CN109073896A - 用于成像光学单元的眼镜镜片以及数据护目镜 - Google Patents

Abstract

提供了一种用于成像光学单元的眼镜镜片(1)，该成像光学单元用于生成在图像发生器上呈现的初始图像的虚拟图像。该眼镜镜片包括：要面向眼睛的内表面(3)和要背向眼睛的外表面(5)；输入耦合段(7)，该输入耦合段用于在该眼镜镜片(1)的内表面(3)与外表面(5)之间耦合从该初始图像发出的成像光束路径；以及输出耦合结构(9)，该输出耦合结构存在于该眼镜镜片(1)中、用于从该眼镜镜片(1)朝眼睛方向耦合输出成像光束路径。该成像光束路径通过在内表面(3)与外表面(5)之间的反射而被引导至输出耦合结构(9)。在输入耦合段(7)与输出耦合结构(9)之间、在内表面(3)的区域中和/或在外表面(5)的区域中，存在至少一个反射表面(R3)，该至少一个反射表面当从眼镜镜片(1)的内部观看时是凹形弯曲的，所述反射表面的曲率不同于眼镜镜片(1)的内表面(3)和/或外表面(5)的基本曲率。

Description

用于成像光学单元的眼镜镜片以及数据护目镜

本发明涉及一种用于成像光学单元的眼镜镜片，该成像光学单元用于生成在图像发生器上展现的初始图像的虚拟图像。另外，本发明涉及成像光学单元和数据护目镜。

数据护目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屏幕，屏幕被配戴在眼睛前方、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。此类头戴式显示器(在下文中被称为数据护目镜)使得能够在日常生活中使用这种技术。

当将电子图像与直接感知到的周围环境的图像组合时，基本上在这种组合可基于的以下原则之间进行区分：

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.通过在眼镜镜片内侧的反射从侧面直接耦合输入光，其中衍射光栅、菲涅耳元件等以支撑方式来使用。

3.通过眼镜镜片中的全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，该输出耦合结构被安排在眼镜镜片中并用于从眼镜镜片耦合输出朝眼睛方向的电子图像的光束路径。例如，DE 10 2014 118 490 A1中描述了对应的眼镜镜片。

尽管第一个原则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，所以它具有非常低的社会接受度。此外，眼镜因此变得前部重。

第二个原则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个原则开始，即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镜或者呈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1阶衍射最大值从眼镜镜片耦合输出电子图像的光束路径，而通过0阶衍射最大值，观察光可以尽可能少地减弱地通过输出耦合结构。

然而，在耦合输出的过程中，出现了下面描述的基本问题，这尤其取决于所采用的原则。

当通过衍射光栅耦合输出电子图像的光束路径时，必须使用相同频率的光栅来用于光束路径的输入耦合和输出耦合，以便防止不合理的光谱扩散。在这种情况下，大大地限制了成像光线束的扩展量，在进一步解释的上下文中出于简化该扩展量可以被视为水平视场的视场角与可视区(eyebox)(成像光束路径中的光管的一个区域，在该区域中眼睛的瞳孔可以移动而不会发生图像的渐晕)的水平范围的乘积。这是因为，一方面，蓝光的衍射角的大小必须足以在玻璃中实现全内反射，但另一方面，红光的衍射角必须不超过90度。另外的因素是对水平视场的视场角的要求，其结果是此边界条件被进一步收紧。在这种情况下，衍射效率也是有问题的，因为衍射两次意味着损失了大量的光，此外实际上不可能实现光谱上的均质效率。

当通过倾斜镜耦合输出电子图像的光束路径时，公差可允许的最大眼镜镜片厚度构成硬限制。为了实现全内反射，输出耦合镜必须具有最小倾斜角。由于所述镜必须装配到出于美学原因而相对较薄的眼镜镜片中，因此它只能相对较窄，这意味着所传输的扩展量证明是非常低的。

当通过菲涅耳元件耦合输出电子图像的光束路径时，出现的缺点较少，因为此时首先没有光谱依赖性，其次菲涅耳元件与输出耦合镜不同、不需要相对于内表面或外表面倾斜。然而，即使在借助于菲涅耳元件耦合输出光束路径光束路径的情况下，也希望增加扩展量。

因此，本发明的目的是提供一种用于成像光学单元的眼镜镜片，该眼镜镜片能够实现更大的扩展量值。此外，本发明的目的是提供一种能够实现更大扩展量值的成像光学单元和数据护目镜。

第一个目的是通过如权利要求1所述的眼镜镜片而实现的，并且另一个目的是通过如权利要求12所述的成像光学单元和如权利要求15所述的数据护目镜而实现的。从属权利要求包含本发明的有利实施例。

