用于生成虚拟图像的光学系统以及用于产生光学系统的输出耦合布置的方法

摘要

一种用于生成在成像器(12)上提供的源图像的虚拟图像的光学系统，包括要配戴在眼睛(14)前方的至少一个光导(16)、用于将源自源图像的光束路径(26)耦合到光导(16)中的输入耦合布置(24)、用于将光束路径(26)从光导(16)离开朝向眼睛(14)耦合的输出耦合布置(28)，其中，输入耦合布置(24)将光束路径(26)以如下方式耦合到光导(16)中，即，使得光束路径(26)在光导(16)内通过在光导(16)的内表面和/或外表面(18，20)处反射而传播到输出耦合布置(28)，其中，输出耦合布置(28)具有被在光导(16)中传播到输出耦合布置(28)的被光束路径(26)撞击的区域(29)。对输出耦合布置(28)的被光束路径(26)的撞击的区域(29)以如下方式进行表面处理，即，使得将光束路径(26)经由输出耦合布置(28)的区域(29)的第一部分(42，44，46；60)从光导(16)朝向眼睛输出耦合，而在输出耦合布置(28)的区域(29)的第二部分(48a，48b，50a，50b，52a，52b：62)中，所述第二部分与这些第一部分不同，所述光束路径从光导(16)朝向眼睛(14)最多以降低的强度输出耦合或根本不输出耦合。

说明书

技术领域

本发明涉及一种根据专利权利要求1的前序部分的用于生成在成像器上所提供的源图像的虚拟图像的光学系统。

进一步地，本发明涉及一种用于产生这种光学系统的输出耦合布置的方法。

背景技术

从文献WO 2016/102190 A1中已知一种在开篇所阐述类型的光学系统。

在开篇所阐述类型的光学系统可以被使用在所谓的头戴式显示器(HMD)、即配戴在头上的显示设备中。一种常规形式的HMD使用被配戴在眼睛前方、并且向使用者呈现计算机产生图像或相机所拍摄图像的屏幕。这种HMD通常是体积庞大的并且不允许直接感知周围环境。近年来，已经开发了能够向使用者呈现由相机记录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HMD。这种HMD(也称为智能眼镜)允许这项技术可以在日常生活中使用。

这种智能眼镜的光学系统典型地具有成像器、输入耦合元件、光导、以及输出耦合元件。源于源图像的光到光导的输入耦合以及在光导中传播的光从光导的输出耦合可以使用不同的途径来实现，例如基于反射、折射、衍射、全息等或其组合。智能眼镜的特征在于对成像质量的高要求，同时具有相对较大的成像比。同时，在这种头戴式系统的情况下，重点在于低重量和紧凑性(小的安装空间)，要求使用尽可能少的光学表面对源图像进行成像以生成虚拟图像，可是，其结果是，进而仅有少数表面可用于补偿光学像差。同样重要的是，通过智能眼镜获得的完美视觉(所谓的透视功能)是决定HMD产品接受度和成功性的重要标准之一。

在光学系统的情况下，其中在光导中传播的光的输出耦合是通过在具有一个(例如，自由形式镜)或多个部段的自由形式菲涅耳(Fresnel)表面处的反射来实现的，如在开篇所阐述的文献中所述，由于输出耦合布置靠近光学系统的出射光瞳和靠近使用者的眼睛的瞳孔的相对位置，光学成像质量在很大程度上取决于输出耦合布置的表面修整度(trueness)和质量。各个菲涅耳部段的局部形状偏差会导致光学性能显著降低，表现为对比度损失、双重图像(重影图像)和其他成像像差。此外，连接条件应用在菲涅耳表面的各个部段之间，该各个部段应被理解为自由形式表面的可连续延续的片块，所述连接条件要求各个菲涅耳部段的关于形状偏差以及关于相互相对位置(即相对于彼此的位置)的公差在亚微米范围(＜＜1μm)内，使得可以获得可接受的成像质量。在实践中、特别是在制造塑料零件时，由于塑料的特性(比如热膨胀、压缩性、内应力、表面附着力等)和所使用的制造技术与工艺(比如注射成型、注射压缩成型等)，发现在菲涅耳部段的形状修整度和相互对准方面保持非常小的公差范围是非常困难和复杂的。而保持非常小的公差范围会直接影响优质零件的产量，并且从技术和工艺的角度来看都提出了巨大的挑战。

