专利名称：包括多功能镜片的显示装置，制造方法以及具有菲涅耳结构的光学元件的利记博彩app
技术领域：
本发明涉及一种根据权利要求1前序部分的显示装置、一种用于制造该显示装置的多功能镜片的方法，以及一种具有光学有效表面的光学元件，该光学有效表面至少部分具有多个菲涅耳片的菲涅耳结构。
背景技术：
具有菲涅耳结构的光学元件常用于减小安装空间，例如在照明透镜系统的情况。 在这种情况下，例如可采用旋转对称菲涅耳结构以及复曲面菲涅耳结构。用于光反射传输以及在背投影设备中进行光学成像的旋转对称式菲涅耳透镜由美国第6989992B2号而公知。用于照明透镜系统在反射中工作且具有凹陷菲涅耳结构的旋转对称式菲涅耳透镜由美国第7178947B2号而公知。作为成形光线的反射中工作且自圆柱形剖面形状开始的菲涅耳结构进一步由美国第4510560号而公知。通过根据开头所述类型的显示装置，问题往往会在将生成的图像耦合至多功能镜片时发生，从而其随后被导入到没有中断图像错误出现的耦合输出区。
发明内容
由此开始，本发明的目的是为了改进开头所述类型的显示装置，从而尽可能地避免耦合输入出现中断的图像错误。此外，还提供了一种用于制造这种显示装置的多功能镜片的方法。在开头所述类型的显示装置的情况下可实现该目的，在该显示装置中耦合输入区包括菲涅耳结构，其在将图像耦合至多功能镜片期间产生光束的弯曲，且具有成像特性。因此可实现该耦合输入，从而图像被导入多功能镜片中以至导入耦合输出区(例如通过全内反射)。此外，中断的图像错误可借助于成像特性而有效地消除。菲涅耳结构可特别地在多功能镜片材料的边界表面处形成，其中该材料的边界表面特别地是弯曲的材料边界表面。由此，可为多功能镜片提供很大的设计自由度，其几乎没有或根本不受耦合输入区的必要光学功能所限制，因为借助于菲涅耳结构可实现耦合输入区的光学功能。菲涅耳结构可被形成为透射式或反射式。如果其被形成为透射式，其优选地形成在面向图像生成模块的多功能镜片的材料边界表面上。如果菲涅耳结构为反射式，其优选地形成在面向远离图像生成模块的多功能镜片的材料边界表面上。菲涅耳结构可具有多个菲涅耳片，其中菲涅耳片的光学有效面光学地对应于虚拟的光学有效表面，该虚拟的光学有效表面为弯曲的且既不具有镜面对称性也不具有旋转对称性。此外，该光学有效表面优选地还不具有平移对称性。通过这个光学有效表面，即使在多功能镜片的材料边界表面上形成的菲涅耳结构是弯曲的，也可实现光束路径所希望的弯曲以及所希望的成像特性。
对菲涅耳结构而言，每一面的最大高度优选地为相同。其例如在5μπι-500μπι的范围，优选地在0. Olmm-O. 1謹的范围，更优选地在200 μ m-300 μ m以及0. 05mm-0. 3謹的范围。面的形状可以是近似的，特别是与虚拟有效表面的相应表面区域的形状近似。特别地，该面在截面上可以为凹形或凸形。菲涅耳片可直接相邻，正如“标准”菲涅耳结构的情况。但可能的是，菲涅耳结构为相互间隔，其中材料边界表面的普通层随后被引入它们之间。进一步提供了一种用于制造根据本发明的显示装置的多功能镜片的方法，其中菲涅耳结构具有一成像特性，也具有在多功能镜片的耦合输入区中形成光束路径的弯曲特性。通过该方法，可以容易地制作用于根据本发明的显示装置的多功能镜片，并因此而容易地制作根据本发明的显示装置本身。在制造方法中，菲涅耳结构可被形成在多功能镜片的曲面材料界面表面上。因此， 多功能镜片本身(其形状及曲率)的设计耦合可实质上通过其耦合输入区来实现。一旦多功能镜片的形状被固定，就可以计算和制造用于耦合输入区的菲涅耳结构。