用于在用户的视野中显示虚拟图像的眼镜显示设备、增强现实眼镜显示设备的制作方法

1.本发明涉及一种用于在用户的视野中显示虚拟图像的眼镜显示设备、一种增强现实眼镜显示设备或简称为增强现实(ar)眼镜。所述设备包括：框架单元；附接到框架单元上的、用于在第一方向上发射光作为计算机生成的图像信息的屏幕单元；以及附接到框架单元上的部分透明的分束器单元，用于将屏幕单元在第一方向上发射的光偏转到对应用户视野的第二方向。


背景技术：

2.可以通过增强现实(ar)眼镜将虚拟图像叠加在自然环境光，即来自ar眼镜的用户的视野的光上。因此通过将“反射的”虚拟对象嵌入到现实世界中有可能欺骗人类的感知。从技术上讲，来自显示器的光通过透明的分束器技术反射为针对每只眼睛的虚拟图像。这里希望能够将虚拟对象反射到用户的整个自然的人类视野中。然而，按照目前的发展状况，还不能设计出能满足这些要求的半透明的分束器。这尤其适用于应当具有与适合日常使用的普通眼镜相应的外形尺寸的ar眼镜。
3.在克雷斯(kress，人名)于2020年出版的《用于ar、vr和混合现实耳机的光学架构(optical architectures for ar,vr,and mixed reality headsets)》一书中对ar眼镜和直束分束器技术有全面总结。下面总结了两种示例性的方法。
4.例如在us 2020/183 169 a1中，折射和静态分束器阵列与线形显示器和扫描镜相结合。也可以是镜阵列的扫描镜，具有从一维线形显示器生成二维图像的功能。线形显示器的光因此被扫描并且然后在不同位置或以不同角度耦合到静态分束器阵列中。由于全内反射的临界角和散射光的发生，虚拟对象只能以这种方法反射到自然的人类视野的一个缩得非常小的子域中。
5.专利号为7,457,040 b2的美国专利公开了一种基于全内反射的分束器。聚焦到无穷远的图像的光被耦合到这个光束部分中并且光学系统的入口开口通过多个半透明的镜被耦合出来多次。这导致了一个大的出口开口，这是虚拟对象的较大的可用视野所要求的。因此显示器可以与相对较小的光学器件和入口开口一起使用。不过这里的缺点是，由于多重反射，光强大幅降低。与上一段所述的解决方案类似，可用的角范围在此也明显受到全内反射的临界角的限制。
6.基本上可以说，基于全内反射原理的反射波导分束器和衍射波导分束器，一般都存在因来回镜像而使光路被延长的缺点。结果就是没有正确地在光学系统的中心轴上传播的光束移动到了光学系统的侧面。结果是相应的光学元件必须做得更大，以保持图像质量。整个系统因此变得更大和更重。此外，在这样的系统中优选使用具有特别高的折射率的光学材料。然而所述材料通常较重，这导致ar眼镜的重量由于该技术而增加。此外，用于全内反射的平行边界面必须非常精确地制造，这使得制造困难。此外，基于全内反射原理的所述方法由于它们的工作原理而需要耦合棱镜以避免色散。不过这种作为必需光学元件的耦合
棱镜很难集成到普通眼镜的设计中。就它们的外形尺寸而言，已知的解决方案与日常生活中已知的普通眼镜有很大的不同。


