用于投影图像的光学组合设备的制作方法

本发明涉及一种用于将图像投影到确定的照射区域(auftreffbereich)中、尤其人的眼睛中的光学组合设备。

此外，本发明还涉及一种用于将图像投影到确定的照射区域、尤其人的眼睛中的方法。

此外，本发明还涉及一种投影系统，其包括用于提供图像的照明装置且包括光学组合设备。

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

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。已知如下的系统：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(head-up-display)，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，组合元件可以将光引导至观察位置。组合元件在此可以具有一个或多个全息图、尤其复用全息图。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)的区段。

技术实现要素：

在一种实施方式中，本发明提供一种用于将图像投影到确定的照射区域上、尤其人的眼睛上的光学组合设备，所述光学组合设备包括至少第一层和第二层，所述第一层和第二层彼此以一间距地布置，其中，相比于第二层，第一层具有离照射区域的更短的距离，其中，第一层具有至少两个功能区域，其中，所述至少两个功能区域中的第一功能区域和第二功能区域在空间上彼此分离，其中，第一层和第二层构造为，使入射到第一功能区域上的射束的一部分朝第二层的方向透射(transmittieren)，且使所透射的部分在第一层与第二层之间至少部分地沿着至少两个层的延伸方向传播，且通过第一层的第二功能区域提供至少部分传播的射束作为朝照射区域的方向出射的射束。

在另一实施方式中，本发明提供一种用于将图像投影到确定的照射区域上、尤其人的眼睛上的方法，所述方法包括如下步骤：

-将射束入射到第一层的第一功能区域上；

-使入射的射束的至少一部分朝第二层的方向借助第一层的第一功能区域透射，其中，第二层相对于第一层以一间距地布置，其中，相比于第一层，第二层具有离照射区域的更大的距离；

-使所入射的射束的透射的部分在第一层与第二层之间沿着至少两个层的延伸方向至少部分地传播；

-使所述至少部分传播的射束的至少一部分通过第一层的第二功能区域朝照射区域的方向离开，其中，第二功能区域与第一功能区域在空间上分离。

在另一实施方式中，本发明提供一种投影系统，其包括用于提供图像的照明装置和根据权利要求1至8之一所述的用于将照明装置的图像投影到确定的照射区域、尤其人的眼睛中的光学组合设备。

术语“传播”、尤其关于入射的射束的透射的部分应在最宽泛的意义上理解且尤其在权利要求中、优选在说明书中涉及光、尤其入射的射束的透射的部分的进一步传导、传送、散播(verbreiten)、扩散(ausbreiten)。

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，所述眼动范围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布置在瞳孔上的不同位置中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的尺寸的情况下实现具有更大分辨率的图像。另一优点在于，可以提供一种极其紧凑的光学组合设备。术语“眼动范围”尤其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所产生的图像。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投影系统的功能。

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，第一层的第一功能区域和第二功能区域通过至少一个第三功能区域分离。由此，一方面增大在第一功能区域与第二功能区域之间的间距，另一方面提高灵活性，因为借助在第一功能区域与第二功能区域之间的第三功能区域对于入射到该第三功能区域上的射束可以提供光学功能。

根据另一有利的扩展方案，第一层的至少一个第三功能区域如此构造为反射区域，使得入射到该反射区域上的射束被反射。由此，能够实现射束的简单的进一步传导且同样能够实现功能区域的简单的构造。

根据另一有利的扩展方案，第二层具有至少一个第四功能区域，该第四功能区域构造为反射区域，尤其第二层的所有功能区域构造为反射区域。这能够实现第二层的成本有利的制造，同时能够实现平行于第一层和第二层的简单的“波导功能”。

根据另一有利的扩展方案，第一层的功能区域构造为，分别提供分配功能或透射功能。由此一方面可以分配入射到第一层上的射束，或者可以简单地将其进一步透射到第二层上。

根据另一有利的扩展方案，至少一个功能区域构造为，提供用于入射的射束的位置相关的光学功能和/或入射的射束的入射角相关的光学功能。这能实现准确并同时灵活地提供用于入射到功能区域上的射束的光学功能。

根据另一有利的扩展方案，在第一层与第二层之间的间隔和第一层的第一功能区域如此构造，使得根据入射角所入射的射束投影到第二层上的横截面小于或等于第二层的功能区域。其优点在于，由此阻止“串扰”且提高图像到照射区域上的投影的可靠性。

根据另一有利的扩展方案，一个功能区域包括一个或多个全息图、尤其一个复用全息图。其优点在于，可以通过简单的方式提供准确和灵活的光学功能。

根据方法的另一有利的扩展方案，进一步传导借助第一层和第二层的以反射区域形式的功能区域实现。由此可以通过简单并同时可靠的方式实现透射的射束的进一步传导。

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各自提出的组合、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

在此示意地示出：

图1：根据本发明的一种实施方式的光学组合设备；

图2：根据本发明的一种实施方式的光学组合设备；

图3：根据本发明的一种实施方式的投影系统；

图4：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光学组合设备。

在图1中详细地示出一种光学组合设备1。光学组合设备1在此具有第一层2和第二层3，其中，第一层2朝照射区域的方向100具有离该照射区域的更短的距离。两个层2、3在此彼此具有间距50。如果现在具有直径2r的圆形横截面的射束10照射到第一层2上，那么由此产生投影到第一层2上的区域21。如果入射的射束10以一个角照射到第一层2上，那么区域21的面在假定圆形的射束10的情况下具有比入射的射束10的半径更大的半径r‘。区域21构造为功能区域，即提供用于入射的射束10的光学功能。

