專利名稱：具有可以安置在用戶頭部上的保持裝置的顯示裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及根據(jù)權(quán)利要求1的前序部分中具有可以安置在用戶頭部上的保持裝置的顯示裝置。
背景技術(shù)：
這種顯示裝置的主要困難在于:將來自環(huán)境的正常束路徑與由圖像生成模塊生成的圖像的光的束路徑疊加，并且將其傳遞到將顯示裝置佩戴在其頭部上的用戶的眼睛。本身考慮的所生成的圖像的光的束路徑代表目鏡，該目鏡將圖像生成模塊的圖像信息投射到眼睛中。現(xiàn)在如果目鏡設(shè)計(jì)成使得同時(shí)利用大的出射光瞳而獲得盡可能大的圖像場，則這要求使用形式為反射鏡或棱鏡的偏轉(zhuǎn)元件。這些附加偏轉(zhuǎn)元件增大了整個(gè)顯示裝置的重量和體積，這例如顯著限制了佩戴舒適度。眼鏡片的前部和背部的彎曲另外造成下述困難:在光學(xué)通道中傳導(dǎo)期間出現(xiàn)大的圖像誤差，所述圖像誤差必須被補(bǔ)償。

發(fā)明內(nèi)容
由此開始，本發(fā)明的目的是進(jìn)一步發(fā)展在開篇提及類型的顯示裝置，使得所生成的圖像以最少的可能成像誤差呈現(xiàn)給用戶，并且顯示裝置同時(shí)設(shè)計(jì)成小且緊湊型。該目的是利用在開篇所提及類型的顯示裝置來實(shí)現(xiàn)，其中光學(xué)通道在前部和背部的區(qū)域中，在各個(gè)情形下具有菲涅耳結(jié)構(gòu)，該菲涅耳結(jié)構(gòu)具有多個(gè)面，在光學(xué)通道中傳導(dǎo)的光在所述面上被反射，并且所述面相互平行地對齊。由于所述面相互平行地對齊(在前部上的菲涅耳結(jié)構(gòu)的面與在背部上的菲涅耳結(jié)構(gòu)的面平行地對齊)，光學(xué)通道在光學(xué)上充當(dāng)平面平行板，從而可以有效地防止由前部和背部的彎曲導(dǎo)致的成像誤差。兩個(gè)菲涅耳結(jié)構(gòu)的面實(shí)際上抵消眼鏡片的彎曲的前部和背部的效果。在該顯示裝置中，在眼鏡片的前部上的入射部可以具有第三菲涅耳結(jié)構(gòu)，該第三菲涅耳結(jié)構(gòu)具有第三面，所述第三面相互平行地對齊并且相對于第一和第二面傾斜。第三面的傾斜優(yōu)選地選擇為使得在第三面上反射的光因而被耦合到光學(xué)通道中并且可以在光學(xué)通道中傳導(dǎo)。第三菲涅耳結(jié)構(gòu)可以設(shè)計(jì)成使得它僅僅引起束路徑的彎折并且不具有成像特性。然而也可能的是，第三菲涅耳結(jié)構(gòu)引起束路徑的彎折并且同時(shí)具有成像特性。成像特性特別地可以是準(zhǔn)直效應(yīng)。成像鏡片系統(tǒng)因此整體上可以是非常緊湊的設(shè)計(jì)。特別地，成像鏡片系統(tǒng)可以僅由眼鏡片實(shí)現(xiàn)。此外，在根據(jù)本發(fā)明的顯示裝置中，眼鏡片的前部上的出射部可以具有第四菲涅耳結(jié)構(gòu)，該第四菲涅耳結(jié)構(gòu)具有第四面，所述第四面相互平行地對齊并且相對于第一和第二面傾斜。第四面特別地傾斜成使得來自光學(xué)通道并且在第四面上反射的光垂直于第一和第二菲涅耳結(jié)構(gòu)的面行進(jìn)。
