JP2016538580A - ユーザの頭部に装着可能な、画像を生成する表示装置用の眼鏡レンズ、及び該眼鏡レンズを備えた表示装置 - Google Patents

Abstract

ユーザの頭部に装着可能な、画像を生成する表示装置（１）用の眼鏡レンズが提供され、少なくともいずれかが湾曲した前面（５）及び背面（６）と、眼鏡レンズ（３、４）を上面から見た場合の、眼鏡レンズ（３、４）のエッジ領域（１５）のカップリングインセクション（１０）及び眼鏡レンズ（３、４）の中央領域（１６）のカップリングアウトセクション（１１）とを有し、眼鏡レンズ（３、４）は、生成された画像のピクセルの光束（Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３）を、カップリングインセクション（１０）を介して眼鏡レンズ（３、４）にカップリングインし、眼鏡レンズ（３、４）において光束（Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３）をカップリングアウトセクション（１１）まで案内し、光束（Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３）を、カップリングアウトセクション（１１）を介して眼鏡レンズ（３、４）からカップリングアウトするのに好適であり、カップリングイン中に、カップリングインセクション（１０）は、光束（Ｌ１）のうちの少なくとも１つを、第１の方向に互いからオフセットされて眼鏡レンズ（３、４）にカップリングインするよう、幾つかの第１のサブ光束（Ｌ１１、Ｌ１２、Ｌ１３、Ｌ１４）にそれぞれ分割し、第１のサブ光束（Ｌ１１〜Ｌ１４）が、眼鏡レンズ（３、４）において、第１の方向に対して横断して進む第２の方向に沿ってカップリングアウトセクション（１１）まで案内されるようにし、カップリングアウト中に、カップリングアウトセクション（１１）は、第１のサブ光束（Ｌ１１）のうちの少なくとも１つを、幾つかの第２のサブ光束（Ｌ１１１、Ｌ１１２、Ｌ１１３、Ｌ１１４）にそれぞれ分割し、第２の方向に互いからオフセットして眼鏡レンズからカップリングアウトする。

Description

本発明は、ユーザの頭部に装着可能な、画像を生成する表示装置用の眼鏡レンズ、及び該眼鏡レンズを備えた表示装置に関する。

そのような眼鏡レンズの場合、原則として、所望の装着快適性を確実にするために、眼鏡レンズが可能な限り薄いことが望ましい。しかし、眼鏡レンズを薄く形成することは、不都合には、アイボックス（すなわち、眼鏡レンズにおいて案内され、眼鏡レンズからカップリングアウトされる画像を仮想の画像として知覚することができる領域）が、概して非常に小さいことにつながる。

したがって、ここから始めると、本発明の目的は、ユーザの頭部に装着可能な、画像を生成する表示装置用の眼鏡レンズを提供することであり、眼鏡レンズは、湾曲した前面及び／又は湾曲した背面、ならびに、大きいアイボックスを備え、同時に、十分に大きい視野を提供することができる。

この目的は、ユーザの頭部に装着可能な、画像を生成する表示装置用の眼鏡レンズによる発明によって達成され、眼鏡レンズは、少なくともいずれかが湾曲した前面及び背面と、眼鏡レンズを上面から見た場合の、眼鏡レンズのエッジ領域のカップリングインセクション及び眼鏡レンズの中央領域のカップリングアウトセクションとを有し、眼鏡レンズは、仮想の画像として生成された画像を表示するために、生成された画像のピクセルの光束を、カップリングインセクションを介して眼鏡レンズにカップリングインし、眼鏡レンズにおいて光束をカップリングアウトセクションまで案内し、光束を、カップリングアウトセクションを介して眼鏡レンズからカップリングアウトするのに好適であり、カップリングイン中に、カップリングインセクションは、光束のうちの少なくとも１つを、第１の方向に互いからオフセットされて眼鏡レンズにカップリングインするよう、幾つかの第１のサブ光束にそれぞれ分割し、第１のサブ光束が、眼鏡レンズにおいて、第１の方向に対して横断して進む第２の方向に沿ってカップリングアウトセクションまで案内されるようにし、カップリングアウト中に、カップリングアウトセクションは、第１のサブ光束のうちの少なくとも１つを、幾つかの第２のサブ光束にそれぞれ分割し、第２の方向に互いからオフセットして眼鏡レンズからカップリングアウトする。

本発明による眼鏡レンズの場合、したがって、カップリングインセクションは、第１の方向への拡大を行う第１のビームエキスパンダーとして形成される。カップリングアウトセクションは、第２の方向への拡大を行う第２のビームエキスパンダーとして形成される。その結果、アイボックス（ユーザがカップリングアウトされた仮想の画像を知覚することができる領域）は、第１の方向及び第２の方向への記載される拡大が行われない眼鏡レンズに比して、第１の方向及び第２の方向の双方に拡大される。

第１の方向及び第２の方向は好ましくは互いに直交する。

本発明による眼鏡レンズの場合、カップリングインセクション及び／又はカップリングアウトセクションはイメージング特性を有することができる。

特に、カップリングインセクション及びカップリングアウトセクションはそれぞれ格子を含む。格子はそれぞれ、反射格子、特に反射体積格子又は反射ホログラムとして形成することができる。さらに、格子を眼鏡レンズの前面又は背面に形成することが可能である。

特に、カップリングインセクション及び／又はカップリングアウトセクションの格子は、イメージング格子として形成することができる。したがって、（例えば、眼鏡レンズにおける全反射による案内に起因して）特に、光束がカップリングアウト格子に非常に平坦な角度で当たるために生じるイメージング誤差を相殺することが可能である。これは特に非点収差及びコマ収差に関連する。

本発明による眼鏡レンズの場合、第１のサブ光束は、関連するピクセルの位置に応じて、カップリングアウトセクションの格子（いわゆる、下記カップリングアウト格子）に最大でｎ回当たることができ、ｎは３以上の整数であり、第１のサブ光束は、カップリングアウトセクションの格子において、関連するピクセルの位置に応じて、１回〜ｍ回連続的に当たることでカップリングアウトされ、ｍは１以上の整数であり、ｎよりも小さく、カップリングアウトは遅くとも（ｎ−ｍ＋１）回目に当たるときにおいて開始する。