一种根据本发明的用于生成在图像发生器上呈现的初始图像的虚拟图像的成像光学单元的眼镜镜片包括：要面向眼睛的内表面和要背向眼睛的外表面；输入耦合段，该输入耦合段用于在该眼镜镜片的内表面与外表面之间耦合从该初始图像发出的成像光束路径；以及输出耦合结构，该输出耦合结构存在于该眼镜镜片中并且用于从该眼镜镜片朝眼睛方向耦合输出该成像光束路径。这种情况下，该成像光束路径通过在该内表面与该外表面之间的反射而被引导至该输出耦合结构。在该输入耦合段与该输出耦合结构之间、在该内表面的区域中、和/或在该外表面的区域中，存在至少一个反射表面，该至少一个反射表面当从该眼镜镜片的内部观看时是凹形弯曲的(并且因此对该成像光束路径具有会聚效应)，并且该至少一个反射表面的曲率不同于该眼镜镜片的内表面和/或外表面的基本曲率。于是，该输出耦合结构优选地仅以光束偏转方式、也就是说没有会聚或发散效应进行配置。

利用凹形弯曲反射表面实现会聚效应，借助于会聚效应可以增加扩展量。如果反向地考虑穿过眼镜镜片的光束路径(也就是说从眼睛到输入耦合段，并且与实际路线相反)，朝输入耦合段的方向，借助于反射表面的会聚效应，可以以基本上准直的方式从可视区朝输入耦合段的方向对入射在输出耦合结构上的光线束执行聚焦。结果是，首先，由于首先沿着朝输入耦合段的方向这些反射表面的光束截面减缩，需要较小的侧向范围，其次，可以实现的是与没有凹形弯曲反射表面的眼镜镜片相比，在输入耦合段的区域中的光线束可以具有显著减小的光束截面，这有利于耦合到眼镜镜片中。结果是，可以减小图像发生器与眼镜镜片之间的空间要求，并且在最有利的情况下，可以省去迄今为止用于在眼镜镜片的内表面与外表面之间耦合从初始图像发出的成像光束路径的输入耦合单元。在这种情况下，图像发生器可以被直接安排在输入耦合段处或被直接安排在输入耦合段附近。在这两种情况下，输入耦合都是在输入耦合单元不介入的情况下进行的。

在根据本发明的眼镜镜片中，至少在输出耦合结构上游发生成像光束路径的最后反射的反射表面被配置为凹形弯曲反射表面。结果是，成像光束路径的光束截面减小(反向观察，也就是说从眼睛到输入耦合段，并且因此与实际路线相反)更早开始，使得对于给定视场角，后续反射表面的侧向范围可以保持尽可能小，或者对于后续反射表面的给定侧向范围，可以实现最大可能的视场角。此外，可以在具有长焦距的输入耦合段的区域中实现光束截面的减小，使得反射表面的曲率可以相对于眼镜镜片的内表面和/或外表面的基本曲率保持尽可能小。

如果至少在输出耦合结构上游发生成像光束路径的倒数第二次反射的反射表面被配置为凹形弯曲反射表面，则也是有利的，因为该反射表面位于眼镜镜片的与输出耦合结构相同的表面上，这伴有生产工程优势，因为两者于是都可以在共同的工作步骤中生产。如果凹形弯曲反射表面位于眼镜镜片的外表面，所述外表面当从眼镜镜片的内部观看时通常同样是凹形弯曲的，此外，与眼镜镜片的基本曲率的偏差不需要变得与在眼镜镜片的内表面处安排凹形弯曲反射表面的情况下一样大，所述内表面当从眼镜镜片的内部观看时总体上具有凸曲率。

不言而喻，还存在将这些反射表面中的两个或更多个反射表面配置为凹形弯曲反射表面的可能性，使得会聚效应可以在多个反射表面之间进行划分，这进而能够实现相应反射表面与它们所形成于其中的眼镜镜片表面的基本曲率的更小偏差。

在根据本发明的眼镜镜片中，成像光束路径的反射可以至少部分地基于内表面和/或外表面处的全内反射。在该眼镜镜片的一个实施例中，该至少一个凹形弯曲反射表面是在该眼镜镜片的内表面和/或外表面中形成的表面段，该表面段当从该眼镜镜片的内部观看时是凹形弯曲的，并且该表面段的曲率不同于该眼镜镜片的内表面和/或外表面的基本曲率。

