CN113272711A - 光导布置、成像光学单元、头戴式显示器及提高成像光学单元的成像品质的方法 - Google Patents

Abstract

为了提高具有用于传输具有光谱最大值和光谱带宽的至少一个颜色通道(I，II，III)的光导布置的成像光学单元的成像品质，该光导布置(3)在传输该至少一个颜色通道(I，II，III)期间减小该至少一个颜色通道(I，II，III)的光谱带宽。

Description

光导布置、成像光学单元、头戴式显示器及提高成像光学单元 的成像品质的方法

本发明涉及一种具有用于传输至少一个颜色通道、尤其传输至少一个第一颜色通道和一个第二颜色通道的光波导的光导布置，其中，这些颜色通道具有相应的光谱最大值和相应的光谱带宽。此外，本发明涉及一种用于形成在图像生成器上呈现的原始图像的虚拟图像的成像光学单元、以及一种具有这样的成像光学单元的头戴式显示器。

开篇提及的这种类型的光导布置可以用于头戴式显示器中并且尤其用于智能眼镜中。智能眼镜在本描述的意义内是特定形式的头戴式显示器，其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。当将电子图像与直接感知到的周围环境的图像组合时，基本上在这种组合可基于的以下原则之间进行区分：

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.通过在眼镜镜片内侧的反射，从侧面、从顶部或从底部直接耦合输入光，其中以支持方式使用衍射光栅、菲涅耳元件等。

3.通过眼镜镜片中的反射、尤其通过全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。

尽管第一个原则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，所以它具有非常低的社会接受度。此外，眼镜因此变得前部重。第二个原则仅在眼镜与头部之间的距离大大增加的情况下才能实现，这同样是不可接受的。因此，更有希望的途径是从第三原则开始，即，在眼镜镜片中作为光波导引导光。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镜或者呈部分透明的菲涅耳元件的形式。在衍射光栅的情况下，例如通过一级衍射最大值从眼镜镜片耦合输出电子图像的光束路径，而通过零级衍射最大值，观察光可以尽可能少被减弱地穿过输出耦合结构。例如，在以下文献中描述了通过眼镜镜片中的反射、尤其通过全内反射来将电子图像的光引导至输出耦合结构的智能眼镜的示例：DE 10 2013 207 257 A1、DE 10 2013 223 963 A1、DE 10 2013 223 964B3、DE 10 2015 117 557 A1、DE 10 2016 124 538 A1、US 2006/0126181 A1、US 2010/0220295 A1、以及US 2012/0002294 A1。

智能眼镜还旨在能够尤其呈现彩色电子图像。因此，具有光波导作为其一部分的成像光学单元通常针对几个特定波长(例如针对红色光谱范围内的波长、绿色光谱范围内的波长、和蓝色光谱范围内的波长)优化。即，用于耦合输入光波导中的输入耦合结构、用于从光波导中耦合输出的输出耦合结构、以及光波导内的成像光束路径的反射关于这些特定波长被优化。

然而，多色图像生成器(即，可以生成彩色图像的图像生成器)不是仅仅发射使成像光学单元针对其优化的这三个特定波长，而是发射三个波长范围，例如红色波长范围、绿色波长范围和蓝色波长范围，每个波长范围具有光谱宽度。接着，使成像光学单元针对其优化的这三个特定波长典型地被选择成对应于这些波长范围的光谱最大值或接近相应的光谱最大值。由于成像光学单元针对少数特定波长进行优化，多色图像生成器发射的波长范围的光谱带宽导致成像品质低劣。

因此，本发明的目的是提供一种甚至与多色图像生成器一起产生高成像品质的光导布置、成像光学单元、以及头戴式显示器。此外，本发明的目的是提供一种用于在传输具有光谱带宽的颜色通道时提高成像光学单元的成像品质的方法。

第一目的是通过权利要求1所述的光导布置、权利要求12所述的成像光学单元、以及权利要求15所述的头戴式显示器来实现的。第二目的是通过权利要求16所述的用于提高成像光学单元的成像品质的方法来实现的。从属权利要求包含本发明的有利配置。

根据本发明的光导布置包括光波导，该光波导用于传输具有光谱最大值和光谱带宽的至少一个颜色通道。然而，特别地，光波导可以被实施为用于传输至少一个第一颜色通道和一个第二颜色通道的光波导，其中，这些颜色通道具有相应的光谱最大值和相应的光谱带宽，并且其中，光谱最大值在光谱中的位置彼此不同。该光波导典型地被配置用于传输这种类型的三个颜色通道。根据本发明，光导布置包括用于减小该颜色通道的光谱带宽、或者在至少两个颜色通道的情况下减小这些颜色通道的光谱带宽的装置。在本描述的背景下，光波导应被认为涵盖了由透明材料构成的以下任何元件，该元件例如通过在该元件的外表面或材料内部界面处的全内反射而在其内部传输光。然而，反射还可以在部分或完全反射的层上实现、而不是通过全反射来实现。在本描述的背景下，颜色通道被认为尤其是用于生成多色图像的颜色空间的原色。原色在此可以例如是红色、绿色和蓝色。然而，其他原色也是可能的，例如青色、品红色和黄色。此外，原则上，颜色空间还可以包括多于或少于三种原色，并且因此可以存在多于或少于三个颜色通道。此外，在本描述的背景下，生成单色图像时的情形也旨在被颜色通道涵盖。接着，颜色通道决定单色图像的颜色。