関連するピクセルの位置に応じた、光束又は対応する第２のサブ光束のこのカップリングアウトによって、カップリングアウト格子を、所望のアイボックスを所定の視野で同時に実現することができるように、当たる第１のサブ光束に適合することができる。第１のサブ光束はそれぞれ、それらが連続的に当たることによって異なる位置においてカップリングアウト格子に当たるため、これに必要なカップリングアウト格子の対応する適合が容易に可能である。

さらに、本発明による眼鏡レンズの場合、カップリングアウトセクションの格子は、第１のサブ光束のその回折効率が１回目からｍ回目のカップリングアウトまで高まるように設計することができる。

本発明による眼鏡レンズの場合、カップリングインセクションの格子及びカップリングアウトセクションの格子はそれぞれ、異なる中心周波数に設計されている幾つかの個々の格子を重ね合わせたものとすることができ、２つの格子の個々の格子の中心周波数はそれぞれ、対で一致する。

さらに、本発明による眼鏡レンズの場合、カップリングインセクションは第１のカップリングイン格子及び第２のカップリングイン格子を含むことができ、少なくとも１つの光束は、第１のカップリングイン格子によって第２のカップリングイン格子へ偏向され、第２のカップリングイン格子は、幾つかの第１のサブ光束への分割を行う。第１のカップリングイン格子及び第２のカップリングイン格子はそれぞれ、反射格子として、特に反射体積格子又は反射ホログラムとして形成することができる。第１のサブ光束を眼鏡レンズにカップリングインするとともに第２のサブ光束をカップリングアウトするために、カップリングインセクション及びカップリングアウトセクションの２つの格子と同じように２つのカップリングイン格子をさらに開発することができる。

特に、第１のカップリングイン格子及び第２のカップリングイン格子は、波長に依存する回折効果が相殺されるように形成することができる。このために、例えば、第１のカップリングイン格子の一次の回折を、第２のカップリングイン格子への偏向に用いることができる。次に、幾つかの第１のサブ光束への分割が、好ましくは同様に一次の回折によって第２のカップリングイン格子において生じる。第２のカップリングイン格子に再び当たる光束の部分は、前回当たっている間のゼロ次の回折によって第２のカップリングイン格子において反射される。

当然ながら、カップリングインセクション及び／又はカップリングアウトセクションの格子は、透過格子として形成することもできる。

少なくとも１つの光束が異なる位置において第２のカップリングイン格子に複数回当たるように用いることができる反射表面（例えば、反射層、反射層システム、又は、内部全反射が生じる境界面）は、第２のカップリングイン格子に対向するものとすることができる。

さらに、本発明による眼鏡レンズの場合、カップリングインセクション及び／又はカップリングアウトセクションは、反射及び透過によって（回折効果によってではない）第１のサブ光束及び／又は第２のサブ光束への分割を行うために、幾つかの部分反射性のファセットを含むことができる。

各場合に、（例えば、内部全反射の表面のような）反射層又は反射表面は、部分反射性のファセットの後ろに配置することができ、その結果、ファセットを通して透過される部分がこの反射層又は反射表面において反射され、後ろから部分反射性のファセットを通して進み、第２の反射層又は第２の反射表面によって、最初に当たった位置に対してオフセットされた位置において部分反射性のファセットに再び反射される。

部分反射性のファセットの反射性は、対応するサブ光束への最初の分割から最後の分割まで高まることができる。

カップリングアウトセクションは眼鏡レンズの一部とすることができる。しかし、カップリングアウトセクションを別個に製造し、エッジ領域において眼鏡レンズに接続することが可能である。

本発明による眼鏡レンズは、ガラス及び／又はプラスチックから製造することができる。

眼鏡レンズの前面のみ又は背面のみが湾曲して形成される場合、２つの面のうちの他方は平坦である。好ましくは、前面及び背面の双方が湾曲して形成される。

特に、カップリングインセクション及び／又はカップリングアウトセクションの格子又はファセットは、眼鏡レンズの前面に形成することができる。前面は、意図される使用の間にユーザの目から離れるように向く面である。

ファセットは、特に、表面の一部分、表面要素又は表面を意味する。表面の一部分、表面要素又は表面は、説明するファセットの光学的効果を提供することができる。

特に、眼鏡レンズは、第１のサブ光束の幾つかのカップリングアウト、したがって第１のサブ光束の幾つかの第２のサブ光束がアイボックスにおいて部分的に重なるように形成することができる。

特に、眼鏡レンズ及びカップリングアウトセクションは、周囲と重ねられた生成された画像をユーザが知覚できるように形成することができる。

本発明による眼鏡レンズは、２次元ビームエキスパンダーと称することもできる。

カップリングインセクションは、少なくとも１つの光束が、まずコリメートされてから第１のサブ光束に分割されるように、例えばコリメーション効果を有することができる。

さらに、ユーザの頭部に装着可能なホルダーと、画像を生成する、ホルダーに固定される画像生成モジュールと、ホルダーに固定されるイメージング光学システムであって、上記発明の眼鏡レンズを備え、ホルダーが頭部に装着されたとき、ユーザが生成された画像を仮想画像として知覚することができるように生成された画像を映すイメージング光学システムとを有する表示装置が提供される。ホルダーは、一対の眼鏡の形態とすることができる。

イメージング光学システムは、眼鏡レンズを唯一の光学要素として備えることができる。ただし、イメージング光学システムは、眼鏡レンズに加えて、少なくとも１つのさらなる光学要素を備えることも可能である。

したがって、このさらなる光学要素は、例えば、眼鏡レンズと画像生成モジュールとの間に配置されるコリメート光学システムであってもよく、その結果、画像生成モジュールからの光束は、コリメートされた束として眼鏡レンズ中にカップリングされる。

画像生成モジュールは特に、例えば、ＬＣＤモジュール、ＬＣｏＳモジュール、ＯＬＥＤモジュール又は傾斜ミラーマトリックスのような２次元イメージングシステムを備えることができる。イメージングシステムは自己発光性又は非自己発光性とすることができる。

画像生成モジュールは、それが単色画像又は多色画像を生成するように特に形成することができる。

加えて、目盛り付きフィルターを眼鏡レンズと画像生成モジュールとの間に配置することができる。加えて又は代替的に、画像生成モジュールは、放射光強度の位置依存変化を含むことができる。それによって、さらに、可能な限り均質な強度を、ユーザによって知覚することができる画像において達成することができる。

