板可看到图像，由图像发生器在扩散板上生成的中间图像通过成像透镜被耦合到该板中。在扩散板与成像透镜之间布置了矫正透镜，旨在借助于该矫正透镜来优化图像品质。

DE 602 05 722 T2描述了一种中继透镜系统，该系统将由图像源生成的图像投射到有待配戴在眼睛前方的弯曲护目镜上，来自该中继透镜系统的光从该护目镜朝眼睛的方向反射。该中继透镜系统包括执行色度矫正的光学元件。

WO 2008/023367 A1描述了一种用于将束路径耦合到光导中的输入耦合模块。该输入耦合模块包括偏振分束器和迟滞片。

发明内容

在所引用的现有技术的背景下，本发明的第一目的是提供一种用于HMD的有利光导，在光导如从眼睛看到的为凹形弯曲时，该光导使得能够生成在眼睛前方的无穷远处或限定距离处的虚像。本发明的另外的目的是提供一种用于HMD的有利的成像光学单元，该成像光学单元使得能够通过使用如从眼睛看到的为凹形弯曲的光导、具体地球面凹形弯曲的光导来生成在所述眼睛前方的无穷远处或限定像平面中的虚像。本发明的第三目的是提供一种HMD，其包括如从眼睛看到的凹形弯曲的光导、具体地球面凹形弯曲的光导，并且能够生成在所述眼睛前方的无穷远处或限定像平面中的虚像。

该第一目的是通过如权利要求1所述的弯曲光导而实现的，该第二目的是通过如权利要求12所述的成像光学单元而实现的，并且该第三目的是通过如权利要求17所述的HMD而实现的。从属权利要求包含本发明的有利配置。

当按照预期使用时，根据本发明的用于HMD的弯曲光导被布置在至少一只眼睛的前方、并且具有如从所述眼睛看到的凹曲率、具体地球面凹曲率。所述光导包括面向眼睛的后表面和背向眼睛的前表面。此外，所述光导包括：输入耦合结构，用于将光按以下方式耦合入该光导中：使得光通过在该前表面和/或该后表面处的反射被引导穿过该光导；以及输出耦合结构，用于将该被引导穿过该光导的光耦合出。这样的光导对耦合入的光具有会聚作用。因此，根据本发明，该光导具有发散结构，该发散结构的焦距的绝对值小于或等于该光导的曲率半径。该发散结构可以叠加在输出耦合结构或输入耦合结构上，由此不需要将额外的光学元件集成到光导中。然而，还可能在两个子结构之间细分该发散结构的焦距、以及将一个子结构叠加在输入耦合结构上并且将另一个子结构叠加在输出耦合结构上。

将发散结构集成到光导中使得能够使用该光导来生成如从眼睛看到的位置超出该光导的虚像。在这种情况下，如果发散结构的焦距的绝对值等于光导的曲率半径，则图像在无穷远处；如果发散结构的焦距的绝对值小于光导的曲率半径，即发散结构的发散效果大于光导的会聚效果，则虚像位于离眼睛一定距离处，该距离是根据发散效果的强度、即根据发散结构的焦距来确定。

该发散结构具体可以是衍射透镜，例如呈体积全息图或闪耀光栅的形式。衍射透镜的发散效果由其焦距决定。为了生成在无穷远处的虚像，在此使用了衍射透镜，该衍射透镜的焦距的绝对值等于光导的曲率半径。当在光导中前表面和后表面的曲率中心重合时，尤其是如此。如果前表面和后表面的曲率中心不重合，或者如果光导的曲率与球面曲率偏离，例如由于在智能眼镜的背景下，所述光导旨在同时用于矫正缺陷视力，则这种关系仅大致成立。于是，用于生成虚像的衍射透镜的精准焦距取决于光导的具体曲率，并且可以在适当时近似地或通过实验来确定。举例而言，如果光导的前表面和后表面的曲率中心不重合，则衍射透镜的焦距可以小于或等于前表面和后表面的两个曲率半径中的较小者。在这种情况下，虚像可能不在无穷远处，而是与光导相距很远，使得可以将其视为近似在无穷远处。在通过实验确定的情况下，可以确定从点光源出来的发散光线束被没有发散结构的光导成像到无穷远处的点，并且可以将所述点与该光导的后表面之间的距离视为其曲率半径。