在该方法中，菲涅耳结构可具有多个菲涅耳片，其中菲涅耳片的光学有效面被形成，以便它们光学地对应于虚拟的光学有效面，该光学有效面为曲面，且既不具有镜面对称性也不具有旋转对称性。特别地，光学作用面还不具有平移对称性。在根据本发明的制造方法中，多功能镜片可基于制造数据来制造，该制造数据通过将光学模型表面划分为多个高度的区域来计算产生，并且计算地将单个高度区域的表面区域或这些表面区域的相近部分配置在基础面上，以便它们光学地对应于光学有效表面。 多个高度区域的划分可在恒定的高度下进行，或者也可以在变化的高度下进行。特别地，该高度在5μπι-500μπι的范围，也在0. Olmm-O. Imm的范围。更优选地在200 μ m_300 μ m禾口 0. 05mm-0. 3mm 的范围。高度区域可特别地挑选，从而在每个情况下，到基础表面的距离都恒定。表面区域或者表面区域的邻近区域可计算地被配置在平坦的或弯曲的基础表面上。特别地，弯曲的基础表面的配置方式是有利的，在这种情况下，多功能镜片的材料界面表面也可以是弯曲的。特别地，采用线性的邻近区域来作为表面区域的邻近区域。然而，任何其他类型的邻近区域也是可能的。可形成该面，以便所有面的最大高度都相同。特别地，可开发根据本发明的制造方法，从而可制造根据本发明的显示装置的多功能镜片(包括所有产品)。此外，提供了一种具有光学有效表面的光学元件，该光学有效表面至少部分具有多个菲涅耳片的菲涅耳结构，其中菲涅耳片的光学有效面光学地对应于弯曲的虚拟光学有效表面，其并不具有镜像对称性或旋转对称性。光学元件因此可以被广泛地用于不同的领域。特别地，光学元件可被形成为根据本发明的显示装置的多功能镜片。
这种既不具有镜像对称性也不具有旋转对称性且随后也被称为自由形态表面的光学有效表面可独立地被初步计算优化其空间范围，以便随后制造的具有菲涅耳结构的光学元件具有所希望的特性。自由形态表面的空间范围实际上在用作菲涅耳结构的自由形态表面的实施中并不起作用，由于它可以通过单个面在光学的同等方式中提供，因此上文提及的计算优化可以实施。 最大的面高度可预置，例如在5 μ m-500 μ m的范围，特别地在0. Olmm-O. Imm的范围。更优选地在200 μ m-300 μ m以及0. 05mm-0. 3mm的范围。光学有效表面还优选地不具有平移对称性。特别地，光学有效表面为光学元件的边界表面。这便于光学元件的制造。因此，其例如可以通过钻石研磨来制造。然而，它也可能通过模制和铸造的方法来制造光学元件。菲涅耳片可被形成为反射片或折射片。就反射结构而言，反射率可被调整且在大于0至差不多100%的范围。特别地，对于光学元件，每个面的最大高度可以相同。此外，面的形状可以是近似的，特别是与虚拟有效表面的相应表面区域的形状近似。因此，光学的相应作用仍然总是能够实现。当然，菲涅耳结构的光学作用实际上并不等同于虚拟光学有效表面的光学作用。根据本发明，实际上，菲涅耳结构的实际光学作用与虚拟光学有效表面的最佳光学作用之间的偏差是如此之小，从而光学元件符合光学种种要求，正如总为光学元件的情况，其实际上永远无法达到理论最大的光学作用。在横截面上，所述面可为为弯曲的凹面或者凸面。此外，菲涅耳片可直接地相邻。但其也可能是相互间隔的单个菲涅耳片。特别地，具有菲涅耳结构的光学有效表面为连续表面。此外，提供了一种用于制造具有光学有效表面的光学元件的方法，该光学元件至少部分具有多个菲涅耳片的菲涅耳结构，其中菲涅耳片的光学有效面被形成，从而它们光学地对应于弯曲的且不具有镜像对称性或旋转对称性的虚拟光学有效表面。