本発明による表示装置は、その動作のために必要である当業者に知られているさらなる要素を備えることができる。

上記で挙げた特徴及び以下でさらに説明する特徴は、述べられる組合せにおいてだけでなく、本発明の範囲から逸脱することなく他の組合せにおいても又は単独でも使用され得ることを理解されたい。

本発明にとって本質的な特徴をも開示する添付の図面を参照しながら、本発明について、以下で例としてより一層詳細に説明し、以下に図示する。

本発明による表示装置のある実施形態の概略斜視図である。 図１に記載の表示装置の第１の眼鏡レンズの断面図である。 本発明による眼鏡レンズの概略斜視図である。 カップリングインセクション１０の図である。 眼鏡レンズの断面図である。 第１の光束Ｌ１のカップリングアウトの、図２に従った詳細図である。 第１の光束Ｌ１のカップリングアウトの、図２に従った詳細図である。 第１の光束Ｌ１のカップリングアウトの、図２に従った詳細図である。 第１の光束Ｌ１のカップリングアウトの、図２に従った詳細図である。 第１の光束Ｌ１のカップリングアウトの、図２に従った詳細図である。 目の瞳孔の平面における、図６ａ〜図６ｅによるカップリングアウトされた部分光束の上面図である。 第２の光束Ｌ２のカップリングアウトの、図２に従った詳細図である。 第２の光束Ｌ２のカップリングアウトの、図２に従った詳細図である。 第２の光束Ｌ２のカップリングアウトの、図２に従った詳細図である。 第２の光束Ｌ２のカップリングアウトの、図２に従った詳細図である。 第２の光束Ｌ２のカップリングアウトの、図２に従った詳細図である。 目の瞳孔の平面における、図８ａ〜図８ｅによるカップリングアウトされた部分光束の上面図である。 第３の光束Ｌ３のカップリングアウトの、図６ａ〜図６ｅに従った詳細図である。 第３の光束Ｌ３のカップリングアウトの、図６ａ〜図６ｅに従った詳細図である。 第３の光束Ｌ３のカップリングアウトの、図６ａ〜図６ｅに従った詳細図である。 第３の光束Ｌ３のカップリングアウトの、図６ａ〜図６ｅに従った詳細図である。 第３の光束Ｌ３のカップリングアウトの、図６ａ〜図６ｅに従った詳細図である。 目の瞳孔の平面における、図１０ａ〜図１０ｅによるカップリングアウトされた部分光束の上面図である。 カップリングアウトされた第２のサブ光束のさらなる上面図である。 さらなる実施形態によるカップリングインセクション１０の図である。 さらなる実施形態を説明するための眼鏡レンズ３の断面図である。

図１に示された実施形態において、本発明による表示装置１は、ユーザの頭部に装着可能な、例えば従来の眼鏡フレームの様式で形成され得るホルダー２と、ホルダー２に固定される第１の眼鏡レンズ及び第２の眼鏡レンズの形態の第１の導光要素３及び第２の導光要素４とを備えている。

２つの眼鏡レンズ３、４はそれぞれ、湾曲した前面５、５’及び湾曲した背面６、６’を備えている。

図２において、概略上面図では、第１の眼鏡レンズ３は、本発明による表示装置１のさらなるパーツとともに示されている。眼鏡レンズは１．５ｍｍの厚さを有し、前面５及び背面６の曲率半径はそれぞれ１００ｍｍである。ＰＭＭＡ（Ｚｅｏｍｅｘ）が、眼鏡レンズ３の材料として用いられる。表示装置１は、制御ユニット７と、画像生成モジュール８（例えば、ＯＬＥＤモジュールの形態の２次元光変調器を含む）と、画像生成モジュール８と第１の眼鏡レンズ３との間に配置される付加的な光学システム９とをさらに備えている。付加的な光学システム９は任意選択的に設けられる。

第１の眼鏡レンズ３のエッジ領域１５には、回折カップリングインセクション１０が形成され、回折カップリングインセクション１０から離間して、眼鏡レンズ３の中央領域１６に回折カップリングアウトセクション１１が形成されている。さらに、本発明による表示装置１を装着するユーザの目の瞳孔１２及び網膜１３が図２に概略的に描かれている。加えて、画像生成モジュール８から網膜１３への３つの光束Ｌ１、Ｌ２及びＬ３のビーム経路が概略的に描かれている。

イメージングシステム８によって放射される光束Ｌ１〜Ｌ３（各光束Ｌ１〜Ｌ３は、画像生成モジュール８の２次元光変調器の幾つかのピクセルのうちの１つから出現する）は、付加的な光学システム９によって、第１の眼鏡レンズ３の背面６に方向付けられ、背面６を介して眼鏡レンズ３に入り、カップリングインセクション１０に当たる。カップリングインセクション１０において、光束Ｌ１〜Ｌ３は、図３に概略的に表されているように、ｘ方向（第１の方向）に互いにオフセットされるか又は離間される４つの第１のサブ光束Ｌ１_１、Ｌ１_２、Ｌ１_３及びＬ１_４にそれぞれ分割される。簡単に例示するために、図３では、光束Ｌ１及び４つの第１のサブ光束Ｌ１_１〜Ｌ１_４のみが表されており、図３ならびに図４及び図５の表現では、前面５及び背面６は、湾曲しているのではなく平坦に示されている。さらに、以下の記載では、本質的に光束Ｌ１にのみ言及する。当然ながら、その記載は、画像生成モジュール８の他の光束Ｌ２、Ｌ３にも関連する。

第１のサブ光束Ｌ１_１〜Ｌ１_４は、カップリングインセクション１０によって第２の方向（ｙ方向）にさらに偏向され、内部全反射が生じる角度で背面６に当たるように眼鏡レンズ３にカップリングされる。したがって、第１のサブ光束Ｌ１_１〜Ｌ１_４は、背面６及び前面５における内部全反射によってカップリングアウトセクション１１に案内され、これが、背面６を介した第１のサブ光束Ｌ１_１〜Ｌ１_４のカップリングアウトを引き起こし、それによって、ユーザは、イメージングシステム８によって生成される画像を仮想の画像として知覚することができる。カップリングアウトは、以下で詳細に記載するように、第１のサブ光束Ｌ１_１〜Ｌ１_４が幾つかの第２のサブ光束Ｌ１_１１〜Ｌ１_１４にそれぞれ分割され、互いからｙ方向に離間してカップリングアウトされるように生じる。したがって、付加的な光学システム９は、第１の眼鏡レンズ３と、カップリングインセクション１０及びカップリングアウトセクション１１とともに、画像生成モジュール８によって生成される画像をユーザへの仮想の画像として映すイメージング光学システム１４を形成する。