原则上，全内反射可以在眼镜镜片与周围空气之间的界面处发生。然而，为了保护内表面和外表面或者为了实现特定的光学效应或期望的美学效果，内表面和/或外表面还可以设有涂层。在反射是基于全内反射的眼镜镜片的实施例的一种有利配置中，该眼镜镜片因此具有透明的主体，该主体具有第一折射率，输入耦合段位于在该主体中，并且成像光束路径被耦合到该主体中。所述主体具有与该眼镜镜片的内表面相对应的主体内表面、以及与该眼镜镜片的外表面相对应的主体外表面，并且该至少一个凹形弯曲表面段形成在该主体内表面中和/或形成在该主体外表面中。具有第二折射率的第一层位于主体内表面和/或主体外表面上的至少一个凹形弯曲表面段的区域中。第二折射率是相对于第一折射率来选择的，以使得成像光束路径的光线的全内反射发生在主体与第一层之间的界面处。换言之，第二折射率满足条件n₂＜n₁ sin(θ_E)，其中θ_E表示成像光束路径的从输入耦合段发出并入射在相应反射段上的光线的入射角，n₁表示第一折射率，并且n₂表示第二折射率，并且其中入射角θ按如下方式选择，即使得成像光束路径的至少50％的光线、特别是成像光束路径的至少75％的光线具有＞θ_E的入射角。这确保了反射表面上的成像光束路径的至少50％、特别是至少75％的光线以全内反射方式反射。对于图像亮度给定的初始图像，全内反射式反射的光线的比例越高，则可观察图像的外观就越亮。

在反射是基于全内反射的眼镜镜片的实施例的所述有利配置中，具有与基本材料的折射率相对应的折射率的第二层可以位于第一层上方。在本说明书的上下文中，彼此对应的折射率应理解为意指这样的折射率：即彼此相差不超过5‰、优选不超过1‰。结果是，反射表面对所透射的环境光线的光学效应最小化。特别地，第二层可以是具有与基本材料的折射率相对应的折射率的膜或包括这样的膜。第一层和/或第二层可以配置为粘合剂层，这伴有生产工程优势。特别地，第二层可以包括邻接第一层的粘合剂层和邻接该粘合剂层的膜，并且该膜具有与基本材料的折射率相对应的折射率。使用被配置为膜或包括膜的第二层使得眼镜镜片能够被封装以便保护第一层和镜片本身。此外，这使得眼镜镜片能够在表面附近设有附加功能。举例来说，为了实现太阳镜功能，可以使用吸收膜或偏振膜，以便降低到达使用者眼睛的太阳光的强度。

为了提高眼镜镜片的成像质量，在根据本发明的眼镜镜片中可能的是，具有至少部分校正成像像差的特性的自由形式表面被叠加在该至少一个凹形弯曲反射表面上。

一种根据本发明的用于生成虚拟图像的成像装置包括用于呈现初始图像的图像发生器、以及根据本发明的眼镜镜片。从关于根据本发明的眼镜镜片的解释中，用根据本发明的成像装置可以实现的优点是显而易见的，出于此原因，参考关于根据本发明的眼镜镜片的解释。特别地，根据本发明的成像装置提供了将图像发生器直接安排在输入耦合段或直接安排在输入耦合段附近的可能性，也就是说无需输入耦合单元的介入。然而，仍然存在在图像发生器与输入耦合段之间存在输入耦合单元的可能性，该输入耦合单元用于在眼镜镜片的内表面与外表面之间耦合从初始图像发出的成像光束路径。输入耦合单元可以被例如配置为具有成像效应的棱镜。

根据本发明的数据护目镜包括根据本发明的至少一个成像装置。同在根据本发明的成像装置的情况下一样，从关于根据本发明的眼镜镜片的解释中，用根据本发明的数据护目镜可以实现的优点是显而易见的，出于此原因，参考关于根据本发明的眼镜镜片的解释。

从以下示例性实施例的描述并参考附图，即可明白本发明的进一步特征、特性和优点。

图1展示了具有用于耦合输出成像光束路径的倾斜镜的常规眼镜镜片的覆盖区域重叠。

图2展示了具有用于耦合输出成像光束路径的衍射光栅或菲涅耳元件的常规眼镜镜片的覆盖区域重叠。

图3示出了具有用于耦合输出成像光束路径的倾斜会聚镜的常规眼镜镜片。

图4展示了对于具有用于耦合输出成像光束路径的菲涅耳元件的常规眼镜镜片，在输入耦合段的区域中成像光束路径的光束直径。

图5示出了根据本发明的眼镜镜片的第一示例性实施例，该眼镜镜片包括位于输入耦合段与输出耦合结构之间的凹形弯曲反射表面。

图6示出了根据本发明的眼镜镜片的第二示例性实施例，该眼镜镜片包括位于输入耦合段与输出耦合结构之间的凹形弯曲反射表面。

图7示出了根据本发明的眼镜镜片的第三示例性实施例，该眼镜镜片包括位于输入耦合段与输出耦合结构之间的凹形弯曲反射表面。

图8示出了数据护目镜的一个实例。

图9示出了用棱镜作为输入耦合单元的数据护目镜。

为了解释根据本发明的眼镜镜片的配置的效果，首先参考图1和图2，将讨论“覆盖区域重叠”的问题，所有三种输出耦合变体(衍射光栅、倾斜镜和菲涅耳元件)中都出现该问题，但解决该问题的成功度不同。