通过这个制造方法，可制造具有优良光学特性的光学元件。特别地，光学有效表面还可不具有平移对称性。菲涅耳片优选地形成在光学元件的边界表面处。这可简化光学元件的制造。光学元件可基于制造数据来制造，该制造数据通过将光学模型表面划分为多个高度的区域来计算产生，并且计算地将单个高度区域的表面区域或这些表面区域的相近部分配置在基础表面(例如在基础表面之上或之下)，以便它们光学地对应于光学有效表面。多个高度区域的划分可在恒定的高度下或者也可以在变化的高度下进行。特别地，该高度在 5 μ m-500 μ m 或 0. Olmm-O. Imm 的范围。更优选地在 200 μ m-300 μ m 禾口 0. 05mm-0. 3mm 的范围。高度区域可特别的挑选，从而在每个情况下，到基础表面的距离都恒定。表面区域或者表面区域的邻近区域可计算地被配置在平坦的或弯曲的基础表面上。特别地，可选择线性的邻近表面区域来作为表面区域的邻近区域。但是，任意其它类型的邻近区域也是可能的。可形成所述面，从而所有所述面的最大高度都相同。特别地，可开发根据本发明的制造方法，从而可制造根据本发明的光学元件及其
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光学元件例如可被用 作分光器或也可被用作光束组合器。此外，光学元件可被用作偏光元件。光学元件还可能被形成来作为成像元件以反射地或折射地工作。更多的可能设计由下文的实施例给出。光学元件由此还可被用在HMD(头戴显示器)装置领域中。应当明白的是，在不脱离本发明范围的情况下，上文提及的和随后将要说明的结构不仅可适用于给出的组合，而且还适用于其它组合或单独适用。
图1为根据本发明的光学元件的第一实施例的透视图；图2为通过根据图1的菲涅耳结构3来模拟的光学有效表面层；图3为图1的光学元件的俯视图；图4为作用面8的XZ截面；图5为图4的细节C的放大图；图6-图9为根据本发明的光学元件的菲涅耳结构3的多个剖面形状；图10为用作菲涅耳镜的光学元件1的另一个实施例；图11为用以说明将另一个自由形态的表面用作菲涅耳结构3的实施过程的截面图；图12为用于与根据图10的菲涅耳镜相比较的常规非球面镜；图13A为另一个自由形态表面8的截面图，该自由形态表面8被实施为在弯曲的基础表面11上的菲涅耳结构3 ；图13B为另一个自由形态表面8，其再次被实施在与菲涅耳结构具有光学等同作用的弯曲的基础表面11上；图14为根据另一个实施例的反射菲涅耳结构3，其位于具有球形基础表面17的镜 16上；图15为另一个自由形态表面8的透视图；图16为在图15的圆柱形基础表面上的作用面8的相应菲涅耳结构的透视图；图17-图18为在弯曲基础表面11处的菲涅耳结构3的截面图；图19A为具有偏光元件38的多功能镜片的透视图，该多功能镜片包括根据本发明的菲涅耳结构3 ；图19B为被固定至镜架23的图19A的多功能镜片1的示意性侧视图；图20A为根据本发明显示装置的另一个实施例的示意性侧视图；图20B为图20A的显示装置的透视表示图；图20C为根据另一个实施例的显示装置的透视表示图；图20D为根据另一个实施例的显示装置的透视表示图；图20E为来自图19A和图20A的多功能镜片1的叠加区29的俯视图；图21为来自图19A的偏光元件38的菲涅耳结构3的整个平面5的截面图；图22为图21的面的变型；图23为图21的面的另一个变型；图24为另一个菲涅耳结构3的截面图；图25为不连续的菲涅耳结构3的截面图26为具有菲涅耳结构3的光束组合器1的截面图；图27为图26的分光器的变型；图28为图27的分光器的变型；图29为具有菲涅耳结构的光束组合器；以及图30为具有菲涅耳结构3的分光器的另一个实施例。
