成像光學系統(tǒng)以及具有該成像光學系統(tǒng)的顯示裝置的制造方法
【專利摘要】提供一種用于顯示裝置的成像光學系統(tǒng)，所述顯示裝置可以裝配在用戶的頭部上并且生成圖像，所述成像光學系統(tǒng)具有包括入射表面(F1)的光學元件(8)以及包括耦合輸入?yún)^(qū)段(15)和與其間隔開的耦合輸出區(qū)段(16)的眼鏡片(3、4)，其中，成像光學系統(tǒng)(7)適合于經由光學元件(8)中的入射表面(F1)引導被進送到光學元件(8)的所生成圖像，以用于將所生成圖像從光學元件(8)耦合輸入眼鏡片(3、4)中，在眼鏡片(3、4)中，所生成圖像被經由所述出射表面引導到耦合輸出區(qū)段(16)并且經由耦合輸出區(qū)段(16)而耦合輸出以生成虛擬圖像，其中，除了入射表面(F1)，光學元件(8)還包括至少一個反射表面(F2,F3,F4,F6；F2,F7,F6,F8)和出射表面(F6)，所生成圖像在所述至少一個反射表面上被反射以用于在光學元件(8)中引導，所生成圖像被經由所述出射表面耦合輸出光學元件(8)并且被引導至眼鏡片(3、4)的耦合輸出區(qū)段(15)，其中入射表面(F1)、至少一個反射表面(F2,F3,F4,F6；F2,F7,F6,F8)和/或出射表面(F6)被形成為彎曲的，使得光學元件(8)具有成像特性。
【專利說明】
成像光學系統(tǒng)以及具有該成像光學系統(tǒng)的顯示裝置
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及具有根據(jù)權利要求1的前序所述的特征的成像光學系統(tǒng)和具有該成像光學系統(tǒng)的顯示裝置。
【背景技術】
[0002]在該顯示裝置的情況下，可以裝配到用戶頭部上的保持器經常形成為如一副眼鏡。如果，例如，顯示裝置的圖像生成模塊包括具有3.5mmX5mm的區(qū)域的成像系統(tǒng)，其中成像系統(tǒng)的所生成圖像作為位于7° X 10°的觀察角度處、位于3000mm的距離處的虛擬圖像對于眼鏡的用戶是可見的，則成像光學系統(tǒng)具有例如28.5_的焦距。然而，該光學路徑長度連同需要的光學構件(諸如，例如，透鏡和棱鏡)和成像系統(tǒng)的構造體積是大的，使得其幾乎不能夠被容納在眼鏡腿桿中。換句話說，成像系統(tǒng)的常規(guī)光學構件，例如透鏡和棱鏡，和這些構件的對應布置的使用導致實際上排除人體工程學上可接受的和美學上令人喜愛的顯示裝置的設計的構造體積。

【發(fā)明內容】

[0003]從此開始，因此，本發(fā)明的目的是形成開頭提到的類型的成像光學系統(tǒng)，使得成像光學系統(tǒng)可以盡可能緊湊地形成。
[0004]根據(jù)本發(fā)明，目標在開頭提到的類型的成像光學系統(tǒng)的情況下被實現(xiàn)，其中，除了入射表面，光學元件包括至少一個反射表面和出射表面，所生成圖像在所述至少一個反射表面上被反射以用于在光學元件中引導，所生成圖像經由所述出射表面被耦合輸出光學元件并且被引導至眼鏡片的耦合輸出區(qū)段，其中入射表面、至少一個反射表面和/或出射表面形成為彎曲的，使得光學元件(8)具有成像特性。
[0005]通過光學元件的該設計，可以在提供必要的光學路徑長度以及成像功能的同時實現(xiàn)需要的空間適應性。因此，不再必要的是，具有數(shù)個單獨的透鏡、棱鏡和其它的光學構件；而是，根據(jù)本發(fā)明的特別合適的光學元件被提供，所述光學元件滿足必要的光學和機械邊界條件。
[0006]光學元件可以特別形成為一體部件。然而，光學元件還可以形成為數(shù)個部件，并且數(shù)個部分彼此直接接觸(例如，粘合或膠合)，其結果是單個光學元件被提供。特別地，光學元件的特征在于:在光學元件中引導所生成圖像或對應的光，光學元件例如可以由塑料或玻璃形成，而未產生任何空氣間隙。
[0007]光學元件的入射表面優(yōu)選地形成為平坦的。然而，光學元件的入射表面可選地是彎曲的。
[0008]另外，入射表面可以用作反射表面以用于引導所生成圖像。反射可以例如借助于全內反射而產生。因而，入射表面可以在所生成圖像的耦合輸入過程中透射地作用，并且在耦合輸入的引導過程中反射地作用。此外，(例如通過施加適當?shù)姆瓷鋵?入射表面可以形成為部分地反射。