将参考图1描述具有用于耦合输出成像光束路径的倾斜输出耦合镜的常规眼镜镜片101的“覆盖区域重叠”的问题。该图示示出了眼镜镜片101的节选，该节选除眼镜镜片101的内表面103和外表面105以外还示出了输出耦合镜107，该输出耦合镜相对于外表面105倾斜一个倾斜角α。此外，图1示出了水平视场的视场角δ和可视区109。可视区109是成像光束路径中的光管的三维区域，在该三维区域中眼睛的瞳孔(图1中未展示出)可以移动，而不发生图像的渐晕。由于在数据护目镜的情况下，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转动移动的二维可视区。在这种情况下，可视区基本上对应于数据护目镜在眼睛的入射瞳孔位置处的出射瞳孔。入射瞳孔通常由眼镜的瞳孔给出。

虽然数据护目镜是成像光束路径利用其从图像发生器延伸到可视区109的***，但是为了理解“覆盖区域重叠”，有用的是考虑沿相反方向的光束路径，即从可视区109到图像发生器。因此，在下面的解释中将考虑从可视区109发出的光管，其中该光管的边界由从可视区的每个点朝眼镜镜片的方向传播的光线束的视野角δ确定。

从可视区109发出的光线(该光线在位于左侧最远处的点A被镜107反射)在镜107处反射和在内表面103的点111处全内反射之后在点B入射到眼镜镜片101的外表面105上。所述点B不再允许位于镜107上，因为否则光线将被镜107第二次反射并且结果是对于成像而言丢失。为了减少本实例中的“覆盖区域重叠”的问题，必须延长输出耦合镜107，以便因此增加点A与点B之间的距离，但是镜107的倾斜角α必须保持不变。然而，眼镜镜片厚度会因此而增大。对于可视区的预定宽度b、可视区与眼镜镜片101之间的预定距离I以及预定视场角δ，必要的眼镜镜片厚度d的计算规格读作：

d＝(b+l tanδ)tanα。

图2展示了衍射光栅或菲涅耳元件作为用于耦合输出成像光束路径的输出耦合结构112的常规眼镜镜片101的“覆盖区域重叠”的问题。在这种情况下，对于可视区的预定宽度b、可视区与眼镜镜片101之间的预定距离I以及预定视场角δ，必要的眼镜镜片厚度d的计算规格读作：

其中，在衍射光栅的情况下，角度α表示由衍射引起的光线偏转的角度。在菲涅耳元件的情况下，角度α表示菲涅耳元件的菲涅耳小面相对于眼镜镜片101的外表面105倾斜的倾斜角。上述公式包含一些近似值，但是这些近似值并不会歪曲基本关系。

已经从图2(具有与图1相同的比例)明显看出，明显更小的眼镜镜片厚度d、或者反过来说更大的扩展量在此是可能的。根据经验，适用的是，在每种情况下对于相同的眼镜镜片厚度，在衍射光栅或菲涅耳元件的情况下可能的扩展量大约是在图1中的倾斜镜的情况下可能的扩展量的两倍。

除了“覆盖区域重叠”之外，影响扩展量的另一个问题是成像光束路径中的光束直径随着在眼镜镜片中输入耦合段的方向上距输出耦合结构的距离的增加而增长。在倾斜输出耦合镜的情况下，可以通过为输出耦合镜提供会聚效应(凹面镜)来抵消这种情况。这在图3中示意性地展示出，该图示出了眼镜镜片101、倾斜凹面镜113以及输入耦合段115。在图3中明显看出，由于输出耦合镜的会聚效应，通过眼镜镜片101的输入耦合段115的光配合良好。

在衍射型输出耦合的情况下，虽然类似地可以将更多的衍射屈光力放入输出耦合光栅，但这在矫正技术方面实际上是无法管理的，因为甚至平面成像光栅也具有依赖于光谱的后焦点曲线，并且甚至其他更高阶的图像像差也是光谱可变的。

菲涅耳变体在这方面同样存在问题，因为必须确保从同一图像发生器点发出的光束区域被所有菲涅耳小面大致类似地偏转。否则图像性能将受到干扰。瞳孔在一定程度上通过菲涅耳化而被分段，并且必须通过菲涅耳元件的非成像行为来抵消。因此，基本上仅允许与DMD芯片类似的偏转。图4展示了由于菲涅耳元件112的非准直表现，光如何能够在困难非常大的情况下仅以不受阻碍的方式穿过护目镜的出射开口。特别是在衍射光栅或菲涅耳元件作为输出耦合结构112的情况下，随着距输出耦合结构的距离增大而成像光束路径中光束直径的增长构成了限制扩展量的因素。

