用于生成虚拟图像的光学系统以及智能眼镜的制作方法

1.本发明涉及一种用于生成由成像器装置提供的源图像的虚拟图像的光学系统，该光学系统包括要被配戴在眼睛前方的至少一个光导，该至少一个光导被设计为将从源图像出发并输入耦合到光导中的光束在光传播方向上朝向反射性的输出耦合装置引导，该反射性的输出耦合装置被设计为将光束从光导朝向眼睛输出耦合。
2.本发明还涉及具有这种光学系统的智能眼镜。


背景技术：

3.从文献wo 2016/102190 a1中已知开篇所阐述类型的光学系统和智能眼镜。
4.在开篇所阐述类型的光学系统可以用于所谓的头戴式显示器(hm)、即用于配戴在头部上的显示设备。一种常规形式的hm使用配戴在眼睛前方并且向使用者呈现计算机生成的图像或由相机所拍摄图像的屏幕。这种hm通常是体积庞大的并且不允许直接感知周围环境。近年来，已经开发了能够借助于允许使用者通过hm注视而向使用者呈现由相机拍摄的图像或计算机生成的图像而不阻碍对周围环境的直接感知的hm。这种hm、也称为智能眼镜允许在日常生活中使用这项技术。
5.这种智能眼镜的光学系统通常包括成像器装置、光导和输出耦合装置。通常借助于光导外表面处的全内反射在光导中传播的光从光导出发朝向使用者的眼睛的输出耦合可以通过不同的途径来实现，例如以反射、折射、衍射、全息等方式，或通过这些方式的组合来实现。智能眼镜的特点是对成像质量要求高，同时具有相对较大的视野。同时，这种头戴式系统的重点在于较轻的重量和紧凑性(较小的安装空间)，这要求在尽可能少的光学表面上对源图像进行成像以生成虚拟图像，然而，其结果是，进而仅有少数表面可用于补偿光学像差。对这种智能眼镜的进一步要求在于使用者的接受度，这尤其受智能眼镜外观的影响。特别地，光导的较小厚度值是期望的，因此智能眼镜的外观与传统眼镜没有显著差异。
6.对于由开篇所阐述的文献中已知的光学系统，在光导中传播的光借助于在具有多个反射的菲涅耳区段的连续自由形状的菲涅耳表面处的反射而输出耦合。如文献中所述，由于输出耦合装置靠近光学系统的出射光瞳和靠近眼睛的入射光瞳的相对位置，光学系统的光学成像质量非常依赖于自由形状的菲涅耳表面的表面精度和表面质量。然而，这种自由形状的菲涅耳表面的缺点在于，菲涅耳区段的菲涅耳表面的光学成像功能受限以及视野范围减小或减小的眼动范围(eyebox)大小。该眼动范围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。由于眼睛与智能眼镜的距离是基本上恒定的，因此可以将眼动范围减小到仅考虑眼睛的旋转运动的二维的眼动范围。在此情况下，在眼睛的入射光瞳的位置处，眼动范围基本上对应于智能眼镜的出射光瞳。通常，入射光瞳由眼睛的瞳孔给出。
7.镜面的自由形状的菲涅耳区段的非最佳的成像特性是由各个菲涅耳表面在眼睛的观察方向上的相互不连续的偏移引起的。各个菲涅耳区段在观察方向上的这种相互不连续的偏移不能将各个菲涅耳区段设计为使得通过两个相邻的菲涅耳区段能够实现足够好
的成像，这两个菲涅耳区段有助于对源图像的相同场点(feldpunktes)的成像。结果，只能将各个菲涅耳表面仅实施为平面镜，或者至多与平面镜的偏差很小。菲涅耳区段的其它缺点在于，阴影区域位于直接相邻的菲涅耳区段之间并且不被提供用于所使用的光的输出耦合，从而产生可能生成重影图像的多次反射。


技术实现要素：

8.本发明的目的是，开发一种开篇所阐述类型的光学系统，以便能够以更高的成像质量由源图像生成虚拟图像，其中，在保持系统的较小的安装尺寸的同时实现尽可能大的视野。
