CN111308705A - 投影设备、微型扫描仪以及数据眼镜 - Google Patents

Abstract

投影设备、微型扫描仪以及数据眼镜。本发明涉及一种投影设备，其具有：至少两个光源，用于发出至少两个光束，其中每个光源分别发出一个光束；偏转元件，用于通过将至少两个光束朝所述投影设备的用户的晶状体的方向偏转和/或聚焦至少两个光束将图像投影到所述用户的视网膜上；以及射束转向元件，用于将至少两个光束转向到所述偏转元件上。所述投影设备的特征在于，至少两个光束在所述射束转向元件之前并不叠加；以及所述至少两个光束在所述射束转向元件（112）之后并且在视网膜之前或上的位置处相交一次或在射束转向元件和视网膜之间的至少一个区段上叠加。

Description

投影设备、微型扫描仪以及数据眼镜

技术领域

本发明涉及一种投影设备、一种微型扫描仪以及一种数据眼镜。

背景技术

在出版物DE 2016 201 567 A1中公开了一种用于数据眼镜的投影设备。该投影设备包括用于产生至少代表第一图像信息的第一光束和代表第二图像信息的第二光束的图像产生单元。第一光束和第二光束在射束发散方面彼此不同。此外，第一图像信息和第二图像信息在可察觉的图像清晰度方面彼此不同。此外，该投影设备包括至少一个偏转元件，所述偏转元件被构成用于在使用第一光束的情况下在眼睛的第一视野之内显示第一图像信息并且在使用第二光束的情况下在该眼睛的处于第一视野之外的第二视野之内显示第二图像信息。

发明内容

该投影设备具有至少两个光源，用于发出至少两个光束。在此情况下，每个光源分别发出一个光束。

该投影设备可以被用于数据眼镜。数据眼镜可以被理解为头戴式显示器（HMD）。术语“数据眼镜”同样应被理解为视频眼镜、头盔显示器或VR头盔。

头盔式或头戴式（HMD）或头佩式显示器（HWD）的开发从二十世纪六十年代以来是活跃的研究领域。一种表现形式是虚拟现实（VR）系统。但是该研究领域尤其是增强现实（AR）或混合现实设备的开发，所述开发许诺用于在职业中和在日常中由状况决定的和个性化的信息提供的令人感兴趣的可能性。

由于高的成本和笨重的光学器件，HMD到目前为止优先被使用在军事领域中。不过，民间专业团体和消费者也可以在日常和业余时间中从便利的和成本低的HMD设备得益。但是迄今还没有消费品能够大规模地成功投放市场。大的挑战在此情况下例如是对光学和机械规范的相互影响的要求。目前在市场上存在两种不同类型的HMD。一方面，这是轻的、便利的HMD，其成像和感测系统被保持为尽可能小，因此其也仅具有有限的功能范围。另一方面，存在具有相对体积大的光学器件的HMD，所述光学器件必要时与多个传感器和摄像机结合，所述HMD能够实现要求更高的图像显示和在环境感知和叠加的图像信息之间的交互，然而明显更大、更重并且在操作中更不符合人体工程学。

头戴式显示器（HMD）可以被实现为基于激光器的视网膜扫描设备（RSD）。在此，激光束经由可移动的元件、例如MEMS反射镜来转向。经由施加到眼镜片上的或引入相同眼镜片中的偏转结构将射束转向到用户的眼睛中，所述偏转结构例如可以被实现为全息的。该反射镜的振荡引起：使该射束扫描经过视网膜。由于人类视觉系统的延迟时间，因此可以通过有针对性地操控反射镜和激光源来产生平面图像或与现实叠加的图像内容的印象。这种方案的优点在于小数量的所需的光学部件，所述光学部件此外只要求小的结构空间。用于实现全彩RSD的可能性在于，将多种颜色、例如红色、绿色和蓝色的光叠加性射束，该射束然后射到MEMS反射镜上。在此，各个光源的切换与反射镜的运动同步。