为了在输出耦合布置的区中确保光导的前述透视功能(透明性)，有利的是为输出耦合布置提供部分透明的层，该部分透明的层反射来自成像器的光束路径的一些发光强度，但是该部分透明的层具有使其在穿其而过的注视方向上尽可能透明的特性，因此代表了在最佳可能的透明性与朝向使用者眼睛输出耦合的光的最大强度之间的折衷。此外，输出耦合布置通常应用于第二壳体。该第二壳体可以匹配于在输出耦合布置的区中输出耦合布置的形状。壳体借助于粘合剂或以任何其他方式粘连到光导。在不使用壳体的情况下，输出耦合布置的凹槽也可以填充有另一种透明物质，例如粘合剂。壳体的面向粘合剂的表面固有地或在适当处理之后具有抗粘附特性，该壳体可以仅在固化过程期间用于成形、然后可以被去除。

使用部分透明的层(而其对于透视功能起决定性作用)的另一个问题在于：部分透射穿过一个菲涅耳部段的光入射到随后的菲涅耳部段的阴影区中并且在单次反射或多次反射后到达观察者的眼睛。这里，如果输出耦合布置具有自由形式菲涅耳表面，则通常会破坏连续性条件。由于在设计菲涅耳表面时重点在于优化菲涅耳部段的反射区，因而在穿过菲涅耳边缘期间以及在光束路径入射到菲涅耳部段的对光束路径进行反射的阴影区中时会出现成像像差。由于制造工艺引起的与目标几何形状的偏差，例如在超精密加工期间由于金刚石工具的半径而将部段修圆，进一步放大了该影响。由此出现的光分量到达使用者的眼睛，导致对比度损失、双重图像、所感知图像的拖尾以及其他不想要的效果，这些总的来说对光学系统的成像质量产生负面影响。

JP 2016-110080 A同样披露了根据权利要求1的前序部分所述的光学系统。输出耦合布置具有相对于彼此倾斜的多个区域，该多个区域中被光波导中传播的光线直接入射到的区域部分地设置有反射层。

发明内容

因此，本发明基于以下目的：开发一种在开篇所阐述类型的光学系统，以提高其成像质量。

此外，本发明基于以下目的：提供一种用于产生改进的输出耦合布置的方法。

根据本发明，就在开篇所阐述的光学系统而言，该目的是通过如下方式来实现的：输出耦合布置的被光束路径撞击的区域已经以如下方式进行了表面处理，即，使得光束路径经由输出耦合布置的区域的被预定义用于对源图像进行成像的第一部分从光导输出耦合到眼睛，而所述光束路径在输出耦合布置的区域的与第一部分不同的第二部分中从光导不输出耦合或最多以降低的强度输出耦合到眼睛。

根据本发明的光学系统偏离了为该输出耦合布置的整个区域提供部分镜面反射使得输出耦合布置的被光束路径撞击的整个区域将该光束路径从光导输出耦合到眼睛的概念。相比之下，在根据本发明的系统中，光束路径是仅从输出耦合布置的被光束路径撞击的区域的部分中来获取的，这些部分是有针对性地选择的，目的是将光束路径输出耦合到使用者的眼睛。为此，输出耦合布置的被光束路径撞击的区域已经以如下方式进行了表面处理，即，使得光束路径仅经由输出耦合布置的区域的预定义第一部分从光导输出耦合到眼睛，而所述光束路径在被光束路径撞击的区域的第二部分中从光导不输出耦合或最多以降低的强度输出耦合到眼睛。这里，降低的强度应当理解为是相对于在第一部分中输出耦合的光束路径的强度，并且因此，在第二部分中的低强度输出耦合不会明显损害在中生成的虚拟图像的质量。鉴于光学系统的最佳成像质量，选择或确定输出耦合布置的区域的第一部分。

特别地，第一部分是输出耦合布置的区域的在表面质量、形状的修整度以及与成像质量有关的其他参数方面满足所定义的最低要求的部分。可以通过合适的测量方法来确认第一部分。举例来说，合适的测量方法包括用于触觉和非接触形状测量的常规方法测量，例如轮廓测量法、白光干涉测量法、色共焦测量方法。