图5示出了根据本发明的用于克服所讨论问题的眼镜镜片1的第一示例性实施例。眼镜镜片1具有要面向眼睛的内表面3和要背向眼睛的外表面5。此外，输入耦合段7存在于眼镜镜片的边缘处，通过该输入耦合段，从图像发生器(图5中未示出)上呈现的初始图像发出的成像光束路径在内表面3与外表面5之间耦合到眼镜镜片1中。眼镜镜片1包括菲涅耳元件9，在本示例性实施例中，该菲涅耳元件用作用于从眼镜镜片1朝眼睛(未展示出)的方向耦合输出成像光束路径的输出耦合结构。经由输入耦合段7耦合到眼镜镜片1中的成像光束路径的成像光线束通过反射表面R1、R2、R3和R4处的反射而被引导到菲涅耳元件9，然后通过该菲涅尔元件从眼镜镜片1朝可视区的方向耦合输出这些光线束。

在图5所展示的示例性实施例中，成像光线束到菲涅耳元件9的引导是通过反射表面R1、R2、R3和R4处的四次全内反射来实现的。在这种情况下，反射表面R1和R3的全内反射发生在眼镜镜片1的外表面5处，而反射表面R2和R4的全内反射发生在眼镜镜片1的内表面3处。在这种情况下，反射表面R1、R2和R4具有与眼镜镜片1的基本曲率相对应的曲率。眼镜镜片的基本曲率典型地是球形的，其中如果眼镜镜片不旨在补偿视力缺陷则这些半径大致相同，或者如果旨在补偿视力缺陷则这些半径可以是不同的。相比之下，反射表面R3当从眼镜镜片的内部观看时具有凹曲率，所述凹曲率偏离眼镜镜片1的外表面5的基本曲率。一般地，眼镜镜片1的外表面5的基本曲率当从眼镜镜片的内部观看时也是凹形的，但是反射表面R3的曲率按如下方式偏离基本曲率，即使得其相对于基本曲率具有增大的凹度。由于反射表面R3的这种额外的凹曲率，从可视区109发出的光线束被聚焦，其结果是可以在输入耦合段7之中或附近实现焦点。结果是，即使穿过相对较窄的输入耦合段7，光线束也可以耦合到眼镜镜片中，其结果是可以实现大的扩展量。应指出的是，在刚刚给出的考虑的情况下，成像光束路径再次是反向考虑的，也就是说从可视区109朝图像发生器的方向而不是从图像发生器朝可视区109的方向。

由于在根据本发明的眼镜镜片中，与图3的倾斜凹面镜的情况不同，输出耦合结构不会产生会聚效应，所以通过使用菲涅耳结构9作为输出耦合结构，该输出耦合结构可以主要用于光束偏转。结果是，在覆盖区域重叠方面，菲涅耳结构9的有利特性可以与凹面镜的会聚效应的优点相结合。由于凹形弯曲反射表面R3不需要相对于外表面5倾斜，不会产生对扩展量的限制，并且因此可以同时实现大扩展量、大视场角δ以及大的可视区。此外，输入耦合可以通过相对较窄的输入耦合段来执行，使得可以省去特定输入耦合结构(如果有的话)的设置。

为了比较：如果将扩展量E简化为水平视场的视场角δ与可视区的水平宽度的乘积，则在根据图2所展示的现有技术的眼镜镜片的情况下，对于4mm的玻璃厚度，产生4mm×7.5grd＝30mm*grd的扩展量E。相比之下，在根据如图5所展示的本发明的眼镜镜片的变体的情况下可以实现E＝8mm×12grd＝96mm*grd的扩展量。

图6中展示了根据本发明的眼镜镜片的第二示例性实施例。第二示例性实施例的眼镜镜片31与第一示例性实施例的眼镜镜片的不同之处在于，它具有呈眼镜镜片形式的主体32、菲涅耳结构39、以及被压入所述主体的外表面35(以下称为主体外表面)中的凹形反射表面R3。在主体外表面35上施加双层涂层41，其中紧邻反射表面R3和菲涅耳结构39的第一层43比主体32的材料具有更小的折射率，并且第二外层45具有与主体32的材料的折射率相匹配的折射率。在这种情况下，外层45的折射率的匹配被选择成使得在本示例性实施例中，所述折射率与主体材料的折射率相差不超过1‰。然而，取决于应用，还可以允许稍大的折射率差。然而，无论如何，外层45的折射率应当与主体材料的折射率相差不超过5‰。外层45向外具有适合于经涂覆的眼镜镜片31的外表面的曲率半径，并且该曲率半径基本上对应于主体32的基本曲率。涂层41可以防止凹形反射表面R3不利地影响穿过它的环境光。在这种情况下，具有小折射率的内层43确保了在反射表面R3的区域中和在菲涅耳小面的区域中，在主体32与涂层41之间的界面处发生全内反射。