9.根据本发明实现该目的，方式为，在分别由成像器装置的第一成像器区域和与该第一成像器区域相邻的至少一个第二成像器区域提供源图像；输出耦合装置包括多个单镜，该多个单镜在该光传播方向上相应地彼此间隔开地布置，第一组单镜将从该第一成像器区域出发的第一光束从该光导出发朝向眼睛输出耦合，并且至少一个第二组单镜将从该至少一个第二成像器区域出发的第二光束从该光导出发朝向眼睛输出耦合；并且该第一组中的单镜和该至少一个第二组中的单镜在该光传播方向上以交替方式布置。
10.因此，根据本发明的光学系统的输出耦合装置包括多个单镜，该多个单镜在从成像器装置通向输出耦合装置的光导中在光传播方向上相应地彼此间隔开地布置。如果光学系统按预期被配戴在头部上，则光传播方向可以是水平方向。这些单镜优选地被实施为分开的镜，特别是实施微型镜。与由相互联接和邻接的菲涅耳区段组成的自由形状的菲涅耳镜面相比，具有彼此间隔开的单镜的输出耦合装置的设计方案的优点在于，这些单镜可以被实施为具有高成像质量所需的光学成像能力。光学系统的整体成像功能甚至可以由单镜提供。结果，可以例如在成像器装置的区域中省去附加的成像光学单元。
11.此外，根据本发明的光学系统被细分为两个或多个子系统。源图像由成像器装置的两个成像器区域、或由与对应于子系统的数量相对应的多于两个的成像器区域提供。在本发明的意义下，两个或多个成像器区域应理解为是指源图像由单个成像器的两个或多个相邻布置的成像器区域提供或由两个或多个相邻布置的独立成像器提供。在这里，源图像可以由每个可用的成像器区域完整提供，即根据成像器区域的数量多次提供源图像，或者每个成像器区域仅提供源图像的单独部分，这些单独部分一起产生完整源图像。
12.根据将光学系统细分为两个或多个子系统，输出耦合装置的单镜被细分为两个或多个组。每组单镜被分配给该多个成像器区域中的相应成像器区域，并且仅将从此成像器区域发出的光束从该光导出发朝向眼睛输出耦合。此外，两组或更多组单镜中的单镜在光传播方向上以交替方式布置。这意味着在光传播方向上紧邻的两个单镜属于两个不同的单镜组，并且因此这两个紧邻单镜将从两个不同的成像器区域发出的光束从光导输出耦合。由于使用者的眼睛一般可以同时看到两个紧邻的单镜，因此可靠地避免了源图像在虚拟图像中的缺失。仅需要确保的是，在使用者处始终产生相同的图像印象，与所感知到的光是否从一个成像器区域还是从另一个成像器区域发出无关。这可以通过将一个或多个成像器区域存储在软件中来实现，这确保了从源图像的同一场点发出的光束理想地叠加在视网膜上，以避免重像和比例失真。
13.根据本发明的光学系统的其它优点在于，该多组单镜中的每个单镜具有非常多的
光学成像自由度，例如单镜的自由形状多项式和/或单独倾斜的大量系数，使得通过根据本发明的光学系统可以获得非常好的成像质量并且不失真。
14.由于可以将整体光学成像作用传递到单镜，并且还可以借助于单镜的对准来单独地调整光导中的光引导方向，可以以最少的费用提供具有较大视野范围的非常窄的紧凑的hmd。如已经提到的，例如在成像器附近的光导的外角处，在理想情况下不需要如现有技术已知的hmd中所需的其它光学成像部件。
15.光在光导中的传播可以通过在光导的相对表面处的反射来实现。然而，在本发明的范围内，从源图像发出的光束也可以直接入射到单镜上而没有在先的反射。
16.下面描述根据本发明的光学系统的优选设计方案。
17.优选地，所有或一些的单镜具有弯曲的光学成像镜面。针对单镜的弯曲光学成像镜面的形状和针对单镜面的倾斜，可以提供许多光学自由度，从而可以获得最佳的光学成像质量。因此，可以将一些或所有的单镜的镜面实施为自由形状表面。