使用根据本发明的光学系统，避免或至少降低了来自源图像进入使用者的眼睛的光的对比度损失、双重图像、所感知图像的拖尾以及由输出耦合光分量导致的其他不想要的影响(其实际上无助于成像)。

输出耦合布置的被光束路径撞击的区域的第一部分可以借助于设置有反射层来进行表面处理，这些第一部分用于将光束路径从光导输出耦合。在此上下文中，反射层也应被理解为是指部分反射层。因此，反射层的反射率可以在1％至100％的范围内。而且，反射层也应被理解为是指由多个单独层构成的层。根据本发明，在由多个输出耦合区域组成的输出耦合布置的情况下，各个输出耦合区域的表面处理可以不同。这同样适用于不同输出耦合区域的部分和同一输出耦合区域的部分。特别地，第一部分可以用反射率相差至少0.1％的反射层进行表面处理。

与常规系统相比，反射层未被施加到输出耦合布置的整个区域，而是仅施加在该区域的选定部分(第一部分)中。

因此，未设置有反射层的第二部分对光束路径从光导的输出耦合没有作出贡献或仅在减小的程度上作出贡献。此外，作为对输出耦合布置的区域仅在第一部分中进行涂覆的结果，由于未涂覆的第二部分具有最大可能的透射，因而在输出耦合布置的区中增加了光导的透明性(透视功能)。由于输出耦合布置的区域并非每个地方都设置有反射层，因而降低了从光导耦合出的光束路径的强度，这可以通过增加成像器的光度或通过以更高反射率涂覆第一部分来实现。

作为对用反射层对第一部分进行表面处理的替代或附加，输出耦合布置的区域的第二部分可以表面涂覆有在可见光谱中透明且理想地折射率匹配的层，光束路径经由这些第二部分应从光导不输出耦合或最多以降低的强度输出耦合到使用者的眼睛，其中第二部分中的折射率匹配层至少降低光束路径到使用者的眼睛的反射和/或使光束路径从光导在背离眼睛的方向上输出耦合。

此措施还有利地有助于提高光学系统的成像质量，这是通过输出耦合布置的区域的如果光束路径从光导输出耦合到使用者的眼睛则导致对比度损失、双重图像或成像质量中任何其他劣化的这些部分由于折射率匹配层而由此具有相对于第一部分降低的反射率和/或促进光束路径的透射增加以用于使光束路径仅在背离使用者的方向上输出耦合。

折射率匹配层优选地在可见光谱中是高度透明的。折射率以如下方式与光导和/或输出耦合布置的材料匹配，即，使得折射率跳跃(会引起反射)在输出耦合布置的区域的第二部分中尽可能小。

折射率匹配层还应理解为是指以下层，该层例如在带菲涅耳部段的表面的情况下通过将凹槽填充有折射率匹配的材料而形成。

输出耦合布置可以具有带一个或多个菲涅耳部段的区域。特别地，菲涅耳表面可以是具有一个或多个部段的自由形式菲涅耳表面。

在输出耦合布置配置有多个菲涅耳部段的情况下，输出耦合布置的区域的第一部分在各自情况下是位于由相邻菲涅耳部段投射的阴影外的区，这些第一部分应当用于将光束路径按需输出耦合到使用者的眼睛。

如在开篇已经所述，当光束路径穿过菲涅耳边缘并且光穿透该菲涅耳部段的阴影区时，可能会出现成像像差。然而，如上述测量所提供的，如果菲涅耳部段的长边缘的位于相应投射阴影外的区被至少部分地选择为第一部分，使得仅在第一部分中从光导中输出耦合光束路径，则光束路径的到达菲涅耳部段的阴影区的分量不再导致成像像差，因为从光导不输出耦合或最多以降低的强度输出耦合光束路径的这些分量。

第二部分(其中光束路径从光导在朝向使用者的眼睛的方向上的输出耦合被降低或抑制)可以各自是菲涅耳部段的位于由相邻的菲涅耳部段投射的阴影内的区，和/或一般可以各自是不适合用于将光束路径输出耦合到使用者的眼睛的区，因为它不满足关于最佳成像质量的要求。