偏转结构可以被实现为全息光学器件（HOE）。HOE可以根据应用被实现为反射和透射HOE。在此通过两个相干波的干涉将光栅存储到光敏膜中，例如通过光敏聚合物中的折射率调制。如果该体光栅利用两个波之一来重构，则通过在全息光栅处的衍射获得互补波。类似于其他光栅，在入射波的角度、重构波的波长和全息图处的衍射角之间的关系通过布拉格条件来描述。通过自由地选择成像几何（Aufnahmegeometrie）（干涉波相对于全息材料的定位），通过HOE获得设计自由度。

体积全息图的特色尤其在于其高的衍射效率。与表面结构相比，体积全息图在第一衍射级中达到直到100%的理论衍射效率。衍射效率在此可以与相应的应用匹配。附加地，体积衍射图提供全息复用的可能性。在此，所描述的光栅中的多个光栅可以被存储在全息层中。各个光栅的衍射效率在此随着所存储的光栅的数量而下降。该关系决定性地受全息材料的类型影响。

除了高衍射效率之外，体积全息图也显示特征角度和波长选择性。在此，仅来自确定的范围和来自限定的波长范围的光在该结构处被衍射。角度范围或波段的宽度在此通过材料参数（厚度和折射率调制）预先给定并且可以与应用匹配。为了更好的处理，可以将全息材料例如涂敷到载体薄膜上。

已知的是，借助二向色镜在光路中叠加多个波长。

投影设备同样可以被用于投影仪。

此外，投影设备具有用于将图像投影到投影设备的用户的视网膜上的偏转元件。该偏转元件通过将至少两个光束朝用户的晶状体的方向偏转和/或通过聚焦至少两个光束来将图像投影到用户的视网膜上。

根据一种优选的实施方式，该偏转元件是HOE。替代地，该偏转元件可以是自由形状反射镜。

全息元件例如可以被理解为全息光学器件，缩写HOE，其例如可以执行透镜、反射镜或棱镜的功能。根据实施方式，全息元件可以对于确定的颜色和入射角而言是选择性的。尤其，全息元件可以执行光学功能，这些光学功能可以利用简单的点光源压印（einbelichtet）到全息元件中。由此可以成本非常低地制造全息元件。

全息元件可以是透明的。由此，图像信息可以与环境叠加。

通过布置在数据眼镜的眼镜片处的全息元件可以将光束转向到数据眼镜的佩戴者的视网膜上，使得佩戴者感知到清晰的虚拟图像。例如，图像可以通过使激光束扫描经过微镜和全息元件被直接写到视网膜上。

这种投影设备可以在小的结构空间上成本比较低地实现并且能够实现把图像内容引到距佩戴者足够的距离处。由此，能够实现图像内容与环境的接触模拟的叠加。由于借助全息元件可以将图像直接写到视网膜上，所以可以舍弃平面显示元件、诸如基于LCD或DMD的系统。此外，由此可以实现特别大的景深。

通常，偏转特性在全息元件的表面上在每个点处都是不同的。如上面已经提及的那样，入射角等于出射角通常不适用。全息元件的表面的用于将光束偏转到用户的眼睛的部分区域被称为功能区域。

此外，投影设备具有射束转向元件，用于将至少两个光束转向到偏转元件上。

射束转向元件例如可以被理解为反射镜、尤其微镜或由微镜构成的阵列、或全息图。借助射束转向元件，光束的光路可以与给定的空间关系匹配。例如，射束转向元件可以被实现为微镜。该微镜可以以可移动的方式成形，例如具有可围绕至少一个轴倾斜的镜面。这种射束转向元件提供特别紧凑的结构形式的优点。此外有利的是，射束转向元件被构成用于改变入射角并且附加地或替代地改变光束在全息元件上的射中点。由此，偏转元件可以平面地、尤其例如以行和列利用光束来扫掠（überstrichen）。

此外，射束转向元件可以是具有可变形的表面的反射镜。这具有如下优点：射束转向元件不仅可以偏转光束，而且可以改变射束参数。由此，可以减少光学元件的数量并且替代地或补充地影响所感知的图像质量。

