[发明专利]用于HMD的光导、HMD以及用于在HMD中传输图像的方法

说明书

提供了一种用于HMD(1)的进行导光的光导(3)，该光导设置在HMD(1)中以放置在眼睛的前面。该光导(3)包括：‑至少一个输入耦合结构(5)，用于将被引导通过该光导(3)的光的光线耦合到该光导(3)中，其中，这些光线分别由波向量k表示，如果该光导(3)被放置在该眼睛的前面，这些波向量在由视轴(A)作为z轴、从颞部到鼻部延伸的x轴以及从尾部到颅延伸的y轴形成的坐标系中各自具有在xz平面上的带有绝对值k_xz投影、以及y分量k_y，以及‑至少一个输出耦合结构(7)，用于将被引导通过该光导(3)的光线耦合出该光导(3)。

技术领域

本发明涉及用于导光的光导，该光导可以用于要戴在头部上的显示器，该显示器又称为头戴式显示器或简称HMD。另外，本发明涉及一种HMD以及一种用于在HMD中传输图像的方法。

背景技术

一种常规形式的头戴式显示器使用屏幕，屏幕被戴在眼睛的前面、并且向使用者呈现比如计算机生成的图像或由相机记录的图像等电子图像。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，已经开发了能够将电子图像与直接感知到的周围环境的图像组合并因此向使用者呈现电子图像而不会妨碍对周围环境的直接感知的头戴式显示器。这种头戴式显示器(如果它们采用眼镜的形式，则在下文中被称为智能眼镜)使得能够在日常生活中利用这种技术。

当将电子图像与直接感知到的周围环境的图像组合时，在智能眼镜情况下，在这种组合可以基于的以下原理之间从本质上进行区分：

1.使用在前部附接有光束组合器(例如分束立方体)的普通眼镜。

2.从侧面并且从在眼镜镜片内侧朝眼睛的反射来将光输入耦合到头部与眼镜镜片之间，其中，衍射光栅、菲涅耳元件等以互补方式来使用。

3.通过眼镜镜片中的内反射引导电子图像的光，并且借助于输出耦合结构将电子图像的光束路径与周围环境的直接图像组合，该输出耦合结构被布置在眼镜镜片中并用于朝眼睛方向从眼镜镜片耦合出电子图像的光束路径。眼镜镜片在这里用作耦合进的光的光导。

尽管第一原理在光学上起到非常好的作用，但由于附接在前部的光束组合器向外非常明显且大，所以它的社会接受度非常低。此外，眼镜因此变得前部重。

第二原理仅在眼镜与头部之间的距离大大增加的情况下才能在解剖学上实现，这同样是不可接受的。

因此，更有希望的途径从第三原理开始，也即是说在眼镜镜片中引导光。在这种情况下，输出耦合结构可以被配置为衍射光栅、配置为部分透明的倾斜反射镜或者是部分透明的菲涅耳元件的形式。在衍射光栅的情况下，例如通过一级衍射最大值从眼镜镜片耦合出电子图像的光束路径，而通过零级衍射最大值，观察光可以尽可能少减弱地穿过输出耦合结构。

在根据上述第三原理操作的HMD中，来自由初始图像表示的场(以下称为初始图像场)的场点的发散光束被准直并在光导中通常被引导成为准直光束。光束的直径在此由成像设备的入射光瞳限定，光导是成像设备的一部分。光束的中心光线在下文中将被称为主光线。在出射光瞳的区域中测量的表示初始图像场的左右边缘的光束之间的角度或所述光束的主光线之间的角度被称为水平场角。在表示初始图像场的竖直边缘的光束之间或所述光束的主光线之间的在出射光瞳区域中测量的角度被称为竖直场角。在大的初始图像场的情况下，存在大的场角，主要是大的水平视场角，尤其是例如要表示16∶9格式的图像时。