[发明专利]用于产生虚拟图像的成像光学系统的眼镜镜片以及用于生产此类眼镜镜片的方法

说明书

本发明涉及一种用于成像光学系统的眼镜镜片(3)，该成像光学系统用于产生图像产生器(21)上所呈现的初始图像的虚拟图像。该眼镜镜片(3)具有面向眼睛的内表面(13)以及背向眼睛的外表面(17)。此外，该眼镜镜片(3)中存在用于将成像光束路径耦合在该内表面(13)与该外表面(17)之间的耦合入区段(25)、以及用于将该成像光束路径沿眼睛的方向耦合到该眼镜镜片(3)之外的耦合出结构(31)，其中该耦合入区段(25)安排在该眼镜镜片(3)中，其方式为使得通过该耦合入区段(25)耦合到该眼镜镜片(3)内的成像光束路径借助于该眼镜镜片(3)的该内表面(13)与该外表面(17)之间的反射而被引导至该耦合出结构(31)。在该眼镜镜片(3)中，在该耦合入区段(25)与该耦合出结构(31)之间存在边缘调整部(37)。该边缘调整部是通过该内表面(13)的对应成形而实现的。在该眼镜镜片(3)的供眼睛在直视前方的情况下看透的区域中，该内表面(13)具有的曲率基本上与有或没有屈光不正矫正的眼镜镜片的典型内表面的曲率相近似，其近似程度为在直视前方的情况下没有由该内表面引入的可感知到的光学像差。在该边缘调整部(37)的区域中，该内表面(3)具有的形状与该典型内表面的曲率偏差更明显，该形状使得能够将通过该耦合入区段(25)耦合到该眼镜镜片(3)内的成像光束路径通过该眼镜镜片(3)的该内表面(13)与该外表面(17)之间的反射而被引导至该耦合出结构(31)。该眼镜镜片(3)的整个内表面(13)是用单一自由形式表面来描述的。

本发明涉及一种用于产生虚拟图像的成像光学单元以及一种用于这种类型的成像光学单元的眼镜镜片。此外，本发明还涉及一种生产用于产生虚拟图像的成像光学单元的眼镜镜片、以及一种在生产该眼镜镜片的方法中使用的眼镜镜片半成品。

数据眼镜是特殊形式的头戴式显示器。一种常规形式的头戴式显示器使用被配戴在眼睛前方、并且向使用者呈现计算机产生图像或相机所拍摄图像的屏幕。此类头戴式显示器通常体积庞大并且不允许直接感知周围环境。近年来，已经开发了能够向用户呈现由相机拍摄的图像、或计算机产生的图像而不阻碍对周围环境的直接感知的头戴式显示器。此类头戴式显示器(在下文中被称为数据眼镜)使得能够在日常生活中使用这种技术。

数据眼镜可以以不同的类型提供。一种类型的数据眼镜(其突出之处尤其在于其紧凑性和美学接受度)是基于该眼镜镜片中的波导原理。在这种情况下，由图像产生器产生的光在眼镜镜片外被准直、并且经由眼镜镜片的端面耦合到其内，该光由此通过多次反射传播到眼睛前方的点。位于那里的光学元件接着将该光沿眼睛瞳孔的方向耦合出。在这种情况下，可以以衍射、反射、或折射的方式来输入耦合到眼镜镜片内以及从眼镜镜片进行输出耦合。在衍射输入或输出耦合的情况下，具有大致相同数量的线的衍射光栅被用作输入和输出耦合元件，各个光栅的大色散效应被相互补偿。例如，在US 2006/0126181 A1和US2010/0220295 A1中描述了基于衍射光栅的输入和输出耦合元件。在US 2012/0002294 A1中描述了包括反射或折射输入或输出耦合元件的数据眼镜的实例。

其中的成像光束从输入耦合元件通过多次反射引导到输出耦合元件的数据眼镜共有的问题是所谓的“覆盖区域重叠”的问题，而不论衍射、反射、还是折射元件被用作输入和输出耦合元件。以下参照图1和2更详细地解释这个问题，这个问题限制了数据眼镜在可视区(eyebox)位置处的视场(FOV)的大小以及出射光瞳的大小，并且因此需要相对高的眼镜镜片厚度。

该可视区是在眼睛瞳孔可以沿其移动的成像光束路径中光管的不发生图像渐晕的三维区域。由于在数据眼镜的情况下，眼睛相对于数据眼镜的距离是基本上恒定的，因此可视区可能减小到仅考虑眼睛的旋转移动的二维可视区。在这种情况下，该可视区基本上对应于数据眼镜在眼睛的入射光瞳位置处的出射光瞳。该入射光瞳通常由眼镜瞳孔给出。虽然数据眼镜是成像光束路径从图像产生器延伸到数据眼镜的出射光瞳的系统，但是为了理解“覆盖区域重叠”，有利的是考虑沿相反方向的光束路径，即从出射光瞳到图像产生器。因此，在下面的说明中将考虑从数据眼镜的出射光瞳发出的光管，其中该光管的边界由从可视区的每个点沿眼镜镜片的方向传播的光束的视野角度确定。