此外，根据本发明提供了一种用于产生例如根据本发明的光学系统的输出耦合布置的方法。根据本发明，该方法包括：

确定输出耦合布置的区域的第一部分，这些第一部分适合于将来自源图像并且在光导中传播的光束路径从光导朝向使用者的眼睛输出耦合，目的是对源图像进行成像，

对输出耦合布置的区域以如下方式进行表面处理，即，使得将光束路径经由这些第一部分从光导离开输出耦合到该使用者的眼睛，而所述光束路径在输出耦合布置的区域的与这些第一部分不同的第二部分中从光导不输出耦合或最多以降低的强度输出耦合到眼睛。

第一部分可以使用合适的光学测量方法来确定，如上面以示例性方式所指定的。

根据本发明的方法具有与关于根据本发明的光学系统所描述的相同的优点。

在优选的配置中，对输出耦合布置的区域的表面处理可以包括在第一部分上施加反射层。

有利地，在这种情况下表面处理可以借助于遮掩部来进行，所述遮掩部掩蔽了输出耦合布置的区域的在施加反射层时不应被涂覆的部分。在确定第一部分之后，这种涂覆遮掩部可以例如以激光切割方法、蚀刻方法或任何其他的方法来制造。遮掩部有利地确保了仅在输出耦合布置的区域的所需的第一部分上施加反射涂层。

作为对其的替代或附加，对输出耦合布置的区域的表面处理可以包括在第二部分上施加折射率匹配层。

根据以下描述和附图，其他优点和特征将是明显的。

不言而喻，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、还可以以其他组合方式或独自地使用，而不脱离本发明的范围。

附图说明

在附图中展示出了本发明的示例性实施例并且参照这些附图在下文中进行更详细地描述。详细而言：

图1示出了用于生成虚拟图像的光学系统的示例性实施例的俯视图；

图2示出了光学系统的一部分，以解释在系统中在输出耦合布置的区中杂散光如何产生；

图3示出了根据本发明的原理的用于生成虚拟图像的光学系统的一部分；

图4至图7示出了已经在区中进行了表面处理的输出耦合布置的区域的示例；以及

图8示出了用于产生用于生成虚拟图像的光学系统的输出耦合布置的方法的流程图。

具体实施方式

图1示出了以总体附图标记10提供的光学系统，用于生成成像器12上所提供的源图像的虚拟图像。光学系统10可以是头戴式显示器(HMD)、更具体地是智能眼镜的光学系统。特别地，光学系统10能够将由成像器12提供的且可以是相机记录的图像或计算机生成的图像的源图像呈现给使用者，而不会阻碍对周围环境的直接感知。这意味着光学系统10允许使用者像在常规眼镜的情况下那样同时注视穿过该光学系统(所谓的透视功能)。这种系统也被称为增强现实眼镜或虚拟现实眼镜。

光学系统10包括要配戴在使用者的眼睛14前方的至少一个光导16。光导16可以被实施为眼镜镜片或者可以被集成在眼镜镜片中。图1仅示出了一个光导16，其中系统10可以具有第二光导(未示出)，该第二光导被配戴在使用者的另一只眼睛前方。还应理解的是，光导16可以由多个光导的堆叠布置构成，如在这种系统中可能是这种情况，以便例如将一个相应的光导用作针对一个相应光谱范围的透射通道。

光导16具有面对眼睛14的内表面18和背离眼睛的外表面20。光导16对于可见光是透明的，使得使用者可以在视轴22的方向上注视穿过光导16。

光学系统10还包括输入耦合布置24，该输入耦合布置用于将从成像器12的源图像发出的光束路径26输入耦合到光导16中、在内表面18与外表面20之间。输入耦合布置24和光导16可以具有整体的实施方式，即，不存在接口，并且因此在输入耦合布置24与光导16之间不存在气隙。除了将从成像器12发出的光束路径26输入耦合到光导16中之外，输入耦合布置24还用于对从成像器12发出的发散光束路径26进行准直。