サブ光束Ｌ１_１〜Ｌ１_４の案内経路は、ｙ方向において互いにほぼ重なるため、イメージング光学システム１４の射出瞳はｘ方向に拡大される。第２のサブ光束Ｌ１_１１〜Ｌ１_１４への分割及び第２のサブ光束Ｌ１_１１〜Ｌ１_１４のカップリングアウトは、イメージング光学システム１４の射出瞳のｙ方向への拡大につながる。ユーザが仮想の画像を知覚することができるために、ユーザの目の瞳孔１２は、イメージング光学システム１４の射出瞳内になくてはならない。射出瞳は本発明に従ってｘ方向及びｙ方向に拡大されるため、本発明による表示装置１は、例えば、異なる目の距離（これは、それぞれの瞳孔１２のｙ方向における異なる位置につながる）を有する様々なユーザによって使用されることができる。

まず第１に、図３〜図５に関して、ｘ方向に離間する第１のサブ光束Ｌ１_１〜Ｌ１_４を生成し、したがってｘ方向への射出瞳の拡大を可能にするカップリングインセクション１０の形成をより詳細に記載する。このために、カップリングインセクション１０は、第１のプレート形セクション２０と、第１のプレート形セクション２０から離間した第２のプレート形セクション２１とを備え、２つのプレート形セクション２０及び２１の間には、空隙２２がある。

第１のプレート形セクション２０は、空隙２２に面しない第１の面２３と、第２のプレート形セクション２１に面する第２の面２４とを備えている。第２のプレート形セクション２１は、第１のプレート形セクション２０に面する第１の面２５と、第１のプレート形セクション２０に面しない第２の面２６とを備えている。

光束Ｌ１〜Ｌ３は、第１のプレート形セクション２０に、その第１の面２３を介して入り、第２の面２４まで進む。この領域には、光束Ｌ１〜Ｌ３（以下では、分かりやすくするために光束Ｌ１にのみ言及する）を垂直にすなわちｘ方向に回折させる（一次の回折）第１の反射格子２７が形成されている。垂直に回折された光束は第１の面２３まで進み、第１の面２３は、この領域において、第２の反射格子２８を備え、第２の反射格子２８は、一部（第１のサブ光束Ｌ１₁）が第２の面２４の方向に回折するとともに、第１のプレート形セクション２０を出て、空隙２２を通って進み、第２のプレート形セクション２１に、その第１の面２５を介して入り、第２の面２６に形成される第３の反射格子２９に当たるような角度（この場合は９０°）で第２の面２４に当たるように形成されている。第３の格子２９は、第１のサブ光束Ｌ１₁が、背面６及び前面５における内部全反射によってカップリングアウトセクション１１に案内されるように、第１のサブ光束Ｌ１₁を水平方向（ｙ方向）に反射させる。図３及び図５の表現では、カップリングインセクション１０とカップリングアウトセクション１１との間の距離は大幅に短縮されて表されている。

第２の反射格子２８に最初に当たる間に回折されない光束Ｌ１の部分、したがってゼロ次の回折の部分Ｌ１’は、第１のプレート形セクション２０の第２の面２４に向かって反射され、さらに、これによって第２の面２４に向かって反射され、第２の面２４において、この部分Ｌ１’は第２の反射格子２８に再び当たる。回折される部分Ｌ１_２は、第２の面２４と、空隙２２と、第１の面２５とを通って進み、第２の面２６において第３の反射格子２９に当たる。第１のサブ光束Ｌ１_２の入射領域は、図３及び図４から分かるように、第１のサブ光束Ｌ１₁の入射領域に相対してｘ方向にオフセットされている。第１のサブ光束Ｌ１_２はさらに、第３の反射格子２９によって水平方向に偏向され、したがって、背面６及び前面５における内部全反射の結果としてカップリングアウトセクション１１に案内される。図３及び図４に示されるように、４つの第１のサブ光束Ｌ１_１〜Ｌ１_４が表されており、４つの第１のサブ光束Ｌ１_１〜Ｌ１_４の案内経路はｘ方向に互いに重なっている。

これらの第１のサブ光束Ｌ１_１〜Ｌ１_４のそれぞれは次に、例として専ら第１のサブ光束Ｌ１_１の案内経路の最も低いものに関して図５に示されているように、カップリングアウトセクション１１によってｙ方向に互いに対してオフセットして１回又は複数回カップリングアウトされる。第１のサブ光束Ｌ１_１は、ｙ方向に互いから離間してカップリングアウトされる４つの第２のサブ光束Ｌ１_１１、Ｌ１_１２、Ｌ１_１３、Ｌ１_１４に分割される。

以下では、記載を簡単にするために、多くの場合に光束Ｌ１〜Ｌ３のみを記載する（実際には、対応する第１のサブ光束及び第２のサブ光束を意図する）。

この場合、カップリングアウトセクション１１は、第４の反射格子３０を含むように形成され、第４の反射格子３０は、第４の反射格子３０の一次の回折を介して第２のサブ光束Ｌ１_１１〜Ｌ１_１４のカップリングアウトを実現する。カップリングアウトされない部分は、第４の反射格子３０によって、ゼロ次の回折として第１の眼鏡レンズ３の背面６に反射され、それによって、対応する光束Ｌ１〜Ｌ３及び／又は対応する光束Ｌ１〜Ｌ３の一部が、背面６における内部全反射の後で、最初に当たる領域からｙ方向に離間した領域において第４の反射格子３０に再び当たる。さらに、これらの光束Ｌ１〜Ｌ３の１つの部分のみ又は光束部分がカップリングアウトされる（一次の回折、第２のサブ光束Ｌ１_１２）。残りの部分はさらに、背面６に向かって反射され（ゼロ次の回折）、それによって、背面６における内部全反射の後で、光束Ｌ１〜Ｌ３の光ビーム又は光束部分はさらに第４の反射格子３０に当たる。ここで、第４の反射格子３０は、最大でも５回のカップリングアウトを行うように設計されている（図３〜図５に関するこれまでの記載では、分かりやすくするために４回のカップリングアウトのみが示されていた）。したがって、各カップリングアウトによって、それぞれの第１のサブ光束Ｌ１_１〜Ｌ１_４の第２のサブ光束Ｌ１_１１〜Ｌ１_１４が生成され、第２のサブ光束はｙ方向に互いに対してオフセットされる。ここで、第４の反射格子３０は、第１のサブ光束Ｌ１_１〜Ｌ１_４の隣り合う第２のサブ光束がそれぞれ、射出瞳の平面において部分的に重なるように設計されている。したがって、ｙ方向におけるイメージング光学システム１４の射出瞳、又は、ｙ方向におけるイメージング光学システム１４のアイボックス（ユーザの目が動くことができ、ユーザがカップリングアウトされた画像を常に知覚することができる領域）は、目の瞳孔よりも大きく、同時に、ｙ方向に大きい視野が存在する。

