CN111417891A - 光导、成像设备和具有分开的成像通道的hmd - Google Patents

Abstract

提供了一种用于成像设备的光导(1)，该成像设备用于由具有至少两个不同的初始图像场区域(12₁，12₂)的初始图像生成虚拟图像。该光导(1)包括：‑输入耦合结构(9，25)，用于将来自该初始图像的光束耦合到该光导(1)中，以及‑扩展输出耦合结构(13)，用于将耦合到该光导(1)中的这些光束耦合出该光导(1)，其中，该扩展输出耦合结构(13)包括至少两个部分面(13₁，13₂)，并且其中，每个部分面(13₁，13₂)被分配给这些初始图像场区域(12₁，12₂)中的一个不同初始图像场区域并将来自对应的初始图像场区域(12₁，12₂)的光束耦合出。该输出耦合结构(13)的这些部分面(13₁，13₂)围绕两个不平行的轴线倾斜。该光导(1)可以是成像设备的一部分，该成像设备特别地可以用于头戴式显示器。

Description

光导、成像设备和具有分开的成像通道的HMD

技术领域

本发明涉及一种用于成像设备的光导，该成像设备用于生成在图像发生器上所表示的初始图像的虚拟图像。本发明还涉及一种头戴式显示器，即，安装在头部上的显示器，或简称为HMD。

背景技术

一种常规形式的头戴式显示器使用屏幕，屏幕被戴在眼睛前方、并且向使用者呈现比如计算机生成的图像或由相机记录的图像等电子图像。这种头戴式显示器通常体积庞大并且不允许直接感知周围环境。

近年来，已经开发了能够将电子图像与直接感知到的周围环境的图像组合并因此向使用者呈现电子图像而不会妨碍对周围环境的直接感知的头戴式显示器。这种头戴式显示器(如果它们采用眼镜的形式，则在下文中被称为智能眼镜)使得能够在日常生活中利用这种技术。

当将电子图像与直接感知到的周围环境的图像组合时，在智能眼镜情况下，在这种组合可以基于的以下原理之间从本质上进行区分：

1.使用在前部附接有光束组合器(例如分束立方体)的普通眼镜。

2.从侧面并且从在眼镜镜片内侧朝眼睛的反射来将光输入耦合到头部与眼镜镜片之间，其中，衍射光栅、菲涅耳元件等以互补方式来使用。

3.通过眼镜镜片中的全内反射引导电子图像的光，并且借助于输出耦合结构将电子图像的光束路径与周围环境的直接图像组合，该输出耦合结构被布置在眼镜镜片中并用于朝眼睛方向从眼镜镜片耦合输出电子图像的光束路径。在此，眼镜镜片用作耦合进光的光导。

尽管第一原理在光学上起到非常好的作用，但由于附接在前部的光束组合器向外非常明显且大，所以它的社会接受度非常低。此外，眼镜因此变得前部重。

二原理仅在眼镜与头部之间的距离大大增加的情况下才能在解剖学上实现，这同样是不可接受的。

因此，更有希望的途径从第三原理开始，也即是说在眼镜镜片中引导光。在这种情况下，输出耦合结构可以被配置为衍射光栅、配置为部分透明的倾斜反射镜或者是部分透明的菲涅耳元件的形式。在衍射光栅的情况下，例如通过1级衍射最大值从眼镜镜片耦合出电子图像的光束路径，而通过0级衍射最大值，观察光可以尽可能少地减弱地穿过输出耦合结构。

在根据上述第三原理操作的HMD中，来自由初始图像表示的场(以下称为初始图像场)的场点的发散光束通常被准直或很大程度上被准直并在光导中通常被引导成为准直光束。光束的直径在此由成像设备的入射光瞳限定，光导是成像设备的一部分。光束的中心光线在下文中将被称为主光线。在出射光瞳的区域中测量的表示初始图像场的左右边缘的光束之间的角度或所述光束的主光线之间的角度被称为水平场角。在表示初始图像场的竖直边缘的光束之间或所述光束的主光线之间的在出射光瞳区域中测量的角度被称为竖直场角。在大的初始图像场的情况下，存在大的场角，特别是大的水平视场角，尤其是例如要表示16：9格式的图像时。在此情况下，场角导致随着距眼睛的距离增加，所传输的光束整体的截面面积变大。因此，在大场角的情况下，在外部主光线之间的距离变得如此大以致于通常不能再经由眼镜镜片的侧面而是仅经由眼镜镜片的后面或前面来耦合进光，从而使输入耦合结构较大。例如在US 2011/0062998 A1中描述了一种光导，光束在该光导中经由后面(也就是说朝向眼睛而定向的面)被耦合进。