投影设备被实施和设立，使得至少两个光束在射束转向元件之前并不叠加。

此外，至少两个光束在射束转向元件之后并且在视网膜之前或上的位置处相交一次或在射束转向元件和视网膜之间的至少一个区段上叠加。为了清楚起见应提及的是，至少两个光束的这种相交或这种叠加涉及所有光束。

优选地，至少两个光束的数量是三。根据该实施方式，这三个光束在射束转向元件之后并且在视网膜之前或上的位置处恰好相交一次。替代于至少两个光束的相交，至少两个光束穿过共同的面。

如果相应的射束延伸穿过空间中的一个部位并且相应的传播方向在该部位处相同，那么两个光束在空间中的相同部位处叠加。优选地，两个射束的所照亮的面应是相同的。如果两个光束是具有相同的波长和相同的射束特性、诸如束腰和束腰的位置的高斯射束，则这两个射束在通过空气传播时也在空间中的相邻部位处叠加。如果在两个高斯射束的情况下波长不同，则所述高斯射束在短距离上也叠加地延伸。然而在此情况下应注意的是，不可能的是，对于两个不同波长的高斯射束，使所有射束参数一致，因为束腰半径和发散角经由射束参数乘积耦合到波长。因此两个高斯射束的发散角是不同的，所述高斯射束在一个部位处具有相同的束腰，然而具有不同的波长。然而，射到HOE上可以改变这一点。例如，两个叠加的高斯射束可以在通过HOE偏转之后在不同的传播方向上传播。

投影设备例如适合于数据眼镜或扫描仪，该扫描仪例如可以被使用在机动车中的前窗玻璃上。

根据一种优选的实施方式，射束转向元件具有微型扫描仪或由这种微型扫描仪组成。

微型扫描仪（英语：micro-scanner或micro-scanning mirror（微扫描镜））是微光机电系统（MOEMS），其由用于动态调制光的微镜执行器的类别构成。微型扫描仪替代地也可以称为微镜。根据结构类型，单个镜的起调制作用的运动可以平移地或围绕一个或两个轴旋转地进行。在第一种情况下，实现相移作用，在第二种情况下，实现入射光波的转向。在微型扫描仪的情况下，经由单个镜产生调制。

微型扫描仪优选地具有HOE。由此有利地产生用于射束形成和转向的更大可能性。因此在不考虑反射定律的情况下也在进行扫描的元件上被偏转。因此例如可以实现：在射在反射镜上之前，未叠加的射束在偏转结构上的一个点中射在眼镜片上并且从那里出来作为叠加的射束延伸。

优选地，微型扫描仪具有体积全息图（HOE），所述体积全息图还进一步优选地布置在基板上。在此情况下，HOE可以以全息薄膜的形式施加。体积全息图在此情况下可以以基于聚合物、卤化银或类似材料的全息材料创建。在此，全息材料可以直接被涂敷到微镜上或结合其他基板、例如透明薄膜来涂敷。根据应用，也可以设想与用于防止和用于减少干扰性菲涅尔反射的防反射涂层（涂层）结合。全息图在此作为反射光栅来存储。以预先给定的角度射到HOE上的入射射束从HOE以预先给定的角度出射。在此情况下，一般而言不适用的是，入射角等于出射角。

全息图（HOE）可以配备有涂层并且涂敷到基板上。对基板的要求在此并不与常规微镜的要求类似，在常规微镜的情况下运行方式基于反射定律。在当前微镜的情况下，光学功能完全通过全息图来执行并且基板在此应尽可能稳定并且尽可能没有反射，例如吸收性面或塑料。

根据另一实施方式，微型扫描仪优选地可围绕两个轴倾斜，其中还进一步优选地每个轴分别可倾斜+-5°。

根据一种优选的实施方式，HOE被构成和设立，使得预先给定的波长的入射光束在入射角改变预先给定的角度的情况下引起出射角改变预先给定的角度乘以一因子，其中该因子位于1和3之间，其中入射角位于预先给定的角度范围中并且预先给定的角度小于5°。特别优选地，因子为2。由此，有利地实现：微型扫描仪倾斜小的角度引起出射角的大的改变。