衍射透镜通过干涉将光聚焦到焦点，其中，该焦点处存在相长干涉，而在该焦点之外存在相消干涉。该焦点典型地由在衍射期间出现的第一衍射峰形成。为了引起对应的衍射，衍射透镜可以包括交替的透明区和非透明区、或者具有衍射透镜的供光经过的较短和较长光路长度的交替区。在这种情况下，衍射透镜的这些区的间距和宽度取决于光的波长和衍射透镜的期望焦距。在交替的透明区和非透明区的情况下，凭借以下事实产生衍射：仅波前的特定部分可以穿过衍射透镜，其中这些穿过的部分在特定的方向上彼此相长地干涉，而在其他方向上彼此相消地干涉。在具有不同光路长度的区的情况下，在波前穿过衍射透镜的不同区时，在穿过不同区的波前部分之间发生相移。所述相移具有以下效果：波前的不同部分在特定方向上彼此相长地干涉，而在其他方向上彼此相消地干涉。衍射透镜具有透明区和非透明区的构型提供了使用相对简单的方法来生产衍射透镜的可能性。相比而言，生产包括具有不同光路长度的区的衍射透镜提供了以下优点：在增强现实应用中，它对从外部透过光导的环境光没有影响，并且因此不会削弱对周围环境的感知。

然而，发散结构导致轴向色像差和横向色像差。轴向色像差是指不同颜色(波长)的光的焦点离发散结构的距离不同，使得仅一种颜色的光聚焦在特定的焦点处，而其他颜色的光在这个焦点处略微散焦。相比而言，横向色像差是发散结构对被引导透过光导的光的不同颜色(波长)具有不同成像比例的结果，这会导致成像中出现彩色条纹。尽管轴向色像差通常小到足以能够省却矫正，但是像场的场边缘处的横向色像差可能变得很大以至于被认为是干扰性的。为了将由发散结构引起的横向色像差最小化，因此有利的是，发散结构的发散效果以像场的中心为中心。

在每种情况下，束路径的仅特定角谱可以透射穿过光导。角谱越小，可以透射穿过光导的像场越小。为了能够透射大的角谱以获得大的像场，可能的是，输入耦合结构和输出耦合结构各自包括多个子结构，这些子结构分别将光的角谱的不同部分耦合到光导中并且从该光导耦合出。于是，该角谱的这些不同部分可以被设计为使得它们各自对应于可以被光导透射的角谱的最大值。于是，所透射的光的总角谱由这两个部分的组合产生，使得总体上可以透射大的角谱，从而能够产生大的像场。

另外，将衍射性输入和输出耦合结构针对特定长度的波进行优化。随着与这个优化波长的偏差增加，不再出现可用于输出耦合的干涉。因此，有待通过输入和输出耦合结构被耦合入和耦合出的光的波长谱受到限制。如果旨在生成具有宽波长谱的图像、理想地彩色光谱，因此有利的是，输出耦合结构在每种情况下包括多个子结构，这些子结构各自将有待耦合到光导中的光的谱范围的不同部分耦合到光导中并且从光导耦合出。因此，为了能够生成彩色图像，在根据本发明的光导的一种具体构型中，存在输入耦合结构和输出耦合结构，它们各自包括三个子结构，例如，其中一个子结构针对蓝光进行了优化，一个针对绿光进行了优化，而另一个针对红光进行了优化。接着，如果将角谱也细分成多个部分，则所述子结构各自必须存在多次，即各自对于角谱的每个部分存在一次。因此，总的来说，在角谱被细分为两个部分和三种颜色的情况下，这将产生六个子结构。如果旨在将角谱细分为n个部分，则这相应地产生3n个用于输入耦合结构的子结构和3n个用于输出耦合结构的子结构。在这种情况下，有可能将角谱的不同谱范围和/或不同部分引导穿过共同的光导、或者将光导细分为多个子光波导，这些子光波导引导角谱的不同光谱波长范围和/或不同部分。在这种情况下，所述子光导可以被视为单独的透射通道。存在不同透射通道使得能够可靠地避免所传输信号的串扰。相比而言，使角谱的多个谱范围和/或多个部分透射穿过共同的光导降低了该光导的复杂性，并且由此简化了其生产。

光线可以具体地按以下方式耦合到光导中：使得耦合入的光线沿着在光导的球面前表面和/或球面后表面上延伸经过球坐标由极角0°和180°给出的那些点的大圆延伸。总体上，这些点本身不是光导的球面前表面和/或球面后表面的一部分，因为它们仅代表包含这些点的假想球表面的一部分。在地球表面上，这样的大圆对应于经度圆。因此，下文中将大圆称为光导的经度圆。以此方式，对于耦合入的光线沿之穿过的所有经度圆，存在与这些经度圆以直角相交的大圆，即，光线以直角穿过的大圆，或者如果光线在实际到达这个大圆之前耦合出的话将以直角穿过这个大圆。因此，与经度圆以直角相交的大圆基本上平行于输入耦合结构和输出耦合结构的结构元件延伸，即，在衍射性输入和输出耦合的情况下平行于光栅结构延伸、或者在反射性或折射性输入和输出耦合的情况下平行于菲涅耳结构之间的边界线延伸。在地球表面上，这个相交的大圆圈对应于赤道。因此，以下将与经度圆以直角相交的大圆称为光导的赤道。在这种情况下，特别有利的是将发散结构集成到输出耦合结构中，因为光线在光导内沿着经度圆的路线于是不受发散结构的发散效果的影响。光线在光导内沿着经度圆的路线提供了将输出耦合结构布置成比输入耦合结构更靠近光导的赤道的可能性。在这种情况下，可能有利的是，将输出耦合结构布置成与光导的赤道不超过5度、优选地不超过3度。特别地，在此，可以将输出耦合结构布置成使得光导的赤道也与输出耦合结构相交，具体使得赤道也与输出耦合结构对称地相交。由于输出耦合结构接近光导的赤道，光线沿之传播的经度圆与输出耦合结构的结构元件几乎以直角相交，使得光线几乎以直角撞击输出耦合结构的结构元件。因此，可以将归因于光导内的不同数量的反射的光瞳形状差异最小化。光导内的不同数量的反射可能导致在不同位置处使用衍射透镜，这可能产生可能需要矫正的光瞳畸变。通过将输出耦合结构布置成靠近赤道，可以减小并且可能最小化该光瞳畸变。