本发明是基于以下见解：

多色图像生成器的有待通过光导布置来传输的每个颜色通道典型地由具有光谱最大值的特定波长范围形成，其波长定义了颜色通道的原色。在这种情况下，每个波长范围具有一定的光谱宽度，其中，针对每个颜色通道，光波导的材料色散使得波长范围内的光根据光的波长具有不同的反射角。由于光导布置仅针对每个波长范围内的一个波长(典型地针对定义了颜色通道的原色的波长，但是这不是强制性的)优化，因此该波长范围内的其余波长不以最佳反射角度反射。此外，在通过衍射光栅使成像光束路径耦合进入光波导中和/或成像光束路径从光波导耦合输出的情况下，颜色通道的用于输入耦合和/或输出耦合的衍射光栅在每种情况下针对对应波长范围内的特定波长优化，使得与该波长范围偏离的波长沿略微不同的方向耦合输出。这两种效应的结果是，对于颜色通道，在成像期间，并非相关波长范围内的所有波长都聚焦到同一点。原始图像的一个点再次聚焦到图像中某个点的程度的一种度量是点扩散函数(PSF)。由于每个颜色通道的上述波长相关的色散和衍射，所述点扩散函数的半高全宽增大。这导致基于原始图像生成的图像的分辨率降低，并且导致该图像的对比度损失。

该用于减小颜色通道的光谱带宽的装置抵消每个颜色通道的点扩散函数的加宽。根据本发明的具有光导布置的成像光学单元可以在这方面被配置成使得每个颜色通道被减小至在多色图像生成器的波长范围的相应光谱最大值附近的窄的光谱范围。借助于根据本发明的光导布置，针对每个颜色通道，减小颜色通道的光谱带宽防止传输被分派给所述颜色通道的波长范围的、最促使成像品质低劣的这些波长。

在成像光学单元的颜色通道针对多色图像生成器的波长范围的光谱最大值波长优化的情况下，波长范围内的波长对于图像品质低劣的作用越大，这些波长离光谱最大值就越远。因此，光谱带宽减小越多，即颜色通道的光谱范围变得越窄，成像光学单元的成像品质提高就越多。然而，成像光束路径中的强度还由于颜色通道的光谱带宽的减小而损失。因此，借助于用于减小光谱带宽的装置有利地将颜色通道的光谱带宽减小的程度通常是期望的图像强度与期望的成像品质之间的折中。如果期望非常高的成像品质，则大大地减小颜色通道的光谱带宽，但是也会发生显著的强度损失。然而，这样的强度损失可以通过增大显示器的发光强度来补偿。如果主要强调的是通过成像光学单元生成的图像的强度，则颜色通道的光谱带宽的减小将较小。因此，光谱带宽被减小的程度典型地取决于相应的应用。

虽然本发明已经可以有利地应用于在存在至少两个颜色通道时进行多色成像的情况，但是本发明典型地用于具有三个颜色通道的成像光学单元中，例如用于具有红色通道、绿色通道和蓝色通道的成像光学单元中。然而，根据本发明的光导布置还可以用于成像光学单元中以传输多于三个颜色通道。

虽然本发明尤其在多色成像的背景下是有利的，但是如果用于单色成像的图像发生器发射在针对单色成像选择的波长附近的大光谱带宽，则本发明还能够在单色成像的背景下提高成像品质。因此，本发明可以在单色成像的情况下使用宽带图像生成器。

该用于减小所述一个或多个颜色通道的光谱带宽的装置可以集成到所述光波导中。在这种情况下，该光导布置可以配置得特别紧凑。替代性地，还存在以下可能性：该用于减小该一个或多个颜色通道的光谱带宽的装置是布置在光波导的上游或下游的减小元件，例如呈光谱滤光器元件的形式。这尤其可以防止该用于减小光谱带宽的装置改变在透过光波导观看时对周围环境的颜色感知。然而，存在以下可能性：该用于减小该一个或多个颜色通道的光谱带宽的装置部分地集成到光波导中、以及部分地被实施为布置在光波导的上游或下游的减小元件，例如呈光谱滤光器元件的形式。举例而言，对于一个颜色通道，该用于减小光谱带宽的装置可以集成到光波导中，而对于其他颜色通道，该用于减小光谱带宽的装置被实施为布置在光波导的上游或下游的减小元件。最后，对于至少一个颜色通道或者对于每个颜色通道，还存在以下可能性：用于减小光谱带宽的、集成到光波导中的装置以及用于减小光谱带宽的、被配置呈布置在光波导的上游或下游的减小元件的形式的装置以一种方式彼此组合，使得通过集成到光波导中的元件与布置在光波导的上游或下游的减小元件的相互作用来实现对颜色通道的光谱带宽的减小。