眼鏡片的背部上的菲涅耳結(jié)構(gòu)可以延伸遠(yuǎn)至入射部及/或出射部。這是有利的，因?yàn)樵诖藚^(qū)域中，與平面平行板的側(cè)面類似，背部對光起作用。 在根據(jù)本發(fā)明的顯示裝置中，第四面可以或者形成連續(xù)鋸齒結(jié)構(gòu)或者布置成彼此相距一定距離。特別地，第四面可以涂覆有部分反射層。部分反射層可以例如是金屬層或干涉層。此外，第四面可以填充有具有與眼鏡片相同或類似折射率的材料，使得眼鏡片的前部在被填充的區(qū)域是平坦的。優(yōu)選地，具有填充的平坦側(cè)面平行于在眼鏡片的背部上的菲涅耳結(jié)構(gòu)的面。然而，該填充也可能這樣實(shí)施，使得在被填充的區(qū)域中再次產(chǎn)生眼鏡片的原始彎曲。在根據(jù)本發(fā)明的顯示裝置中，光在光學(xué)通道中優(yōu)選地通過全內(nèi)反射而傳導(dǎo)。菲涅耳結(jié)構(gòu)的面優(yōu)選地為平坦設(shè)計(jì)。面的臺階高度優(yōu)選地在20 μ m至300 μ m的范圍內(nèi)。圖像生成模塊可以具有圖像發(fā)射器，優(yōu)選地為平坦圖像發(fā)射器，該圖像發(fā)射器可以是自發(fā)光或者非自發(fā)光的。特別地，圖像發(fā)射器可以設(shè)計(jì)成傾斜反射鏡矩陣，設(shè)計(jì)成LCD模塊，設(shè)計(jì)成LCoS模塊，或者設(shè)計(jì)成OLED模塊。此外，圖像生成模塊還可以具有用于控制圖像發(fā)射器的控制單元。成像鏡片系統(tǒng)可以具有準(zhǔn)直鏡片系統(tǒng)，該準(zhǔn)直鏡片系統(tǒng)布置在圖像生成模塊和眼鏡片之間。準(zhǔn)直鏡片系統(tǒng)可以例如由單個(gè)鏡片實(shí)現(xiàn)。單個(gè)鏡片可以設(shè)計(jì)成平凸鏡片，其中優(yōu)選地平坦側(cè)面面向圖像發(fā)射器。凸側(cè)面可以具有球形彎曲或者也可以具有非球形彎曲。當(dāng)然，準(zhǔn)直鏡片系統(tǒng)有可能具有超過一個(gè)的單獨(dú)鏡片。此外，第三菲涅耳結(jié)構(gòu)可以設(shè)計(jì)成使得其成像特性取代準(zhǔn)直鏡片系統(tǒng)的效果。在這種情況下，可以省略分離的準(zhǔn)直鏡片系統(tǒng)或者分離的鏡片。根據(jù)本發(fā)明的顯示裝置可以具有:第二眼鏡片，其按照與第一眼鏡片相同的方式設(shè)計(jì)；以及第二圖像生成模塊，其與第一圖像生成模塊類似地設(shè)計(jì)。在這種情況下，有可能將所生成的圖像例如作為三維圖像呈現(xiàn)給用戶。此外，根據(jù)本發(fā)明的顯示裝置還可以進(jìn)一步具有顯示裝置的操作所必需的、本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的元件?？梢岳斫獾厥?，，在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下，上文所述特征以及將在下文解釋的特征不僅可以在所列舉的組合中使用，而且可以在其它組合中使用或者單獨(dú)地使用。


下面利用附圖通過示例方式更詳細(xì)地解釋本發(fā)明，附圖還公開了本發(fā)明的必要特征。圖式中:圖1為根據(jù)本發(fā)明的顯示裝置的第一實(shí)施例的示意性俯視圖；圖2為第一眼鏡片和相關(guān)圖像生成模塊的放大圖示；圖3為摘自圖2的放大圖示；圖4為圖2的截面的放大圖示；圖5為第四菲涅耳結(jié)構(gòu)的放大圖示；圖6為第四菲涅耳結(jié)構(gòu)可替換設(shè)計(jì)的放大圖示；以及