[0009]另外，出射表面可以被用作用于引導所生成圖像的反射表面。出射表面可以是平坦的或者彎曲的。
[0010]反射例如可以借助于全內反射產生。因此，出射表面可以在引導被耦合輸入的圖像期間反射性地作用，并且在所生成圖像的耦合輸出期間是透明性的。此外，出射表面還能夠形成為部分地反射性的(例如通過施加合適的反射層)。
[0011]此外，入射表面和出射表面相當于彼此可以空間上偏移，并且圍繞彼此獨立的至少兩個空間軸線(優(yōu)選地圍繞彼此獨立的三個空間軸線)傾斜。
[0012]在根據(jù)本發(fā)明的成像光學系統(tǒng)的情況下，光學元件可以以其出射表面與眼鏡片的相應表面直接接觸。所述兩個表面例如可以被粘合或膠合。因此提供了成像光學系統(tǒng)的非常緊湊的設計。此外，光學元件至眼鏡片的持久對準因此可以得到保證。
[0013]通過該設計，眼鏡片和光學元件之間的分離被消除，并且不再需要將所生成圖像經由眼鏡片的邊界表面耦合到眼鏡片中，而這由于眼鏡片的邊界表面上的折射可能導致非常受限的光學關系。因此，例如，光可以以接近全反射極限的角度撞擊眼鏡片的前側和/或后側，這在眼鏡片中引導光期間以及在耦合輸出眼鏡片期間是不利的。
[0014]在該外邊界表面上的折射現(xiàn)在不再存在，因為光由于出射表面與眼鏡片的相應表面的直接光學接觸而僅在介質中持續(xù)行進。
[0015]通過光學元件與眼鏡片的該接觸，進一步有利地實現(xiàn)了雜散光或散射光的減少。
[0016]光學元件可以產生用于引導所生成圖像的單次反射或也可以產生用于引導所生成圖像的處于入射表面和出射表面之間的數(shù)次反射。至少兩次、三次、四次或五次反射被優(yōu)選地產生。反射的數(shù)量優(yōu)選地在兩個到十個的范圍內，并且優(yōu)選地根據(jù)圖像生成模塊的成像系統(tǒng)的位置和成像光學系統(tǒng)的焦距而被選擇。
[0017]此外，根據(jù)本發(fā)明的顯示裝置中的成像光學系統(tǒng)可以被形成為使得，光學元件的出射表面與眼鏡片的耦合輸入?yún)^(qū)段間隔開。這在出射表面形成為彎曲的時是特別優(yōu)選的。具體地，在出射表面和眼鏡片之間可以存在空氣間隙。眼鏡片和光學元件可以包括彼此一致的連接表面，所述連接表面確保所需的機械定向和對準。具體地，連接表面不是成像光學系統(tǒng)的用于光學成像的表面。一致的連接表面例如可以是孔的內表面和圓柱的外表面。一致的連接表面優(yōu)選地形成為使得它們可以被插塞在一起。連接表面可以接觸并且由此產生光學元件至眼鏡片的光學對準。然而，光學元件或光學元件的出射表面還可能與眼鏡片直接接觸，其中，例如出射表面可以被膠合或粘合至眼鏡片。在這種情況下，優(yōu)選地至少一個反射表面被形成為彎曲的表面以便提供所需的成像特性。
[0018]在根據(jù)本發(fā)明的成像光學系統(tǒng)的情況下，光學元件的不用于引導和/或耦合輸入或輸出所生成圖像的邊界表面可以被變黑和/或是光吸收的。通過該手段很好地抑制了散射光。
[0019]眼鏡片可以包括彎曲或平坦的前側以及彎曲或平坦的后側。耦合輸入?yún)^(qū)段和耦合輸出區(qū)段可以具有成像效應。此外，耦合輸入?yún)^(qū)段可以具有準直效應。耦合輸入?yún)^(qū)段可以是反射的、透射的和/或折射的。這也施加于耦合輸出區(qū)段。
[0020]在根據(jù)本發(fā)明的成像光學系統(tǒng)的情況下，在邊緣區(qū)域中，眼鏡片可以包括耦合輸入?yún)^(qū)段。邊緣區(qū)域的厚度優(yōu)選地大于眼鏡片的耦合輸出區(qū)段所位于的區(qū)域的厚度。
[0021 ]特別地，眼鏡片的前側和/或后側的在邊緣區(qū)域中的曲率輪廓可以從前側和/或后側的在邊緣區(qū)域中的對應的預定曲率輪廓偏離，使得與可以通過預定曲率輪廓而形成的邊緣區(qū)域的厚度相比，眼鏡片的更大的厚度存在于邊緣區(qū)域中。
[0022]因而利用了以下事實，即選擇性地“增厚”的邊緣區(qū)域是在正常使用成像光學系統(tǒng)的情況下位于用戶通過其進行觀察的區(qū)域外側的區(qū)域。因而，用戶的視場不被侵占，而被侵占可以被用戶視為不利的。例如，這被有利地使用使得不期望的暈影(vignetting)可以借助于變厚而減少。此外，例如可以實現(xiàn)以下情況，在借助于在前側和后側上的全反射而引導的過程中，入射角不變得太大，借此例如像散(astigmatism)和慧形象差(coma)可以被避免或減少。