本发明还提供了一种成像光学单元，该成像光学单元包括成像束路径、光导、以及至少一个图像形成光学元件。根据本发明的成像光学单元的突出之处在于，它包括根据本发明的光导，其中，该光导用作该至少一个图像形成光学元件。在这种情况下，该成像光学单元特别地还可以仅由根据本发明的光导组成。光导同时用作图像形成光学元件使得能够产生紧凑的成像光学单元。在这种情况下，考虑光导的如从眼睛看到的凹曲率、尤其光导的球面凹曲率，根据本发明的光导使得能够提供如从眼睛看到的位于超出该光导之外有限或无限距离处的虚像。

在根据本发明的成像光学单元的一种改进中，用于预先矫正由该光导引导的梯形光瞳畸变的矫正元件沿该成像束路径布置在该光导的输入耦合结构的上游。所述矫正元件产生相对于由光导引起的光瞳畸变而言的逆光瞳畸变。接着，这两种光瞳畸变彼此相互补偿。另外或替代性地，可以沿成像束路径在光导的输出耦合结构的上游布置补偿静态光学横向色像差的补偿光学单元。该静态横向色像差由包含发散结构的光导引起、并且与眼睛运动无关。因此，所述像差可以被光学补偿光学单元直接补偿。所述补偿光学单元引起相对于由光导引起的横向色像差而言的逆横向色像差，其结果是，这两种横向色像差彼此抵消。如果沿成像束路径在光导的输入耦合结构的上游布置操纵器，其中所述操纵器包括衍射光学元件和折射光学元件，这两个光学元件被布置成使得它们可相对于彼此垂直于成像束路径的光轴移位，并且还存在用于检测眼睛的观看方向的眼睛跟踪器，则还可以预先矫正由光导引起的动态的场恒定的横向色像差。至少在透射光的色度带宽超过一定阈值的情况下，由于眼睛运动而产生动态的横向色像差。

此外，可以沿该成像束路径在该光导的输入耦合结构的上游布置偏振分束器和迟滞片。偏振分束器与迟滞片结合使得成像束路径通过输入耦合结构被耦合入，同时获得成像光学单元的紧凑尺寸。

本发明的另一方面提供了一种HMD，其包括用于显示输出图像的显示器和根据本发明的用于根据输出图像来生成虚像的成像光学单元。由于根据本发明的成像光学单元可以由于将光导用作图像形成光学元件而被紧凑地实施，因此，还可以通过使用根据本发明的成像光学单元来提供紧凑的HMD，在光导呈如从眼睛看到的为凹形弯曲的情况下，该HMD使得能够生成如从眼睛看到的位于超出光导在无穷远处或在距光导特定距离处的虚像。