圖7為根據(jù)本發(fā)明的顯示裝置的另一實(shí)施例的眼鏡片以及相關(guān)成像鏡片系統(tǒng)的示意性圖示。
具體實(shí)施例方式在圖1中的俯視圖所示的實(shí)施例中，根據(jù)本發(fā)明的顯示裝置I包括:可安裝在用戶頭部上的保持裝置2，其具有兩個(gè)眼鏡狀側(cè)臂3、4 ;兩個(gè)眼鏡片5、6( —個(gè)用于左眼睛LA且一個(gè)用于右眼睛RA);以及橋接部7，其連接兩個(gè)眼鏡片5、6。此外，為用戶的每個(gè)眼睛提供了圖像生成模塊8、9，其可以緊固在相應(yīng)側(cè)臂3、4上或者也可以緊固在相應(yīng)眼鏡片5、6上。由于眼鏡片5、6的設(shè)計(jì)以及圖像生成模塊8、9的設(shè)計(jì)基本上具有相對于平行于側(cè)臂3延伸穿過橋接部7的軸的鏡像對稱，在下文中將僅僅更加詳細(xì)地描述用于用戶的左眼睛LA的眼鏡片5以及相關(guān)圖像生成模塊8。在圖2中，在與圖1相同的視圖中放大示出左眼鏡片5和圖像生成模塊8。圖像生成模塊8包括平坦圖像發(fā)射器10 (此處為OLED或IXD圖像發(fā)射器)和控制單元11，該控制單元11控制圖像發(fā)射器10用于生成圖像。圖像生成模塊8還含有布置在圖像發(fā)射器10后面的準(zhǔn)直鏡片系統(tǒng)12，該準(zhǔn)直鏡片系統(tǒng)12此處設(shè)計(jì)成平凸鏡片，其中平坦側(cè)面面向圖像發(fā)射器10并且凸側(cè)面具有非球形彎曲。來自準(zhǔn)直鏡片系統(tǒng)的準(zhǔn)直的光經(jīng)由左眼鏡片5的彎曲的背部13而進(jìn)入左眼鏡片5，行進(jìn)到彎曲的前部14并且在那里在第一區(qū)域15中被反射回到背部13。從圖2所示的束路徑可以看出，束路徑在背部13和前部14上出現(xiàn)若干彎折，并且光因而被傳導(dǎo)到前部14的第二區(qū)域16。光在第二區(qū)域16上被反射，使得它行進(jìn)穿過背部13并且因而離開眼鏡片5且撞擊在用戶的眼睛LA上，從而使用戶可以感知借助圖像發(fā)射器10呈現(xiàn)的圖像。左眼睛LA未示于圖3中。光在從第一區(qū)域15傳導(dǎo)到第二區(qū)域16的眼鏡片5中的區(qū)域可以被指定為光學(xué)通道17。在光學(xué)通道17的區(qū)域中，第一菲涅耳結(jié)構(gòu)18形成于背部13上，并且第二菲涅耳結(jié)構(gòu)19形成于眼鏡片5的前部14上，其中兩個(gè)菲涅耳結(jié)構(gòu)18、19的面20、21相互平行地對齊(在圖2中，為了更清楚，僅僅某些面20、21用相應(yīng)附圖標(biāo)記來表示)。在所描述的實(shí)施例中，面20、21垂直于光軸0A，結(jié)果由于前部和背部13、14的彎曲，而在每種情況下形成階梯狀結(jié)構(gòu)，例如在圖2中以及在圖3中的第一區(qū)域和部分菲涅耳結(jié)構(gòu)18、19的放大視圖中可以看出。面18、19的尺寸優(yōu)選地選擇為使得階梯狀結(jié)構(gòu)的臺階高度在20 μ m至300 μ m的范圍內(nèi)。由于該結(jié)構(gòu)，在光學(xué)通道17的區(qū)域中，眼鏡片5有利地在光學(xué)上對應(yīng)于簡單平板。因而在光學(xué)通道17的區(qū)域中的菲涅耳結(jié)構(gòu)18和19抵消彎曲的背部13和彎曲的前部14的效果。在面20、21上的反射優(yōu)選地通過全內(nèi)反射而發(fā)生。