[0023]特別地，邊緣區(qū)域的設計可以用于改善成像光學系統(tǒng)的光學成像性能。利用邊緣區(qū)域的可能的設計或可能的形狀，因而在成像光學系統(tǒng)的光學布局的情況下具有非常高效的自由度。這可以用于例如校正成像誤差。特別地，前側和/或后側在邊緣區(qū)域的區(qū)域中可以具有自由形態(tài)表面的曲率。
[0024]在每個情況下，眼鏡片和光學元件都可以例如由玻璃或塑料制成。
[0025]在根據(jù)本發(fā)明的成像光學系統(tǒng)的情況下，在從上面的視圖觀看時，眼鏡片和光學元件一起可以具有L形。具體地，光學元件可以從眼鏡片的后側突出。這可以導致所描述的L形。
[0026]所生成圖像在光學元件和眼鏡片中的引導可以通過反射和/或全內反射發(fā)生。如果引導通過反射發(fā)生，則可以提供反射涂層或反射表面。反射可以在眼鏡片和/或光學元件的外邊界表面(例如眼鏡片的前側和后側)上和/或在內表面上發(fā)生。
[0027]耦合輸出區(qū)段與耦合輸入?yún)^(qū)段側向地間隔開，所生成圖像經由所述耦合輸入?yún)^(qū)段被從光學元件耦合輸入到眼鏡片中。因此，優(yōu)選地至少一次反射或數(shù)次反射總是在眼鏡片中發(fā)生(例如在眼鏡片的前側上的一次反射和在后側上的一次反射)，用于將所生成圖像在耦合輸入到眼鏡片之后引導到耦合輸出區(qū)段。因此，優(yōu)選地耦合輸出區(qū)段與光學元件側向地間隔開。
[0028]在根據(jù)本發(fā)明的成像光學系統(tǒng)的情況下，在每個情況下，眼鏡片的前側和后側都可以具有預定曲率輪廓，其中眼鏡片的前側和/或后側的曲率輪廓在耦合輸入?yún)^(qū)段的區(qū)域中(或在眼鏡片的邊緣區(qū)域中)從前側和/或后側的對應的預定曲率輪廓偏離，使得與眼鏡片的在耦合輸出區(qū)段的區(qū)域中的厚度相比，與眼鏡片的鄰近(特別直接鄰近)耦合輸入?yún)^(qū)段(或邊緣區(qū)域)的區(qū)域的厚度相比，和/或與可以通過預定曲率輪廓形成的耦合輸入?yún)^(qū)段的區(qū)域中(或在眼鏡片的邊緣區(qū)域中)的厚度相比，眼鏡片的更大的厚度存在于耦合輸入?yún)^(qū)段的區(qū)域中(或在眼鏡片的邊緣區(qū)域中)。從預定曲率輪廓的偏離在以下方面是特別可認識的，即在偏離曲率輪廓的區(qū)域中眼鏡片的光學功能與眼鏡片的其余區(qū)域不同。如果眼鏡片例如形成為沒有光學效應(例如沒有對缺陷視覺的校正)的眼鏡片，則不期望的光學效應存在于耦合輸入?yún)^(qū)段的區(qū)域中，如果觀察者通過該區(qū)域觀察則其可以感知到該不期望的光學效應。然而，耦合輸入?yún)^(qū)段位于眼鏡片的在正常視覺過程中通常不被使用的區(qū)域中(例如在邊緣區(qū)域中)。如果眼鏡片提供對視力缺陷的校正，則視力缺陷不在偏離曲率輪廓的區(qū)域中相同程度地存在或不再存在。
[0029]在正常使用根據(jù)本發(fā)明的成像光學系統(tǒng)的過程中，邊緣區(qū)域例如從大于20°、30°、40°或50° (特別相對于向前視覺的方向)的觀察方向開始。
[0030]在根據(jù)本發(fā)明的成像光學系統(tǒng)的情況下，在每個情況下，眼鏡片的前側和后側都可以具有球面曲率，其中后側可以在耦合輸入?yún)^(qū)段的區(qū)域和/或在眼鏡片的從球面曲率偏離的邊緣區(qū)域中具有曲率輪廓。因而，與眼鏡片的鄰接(優(yōu)選地直接地鄰接)耦合輸入?yún)^(qū)段和/或邊緣區(qū)域的區(qū)域相比，眼鏡片的耦合輸入?yún)^(qū)段的區(qū)域和/或邊緣區(qū)域可以特別具有更大的厚度。然而，前側和/或后側還可以具有非球面曲率輪廓。例如，當眼鏡片用于校正缺陷視覺時，情況如此。
[0031]偏離曲率輪廓可以特別用于改善成像光學系統(tǒng)的成像質量。例如，在眼鏡片中的引導經常導致成像誤差，成像誤差可以通過偏離曲率輪廓的對應設計被補償。