US 2012/0057253 A1描述了一种输出耦合结构，该输出耦合结构具有相对于彼此倾斜的两个部分面。

DE 10 2015 122 131 B3描述了用于将成像光束路径耦合出眼镜镜片的整个菲涅耳面的倾斜度。

DE 10 2014 207 492 A1描述了菲涅耳面，这些菲涅耳面用于从图像发生器或图像发生器的中间图像到虚拟中间图像的输出耦合和效果成像。

DE 10 2014 207 500 B3描述了一种反射层，该反射层位于眼镜镜片的输入耦合区域与眼镜镜片的输出耦合结构之间并且用于光束引导。

US 2014/0226215 A1描述了一种在用于表示虚拟图像的显示器中的光导，其中，成像束路径经由光导的周界面被耦合到光导中。

发明内容

本发明的目的是提供一种光导、成像设备和HMD，其中，输入耦合结构可以保持得较小。

此目的是通过如权利要求1所述的光导、如权利要求10所述的成像设备和如权利要求13所述的HMD来实现的。从属权利要求包含本发明的有利配置。

根据本发明的用于成像设备的光导，该成像设备用于由具有至少两个不同的初始图像场区域的初始图像来生成虚拟图像，该光导包括：

-输入耦合结构，用于将来自该初始图像的光束耦合到该光导中，以及

-扩展输出耦合结构，用于将耦合到该光导中的光束耦合出该光导，其中，该扩展输出耦合结构包括至少两个部分面，并且其中，每个部分面被分配给这些初始图像场区域中的一个不同初始图像场区域并将来自对应的初始图像场区域的光束耦合出。

根据本发明，输出耦合结构的这些部分面相对于彼此倾斜。在此情况下，输出耦合结构的两个部分面围绕彼此不平行的两个轴线倾斜、优选地围绕彼此垂直的两个轴线倾斜。

输出耦合结构的这些部分面相对于彼此倾斜使得可以以如下方式在输入耦合结构的区域中操纵由光导传输的光束所占据的截面面积，即，使该截面面积调整到所期望的尺寸成为可能。特别地，可以在光导的厚度方向上减小该截面面积。这使得可以设计该光导，使得该光导具有面向用户眼睛的后面、背朝用户眼睛的前面以及连接后面与前面的周界面，其中，输入耦合结构布置在该周界面中，使得这些光束可以经由该周界面被耦合进。

如果在z轴垂直于表示出射光瞳的面并指向光导的坐标系中，两个部分面围绕y轴相对于彼此倾斜，则到达出射光瞳的光束可以被引导通过光导的在x方向上相对于彼此偏移的区域。这使得可以例如使用在x方向上相对于彼此偏移的图像发生器来生成用于表示不同的侧向初始图像场区域的初始图像。

相反，这些部分面相对于彼此围绕x轴倾斜，使得可以将到达出射光瞳的光束在输入耦合结构的区域内引导得在一起更近，从而使光束分布在z方向(光导的厚度范围的方向)上的范围减小。更具体地，如果将输入耦合结构的区域中的光束投影到xz平面上，则减小了此投影在z方向上的范围。这有利于使用在z方向上具有较小范围的输入耦合结构，并且以这种方式可以经由光导的侧面、即经由周界面的侧向布置在光导上的部分来实现输入耦合，特别是还在大水平初始图像场的情况下。在此，侧面还可以同时形成输入耦合结构。

通常可以说，由于这些部分面围绕两个不平行的轴线倾斜，因而可以操纵输入耦合结构的区域中的光束分布，使得输入耦合结构的区域中的光束分布具有所期望的形状。特别地，可以改变光束分布的截面面积的纵横比。这使得可以例如偏移光束，使得彼此水平挨着的初始图像场区域由在输入耦合结构的区域中竖直偏移的光束表示。另外，还可以使所述光束相对于彼此水平地移位。在那种情况下，只能使用放大的图像发生器或经由具有针对这些初始图像场区域的分开的显示器的图像发生器来表示初始图像，但是可以对表示初始图像的面或这些分开的显示器的位置进行最佳地调整，以达到所期望的输入耦合结构。