入射的射束10现在借助功能区域21朝第二层3的方向以相应于入射的射束10的入射角的入射角α进一步传播穿过第一层2。该射束现在由第二层3通过第二层3的构造为反射区域的功能区域31朝第一层2的背侧的方向再次反射——射束11。该射束11随后照射到第一层2的功能区域22上且由该功能区域又朝第二层3的方向反射——射束12。通过在第二层3——具有入射的射束12、14、16的功能区域32、33、34——上和在第一层2——具有入射的射束13、15的功能区域23、24——上的重复反射，实现入射的射束10基本上垂直于入射方向并因此垂直于方向100或平行于两个层2、3的延伸方向地进一步传导。换言之，实现射束在两个层2、3之间的来回反射。最后，射束17照射到第一层2的功能区域25上，该功能区域不是构造成进行反射的、而是构造成进行透射的。射束17通过功能区域25朝期望的照射区域的方向100离开第一层2。为了构造相应的功能区域21、22、23、24、25、31、32、33、34作为提供相应的光学功能的功能区域，这些功能区域可以包括一个或多个全息图和/或一个或多个衍射光学单元、例如光栅。相应的功能区域21、22、23、24、25、31、32、33、34在此彼此间隔，亦即功能区域的直径2r‘小于其彼此的间距p——附图标记51。

图2示出根据本发明的一种实施方式的光学组合设备。

详细地，在图2中基本上示出根据图1的光学组合设备1。与根据图1的光学组合设备1不同地，在根据图2的光学组合设备1中现在给第一层2的功能区域21、22、23、24、25和第二层3的功能区域31、32、33、34分配不同的光学功能。一方面，第二层3的功能区域31、32、33、34全部构造为反射区域，亦即提供用于相应地入射的射束12、14、16的反射功能。第一层2的功能区域21、22、23、24、25在此如下构造：入射的射束10照射到第一功能区域21上，其提供用于入射的射束10的光学分配功能。射束10的一部分朝第二层3的方向、更准确地朝第二层3的区域31的方向被透射，另一部分朝方向100作为射束17a朝眼睛4的第一眼动范围5a的方向被反射(参见图3)。第一层2的在右侧布置在第一区域21旁边且与该第一区域间隔的第二功能区域22提供用于入射到其上的射束11的反射功能，亦即入射的射束11朝第二层3的方向被反射为射束12。第二层2的第三功能区域23类似于第一区域21地构造且提供用于入射到其上的射束13的分配功能，亦即一部分作为出射的射束17b朝第二眼动范围5b的方向透射穿过第一层2，而一部分作为反射的射束14朝第二层3的方向再次被反射。类似于第二功能区域22，布置在功能区域23旁边的功能区域24又构造为反射区域。第五功能区域25现在构造为透射区域，亦即由第二层3反射的射束17完全朝第三眼动范围5c的方向透射——射束17c。在此不进行朝第二层3的方向再次部分地反射。

图3示出根据本发明的一种实施方式的投影系统。

在图3中现在示出带有用于提供图像的激光扫描系统9的投影系统101和根据图2的光学组合设备1。借助激光扫描系统9以不同的角朝光学组合设备1的方向发送该射束，在此示例性地示出为射束10、10‘。在光学组合设备1的第一层2上将照射的射束根据图2的描述部分地分配且传播至作为照射区域的眼睛4的不同眼动范围5a、5b、5c。在此，所述射束部分地如图2中所描述的那样在光学组合设备1的两个层2、3之间通过反射平行于其延伸方向沿着传播且在相应的区域中又从光学组合设备1出射，以便形成通过射束17a、17a‘的眼动范围5a、通过射束17b、17b‘的眼动范围5b以及通过射束17c、17c‘的眼动范围5c。

图4示出根据本发明的一种实施方式的方法的步骤。

在图4中示意性地示出一种用于将图像投影到确定的照射区域、尤其人的眼睛中的方法。该方法在此包括如下步骤。

在第一步骤s1中，将射束入射到第一层的第一功能区域上。

在第二步骤s2中，使入射的射束的至少一部分朝第二层的方向借助第一层的第一功能区域透射，其中，第二层相对于第一层以一间距地布置，其中，相比于第一层，第二层具有离照射区域的更大的距离。

在第三步骤s3中，使入射的射束的透射的部分在第一层与第二层之间沿着至少两个层的延伸方向至少部分地传播。

在第四步骤s4中，使至少部分地传播的射束的至少一部分通过第一层的第二功能区域朝照射区域的方向离开，其中，第二功能区域与第一功能区域在空间上彼此分离。

总之，本发明的实施方式中的至少一种实施方式具有如下优点中的至少一个：

-紧凑的结构；

-可靠的投影；

-成本有利的制造；

-大的眼动范围。

虽然根据优选的实施例描述本发明，但是本发明不限于此，而是可以通过多种方式进行修改。