[0032]特別地，光學元件的反射表面中的一個可以形成為非球面表面。非球面表面可以特別不具有旋轉對稱性。特別地，光學元件的反射表面中的一個可以形成為自由形態(tài)表面。此處，自由形態(tài)表面特別表示，在兩個不同的主平面中具有不同曲率和/或是彎曲的并且沒有旋轉對稱性的彎曲表面。
[0033]在每個情況下，光學元件的其他反射表面和偏離曲率輪廓所形成的表面區(qū)段還可以形成為非球面表面并且特別形成為自由形態(tài)表面。
[0034]此外，顯示裝置被設置有可以裝配在用戶的頭部上的保持器、固定到保持器的生成圖像的圖像生成模塊和固定到保持器的根據(jù)本發(fā)明的成像光學系統(tǒng)(包括根據(jù)本發(fā)明的其他新產品)，其中當保持器裝配在頭部上時，根據(jù)本發(fā)明的成像光學系統(tǒng)使所生成圖像成像，使得用戶可以感知圖像為虛擬圖像。
[0035]根據(jù)本發(fā)明的顯示器裝置優(yōu)選地形成，使得沒有(具有或沒有成像特性的)其他光學構件布置在圖像生成模塊和眼鏡片之間。然而，可以在圖像生成模塊和光學元件之間設置偏轉鏡。偏轉鏡優(yōu)選地產生純偏轉并且因此形成為平坦的。然而，還可以將該偏轉鏡設置有成像特性，其結果是鏡表面具有預定曲率。
[0036]在根據(jù)本發(fā)明的顯示器裝置的情況下，保持器可以形成為如一副眼鏡，并且包括第一眼鏡腿桿和第二眼鏡腿桿，其中光學元件至少部分地布置在兩個眼鏡腿桿的一個中。
[0037]特別地，圖像生成模塊可以包括二維成像系統(tǒng)，諸如LOT模塊、LCoS模塊、OLED模塊或傾斜鏡矩陣。特別地，成像系統(tǒng)可以包括0LED、LCD、LCoS和/或點矩陣微顯示器。此外，成像系統(tǒng)可以包括LED段式顯示器。另外，成像系統(tǒng)可以包括直接掃描激光顯示模塊(并且可以具有用于光瞳匹配的光學系統(tǒng))。此外，成像系統(tǒng)可以包括在光學部件前方或在眼鏡片前方在中間圖像平面中具有散射介質的掃描激光顯示模塊和用于光瞳匹配的光學系統(tǒng)。成像系統(tǒng)可以是自發(fā)光的或不自發(fā)光的。
[0038]特別地，圖像生成模塊可以形成為使得單色的或多色的圖像被生成。
[0039]根據(jù)本發(fā)明的顯示器裝置可以形成為智能眼鏡，其中例如所生成圖像包括待顯示的數(shù)據(jù)。
[0040]根據(jù)本發(fā)明的顯示器裝置還可以包括本領域的技術人員已知的對于其操作是必要的元件。
[0041]應該理解，在沒有脫離本發(fā)明范圍的情況下，上述指定的特征還和下文待描述的那些特征可以不僅用于所述的組合，還可以用于其它的組合中或單獨使用。
【附圖說明】
[0042]下文參照附圖通過示例的方式更詳細地描述本發(fā)明，附圖還公開了對本發(fā)明必要的特征。以下示出:
[0043]圖1是表示根據(jù)本發(fā)明的顯示器裝置的實施例的透視示意圖；
[0044]圖2是圖1的放大透視詳細視圖；
[0045]圖3是根據(jù)圖1和2的顯示裝置的光學元件8的放大透視圖；
[0046]圖4是圖1的顯示裝置的放大詳細截面圖；
[0047]圖5是根據(jù)本發(fā)明的顯示器裝置的另一實施例的成像光學系統(tǒng)的放大透視詳細視圖；
[0048]圖6是圖5的光學元件8的放大透視圖；
[0049]圖7是根據(jù)圖5的根據(jù)本發(fā)明的顯示器裝置的詳細截面圖；
[0050]圖8是根據(jù)本發(fā)明的成像光學系統(tǒng)的另一實施例的詳細截面示意圖；
[0051]圖9是根據(jù)本發(fā)明的成像光學系統(tǒng)的另一實施例的詳細截面示意圖；并且
[0052]圖10是根據(jù)本發(fā)明的成像光學系統(tǒng)的另一實施例的詳細截面示意圖。
【具體實施方式】
[0053]在圖1示出的實施例中，根據(jù)本發(fā)明的顯示裝置I包括保持器2以及固定到保持器2的第一眼鏡片3和第二眼鏡片4，保持器2可以裝配在用戶的頭部上并且在此處描述的實施例中形成為常規(guī)的眼鏡框架。具有眼鏡片3和4的保持器2可以形成為例如運動眼鏡、太陽鏡和/或用于校正缺陷視覺的眼鏡，其中虛擬圖像可以經由如下所述的第一眼鏡片3反射進入用戶的視場中。
