TW202028806A

TW202028806A - 用於投影影像的光學組合裝置

Info

Publication number: TW202028806A
Application number: TW108142059A
Authority: TW
Inventors: 蓋爾皮拉德
Original assignee: 德商羅伯特博斯奇股份有限公司
Priority date: 2018-11-22
Filing date: 2019-11-20
Publication date: 2020-08-01
Also published as: DE102018220017A1; WO2020104098A1; US20210302725A1; JP2022510841A; KR20210092794A; CN113168002A; DE102018220017B4; JP7183418B2

Abstract

本發明關於一種用於將影像投影至特定衝擊區域（特別是人的眼睛）中之光學組合裝置（1），其至少包含彼此以一間隔（50）配置之第一層（2）及第二層（3），且其中該第一層（2）相較於該第二層（3）與該衝擊區域相距一較短距離，且其中該第一層（2）至少包含兩個功能區域（21，25），且其中所述至少兩個功能區域（21，25）中之第一功能區域（21）及第二功能區域（25）在空間上彼此分離，且其中第一層（2）及第二層（3）被設計成將入射於該第一功能區域（21）上之光束（10）之一部分（11）朝向該第二層（3）透射，且至少部分地沿著所述至少兩個層（2，3）之延伸方向將該透射部分（11）在第一層（2）與第二層（3）之間傳播，且經由該第一層（2）之該第二功能區域（25）將至少部分傳播之光束提供為在一方向（100）上朝向該衝擊區域之出射光束（17）。

Description

用於投影影像的光學組合裝置

本發明關於一種用於將影像投影至特定衝擊區域（特別是，人眼）中之光學組合裝置。

本發明亦關於一種用於將影像投影至特定衝擊區域（特別是，人眼）中之方法。

本發明亦關於一種包含用於提供影像之照明構件且包含光學組合裝置之投影系統。

儘管本發明大體上適用於任何光學組合裝置，但本發明參考頭戴式組合系統，例如用於顯示擴增實境之眼鏡來描述。

用於顯示擴增實境之系統使真實影像與虛擬影像重疊。此類系統在例如汽車領域中已知為抬頭顯示器，或在電腦應用領域中已知為「智慧型眼鏡」，其可用於將影像（作為周圍環境的替代方案或除周圍環境之外）投影於人眼上。

US 2015/0362734 A1揭示一種用於藉助於雷射掃描器系統經由使用者之眼睛之瞳孔直接將影像投影於視網膜上的系統。使用將光偏轉於使用者之瞳孔上之全像組合器進行此操作。

WO 2017/0117991 A1揭示一種抬頭顯示器，其具有將影像從顯示單元引導朝向觀察者之組合器。為此，組合器包含複數個全像層，其中各層均具有干涉圖案。全像層可被設計成可切換的，使其可接通或斷開。

另外，DE 10 2014 224 189 A1揭示一種抬頭顯示系統，其包含可將光導引於觀察位置上之組合器。在此情況下，組合器可包含一或多個全像圖，特別是多工全像圖。這種全像圖可呈板形式且在觀察方向上一個接一個地配置，其中每個全像圖限定具有適眼區(eye box)之區段。

在一個具體實例中，本發明提供一種光學組合裝置，其用於將影像投影於特定衝擊區域，特別是人眼上，包含：彼此以一間隔配置之至少第一層及第二層，且其中該第一層相較於該第二層與該衝擊區域相距較短距離，且其中該第一層至少包含兩個功能區域，且其中所述至少兩個功能區域中之第一功能區域及第二功能區域在空間上彼此分離，且其中第一層及第二層被設計成將入射於該第一功能區域上之光束之一部分朝向該第二層透射，且至少部分地沿著所述至少兩個層之延伸方向在第一層與第二層之間傳播該透射部分，且經由該第一層之該第二功能區域將至少部分傳播之光束提供為在一方向上朝向該衝擊區域之出射光束。

在另一具體實例中，本發明提供一種用於將影像投影於特定衝擊區域（特別是，人眼）上之方法，包含以下步驟： -將光束入射於第一層之第一功能區域上； -藉助於該第一層之該第一功能區域將該入射光束之至少一部分朝向第二層透射，其中該第二層與該第一層以一間隔配置，且其中該第二層相較於該第一層與該衝擊區域相距較大距離； -至少部分地沿著所述至少兩個層之延伸方向在第一層與第二層之間傳播入射光束之透射部分； -經由該第一層之第二功能區域將至少部分傳播之光束之至少一部分以一方向朝向該衝擊區域射出，其中該第二功能區域在空間上與該第一功能區域分離。

