CN104520751B - 显示装置 - Google Patents
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Abstract
提供一种显示装置，具有：成像装置(8)，其具有多个像素，由像素发出用以产生图像的光束(L1、L2、L3)；用于控制成像装置(8)的控制单元(7)；以及成像光学器件(14)，成像光学器件包括具有正面(5、5’)和背面(6、6’)的光传导元件(3、4)，光传导元件具有构造在正面或背面(6、6’；5、5’)上的耦合输出光栅(10)和构造在正面或背面(5、5’；6、6’)上的耦合输入光栅(11)，其中，光束(L1‑L3)借助在耦合输入光栅(10)上的衍射耦合输入到光传导元件(3、4)中，在光传导元件(3、4)中借助内部全反射引导至耦合输出光栅(11)并且借助在耦合输出光栅(11)上的衍射以如下方式耦合输出：使用户能够观察到所产生的图像，其中，正面(5、5’)和/或背面(6、6’)弯曲地构造，并且成像光学器件(14)以如下方式设计：使光束(L1‑L3)与所属的像素的位置相关地最多以n次打到耦合输出光栅(11)上，其中，n为大于等于3的整数，并且光束(L1‑L3)与所属像素的位置相关地在1至m次先后打到耦合输出光栅(11)上时得到耦合输出，其中，m为大于等于1且小于n的整数，并且耦合输出最迟在第(n‑m+1)次打到耦合输出光栅上时开始。
Description
技术领域
本发明涉及一种具备权利要求1前序部分特征的显示装置。
背景技术
这样的显示装置例如由US 2010/0220295 A1公知，其中，光传导元件构造为平面平行的板，从而正面和背面分别是平坦的面。在这种情况下，相对简单的是：生成很大的眼动范围(成像光学器件的、用户眼睛能够在其中运动的范围，其中，用户始终都能观察到耦合输出的图像)。这能够以如下方式实现：顺次的多重耦合输出借助不起成像作用的耦合输出光栅来执行。
但当光传导元件具有弯曲的正面和/或弯曲的背面时，出现如下难点：在两个光栅之间以全反射传导的光束受到弯曲的正面和/或弯曲的背面的影响，从而在每次反射之后，基于光束传播的波呈现另一种状态。
发明内容
从上述内容出发，本发明的目的在于：以如下方式改进开头提到类型的显示装置：对于具有弯曲的正面和/或弯曲的背面的光传导元件，能够实现成像光学器件很大的眼动范围，同时还有足够大的视场。
根据本发明，所述目的在开头所述类型的显示装置中以如下方式实现：光传导元件的正面和/或背面弯曲地构造并且成像光学器件以如下方式设计：光束与所属像素的位置相关地最多以n次打到耦合输出光栅上，其中，n是大于等于3的整数，并且光束与所属像素的位置相关地在1次至m次先后打到输出光栅上时被耦合输出，其中，m为大于等于1且小于n的整数，并且耦合输出最迟在第(n-m+1)次打到输出光栅上时开始。
通过光束与所属像素的位置相关的耦合输出，耦合输出光栅能够以如下方式与所打上的光束相适配：所希望的眼动范围能够在同时预设的视场下实现。因为光束当其相继打到耦合输出光栅上时，分别打在不同的位置，所以为此所需的对于耦合输出光栅的相应适配容易实现。
当仅正面或仅背面弯曲地构造时，两个面中另外那个是平坦的。优选的是，正面和背面都弯曲地构造。
特别是耦合输入光栅和/或耦合输出光栅可以都构造为成像光栅。由此，还能够弥补成像缺陷，这种成像缺陷特别是因为光束以非常平的角度(基于通过全反射在光传导元件中的传导)打到耦合输出光栅上时出现。在此，特别是指像散现象或拖尾(Koma)。
耦合输入光栅和/或耦合输出光栅可以构造为反射光栅，特别是构造为反射体全息光栅或反射全息图。
耦合输入光栅和/或耦合输出光栅特别是可以构造在光传导元件的正面上。在此，正面是在正常使用时远离用户眼睛指向的面。