在光导16中，已经经由输入耦合布置24耦合到光导16中的光束路径26通过在内表面18和外表面20处的反射来传播。在这种情况下，光束路径26的反射是基于光束路径26在光导16的内表面18和外表面20处的全内反射。光束路径16在光导16中在内表面18和/或外表面20处进行一次或多次反射(为简化起见，图1仅示出了在内表面18处的一次反射)之后传播到输出耦合布置28。输出耦合布置28的功能是将光束路径26从光导16输出耦合到使用者的眼睛14，其结果是，使用者可以感知源图像的通过系统10成像的虚拟图像。

由于输出耦合布置28靠近光学系统的出射光瞳和眼睛的瞳孔14的相对位置，所生成的虚拟图像的光学成像质量很大程度上取决于输出耦合布置28的表面修整度和表面质量。

在所示的示例性实施例中，输出耦合布置28被实施为具有多个菲涅耳部段28a的自由形式菲涅耳表面，该多个菲涅耳部段具有锯齿型实施方式。图1中以示例性方式示出了七个部段。菲涅耳部段以如下方式定向：入射到相应菲涅耳部段(小面)28a上的光束路径26的零射线朝光导16的内表面18的方向反射，从该内表面进入使用者的眼睛14。从周围环境穿过外表面20入射到输出耦合布置28中的光束被所述输出耦合布置以最大可能的程度传递，以便因此给光学系统10的使用者如下印象：根据成像器12的源图像生成的虚拟图像漂浮在周围环境中。

图1A单独示出了输出耦合布置28的整个区域29的平面图，并且相对于图1具有放大的比例。在所示的示例中，输出耦合布置28具有七个菲涅耳部段28a-28g。菲涅耳部段28a-28g形成输出耦合布置28的区域29，该区域被在光导16中从输入耦合布置24传播到输出耦合布置28的光束路径26撞击。在常规光学系统的情况下，整个区域29(如图1A所展示的)例如用于将光束路径26输出耦合到使用者的眼睛14中。然而，这在光学系统10的成像质量方面具有缺点，表现为对比度损失、双重图像(重影图像)的生成以及其他像差。下面参照图2以示例性方式对此进行解释。在特殊情况下，输出耦合布置28的区域29可以由单个菲涅耳部段组成。

图2示出了光导16的在输出耦合布置28的区中的一部分，示出了该输出耦合布置的两个相继的菲涅耳部段28

当设计输出耦合布置的成像参数时，光束路径26穿过部段的边缘以及随后输出耦合到使用者的眼睛14典型地未被加以考虑并且因此是不想要的。另一方面，为了透视功能，要求输出耦合布置具有一定的透明性。

为了避免上述问题，根据本发明提出了，由光束路径26撞击输出耦合布置28的区域29，如图1A所示，例如不是像现有技术那样在其整体上(部分地)镜面反射，使得光束路径26在输出耦合布置28的整个区域29上从光导16输出耦合，而仅在区域29的预定部分中的区中(部分地)镜面反射。这是由于以下事实而实现的：输出耦合布置28的被光束路径26撞击的区域已经在预定区中进行了表面处理，使得光束路径26经由输出耦合布置的被光束路径26撞击的区域29的第一部分从光导16输出耦合到眼睛14，而光束路径26在输出耦合布置的被光束路径撞击的区域29的与第一部分不同的第二部分中从光导16不输出耦合或最多以降低的强度输出耦合到眼睛14。下面参考图3至图7对此进行了描述。

图3示出了示例性实施例，其中光束路径26仅经由菲涅耳部段28a、b和c(这里展示了三个)的第一部分42、44、46从光导16朝向使用者的眼睛14(参见图1)输出耦合，而光束路径26在第二部分48a、48b(菲涅耳部段28c)、50a、50b(菲涅耳部段28b)和52a、52c(菲涅耳部段28a)中不从光导16朝向使用者的眼睛14输出耦合。为此，第一部分42、44、46设置有反射层，这些反射层的反射率可以在1％至100％的范围内。第一部分42、44、46可以在所施加的层方面、特别是在其反射率值方面不同。第一部分42、44、46已经基于包括合适的测量方法的先前测量工艺来确定。第一部分42、44、46是基于关于表面质量、形状的修整度以及与成像质量有关的其他参数的最低要求来确认的。举例来说，合适的测量方法包括用于触觉和非接触形状测量的常规方法测量，例如轮廓测量法、白光干涉测量法、色共焦测量方法。