[0054]如圖2的放大透視局部視圖所示(保持器2未示出)，顯示裝置I包括具有成像系統(tǒng)(例如OLED模塊)6的圖像生成模塊5，圖像可以通過成像系統(tǒng)6而被生成，圖像將作為虛擬圖像被反射進入用戶的視場中。為此，顯示裝置I包括成像光學系統(tǒng)7，成像光學系統(tǒng)7包括布置在成像系統(tǒng)6和第一眼鏡片3之間的光學元件8。此外，第一眼鏡片3自身還用作成像光學系統(tǒng)7的部件。
[0055]如此，成像光學系統(tǒng)7形成為根據(jù)本發(fā)明的成像光學系統(tǒng)7，并且優(yōu)選地被設計用于顯示裝置，顯示裝置可以裝配在用戶的頭部上并且生成圖像。成像光學系統(tǒng)7此處僅被描述成具有根據(jù)圖1的保持器2，以描述其根據(jù)本發(fā)明的設計。然而，成像光學系統(tǒng)7還可以被設計成用于任何其它的保持器。
[0056]成像系統(tǒng)6形成為具有例如布置成列和行的多個像素的二維成像系統(tǒng)，其中光束9可以從每個像素發(fā)出。需要的圖像可以通過相應地控制像素而被生成。在圖2中，光束的光束路徑被畫出以表示光束9，其結果是光束9也在下文被討論。
[0057]從成像系統(tǒng)6發(fā)出的光束9經由光學元件8的平坦入射表面Fl進入光學元件8中并且撞擊相對的平坦反射表面F2。光束9從反射表面F2反射回到入射表面Fl并且又撞擊入射表面Fl，但是在相對于進入圖像生成模塊5中的入口的不同點處并且成一定角度使得光束9到另一平坦反射表面F3的反射由于全內反射而發(fā)生。如圖2所示，其他反射發(fā)生在平坦的反射表面F4和F5上，并且光束9然后撞擊透明的出射表面F6，出射表面F6形成為彎曲的并且因而具有成像效應。光束9經由出射表面F6離開光學元件8，并且穿過空氣間隙到第一眼鏡片3的后側10，并且經由后側10進入第一眼鏡片3中。
[0058]在眼鏡片3中，在該區(qū)域中，將光束9偏轉到后側10的反射表面11被形成，使得光束9在后側10上通過全內反射行進并且被反射到第一眼鏡片的前側12。全內反射同樣地出現(xiàn)在前側12上并且，在后側10上進行另一全內反射之后，光束9撞擊形成在前側12上的菲涅耳表面13，菲涅耳表面13包括彼此鄰近的數(shù)個反射面14。反射面14導致在后側10的方向上的反射，使得光束9經由后側10離開眼鏡片3并且然后可以被在正常使用中在其頭部上佩戴顯示裝置I的用戶觀察到。
[0059]因為光學元件8的描述的光束引導，光學元件8也可以稱為光導8，特別稱為圖像接收和/或成像光導。
[0060]第一眼鏡片3的具有反射表面11的區(qū)域可以稱為耦合輸入?yún)^(qū)段15，其中此處反射表面11形成為彎曲的并且因而具有成像效應。
[0061]具有菲涅耳表面13的區(qū)域可以稱為耦合輸出區(qū)段16，其中此處面14可以形成為彎曲的并且因而菲涅耳表面13整體上可以同樣地具有成像效應。
[0062]眼鏡片的后側10可以是平坦的或彎曲的。特別地，后側10可以是球面彎曲的。此外，眼鏡片的前側12可以是平坦的或彎曲的。
[0063]反射表面11和/或面14的出射表面F6的曲率可以是球面曲率、非球面曲率或自由形態(tài)表面的曲率。自由形態(tài)表面特別表示，在兩個不同的主平面中具有不同曲率和/或彎曲的并且沒有旋轉對稱性的弧形表面。
[0064]此外，在圖3中單獨表示放大的光學元件8。光學元件8的邊界或邊緣表面而不是描述的表面F1-F6，被變黑和/或形成為吸收表面，使得落在這些表面上的光被吸收，這有助于抑制散射光或雜散光。在此處描述的該實施例中，具有18個吸收邊界或邊緣表面，其中該數(shù)量不確定功能，而是基本通過此處提供的光學元件8的機加工生產而出現(xiàn)。當然，吸收邊緣表面的數(shù)量可以少于或多于18個。此處，表面形成為平坦表面。例如，表面可以部分地組合為彎曲表面。在初級成形生產過程(諸如例如注入成型)的情況下，這可以被容易地實現(xiàn)。
[0065]如圖4中示意組成圖特別所示，光學元件8形成為使得光學元件8可以集成至保持器2的右側眼鏡腿桿17中。右側眼鏡腿桿17然后用作用于光學元件8的殼體。在本實施例中，右側眼鏡腿桿17穩(wěn)固地連接到右側眼鏡片3，其結果是，在光學元件8和右側眼鏡片3之間具有限定的和不能改變的機械聯(lián)接和定向。右側眼鏡腿桿17可以包括示意性地表示的鉸接件18，其結果是右側眼鏡腿桿17的后部可以相對于包括光學元件8的前部樞轉(此處例如圍繞垂直于圖4的附圖平面行進的軸線)。
