用于将图像投影到人的眼睛上的光学组合设备和方法与流程

本发明涉及一种用于将图像投影到人的眼睛上的光学组合设备。

此外，本发明还涉及一种用于将图像投影到人的眼睛上的方法。

虽然本发明一般可用于任意的光学组合设备，但是关于头部支持的组合系统、例如用于显示增强现实的眼镜描述本发明。

背景技术：

用于显示增强现实的系统将真实图像与虚拟图像叠加在一起。已知的是这样的系统：例如在汽车工业领域中作为平视显示器，或者在计算机应用领域中作为“智能眼镜”，利用这样的系统可以替代或附加于环境将图像投影到人的眼睛上。

由文献us2015/0362734a1已知一种系统，利用该系统直接将图像通过用户的眼睛的瞳孔借助激光扫描系统投影到视网膜上。为此应用全息图像组合元件，其将光偏转到用户的瞳孔上。

由文献wo2017/0117991a1已知带有组合元件的平视显示器，其中，组合元件引导显示单元的图像给观察者。为此，组合元件具有多个全息图像层，其中，每个层具有干涉模式(interferenzmuster)。全息图像层可以构造为可切换的，从而该全息图像层可以接通或关断。

由文献de102014224189a1还已知带有组合元件的平视显示系统，其中，组合元件可以引导光至观察位置。组合元件在此可以具有一个或多个全息图、特别是一个复用全息图。全息图在此可以盘状地构造且在视向中彼此相继地布置，其中，每个全息图限定一个具有眼动范围(eyeboxen)的部分。

技术实现要素：

在一种实施方式中，本发明提供一种用于将照明装置的图像投影到人的眼睛上的光学组合设备，所述光学组合设备包括至少两个层，所述层彼此以一间距地布置，其中，所述至少两个层具有离眼睛的不同的距离，其中，所述层中的每个构造为至少部分地进行反射，从而通过所述层中的至少一个层提供通过在所述至少一层上的反射的至少一个反射的第一子射束，其中，至少两个层中的第一层构造为部分地进行透射(transmittieren)，相比于至少两个层中的第二层，所述第一层具有离眼睛的更短的距离，如此使得由入射的射束形成至少一个第二子射束，其中，至少一个第二子射束以第一角被透射且由位于第一层后面(dahinterliegenden)的第二层至少部分地被反射为反射的第二子射束，其中，通过反射的第一子射束和第二子射束分别提供在眼睛的瞳孔上的眼动范围的不同位置。

在另一实施方式中，本发明提供一种用于将图像投影到人的眼睛上的投影系统，所述投影系统包括照明装置——特别是激光扫描器——以及根据权利要求1-10之一所述的光学组合设备。

在另一实施方式中，本发明提供一种用于将图像投影到人的眼睛上的方法，所述方法包括如下步骤：

-将用于要投影的图像的入射的射束入射到至少两个层中的第一层上，所述至少两个层彼此以一间距地布置，其中，至少两个层具有离眼睛的不同的距离；

-使所入射的射束在第一层上如此部分地反射，使得提供至少一个反射的第一子射束，其中，该第一层具有离眼睛的更短的距离；

-使所入射的射束以第一角部分地如此透射穿过第一层，使得提供至少一个第二子射束；

-使所述至少一个第二子射束在第二层上反射为反射的第二子射束，其中，通过反射的第一子射束和第二子射束提供在眼睛的瞳孔上具有不同位置的眼动范围。

关于第二子射束的术语“第一角”应理解为第二子射束相对于平面——在此为层——的法线的角。如果入射的射束关于角度相比于第二子射束不变地被透射穿过该层，那么例如入射的射束到该层上的入射角和第一角是相等的。

术语“眼动范围”特别是理解为这样的三维空间，在该三维空间中人的眼睛可以完全看到投影的图像。换言之，“眼动范围”是这样的空间范围，在该空间范围内人可以利用或识别带有光学组合设备的投影系统的功能。

由此实现的优点中之一在于，由此通过简单的方式可以在用户的瞳孔上产生多个眼动范围，其彼此具有不同的间距，从而考虑到用户的眼睛运动，其方式是：该用户在眼睛运动的情况下也通过在瞳孔上的不同位置中布置的眼动范围看到清楚的图像。此外的优点在于，通过多个眼动范围形成的一个眼动范围更大，这能够在眼动范围同时具有足够大小的情况下实现具有更大分辨率的图像。