附图说明

从以下参考附图对示例性实施例的描述中，本发明的其他特征、特性和优点将变得清楚。

图1示出了比如可以用球面光导实现的理想的点对点成像。

图2示出了成像到无穷远处的弯曲光导。

图3示出了用于将透射穿过光导的光线束耦合出的衍射性输出耦合结构的一个实例。

图4示出了衍射透镜。

图5示出了由图3的输出耦合结构和图4的衍射透镜的叠加得到的输出耦合结构。

图6是用于阐明所考虑的显示器的视场角的图示。

图7示出了可以如何将图6的视场角在两个不同的光导之间细分。

图8示出了图7的透射穿过光导的光线束的输出耦合。

图9示出了包括三个子结构的光导，每个子结构适合于耦合出不同的谱范围。

图10示出了成像光学单元的一个实施例变体，该成像光学单元包括用于矫正由光导引起的横向色像差的波前操纵器。

图11示出了成像光学单元的一个实施例变体，该成像光学单元包括用于矫正由光导引起的光瞳畸变的矫正元件，所述矫正元件布置在光导的输入耦合结构的上游。

图12示出了紧凑的成像光学单元的一个实例。

具体实施方式

在下文参见图2讨论本发明背后的原理之前，参见图1来解释球面光导的效果。

图1示出了球面光导1，该球面光导包括位于光导的边缘处的衍射性输入耦合结构3以及位于光导的中心的衍射性输出耦合结构5。输入耦合结构3的中心与输出耦合结构5的中心之间的连线基本上沿着光导1的球体的经度圆7延伸，即，沿着延伸经过球体(光导构成了球体的一部分)的、球坐标由极角0°和180°给出的这些点的大圆延伸。在当前示例性实施例中，输出耦合结构5以与赤道9对称地相交的方式位于所述球体的赤道9上。

衍射性输入耦合结构3和衍射性输出耦合结构5各自由具有特定光栅矢量的衍射光栅形成，所述衍射光栅的光栅线平行于纬度圆、即平行于赤道9延伸。通过由衍射光栅形成衍射性输入耦合结构3，从光导1的球体的中心出来的发散光线束2被偏转成使得光导1中的光线束的各个光线撞击光导1的前表面4，当光导按照预期用在HMD中时所述前表面背向眼睛，使得光线通过全内反射朝光导1的后表面6的方向被反射，当光导按照预期用在HMD中时所述后表面面向眼睛，在该后表面处光线进而通过全内反射朝光导1的前表面4的方向被反射。以此方式，光线束的光线通过光导1的前表面4和后表面6处的多次全内反射被引导至输出耦合结构5，在该输出耦合结构中，光线通过衍射光栅被偏转成从光导1的后表面6出来。在这种情况下，从光导1的后表面6出来的光线束是会聚的光线束8，其会聚方式为使得其光线再次聚焦在光导1的球体的中心处。因此，图1所示的包括衍射性输入耦合结构3和衍射性输出耦合结构5的光导1将位于光导1的球体的中心处的点理想地成像到其自身上。

然而，如图1所示，光导1仅在有限的程度上用作HMD的成像光学单元的一部分。在HMD中，通常期望生成无穷远处的图像(HMD的使用者可以用放松的眼睛来观看该图像)、或位于超出光导而距眼睛为限定距离处的图像，使得使用者的印象是图像在使用者眼睛前方特定距离处浮动。换言之，包括该光导的成像光学单元旨在能够生成超出光导的虚像。的确，原则上，存在这样的可能性：通过布置在输出耦合结构5与眼睛之间的透镜来生成被该输出耦合结构耦合出的虚拟成像光线束。然而，在光导与眼睛之间布置透镜不是期望的，因为首先在光导与眼睛之间仅存在极小的空间用于此类透镜，并且其次，应当避免在HMD被吹动的事件中位于眼睛正前方的光学元件对眼睛造成伤害。此外，该透镜还影响周围环境的图像。

因此，本发明提出了将发散结构集成到光导1自身中，该发散结构的焦距的绝对值小于或等于光导1的曲率半径。凭借所述发散结构，通过输出耦合结构5从光导1耦合出的光线束(如图2所示)在发散结构的焦距的绝对值等于光导1的曲率半径的情况下变成平行光线束10、或者在发散结构的焦距的绝对值小于光导1的曲率半径的情况下变成发散光线束(附图中未示出)。如果发散结构的焦距的绝对值等于光导1的曲率半径，则光导1因此构成成像光学单元的用于生成无穷远处的虚像的图像形成光学元件。相比而言，如果发散结构的焦距的绝对值小于光导1的曲率半径，则从光导1耦合出的光线束是发散的，使得光导1构成成像光学单元的用于生成超出光导1而距眼睛为限定距离处的虚像的图像形成光学元件。在这种情况下，该成像光学单元可以仅由光导组成、或者可以包括另外的光学元件，例如用于矫正图像像差的元件，如下文进一步描述的。

发散结构可以是集成到光导1中的折射、反射或衍射结构。在当前的示例性实施例中，使用了呈衍射透镜的形式的衍射结构。在此使用衍射结构是有利的，因为它可以被做成非常薄，使得光导1的厚度不需要增大或不需要显著增大。此外，衍射性发散结构可以集成到衍射性输出耦合结构5和/或衍射性输入耦合结构3中。在多次输出耦合的情况下，特别有利的是将衍射性发散结构集成到衍射性输出耦合结构5中，因为其结果是，眼镜中的光路不受影响。下文参加图3至图5、基于集成到输出耦合结构5中的实例来对此进行解释。

图3示出了呈衍射光栅形式的示例性衍射性输出耦合结构5，灰度级指示了将在0-1λ范围内产生的相位偏差。在当前的示例性实施例中，该输出耦合结构包括沿着光导1的球体的纬度圆延伸的平行光栅结构。如图3所示的衍射性输出耦合结构5产生图1所示的会聚光线束8并且因此产生图1的点对点成像。