所使用的输出耦合结构的部分面例如可以是相对于内面和前面倾斜的平滑反射面，使得被引导通过光导的光束通过后面被耦合出。在此情况下，连续可区分的面应被视为平滑面。

替代地，输出耦合结构的每个部分面可以是有小面的反射面，其中，该有小面的反射面包括平滑基面和相对于该平滑基面倾斜的小面。

该平滑面或该平滑基面可以被实施为平面。然而，它也可以具有成像功能，例如聚光功能。在此情况下，该平滑面或该平滑基面具有曲率。在有小面的反射面的情况下，也可以在这些小面上而不是在这些平滑基面上实现曲率。输出耦合结构的成像功能使得可以在输出耦合结构的区域中进一步减小这些束在光导的厚度方向上的所需空间。该平滑面或该平滑基面也可以是自由曲面。在此情况下，自由曲面应理解为是指复合面，复合面特别可以使用区域限定功能、特别是两次连续可区分的区域限定功能来表示。这些区别于简单面，比如球面、非球面、柱面、复曲面等。

在根据本发明的光导的有利的另一设计中，该光导除了输出耦合结构之外还包括另一反射元件，该另一反射元件特别可以被实施为平滑反射面或有小面的反射面。此另一反射元件具有成像功能。它特别可以通过自由曲面来实现。特别地，如果输出耦合结构也具有成像功能，则除了输出耦合结构和具有成像功能的另一反射元件之外，绝对不需要另外的成像光学元件。

如果输出耦合结构具有成像结构和/或存在具有成像功能的另外的反射光学元件，则可以在光导中在输出耦合结构与输入耦合结构之间生成中间图像，中间图像使得可以在输入耦合结构的区域中由光导传输的光束在z方向上所需的空间进一步减小。

根据本发明的用于生成虚拟图像的成像设备包括：图像发生器和根据本发明的光导，该图像发生器具有至少两个图像发生器部分，这些图像发生器部分用于表示初始图像的至少两个初始图像场区域。在此，这些图像发生器部分不一定需要连接或成为同一显示器的一部分。换句话说，图像发生器可以被实施为单个显示器的形式或由至少两个显示器制成的布置的形式。使用根据本发明的成像设备所要实现的效果由使用根据本发明的光导以及相关联的先前描述的效果直接产生。

在根据本发明的成像设备中，这些图像发生器部分可以相对于彼此偏移。在此，这些图像发生器部分的偏移可以沿着x轴和/或沿着y轴实现。这在这些图像发生器部分的布置方面提供了大自由度，使得这些图像发生器部分的布置可以适于所期望的输入耦合结构的形状，并且因此适于该光导。

这些图像发生器部分的偏移可以通过使用显示器来实现，该显示器足够大以允许在该显示器上表示不同的初始图像场区域，使得它们相对于彼此偏移。这些图像发生器部分然后由显示器的表示各个初始图像场区域的部分给出。替代地，可以为每个初始图像场区域提供专用显示器，其中，然后这些显示器一起形成图像发生器。在此情况下，这些显示器不需要大于要表示的这些初始图像场区域，这意味着组合的显示器面不需要大于要表示的初始图像的面。此外，初始图像的面使得可以不仅优化这些图像发生器部分的位置，而且还可以优化这些图像发生器部分之间的相对倾斜度，这可以有助于改善成像的矫正。

根据本发明的HMD配备有根据本发明的成像设备。特别地，根据本发明的HMD可以被实施为眼镜并且因此表示智能眼镜。使用根据本发明的成像设备使得可以生产HMD、特别是智能眼镜，其可以在光导的输入耦合结构的区域中具有紧凑的设计。