18.单镜的焦点优选地位于由第一成像器区域或至少一个第二成像器区域提供源图像的平面中。换句话说，在此设计方案中，源图像位于输出耦合装置的由这些单镜的焦点所跨越的焦平面内。因此，在从源图像发出的光进入光导中的输入耦合位置处，整体光束直径可以保持得很小。从源图像的单个场点出发并输入耦合到光导中的光束借助于单镜相应地转换为平行光束。然后，全体平行光束在光学系统的出射光瞳中重叠。
19.优选地，该第一组中在该光传播方向上相应地彼此相继的两个单镜的源图像侧的视野区域是不相交的，并且该至少一个第二组中在该光传播方向上相应地彼此相继的两个单镜的源图像侧的视野区域优选地同样是不相交的。
20.在设计方案中，在相应成像器区域上仅需要源图像的离散间隔开的源图像区域，从而不需要在每个成像器区域上提供整体源图像。由于相对于成像器区域单镜的距离以及因此焦距不同，如果这些焦距差将相应成像器区域存储在软件中则是有利的。
21.进一步优选地，在该第一组中的单镜的源图像侧的视野区域与属于该至少一个第二组并与此单镜直接相邻的单镜的源图像侧的视野区域之间存在重叠。
22.如上所述，将这些成像器区域的至少一个存储在软件中可以确保从源图像的同一场点的两个成像器区域发出的光束理想地彼此重叠在视网膜上，从而避免了重像和比例失真。
23.第一组中在光传播方向上相继的单镜之间的优选距离在3mm至5mm的范围内，并且可以是例如4mm。
24.这样的距离与成人的眼睛的大约为3mm通常大小的瞳孔很好地匹配。借助于所指定范围内的距离，眼睛始终仅同时看到每组中的一个单镜。
25.在光传播方向上在第一组中的单镜与紧邻第一组中的单镜的至少一个第二组的单镜之间的距离优选地在1mm至3mm的范围内。
26.因此，在典型的眼睛瞳孔大小为3mm的情况下，在光导的由使用者的眼睛以固定的观察方向同时观察的区域中，总是存在来自多个不同组中的相应一个单镜，从而来自所有成像器区域的光束同时有助于将同一场点从源图像传输到眼睛。
27.单镜优选设计成小型化，并且分别在光传播方向上的边缘尺寸的范围为从0.5mm至2mm。单镜可以是矩形的，更特别地是方形的，或者是圆形的。在圆形的情况下，边缘尺寸
应理解为是指单镜的直径。在垂直于光传播方向并平行于光导的外表面的方向上，单镜可以具有大于2mm的尺寸，即，单镜可以设计成条带状。
28.通过如上指定的单镜的尺寸设计来产生图像表示的足够好的分辨率。其次，单镜几乎不会影响光学系统的“透视”功能，从而使用者可以轻松地透过光导注视并感知周围环境。
29.单镜可以是全反射的，优点是虚拟图像的较高的对比度。然而，单镜也可以是部分反射且部分透射的，有利在于，单镜更少地损害透过光导对周围环境的感知。
30.单镜可以借助于光导的材料的折射率突变部来实现，从而使得这些单镜是部分反射且部分透射的。然而，单镜也可以通过嵌入光导中的反射性板的状元件来实现。
31.输出耦合装置可以具有单镜的阵列，其中，该阵列具有多行单镜，每行在该光传播方向上延伸，并且该第一组中的单镜和该至少一个第二组中的单镜在每行中以交替方式布置。如上所述，也可以选择条带状单镜的单行布置来代替多行布置。
32.优选地，该光导是眼镜镜片。应理解的是，这种眼镜镜片也可以由合成材料构成。
33.眼镜镜片通常是弯曲的。如上所述，基于具有单镜的输出耦合装置的设计方案，根据本发明的光学系统允许不受限制地使用弯曲的光导。因此，根据本发明的光学系统的特点是非常美观，从而有助于使用者接受。
34.此外，根据本发明提供具有根据一个或多个上述设计方案的光学系统的智能眼镜。
35.根据本发明的智能眼镜具有与根据本发明的上述光学系统相同的优点和特征。
36.根据以下描述和附图可以得出其它优点和特征。