相比之下，第二部分48a、48b、50a、50b、52a和52b未设置有反射层。应当理解的是，反射层应当理解为不仅是指单独层，而且还是指由多个单独层构成的层结构。

作为向第一部分42、44、46施加反射层的补充或替代，第二部分48a、48b、50a、50b、52a、52b可以设置有折射率匹配层，该折射率匹配层在第二部分中至少降低了光束路径26朝向眼睛14的反射和/或使光束路径26在背离眼睛的方向上从光导16的输出耦合，如图3中光束26t所指示的。

第二部分中的折射率匹配层也可以借助于菲涅耳部段28a、b、c在其背离眼睛14的一侧上填充有透明的折射率匹配材料而形成，如与菲涅耳部段28相邻的部段通过带阴影线区59所指示的。

如图3所示，第一部分42、44、46各自是菲涅耳部段28a、28b、28c的相应长边缘的区，该区位于相邻菲涅耳部段的相应阴影区的外部(参见图2中的阴影区36或例如图4中所示的阴影区63)。

相比之下，菲涅耳部段的阴影区未设置有反射层，而是形成第二部分48b、50b、52b。

图4至图7示出了输出耦合布置28的被光束路径26撞击的区域29的示例性实施例，具有选择性反射涂覆的第一部分60和未反射涂覆的第二部分62。在图4至图7中，输出耦合布置28的区域的第一部分60由带阴影线的区段指示，在这些第一部分处光束路径26被朝向使用者的眼睛14输出耦合。特别地，带阴影线的区段可以全部具有不同的涂层或者可以部分地具有不同的涂层。第二部分62由白色区域指示。图4中的示例性实施例对应于图3中以二维表示的示例性实施例。图5至图7示出了第一部分的替代性示例性实施例，在这些第一部分处光束路径26被朝向使用者的眼睛14输出耦合。如上所述，在第一部分中可以存在反射层。在输出耦合布置28的区域的白色所示的其余部分(第二部分)中，没有光束路径26朝向使用者的眼睛14输出耦合。在这些区中，光束路径26的光分量可以变得无害，特别是通过在背离使用者的眼睛14的方向上透射或输出耦合，使得没有外来光或杂散光从这些第二部分到达使用者的眼睛14。在图4到图7中，相邻的菲涅耳部段的阴影区同样用阴影线展示并且设有附图标记63。

图8以流程图示出了用于产生输出耦合布置28的方法。

在步骤S1中测量输出耦合布置28的区域29和/或记录合适的图案。在步骤S2中确定输出耦合布置28的区域的第一部分，这些第一部分适合于将光束路径26从光导16朝眼睛的方向输出耦合，以用于对源图像进行成像。第一部分可以使用合适的测量方法来确定，如上面以示例性方式所指定的。在步骤S3a中产生遮掩部，例如在激光切割方法、蚀刻方法或任何其他方法的范围内。作为步骤S3a的替代或附加，在步骤S3b中建立用于随后涂覆第一部分的局部粘附条件。在步骤S4中，将在步骤S2中确定的区域29的第一部分设置有反射层。

作为其补充或替代，步骤S2可以包括确定第二部分，这些第二部分并不适合于将光束路径26从光导16朝向使用者的眼睛14输出耦合。在步骤S4中，第二部分可以设置有折射率匹配层，该折射率匹配层降低或防止光束路径26在第二部分处的反射和/或促进光束路径26在背离使用者的眼睛14的方向上的输出耦合。为此，这些部段可以在外侧填充有如上所述的透明材料。在这种情况下，折射率匹配层也可以覆盖第一部分42、44、46、60的反射涂层。

应当理解的是，本发明并不限于具有菲涅耳部段的输出耦合布置28的配置，而是还可适用于非分段的输出耦合布置，是这些反射、衍射或折射式输出耦合光学单元。在非分段的输出耦合布置的情况下还确定输出耦合布置的被光束路径26撞击的区域的部分，并且对该区域的表面处理，如上所述，使光束路径16仅在所确定的部分中朝向使用者的眼睛14输出耦合。