该用于减小该一个或多个颜色通道的光谱带宽的装置可以包括一个或多个透射滤光器，无论呈集成到光波导中的一个或多个透射滤光器的形式和/或呈布置在光波导上游或下游的一个或多个透射滤光器的形式。该至少一个透射滤光器构成仅允许特定波长范围穿过的光谱滤光器。它尤其可以被实施为吸收滤光器或干涉滤光器。如果透射滤光器集成到光波导中，则尤其存在以下可能性：该至少一个透射滤光器通过带有透射滤光器特性的光波导入射表面和/或带有透射滤光器特性的光波导出射表面来实现。在这种情况下，光波导入射表面是成像光束路径进入光波导中所穿过的表面，而光波导出射表面是成像光束路径从光波导出来所穿过的表面。由于光波导入射表面典型地位于设有光波导的智能眼镜的使用者的视野之外或至少在视野的边缘处达到一定程度，而使得穿过光波导的环境光的颜色失真不会被感知为干扰性的，因此对光波导入射表面配备透射滤光器特性提供了优于对光波导出射表面配备透射滤光器特性的优点，即，当看向周围环境时颜色感知不会失真。

附加于或替代于该至少一个透射滤光器，该用于减小该一个或多个颜色通道的光谱带宽的装置可以包括至少一个光谱选择性反射元件。这样的元件可以例如被实施为二向色反射元件或吸收特定波长的反射元件。

该用于减小该一个或多个颜色通道的光谱带宽的装置可以被实现为该光波导的或布置在该光波导的上游或下游的该减小元件的至少一部分的至少一个涂层。以此方式，在光波导布置的光束路径中不需要额外的透射或反射元件。在这种情况下，可以使用吸收层和/或干涉层。

在根据本发明的光导布置中，用于减小该一个或多个颜色通道的光谱带宽的装置可以包括至少一个窄带滤光器，即，一个窄带光谱滤光器和/或至少一个窄带光谱选择性反射元件。特别地，针对每个颜色通道，可以存在窄带滤光器或窄带光谱选择性反射元件。窄带滤光器或相应地窄带光谱选择性反射元件于是各自透射定义了相应颜色通道的原色的波长、和与所述波长紧邻的波长范围、并且阻挡所有其他波长。所选择的波长范围的宽度一方面取决于期望的成像品质、另一方面取决于期望的透射光强度。选择的波长范围越窄，成像品质提高就越多，但是是以透射光的强度为代价。原则上，在此还存在以下可能性：使用单一的窄带滤光器或相应地单一的窄带光谱选择性反射元件，其针对每个颜色通道透射或相应地反射在定义了相应颜色通道的原色的波长附近的窄光谱范围。以此方式，减小多个颜色通道的带宽可以用单一透射滤光器或相应地单一光谱选择性反射元件来实现。

附加于或替代于至少一个窄带滤光器或至少一个窄带光谱选择性反射元件，该用于减小该一个或多个颜色通道的光谱带宽的装置可以至少包括：

-两个宽带滤光器，

-两个宽带光谱选择性反射元件，或

-一个宽带滤光器和一个宽带光谱选择性反射元件，

它们各自传输定义了颜色通道的原色的波长和与所述波长相邻的波长范围，其中，波长范围彼此不同。

在本描述的背景下，宽带滤光器应理解为是指透射颜色通道的仅在一侧有界的一部分光谱的透射滤光器(例如，透射颜色通道的光谱的仅短波光或仅长波光的透射滤光器)、或透射颜色通道的至少一半光谱的透射滤光器。相应地，在本描述的背景下，宽带光谱选择性反射元件应理解为是指反射仅在一侧有界的一部分光谱的反射元件(例如，反射颜色通道的仅短波光或仅长波光的元件)、或反射颜色通道的至少一半光谱的反射元件。然后，这两个宽带滤光器、或这两个宽带光谱选择性反射元件、或宽带滤光器和宽带光谱选择性反射元件共同引起该一个或多个颜色通道的光谱带宽的减小。在这种情况下，原则上，存在以下可能性：针对每个颜色通道存在至少两个宽带滤光器或至少两个宽带光谱选择性反射元件、或至少一个宽带滤光器和一个宽带光谱选择性反射元件。然而，还存在以下可能性：两个宽带滤光器或两个宽带光谱选择性反射元件、或一个宽带滤光器和一个宽带光谱选择性反射元件各自共同引起多于一个颜色通道的光谱带宽的减小。宽带滤光器或相应地宽带光谱选择性反射元件与窄带滤光器或相应的窄带选择性反射元件相比，通常生产起来更简单。

