[发明专利]成像光学器件和数据眼镜

说明书

本发明涉及一种用于产生虚拟图像的成像光学器件，包括：至少一个佩戴在眼睛前面的镜片(1)，镜片具有朝向眼睛的内部面(3)和背向眼睛的外部面(5)，显示装置(13)，所述显示装置包括用于显示原始图像的图像生成机构(15)，其中，图像生成机构(15)是从原始图像中产生虚拟图像的成像光路的初始点，耦合输入装置(29、31、33)，用于将成像光路耦合输入到镜片(1)的内部面(3)与外部面(5)之间，存在于镜片(1)中的耦合输出结构(7、107、207)，用于将成像光路从镜片(1)中朝向眼睛的方向耦合输出。耦合输入装置(29、31、33)将成像光路以如下方式耦合输入到镜片(1)的内部面(3)与外部面(5)之间，使得成像光路通过在内部面(3)与外部面(5)之间的反射而朝向耦合输出结构(7)传送。耦合输出结构(7)沿分隔线(39)由两个彼此间成β角延伸的子结构(41、43)组成，所述子结构将由不同方向射入的光路(25、27)朝向眼睛耦合输出，其中，射入的光路(25、27)的不同的方向通过子结构(41、43)之间的角度β来确定。在显示装置(7)与镜片(1)的其中发生第一反射的区域之间存在分光器结构(21、23)，分光器结构将从图像生成机构(15)发出的成像光路分成两条成像子光路，成像子光路形成从不同方向打在耦合输出结构的子结构(41、43)上的光路(25、27)。

技术领域

本发明涉及一种用于显示虚拟图像的成像光学器件以及具有用于显示虚拟图像的成像光学器件的数据眼镜。

背景技术

数据眼镜是头戴显示器的特殊形式。头戴显示器的常见形式使用的是能够戴在眼镜前方而且向使用者展示计算机生成的图像或由照相机拍摄的图像的显示屏。这种头戴显示器通常体积庞大而且无法实现对环境的直接感知。近来，头戴显示器得到发展，其能够向使用者呈现利用照相机拍摄的图像或计算机生成的图像，而不妨碍对环境的直接感知。这种头戴显示器(下面也称数据眼镜)实现了在日常生活中利用这种技术。

数据眼镜能够按照不同的类型来提供。数据眼镜(特别是以其紧凑性和美学上的可接受性著称)的类型基于镜片中的波导原理。在此，图像产生机构生成的光在镜片外部准直化，并且通过镜片的端面耦合输入，从镜片的端面出发，通过多次全反射一直传播到眼前。这样，这里存在的光学元件将光朝向眼瞳的方向耦合输出。在此，耦合输入镜片和从镜片中耦合输出的过程能够以衍射、反射或折射的方式实现。在衍射性的耦合输入和输出的情况下，用作耦合输入和输出元件的是几乎相同线数的绕射光栅，其中，各个光栅的强烈色散的效应彼此相互补偿。基于绕射光栅的耦合输入和输出元件例如在US2006/0126181A1和US2010/0220295A1中有所介绍。针对具有反射性或折射性耦合输入或输出元件的数据眼镜的示例例如在US2012/0002294A1中有所介绍。

在其中将成像光束在多次(全)反射下从耦合输入元件引导至耦合输出元件的数据眼镜与使用的是衍射性、反射性或折射性的元件无关地都具有所谓的“脚印重叠(Footprint Overlap)”的问题。这种问题在下面结合图1和图2详细阐释，这种问题限制了视场(FOV field of view)的尺寸以及数据眼镜在眼动区域的位置上的出瞳尺寸，并且因此需要相对较高的镜片厚度。