本发明的另外的特征、优点和另外的实施方式在下文中描述或者可由此公开。

根据一个有利的扩展方案，至少两个层构造为，将入射到光学组合设备上的射束的能量均匀地划分到不同的反射的第一子射束和第二子射束上。由此避免：在不同的眼动范围中在瞳孔上生成要投影的图像的不同亮度。在不同的眼动范围中投影的图像由此具有基本上相等的亮度。

根据另一个有利的扩展方案，第一层构造为，形成多个第二子射束，其中，另外的第二子射束中之一以关于第一角的角度偏差被透射。其优点在于，通过由入射的射束的透射的部分引起的另一第二子射束的角度偏差可以通过简单的方式在眼睛上产生另外的、相对于反射的子射束的眼动范围偏移的眼动范围。

根据另一个有利的扩展方案，第一层构造为，提供用于至少一个另外的第二子射束在垂直方向中的角度偏差。由此可以在用户的瞳孔上产生至少一个另外的眼动范围，所述眼动范围可以根据在垂直方向中的角度偏差、例如相对于瞳孔的中心偏移地布置。眼动范围的横向偏移特别是通过适合的入射角和/或第二层的间距提供。

根据另一个有利的扩展方案，该另外的第二子射束具有偶数的总数。这能够实现所述层的简单的构造或布置，特别是包括一个或多个全息图，因为由此能够实现例如入射的射束对称地划分为各两个另外的第二子射束。

根据另一个有利的扩展方案，第一角等于或小于入射的射束到光学组合设备上的入射角。如果角相等，那么可以通过特别简单的方式使射束透射穿过相应的层。如果第一角构造为小于入射的射束的入射角，那么该射束朝垂线进一步透射，这能够实现在至少两个层之间减小的厚度。

根据另一个有利的扩展方案，光学组合设备构造为，提供奇数的总数的反射的第一子射束和第二子射束，其中，该总数特别是7，其中，反射的第一子射束和第二子射束中的至少一个提供如下眼动范围的位置，该眼动范围布置在瞳孔的中心。由此实现的优点中之一在于，由此能够同时在尽可能少的层用于提供眼动范围的情况下实现足够数量的眼动范围。由此可以提供紧凑的光学组合设备。

根据另一个有利的扩展方案，另外的反射的第一子射束和第二子射束提供如下眼动范围的位置：所述眼动范围在外周布置在瞳孔的边缘上。其优点在于，在眼睛运动的情况下迄今仅仅位于在边缘上的眼动范围移动到瞳孔的中心，从而在眼睛运动的情况下基本上总是也提供清楚的图像。

根据另一个有利的扩展方案，眼动范围的位置对称地、特别是均匀分布地布置在瞳孔的边缘上。其优点在于，能够实现组合设备的层的简单的布置和构造，因为在均匀分布的情况下，通过具有对于入射角的相同的角度变化的入射的射束的对称的划分能够实现例如在瞳孔上不同的垂直的眼动范围。

根据另一有利的扩展方案，所述层中的至少一个层包括至少一个全息成像和/或衍射单元(diffraktiveselement)。由此可以通过简单的方式提供用于入射到光学组合设备上的射束的光学功能。术语“衍射单元”特别是应理解为用于光束——例如以激光束形式的光束——的成形的光学单元。借助衍射单元实现光束在光栅上的衍射。

本发明另外的重要特征和优点由从属权利要求、附图以及根据附图的所属的附图说明产生。

可以理解，上述以及如下还将进一步阐明的特征不仅能以分别提出的组合、而且也能以其他组合或者单独地应用，而不会脱离本发明的保护范围。

本发明的优选实施方案和实施方式在附图中示出且在如下描述中进一步进行阐述，其中，相同附图标记涉及相同或相似或功能相同的构件或元件。

附图说明

在此示意性地示出：

图1：根据本发明的一种实施方式的投影系统；

图2：根据本发明的一种实施方式的投影系统；

图3：根据本发明的一种实施方式的具有沿y轴的视向的光学组合设备；

图4：根据图4的具有沿x轴的视向的光学组合设备的部分；

图5：通过根据本发明的一种实施方式的光学组合设备产生的在用户瞳孔的平面中的眼动范围的布置；

图6：根据本发明的一种实施方式的方法的步骤。

具体实施方式

图1示意性地示出根据本发明的一种实施方式的投影系统。

在图1中示出投影系统1。投影系统1包括激光扫描系统2，该激光扫描系统给光学组合设备3施加光。示例性地在图1中示出射束100、101、102，所述射束以不同的角度照射到光学组合设备3上。光学组合设备3在此包括两个层3a、3b，其在朝人的眼睛4的视向中以不同间距地布置。