根据另一优选的实施方式，HOE被实施和设立，使得以优选地位于预先给定的角度范围中的角度射到HOE上的光束以相对于HOE的垂线为0°的角度出射。在此情况下，预先给定的角度范围优选地在30°和60°之间。此外，HOE被实施和设立，使得HOE的表面相对于入射光束的倾斜引起+/-10°的入射角的改变。

通过与HOE组合因此可以提高角度范围或降低对反射镜关于视野（英语：field ofview, FOV）的要求。

优选地，具有HOE的微镜被用于在RSD中进行射束叠加。替代地或附加地，可以代替投影设备的射束转向元件而使用具有HOE的微镜。

具有HOE的这种微镜原则上也可以被使用在LIDAR系统中。在此情况下，最简单地可设想在进行扫描的发送单元中的使用，例如以便同时发出多个信道。

根据一种优选的实施方式，至少两个光束在瞳孔中相交。由此，可以实现大的视野。

根据一种优选的实施方式，至少两个光束在视网膜上相交。尽管这里光束在视网膜之后不继续延伸，但这里仍然使用术语“相交”。替代地，可以使用术语“相遇”。这具有如下优点：彩色的点可以直接被写到视网膜上。

根据另一优选的实施方式，至少两个光束在HOE的表面上相交并且在HOE的表面和视网膜之间叠加。在此情况下，HOE被用于射束聚集。通过该特征此外实现：在HOE之前有利地给定用于光学系统的大的设计自由度。

根据一种优选的实施方式，至少两个光束的波长对于人眼而言不可区分。在此情况下，至少两个光束的至少两个不同波长由偏转元件不同地偏转。在该实施方式中，使用不同波长的多个光源、例如激光器、激光二极管、VCSEL等等。波长在此可以不同地来选择，使得HOE在波长方面是选择性的，使得用户的视觉系统然而不能在色彩上区分这些波长。为此，两个不同波长之间的区别可以大约大于10nm。

利用该实施方式例如可能的是，同时产生多个信道，以用于必要时在用户的视网膜上的不同位置处产生不同光刺激。

一方面，应以一种颜色显现的图像可以多次被写，使得眼睛由于平均效应能够感知更少局部不均匀性，所述局部不均匀性例如可能由偏转结构或表面粗糙度引起。另一方面，可以提高帧率并且因此减少对闪烁的感知，而不必提高反射镜的扫描频率。两者提高图像质量并且因此引起引人注目的视觉印象。将略微不同的波长用于被感知的颜色的方案也可以利用先前所描述的方案来实现。

根据又一优选的实施方式，至少两个光束中的两个不同光束的波长对于人眼而言可区分。通过该特征可以借助至少三个光束有利地投影彩色图像。

根据另一实施方式，投影设备具有三个用于分别发出一个光束的单色光源，其中这三个光源分别具有不同的波长并且这三个光源的三个不同的波长形成RGB颜色空间。RGB颜色空间是加性颜色空间，该加性颜色空间通过加性地混合三原色、例如红色、绿色和蓝色来模仿颜色感知。这三个不同的波长适合于在用户处产生加性颜色混合的印象。该实施方式具有如下优点：利用这三个光源可以投影每种任意的对于人类而言可识别的颜色。

此外，本发明包括数据眼镜。该数据眼镜具有眼镜片和上面所描述的投影设备，其中偏转元件布置在眼镜片上或中。

附图说明

本发明的实施例在附图中被示出并且在随后的描述中更详细地被解释。

图1至图5分别示出根据一种实施方式的投影设备的示意图。

图6示出根据本发明的一种实施方式的微型扫描仪。

图7至图9分别示出在图6中描绘的微型扫描仪针对微型扫描仪的不同倾斜角的偏转特性。

图10以等距视图示意性地示出根据一种实施方式的数据眼镜。

具体实施方式

图1示出投影设备100的原理性运行方式。由作为光源104的激光二极管发射的光束106借助作为准直元件114的透镜准直并且朝被实施为微镜的射束转向元件112的方向引导。射束转向元件112将光朝被实施为HOE的偏转元件102的方向偏转。偏转元件102施加在眼镜片402上。由偏转元件102偏转的光束106然后射到眼睛和晶状体108上，光束106从那里被聚焦到用户的眼球107的视网膜110上。