在根据本发明的光导布置中，光波导尤其可以是眼镜镜片。这样的眼镜镜片可以有利地用于智能眼镜中。

根据本发明的、用于形成在图像生成器上呈现的原始图像的虚拟图像的成像光学单元包括根据本发明的光导布置、以及用于形成原始图像的图像的至少一个成像光学元件。然而，成像光学单元还可以包括多个成像光学元件，其中，这些成像光学元件接着共同形成原始图像的图像。在这种情况下，该成像光学单元可以包括集成到光波导中的至少一个成像光学元件。另外或替代性地，该成像光学单元可以包括布置在光波导上游或下游的至少一个成像光学元件。在后一种情况下，包含在光导布置中的、用于减小光谱带宽的装置可以完全或部分地集成到布置在上游或下游的成像光学元件中。

用根据本发明的成像光学单元可以实现关于根据本发明的光导布置可实现的成像品质方面的优点。因此，参考关于根据本发明的光导布置的解释。

根据本发明的头戴式显示器、具体可以是智能眼镜，包括用于呈现原始图像的图像生成器、和根据本发明的用于形成在图像生成器上呈现的原始图像的虚拟图像的成像光学单元。由于使用了根据本发明的成像光学单元，根据本发明的头戴式显示器可以以高成像品质实现多色虚拟图像的形成。

本发明还提供了一种用于在传输具有光谱最大值和光谱带宽的至少一个颜色通道时提高成像光学单元的成像品质的方法，其中，通过该成像光学单元的光导布置来传输该至少一个颜色通道。根据本发明，在光导布置传输该至少一个颜色通道期间，减小该至少一个颜色通道的光谱带宽。特别地，在根据本发明的方法的背景下，传输至少一个第一颜色通道和一个第二颜色通道，这些颜色通道具有相应的不同的光谱最大值和相应的光谱带宽，其中，在该光导布置传输颜色通道期间减小这些颜色通道的光谱带宽。在光导布置进行传输期间，减小该一个或多个颜色通道的光谱带宽可以在成像光学单元生成原始图像的虚拟图像时提高成像光学单元的成像品质，如已经关于根据本发明的光导布置所描述的。因此，参考关于根据本发明的光导布置的解释。

为了补偿在光谱最大值的波长处存在的图像中的失真，其中所述失真在光学系统传输相应的颜色通道期间生成，成像所基于的原始图像可以分别以一定的失真呈现在显示器上，其失真对应于传输相应颜色通道所引起的失真的相反数。显示器上的这种失真的呈现还称为色度预校正。

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示出了智能眼镜的一个示例。

图2以示意图示出了智能眼镜的基本光学部件的一个示例。

图3示意性示出了多色显示器的颜色通道的光谱带宽。

图4示出了根据第一示例性实施例的光导布置的光波导的光波导入射表面的透射特性。

图5示出了根据第二示例性实施例的光导布置的光波导的光波导入射表面的透射特性。

图6示出了第二示例性实施例的光导布置的第一反射表面的反射特性。

图7示出了第二示例性实施例的光导布置的第二反射表面的反射特性。

图8示出了根据第三示例性实施例的光导布置的光波导的光波导入射表面的透射特性。

图9示出了第三示例性实施例的光导布置的第一反射表面的反射特性。

图10示出了第三示例性实施例的光导布置的第二反射表面的反射特性。

图11示出了具有根据第四示例性实施例的光导布置的智能眼镜。

下文将参考图1至图4描述了具有根据本发明的光导布置的智能眼镜的第一示例性实施例。在这种情况下，图1示出了智能眼镜，而图2示出了智能眼镜的光导布置3的基本光学元件。此外，图2展示了显示器1并且高度示意性地展示了智能眼镜的使用者的眼睛晶状体15和视网膜17。

图1示出了智能眼镜20的一个示例性实施例。智能眼镜包括眼镜框架21，其中安装了两个眼镜镜片22和23。显示器(图1中未示出)布置在眼镜镜腿中，所述显示器显示旨在通过智能眼镜20的成像光学单元成像到智能眼镜的使用者的视网膜上的原始图像。在本示例性实施例中，智能眼镜20的成像光学单元由眼镜镜片22和23形成，这两个眼镜镜片同时用作光波导。然而，成像光学单元还可以包括在眼镜镜片外部的光学元件。这样的元件尤其布置在眼镜镜腿24、25与眼镜镜片22、23之间。