另外，從圖2和圖3中的圖示可以看出，第一菲涅耳結(jié)構(gòu)18還延伸到背部13的區(qū)域中，準(zhǔn)直鏡片系統(tǒng)12的準(zhǔn)直的光經(jīng)由該區(qū)域進(jìn)入眼鏡片5，從而在入口上經(jīng)由背部13不存在不期望的準(zhǔn)直的光的成像效果，因?yàn)榈谝环颇Y(jié)構(gòu)18的面20垂直于準(zhǔn)直的光的傳播方向。此外，尤其是可以從圖3中看出，在前部14上的第一區(qū)域15中形成第三菲涅耳結(jié)構(gòu)22，第三菲涅耳結(jié)構(gòu)22的面23全部傾斜了-30°并且相互平行地對齊。第三菲涅耳結(jié)構(gòu)22因而引起期望的朝向背部13的偏轉(zhuǎn)，結(jié)果是，由于第一和第二菲涅耳結(jié)構(gòu)18、19與利用平板的方式相同，光線隨后在前部和背部之間來回反射。圖4示出眼鏡片5的第二區(qū)域16的放大視圖。在第二區(qū)域16中形成具有面25的第四菲涅耳結(jié)構(gòu)24，其中此處面25傾斜了 +30°，從而使撞擊在面25上的光線在反射之后平行于光軸OA并且因此垂直于第一菲涅耳結(jié)構(gòu)18的面20行進(jìn)。因此，光線可以從眼鏡片5離開并且行進(jìn)到用戶的左眼睛LA。從第四菲涅耳結(jié)構(gòu)24的三個(gè)面25的圖5中的放大圖示可以看出，面25可以彼此相距一定距離，其中中間區(qū)域26或者設(shè)計(jì)成平坦區(qū)域或者具有前部14的原始彎曲。因而，通過中間區(qū)域26，如箭頭Pl所示的環(huán)境光可以經(jīng)由前部14進(jìn)入眼鏡片5并且從背部13再次離開，藉此用戶可以感知由疊加在環(huán)境上的圖像發(fā)射器10生成的圖像。在圖6所示的可替換設(shè)計(jì)中，面25可以挨著彼此放置而沒有間距。在這種情況下，面優(yōu)選地涂覆有薄金屬層27，從而使其為部分反射或部分透明。金屬層27可以設(shè)計(jì)成使其透射例如70%至90%的環(huán)境光并且反射10%至30%來自光學(xué)通道17的光。另外，從圖6可以看出，材料28可以應(yīng)用到金屬層27，該材料28具有與眼鏡片5相同或幾乎相同的折射率。用材料28填充可以特別地使得前部14是平坦的，從而使環(huán)境光可以不受影響地穿過眼鏡片。當(dāng)然，前部還可以具有與眼鏡片的前部14的原始彎曲對應(yīng)的彎曲?？梢詫D5中的實(shí)施例的面25實(shí)施與材料28相同的填充。替代金屬層27，也可能使用干涉層。第一、第二和第四菲涅耳結(jié)構(gòu)18、19和24所描述的設(shè)計(jì)因而提供了這樣的優(yōu)點(diǎn)，對于環(huán)境光以及對于由圖像發(fā)射器10耦入的光，眼鏡片5在光學(xué)上均表現(xiàn)為平面平行板，盡管菲涅耳結(jié)構(gòu)18、19和24形成于更大或更小彎曲的前部或背部14、13上。因而有利的是，無論眼鏡片的形狀如何，光線在光學(xué)通道17中的傳導(dǎo)上不產(chǎn)生附加圖像誤差，這可以顯著簡化整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)。再者，因此，即使利用彎曲的眼鏡片5、6，也可以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的成像。