另外，耦合输出光栅被这样设计：其对于光束的衍射效率从第1次耦合输出至第m次耦合输出得到提高。由此，可行的是：在对于观察者可观察到的图像中尽可能均匀的强度。
另外，在光传导元件与成像装置之间可以布置有分度滤光片。附加地或可替换地，成像装置的出射的光强度可以呈现出与位置相关的变化。由此，又可以在对于用户可观察到的图像中实现尽可能均匀的强度。
光束的多次耦合输出特别是可以在成像光学器件的眼动范围内部分叠加。
另外，耦合输入光栅和耦合输出光栅可以分别是多个单光栅的叠加，这些单光栅依据不同的中频来设计，其中，耦合输入和耦合输出光栅的单光栅的中频分别成对重合。由此也实现了出色的白光成像。
显示装置还可以具有能够戴到用户头上的保持装置，成像装置和光传导元件固定在该保持装置上。保持装置特别是可以呈眼镜形状地构造。
光传导元件可以由玻璃或合成材料制造和/或构造为镜片。
光传导元件和耦合输出光栅特别是可以这样构造：用户能够观察到在与环境相叠加下所产生的图像。
根据本发明的显示装置也可以成为基于弯曲的光传导元件的扩束器。
不言而喻的是，前面提到的而且后面还要阐述的特征能够不仅以所给出的组合使用，而且也能够以其他组合或者单独使用，而不离开本发明的范围。
附图说明
下面，例如借助也公开了本发明关键特征的附图来详细阐述本发明。其中：
图1示出根据本发明的显示装置的实施方式的示意透视图；
图2示出根据图1的显示装置的一部分的放大俯视图；
图3a至图3e示出针对第一光束L1的不同耦合输出的根据图2的细节视图；
图4以瞳孔平面示出根据图3a至图3e的耦合输出的部分光束的俯视图；
图5a至图5e示出针对第二光束L2的不同耦合输出的根据图2的细节视图；
图6以瞳孔平面示出根据图5a至图5e的耦合输出的部分光束的俯视图；
图7a至图7e示出针对第三光束L3的不同耦合输出的根据图3a至图3e的细节视图；以及
图8以瞳孔平面示出根据图7a至图7e的耦合输出的部分光束的俯视图。
具体实施方式
在图1中所示的实施方式中，根据本发明的显示装置1包括：能够戴到用户头上的保持装置2，所述保持装置例如可以呈传统镜架类型地构造；以及呈第一和第二镜片形式的第一和第二光传导元件3、4，所述光传导元件固定在保持装置2上。
两个镜片3、4分别具有弯曲的正面5、5’和弯曲的背面6、6’。
在图2中，以示意俯视图在与根据本发明的显示装置1的其他部件相结合下示出第一镜片3。镜片具有1.5mm的厚度，其中，正面5和背面6的曲率半径分别为100mm。将PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)(zeomex)用作镜片3的材料。显示装置1还包括控制单元7、成像装置8(在这里例如构造为OLED模块)以及布置在成像装置8与第一镜片3之间的附加光学器件9。附加光学器件9可选地设置。
在第一镜片3的正面5上，彼此隔开间距地构造有分别作为反射全息图的耦合输入光栅10和耦合输出光栅11，所述光栅的功能在下面还要详细阐释。另外，在图2中示意绘出瞳孔12和佩戴根据本发明的显示装置1的用户的眼睛的视网膜13。另外，示出绘出三条光束L1、L2、L3从成像装置1到视网膜13的出射路径。
由成像装置8发出的光束L1-L3(每条光束L1-L3从成像装置8的多个像素之一发出)从附加光学器件9指向第一镜片3的背面6，经由背面6进入镜片3，并且打到耦合输入光栅10上。在耦合输入光栅10上，光线以如下方式发生反射和衍射：光线以发生内部全反射的角度打到背面6上。由此，光束L1-L3借助在背面6和正面5上的内部全反射被引导至耦合输出光栅11，所述耦合输出光栅于是以如下方式实现了光束L1-L3经背面6的耦合输出：使用户能够观察到由成像装置8产生的、作为虚拟图像的图像。由此，附加光学器件9在与第一镜片3和耦合输入及耦合输出光栅10、11相结合下形成成像光学器件14，所述成像光学器件向用户呈现借助成像装置8产生的、作为虚拟图像的图像。为了使用户能够观察到所述虚拟图像，用户眼睛的瞳孔12必须处在成像光学器件14的出射光瞳中。因为例如观察者的瞳距彼此不同，所以有利的是：成像光学器件14在y方向上的出射光瞳大于眼瞳12。在这种情况下，根据本发明的显示装置1可以由具有不同瞳距的不同用户所用。