具体实施例方式在图1所示的实施例中，根据本发明的光学元件1在此被形成为透镜，包括在其顶面2上具有多个菲涅耳片4的菲涅耳结构3。每个菲涅耳片4都具有光学有效平面5。为了获得如图1所示的台阶形状，每个菲涅耳片4通常还包括边缘6，该边缘6在此基本上垂直于光学元件1的底面7延伸。平面5的常规光学作用对应于虚拟的光学有效表面8，如图2所示，其中光学有效表面8为曲面并且不具有镜面或旋转对称性。从图1和图2的对比可容易的看到，与图1 中的图像相比，图2中的图像在ζ轴旋转了 90°。如下文，虚拟光学有效表面8可被实施为根据图1的菲涅耳结构3。作用面8在ζ方向上被划分为相同高度Ah的切片。切线9还可被称为轮廓线， 且因此每条轮廓线限定出作用面8的表面区域10。表面区域10在ζ方向上沿着彼此而交替，从而在每种情况下，下部边线(具有更小ζ值的一个)与平面5的下边缘处在相同的高度上(在ζ方向上)。垂直边缘6随后从表面区域10的各自上部边线及平面5的上边缘导向直接相邻的表面区域10的下部边线，以便得到图1的菲涅耳结构3的台阶结构。图1的光学元件的上边缘在图3的俯视图中可见。为了从弯曲的且不具有镜面或旋转对称性的虚拟光学有效表面8获得想要的菲涅耳结构3，下面结合图4详细说明实现的步骤，其中图4中的作用面8的XZ截面显示出不同于图2中的作用面8，但还是弯曲的且不具有镜像或旋转对称性。相同高度的表面区域 10的划分由图4中的点划线截面表示(在图4的断面图中，这些表面区域为边线截面)。由图5中细节C的放大图可见，所示的表面区域10基于预置距离Ah且随后被减至Ztl而被精确的定义，其由箭头Pl示意性的表示。此外，垂直于高度Ztl延伸的边缘6还被添加到表面单元10的左侧。因此，菲涅耳结构3的水平基础表面被形成在位于高度Ztl处。因此，下面的公式1可用于表示菲涅耳结构3，其中zF表示菲涅耳结构3，ζ基础表B 表示在菲涅耳结构上放置的基础表面11 (此处为一平面)的表面形状，以及Z〒B表示相对于基础表面的菲涅耳平面5:zF = Z基础表面+ζ平面(1)面的表面ζ〒B还可称为“被菲涅耳”的自由形态表面，其根据下面的公式2计算得出ζ 平面=modulo (ζ 有效表面，Ah)(2)其中，有效表面8由下面的表面公式Zir 效表面
权利要求
1.一种显示装置，具有保持装置(23)，其可装配于用户的头上；图像生成模块(25)，其生成图像并被连接至该保持装置(23)；以及多功能镜片(1)，其具有耦合输入区和耦合输出区，并被连接至保持装置(23)，其中生成的图像通过该耦合输入区被耦入到多功能镜片(1)，在该多功能镜片中被导向至该耦合输出区并通过该耦合输出区而被耦合输出，使得当该保持装置(23)被装配到头上时，用户可察觉耦合输出图像被叠加到环境中，其特征在于，该耦合输入区包括菲涅耳结构(3)，该菲涅耳结构(3)在图像耦入到该多功能镜片(1) 期间实现对光束路径的褶曲，并具有成像特性。
2.根据权利要求1所述的显示装置，其特征在于，该菲涅耳结构(3)被形成在该多功能镜片的材料边界表面。
3.根据权利要求2所述的显示装置，其特征在于，在形成该菲涅耳结构(3)处的材料边界表面为弯曲的材料边界表面。
4.根据上述权利要求中任一项所述的显示装置，其特征在于，该菲涅耳结构(3)被形成为反射式。