图4示出了衍射透镜11。在当前示例性实施例中，衍射透镜11的焦距等于光导1的球体的曲率半径。衍射透镜11是具有环状光栅结构的同心衍射光栅。在这种情况下，该环状光栅结构可以由交替排列的环状透明和非透明区、或由交替排列的具有不同光路长度的环状区形成，使得穿过相邻区的光线经历不同的相移。在这两种情况下，在穿过衍射透镜之后都会发生干涉，所述干涉在特定空间区域中通过相长干涉将光线增强，并且在其他空间区域中通过相消干涉将光线减弱。发生相长干涉和相消干涉的偏转角度在此取决于两个相邻的环状结构之间的距离。这个距离越近，出现一级衍射峰(即，第一相长干涉)的角度越大。通过减小朝向衍射透镜的边缘的距离，可以将这些偏转角度彼此适配，使得偏转的光线在距透镜为特定距离处发生相长干涉。于是，这个距离是衍射透镜11的焦距。在这种情况下，举例而言，+1级衍射可以用于使入射到衍射透镜11上的光会聚，而-1级衍射可以用于使入射到衍射透镜11上的光发散。

如果使用+1级衍射，则平行光线束因此将变成聚焦在衍射透镜11的焦点处的会聚光线束。相比而言，在使用-1级衍射时，平行光线束在透过衍射透镜11后将变成发散光线束。在当前示例性实施例中，衍射透镜11被实施成使用-1级衍射。

将图4所示的衍射透镜11叠加在图3所示的输出耦合结构5的输出耦合光栅上。图5展示了叠加的结果。将这种类型的输出耦合结构13代替图5的输出耦合结构5用于图2所示的透镜光导1中。

如已经提及的，在当前示例性实施例中呈衍射透镜11形式的发散效果被完全集成到输出耦合结构13中。然而，原则上还存在以下可能性：将例如呈所描述的衍射透镜形式的发散结构集成到输入耦合结构3中。此外，还存在以下可能性：将相应的发散效果集成到输入耦合结构3和输出耦合结构13两者中，这些发散效果的总和对应于图4的衍射透镜的发散效果。对应的被细分的衍射透镜可以由本领域技术人员直接了当地设计。然而，仅集成到输出耦合结构13中的发散结构提供了优于其他变体的以下优点：发散效果不影响光穿过光导的引导。

可以例如通过在光导的弯曲表面上的全息暴露来产生如参见图3至图5所描述的具有不同的光路长度的光栅结构。的确，原则上，还存在通过光导的透明区域和非透明区域来产生光栅结构的可能性，其中，这些非透明区域可以例如印刷在其上，但是这导致穿过该光导的环境光的光损失。然而，尤其在HMD被实施为增强现实显示器的背景(其中，待显示的图像旨在被感知为已经插入周围环境中)下，具有不同的光路长度的光栅结构提供了环境光不被减弱的优点。

另外，应指出的是，原则上可以自由选择输入耦合结构3在光导上的位置和输出耦合结构13在光导上的位置。然而，应注意的是，与场点相关联的光线在光导内沿着不平行的大圆穿过，这取决于输入耦合结构和输出耦合结构的位置而产生或多或少的梯形光瞳畸变并且因此在场中产生散光。因此，理想地，输出耦合结构位于光导1的球体的赤道7附近，以将光瞳畸变并且因此将散光最小化。典型地，考虑光瞳直径为3mm，因此可以在场边缘处实现1至2弧分的几何光斑大小，这通常被认为不再是干扰性的。

在本发明的参见图2所描述的示例性实施例中，光导1包括用于将光从输入耦合结构3引导至输出耦合结构13的单一光引导结构。通过这样的光导，要透射的视场角范围相对有限，并且不足以透射具有70°图像对角的16∶9格式的图像。尽管如此，为了使得能够透射这样的图像，将在视场角α上延伸的视场角范围细分为多个局部视场角范围，然后使这些局部视场角范围彼此分开地透射穿过光导。这在下文基于将在视场角α上延伸的视场角范围细分为在视场角α1、α2上延伸的两个视场角范围的实例进行描述。图6中示意性地展示了将视场角范围细分为两个视场角范围。这个图中示出了显示器15和观看显示器15所用的视场角α。所述视场角被细分为两个视场角α1和α2，在当前实例中，它们彼此不重叠。然而，原则上，还存在允许局部视场角α₁、α₂重叠的可能性。在这种情况下，局部视场角α₁、α₂可以被选择成各自覆盖能够被如图2所示的光导透射的最大视场角范围。为了透射由视场角α给出的整个视场角范围，于是将两个光导前后布置，这两个光导例如是已经参见图2描述过的并且在下文中被称为光导1的子光导1₁、1₂。图7和图8示意性地展示了这种布置。图7在此在沿着经度圆的区段中示出了包括输入耦合结构3₁和3₂的两个子光导1₁、1₂，所述子光导前后布置。输入耦合结构3₁和3₂各自被指派有专用显示器15₁、15₂，每个显示器显示以对应视场角范围α1、α2将感知到的图像区域。如已经提及的，视场角α₁、α₂被选择成使得由其覆盖的视场角范围可以被相应光导1₁、1₂完全透射。举例而言，如果视场角α为40°，并且相关联的视场角范围从-20°延伸至+20°，则局部视场角α₁、α₂可以为20°，例如其中，局部视场角α1覆盖-20°至0°的视场角范围，并且局部视场角α₂覆盖0°至+20°的视场角范围。由于前后布置的子光导1₁、1₂一起透射完整图像，因此它们一起形成光导1。