本明細書において記載される実施形態では、ユーザに提供される視野は、７ｍｍのアイボックスの直径を有する１２°×４°のサイズを有し、目の瞳孔に関しては３ｍｍの直径が想定される。

図６ａ〜図６ｅでは、提供される視野の＋６°の上側視野角に関する個々のカップリングアウトが概略的に表されている。上側視野角は、イメージングシステム８（又は画像生成モジュールの二次元光変調器）では、イメージングシステム８の中心に対して２ｍｍのｙ値に相当する。図６ａでは、第１のカップリングアウトが、第４の反射格子３０において第１のサブ光束Ｌ１_１が最初に当たる間に生じ、したがって、第１のサブ光束Ｌ１_１の第２のサブ光束Ｌ１_１１が示されている。次に、図６ｂ〜図６ｅにおいて、第２〜第５のカップリングアウトが、２回目〜５回目に当たる間に生じ、したがって、第２のサブ光束又は第２の部分光束Ｌ１_１２、Ｌ１_１３、Ｌ１_１４、Ｌ１_１５が示されている。

図６ａ〜図６ｅにおける表現から分かるように、ユーザが知覚することができる光の主な部分は、第１のカップリングアウト（第２のサブ光束Ｌ１_１１）に由来する。小さい部分が第２のカップリングアウト（第２のサブ光束Ｌ１_１２）に由来する。ユーザは、第３〜第５のカップリングアウトの光をもはや知覚しない。したがって、第４の反射格子（又はカップリングアウト格子）３０は、第１のサブ光束Ｌ１_１が第１のカップリングアウト及び第２のカップリングアウトを介して可能な限り完全にカップリングアウトされるように設計されている。第３〜第５のカップリングアウトは目の瞳孔１２には当たらないため、カップリングアウト格子３０はこのためには設計されていない。例えば、対応する第２のサブ光束Ｌ１_１３〜Ｌ１_１５は、必要な格子パラメーターを求めるための通常の最適化計算において考慮されない。

図７には、第１のサブ光束Ｌ１_１の５回のカップリングアウトの第２のサブ光束Ｌ１_１１〜Ｌ１_１５が、目の瞳孔１２の平面に表されており、実際には生成されていないとともに本発明を説明するためだけに記載されている第２のサブ光束Ｌ１_１３〜Ｌ１_１５は、破線で描かれている。

図８ａ〜図８ｅには、図６ａ〜図６ｅと同じように、イメージングシステムにおける０ｍｍのｙ値に相当し、したがって、イメージングシステム８の中心に相当する、入射角が目の瞳孔１２において垂直である中心視野角に関する、第１の光束Ｌ２_１の５回のカップリングアウトが表されている。図９には、図７と同じように、５つの第２のサブ光束Ｌ２_１１、Ｌ２_１２、Ｌ２_１３、Ｌ２_１４、Ｌ２_１５に対する目の瞳孔１２の位置が表されている。図８ａ〜図８ｅ及び図９による例示から、第１のサブ光束Ｌ２_１の第３のカップリングアウトＬ２_１３がほとんどの光を観察者に送達することが分かる。第２のカップリングアウトＬ２_１２及び第４のカップリングアウトＬ２_１４は、小さい部分にしか寄与しない。したがって、第１のサブ光束Ｌ２_１のカップリングアウトが、第４のカップリングアウト格子３０において２回目〜４回目に当たる間に生じるように、カップリングアウト格子３０は設計されている。

図１０ａ〜図１０ｅでは、図６ａ〜図６ｅと同じように、画像生成モジュール８の２次元光変調器における中心からの−２ｍｍのｙ値に相当する、目の瞳孔１２における−６°の下側視野角に関するカップリングアウト（第１のサブ光束Ｌ３_１）が示されている。図１１には、さらに、図７に従った上面図に、カップリングアウトされた部分光束Ｌ３_１１、Ｌ３_１２、Ｌ３_１３、Ｌ３_１４、Ｌ３_１５に対する目の瞳孔１２の位置が示されている。図１０ａ〜図１０ｅ及び図１１から、光の主な部分が第５のカップリングアウトＬ３_１５に由来することが分かる。第４のカップリングアウトＬ３_１４もわずかな程度だけ寄与する。したがって、カップリングアウト格子３０は、第１のサブ光束Ｌ３_１のカップリングアウトが４回目及び５回目に当たる間に生じるように設計されている。

図１２には、光束Ｌ１の第２のサブ光束Ｌ１_１１〜Ｌ１_１５、Ｌ１_２１〜Ｌ１_２５、Ｌ１_３１〜Ｌ１_３５及びＬ１_４１〜Ｌ１_４５の全てが、目の瞳孔の平面又はイメージング光学システム１４の射出瞳において概略的に示されている。これは、ｘ方向及びｙ方向に達成される射出瞳のサイズ又は拡大を示している。