[0066]如圖1到4進一步地所示，成像系統(tǒng)6以盡可能節(jié)省空間的方式被布置在右側眼鏡腿桿17中，并且因而一方面垂直于根據(jù)圖4的附圖平面(X方向)而延伸并且另一方面基本在眼鏡腿桿17的縱向方向上(并且因而在圖4中從左側到右側或沿著z方向)延伸。光學元件8的入射表面Fl基本定向成平行于成像系統(tǒng)6，并且因而還垂直于圖4的附圖平面并且從圖4的左側到右側地延伸。
[0067]光學元件8的出射表面F6(優(yōu)選地沿切向地)位于右側眼鏡片3的后側10前方，除了這兩個表面Fl和F6之間的空間偏移，其還導致圍繞所有三個空間軸線(X軸，y軸和z軸)的傾斜。光學元件8的空間長度和尺寸因而優(yōu)選地被選擇成使得光學元件8可以集成至右側眼鏡腿桿17中。另外，光學元件8被設計成使得光學元件8以成像方式將借助于成像系統(tǒng)6生成的圖像傳輸或轉移到右側眼鏡片3的耦合輸入?yún)^(qū)段15。同時，出射表面F6的曲率被選擇成使得出射表面F6承擔成像光學系統(tǒng)7的一些成像效應。特別地，光學元件8可以承擔成像的大部分。光學元件8還可以被設計成校正成像誤差，成像誤差特別通過圖像或光束9在眼鏡片3中的引導而出現(xiàn)。
[0068]因而，在光學元件8的設計中，機械的和光學的邊界條件被考慮以實現(xiàn)盡可能接近最優(yōu)的結果。
[0069]此處，成像系統(tǒng)6具有3.5mm X 5mm的面積。成像光學系統(tǒng)7具有28.5mm的焦距，并且以7° X 10°的觀察角度在3000mm的距離處生成用于用戶的虛擬圖像。
[0070]如圖4進一步地所示，根據(jù)本發(fā)明的顯示裝置I被設計成使得檢測被圖示虛擬圖像的觀察方向20與向前的觀察方向21不同。眼睛的旋轉中心被附圖標記22標記。
[0071]當然，顯示裝置I還可以被設計成使得檢測虛擬圖像的觀察方向20與向前的觀察方向21—致。
[0072]光學元件8優(yōu)選地形成為一體部件并且可以由玻璃材料或塑性材料生成。第一眼鏡片3和第二眼鏡片4還可以由玻璃材料或塑性材料生成。
[0073]在圖5到7中，以與圖2到4相同的方式，根據(jù)本發(fā)明的顯示器裝置的第二實施例被示出，其中相同或類似的元件被標記有相同的附圖標記，并且對于相同或類似元件的描述參照上述說明。
[0074]在根據(jù)圖5到7的該實施例中，因為耦合輸入?yún)^(qū)段15形成在第一眼鏡片3的連接前側12和后側10的邊緣表面25上，因此光學元件8不同地形成。為此，圓柱形耦合輸入表面26形成在邊緣表面25上。
[0075]如圖5示出的光束路徑所示，光束9經由偏轉鏡27引導到光學元件8的平坦入射表面Fl上，使得光束9經由入射表面Fl進入光學元件8中。在光學元件8中，四次反射發(fā)生在表面F2、F7、F6、F8上并且光束9然后經由出射表面F6離開光學元件8，穿過空氣間隙到第一眼鏡片3的圓柱形耦合輸入表面26，在第一眼鏡片3中被引導到菲涅耳表面13并且然后經由后側1以描述的方式親合輸出。
[0076]表面F2、F7和F8形成為反射表面，其中表面F2是平坦表面并且表面F7和F8是彎曲的。特別地，表面F2、F7和F8可以形成為自由形態(tài)表面。平坦表面F6—方面用作反射表面并且另一方面用作出射表面，其中反射借助于全內反射發(fā)生。
[0077]光學元件8的邊緣表面而不是描述的表面Fl、F2、F6_F8被變黑和/或以與根據(jù)圖2-4的實施例相同的方式形成為吸收表面。
[0078]由于圖5和7示出的圖像生成模塊5的定向，因而偏轉鏡27被布置在圖像生成模塊5和光學元件8之間，其結果是圖像生成模塊5連同光學元件8的非常緊湊的設計在右側眼鏡腿桿17的縱向方向上是可以的。如圖7和4的比較所示，與根據(jù)圖4的實施例相比，在根據(jù)圖7的實施例中眼鏡腿桿的縱向方向的長度是較短的。