附图说明

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

图1示出了根据现有技术的具有光导的成像设备的示意图。

图2示出了具有光导的成像设备的第一示例性实施例的示意图，其中，光导的输出耦合结构的部分面相对于彼此倾斜。

图3示出了具有光导的成像设备的第二示例性实施例的示意图，其中，光导的输出耦合结构的部分面相对于彼此倾斜。

图4示出了显示器上的初始图像的初始图像场区域的可能布置。

图5示出了由成像设备基于图4中的初始图像的初始图像场区域生成的虚拟图像。

图6示出了显示器上的初始图像的初始图像场区域的可能替代布置。

图7示出了由成像设备基于图6中的初始图像的初始图像场区域生成的虚拟图像。

图8示出了具有光导的成像设备的第三示例性实施例的示意图，其中，光导的输出耦合结构的部分面相对于彼此倾斜。

图9示出了具有光导的成像设备的第四示例性实施例的示意图，其中，光导的输出耦合结构的部分面相对于彼此倾斜。

图10示出了智能眼镜的一个示例。

具体实施方式

在开始说明本发明的示例性实施例之前，将参考图1说明根据现有技术的具有光导的成像设备。该图示出了成像设备，该成像设备可以用于示意图中的HMD(例如，智能眼镜)中。所示的成像设备包括具有后面3和前面5的光导1。如果在HMD中使用该成像设备，则当使用HMD时后面面向用户的眼睛，而前面5背朝眼睛。光导1另外具有周界面7，该周界面的倾斜部分9用作用于来自图像发生器11的光束的输入耦合面9(具有或不具有成像功能)。此成像设备中的输入耦合面9形成了输入耦合结构。被耦合到光导1中的光束在后面3和前面5处通过全内反射在光导1中被引导到分束反射镜13形式的输出耦合结构，该分束反射镜成一定角度布置并且所述光束通过后面3耦合出光导1并叠加在穿过分束反射镜13的环境光上，结果是配备有成像设备的HMD的用户会感知到初始图像漂浮在环境中的虚拟图像。在后面3后方的、所有的光束都具有共同截面的位置是出射光瞳17。通常，在HMD中重要的是眼动范围(eyebox)。眼动范围被称为光束的三维区域，在该区域中，眼睛的瞳孔(未图示)可以移动而不发生图像渐晕。由于在智能眼镜的情况下，眼睛相对于智能眼镜的距离是基本上恒定的，因此可以将眼动范围减小到仅考虑眼睛的旋转运动的二维眼动范围。在此情况下，在眼睛的入射光瞳的位置处，眼动范围基本上对应于智能眼镜的出射光瞳。通常，入射光瞳由眼镜的瞳孔给出。因此，在本说明书的框架内仅考虑出射光瞳17。

如图1所示，来自初始图像的不同初始图像场点2a、2b、2c的光束4a、4b、4c从不同角度到达出射光瞳17，其中，来自最外面的场点2a、2c的光束4a、4c形成了光束整体在出射光瞳17的区域中的边缘。在来自最外面的场点2a、2c的光束4a、4c之间的角度α表示初始图像的场角，在图1的图示中是水平场角。

出于以下考虑，考虑相反的光束路径是合适的，也就是说保持从出射光瞳17通过光导1到达图像发生器11。来自出射光瞳17的光束整体具有所有光束都位于的场角范围。在此，各个束相对于光轴的相应角度是以下场点的特征：它们在图像发生器11所表示的初始图像中最终入射到的场点。如从图1显示而易见的，光束4c出现了问题，该光束从出射光瞳17朝向图1的右下方前进，在光导1中多次反射之后，不是从光导1的侧面9出射而是从其前面5出射。其原因在于，随着光束距出射光瞳17的距离增加，场角α引起光束整体的很大散布。结果仅仅是，在图1所示的输入耦合面9的情况下，并非所有光束都前进通过所述输入耦合面9和成像光学单元15。因此，从前面5出射的光束不能有助于成像。在图1中通过双向箭头19标记了无助于成像的这个区域，即被遮挡。此遮挡导致仅仅图像发生器11上所表示的初始图像中的初始图像场区域21能够有助于生成虚拟图像。因此，要成像的初始图像场在图1所示的配置中受到很大限制。如果目的是经由后面3或前面5而不是经由侧面实现输入耦合来规避这些限制，则这由于光束整体的大散布而产生大输入耦合结构和大成像光学单元。另外，在此情况下，输入耦合结构和输出耦合结构将是具有明显偏转效应的衍射光栅或菲涅耳结构，以实现必要的全内反射。在大场角和/或大眼动范围的情况下，由光导1传输的光束分量将由形成输出耦合结构的衍射光栅或由形成输出耦合结构的菲涅耳结构来偏转，使得这些光束除了被耦合出之外，还通过光导1与空气的界面反射回到输出耦合结构上并且第二次入射在所述输出耦合结构上。然而，这种光束分量不适用于成像并且引起图像场尺寸或光瞳尺寸的减小。此效应也称为“脚印重叠(footprint overlap)”。