光源104被布置在固定在眼镜架120上的壳体105中。在壳体105的出口处布置该准直元件114。光源104、准直元件114和射束转向元件112可以被安置在未示出的共同的壳体中，其中由射束转向元件112反射的光束106通过布置在壳体的一侧上的窗口耦合输出。该壳体可以固定在眼镜脚118上或在眼镜架120上。

图2示出投影设备110，该投影设备具有三个光源115、125、135。为了简化，在图2至图5的实施方式中没有绘制出准直元件114和壳体105。然而对于本领域技术人员而言清楚的是，这样的准直元件和壳体通常针对每个光源115、125、135而存在。此外，在图2至图5的实施方式中，为了简化未示出眼镜片402以及框架118。

光源115产生光束116，所述光束是蓝色的。光源125产生光束126，所述光束是绿色的。光源135产生光束136，所述光束是红色的。然而光源115、125、135的颜色也可以重新排列。三个光束116、126、136在射束转向元件112之前并不叠加，然而在射束转向元件112上射到共同的点上。三个光束116、126、136由射束转向元件112转向到HOE 103上，这三个光束116、126、136在三个不同的位置处射在所述HOE上。从那里，三个光束116、126、136被偏转，使得它们都在不同的部位处穿过瞳孔109并且在共同的部位处射到视网膜110上。在图2的实施方式中，反射定律适用于射束转向元件112，然而并不适用于HOE 103。在HOE 103处进行衍射。该实施方式具有大的设计自由度。

图3的实施方式与图2的实施方式的不同在于，代替射束转向元件112使用微型扫描仪113，所述微型扫描仪在基板上具有HOE 103。因此，不仅在微型扫描仪113上而且在被实施为HOE 103的偏转元件102上进行衍射。三个光束116、126、136在射束转向元件112之前并不叠加并且在不同的点处射在射束转向元件112上，所述射束转向元件当前为微型扫描仪113。然而在微型扫描仪113处衍射之后，这三个光束116、126、136在共同的点处射在偏转元件102上。被实施为HOE 103的偏转元件102在此情况下被设立，使得这三个光束116、126、136的不同的波长被衍射，使得它们在衍射之后叠加并且因此具有相同的传播方向。因此，这三个光束116、126、136在共同的点处穿过瞳孔109并且也在共同的点上射在视网膜110上。图3的实施方式同样具有大的设计自由度。

图4的实施方式同样使用微型扫描仪113以及被实施为HOE 103的偏转元件102。三个光源115、125、135与在图2或3的实施方式中相同。三个光束116、126、136在射束转向元件112之前并不叠加并且在不同的点处射在微型扫描仪113上。在微型扫描仪113处衍射之后，这三个光束116、126、136也在不同的点处射在偏转元件102上。在偏转元件102处衍射之后，这三个光束116、126、136也在三个不同的点处射到视网膜110上。然而，微型扫描仪113和偏转元件102根据该实施方式被实施和设立，使得这三个光束116、126、136在瞳孔109、即眼睛的入瞳或RSD的出瞳中在共同的点处或通过小的共同的面进入。这具有大视野的优点。

图5的实施方式与图4的实施方式的不同在于，所使用的光源115、125、135在如下意义上是单色的：这些光源对于人类而言不可区分，然而能够由微型扫描仪113的HOE 103和偏转元件102的HOE 103不同地转向。

图6示出微型扫描仪113，该微型扫描仪由基板121、HOE 103和涂层123构成。在此情况下，在基板121上涂敷HOE 103。HOE 103已经以基于聚合物的全息材料来创建。该全息材料结合透明薄膜涂敷到了基板121上。防反射涂层涂敷到HOE 103上，所述防反射涂层减少干扰性菲涅尔反射。HOE 103在此情况下作为反射光栅来存储。在图6中示意性地示出了可能的光学路径。具有限定的波长的入射射束130以限定的角度射到被实施为反射全息图的HOE 103上。该射束在HOE 103处以限定的衍射角被偏转并且然后作为出射射束132出射。该衍射角在相应的入射角和波长的情况下通过HOE 103来预先给定。