图8中示意性地展示了由子光导1₁、1₂构成的光导1的输出耦合。子光导1₁、1₂各自包括输出耦合结构13₁、13₂，其基本上对应于图2的输出耦合结构13。然而，衍射透镜叠加于其上的基本光栅5的结构被选择成使得被引导穿过子光导1₁、1₂的光以正确的角度耦合出。输入耦合结构3₁、3₂相应地与输出耦合结构13₁、13₂的基本光栅相适配。因此，由局部视场角α₁、α₂限定的视场角范围再次组合形成具有孔径角α的视场角范围。这个过程还被称为场缝合，并且在WO 2017/102795 A1中有详细描述。关于涉及场缝合的进一步细节，参见所述文献。

通过在光导1中使用适合数量的子光导，可以实现足够大的视场。由于衍射性输入耦合结构和衍射性输出耦合结构尤其可以被做成非常平坦，因此还可以将更大数量的子光导前后布置。

另外，在单一输入耦合结构和单一输出耦合结构的情况下，通常不能将可见光的整个波长谱透射穿过单一光导。然而，存在对光导提供子光导的可能性，每个子光导被设计用于透射可见光的不同波长报告。在这方面，举例而言，具有输入耦合结构和输出耦合结构的一个子光导可以被设计成透射红光，具有输入耦合结构和输出耦合结构的另一个子光导可以被设计成透射绿光，并且具有输入耦合结构和输出耦合结构的第三子光导可以被设计成透射蓝光。以此方式，可以通过三个子光导来透射完整的彩色图像。这在图9中示意性示出，该图中示出了包括三个子光导1¹、1²、1³和相关联的输出耦合结构13¹、13²、13³，的光导1。每个具有相关联的输入耦合结构(未示出)和输出耦合结构13¹、13²、13³，的子光导1¹、1²、1³被设计用于透射一种颜色，例如第一子光导1¹被设计用于透射红光，第二子光导1²被设计用于透射绿光，而第三子光导1³被设计用于透射蓝光。因此，总体上，可以通过三个子光导1¹、1²、1³来透射彩色图像。

如参见图6至图8，如果旨在透射多个视场角范围，并且每个视场角范围旨在代表彩色图像，则在各自情况下，由局部视场角α1、α2限定的每个视场角需要用于红光、绿光和蓝光的三个子结构1¹、1²、1³。总体上，在上述实例中，于是存在六个子光导，三个分别用于由局部视场角α1限定的视场角范围，并且三个分别用于由局部视场角α2限定的视场角范围。如已经提及的，这些具有衍射性输入耦合和衍射性输出耦合的子光导可以被做成相当薄，使得包括六个字结构的光导1能够没有问题地生产为具有可接受的总厚度。

图4展示的衍射透镜11未进行色度矫正。这与以下事实相关联：发生相长干涉的角度取决于光的波长。缺少色度矫正导致轴向色像差和横向色像差。

在这种情况下，轴向色像差是由以下事实导致的：第一衍射峰的角度彼此不同，使得透镜对于不同的波长具有不同的焦距。如果衍射透镜被设计成例如使得其针对绿光的焦距对应于光导的曲率半径，针对红光的焦距略微小于光导1的曲率半径，而针对蓝光的焦距略微大于该光导的曲率半径，则结果是，在图像的绿色部分清晰的情况下在该图像的红色部分和蓝色部分中出现一定的图像不清晰度。在500nm波长(绿光)的50nm带宽的情况下，假设光导1的曲率半径和衍射透镜11的焦距各自为150mm，则由于该图像的红色部分和蓝色部分的不清晰而导致的清晰度损失大致为0.6dpt。0.6dpt的清晰度损失仍然可以被视为可接受的。

横向色像差是基于不同焦距产生的不同放大倍率、并且因此基于相应焦平面中各个颜色的不同成像比例。横向色像差未出现在光轴上，它随着距光轴的距离越来越大。如果衍射透镜的出射光瞳在输出耦合结构后方20mm，则在±12°像场的场边缘处出现横向色像差，横向色像差在场边缘处具有约10弧分的量级。这样的横向色像差不再是可接受并且必须加以矫正。