在另一具體實例中，本發明提供一種投影系統，其包含用於提供影像之照明構件，且包含如請求項1至8中任一項所述之用於將該影像自該照明構件投影至特定衝擊區域(特別是人眼)中之光學組合裝置。

術語「傳播」，詳言之相對於入射光束之透射部分，應在最廣泛意義上解譯且詳言之在申請專利範圍中，較佳地在描述中指代向前導引、傳遞、分佈、發出光，特別是入射光束之透射部分。

實現此情況的優點中之一者為由此有可能易於在使用者之瞳孔上產生彼此相距不同距離之複數個適眼區，且因此由於以下事實而適應使用者之眼球運動：甚至在眼球運動期間，使用者藉助於瞳孔上配置於不同位置之適眼區而看到清晰的影像。亦存在以下優點：由複數個適眼區產生之適眼區較大，這實現更高解析度影像，同時具有足夠大的適眼區。另一優點為可提供極其緊湊的光學組合裝置。術語「適眼區」應理解為詳言之意謂至少一個人眼可完整看到經投影影像之三維空間。換言之，「適眼區」為空間區域，在該空間區域內部，個人可使用或辨別投影系統之功能。

在下文中描述或揭示本發明之其他特徵、優點及額外具體實例。

根據有利的發展，第一層之第一功能區域與第二功能區域藉由至少一個第三功能區域分離。這不僅增大了第一功能區域與第二功能區域之間的間隔，而且提高了通用性，由於第一功能區域與第二功能區域之間的第三功能區域可用於為入射於此區域上之光束提供光學功能。

根據另一有利的發展，第一層之至少一個第三功能區域被設計成反射區域，使得入射於其上之光束經反射。這使得易於向前導引光束且亦使得功能區域具有簡單設計。

根據另一有利的發展，第二層包含至少一個第四功能區域，其被設計成反射區域，特別是，第二層之所有功能區域均被設計成反射區域。這使得經濟地產生第二層，同時亦促進平行於第一層及第二層之簡單「波導功能」。

根據另一有利的發展，第一層之功能區域各自被設計成提供分裂功能或透射功能。因此，入射於第一層上之光束可分裂或簡言之向前透射至第二層。

根據另一有利的發展，至少一個功能區域被設計成為入射光束提供空間相依性及/或入射角相依性光學功能。這允許以精確且通用的方式為入射於功能區域上之光束提供光學功能。

根據另一有利的發展，第一層與第二層之間的間隔，及第一層之第一功能區域被設計成使得取決於入射角，第二層上入射光束之經投影橫截面區小於或等於第二層之功能區域。這具有以下優點：防止「串擾」且提高影像投影於衝擊區域上之可靠性。

根據另一有利的發展，功能區域包含一或多個全像圖，特別是多工全像圖。這具有以下優點：有可能易於提供精確且通用的光學功能。

根據方法之另一有利的發展，由第一層及第二層中呈反射區域形式之功能區域執行向前導引。因此可以簡單且亦可靠的方式向前導引透射光束。

參考圖式，本發明之其他重要的特徵及優點出自附屬項、圖式及圖式之相關聯描述。

應理解，在不脫離本發明之範圍之情況下，上文所提及之特徵及待下文解釋之特徵不僅可以在每種情況下指示之組合形式使用，而且可以其他組合形式或單獨使用。

本發明之較佳具體實例及實施呈現於圖式中且在以下描述中更詳細地解釋，其中相同參考符號係關於相同或類似或在功能上等效的組件。

圖1示意性地展示根據本發明之具體實例的光學組合裝置。

詳細地，圖1展示光學組合裝置1。該光學組合裝置1具有第一層2及第二層3，其中在方向100上朝向衝擊區域之第一層2與該衝擊區域相距較短距離。兩個層2、3具有相互間隔50。若具有圓形橫截面及直徑2r之光束10目前照射第一層2，則這會產生投影至第一層2上之區域21。假定圓形光束10，若入射光束10以一角度照射於第一層2上，則區域21之區相較於入射光束10具有較大半徑r'。區域21被設計成功能區域，亦即為入射光束10提供光學功能。

入射光束10接著藉助於功能區域21以等於入射光束10之入射角的入射角穿過第一層2向前朝向第二層3傳播。該入射光束接著藉助於第二層3之功能區域31再次被第二層3朝向第一層2之背面反射回來（光束11），該功能區域被設計成反射區域。此光束11接著照射於第一層2之功能區域22上且由此再次朝向第二層3反射回來（光束12）。第二層3（具有入射光束12、14、16之功能區域32、33、34）及第一層2（具有入射光束13、15之功能區域23、24）處之重複反射執行實質上垂直於入射方向且因此垂直於方向100或平行於兩個層2、3之延伸方向的入射光束10之向前導引。換言之，在兩個層2、3之間來回反射光束。最後，光束17照射第一層2之功能區域25，該功能區域被設計成透射的而非反射的。光束17經由第一層2之功能區域25在方向100上朝向所要衝擊區域射出。為了設計提供相關光學功能的與功能區域相關的功能區域21、22、23、24、25、31、32、33、34，所述功能區域可包含一或多個全像圖及/或一或多個繞射光學元件，例如光柵。功能區域21、22、23、24、25、31、32、33、34中之每一者在此情況下彼此間隔開，亦即功能區域之直徑2r'小於其相互間隔p （參考符號51）。