[0079]在圖8中，根據(jù)本發(fā)明的成像光學系統(tǒng)7的另一實施例被示出在非常詳細的截面示意圖中。此處，平坦的入射表面Fl相對于y-z平面傾斜。為圖示該傾斜，實際上的矩形入射表面Fl被表示為梯形。另外，如在之前所示情況下，光束9被畫出，這是為了表示在光學元件8中和在眼鏡片3中的光引導和成像。經由入射表面Fl進入的光束9在彎曲的反射表面F2上被反射(反射表面F2此處例如被球面地彎曲)到出射表面F6，并且通過出射表面F6進入眼鏡片3中，在眼鏡片3中引導通過在前側12和后側10上到菲涅耳表面13的反射而發(fā)生。耦合輸出又經由菲涅耳表面13發(fā)生。
[0080]反射表面F2可以用于例如準直從成像系統(tǒng)發(fā)出的光束。因而，例如，可以布置在成像系統(tǒng)和入射表面Fl之間的分離的準直耦合輸入光學系統(tǒng)可以被摒棄。然而，還可以提供該分離的準直耦合輸入光學系統(tǒng)。
[0081]如圖8的示圖進一步地所示，出射表面F6直接地連接到眼鏡片3的對應表面。連接可以例如通過膠合或粘合發(fā)生。出射表面F6和眼鏡片3的對應表面優(yōu)選地形成使得，良好的表面接觸可以生成。例如，兩個表面形成為平坦表面。
[0082]如圖8示意性地進一步地所示，眼鏡片3可以形成使得眼鏡片在其邊緣區(qū)域30中(其中邊緣區(qū)域30連接到光學元件8)具有與眼鏡片的其余厚度d2相比更大的厚度dl。在圖8的視圖中，前側12和后側10示意性地形成為平坦表面。然而，前側12和后側10也可以是彎曲的。在這種情況下，曲率輪廓設置在邊緣區(qū)域30中，曲率輪廓從前側12和/或后側10的預定曲率輪廓偏離，使得與邊緣區(qū)域30的可以通過預定曲率輪廓形成的厚度相比，眼鏡片的更大的厚度dl存在于邊緣區(qū)域30中。邊緣區(qū)域30例如可以從相對于向前觀察方向大于20°、30°或40°的觀察方向開始。
[0083]在圖8示出的實施例中，界面(此處為平坦界面)因而設置在光學元件8和眼鏡片3之間。
[0084]圖8的成像光學系統(tǒng)7的修改例示出在圖9中。圖9的修改例在以下方面不同于圖8的實施例，因為成像光學系統(tǒng)7形成為一體部件，因此沒有界面并且因而沒有出射表面F6。還可以認為，光學元件8和眼鏡片3形成為單件式光學部件。
[0085]根據(jù)圖8的成像光學系統(tǒng)7的另一修改例示出在圖10中。在該另一修改例的情況下，眼鏡片3—方面不包括變厚的邊緣。另一方面，光學元件8連接到眼鏡片3所在的界面稍微不同地被定位。界面被放置成使得兩次反射發(fā)生在光學元件8中，其結果是除了反射表面F2，光學元件8還包括，另一反射表面F3。在圖10的視圖中，該反射表面F3被畫為平坦表面。然而，該反射表面F3優(yōu)選地形成為彎曲的。因而，該反射表面F3可以具有球面曲率或自由形態(tài)曲率。自由形態(tài)曲率特別表示，在兩個不同的主平面中具有不同曲率和/或彎曲的并且沒有旋轉對稱性的曲率。特別地，自由形態(tài)曲率可以是非球面的并且為非旋轉對稱的。
[0086]當然，根據(jù)圖8和9的實施例還可以形成為使得對應的反射發(fā)生在弧形表面上。在圖8和9中，反射標記為附圖標記31。這表示在此該區(qū)域中，邊界表面可以相應地形成為彎曲的。
[0087]在光學元件8的出射表面F6直接地連接到眼鏡片3的所述實施例的情況下，優(yōu)點是避免了迄今必要的經由分離的邊界表面而耦合輸入眼鏡片3中。這導致以下優(yōu)點，即不再存在在邊界表面上發(fā)生的折射。光或光束9僅在介質中繼續(xù)行進。相同的光學材料優(yōu)選地用于光學元件8和眼鏡片3。
[0088]在根據(jù)本發(fā)明的顯示裝置I的被描述實施例中，虛擬圖像進入用戶的視場中的反射經由右側眼鏡片3發(fā)生。當然，經由左側眼鏡片4的反射也是可以的。除此以外，在這種情況下，光學元件8和圖像生成模塊5需要被布置在左側眼鏡腿桿19中。另外，顯示裝置I可以形成為使得多個信息或虛擬圖像經由眼鏡片3、4被反射。反射可以發(fā)生使得生成三維圖像形式。然而，這不是絕對地必要的。眼鏡片3、4可以具有零屈光力或非零屈光力(特別地以校正缺陷視覺)。保持器2不需要形成為類似一副眼鏡的保持器。顯示裝置可以通過其裝配或佩戴在用戶頭部上的任何其它類型的保持器也是可以的。
【主權項】
