[发明专利]用于头盔显示装置的光束组合器及分束器

说明书

本申请是申请日为2010年02月25日、申请号为201080009002.7、发明名称为“用于头盔显示装置的光束组合器及分束器”的申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及光束组合器及分束器。

背景技术

在诸如可以安装到用户头部的显示装置这样的装置中需要使用光束组合器，以将叠加在可感知环境上的生成的图像呈现给用户。在这种情况下，光束组合器通常形成为曲面镜片。

已知可以通过半透明镜来实现光束组合。但是，该项生产技术是困难的，特别是，如果需要在镜片中引导生成的图像的光线，并且镜片是弯曲的。

此外，光束组合能够通过光栅实现。但是，这样做的通常缺点包含会产生附加衍射级所导致的不希望的散射光。此外，该种光栅通常仅适用于很狭窄的谱带，结果是所产生图像仅能是单色的。

发明内容

由此开始，本发明的目的是提供改进的光束组合器及分束器。

根据本发明，该目的通过光束组合器实现，该光束组合器将第一光束与不平行于该第一光束的第二光束结合在一起形成一公共光束，并包括主体，该主体对于第一光束是透明的，并具有叠加区，当第一光束穿过主体时投射到所述叠加区，并且该叠加区分为第一部分和第二部分，其中只有由多个彼此隔开的反射和/或折射偏转元件所形成的第一部分通过反射和/或折射将第二光束偏转，使得第一光束在离开主体后和偏转的第二光束一起形成公共光束。

借助于反射和/或折射偏转元件，能够实现大波长范围内的光束组合(特别是相对于借助衍射光栅的传统光束结合器而言)。

第一部分可以具有对第二光束成像的功能。因此，借助第一部分不仅能够实现所期望的光束组合，还能够获得对应的成像特性。第一部分的成像特性可以对应于虚构的光学有效表面，该表面是弯曲的，并优选地不具有镜像对称和旋转对称。该有效表面还可以不具有平移对称。当然，所述虚构的光学有效表面也可能为旋转对称的(如，旋转非球面)或环面的。

特别地，从叠加区的俯视图看，第一部分的表面优选地为叠加区的表面的5％至30％。但是，相对于叠加区，第一部分的比例还可以为50％或更高。

偏转元件可以形成在主体的材料边界表面(该表面可以是平的，或弯曲的)。因此，借助诸如金刚石研磨这样的手段，生产可以特别简单。此外，还可以借助模制和铸造方法进行生产。

每个偏转元件可以形成为平的。但是，也可以将单个偏转元件形成为弯曲的。

特别地，所有的偏转元件可以形成为一样的。或者，偏转元件的形式可以不相同。

优选地，偏转元件在叠加区内不规则分布，可以形成为多边形的和/或具有优选范围为20μm至30μm的最大长度。但是，所述最大长度还可以为200μ或100μ。

可以形成光束组合器，使得照射第一部分的部分光束被屏蔽，并且该部分光束不构成公共光束的一部分。或者，第一部分对于第一光束来说也可以为可穿透的。

第一部分可以形成为不连续的菲涅尔结构。菲涅尔结构具有对应于虚构的光学有效表面的成像特性。

偏转元件的反射构造可以通过反射涂层实现。该反射涂层能够产生完全反射，或部分反射。此外，还可以通过全内反射来实现反射。在这种情况下，不需要反射涂层。

特别地，可以形成光束组合器，使得第二光束在透明主体中被引导至叠加区。这可以通过诸如在材料边界表面处的反射这样的方式来实现。特别地，这些反射为全内反射。

此外，根据本发明的光束组合器中，叠加区的第二部分能够传导第一光束。

光束组合器可以用在显示装置中，该显示装置包括图像生成模块，及能够安装至用户头部的夹持装置，其中光束组合器连接至夹持装置，使得当安装夹持装置时，用户能够通过光束组合器的叠加区感知真实环境，并且其中图像生成模块生成图像，并将其作为第二光束引导至叠加区上，使得当夹持装置安装至头部时，用户能够感知叠加于真实环境上的图像。

特别地，本发明还包括具有本发明的光束组合器的显示装置。该显示装置称为头盔显示器(HMD)。该显示装置还可以包括本领域人员所公知用于其运行的其他元件。

显示装置可以具有诸如根据本发明(或本发明的一个改进)的光束组合器、图像生成模块、及能够安装至用户头部并连接有光束组合器的夹持装置，使得当安装夹持装置时，用户能够通过光束组合器的叠加区感知真实环境，其中图像生成模块生成图像，并将其作为第二光束引导至叠加区上，使得当夹持装置安装至头部时，用户能够感知叠加于真实环境上的图像。

特别地，光束组合器能够具有对第二光束成像的特性。