一种用于矫正横向色像差的可能性在于：在包括光导1的成像装置中，在光导1的输入耦合结构3的上游布置矫正元件，该矫正元件产生相对于由衍射透镜11引起的横向色像差而言的逆横向色像差，使得衍射透镜11的横向色像差和矫正元件的横向色像差精确地彼此抵消。图10示出了这样的矫正元件的一个实例。该图中示出了包括图像发生器15的HMD(在其上显示输出图像)的示意图，该输出图像旨在被成像光学单元转换成虚像。这个成像光学单元除了根据本发明的光导1之外还包括用于矫正横向色像差的矫正元件17。在当前示例性实施例中，该矫正元件17包括传统上的折射光学元件19和衍射光学元件21。这两个光学元件按以下方式协调：它们一起引起横向色像差，该横向色像差补偿该输出耦合结构13的衍射透镜11的横向色像差。另外，折射光学元件19和衍射光学元件21可以相对于彼此移位，由此可以补偿动态的横向色像差。由于使用者的眼睛运动而产生动态的横向色像差，其效果是沿视场边缘出现的横向色像差的程度发生改变。通过使两个光学元件19、21相对于彼此适当地移位，可以在一定程度上补偿横向色像差的变化。为此，当前示例性实施例包括用于确定观看方向的眼睛跟踪器23。基于所确定的观看方向，控制单元25控制矫正元件17的折射光学元件19与衍射元件21之间的相对移位。如果不旨在补偿动态的横向色像差，则存在以下可能性：将折射光学元件19和衍射光学元件21相对于彼此固定布置并且省去眼睛跟踪器23和控制单元25。

矫正元件17还允许通过折射光学元件19和/或衍射光学元件21的适合构型来补偿上文已经提及的光瞳畸变，光瞳畸变是由于光线沿着经度圆被引导而发生的。

然而，如果仅旨在补偿光瞳畸变，则使用更简单的手段就能实现。图11示出了一种用于HMD的成像光学单元，该成像光学单元包括根据本发明的光导1和仅用于补偿光瞳畸变的矫正元件。在这种情况下，曲率半径为480mm的抛物面反射镜27被用作矫正元件。在这种情况下，光导1的曲率半径和输出耦合结构13的衍射透镜的焦距再次假设为150mm。从图10的左侧撞击抛物面反射镜27的光线束的起始点位于抛物面反射镜的焦点处的图像之外。通过沿纵向方向的类似产生的二次光瞳畸变，还可以减小线性散光。

代替使用所描述的矫正元件，该光瞳畸变还可以通过其他离轴元件来矫正。通过矫正光瞳畸变，在光导中尤其甚至更长的透射长度是可能的。

在根据本发明的成像装置中，如果在输入耦合结构的上游布置偏振分束器29和呈λ/4板形式的迟滞片32，可以将显示器15布置成更靠近输入耦合结构，如图12示意性地展示。例如在WO 2008/023367 A1中具体参见其中的图3描述了借助于偏振分束器和迟滞片进行的输入耦合。因此，参见WO 2008/023367 A1的与借助于偏振分束器和迟滞片进行的输入耦合相关的披露内容。

已经出于说明性的目的基于示例性实施例对本发明进行了详细描述。然而，本领域技术人员清楚的是，在本发明的范围内可以偏离这些示例性实施例。在这方面，举例而言，部分视场角的数量可以大于二，并且要透射的颜色通道的数量可以小于或大于三。此外，原则上，存在代替衍射透镜而提供折射透镜、例如菲涅耳透镜产生发散效果的可能性。如已经提及的，发散效果还可以叠加在输入耦合结构上、而不是叠加在输出耦合结构上。此外，存在以下可能性：将发散效果细分并且将一部分叠加在输入耦合结构上并且将另一个部分叠加在输出耦合结构上。另外，可以代替衍射结构采用其他的输入耦合结构和输出耦合结构，例如反射结构，比如部分透射的反射镜，或者可以用闪耀光栅来替换所描述的衍射结构。在后一种情况下，可以通过适当选择闪耀角来将衍射结构优化到特定的衍射级。衍射透镜同样可以被实现为闪耀光栅。为了耦合出特定的波长范围，例如则可以使用二向色性的部分透射的反射镜。虽然在所描述的示例性实施例中，输出耦合结构不知在光导的后表面中，但是这些输出耦合结构还可以布置在前表面中，使得光例如首先近似垂直地穿过后表面、并且接着仅到达前表面上的偏转/衍射结构上。相应地，光在穿过光导之后可以被前表面上的偏转/衍射结构朝后表面的方向偏转，接着该光穿过后表面例如近似垂直地从光导出来。因此，本发明并不旨在受限于所描述的示例性实施例，而是仅仅受所附权利要求书限制。