5.根据上述权利要求中任一项所述的显示装置，其特征在于，该菲涅耳结构(3)具有多个菲涅耳片(4)，其中所述菲涅耳片(4)的光学有效表面(5)光学地对应于虚拟光学有效表面(8)，该虚拟光学有效表面(8)为弯曲的且既不具备镜像对称性也不具备选装对称性。
6.根据权利要求5所述的显示装置，其特征在于，该光学有效表面(8)不具备平移对称性。
7.根据权利要求5或6所述的显示装置，其特征在于，每个平面(5)的最大高度(Ah) 都相同。
8.根据权利要求5至7任一项所述的显示装置，其特征在于，平面形状是近似的，特别是与该虚拟有效表面(8)的相应表面区域(10)的形状线性近似。
9.根据权利要求5至8任一项所述的显示装置，其特征在于，所述平面(5)在截面上为弯曲的凹面。
10.根据权利要求5至8任一项所述的显示装置，其特征在于，所述平面(5)在截面上为弯曲的凸面。
11.根据权利要求5至10任一项所述的显示装置，其特征在于，所述菲涅耳片(4)是直接相邻。
12.根据权利要求5至10任一项所述的显示装置，其特征在于，所述菲涅耳片(4)彼此间隔。
13.一种用于制造上述权利要求之一的显示装置的方法，其特征在于，用于光束路径具有成像特性以及褶曲特性的菲涅耳结构被形成在耦合输入区域中。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，该菲涅耳结构被形成在多功能镜片的弯曲材料边界表面上。
15.根据权利要求13或14所述的方法，其特征在于，该菲涅耳结构具有多个菲涅耳片， 且所述菲涅耳片的光学有效面被形成，以便所述光学有效面光学地对应于弯曲的且既不具备镜像对称性也不具备旋转对称性的虚拟光学有效表面。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，光学作用面不具备平移对称性。
17.根据权利要求15或16所述的方法，其特征在于，所述多功能镜片可基于制造数据来制造，该制造数据通过将光学模型表面划分为多个高度的区域来计算产生，并且计算地将单个高度区域的表面区域或这些表面区域的相近区域配置在基础面上，以便它们光学地对应于光学有效表面。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述表面区域或表面区域的邻近区域被可计算地配置在弯曲的基础表面。
19.一种具有光学有效表面(2)的光学元件，其至少部分地具有菲涅耳结构(3)，该菲涅耳结构(3)具有多个菲涅耳片(4)，其特征在于，所述菲涅耳片(4)的光学有效面(5)光学地对应于虚拟的光学有效表面(8)，该虚拟的光学有效表面(8)为弯曲的且不具备镜像或旋转对称性。
全文摘要
本发明涉及一种显示装置，包含保持装置(23)，其可装配于用户的头上；图像生成模块(25)，其被固定在该保持装置(23)并生成图像；以及多功能镜片(1)，其被固定在保持装置(23)并具有注入区和撷取区。生成的图像通过注入区被注入到多功能镜片，在多功能镜片中被导向至撷取区并通过撷取区而被撷取，从而当保持装置(23)装配到用户头上时，用户可察觉撷取的图像被叠加到环境中。注入区具有菲涅耳结构(3)，该菲涅耳结构(3)在图像注入到多功能镜片(1)时引发光束路径的褶曲，所述结构具有成像特性。
文档编号G02B27/01GK102326112SQ201080009001
公开日2012年1月18日 申请日期2010年2月25日 优先权日2009年2月25日
发明者卡士登·林迪希, 汉斯-尤根·多伯夏尔, 甘特·鲁道尔夫 申请人:卡尔蔡司公司