カップリングアウト格子３０は好ましくは、各カップリングアウトに最適な格子構造を有し、格子構造は好ましくは、幾つかの隣り合うカップリングアウトによって供給される視野角に関して一致が達成されるように設計されている。これは、目の解像度の範囲（＜１ｍｉｎ）において、網膜１３上の同じ位置に当たることを意味している。１つの視野角に関して、これらの隣り合うカップリングアウト（隣り合う第２のサブ光束）に関して同じ主なビーム角が存在するとも言える。これは、例えば、第３の反射格子２９及び第４の反射格子３０の双方が、イメージング用に設計されるとともに、一方で変調伝達関数の要求が満たされ、他方で記載した一致が達成されるように、第１の眼鏡レンズ３の特定の形状と併せて同時に最適化されるという点で達成することができる。概して、視野角又は視野点は、ｙ方向において隣り合う最大でも３つのカップリングアウトによって供給され、その結果、したがって、最大でも３つの隣り合うカップリングアウトに関して一致が達成され、これは実際に容易に達成することができる。

第３の反射格子２９及び第４の反射格子３０がイメージング用に設計される場合、例えば非点収差及びコマ収差のような、第４の反射格子３０における第１のサブ光束Ｌ１_１〜Ｌ３_１の斜めの入射によって生じるイメージング誤差を相殺することができる。第４の反射格子３０における斜めの入射は、第１のサブ光束Ｌ１_１〜Ｌ３_１が第１の眼鏡レンズ３の前面５及び背面６における内部全反射によって第４の反射格子３０に案内されるため、必然的に存在する。

付加的な光学システム９は、光束Ｌ１〜Ｌ３が眼鏡レンズ３又はカップリングインセクション１０に、コリメートされた光束として当たるように設計されている。しかし、付加的な光学システム９は省くこともできる。この場合、カップリングインセクション１０は例えば、このコリメート機能を引き継ぐことができる。

イメージング光学システム１４の入射瞳は好ましくは、第３の反射格子２９における、画像生成モジュール８の２次元光変調器の全てのピクセルの光束又は光ビーム束Ｌ１〜Ｌ３の光点の可能な限り小さい拡大を達成するために、第３の反射格子２９に又は第３の反射格子２９付近に配置される。

さらに、第３の反射格子２９及び第４の反射格子３０は好ましくは、スペクトル依存性を最小限に抑えるために、およそ同じ中心周波数を有する。加えて、第３の反射格子２９及び第４の反射格子３０は、およそ同じサイズのベース分散を有することができ、それによって、一方では、光が眼鏡レンズ３から目の方向に再び回折されることが達成される。他方で、色に依存する回折角が互いに概ね相殺することが達成される。全ての色はそれによって、それぞれ、眼鏡レンズ３を出た後で、同じ方向に可能な限り伝播し、その結果、それらの色が顕著に広がることを防止できる。一致を達成するために、それぞれの第２のサブ光束の個々の隣り合うカップリングアウトの、必要な目的画像位置への積み重ねを、評価パラメーターとして、通常の最適化のメリット関数に挿入することができ、すなわち、各目的画像位置について、光が目的画像位置に到達することができる、様々な可能なカップリングアウトの分岐が、画像品質（変調伝達関数、スポットサイズなど）及び重ね合わせの精度に関して最適化される。この場合、自由度は、第３の反射格子２９及び第４の反射格子３０を生成するためにホログラムの照明において用いられるレーザー源の位置である。比較的小さい眼鏡レンズの厚さのために、湾曲した眼鏡レンズ３、４における全反射によって生じる波の干渉状態の差異は、隣り合うカップリングアウトに関して比較的小さく、したがって非常に良好に最適化することができる。

第３の反射格子２９及び第４の反射格子３０の特徴ならびに設計は、第１の反射格子２７及び第２の反射格子２８の場合と同じように実現することができる。これらの２つの反射格子２７及び２８も、例えば、色に依存する回折角が概ね相殺されるように設計することができる。２つの反射格子２７及び２８も一緒に最適化することができる。

さらに、付加的な補正光学システム（例えば、レンズ、鏡、コンピューター生成ホログラムなど）を、性能のさらなる改良を達成するために、ホログラムの照明構造に加えることもできる。

強度に関して可能な限り均質な視野プロファイルを達成するために、第４の反射格子３０及び／又は第２の反射格子２８の回折効率を、例えば、カップリングアウトが増大するにつれて高めることができる。これは、それぞれの反射格子３０、２８のプロファイル深さの好適な進路によって達成することができる。したがって、第１のカップリングアウトでは、可能な回折効率の比較的小さい部分しか用いられず、回折効率は第１のカップリングアウトから最後のカップリングアウトまで高まる。

さらに、目盛り付きフィルター（例えば、可変グレーフィルター）を画像生成モジュール８の近くに配置することが可能である。強度に関して、イメージングシステムの適合された位置依存放射特性を提供することも可能である。

白色光に関して可能な限り良好な結果を達成するために、第３の反射格子２９及び第４の反射格子３０はそれぞれ、例えば３つの対応する反射格子のオーバーレイとして形成することができ、反射格子の中心周波数は、対応する中間の波長の束が重ね合わせられるように設計される。ここで、それぞれ、一対の反射格子を、例えば赤色光、緑色光及び青色光に適合することができる。同じことが第１の反射格子２７及び第２の反射格子２８に当てはまる。

効率特性のさらなる改善を、第３の反射格子２９及び第４の反射格子３０及び／又は第１の反射格子２７及び第２の反射格子２８をそれぞれに反射体積格子として設計することによって達成することができる。

カップリングアウトセクション１１は、周囲に重ね合わせられたカップリングアウトされた仮想の画像をユーザが知覚できるように設計されている。さらに、第３の反射格子２９及び第４の反射格子３０はそれぞれ、前面５に反射格子として形成することができる。２つのプレート形セクション２０、２１は、例えばエッジ領域１５において空隙２２のスリットを作ることによって形成することができる。

本発明による表示装置では、第１のサブ光束はしたがって、イメージングシステムの関連するピクセルの位置に応じて、第４の反射格子３０に最大でｎ回当たり、ｎは３以上の整数である。本明細書において記載される実施形態では、ｎは５に等しい。加えて、各第１のサブ光束は、第４の反射格子３０において１回〜ｍ回連続的に当たる場合に、関連するピクセルの位置に応じてカップリングアウトされ、ｍは、１以上の整数であり、ｎよりも小さい。本明細書において記載される実施形態では、ｍは、光束Ｌ１の第１のサブ光束の場合は２であり、光束Ｌ２の第１のサブ光束の場合は３であり、光束Ｌ３の第１のサブ光束の場合は２である。それぞれの第１のサブ光束のカップリングアウトは、遅くとも、第４の反射格子３０において（ｎ−ｍ＋１）回目に当たるときにおいて開始する。第１のサブ光束Ｌ１_１の場合、カップリングアウトは１回目に当たるときにおいて開始し、第１のサブ光束Ｌ２_１の場合、カップリングアウトは２回目に当たるときにおいて開始し、第１のサブ光束Ｌ３_１の場合、カップリングアウトは第４の反射格子３０において４回目に当たるときにおいて開始する。