为了在主体32与涂层41的内层43之间的界面处发生全内反射，成像光束路径的光线相对于旨在发生全内反射的表面元件的表面垂线的入射角θ_E必须大于发生全内反射的临界角θ_G。在这种情况下，临界角由第一折射率n₁(即，主体32的材料的折射率)与第二折射率n₂(即，涂层41的内层43的折射率)之比来确定，并且可以根据以下方程来计算

θ_G＝arcsin(n₂/n₁) (1)。

对于成像光束路径的光线在反射表面元件上的给定入射角θ_E，该角由主体32的设计和成像光束路径通过输入耦合段37耦合到主体32中而产生，并且对于主体32的材料的给定折射率n₁，可以确定在主体32与涂层41的内层43之间的界面处发生全内反射所需的折射率n₂。如果在反射表面元件处满足以下不等式

n2＜n1 sin(θ_E) (2)

则在此发生全内反射。由于sin(θ_E)始终小于或等于1，因此第二折射率n₂必须小于第一折射率n₁。比n₁小多少在此取决于表面元件上的入射角θ_E，并且因此取决于主体32的设计和成像光束路径到主体32中的耦合。

虽然涂层41仅需要存在于菲涅耳结构39和凹形反射表面R3的区域中，但如果涂层41被施加在整个主体外表面35上，如图6所示的示例性实施例中那样，则在生产工程方面是有利的。

在本发明的上下文中，还可以将这些反射表面中的多个反射表面构造为凹形反射表面并且因此具有会聚效应。在这种情况下，这些凹形反射表面可以既被安排在主体的内表面处又被安排在主体的外表面处。图7中展示了对应的示例性实施例。该图示出了包括主体52的眼镜镜片51，该主体具有要面向使用者眼睛的主体内表面53、以及要背向使用者眼睛的主体外表面55。此外，眼镜镜片51包括施加在主体内表面53和主体外表面55上的涂层59、61。

主体52在其边缘处设有输入耦合段57。通过输入耦合段57，从图像发生器63发出的成像光束路径的光线束在主体内表面53与主体外表面55之间耦合到主体52中。在主体52中，在本示例性实施例中的成像光束路径经由发生成像光线束的全内反射的三个反射表面TR1、TR2和TR3引导至呈菲涅耳元件65形式的输出耦合结构，通过该输出耦合结构，从眼镜镜片51朝使用者眼睛的方向耦合输出成像光束路径。

反射表面TR1和反射表面TR3形成在主体52的内表面53中，而反射表面TR2和菲涅耳结构65形成在主体52的外表面55中。例如，如果主体52由塑料注射成型而成，则反射表面TR1、TR2和TR3以及菲涅耳结构65可以通过合适的注塑模具压印到相应的主体表面中。

在图7所展示的示例性实施例中，所有三个反射表面TR1、TR2和TR3都具有凹曲率，以使得它们具有会聚效应。

施加在主体内表面53和主体外表面55上的涂层59、61在各种情况下由多个层构成。以紧邻主体内表面53和/或主体外表面55的方式施加具有小折射率的粘合剂层67。粘合剂层67的折射率在此被选择成使得在主体内表面53与粘合剂层67之间的界面处和/或在主体外表面55与粘合剂层67之间的界面处发生成像光束路径的全内反射。在这种情况下，从上述不等式2可以明显看出粘合剂层67的折射率必须满足的标准。

在本示例性实施例中，菲涅耳结构65的小面69以部分反射的方式实现，使得输出耦合不通过全内反射的方式进行。因此，在本示例性实施例中，具有小折射率的粘合剂层67未施加在菲涅耳结构65上。

在具有小折射率的粘合剂层67上，进一步的粘合剂层71位于主体内表面53和主体外表面55两者处，所述进一步的粘合剂层具有与主体52的折射率匹配的折射率，其方式为使得这两个折射率彼此相差不超过5‰、优选地彼此相差不超过1‰。这个折射率匹配的粘合剂层71位于整个低折射率粘合剂层上。此外，折射率匹配的粘合剂层71还被施加在菲涅耳结构65上。

在本示例性实施例中，保护膜73位于折射率匹配的粘合剂层71上，所述保护膜的折射率同样与主体52的折射率相匹配。对于保护膜73的折射率，同样适用的是，该折射率是相对于主体52的折射率选择的，使得这两个折射率彼此偏离不超过5‰、优选地不超过1‰。分别形成眼镜镜片外表面和眼镜镜片内表面的保护膜73的表面的曲率半径在各种情况下对应于眼镜镜片51的基本曲率，该基本曲率对应于主体52的基本曲率。

通过在小折射率粘合剂层67和/或菲涅耳结构65上施加多个折射率匹配的层或膜中的一个，可以防止环境光在穿过菲涅耳结构65和/或反射表面TR1、TR2和TR3时以使用者可感知的方式受到影响。