智能眼镜的眼镜镜片22、23各自是智能眼镜20的光导布置的一部分、或者形成所述光导布置。图2展示了这样的光导布置3的基本光学元件。每个光导布置3分派有多色显示器1，在该多色显示器上可以显示多色原始图像。每个光导布置3包括光波导4，该光波导具有光波导入射表面5和光波导出射表面7。从显示在显示器1上的原始图像发出的光束9经由光波导入射表面5进入光波导4中并且在所述光波导中在多个反射表面11a至11f处多次反射并且通过这些反射被引导至透明或至少部分透明的输出耦合结构13。借助于输出耦合结构13(在本示例性实施例中，被实施为反射菲涅耳结构)，光束9最终穿过光波导出射表面7沿朝向眼睛晶状体15的方向耦合输出，最终将光束9聚焦到视网膜17上。在这种情况下，反射菲涅耳结构由多个倾斜的部分反射表面形成，这些部分反射表面形成轮廓类似于锯齿的结构。通过分段，形成输出耦合结构13的部分反射表面可以被配置为具有小的深度。然而，代替反射菲涅耳结构，未分段的反射镜或衍射光栅或全息光学元件(HOE)也可以用于输出耦合的目的。输入耦合同样可以通过衍射光栅或HOE来实现。输出耦合结构可以布置在光波导4的背向眼睛晶状体15的这侧，如图2所示。然而，原则上，该输出耦合结构还可以布置在光波导4的面向眼睛晶状体15的这侧，并且在这种情况下尤其还可以集成到光波导出射表面7中。在这种情况下，输出耦合结构具有折射效应而不是部分反射效应，并且通过沿朝向眼睛晶状体15的方向的折射来引导光束路径9。例如在US 2012/0002294 A1中描述了部分反射性输出耦合结构，并且例如在DE 10 2015 117 557 A1中描述了折射性输出耦合结构。在US2006/0126181 A1和US 2010/0220295 A1中描述了作为输出耦合结构的衍射光栅。因此，关于输出耦合结构13的可能构型，参考所引用的文献。衍射性输出耦合可以通过布置在光波导4的背向眼睛晶状体15的这侧处的输出耦合结构13、或者通过布置在光波导4的面向眼睛晶状体15的这侧处的输出耦合结构来实现。

在图1和图2中展示的示例性实施例中，每个光波导4由眼镜镜片22、23形成。反射表面11a和11c至11f位于相应眼镜镜片22、23的内表面(即面向眼睛晶状体15)、和外表面(即背向眼睛晶状体15)处。在这种情况下，反射表面11a至11f的几何形状和布置被选择成使得在反射表面11c、11d、11e和11f处，在相应的眼镜镜片22、23与周围介质(通常为空气)之间的界面处发生全反射。发生全反射的条件是本领域技术人员已知的，在此不再赘述。由于全反射发生在眼镜镜片内部，因此也称为全内反射。由于光通过全内反射在眼镜镜片内部被引导，并且输出耦合结构13被实施为至少部分透明，因此对周围环境的观察不会被妨碍或仅受到最低程度的妨碍。特别地，可以通过输出耦合结构13的适合构型来最小化对周围环境的观察的妨碍。然而，原则上，光波导4(即，眼镜镜片22、23)还可以被配置成使得反射不通过全反射来发生。在这种情况下，光波导4具有反射涂层，但是尽可能将涂层选择成使得它们具有角度选择效果、并且因此尽可能少地阻挡来自周围环境的穿过光波导4的光。

代替被实施为如本示例性实施例中的眼镜镜片22、23的形式，原则上，光波导4还可以被实施为呈遮阳板或类似物的形式。因此，当在本发明的背景下提及智能眼镜时，该术语还可以涵盖具有类似遮阳板的结构的头戴式显示器，即使未明确提及该结构。

如所提及的，在根据本发明的智能眼镜20中使用多色图像生成器1。多色图像生成器典型地发射三个波长范围，每个波长范围代表一个颜色通道。集中在蓝色光谱范围的波长范围、集中在绿色光谱范围的波长范围、以及集中在红色光谱范围的波长范围是惯用的。图3示出了典型的多色显示器的光谱发射特性。在后者中，每个图像点具有蓝色光源、绿色光源、和红色光源。在本示例性实施例中，蓝色光源发射的光的波长范围具有大致450nm的最大值，绿色光源发射的光具有大致540nm的最大值，而红色光源发射的光具有大致630nm的最大值。此外，每个光源还发射与最大值相邻的波长，并且因此每个光源具有光谱带宽。图3展示了蓝色光源的光谱I、绿色光源的光谱II、和红色光源的光谱III，为了获得更好的可比性，将最大值的强度归一化为一。光谱I至III代表显示器的三个颜色通道。

智能眼镜20的光导布置4被优化成传输各个颜色通道的与颜色通道的最大值相对应的那些波长。在本示例中，这意味着光导布置被优化成传输波长为450nm、波长为540nm、和波长为630nm的光。光导布置的各个元件处的反射、和/或在其他实施例中可能的折射、和/或在其他实施例中可能的衍射在此被配置为使得从原始图像的图像点(即，在色度预校正的情况下从显示器的不同图像点)发出的、具有的波长为450nm、540nm、和630nm的光线聚焦到视网膜上的同一点。