为了使成像光学器件14在y方向上的出射光瞳或者成像光学器件14在y方向上的眼动范围(在其中用户眼睛能够运动并且用户始终还能观察到耦合输出的图像的范围)大于眼瞳并且同时在y方向上存在很大的视场，耦合输出光栅11以如下方式构造：该耦合输出光栅与成像装置8的相应像素的位置相关地当第一次打到耦合输出光栅11上时，在光束L1-L3中仅耦合输出一部分。耦合输出借助耦合输出光栅11的第一衍射构造来实现。余下部分则由耦合输出光栅11以如下方式反射到第一镜片3的背面6上(零级衍射)：相应的光束L1-L3和/或一部分相应的光束L1-L3当在背面6上发生内部全反射后重新在沿y方向与第一次打到光栅上的区域隔开间距的区域中打到耦合输出光栅11上。在光束L1-L3或者说光束部分中，又仅有一部分被耦合输出(一级衍射)。余下部分又被以如下方式反射到背面6上(零级衍射)：当在背面6上发生内部全反射后，光束L1-L3的光线或者部分光束又打到耦合输出光栅11上。耦合输出光栅11在这里以如下方式设计：最多执行5次耦合输出。由此，凭借每次耦合输出产生一个在y方向上彼此错开的分光束。耦合输出光栅11在这里以如下方式设计：光束L1-L3的相邻的分光束在出射光瞳的平面中分别部分叠加。
在这里介绍的实施方式中，提供给用户的视场具有12°×4°的尺寸，同时眼动范围的直径为7mm，其中，对于眼瞳采用3mm的直径。
在图3a至图3e中示意示出所提供的视场的+6°的上部视场角的各耦合输出。上部视场角在成像装置8上对应的是距成像装置8的中心为2mm的y值。在图3a中示出了：当光束L1第一次打到耦合输出光栅11上时发生的第一耦合输出进而还有第一分光束L11。然后，在图3b-图3e中示出了：当第二次至第五次打到光栅上时发生的第二次直第五次的耦合输出进而还有第二至第五分光束L12、L13、L14和L15。
如从图3a至图3e的图示中得悉，对于用户能观察到的光的主要部分来自第一次耦合输出(分光束L11)。一小部分来自第二次耦合输出(分光束L12)。第三至第五次耦合输出的光对于用户而言不再能观察到。因此，耦合输出光栅11被这样设计：光束尽可能全部通过第一和第二次耦合输出被耦合输出。因为第三至第五次耦合输出不会打到眼瞳12，所以对此不设计耦合输出光栅。相应的分光束L13至L15在用以获知所需光栅参数的常见优化计算中例如不在参考之列。
在图4中，在眼瞳12的平面上示出五次耦合输出的分光束L11至L15，其中，实际上没产生的而且仅为了阐释本发明而介绍的分光束L13至L15以虚线标绘。
在图5a至图5e中，以与图3a至图3e中相同方式针对中部视场角示出五次耦合输出，其中，入射角垂直于眼瞳12，这在成像装置上对应0mm的y值并且进而对应成像装置8的中心。在图6中以与图4中相同的方式示出眼瞳12关于五个分光束L11、L12、L13、L14、L15的位置。从根据图5a至图5e和图6的图示中可见：第三耦合输出L23为观察者提供了大多数的光。第二和第四耦合输出L22和L24仅以很少部分起到作用。因此，耦合输出光栅11被这样设计：第二光束L2的耦合输出在第二至第四次打到耦合输出光栅11上时发生。
在图7a至图7e中，以与图3a至图3e中相同的方式示出针对打到眼瞳12上的-6°的下部视场角的耦合输出，这对应距成像装置8的中心为-2mm的y值。在图8中，以根据图4的俯视图示出眼瞳12关于耦合输出的分光束L31、L32、L33、L34、L35的位置。从图7a至图7e和图8可见的是：光的主要部分出自第五耦合输出L35。第四耦合输出L34还贡献了很少的部分。因此，耦合输出光栅11以如下方式设计：第三光束L3的耦合输出在第四至第五次打到光栅上时实现。