37.不言而喻，在不脱离本发明的范围的情况下，上述特征和下面将要解释的特征不仅可以以分别指定的组合方式使用、还可以以其它组合方式使用或单独使用。
附图说明
38.在附图中示出本发明的实施例并且参照这些附图在下文中进行更详细地描述。其中：
39.图1示出用于从源图像生成虚拟图像的光学系统的俯视图；
40.图2示出光学系统的前视图；以及
41.图3示出图1中的具有光束路径的光学系统的另一俯视图。
具体实施方式
42.图1示出设有总附图标记10的光学系统，用于生成由成像器装置12提供的源图像的虚拟图像。在按预期使用时，光学系统10被配戴在使用者的头部上。图1示出光学系统10被配戴在头部上时的俯视图。
43.成像器装置12包括第一成像器区域14和第二成像器区域16。第一成像器区域14和第二成像器区域16彼此相邻布置并且可以是两个单独的显示器，或者两个成像器区域14和16可以是单个显示器的两个相邻布置的区域。图1中的直线15表示在两个成像器区域14与16之间的分隔线。
44.源图像可以作为由相机(未示出)生成的图像或视频或者作为计算机生成的图像
或视频而被提供在成像器区域14和16上。在每种情况下，源图像可以作为整体、即，完整地提供在两个成像器区域14和16上，或者仅单独的源图像区域提供在两个成像器14和16上，使得这些源图像区域的联合产生完整的源图像。
45.光学系统10还包括光导18，从由成像器区域14和16提供的源图像发出的光被输入耦合到该光导中。下面将参考图3描述从成像器14和16出发到使用者的眼睛的光束路径。
46.光导18被实施为可以由玻璃或合成材料制成的眼镜镜片。当按预期使用时，光导18被配戴在使用者的眼睛19前方。在所示的实施例中，该眼睛是使用者的左眼。如图所示，光导18特别地可以是弯曲的，就像常规眼镜镜片的情况一样。
47.图1示出光导18的俯视图，即眼镜镜片的上部较窄侧的俯视图。为了便于描述，图1中示出具有z轴、x轴和y轴的坐标系，y轴垂直于图1中的附图平面延伸。x轴是光在光导18中的光传播方向，并且当光学系统10被配戴在使用者的头部上时在水平方向上延伸。z方向是眼睛19的透过光导18的观察方向。因此，y方向表示竖直方向。
48.光导18包括第一外表面20和第二外表面22。当光学系统10被配戴在使用者的头部上时，外表面20形成光导18的背离眼睛19的前外表面，并且外表面22形成光导18的面向使用者眼睛19的后外表面。
49.在这两个外表面20与22之间，从成像器14和16出发的输入耦合到光导18中的光可以必要时通过在外表面20和22处的全内反射或在没有反射的情况下在光导18中传播。在本说明书中，光的传播主方向(x方向)被称为光导18的光传播方向。
50.此外，光学系统10包括输出耦合装置24，如下文仍将描述的，该输出耦合装置用于将从成像器区域14和16出发的输入耦合到光导18中的光束离开光导18朝向眼睛19输出耦合。
51.首先还参考图2描述输出耦合装置24。图2中未示出成像器装置12。
52.根据图1和图2，输出耦合装置24包括多个单镜261至267和271至277。在本说明书中，术语“镜”应理解为镜的镜面的同义词，因为单镜既没有框架也没有安装件。单镜261至267与单镜271至277在光导18的光传播方向上相应地彼此间隔开。单镜261至267形成第一行单镜，第一行单镜在光导18的光传播方向上延伸；并且单镜271至277形成第二行单镜，第二行单镜同样在光导18的光传播方向上延伸并且垂直于光传播方向(在y方向上)与第一行单镜261至267间隔开。单镜的总数和单镜的行数在这里均应当理解为仅是示例性的，其中单镜的总数可以大于或小于附图中所示的总数，并且可以提供多于或少于两行的单镜。举例来说，代替第二行单镜271至277，可以仅存在一行单镜261至267，单镜261至267则优选地具有比在y方向上所示的更大的延伸范围。举例来说，单镜261至267可以在y方向上一直延伸到单镜271至277的下边缘(在y方向上)在所示实施例中所处的位置。