然而，由于在光波导中发生的色散，具有不同波长的光线在进入光波导3和从光波导3出来时被不同地折射。特别地，在穿过光波导入射表面5时发生的折射根据光的波长使折射后的光线在光波导3中的方向不同，并且因此使具有不同波长的光线以不同的角度撞击反射表面11a至11f，这使得由不同的颜色通道传输的彩色图像(在此为蓝色图像、绿色图像和红色图像)的失真不同。因此，对于所有颜色，从显示器的图像点发出的光线不会在视网膜上的同一点处组合。在优化光导布置4的背景下，可以例如通过将光波导中的颜色通道彼此分开、例如通过使颜色通道被引导穿过光波导3的不同区段并且仅在从光波导出来时再次组合，来抵抗各个波长、比如颜色通道的最大值的波长的这种影响。另外或替代性地，对于各个波长、比如颜色通道的最大值的波长，可以在显示器上呈现原始图像的背景下实现色度预校正。在色度预校正的情况下，彩色图像的相互对应的图像点不由显示器的相同图像点呈现。因此，可以考虑原始图像中彩色图像的失真，所述失真是在光学系统传输相应的颜色通道期间产生的。为此目的，在显示器上呈现具有通常不同失真的彩色原始图像(在此为450nm时的原始图像、540nm时的原始图像和630nm时的原始图像)，这些不同失真分别对应于由传输相应颜色通道所引起的失真的相反数，并且因此补偿了在颜色通道中出现的失真。因此，原始图像的彩色图像的、由显示器的不同图像点呈现的相互对应的图像点聚焦到视网膜上的同一点。

对于颜色通道的与其最大值波长偏离的那些波长，尽管优化了光导布置4和/或尽管进行了色度预校正，但是色散相关联的问题仍然存在，这导致每个颜色通道包含波长与其最大值波长偏离的光线，所述光线不与具有最大值波长的光线聚焦到视网膜上的相同点，由此所生成图像的分辨率减小并且清晰度减小。在光进入光波导3和/或从中离开的衍射输入和/或输出耦合的情况下，衍射角的波长依赖性另外还导致具有不同波长的光线的传播方向不同，这同样使所生成图像的分辨率和对比度损失。

为了抵消分辨率和对比度的损失，在本示例性实施例中，光波导入射表面5设有具有透射特性的涂层，如图4示意性展示。在本示例性实施例中通过干涉层实现的涂层形成具有三个窄界定的透射范围A、B、C的光谱滤光器。在本示例性实施例中，所述透射范围的光谱宽度在每种情况下限于20nm并且以相应成像通道的最大值波长为中心。因此，在本示例性实施例中，第一透射范围A从440延伸到460nm，第二透射范围B从530延伸到550nm，而第三透射范围C从620延伸到640nm。其余波长被光波导入射表面5的涂层阻挡。显然，光波导入射表面的涂层用作具有三个窄界定的光谱透射范围的窄带光谱滤光器。这种透射滤光器可以被实现为具有陡斜率和针对透射范围A、B、C为几乎100％的透射率。在其余范围内，这样的透射滤光器具有接近0的透射率。

借助于对光波导入射表面5施加的涂层减小各个颜色通道的光谱带宽掩盖了各个颜色通道的、最促使分辨率和对比度损失的波长，由此提高在视网膜上生成的图像的分辨率和对比度。

在本示例性实施例中，所描述的光谱滤光器通过光波导入射表面5的干涉层来实现，并且因此它是所谓的干涉滤光器。在干涉滤光器中，旨在被滤光器阻挡的那些波长通过相消干涉而减小。然而，光谱滤光器还可以实现为吸收滤光器。在这样的滤光器的情况下，减小不期望的波长不是通过相消干涉完成，而是通过滤光层中对具有对应波长的光的吸收完成。

下文参考图5至图7来解释根据本发明的智能眼镜的第二示例性实施例。第二示例性实施例的结构设计对应于已经参考图1和图2描述的第一示例性实施例的结构设计。因此，关于结构元件，参考图1和图2中所示的元件。

与第一示例性实施例相比，在第二示例性实施例中，光波导入射表面5设有具有宽透射范围的涂层(参见图5)。涂层的透射范围覆盖大部分可见光谱范围，即从440至640nm的范围。这个范围内的所有波长都几乎不受层所妨碍地被透射，而其余波长被层最大可能地阻挡。

在当前的第二示例性实施例中，还对反射表面11a施加涂层。所述涂层抑制在460至530nm之间的波长范围的反射(参见图6)。抑制该反射可以通过干涉层或通过吸收层来实现。因此，第一反射表面11a仅反射波长为<460nm和>530nm的光。