加えて、記載される実施形態では、対応する第１のサブ光束の所望のカップリングアウトには、２回〜３回のカップリングアウト又は回折カップリングアウトが必要である。しかし、第１のサブ光束Ｌ１〜Ｌ３のうちの少なくとも１つに、１回の回折カップリングアウトしか必要ではないことも可能である。

第３の反射格子２９は、第１のサブ光束Ｌ１_１〜Ｌ１_４を、第１のサブ光束Ｌ１_１〜Ｌ１_４が次に内部全反射によって眼鏡レンズ３内で案内されるほど強く回折させなければならないため、約１７００〜２３００本／ｍｍの格子周波数が必要とされる。緑色光の場合、例えば約２０００本／ｍｍの格子周波数が必要とされ、赤色光の場合、例えば約１７００本／ｍｍの格子周波数が必要とされ、青色光の場合、例えば約２３００本／ｍｍの格子周波数が必要とされる。次に、同じことが第４の反射格子３０に当てはまり、第４の反射格子３０は、ユーザの目に向かって、全反射によって方向付けられる第１のサブ光束Ｌ１_１〜Ｌ１_４をカップリングアウトしなければならない。したがって、平面波及び／又は球面波を用いてホログラフィー照明によって第３の反射格子２９及び第４の反射格子３０を生成することが好ましい。ホログラムの照明において用いられるレーザー源の位置は、変調伝達関数及び一致の補正のために可能な補正パラメーターである。改良のために、特に変形波面も用いることができる。格子の照明中に、特別な光学システム、又は、コンピューター生成ホログラムも、照明ビーム経路に導入し、全体的な性能をさらに高めることができる。

ここまで記載した実施形態では、カップリングインセクション１０及びカップリングアウトセクション１１はそれぞれ、回折するように形成される。しかし、カップリングインセクション１０及びカップリングアウトセクション１１をそれぞれ非回折セクションとして形成することも可能である。例えば、カップリングインセクション１０及びカップリングアウトセクション１１はそれぞれ、部分反射セクションとして形成することができる。

図１３には、図４と同じようにカップリングインセクション１０が概略的に表されており、同じ要素には同じ参照符号が付されており、同じ要素の記載では、上記の記述が参照される。図４による実施形態とは対照的に、図１３によるカップリングインセクション１０の場合、格子は設けられておらず、むしろ、第１のプレート形セクションの第２の面２４に反射性のファセット３１が設けられ、第１のプレート形セクション２０の第１の面２３に部分反射性のファセット３２が設けられ、第２のプレート形セクション２１の第２の面２６に反射性のファセット３３が設けられている。

ファセット３１〜３３は、第１の面２３を介して第１のプレート形セクション２０に入る光束Ｌ１が第１の面２３に向かって反射して戻り、第１の（又は幾つかの）ファセット３２に当たるように方向付けられている。光束Ｌ１の一部が、第２の面２４及び第１の面２５を通って進んで反射性のファセット３３に当たるように第１のサブ光束Ｌ１_１として偏向され、これによってｙ方向への偏向を生じる。ファセット３２において反射されない光束Ｌ１の部分は、ファセット３２を通って進み、第１の面２３に当たり、第１の面２３において、第２の面２４の方向への内部全反射が生じ、その結果、この部分Ｌ１’は再び部分反射性のファセット３２を通って進み、さらに、第２の面２４において内部全反射によって第１の面２３に向かって偏向され、したがって、部分反射性のファセット３２に再び当たる。同じように、そこで分離がさらに生じ、その結果、光束Ｌ１は、眼鏡レンズ３にカップリングされる幾つかのサブ光束Ｌ１_１〜Ｌ１_４に分割され、サブ光束Ｌ１_１〜Ｌ１_４が後面６及び前面５における内部全反射によってカップリングアウトセクション１１に案内されるようにする。

部分反射性のファセットは面３４によって接続される。面３４は好ましくは、透明であるか又は部分的に透明とすることができ、その結果、第１の面３２において全反射される光ビームが面３４を通って進むこともできる。

図１４における表現から分かるように、カップリングアウトセクション１１は好ましくは、透明であるか又は部分反射型の面３６によって接続される幾つかの部分反射性のファセット３５を備える。

図１４における表現から分かるように、部分反射性のファセット３５は、ビームスプリッターとして作用し、その結果、反射される第１のサブ光束Ｌ１_１の部分がそれぞれ、第２のサブ光束Ｌ１_１１〜Ｌ１_１４としてカップリングアウトされ、透過した部分を、前面５及び背面６における他の全反射の後でさらなるカップリングアウト（ｙ方向にオフセットされる）に案内する。

当然ながら、記載される実施形態を互いに組合せることもできる。したがって、例えば、図１３に関して記載されるファセット３１、３２を第１のプレート形セクション２０に形成することができ、一方で、第３の反射格子２９が第２のプレート形セクション２１に設けられ、第４の反射格子３０がカップリングアウトセクション１０内に設けられる。さらに、第１のプレート形セクションに第１の反射格子２７及び第２の反射格子２８を設け、第２のプレート形セクション２１及びカップリングアウトセクション１１に、対応するファセット３３及び３５を設けることが可能である。

記載される５回のカップリングアウトは例に過ぎないことを意味している。当然ながら、より少ない（ただし、少なくとも３回の）又はより多いカップリングアウトも提供することができる。より多いカップリングアウトの場合、より大きい視野を提供することができる。

加えて、ここまで、本発明による表示装置を、一方の眼鏡レンズ（左側の眼鏡レンズ３）のみに関して記載してきた。本発明による表示装置は、付加的な情報のアイテム（イメージングシステム８の画像）を、一方の眼鏡レンズ（例えば左側の眼鏡レンズ）のみを介して生成し、ユーザの視野においてユーザに反射されるように形成することができる。当然ながら、双方の眼鏡レンズを形成することも可能であり、その結果、付加的な情報のアイテムを、ユーザの双方の目に反射させることができる。この場合、情報のアイテムを、ユーザへの反射される情報の３次元画像効果が形成されるように反射させることもできる。