耦合输出光栅11优选针对每次耦合输出具有最佳的光栅结构，其中，光栅结构优选以如下方式设计：针对用于多次相邻的耦合输出的视场角实现全等。对此可以理解为：在人眼分辨能力(＜1分钟)的范围内，打到视网膜13上相同的位置。也可以说：针对相邻的耦合输出，对于一个视场角存在相同的主发射角。这例如以如下方式实现：耦合输入光栅10还有耦合输出光栅11起成像作用地设计并且同时与第一镜片3的具体形式相结合地以如下方式来优化：一方面满足了对调制传递函数的需要，并且另一方面实现了所介绍的全等性。一般应用最多三次相邻的耦合输出的视场角，从而由此针对最多三次相邻的耦合输出来实现全等性，这在实践中能够很好地实现。
当耦合输入和耦合输出光栅10和11起成像作用地设计时，由于光束L1-L3斜向入射到耦合输出光栅11上而引起的成像缺陷(例如像散现象和拖尾)得到弥补。斜向入射到耦合输出光栅11上的情况是不可避免地存在的，这是因为光束L1-L3通过在第一镜片的正面和背面5、6上的内部全反射而被引导至耦合输出光栅11。
附加光学器件9被以如下方式设计：使成像装置的光束L1-L3作为准直化的光束打到镜片3上。但附加光学器件9也可以取消。在这种情况下，例如耦合输入光栅10可以承担准直化功能。
优选的是，成像光学器件14的入射光瞳安置到耦合输入光栅10上或其附近，以便使得成像装置8的所有像素的光束或光射束L1-L3在耦合输入光栅10上的光斑具有尽可能小的伸展。
另外，两个光栅10、11优选几乎具有相同的中频，以便使光谱相关性最小化。另外，两个光栅10、11可以具有几乎等大的基础散射率(Grunddispersion)，由此，一方面实现了：使光再次朝向眼睛的方向从镜片3中衍射出来。另一方面实现的是：与色彩相关的衍射角基本上得到补偿。由此，所有色彩在离开镜片3后分别尽可能朝相同的方向传播，从而能够防止发生明显的色散。为了实现全等性，相应的光束L1-L3的各次相邻的耦合输出对于所要求的目标成像点的对准或者说命中(Ablage)可以被作为评价参量结合到标准优化的价值函数中，也就是说，对于每个目标成像点对不同的可能的耦合输出支路(光可以在所述耦合输出支路上朝向目标成像点射来)关于成像品质(调制传递函数、像点尺寸等)加以优化，以及对叠加精确度加以优化。在此，自由度是光源的当全息图曝光时被用于产生两个光栅10、11的位置。基于相对小的镜片厚度，光波的由于在弯曲的镜片3、4上的全反射引起的干扰状态的差异针对相邻的耦合输出是相对较小的并且因此能够相当良好地优化。
此外，还可以将附加的修正光学器件(例如透镜、反光镜、计算机生成的全息图等)引入全息图的曝光结构中，以便实现附加的性能改善。
为了实现尽可能均匀的关于强度的场分布，例如可以使耦合输出光栅11的衍射效率随着耦合输出程度的升高而增加。这可以通过耦合输出光栅11的构型深度的适当走向来实现。由此，当第一耦合输出时，仅应用可能的衍射效率中的相对小的部分，并且衍射效率从第一耦合输出至最后的耦合输出逐渐升高。
另外可行的是，将分度滤光片(例如可变的灰色滤光片)布置在成像装置8的附近。同样可行的是，设置有成像装置的适配的、关于强度的、与位置相关的出射特征。
为了针对白光实现尽可能良好的结果，耦合输入光栅10和耦合输出光栅11分别构造为例如三个相应光栅的叠加结构，这三个光栅的中频被以如下方式设计：使针对相应的平均波长的光束发生叠加。在此情况下，例如可以分别将一个光栅对与红光、绿光和蓝光相协调。
效率特性的另一改良可以通过如下方式来实现：耦合输入和耦合输出光栅10、11实施为反射体全息光栅。