此外，在本示例性实施例中，还对反射表面11b施加涂层。所述涂层抑制在550至620nm之间的波长范围的反射(参见图7)。因此，第一反射表面11b仅反射波长为<550nm和>620nm的光。反射表面11b上的涂层还可以通过干涉层或吸收层来实现。

对光波导入射表面5施加的涂层、对反射表面11a施加的涂层、和对反射表面11b施加的涂层的相互作用阻挡光导布置对在440至460nm、在530至550nm、以及在620至640nm波长范围之外的波长的传输。因此，针对蓝色通道仅传输440至460nm的光谱范围，针对绿色通道仅传输530至550nm的光谱范围，而针对红色通道仅传输620至640nm的光谱范围。所产生的对颜色通道的光谱带宽的减小使得出现在视网膜上的图像的分辨率和对比度提高。

下文参考图8至图10来描述根据本发明的智能眼镜的第三示例性实施例。在这个示例性实施例中，与第二示例性实施例中相同的元件设有涂层。仅涂层与第二示例性实施例中的那些不同。

在此第三示例性实施例中，光波导入射表面5被施加了涂层，该涂层阻挡低于440nm的所有波长以及在460至530nm范围内的所有波长、并且透射所有其余波长(参见图8)。在反射表面11a上施加了涂层，该涂层抑制在460nm至530nm之间的波长范围和在550nm至620nm之间的波长范围的反射，但是相反，不抑制其余波长的反射(参见图9)，并且在反射表面11b上施加了涂层，该涂层抑制在550nm至620nm之间的波长范围的反射和高于640nm的所有波长的反射，但是相反，不抑制其余波长的反射(参见图10)。由于这三个涂层的相互作用，第三示例性实施例的光导布置为每个颜色通道各自仅提供宽度为20nm的窄透射范围，所述透射范围以相应颜色通道的原色为中心。因此，针对蓝色通道仅传输440至460nm的光谱范围，针对绿色通道仅传输530至550nm的光谱范围，而针对红色通道仅传输620至640nm的光谱范围。如在其他示例性实施例中，第三示例性实施例的涂层可以通过干涉层或吸收层来实现。

在示例性实施例1至3中，反射表面11a至11f、和/或光波导入射表面5、和/或输出耦合结构13的表面、和/或光波导出射表面7中的至少一个单独或共同具有成像特性。如果一个表面单独具有成像特性，则这应被理解为是指对应表面以一种方式配置使得它单独与眼睛晶状体17相互作用时在视网膜19上生成图像。如果多个表面共同具有成像特性，则这应被理解为是指视网膜上的图像是通过这些表面与眼睛晶状体17的相互作用来生成。

图11展示了根据本发明的智能眼镜的第四示例性实施例。第四示例性实施例的与第一示例性实施例的元件相对应的元件在图11中用与图2相同的附图标记标识、并且将不再赘述以避免重复。实际上，第四示例性实施例与第一示例性实施例之间的唯一区别在于，图4所示的透射行为不是通过光波导入射表面5的涂层实现，而是通过布置在图像生成器1与光波导入射表面5之间的光谱滤光器元件19实现，所述光谱滤光器元件用作用于减小颜色通道的光谱带宽的减小元件。所述光谱滤光器元件19(可以实施为干涉滤光器或吸收滤光器)具有如图4所示的透射特性。这种透射特性尤其还可以通过施加至光波导入射表面5的涂层来实现，在第一示例性实施例中该涂层被施加至单独的透明元件上，该透明元件接着被布置为在显示器1与光波导入射表面5之间的光谱滤光器元件19。

与前三个示例性实施例一样，同样在第四示例性实施例中，反射表面11a至11f、和/或光波导入射表面5、和/或输出耦合结构13的表面、和/或光波导出射表面7中的至少一个单独或共同具有成像特性。另外或替代性地，光谱滤光器元件19可以自身或与上述至少一个元件一起具有成像特性。

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，可以背离这些示例性实施例，而这是在不背离本发明传授内容的情况下进行。举例而言，本领域技术人员认识到，即使在每个示例性实施例中描述了三个颜色通道，但是本发明还可以以少于或多于三个颜色通道来实现。特别地，本发明还可以以仅一个颜色通道来实现。这开辟了例如使用具有宽发射光谱的图像生成器来生成具有高分辨率和高对比度的单色图像的可能性。此外，本领域技术人员还认识到，根据本发明的光导布置还可以用于不是实施为智能眼镜的头戴式显示器中，即该头戴式显示器不能直接感知周围环境。因此，本发明不旨在限于参考示例性实施例描述的构型，而是本发明旨在仅由权利要求限制。

附图标记清单

1 显示器

3 光导布置

4 光波导

5 光波导入射表面

7 光波导入射表面

9 光束

11a-f 反射表面

13 输出耦合结构

15 眼睛晶状体

17 视网膜

19 光谱滤光器元件

20 智能眼镜

21 眼镜框架

22 眼镜镜片

23 眼镜镜片

24 眼镜镜腿

25 眼镜镜腿。

Claims (19)