除了保护功能之外，本示例性实施例中使用的膜73还可以具有进一步的功能。在这方面，该膜可以配备有吸收功能或偏振功能，例如，使得眼镜镜片可以用作太阳镜的镜片。

在刚刚描述的示例性实施例中，使用了通过注射成型方法由有机玻璃生产的主体。然而，原则上，主体还可以由矿物玻璃生产而成。与图7所展示的示例性实施例不同，可以仅给主体外表面55中的反射表面TR2提供凹形效应。反射表面TR1和TR3的曲率则不会偏离主体52的基本曲率。由于在这种情况下，在主体内表面53的区域中，反射表面TR1和TR3没有会聚效应，反射表面TR1和TR3也不会不利地影响穿过眼镜镜片51的环境光，使得如果反射表面TR1和TR3被实施为它们不是凹形的，则可以省去主体内表面上的涂层***。不言而喻，还可以仅给主体内表面处的反射表面TR1和TR3提供会聚效应。在这种情况下，涂层***59将存在于主体内表面53上。由于主体外表面55中的反射表面TR2不具有会聚效应，所以不需要主体外表面55上的涂层***61。然后仅菲涅耳结构65填充有折射率匹配的材料，以便避免对穿过菲涅耳结构65的环境光造成负面影响。

在参考图7描述的示例性实施例中，还可以另外将反射表面TR1、TR2和TR3中的一个或多个反射表面与自由形式表面叠加，使得除了会聚效应之外还可以产生相应反射表面的成像像差减小效应。

下面描述了根据本发明的包括眼镜镜片的数据护目镜。该眼镜镜片是用于生成在图像发生器上展现的初始图像的虚拟图像的成像光学单元的一部分。图8中示出了对应的数据护目镜201。

数据护目镜201包括根据本发明的两个眼镜镜片203、205，这些眼镜镜片由具有两个眼镜镜腿209、211的眼镜架207固持。眼镜镜片203、205可以如示例性实施例中所述地进行配置。位于眼镜镜腿209、211中或者在眼镜镜腿209、211与相应的眼镜镜片203、205之间，例如邻接相应眼镜镜片的输入耦合段，存在图像发生器，该图像发生器可以被配置为液晶显示器(LCD或LCoS显示器，LCoS：硅上液晶)、基于发光二极管的显示器(LED显示器)、基于有机发光二极管的显示器(OLED显示器)等。作为成像光学单元的一部分，输入耦合单元可以被安排在图像发生器与眼镜镜片之间，该输入耦合单元支持通过输入耦合段将从图像发生器发出的成像光束路径输入耦合到眼镜镜片中。输入耦合单元可以被例如配置为具有入射表面、第一镜面表面和第二镜面表面的棱镜，并且可以由玻璃或透明塑料构成，其中入射表面和镜面表面由棱镜的表面形成。图9中示出了这样的、用棱镜93作为输入耦合单元的眼镜镜片91。图9中可以看到棱镜93的入射表面75和反射表面97、99。

已经基于示例性实施例出于解释的目的详细描述了本发明。然而，本领域技术人员认识到本发明不限于这些示例性实施例的配置。特别地，在所有示例性实施例中，可以给任意数量的反射表面提供会聚效应。同样地，在所有示例性实施例中，可以将任意数量的反射表面与自由形式表面叠加，以便矫正成像像差。此外，眼镜镜片中的光引导不必通过全内反射来执行。原则上，借助于以反射或部分反射方式实施的表面的光引导同样是可能的。此外，示例性实施例中提及的涂层可以包括比所述层更多的层或比所述层更少的层。举例来说，在参考图7描述的示例性实施例中，如果通过菲涅耳结构的输出耦合是通过全内反射来执行的，则可以省去折射率匹配的粘合剂层，还在菲涅耳结构上施加小折射率粘合剂，并且该粘合剂层适合作为固定保护膜的粘合剂。同样，在输入耦合段与输出耦合结构之间使用的全内反射的次数可以大于4或小于3。最后，还应指出的是，尽管示例性实施例中的输出耦合结构是菲涅耳结构，但本发明原则上还可以应用于包括衍射型输出耦合结构的眼镜镜片。也不排除将本发明与作为输出耦合结构的倾斜镜结合使用。因此，本发明旨在于仅受所附权利要求的限制。

Claims (15)

1.一种用于成像光学单元的眼镜镜片(1，31，51)，该成像光学单元用于生成在图像发生器(63)上展现的初始图像的虚拟图像，该眼镜镜片包括：

-要面向眼睛的内表面(3，33，53)和要背向眼睛的外表面(5，35，55)；

-输入耦合段(7，37，57)，该输入耦合段用于在该眼镜镜片的内表面(3，33，53)与外表面(5，35，55)之间耦合从该初始图像发出的成像光束路径(1，31，51)；以及