附图标记清单

1 球面光导

2 发散光线束

3 输入耦合结构

4 前表面

5 输出耦合结构

6 后表面

7 经度圆

8 会聚光线束

9 赤道

10 平行光线束

11 衍射透镜

13 叠加的输出耦合结构

15 显示器

17 矫正元件

19 折射光学元件

21 衍射光学元件

23 眼睛跟踪器

25 控制单元

27 矫正元件

29 偏振分束器

31 迟滞片

Claims (17)

1.一种用于HMD的弯曲光导(1)，其中，当按照预期被使用时，该光导(1)布置在至少一只眼睛的前方并且具有如从所述眼睛看到的凹曲率，并且所述光导包括：

-面向所述眼睛的后表面(6)和背向所述眼睛的前表面(4)，

-输入耦合结构(3)，用于将光按以下方式耦合到该光导(1)中：使得光通过在该前表面(4)和/或该后表面(6)处的反射被引导穿过该光导(1)，以及

-输出耦合结构(13)，用于将该被引导穿过该光导(1)的光耦合出，

其特征在于，

该光导(1)具有发散结构(11)，该发散结构的焦距的绝对值小于或等于该光导(1)的曲率半径。

2.如权利要求1所述的光导(1)，其特征在于，该发散结构(11)叠加在该输出耦合结构(13)和/或该输入耦合结构(3)上。

3.如权利要求1或2所述的光导(1)，其特征在于，该发散结构是衍射透镜(11)。

4.如权利要求3所述的光导(1)，其特征在于，该衍射透镜(11)包括多个区，所述区在其用于所述被引导穿过该光导(1)的光的光路长度方面彼此不同。

5.如权利要求3所述的光导(1)，其特征在于，该衍射透镜(11)包括透明区和非透明区。

6.如权利要求1至5中任一项所述的光导(1)，其特征在于，该发散结构(11)的发散效果以像场的中心为中心。

7.如权利要求1至6中任一项所述的光导(1)，其特征在于，有待被耦合到该光导(1)中的光具有角谱和/或谱范围，并且该输入耦合结构(3)和该输出耦合结构(13)各自包括多个子结构(3₁，3₂，13₁，13₂，13¹，13²，13³)，所述子结构分别将该谱范围的不同部分和/或该角谱的不同部分耦合到该光导(1)中和从该光导(1)耦合出。

8.如权利要求7所述的光导(1)，其特征在于，包括多个子光导(1₁，1₂，1¹，1²，1³)，所述子光导中的每个子光导分别将该谱范围的所述不同部分和/或该角谱的所述不同部分中的一个不同部分从该输入耦合结构(3)引导至该输出耦合结构(13)。

9.如权利要求1至8中任一项所述的光导(1)，其特征在于，该输入耦合结构(3)按以下方式布置在该光导(1)中：使得输入耦合能够穿过该光导(1)的后表面(6)发生。

10.如权利要求1至9中任一项所述的光导，其特征在于，该输入耦合结构(3)被配置成将光线耦合到该光导(1)中，而使得该耦合入的光线在该光导(1)中沿着该光导(1)的经度圆(7)前行。

11.如权利要求10所述的光导，其特征在于，该输出耦合结构(13)比该输入耦合结构(3)更靠近该光导(1)的赤道(9)。

12.一种包括成像束路径、光导(1)以及至少一个图像形成光学元件的成像光学单元，其特征在于，该成像光学单元包括如权利要求1至11中任一项所述的光导(1)，其中，该光导(1)用作该至少一个图像形成光学元件。

13.如权利要求12所述的成像光学单元，其特征在于，沿该成像束路径在该光导(1)的输入耦合结构(3)的上游布置了用于预先矫正由该光导引起的光瞳畸变的矫正元件(17，27)。

14.如权利要求12或13所述的成像光学单元，其特征在于，沿该成像束路径在该光导(1)的输入耦合结构(3)的上游布置了补偿光学单元(27)，用于补偿由该光导(1)引起的横向色像差。

15.如权利要求12至14中任一项所述的成像光学单元，其特征在于，该补偿光学单元(27)包括衍射光学元件(21)和折射光学元件(19)，所述光学元件被布置成可相对于彼此垂直于该成像束路径的光轴移位，并且存在眼睛跟踪器(23)。

16.如权利要求12至15中任一项所述的成像光学单元，其特征在于，沿该成像束路径在该光导(1)的输入耦合结构(3)的上游布置了偏振分束器(29)和迟滞片(31)。

17.一种HMD，包括用于显示输出图像的显示器(15)以及用于由该输出图像生成虚像的成像光学单元，其特征在于，该成像光学单元是如权利要求12至16中任一项所述的成像光学单元。

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