此外，還可以有利地實(shí)現(xiàn)的是，可以同時(shí)產(chǎn)生所謂的束擴(kuò)展器。這意味著，撞擊并且反射在前部14上的垂直面21上的光線在面20上全反射并且第二次撞擊在前部14上，其中此處它們也撞擊在第四菲涅耳結(jié)構(gòu)24的斜面25的其中之一上并且被耦出，或者第二次撞擊在垂直面21的其中之一上并且再次全反射。因而，利用根據(jù)本發(fā)明的顯示裝置1，無需遵從通常利用菲涅耳結(jié)構(gòu)必需滿足的條件，光不必兩次行進(jìn)穿過同一菲涅耳結(jié)構(gòu)，藉此，非常薄的眼鏡片厚度是可能的，并且同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)大的視場和大的耦出光瞳。圖7示出眼鏡片5和圖像生成模塊8的變型實(shí)施例。在目前為止結(jié)合圖1至圖6所描述的示例性實(shí)施例中，所有菲涅耳結(jié)構(gòu)18、19、22和24設(shè)計(jì)成使其引起束路徑的彎折而不成像。在每種情況下，它們實(shí)際上充當(dāng)平面反射鏡。在根據(jù)圖7的變型實(shí)施例中，與目前為止所描述的示例性實(shí)施例相比較，第三菲涅耳結(jié)構(gòu)22設(shè)計(jì)成使其不僅僅引起束路徑的彎折，而且使其附加地實(shí)現(xiàn)成像功能。然而，這可以實(shí)現(xiàn)為沒有衍射效應(yīng)。第三菲涅耳結(jié)構(gòu)22實(shí)際上充當(dāng)具有彎曲反射表面的反射鏡。第三菲涅耳結(jié)構(gòu)22的面23本身同樣設(shè)計(jì)成平坦?fàn)?。?dāng)?shù)谌颇Y(jié)構(gòu)22具有所描述的成像特性時(shí)，不再需要分離的準(zhǔn)直鏡片系統(tǒng)12，從而使顯示裝置I可以設(shè)計(jì)成甚至更緊湊并且更輕。
權(quán)利要求
1.一種顯示裝置，包括: 保持裝置(2)，該保持裝置可以安置在用戶的頭部上， 緊固在保持裝置(2)上的圖像生成模塊(8、9)，該圖像生成模塊生成圖像，以及 緊固在保持裝置(2)上的成像鏡片系統(tǒng)(5、6)，該成像鏡片系統(tǒng)具有含有彎曲的前部(14)和彎曲的背部(13)的眼鏡片(5)，并且該成像鏡片系統(tǒng)當(dāng)保持裝置(2)安置在頭部上時(shí)投射所生成的圖像，以使用戶可以感知疊加在環(huán)境上的該圖像， 其中來自圖像生成模塊(8、9)的光經(jīng)由入射部(15)被耦入眼鏡片(5)中的光學(xué)通道(17)，在光學(xué)通道(17)中傳導(dǎo)到出射部(16)并且經(jīng)由出射部(16)從眼鏡片(5)耦出， 其特征在于， 在前部和背部(14、13)的區(qū)域中，光學(xué)通道(17)在每種情況下具有菲涅耳結(jié)構(gòu)(18、19)，該菲涅耳結(jié)構(gòu)(18、19)具有多個(gè)面(20、21)，在光學(xué)通道(17)中傳導(dǎo)的光在所述面(20,21)上被反射，并且所述面(20、21)相互平行地對齊。
2.如權(quán)利要求1所述的顯示裝置，其特征在于，由于所述面(20、21)，光學(xué)通道(17)在光學(xué)上充當(dāng)平面平行板。
3.如權(quán)利要求1或2所述的顯示裝置，其特征在于，在所述眼鏡片(5)的前部(14)上，入射部(15)具有第三菲涅耳結(jié)構(gòu)(22)，該第三菲涅耳結(jié)構(gòu)(22)具有第三面(23)，所述第三面(23)相互平行地對齊并且相對于第一和第二面(20、21)傾斜。