53.单镜261至267和单镜271至277被嵌入在光导18中并且可以被实施为光导18的材料的折射率突变部、或例如被实施为反射板(例如非常薄的金属板)，这些反射板被嵌入在光导18的材料中。
54.根据成像器的数量，在这种情况下是两个成像器区域14和16，单镜261至267和单镜271至277被分组，在这种情况下分为两组。第一组单镜261、263、265和267与单镜271、273、275和277被布置和设计为仅将从两个成像器区域14或16中的一个发出的光束离开光导18朝向眼睛19输出耦合，并且第二组单镜262、264、266和单镜272、274、276被设计为仅将从两个成像
器区域14和16中的另一个发出的光束朝向眼睛输出耦合。为了更容易区分，第一组中的单镜261、263、265、267和271、273、275、277用阴影示出，而第二组中的单镜262、264、266和272、274、276以白色示出。
55.如从图2看出的，第一组单镜中的单镜在光导18的光传播方向(x方向)上与第二组单镜中的单镜交替。因此，彼此紧邻的单镜、例如单镜266和267分别属于两个不同的单镜组。
56.在第一组中的在光导18的光传播方向上彼此相继的单镜271、273、275、277之间的间距d1(如针对单镜273和275所示)在3mm至5mm的范围内，例如是4mm。间距d1等于或大于成人的约为3mm的眼睛瞳孔大小。在第二组中的在光导18的光传播方向上彼此相继的单镜262、264、266或272、274、276之间的间距d2(如针对单镜264和266所示，)同样在3mm至5mm的范围内，例如是4mm。
57.在光传播方向上第一组中的相应单镜与直接与该单镜相邻的至少一个第二组单镜之间的距离d3(如针对单镜266和267所示)在1mm至3mm的范围内，例如是2mm。
58.图2中的圆形线28表示在固定的观察方向(z方向)的情况下，输出耦合装置24的由具有大约3mm瞳孔大小的眼睛19同时观察到的区域。因此，由圆形线28表示的该区域的直径小于同一组的相邻单镜之间的距离d2或d1。因此，眼睛19不会在光导18的光传播方向上同时看到同一组的两个彼此相继的单镜，而是通常可以并且将同时看到来自不同组的两个紧邻的单镜。
59.在图2中，单镜261至267和单镜271至277被示出为方形的单镜，然而这仅是示例性的。一般而言，单镜也可以实施成多边形或圆形。单镜的大小可以被小型化，例如在0.5mm至2mm的范围内，这应理解为是指单镜在光传播方向上的边缘尺寸。举例来说，单镜261至267和单镜271至277在光传播方向上分别具有1mm的边缘尺寸。它们可以在y方向上具有更大的尺寸，特别是当仅存在一行单镜时尤其如此。
60.参考图3还描述光学系统10的进一步细节。图3示出从成像器区域14和16出发直到光学系统10的出射光瞳30的总光束路径。如果光学系统图10被配戴在使用者的头部上，出射光瞳30与使用者的眼睛19(图1)的入射光瞳或眼动范围大致重合。使用者看到源图像的虚拟图像，该虚拟图像看起来与实际感知的周围环境重叠在光导18的外表面20之外。
61.图3以示例方式示出七个光束，其中，从成像器区域16发出的光束321、322和323由虚线表示，并且从成像器区域14发出的光束341、342、343、344用实线示出。