耦合输出光栅11被以如下方式设计：用户能够观察到与环境相叠加的、耦合输出的虚拟图像。另外，耦合输出和耦合输入光栅10、11分别在正面5上构造为反射光栅。
在根据本发明的显示装置中，光束L1-L3与成像装置的所属像素的位置相关地由此最多以n次打到耦合输出光栅上，其中，n是大于等于3的整数。在这里介绍的实施方式中，n等于5。另外，每条光束L1-L3与所属像素的位置相关地当1至m次先后打到耦合输出光栅11上时得到耦合输出，其中，m是大于等于1且小于n的整数。在这里介绍的实施方式中，m针对第一光束L1为2，针对第二光束L2为3，并且针对第三光束L3为2。相应光束L1-L3的耦合输出最迟在第(n-m+1)次打到耦合输出光栅时开始。对于第一光束L1，耦合输出在第一次打到耦合输出光栅11上时开始，对于第二光束L2，耦合输出在第二次打到耦合输出光栅11上时开始，并且对于第三光束L3，耦合输出在第四次打到耦合输出光栅11上时开始。
另外，在所介绍的实施方式中存在如下情形：为了对相应的光束进行所希望的耦合输出，需要两到三次耦合输出或衍射耦合输出。但也可以针对光束L1-L3中的至少一条仅需一次衍射耦合输出。
因为耦合输入光栅10必须以如此强度对光束L1-L3进行衍射：使得光束于是通过在镜片3中的内部全反射而得到引导，所以需要的光栅频率为大约1700-2300线/毫米，对于绿光，光栅频率例如需要约为2000线/毫米，对于红光，光栅频率例如需要约为1700线/毫米，并且对于蓝光，光栅频率例如需要约为2300线/毫米。于是，相同的情况适合于耦合输出光栅11，所述耦合输出光栅必须使借助全反射指向该耦合输出光栅的光束L1-L3朝向用户眼睛耦合输出。因此优选的是：耦合输入和耦合输出光栅10和11通过利用平面波和/或球形波的全息图曝光来构建。在此，曝光波长的位置设定是对于修正调制传递函数和全等性起决定性作用的修正参数。为了进行改进，特别是还能够以变形的波前或者说波阵面来工作。在此，当光栅曝光时可以将特殊的光学器件或者还有计算机生成的全息图用到曝光射线路径中，用以进一步改善整体性能。
所介绍的五次耦合输出仅被理解为是示例性的。当然也可以设置或多或少(但至少三次)次数的耦合输出。伴随更多的耦合输出，能够提供更大的视场。
在迄今所介绍的实施方式中，出发点在于：多次耦合输出仅沿一个方向(y方向)执行。当然也可以的是：以相同的方式沿第二方向(在这里例如为x方向)来执行多次的耦合输出，以便不仅扩大水平的视场(y方向)，而且例如也扩大竖直的视场(x方向)。
另外，迄今根据本发明的显示装置仅被介绍用于镜片(左侧镜片3)。根据本发明的显示装置可以这样构造：仅借助镜片(例如左侧镜片)产生附加的信息(成像装置8的图像)并且对于用户投射在其视野中。当然也可以的是：两个镜片都以上述方式构造，使得向用户的双眼投射信息。在这种情况下，信息也能够以如下方式投射，对于用户而言，产生所投射信息的三维图像印象或者说三维图像效果。
镜片3、4可以是用于矫正缺陷视力的眼镜。但所述镜片不一定是这种眼镜，其也可以是在视觉缺陷方面不具有光学矫正作用。
Claims (18)
1.一种显示装置，具有：
成像装置(8)，其具有多个像素，由所述像素发出用以产生图像的光束(L1、L2、L3)；
用于控制所述成像装置(8)的控制单元(7)；以及
成像光学器件(14)，所述成像光学器件包括具有正面(5、5’)和背面(6、6’)的光传导元件(3、4)，所述光传导元件具有构造在所述正面或背面(6、6’；5、5’)上的耦合输出光栅(10)和构造在所述正面或背面(5、5’；6、6’)上的耦合输入光栅(11)，
其中，所述光束(L1-L3)借助在所述耦合输入光栅(10)上的衍射耦合输入到所述光传导元件(3、4)中，在所述光传导元件(3、4)中借助内部全反射引导至耦合输出光栅(11)并且借助在所述耦合输出光栅(11)上的衍射以如下方式耦合输出：使用户能够观察到由光束所产生的图像，