圖2展示根據本發明之具體實例的光學組合裝置。

詳細地，圖2基本上展示如圖1中所展示之光學組合裝置1。不同於圖1中所示之光學組合裝置1，在圖2中所示之光學組合裝置1之情況下，為第一層2之功能區域21、22、23、24、25及第二層3之功能區域31、32、33、34分配不同光學功能。第二層3之功能區域31、32、33、34均被設計成反射區域，亦即為對應入射光束12、14、16提供反射功能。第一層2之功能區域21、22、23、24、25設計如下：入射光束10照射第一功能區域21，其為入射光束10提供光學分裂功能。光束10之一部分朝向第二層3透射，更精確地朝向第二層3之區域31透射，另一部分在方向100上朝向眼睛4之第一適眼區5a反射為光束17a（參見圖3）。第一層2之第二功能區域22（該功能區域配置於第一區域21旁側且與其間隔開）為入射於其上之光束11提供反射功能，亦即入射光束11朝向第二層3反射為光束12。第二層2之第三功能區域23與第一區域21具有類似設計且為入射於其上之光束13提供分裂功能，亦即一個部分穿過第一層2朝向第二適眼區5b透射為出射光束17b，一個部分繼而朝向第二層3反射為反射光束14。如同第二功能區域22，配置於功能區域23旁側之功能區域24同樣被設計成反射區域。第五功能區域25目前被設計成透射區域，亦即被第二層3反射之光束17朝向第三適眼區5c完整透射（光束17c）。在此情況下，不存在朝向第二層3之部分再次反射。

圖3展示根據本發明之具體實例的投影系統。

圖3展示投影系統101，其包含用於提供影像之雷射掃描系統9，且包含如圖2中所示之光學組合裝置1。此系統使用雷射掃描系統9來朝向光學組合裝置1以不同角度發射光束，在此情況下例如展示為光束10、10'。在光學組合裝置1之第一層2處，衝擊光束部分分裂且傳播至眼睛4之不同適眼區5a、5b、5c以作為衝擊區域，如參考圖2所描述。在此過程中，如圖2中所描述，光束藉助於反射在光學組合裝置1之兩個層2、3之間平行於這兩個層之延伸方向部分地傳播，且在對應區域中從光學組合裝置1再次射出以使光束17a、17a'形成適眼區5a，光束17b、17b'形成適眼區5b，且光束17c、17c'形成適眼區5c。

圖4展示根據本發明之具體實例的方法之步驟。

圖4示意性地展示用於將影像投影至特定衝擊區域（特別是，人眼）中之方法。方法包含以下步驟。

在第一步驟S1中，光束入射於第一層之第一功能區域上。

在另一步驟S2中，藉助於第一層之第一功能區域將入射光束之至少一部分朝向第二層透射，其中該第二層與該第一層以一間隔配置，且其中該第二層相較於該第一層與該衝擊區域相距較大距離。

在另一步驟S3中，沿著至少兩個層之延伸方向在第一層與第二層之間至少部分地傳播入射光束之透射部分。

在另一步驟S4中，經由第一層之第二功能區域將至少部分傳播之光束之至少一部分朝向該衝擊區域射出，其中該第二功能區域在空間上與該第一功能區域分離。

總之，本發明之具體實例中之至少一者呈現以下優點中之一者： •緊湊構造； •可靠投影； •經濟生產； •較大適眼區。

儘管上文參考較佳範例性具體實例描述本發明，但不限於此，而是可以各種方式進行修改。

1:光學組合裝置 2:第一層 2r:直徑 2r':直徑 3:第二層 4:眼睛 5:適眼區 5a:適眼區 5b:適眼區 5c:適眼區 9:雷射掃描系統 10:入射光束 10':光束 11:光束 12:光束 13:光束 14:光束 15:光束 16:光束 17:光束 17a:光束 17b:光束 17c:光束 17a':光束 17b':光束 17c':光束 21:功能區域/第一功能區域 22:功能區域/第二功能區域 23:功能區域/第三功能區域 24:功能區域/第四功能區域 25:功能區域/第五功能區域 31:功能區域 32:功能區域 33:功能區域 34:功能區域 50:間隔 51:參考符號 100:方向 101:投影系統 S1~S4:步驟