1.一種用于顯示裝置的成像光學系統(tǒng)，所述顯示裝置能夠裝配在用戶的頭部上并且生成圖像，所述成像光學系統(tǒng)具有: 包括入射表面(Fl)的光學元件(8)以及包括耦合輸入?yún)^(qū)段(15)和與其間隔開的耦合輸出區(qū)段(16)的眼鏡片(3、4)， 其中，成像光學系統(tǒng)(7)適合于被經由光學元件(8)中的入射表面(Fl)引導進送到光學元件(8)的所生成圖像，以用于將所生成圖像從光學元件(8)耦合輸入眼鏡片(3、4)中，在眼鏡片(3、4)中，所生成圖像被經由所述出射表面引導到耦合輸出區(qū)段(16)并且經由耦合輸出區(qū)段(16)而耦合輸出以生成虛擬圖像， 其特征在于: 除了入射表面(Fl)，光學元件(8)還包括至少一個反射表面(F2，F(xiàn)3，F(xiàn)4，F(xiàn)6;F2，F(xiàn)7，F(xiàn)6，F(xiàn)8)和出射表面(F6)，所生成圖像在所述至少一個反射表面上被反射以用于在光學元件(8)中引導，所生成圖像被經由所述出射表面(F6)耦合輸出光學元件(8)并且被引導至眼鏡片(3、4)的耦合輸出區(qū)段(15)， 其中入射表面(I)、至少一個反射表面(F2，F(xiàn)3，F(xiàn)4，F(xiàn)6 ; F2，F(xiàn)7，F(xiàn)6，F(xiàn)8)和/或出射表面(F6)形成為彎曲的，使得光學元件(8)具有成像特性。2.根據(jù)權利要求1所述的成像光學系統(tǒng)，其特征在于: 光學元件(8)形成為一體部件。3.根據(jù)權利要求1或2所述的成像光學系統(tǒng)，其特征在于: 入射表面(Fl)是平坦的。4.根據(jù)前述權利要求中的任一項所述的成像光學系統(tǒng)，其特征在于: 入射表面(Fl)是透射性的以用于將所生成圖像耦合輸入光學元件(8)中，并且是反射性的以用于反射在光學元件(8)中的所生成圖像。5.根據(jù)前述權利要求中的任一項所述的成像光學系統(tǒng)，其特征在于: 出射表面(F6)是反射性的，以用于反射在光學元件(8)中的所生成圖像，并且是透射性的，以用于將所生成圖像耦合輸出光學元件(8)。6.根據(jù)前述權利要求中的任一項所述的成像光學系統(tǒng)，其特征在于: 出射表面(F6)形成為彎曲的。7.根據(jù)前述權利要求中的任一項所述的成像光學系統(tǒng)，其特征在于: 入射表面(Fl)和出射表面(F6)相對于彼此空間上偏移，并且圍繞彼此獨立的至少兩個空間軸線傾斜。8.根據(jù)前述權利要求中的任一項所述的成像光學系統(tǒng)，其特征在于: 光學元件(8)以其出射表面(F6)與眼鏡片(3、4)的相應表面直接接觸。9.根據(jù)前述權利要求中的任一項所述的成像光學系統(tǒng)，其特征在于: 光學元件(8)包括不用于引導和/或耦合輸入或輸出所生成圖像的邊界表面，其中邊界表面被變黑和/或是吸光性的。10.根據(jù)前述權利要求中的任一項所述的成像光學系統(tǒng)，其特征在于: 光學元件(8)包括第一連接表面，并且眼鏡片(3、4)包括第二連接表面，其中兩個連接表面相接觸以將光學元件(8)相對于眼鏡片(3、4)定位。11.根據(jù)前述權利要求中的任一項所述的成像光學系統(tǒng)，其特征在于: 眼鏡片(3、4)在邊緣區(qū)域(30)中包括耦合輸入?yún)^(qū)段(15)，其中與眼鏡片(3、4)中的耦合輸出區(qū)段(16)所位于的區(qū)域相比，邊緣區(qū)域具有更大的厚度。12.一種顯不裝置，具有: 保持器(2)，所述保持器能夠裝配在用戶的頭部上， 被制造在保持器上的圖像生成模塊(5)，所述圖像生成模塊生成圖像， 和根據(jù)前述權利要求中的任一項所述的被固定到保持器(2)的成像光學系統(tǒng)(8)， 當保持器(2)被裝配在頭部上時，成像光學系統(tǒng)使所生成圖像成像，使得用戶能夠將所生成圖像感知為虛擬圖像。13.根據(jù)權利要求12所述的顯示裝置，其特征在于: 保持器(2)形成為如一副眼鏡，并且包括第一眼鏡腿桿(17)和第二眼鏡腿桿(19)，其中光學元件(8)至少部分地布置在兩個眼鏡腿桿(17、19)中的一個中。
【文檔編號】G02B27/01GK105874375SQ201480063269
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2014年11月21日
【發(fā)明人】格塔·魯?shù)婪? 漢斯-約爾根·杜伯沙爾, 卡爾斯騰·林迪希
【申請人】卡爾蔡司斯馬特光學有限公司