4.如權(quán)利要求3所述的顯示裝置，其特征在于，所述第三菲涅耳結(jié)構(gòu)(22)僅引起束路徑的彎折并且不具有成像特性。
5.如權(quán)利要求3所述的顯示裝置，其特征在于，所述第三菲涅耳結(jié)構(gòu)(22)引起束路徑的彎折并且同時(shí)具有成像特性。
6.如前述權(quán)利要求的任意一項(xiàng)所述的顯示裝置，其特征在于，所述眼鏡片(5)的前部(14)上的出射部(16)具有第四菲涅耳結(jié)構(gòu)(24)，該第四菲涅耳結(jié)構(gòu)(24)具有第四面(25)，所述第四面(25)相互平行地對齊并且相對于第一和第二面傾斜。
7.如權(quán)利要求6所述的顯示裝置，其特征在于，所述第四菲涅耳結(jié)構(gòu)(24)僅引起束路徑的彎折并且不具有成像特性。
8.如權(quán)利要求6或7所述的顯示裝置，其特征在于，所述第四面(25)形成連續(xù)鋸齒結(jié)構(gòu)。
9.如權(quán)利要求6或7所述的顯示裝置，其特征在于，所述第四面(25)布置成彼此相距一定距離。
10.如權(quán)利要求6至9中任意一項(xiàng)所述的顯示裝置，其特征在于，所述第四面(25)涂覆有部分反射層(27)。
11.如前述權(quán)利要求的任意一項(xiàng)所述的顯示裝置，其特征在于，光通過全內(nèi)反射在光學(xué)通道(17)中傳導(dǎo)。
12.如前述權(quán)利要求的任意一項(xiàng)所述的顯示裝置，其特征在于，所述圖像生成模塊(8、9)具有圖像發(fā)射器(10)以及排列在該圖像發(fā)射器(10)后面的準(zhǔn)直鏡片系統(tǒng)(12)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種顯示裝置，該顯示裝置具有保持裝置(2)，該保持裝置可以安置在用戶頭部上；緊固在保持裝置(2)上的圖像生成模塊(8、9)，該圖像生成模塊生成圖像；以及緊固在保持裝置(2)上的成像鏡片系統(tǒng)(5、6)，該成像鏡片系統(tǒng)包含具有彎曲的前部(14)和彎曲的背部(13)的眼鏡片(5)，并且該成像鏡片系統(tǒng)當(dāng)保持裝置(2)安置在頭部上時(shí)投射所生成的圖像，使得用戶可以感知疊加在環(huán)境上的該圖像。來自圖像生成模塊(8、9)的光經(jīng)由入射部(15)被耦入眼鏡片(5)中的光學(xué)通道(17)，在光學(xué)通道(17)中傳導(dǎo)到出射部(16)并且經(jīng)由出射部(16)從眼鏡片(5)耦出。光學(xué)通道(17)分別在前部和背部(14、13)的區(qū)域中具有菲涅耳結(jié)構(gòu)(18、19)，該菲涅耳結(jié)構(gòu)(18、19)具有多個(gè)面(20、21)，在光學(xué)通道(17)中傳導(dǎo)的光在所述面(20、21)上被反射，并且所述面(20、21)相互平行地對齊。
文檔編號G02B3/08GK103180773SQ201180044454
公開日2013年6月26日 申請日期2011年7月21日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月17日
發(fā)明者漢斯-尤金·多斯查爾, 卡斯坦·琳迪格, 昆特·魯?shù)婪?申請人:卡爾蔡司公司