在圖式中， [圖1]示意性地展示根據本發明之具體實例的光學組合裝置； [圖2]示意性地展示根據本發明之具體實例的光學組合裝置； [圖3]示意性地展示根據本發明之具體實例的投影系統；且 [圖4]示意性地展示根據本發明之具體實例的方法之步驟。

1:光學組合裝置

2:第一層

2r:直徑

2r':直徑

3:第二層

10:入射光束

11:光束

12:光束

13:光束

14:光束

15:光束

16:光束

17:光束

21:功能區域/第一功能區域

22:功能區域/第二功能區域

23:功能區域/第三功能區域

24:功能區域/第四功能區域

25:功能區域/第五功能區域

31:功能區域

32:功能區域

33:功能區域

34:功能區域

50:間隔

51:參考符號

100:方向

Claims

一種用於將影像投影於衝擊區域上之光學組合裝置（1），該衝擊區域詳言之為人之眼睛（4），其包含彼此以一間隔（50）配置之至少第一層及第二層（2，3），且其中該第一層（2）相較於該第二層（3）與該衝擊區域相距較短距離，且其中該第一層（2）至少包含兩個功能區域（21，25），且其中所述至少兩個功能區域（21，25）中之第一功能區域（21）及第二功能區域（25）在空間上彼此分離，且其中第一層及第二層（2，3）被設計成將入射於該第一功能區域（21）上之光束（10）之一部分（11）朝向該第二層（3）透射，且至少部分地沿著所述至少兩個層（2，3）之延伸方向在第一層與第二層（2，3）之間傳播該透射部分（11），且經由該第一層（2）之該第二功能區域（25）將至少部分傳播之光束提供為在一方向（100）上朝向該衝擊區域之出射光束（17）。
如請求項1所述之光學組合裝置，其中該第一層（2）之該第一功能區域與該第二功能區域（21，25）藉由至少一個第三功能區域（22，23，24）分離。
如請求項2所述之光學組合裝置，其中該第一層（2）之該至少一個第三功能區域（22，23，24）被設計成反射區域，使得入射於該反射區域上之光束（11，13，15）得以反射。
如請求項1或2所述之光學組合裝置，其中該第二層（3）包含被設計成反射區域之至少一個第四功能區域（31，32，33，34），特別是該第二層（3）之所有所述功能區域（31，32，33，34）均被設計成反射區域。
如請求項1或2所述之光學組合裝置，其中該第一層（2）之所述功能區域（21，22，23，24，25）各自被設計成提供分裂功能或透射功能。
如請求項1或2所述之光學組合裝置，其中至少一個功能區域（21，22，23，24，25，31，32，33，34）被設計成，為入射光束（10，11，12，13，14，15，16，17）提供一空間相依性及/或入射角相依性光學功能。
如請求項1或2所述之光學組合裝置，其中第一層與第二層（2，3）之間的該間隔（50）以及該第一層（2）之該第一功能區域（21）被設計成取決於入射角，該第二層（3）上之該入射光束（10）之投影橫截面區小於或等於該第二層（3）之功能區域（31）。
如請求項1或2所述之光學組合裝置，其中功能區域包含一或多個全像圖，特別是多工全像圖。
一種用於將影像投影於特定衝擊區域上之方法，所述特定衝擊區域特別是指人的眼睛，其包含以下步驟：將光束（10）入射於第一層（2）之第一功能區域（21）上（S1）；藉助於該第一層（2）之該第一功能區域（21）將該入射光束（10）之至少一部分（11）朝向第二層（3）透射（S2），其中該第二層（3）與該第一層（2）以一間隔（50）配置，且其中該第二層（3）相較於該第一層（2）與該衝擊區域相距一較大距離；至少部分地沿著所述至少兩個層（2，3）之延伸方向在第一層與第二層（2，3）之間傳播該入射光束（10）之該透射部分（11）（S3）；使至少部分傳播之光束（11，12，13，14，15，16）之至少一部分（17）經由該第一層（2）之第二功能區域（25）以一方向（100）朝向該衝擊區域射出（S4），其中該第二功能區域（25）在空間上與該第一功能區域（21）分離。
如請求項9所述之方法，其中該至少部分傳播（S3）由該第一層（2）及該第二層（3）中呈反射區域形式之功能區域（22，23，24，31，32，33，34）執行。
一種投影系統（101），其包含用於提供影像之照明構件（9），且包含如請求項1至8中任一項所述之光學組合裝置（1）以用於將該影像從該照明構件（9）投影至特定衝擊區域，特別是人的眼睛（4）中。