详细地，激光扫描系统2以至少一个波长的不同角度朝光学组合设备3的方向发出射束100、101、102。在此，在图1中光束101相对于垂线具有角α——附图标记200。在此，射束100、102分别相对于中间的射束101向上或向下偏移角θ/2——用于角θ的附图标记201。

在下文中现在描述射束100、101、102的过程。由激光扫描系统2发出的射束101首先照射到光学组合设备3的第一层3a上且在该第一层上以相应于角200的角203被部分地反射——反射的射束101c——从而该射束101c垂直地在确定的位置10中照射到眼睛4上。然而，第一层3a不仅构造为进行反射的，而且也构造为进行透射的。第一层3a那么透射穿过入射的射束101的一部分——透射的射束101a。该射束101a在进一步的过程中照射到光学组合设备3的第二层3b上。在那里射束101a由第二层3b完全以角203‘被反射——该角203‘大于等于角200——且垂直地在另一位置11中照射到眼睛4上。因为层3a、3b彼此间具有一间距，所以两个位置10、11同样以横向的间距300彼此间隔。

类似的是两个另外的光束100、102的过程以及对于所属的角202、202‘、204、204‘。这些光束100、102相应地一方面由第一层3a部分地被反射(反射的射束100c、102c)且同样由第一层3a朝第二层3b的方向进一步透射(射束100a、102a)。然后在第二层3b上如此反射这些射束(射束100b、102b)，使得反射的射束100b、102b照射到位置11中，而射束100c、102c照射到位置10中。角203‘如其他角202‘和204‘那样相应于“第一角”，因为角202、202‘、203、203‘和204、204‘分别在两个平行的层3a、3b上形成同位角。射束100b、102b或射束100c、102c在此在其间在眼睛4上的相应位置中具有角205，该角形成所谓的视野(英语fieldofview)。该视野基本上通过视网膜通过瞳孔的扫描角确定，且尤其与激光扫描系统2关于光学组合设备3的位置有关。在此可以阻止在不同层3a、3b上的“串扰亦即多次反射，其方式是相应地限制视野：

因此，在60°的角200和30°的角201的情况下视野205被限制于90°。另一种可设想的可能性在于，第一层3a构造为，根据由激光扫描系统2发出的射束的照射点的位置提供反射角。相比于具有入射角200的射束和具有入射角的射束100，例如具有入射角的射束102到第一层3a上可以“视为”不同的光学功能。通过光学组合设备3提供的光学功能因此对于在其表面上的不同位置具有不同的特征。

图2示意性地示出根据本发明的一种实施方式的投影系统。

在图2中基本上示出根据图1的投影系统1的简化视图。不同于图1，在此在图2中仅仅示出一个由激光扫描系统2发出的射束100，该射束以角α——附图标记200——照射到第一层3a上。在此，该射束100被反射——反射的射束100c——且在眼睛4的瞳孔4a的中心产生眼动范围eb1。激光扫描系统2的入射到第一层3a上的射束100同样被透射——射束100a——，然而不是简单地以入射角α200继续，而是以角α2(附图标记202‘)，该角因此形成“第一角”。通过这种方式透射的射束100a随后照射到第二层3b上，第二层3b如此反射所透射的射束100a，使得该射束100a在瞳孔4a的边缘上产生或提供第二眼动范围eb2。两个层3a、3b的间距和两个眼动范围eb1、eb2在瞳孔4a上的间距300在此可以求取如下：

假设：瞳孔具有3.5mm的直径，且角α——附图标记200——为60°且在两个眼动范围eb1、eb2之间的间距为1.75mm，其中，在两个层3a、3b之间布置具有折射率n2＝1.5的材料，那么产生2.475mm的厚度d1。

如果现在到第二层3b上的入射角——“第一角”——根据上述实施方案增大，例如增大到65°，那么厚度可以根据如下下降，

例如下降到给定的0.816mm，这减小了光学组合设备3的结构空间。

图3示意性地示出根据本发明的一种实施方式的具有沿y轴的视向的光学组合设备；图4示出根据图3具有沿x轴的视向的光学组合设备的部分；图5示出通过根据本发明的一种实施方式的光学组合设备产生的在用户的瞳孔的平面中眼动范围的布置。