下面将参考图2来描述成像设备的第一示例性实施例，在该成像设备中减少了参照图1所描述的问题。

该图示出了具有后面3和前面5以及还具有周界面7的光导1。在本示例性实施例中，周界面7的侧面用作输入耦合面9并且因此用作光导1的输入耦合结构。光导1还包括输出耦合结构13，在本示例性实施例中，该输出耦合结构由两个相对于彼此倾斜并以分束反射镜形式设计的平面输出耦合反射镜13₁和13₂形成。在本示例性实施例中，输出耦合反射镜13₁、13₂是嵌入在光导1中的结构。例如，所述结构可以通过在与输入耦合面9相反的侧面区域中研磨光导1来生产，使得形成镜面13₁、13₂。然后使这些镜面是局部反射的，并且最终将楔形附件施加到这些局部反射面上，以恢复光导1的原始形状。如图1中的光导所示，光束在后面3和前面5处通过全内反射从输入耦合面9被引导到输出耦合结构。

除了光导1之外，图2还示出了成像设备的图像发生器11、成像光学单元15和出射光瞳17。

图2另外示出了坐标系，该坐标系的x轴延伸到纸张平面中。y轴在纸张平面中指向上方，并且z轴在纸张平面中指向右侧。如图2所示，分束反射镜13₂相对于分束反射镜13₁围绕x轴和绕y轴倾斜。因此，两个分束反射镜13₁、13₂形成输出耦合结构13的相对于彼此倾斜的部分面。

为了说明分束反射镜13₂相对于分束反射镜13₁围绕x轴倾斜的初始效果以及相关联的具有两个相对彼此倾斜的部分面的输出耦合结构13的实施例，像参照图1所做的那样，再次考虑这些光束从出射光瞳17在朝图像发生器ll的方向前进。通过使第二分束反射镜13₂相对于第一反射镜13₁绕x轴倾斜，与分束反射镜131反射的光束相比，第二分束反射镜反射的光导1的光束平行于yz平面而移位。因此，如果在输入耦合面9的区域中考虑成场角α来自出射光瞳17的光束，则光束在那里所占据的截面面积在z方向上减小，或更具体地，与图1中光导(其不具有输出耦合结构13的相对于彼此倾斜的任何部分区域)的情况相比，光束在输入耦合结构9的区域中所占据截面面积在xz平面上的投影在z方向上具有更小的范围。换句话说，光束在输入耦合面9的区域中移动得在一起更近。与图1中的成像设备相比，通过此，当光束通过布置在周界面7中的输入耦合面9而被耦合进时，光导1可以传输更大的场角α，或者如果所传输的场角相同，则可以减小光导1的厚度。

由于围绕y轴的旋转，因此来自出射光瞳17的光束取决于反射它们的反射镜13₁、13₂而被引导通过在x方向彼此上下设置的光导1的不同区域。结果是，光导中的由两个反射镜13₁、13₂反射的光束在xy平面上的投影中在x方向上发散，并且通过输入耦合反射镜25的在x方向上彼此上下放置的区域在该方向上偏转通过后面3，偏转到在x方向上彼此上下定位的成像光学单元15₁、15₂上。通过成像光学单元15₁、15₂，这些光束最终传递到图像发生器11₁、11₂，这些图像发生器在x方向上彼此上下定位。因此，可以将初始图像分布在两个在x方向上彼此上下放置的图像发生器111上，其结果是，在虚拟图像中在水平方向上彼此挨着定位的场区域可以是初始图像中在竖直方向上彼此上下定位的初始图像场区域。