1.一种具有用于传输至少一个颜色通道(I，II，III)的光波导(4)的光导布置(3)，该至少一个颜色通道具有光谱最大值和光谱带宽，其特征在于，该光导布置(3)包括用于减小该颜色通道(I，II，III)的光谱带宽的装置。

2.如权利要求1所述的光导布置(3)，其特征在于，该光导布置具有用于传输至少一个第一颜色通道(I，II，III)和一个第二颜色通道(I，II，III)的光波导(4)，其中，这些颜色通道(I，II，III)具有相应的光谱最大值和相应的光谱带宽，这些颜色通道的光谱最大值在光谱中的位置彼此不同，并且该光导布置(3)具有用于减小这些颜色通道的光谱带宽的装置。

3.如权利要求1或权利要求2所述的光导布置(3)，其特征在于，该用于减小该一个或多个颜色通道(I，II，III)的光谱带宽的装置集成到该光波导(4)中。

4.如权利要求1至3中任一项所述的光导布置(3)，其特征在于，该用于减小该一个或多个颜色通道(I，II，III)的光谱带宽的装置是布置在该光波导的上游或下游的减小元件(19)。

5.如权利要求1至4中任一项所述的光导布置(3)，其特征在于，该用于减小该一个或多个颜色通道(I，II，III)的光谱带宽的装置包括至少一个透射滤光器。

6.如权利要求5所述的光导布置(3)，其特征在于，该至少一个透射滤光器由具有透射滤光器特性的光波导入射表面(5)来实现。

7.如权利要求1至6中任一项所述的光导布置(3)，其特征在于，该用于减小该一个或多个颜色通道(I，II，III)的光谱带宽的装置包括至少一个光谱选择性反射元件(11a，11b)。

8.如权利要求1至7中任一项所述的光导布置(3)，其特征在于，该用于减小该一个或多个颜色通道(I，II，III)的光谱带宽的装置被实施为该光波导(4)的或布置在该光波导(4)的上游或下游的该减小元件(19)的至少一部分的至少一个涂层。

9.如权利要求1至8中任一项所述的光导布置(3)，其特征在于，该用于减小该一个或多个颜色通道(I，II，III)的光谱带宽的装置包括至少一个窄带滤光器和/或一个窄带光谱选择性反射元件。

10.如权利要求1至9中任一项所述的光导布置(3)，其特征在于，该用于减小该一个或多个颜色通道(I，II，III)的光谱带宽的装置至少包括：

-两个宽带滤光器，

-两个宽带光谱选择性反射元件，或

-一个宽带滤光器和一个宽带光谱选择性反射元件，

它们共同引起该一个或多个颜色通道(I，II，III)的光谱带宽的减小。

11.如权利要求1至10中任一项所述的光导布置(3)，其特征在于，该光波导(4)是眼镜镜片(22，23)。

12.一种用于形成在图像生成器(1)上呈现的原始图像的虚拟图像的成像光学单元，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布置(3)、以及至少一个成像光学元件。

13.如权利要求12所述的成像光学单元，其特征在于，该成像光学单元包括集成到该光波导(4)中的至少一个成像光学元件。

14.如权利要求12或13所述的成像光学单元，其特征在于，该成像光学单元包括布置在该光波导(4)上游或下游的至少一个成像光学元件(19)，其中，该用于减小该一个或多个颜色通道(I，II，III)的光谱带宽的装置完全或部分地集成到该布置在上游或下游的成像光学元件(19)中。

15.一种头戴式显示器，该头戴式显示器具有用于呈现原始图像的图像生成器(1)、和如权利要求12至14中任一项所述的用于形成在该图像生成器(1)上呈现的原始图像的虚拟图像的成像光学单元。

16.如权利要求15所述的头戴式显示器，其特征为，其构型为智能眼镜。

17.一种用于在传输具有光谱最大值和光谱带宽的至少一个颜色通道(I，II，III)时提高成像光学单元的成像品质的方法，其中，通过该成像光学单元的光导布置(3)来传输该至少一个颜色通道(I，II，III)，其特征在于，在该光导布置(3)传输该至少一个颜色通道(I，II，III)期间减小该至少一个颜色通道的光谱带宽。

18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，传输至少一个第一颜色通道和一个第二颜色通道(I，II，III)，这些颜色通道具有相应的不同的光谱最大值和相应的光谱带宽，其中，在该光导布置(3)传输这些颜色通道(I，II，III)期间减小这些颜色通道(I，II，III)的光谱带宽。

19.如权利要求17或权利要求18所述的方法，其特征在于，在这些光谱最大值的波长处存在的这些图像中的失真被在这些光谱最大值的波长处原始图像的相反失真所补偿，所述失真是在传输相应的颜色通道期间产生的，所述原始图像呈现在显示器上并且作为成像的基础。

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