在图3中示出光学组合设备3，其总共具有五个彼此相继地布置的且彼此平行的层3a、3b、3c、3d、3e。此外，示出在此未示出的激光扫描系统的入射的射束100。入射的射束100在第一层3a上被反射——反射的射束401——且在人的在此未示出的瞳孔上形成第一眼动范围eb1或者提供这样的眼动范围。此外，第一层3a如此透射所入射的射束100，使得该射束产生三个子射束100a1、100a2、100a3：三个子射束100a1、100a2、100a3中的一个子射束100a2在没有角度变化的情况下而两个子射束100a1、100a3以不同的垂直方向地朝第二层3b的方向透射。

由第一层3a透射的三个子射束100a1、100a2、100a3那么在其进一步的过程中照射到第二层3b上。在此，三个照射的射束100a1、100a2、100a3中的中间的射束100a2在没有角度变化的情况下进一步透射，具有相应的垂直偏差的两个另外的射束100a1、100a3由第二层3b反射——反射的射束402、403——且形成第二和第三眼动范围eb2、eb3或者提供这样的眼动范围。

三个射束100a1、100a2、100a3中的中间的射束100a2——如上所述——进一步透射且一方面由第三层3c反射——反射的射束400——且由此形成另一眼动范围eb0或提供这样的眼动范围。以与第一层3a类似的方式，第三层3c产生三个透射的射束100b1、100b2、100b3，其中，射束100b1、100b2、100b3中的两个射束100b1、100b3具有不同的垂直定向。这三个射束100b1、100b2、100b3现在照射到第四层3d上，该第四层3d以与第二层3b类似的方式运行：中间的射束100b2以不改变的垂直偏差进一步朝第五层3e的方向透射。两个其他的射束100b1、100b3、亦即具有不同垂直定向的射束通过第四层3d反射——反射的射束405、406——且产生另外的眼动范围eb5、eb6或提供这样的眼动范围。

透射穿过层3d的射束100b2最后照射到第五层3e上且由其反射——反射的射束404——且提供另一眼动范围eb4。

在图4中现在详细示出在第一层3a上垂直的射束划分。在此，两个层3a、3b的间距50如此构造，从而相应地提供眼动范围eb2、eb3的期望的垂直间距301。换言之，将所入射的射束100在第一层3a上划分为朝第二层3b方向的另一透射的射束100a2和两个另外的子射束100a1、100a3，其分别以角60由透射的射束100a2的方向偏转。这两个子射束100a1、100a3由第二层3b反射——反射的射束402、403——且产生两个眼动范围eb2、eb3。在横向方向中的相应的间距300或在垂直方向中的相应的间距301可以在此如下地计算或调节：由3.5mm的瞳孔直径开始以及相应的1.75mm的半径4ar，且通过在瞳孔4a的边缘上相对于瞳孔中点分别偏差60°——角61——的眼动范围eb1、eb2、eb3获得0.875mm的横向偏差(附图标记300)和1.516mm的垂直偏差(附图标记301)。在两个层3a、3b之前的厚度50在此根据横向偏差300和相应的入射角计算：如果例如为此采用到第二层3b上的65°的入射角，那么获得0.505mm的厚度50。通过具有垂直偏差的子射束100a1、100a3必须提供的射束角——附图标记60——可以根据如下公式计算：

激光扫描系统2在此如此构造，使得角60关于垂直扫描幅度足够大，以便避免串扰。例如如果以ω表示垂直扫描幅度，那么角60必须大于ω-ω/2＞ω/2。

图6示出根据本发明的一种实施方式的方法的步骤。

在图6中示意性地示出用于将图像投影到人的眼睛上的方法的步骤。该方法在此包括如下步骤。

在第一步骤s1中，将用于要投影的图像的入射的射束入射到至少两个层中的第一层上，所述至少两个层彼此以一间距地布置，其中，至少两个层具有离眼睛的不同的距离。

在另一步骤s2中，使入射的射束在第一层上如此部分地反射，使得提供至少一个反射的第一子射束，其中，所述第一层具有离眼睛的更短的距离。

在另一步骤s3中，使入射的射束以第一角如此部分地透射穿过第一层，使得提供至少一个第二子射束。

在另一步骤s4中，使至少一个第二子射束在第二层上反射为反射的第二子射束。

在此，通过反射的第一子射束和第二子射束提供在眼睛的瞳孔上具有不同位置的眼动范围。

总之，本发明的实施方式中的至少一个具有如下优点中的至少一个：

-简单的结构；

-成本有利的制造；

-可靠的描绘；

-大的视野。

-各种各样的应用领域，特别是用于智能眼镜。

虽然根据优选实施例描述本发明，但是本发明不限于此，而是可通过多种方式进行修改调整。