由于两个镜面相对于彼此既围绕x轴又围绕y轴旋转，因此在位于输入耦合结构25的区域内的光束在xz平面上的投影中，由光束所占据的截面面积沿z方向所需的空间可以减小同时在x方向上可以增加，其中，光束也可以从z方向上移位到x方向。在图像发生器11的图像发生器部分的分布方面的相关联自由度使得可以传输特别大的水平场角α，这特别地还使得从16∶9格式传输成为可能。在此情况下，图像发生器11的图像发生器部分在它们的距离和它们的相应发射角度方面可以最佳地适于光束在光导中的轮廓。

下面将参考图3描述根据本发明的光导的第二示例性实施例。此图同样示出了具有内面3、前面5和周界面7的光导1，但是其中，光束通过后面3被耦合到光导1中。在周界面7中，在此形成了反射输入耦合面25，通过后面3进入光导25的光束经由该反射输入耦合面被偏转，使得它们在后面3与前面5之间通过全内反射而被引导到输出耦合结构13。最终，光束通过后面3从此输出耦合结构13沿出射光瞳17的方向被耦合出光导1。

如在第一示例性实施例，输出耦合结构13包括两个反射镜部分13₁和13₂，其反射面相对于彼此围绕延伸到纸张平面的x轴并且还围绕在图3的纸张平面内向上延伸的y轴旋转。如图3显而易见的，本示例性实施例中的图像发生器部分是通过分开的图像发生器11₁、11₂实现的并且相对于xy平面具有不同的倾斜度。在本示例性实施例中，调整相对于xy平面的倾斜度并且选择在x方向上两个图像发生器11₁、11₂之间的间距用于优化成像的矫正。

尽管在图3中使用了两个分开的图像发生器11₁、11₂，但也可以在单个图像发生器11的图像发生器部分11₁、11₂上来表示初始图像场区域，该单个图像发生器特别是在x方向上具有相应的大范围。在图4中图示了这种图像发生器11。表示初始图像场区域12₁、12₂的图像发生器部分11₁、11₂沿x方向偏移布置。由成像设备生成的虚拟图像中的初始图像场区域12₁、12₂的布置如图5所示。然而，如果使用一个大图像发生器11，则减小了用于优化成像的矫正的自由度。只要图像发生器11在x方向上具有对应的范围，则仍然存在优化由初始图像场区域12₁、12₂表示的图像发生器部分11₁、11₂在x方向上的间距的可能性。在另一方面，如果使用一个大的图像发生器11，则不可能使图像发生器部分11₁、11₂相对于xz平面不同地倾斜。应当注意，图像发生器部分11₁、11₂也可以表示相互重叠的初始图像场区域12₁、12₂。图6示出了图像发生器部分11₁、11₂的一种替代布置，其中，图像发生器部分11₁、11₂在y方向上偏移，并且图7示出了所得图像。

在前两个示例性实施例中，输出耦合结构完全不具有成像功能。如果输出耦合结构设置有成像功能，则可以进一步减小光束在z方向上的所需空间。在图8中图示了一个示例性实施例，其中，输出耦合结构13具有成像功能。在此示例性实施例中，形成了输出耦合结构13的部分面的分束反射镜l3₁、13₂既围绕x轴又围绕y轴倾斜，并且图像发生器11₁、11₂沿x方向相对于彼此偏移布置。然而，与先前的示例性实施例相比，图8中的成像设备在光导1外部不具有成像光学单元15或15₁、15₂。反而，光导的局部透射输入耦合反射镜25、分束反射镜13₁、13₂以及分束反射镜27形式的另一反射元件各自具有成像功能。在此，附加的分束反射镜27布置在光导1的前面5上。所述元件的成像功能一起起作用，取代先前示例性实施例的成像光学单元。

在本示例性实施例中，用于耦合出的分束反射镜13₁、13₂、局部透射输入耦合反射镜25和另一分束反射镜27各自具有会聚功能，这意味着来自图像发生器11₁、11₂的光束总体上被准直并且作为准直光束存在于出射光瞳17中。然而，也可以设计单独的反射镜，使得它们的会聚效应不足以产生平行光束，因此在出射光瞳17的区域中存在稍微发散的光束。这引起虚拟图像没有被感知为在无限远处而是被感知为在有限距离处。如果反射镜的曲率包括基本曲率和叠加自由曲面，则另外可以优化图像像差的矫正。