-输出耦合结构(9，39，65)，该输出耦合结构存在于该眼镜镜片(1，31，51)中并且用于从该眼镜镜片(1，31，51)朝眼睛方向耦合输出该成像光束路径，

其中该成像光束路径通过在该内表面(3，33，53)与该外表面(5，35，55)之间的反射而被引导至该输出耦合结构(9，39，65)，

其特征在于，

在该输入耦合段(7，37，57)与该输出耦合结构(9，39，65)之间、在该内表面(3，33，53)的区域中和/或在该外表面(5，35，55)的区域中，存在至少一个反射表面(R3，TR2)，该至少一个反射表面当从该眼镜镜片(1，31，51)的内部观看时是凹形弯曲的，并且该至少一个反射表面的曲率不同于该眼镜镜片(1，31，51)的内表面(3，33，53)和/或外表面(5，35，55)的基本曲率。

2.如权利要求1所述的眼镜镜片(1，31，51)，其特征在于，该输出耦合结构(9，39，64)仅以光束偏转方式进行配置。

3.如权利要求1或2所述的眼镜镜片(1，31，51)，其特征在于，至少在该输出耦合结构(39)上游发生该成像光束路径的最后反射的那个反射表面(TR3)被配置为凹形弯曲反射表面。

4.如前述权利要求中任一项所述的眼镜镜片(1，31，51)，其特征在于，至少在该输出耦合结构(9，39，65)上游发生该成像光束路径的倒数第二次反射的那个反射表面(R3，TR2)被配置为凹形弯曲反射表面。

5.如前述权利要求中任一项所述的眼镜镜片(1，31，51)，其特征在于，该成像光束路径的这些反射是基于该内表面(3，33，53)和/或该外表面(5，35，55)处的全内反射，并且该至少一个凹形弯曲反射表面(R1，R2，R3，R4，TR1，TR2，TR3)是在该眼镜镜片(1，31，51)的内表面(3，33，53)和/或外表面(5，35，55)中形成的表面段，该表面段当从该眼镜镜片(1，31，51)的内部观看时是凹形弯曲的，并且该表面段的曲率不同于该眼镜镜片(1，31，51)的内表面(3，33，53)和/或外表面(5，35，55)的基本曲率。

6.如权利要求5所述的眼镜镜片(31，51)，其特征在于，

-该眼镜镜片(31，51)具有透明的主体(32，52)，该主体具有第一折射率，该成像光束路径被耦合到该主体中，其中该主体(32，52)具有与该眼镜镜片(31，51)的内表面(13)相对应的主体内表面(33，53)、以及与该眼镜镜片(31，51)的外表面相对应的主体外表面(35，55)，并且该至少一个凹形弯曲表面段形成在该主体内表面(33，53)中和/或形成在该主体外表面(35，55)中，

-具有第二折射率的第一层(43，67)位于该主体内表面(33，53)和/或该主体外表面(35，55)上的该至少一个凹形弯曲表面段的区域中，该第二折射率是相对于该第一折射率来选择的，以使得该成像光束路径的光线的全内反射发生在该主体(32，52)与该第一层(43，67)之间的界面处。

7.如权利要求6所述的眼镜镜片(31，51)，其特征在于，具有与该主体(32，52)的材料的折射率相对应的折射率的至少一个第二层(45，71，73)位于该第一层(43，67)方。

8.如权利要求7所述的眼镜镜片(51)，其特征在于，该第二层是或包括具有与该主体(32，52)的材料的折射率相对应的折射率的膜(73)。

9.如权利要求6至8中任一项所述的眼镜镜片(51)，其特征在于，该第一层是或包括粘合剂层(67)，和/或该第二层是或包括粘合剂层(71)。

10.如权利要求8和9所述的眼镜镜片(51)，其特征在于，该第二层包括邻接该第一层(67)的粘合剂层(71)和邻接该粘合剂层(71)的膜(73)，并且该膜具有与该主体材料(32，52)的折射率相对应的折射率。

11.如前述权利要求中任一项所述的眼镜镜片(1，31，51)，其特征在于，具有矫正成像像差的特性的自由形式表面被叠加在该至少一个凹形弯曲反射表面(R1，R2，R3，R4，TR1，TR2，TR3)上。

12.一种用于生成虚拟图像的成像装置，包括用于展现初始图像的图像发生器(63)、以及如前述权利要求中任一项所述的眼镜镜片(51)。

13.如权利要求12所述的成像装置，其特征在于，该图像发生器(63)被直接安排在该输入耦合段(57)处或被直接安排在该输入耦合段(57)附近。

14.如权利要求12所述的成像装置，其特征在于，在该图像发生器(63)与该输入耦合段(57)之间存在输入耦合单元(93)，该输入耦合单元用于在该眼镜镜片(1，31，51)的内表面与外表面之间耦合从该初始图像发出的成像光束路径。

15.一种包括至少一个如权利要求12至14中任一项所述的成像装置的数据护目镜。