其中，所述正面(5、5’)和/或所述背面(6、6’)弯曲地构造，并且所述成像光学器件(14)以如下方式设计：使所述光束(L1-L3)与所属的像素的位置相关地最多以n次打到所述耦合输出光栅(11)上，其中，n为大于等于3的整数，以及
所述光束(L1-L3)与所属像素的位置相关地在1至m次先后打到所述耦合输出光栅(11)上时得到耦合输出，其中，m为大于等于1且小于n的整数，并且耦合输出最迟在第(n-m+1)次打到耦合输出光栅上时开始。
2.根据权利要求1所述的显示装置，其中，所述耦合输入和/或耦合输出光栅(10、11)构造为成像光栅。
3.根据权利要求1所述的显示装置，其中，所述耦合输入和/或耦合输出光栅(10、11)构造为反射光栅。
4.根据权利要求2所述的显示装置，其中，所述耦合输入和/或耦合输出光栅(10、11)构造为反射光栅。
5.根据权利要求1所述的显示装置，其中，所述耦合输入和/或耦合输出光栅(10、11)构造在所述光传导元件(3、4)的所述正面(5、5’)上。
6.根据权利要求1所述的显示装置，其中，所述耦合输出光栅(11)以如下方式设计：所述耦合输出光栅针对光束(L1-L3)的衍射效率从第一次耦合输出至第m次耦合输出升高。
7.根据权利要求2所述的显示装置，其中，所述耦合输出光栅(11)以如下方式设计：所述耦合输出光栅针对光束(L1-L3)的衍射效率从第一次耦合输出至第m次耦合输出升高。
8.根据权利要求3所述的显示装置，其中，所述耦合输出光栅(11)以如下方式设计：所述耦合输出光栅针对光束(L1-L3)的衍射效率从第一次耦合输出至第m次耦合输出升高。
9.根据权利要求4所述的显示装置，其中，所述耦合输出光栅(11)以如下方式设计：所述耦合输出光栅针对光束(L1-L3)的衍射效率从第一次耦合输出至第m次耦合输出升高。
10.根据权利要求5所述的显示装置，其中，所述耦合输出光栅(11)以如下方式设计：所述耦合输出光栅针对光束(L1-L3)的衍射效率从第一次耦合输出至第m次耦合输出升高。
11.根据权利要求1所述的显示装置，其中，在所述光传导元件(3、4)与所述成像装置(8)之间布置有分度滤光片，以便在观察者能观察到的图像中实现均匀的强度。
12.根据权利要求1所述的显示装置，其中，所述成像装置(8)所发出的光强度呈现出与位置相关的变化，以便在观察者能观察到的图像中实现均匀的强度。
13.根据权利要求1所述的显示装置，其中，所述成像光学器件(14)的眼动范围的光束(L1-L3)的多次耦合输出发生部分叠加。
14.根据权利要求1所述的显示装置，其中，所述耦合输入和耦合输出光栅(10、11)分别是多个单光栅的叠加，所述单光栅依据不同的中频来设计，其中，用于所述耦合输入和耦合输出光栅的所述单光栅的中频分别成对地重合。
15.根据权利要求1所述的显示装置，其中，所述显示装置具有能够戴到用户头上的保持装置(12)，所述成像装置(8)和所述光传导元件(3、4)固定在所述保持装置上。
16.根据权利要求1所述的显示装置，其中，所述光传导元件(3、4)和所述耦合输出光栅(11)以如下方式构造：使得用户能够观察到在与环境相叠加下所产生的图像。
17.根据权利要求3所述的显示装置，其中，所述耦合输入和/或耦合输出光栅(10、11)构造为反射体全息光栅。
18.根据权利要求4所述的显示装置，其中，所述耦合输入和/或耦合输出光栅(10、11)构造为反射体全息光栅。
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| CP01 | Change in the name or title of a patent holder |
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