图9图示出了成像设备的另一示例性实施例。此成像设备的光导1与图8所示的成像设备的光导的主要区别在于：形成输出耦合结构13的分束反射镜13₁、13₂和附加的分束反射镜27的曲率基本上被设计为使得在光导1中在垂直于yz平面并且不平行于xy平面的平面中来生成中间图像29。通过此措施，可以在局部透射输入耦合反射镜25的区域中实现光束在z方向上的所需空间的进一步减小，这进一步增大了可传输的场角α并且因此增大了要表示的视场并且简化了光束通过光导1的引导。为了减小光束在z方向上的所需空间，在此只要在垂直于yz平面的平面中沿着垂直于x方向的方向但不沿着平行于x方向的方向存在中间图像就足够了。

在所有示例性实施例中，光导与(多个)图像发生器以及可能地布置在(多个)图像发生器与光导之间的成像光学单元一起形成成像设备，该成像设备用于基于在(多个)图像发生器上所表示的初始图像来生成虚拟图像。如果使用多个图像发生器，则在相应图像发生器上所表示的初始图像部分表示初始图像的不同初始图像场区域。这种成像设备特别可以用于HMD中。所示的HMD的示例是图10中的智能眼镜201，也就是说，被实施为眼镜的形式的HMD使得同时观察虚拟图像和环境成为可能。

图10中所示的智能眼镜201包括具有镜腿211的镜架207和配适在镜架207中的眼镜镜片203。在此，眼镜镜片203被实施为根据本发明的光导的形式，眼镜镜片分别与布置在对应的镜腿211中的图像发生器(图10中未图示)一起形成图像设备，该图像设备根据前述示例性实施例之一被实施。在此，眼镜镜片203可以包括输入耦合结构和输出耦合结构并且可能地包括具有成像特性的另一结构，如参照图6和图7所述，或者成像光学单元存在于眼镜镜片203与布置在镜腿211中的图像发生器之间，参照图2和3所述示例性实施例中就是这种情况。在本示例性实施例中，光束经由眼镜镜片203的邻接相应镜腿211的侧面而耦合到眼镜镜片203中。然而，在所示的智能眼镜201中，也可以将用于成像的光束经由眼镜镜片的后面而耦合到眼镜镜片203中。

尽管图10图示了作为HMD的示例的智能眼镜，但应当理解，HMD的其他实施例变型也可以配适有根据本发明的光导。如果HMD旨在适合于表示三维图像，则为每只眼睛呈现一个根据本发明的光导和分配给该光导的显示器。如果不期望三维表示，则将两个眼镜镜片203之一实施为根据本发明的光导并且为其分配显示器和可能地布置在显示器与眼镜镜片之间的成像光学单元就足够了。

基于示例性实施例而介绍的本发明使得可以减小位于输入耦合结构的区域中的光束整体在xz平面上的投影中的范围。由于例如在智能眼镜的情况下，眼镜镜片的厚度基本上沿z方向延伸，因此此方向表示光束整体范围的临界平面。另外介绍的本发明使得可以将在光导中要表示的初始图像场沿x方向分布在两个或多个部分上，并使其通过这些不同的部分从相应图像发生器输送到输出耦合结构。作为用于成像矫正的自由度，如果图像发生器分别在距离和角度方面适于它们表示的相应初始图像场区域，则另外证明是有利的。

为了在输送大初始图像场方面获得最大优势，将输出耦合结构的设计与两个相对于彼此倾斜的部分面以及所述的中间图像生成方面的组合是有利的。在此情况下，这两个部分面是成像面、特别是会聚面，并且各自具有针对其传输的初始图像场区域被优化的形状。在此，这两个部分面的焦距被选择为足够短，使得出射光瞳被成像到输入耦合结构的附近，并且优选地中间图像同时在光导中产生。然而，如果输出耦合结构的部分面不被设计为成像而是仅由相对于彼此倾斜的平面构成，则在输入耦合结构的区域中已经实现了光束在z方向上所需空间的显著减小。