图7、图8和图9针对微型扫描仪113的不同倾斜角示出在图6中绘制出的单色微型扫描仪113的偏转特性。这里，HOE 103利用单色光源104来重构并且针对HOE 103的不同布置分析衍射效率和衍射角。HOE 103在此被倾斜+/-5°，由此得出+/-10°的衍射角的改变。在图7中倾斜角为0°，在图8和图9中倾斜角为+5°和-5°。现有技术的微镜的倾斜角由于机械边界条件而限于+/-10°。通过与HOE 103组合，因此可以提高角度范围或降低对镜关于视野的要求。在所有三个位置处，衍射效率超过90%。

图10示出根据一个实施例的具有投影设备100的数据眼镜400的示意图。投影设备100在此情况下具有扫描仪光学器件152和被实施为HOE的偏转元件102。扫描仪光学器件152布置在壳体105中并且通过出射窗口148将未示出的光束106发送到偏转元件102上。数据眼镜400具有眼镜片402，在该眼镜片上布置偏转元件102。例如，偏转元件102被实现为眼镜片402的部分。替代地，偏转元件102被实现为单独的元件并且借助合适的接合方法与眼镜片402连接。

Claims (11)

1.一种投影设备（100），具有：

至少两个光源（104，115，125，135），用于发出至少两个光束（106，116，126，136），其中每个光源（104，115，125，135）分别发出一个光束；

偏转元件（102），用于通过将所述至少两个光束（106，116，126，136）朝所述投影设备（100）的用户的晶状体（108）的方向偏转和/或聚焦所述至少两个光束（106，116，126，136）来将图像投影到所述用户的视网膜（110）上；以及

射束转向元件（112），用于将所述至少两个光束（106，116，126，136）转向到所述偏转元件（102）上；

其特征在于，

所述至少两个光束（106，116，126，136）在所述射束转向元件（112）之前并不叠加；以及

所述至少两个光束（106，116，126，136）在所述射束转向元件（112）之后并且在所述视网膜（110）之前或上的位置处相交一次或在所述射束转向元件（112）和所述视网膜（110）之间的至少一个区段上叠加。

2.根据权利要求1所述的投影设备（100），

其特征在于，

所述偏转元件（102）是HOE（103）。

3.根据权利要求1或2所述的投影设备（100），

其特征在于，

所述射束转向元件（112）具有根据权利要求8至10中任一项所述的微型扫描仪（113）。

4.根据上述权利要求中任一项所述的投影设备（100），

其特征在于，

所述两个光束（106，116，126，136）在瞳孔（110）中相交。

5.根据权利要求2至4中任一项所述的投影设备（100），

其特征在于，

所述至少两个光束（106，116，126，136）在所述HOE（103）的表面上相交并且在所述HOE（103）的表面与视网膜（110）之间叠加。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的投影设备（100），

其特征在于，

所述至少两个光束（106，116，126，136）中的两个不同光束（106，116，126，136）的波长对于人眼而言能区分。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的投影设备（100），

其特征在于，

所述至少两个光束（106，116，126，136）的波长对于人眼而言不能区分。

8.微型扫描仪（113），该微型扫描仪具有HOE（103）。

9.根据上一权利要求所述的微型扫描仪（113），

其特征在于，

所述微型扫描仪（113）能够围绕两个轴分别倾斜+-5°。

10.根据权利要求8或9所述的微型扫描仪（113），

其特征在于，

所述HOE（103）被实施和设立，使得预先给定的波长的入射光束（130）在入射角改变预先给定的角度的情况下引起出射角改变预先给定的角度乘以一因子，其中该因子位于1和3之间，其中所述入射角位于预先给定的角度范围中并且所述预先给定的角度小于5°。

11.数据眼镜（400），具有如下特征：

眼镜片（402）；以及

根据权利要求1至7中任一项所述的投影设备（100），

其中所述偏转元件（102）布置在所述眼镜片（402）上或中。

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