眼鏡レンズ３、４は、視覚欠陥の矯正のための眼鏡レンズとすることができる。しかし、眼鏡レンズ３、４はそのような眼鏡レンズである必要はなく、視力の異常の点では光学的な矯正効果を有しないものとすることもできる。本発明による表示装置１は、スポーツ用眼鏡、サングラス及び／又は視覚欠陥の矯正のための眼鏡として形成することができる。

眼鏡レンズ３、４、特に左側の眼鏡レンズ３が、専ら例として本発明による表示装置１とともに記載されている。眼鏡レンズ３、４又は少なくとも左側の眼鏡レンズ３はそれぞれ、本発明に従って眼鏡レンズ３、４として別個に形成される。本発明による左側の眼鏡レンズ３は、当然ながら、右側の眼鏡レンズとして形成することもできる。

Claims (9)

1. ユーザの頭部に装着可能な、画像を生成する表示装置（１）用の眼鏡レンズであって、
   少なくともいずれかが湾曲した前面（５）及び背面（６）と、
   該眼鏡レンズ（３、４）を上面から見た場合の、該眼鏡レンズ（３、４）のエッジ領域（１５）のカップリングインセクション（１０）及び前記眼鏡レンズ（３、４）の中央領域（１６）のカップリングアウトセクション（１１）と
   を有し、
   前記眼鏡レンズ（３、４）は、生成された画像のピクセルの光束（Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３）を、前記カップリングインセクション（１０）を介して前記眼鏡レンズ（３、４）にカップリングインし、前記眼鏡レンズ（３、４）において光束（Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３）を前記カップリングアウトセクション（１１）まで案内し、光束（Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３）を、前記カップリングアウトセクション（１１）を介して前記眼鏡レンズ（３、４）からカップリングアウトするのに好適であり、
   前記カップリングイン中に、前記カップリングインセクション（１０）は、前記光束（Ｌ１）のうちの少なくとも１つを、第１の方向に互いからオフセットされて前記眼鏡レンズ（３、４）にカップリングインするよう、幾つかの第１のサブ光束（Ｌ１_１、Ｌ１_２、Ｌ１_３、Ｌ１_４）にそれぞれ分割し、該第１のサブ光束（Ｌ１_１〜Ｌ１_４）が、前記眼鏡レンズ（３、４）において、前記第１の方向に対して横断して進む第２の方向に沿って前記カップリングアウトセクション（１１）まで案内されるようにし、前記カップリングアウト中に、前記カップリングアウトセクション（１１）は、前記第１のサブ光束（Ｌ１_１）のうちの少なくとも１つを、幾つかの第２のサブ光束（Ｌ１_１１、Ｌ１_１２、Ｌ１_１３、Ｌ１_１４）にそれぞれ分割し、前記第２の方向に互いからオフセットして前記眼鏡レンズからカップリングアウトする眼鏡レンズ。
2. 前記カップリングインセクション（１０）及び前記カップリングアウトセクション（１１）はそれぞれ格子（２９、３０）を含む、請求項１に記載の眼鏡レンズ。
3. 前記第１のサブ光束（Ｌ１_１）は、関連するピクセルの位置に応じて、前記カップリングアウトセクション（１１）の前記格子（３０）に最大でｎ回当たり、ｎは３以上の整数であり、前記第１のサブ光束（Ｌ１_１）は、前記カップリングアウトセクション（１１）の前記格子（３０）において、関連するピクセルの位置に応じて、１回〜ｍ回連続的に当たることでカップリングアウトされ、ｍは１以上の整数であり、ｎよりも小さく、前記カップリングアウトは遅くとも（ｎ−ｍ＋１）回目に当たるときにおいて開始する、請求項２に記載の眼鏡レンズ。
4. 前記カップリングインセクション（１０）の前記格子（２９）及び／又は前記カップリングアウトセクション（１１）の前記格子（３０）は、イメージング格子（２９、３０）として形成されている、請求項２又は３に記載の眼鏡レンズ。
5. 前記カップリングアウトセクション（１１）の前記格子（３０）は、第１のサブ光束（Ｌ１_１）のその回折効率が１回目からｍ回目のカップリングアウトまで高まるように設計されている、請求項２〜４のいずれか一項に記載の眼鏡レンズ。
6. 前記カップリングインセクション（１０）の前記格子（２９）及び前記カップリングアウトセクション（１１）の前記格子（３０）はそれぞれ、異なる中心周波数に設計されている幾つかの個々の格子を重ね合わせたものであり、前記２つの格子（２９、３０）の前記個々の格子の前記中心周波数はそれぞれ、対で一致する、請求項２〜５のいずれか一項に記載の眼鏡レンズ。
7. 前記カップリングインセクション（１０）は第１のカップリングイン格子（２７）及び第２のカップリングイン格子（２８）を含み、前記少なくとも１つの光束（Ｌ１）は、前記第１のカップリングイン格子（２７）によって前記第２のカップリングイン格子（２８）へ偏向され、該第２のカップリングイン格子（２８）は、幾つかの第１のサブ光束（Ｌ１_１〜Ｌ１_４）への分割を行う、請求項１〜６のいずれか一項に記載の眼鏡レンズ。
8. 前記カップリングインセクション（１０）及び／又は前記カップリングアウトセクション（１１）は、反射及び透過によって前記第１のサブ光束（Ｌ１_１〜Ｌ１_４）及び／又は前記第２のサブ光束（Ｌ１_１１〜Ｌ１_１４）への分割を行うために、幾つかの部分反射性のファセット（３２、３５）を含む、請求項１〜７のいずれか一項に記載の眼鏡レンズ。
9. ユーザの頭部に装着可能なホルダー（２）と、
   画像を生成する、前記ホルダー（２）に固定される画像生成モジュール（８）と、
   前記ホルダー（２）に固定されるイメージング光学システム（１４）であって、請求項１〜８のいずれか一項に記載の眼鏡レンズを備え、前記ホルダー（２）が前記頭部に装着されたとき、前記ユーザが前記生成された画像を仮想画像として知覚することができるように前記生成された画像を映すイメージング光学システムと
   を有する表示装置。

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