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，本领域技术人员认识到，与示例性实施例的偏差是有可能的，这不脱离所附权利要求中限定的保护范围。例如，可能的是，输出耦合结构具有超过两个相对于彼此倾斜的部分面。同样，可以存在超过两个图像发生器。另外，图像发生器除了在x方向上的偏移之外，还可以在垂直于x方向的方向上具有偏移，但是在此方向上的合适的偏移受到光导厚度的限制，也就是说其后面与前面之间距离的限制。最后，可以提供有小面的镜面而不是平滑镜面，也就是说连续可区分的镜面。所述小面相对于典型平滑基面具有倾斜度。此实施例使得可以将基面布置成平行于光导的前面或后面。然而，在此，一个部分面的小面相对于另一部分面的小面倾斜。输入耦合结构的成像效果另外可以不是通过相应弯曲的反射面而是通过用作输入耦合结构的侧面的曲率来实现的，光束在其被耦合到光导中时会通过该侧面，使得该侧面形成折射成像元件。

Claims (14)

1.一种用于成像设备的光导(1)，该成像设备用于由具有至少两个不同的初始图像场区域(12₁，12₂)的初始图像来生成虚拟图像，其中，该光导(1)包括：

-输入耦合结构(9，25)，用于将来自该初始图像的光束耦合到该光导(1)中，以及

-扩展输出耦合结构(13)，用于将耦合到该光导(1)中的这些光束耦合出该光导(1)，其中，该扩展输出耦合结构(13)包括至少两个部分面(13₁，13₂)，并且其中，每个部分面(13₁，13₂)被分配给这些初始图像场区域(12₁，12₂)中的一个不同初始图像场区域并将来自对应的初始图像场区域(12₁，12₂)的光束耦合出，

-其中，该输出耦合结构(13)的这些部分面(13₁，13₂)相对于彼此倾斜，

其特征在于，

该输出耦合结构(13)的这些部分面(13₁，13₂)围绕两个不平行的轴线(x，y)倾斜。

2.如权利要求1所述的光导(1)，其特征在于，这些输出耦合面(13₁，13₂)相对于彼此围绕其倾斜的线轴(x，y)垂直于输出耦合方向(z)。

3.如权利要求1或权利要求2所述的光导(1)，其特征在于，该输出耦合结构(13)的每个部分面(13₁，13₂)是反射面。

4.如权利要求1至3之一所述的光导(1)，其特征在于，该输出耦合结构(13)的每个部分面(13₁，13₂)是有小面的反射面，该有小面的反射面具有平滑基面和相对于该基面倾斜的小面，其中，这两个部分面(13₁，13₂)的小面相对于彼此倾斜。

5.如权利要求1至4之一所述的光导(1)，其特征在于，该输出耦合结构(13)具有成像功能。

6.如权利要求5所述的光导(1)，其特征在于，该输出耦合结构(13)具有聚光功能。

7.如权利要求5或权利要求6所述的光导(1)，其特征在于，除了该输出耦合结构(13)之外，该光导(1)还包括另一反射元件(27)，其中，该另一个反射元件具有成像功能。

8.如权利要求5至7之一所述的光导(1)，其特征在于，在该输入耦合结构(9，25)与该输出耦合结构(13)之间在该光导(1)中生成中间图像(29)。

9.如权利要求1至8之一所述的光导(1)，其特征在于，该光导具有面向用户的眼睛的后面(3)、背朝该用户的眼睛的前面(5)以及连接该后面(3)与该前面(5)的周界面(7)，其中，该输入耦合结构(9)布置在该周界面中，使得这些光束能够经由该周界面(7)被耦合进。

10.一种用于生成虚拟图像的成像设备，该成像设备具有图像发生器(11)和如前述权利要求之一所述的光导(1)，该图像发生器具有至少两个图像发生器部分(11₁，11₂)，这些图像发生器部分用于表示初始图像的至少两个初始图像场区域(12₁，12₂)。

11.如权利要求10所述的成像设备，其特征在于，这些图像发生器部分(11₁，11₂)相对于彼此偏移。

12.如权利要求10或权利要求11所述的成像设备，其特征在于，这些图像发生器部分(11₁，11₂)由相互分开的显示器形成。

13.一种具有如权利要求10至12之一所述的成像设备的HM。

14.如权利要求13所述的HM，被设计为智能眼镜(201)。

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