62.在从由成像器区域14和16提供的源图像出发输入耦合到光导18中之后，在所示的实施例中在外表面20和22处的反射、特别是全内反射下，光束321至323和光束341至344在光导18中在光导18的光传播方向上被引导到输出耦合装置24。从成像器区域16发出的光束321、322、323入射到第二组单镜中的单镜266、264、262上。从成像器区域14发出的光束341、342、343、344入射到第一组单镜中的单镜267、265、263、261上。在图3中看不到单镜271到277，然而，对于单镜261至267同样适用。在其它实施变型方案中，单个光束或所有光束321至323和341至344可以在输入耦合到光导18之后直接入射到单镜上，而在此之前没有因反射而进行一次或多次偏转。
63.如果考虑到源图像的从来自成像器区域14和来自成像器区域16的至少大致相同的场点发出的光束321和341，则这些光束入射到紧邻的单镜266和267上，这些单镜属于如上所述的不同单镜组。如上文参考图2中的圆形线28已经描述的，两个单镜266和267位于光导
18的由使用者的眼睛19同时观察到的区域内。将成像器区域14或16中的一个或两个存储在软件中可以确保从源图像的同一场点发出的光束理想地覆盖在眼睛的视网膜上，以避免重像和比例失真。
64.如图3所示，单镜261至267(同样地单镜271至277)分别具有弯曲的光学成像镜面。特别地，所有单镜都可以被实施为具有弯曲的光学成像镜面。单个或所有的单镜261至267和271至277的镜面可以被实施为自由形状表面。由于具有单镜的输出耦合装置24的配置，在单镜的光学设计中对于光学成像具有非常大的自由度，因此由源图像生成的虚拟图像的质量可以得到优化。
65.从图3进一步看出，单镜261至267的焦点位于源图像的平面36中(同样适用于单镜271至277)。由于相对于成像器区域14和16单镜的距离以及因此焦距不同，如果这些焦距差将成像器区域14和/或16存储在软件中则是有利的。
66.基于在光传播方向上同一组的相继的单镜之间的被选择为等于或大于眼睛瞳孔的瞳孔大小的距离d1或d2，同一组中在光传播方向上彼此相继的两个相应的单镜的源图像侧的视野区域是不相交的。相比之下，在属于第一组和第二组的紧邻的单镜的源图像侧的视野区域之间彼此重叠。如前所述，通过将成像器14和16之一存储在软件中可以确保由使用者的眼睛19同时观察到的这些视野区域最佳地彼此位于出射光瞳30中。
67.由于借助于多个单镜261至267和271至277的输出耦合装置24的设计方案，这些单镜优选地产生用于从源图像生成虚拟图像的整体光学成像效果。
68.单镜261至267或单镜271至277对于可见光谱中的光可以是完反射的或部分反射/部分透射的。在单镜的全反射的设计方案的情况下和在其部分反射/部分透射的设计方案的情况下，都确保光学系统10的“透视”功能。
69.在一个示例中，可以实施为眼镜镜片的光导18具有大约5mm的厚度(在z方向上)。举例来说，光导18可以具有100mm的曲率半径。通过这些参数允许在水平方向上获得光学系统10的45
°
的视野，这已经是非常好的情况。
70.应理解的是，图1、图2和图3中的图示被显著放大。实际上，光导18的延伸范围总体上对应于普通的眼镜镜片的延伸范围。
71.此外，光学系统10不仅可以细分为如附图所示具有两个成像器区域和两组单镜的两个子系统，还可以细分为具有对应数量成像器区域和单镜组的三个或更多子系统。
72.光学系统10优选地被实施为一种智能眼镜，或智能眼镜包括这种系统10。