技术实现要素：

7.因此本发明的任务是，提供一种用于在用户的视野中显示虚拟图像的眼镜显示设备，即ar眼镜，通过该眼镜显示设备可以在视野的尽可能大的子区域中、如果可能的话在用户的整个视野中显示虚拟图像，并且该眼镜显示设备的外形尺寸尽可能接近普通眼镜的外形尺寸。
8.该任务通过独立权利要求的主题解决。有利的实施例由从属权利要求、说明书和附图得出。
9.一个方面涉及一种用于在用户的视野中显示虚拟图像的眼镜显示设备，简称为ar眼镜，其具有：框架单元；附接到框架单元上的、用于在第一方向上发射光作为计算机生成的图像信息的至少一个线形屏幕单元；以及附接到框架单元上的至少两个、优选至少三个、特别优选至少四个部分透明的分束器单元，分束器单元设计用于作为扫描仪单元以统一定义的扫描频率工作，并且分束器单元用于将在第一方向上发射的光从屏幕单元偏转到第二方向范围，当眼镜显示设备按预期使用时，第二方向范围至少部分，即部分或完全对应用户的视野。用户的视野尤其可以指用户的自然的人类视野。例如可以假设具有220
°
的水平范围和150
°
的垂直范围。在这种情况下，分束器单元至少在一些区域内是部分透明的，但可以是不透明的，特别是在光学无效的区域中，例如在用于移动分束器单元的机械或电子器件的区域中。框架单元可以包括：对应的子单元，如用于将框架单元保持在用户的相应的耳朵上的两个支架单元，框架单元布置在两个支架单元上，部分透明的分束器单元可以附接到该框架单元上并且该框架单元用于置放在用户的鼻子上；以及附加的框架单元，屏幕单元可以附接到该附加的框架单元上。
10.第一方向和第二方向范围各自可以是或者分别可以包括具有多个相似的单独方向的方向范围，这些单独的方向彼此间的偏差小于特定的角范围。例如各个单独的方向可以偏离中央主方向小于
±
90
°
、小于
±
60
°
、小于
±
45
°
、小于
±
20
°
或小于
±5°
。也可以根据方向来指定偏差，例如，用户的水平观察区偏差较大，而用户的垂直观察区则偏差较小，特别是水平观察区中为
±
90
°
和/或特别是垂直观察区中为
±
25
°
。为第一方向或第二方向范围所指定的关系，即例如第一方向垂直于第二方向范围，然后可以分别与对应的中心主方向相关。各个方向或方向组优选是不相交的，即属于第一方向的单个方向不能属于第二方向范围，反之亦然。特别是，第一方向是或者表现为重力场中的垂直方向，即垂直方向，和/或第二方向范围以地球重力场中的水平方向为主方向。垂直方向优选也是第一方向或第一组方向的主方向。
11.相应地，第一方向和第二方向范围基本上横向于彼此，特别是至少基本上相互垂直。在此以及在下文中，“基本上”被理解为“直至预定的偏差”，如
±
35
°
、
±
15
°
或
±5°
的偏差。第一方向因此不同于第二方向范围。所述的对“横向”的定义在此普遍适用，并且在经过必要的修改后，也适用于“沿着”为基本平行。
12.分束器单元可以实现为扫描仪单元，例如，眼镜显示设备还包括控制单元，该控制单元与屏幕单元和分束器单元电子地耦合并且并相应地控制不同的耦合单元。在这种情况
下，耦合优选通过有线连接进行，但也可以无线进行。可以通过软件或各个分束器单元的致动器的电耦合实现同步。可以为每个分束器单元提供单个致动器或两个对称布置的致动器。机械的耦合备选也是可能的，尤其是伴随下面介绍的旋转扫描仪单元。
13.虚拟图像的光束路径从用户的眼睛起先撞击到一个正在扫描的和部分透明的分束器单元并且然后被引导到线形的屏幕单元这一事实，导致了所提出的组合中的许多优点。通过这种方式，在保持日常眼镜的外形尺寸的同时主要实现了大的视野。多个扫描仪单元以统一定义的扫描频率扫描，即同步扫描，具有减小光束路径中成像的空间维度的效果。结果是线形的屏幕单元，例如线性的显示器，就够用了，并且不必对二维显示器进行成像。由于人的生理边界条件以及由于将眼镜显示设备设计成头戴式眼镜显示设备，显示器在水平横向方向上，即从右到左或从左到右，可以比在水平的x方向上，即远离用户或朝向用户，要更大，而不必偏离普通眼镜的外形尺寸。
14.同样有利的是，具有一个或多个光学透镜的透镜元件，即光学元件，能够集成在屏幕单元和部分透明的分束器单元之间，该光学元件在x方向上看起来是透明的，没有变形，因为所述光学元件在x方向上可以形成为平面平行的玻璃，并且由于在垂直方向和横向、z方向和y方向上选择了弯曲的形状以及使用了(仅或主要)在垂直方向、z方向上具有垂直于x方向和y方向的折射率的材料，因此发生了透镜元件的光学效应。这反过来又有一个优点，即可以使用相对较大的透镜元件，其为可以淡化的虚拟对象打开更大的视野，并且同时可以在光学器件后方看到用户的脸，这就是说，透镜元件仍然是可以识别的。这最后一个方面特别重要，因为所提出的眼镜显示设备的一个重要应用就是电信，在电信中，用户的面部表情应尽可能保持不受阻碍和可以识别。此外还有利的是，在使用所述ar眼镜时，可以通过分束器单元的部分镜面涂层的特定选择实现高透明度。所述结构尤其可以确保来自线形屏幕单元的光不会被引导离开眼睛进入用户周围的环境中。来自现有技术的一些ar光学器件具有此缺点，在这些ar光学器件中，离开眼睛的部分光束路径会导致这样一种不希望的效果，即眼睛被用户环境中的观察者感知为在发光。进一步的后果就是不再能从外部看到用户的自然的眼睛，这在电信领域是不希望的。
15.线形屏幕单元以及相关部件在y方向上的选定的拉长造型和在x方向上的小巧的造型还能够在眼睛显示设备的重量和重量分布方面，特别是在质量中心方面实现进一步的优势。为了能够像普通眼镜一样佩戴和感受ar眼镜，重量一定不能太大。一般认为近似极限是80克，日常眼镜的典型重量更确切地说在≤40克的范围内。重量增加会导致鼻子和耳朵上的压力点，这些压力点在一段时间后可能会疼痛。另一方面，在耳朵和鼻子之间的质量中心的技术实现是很重要的，因为这是在耳朵和鼻子之间均匀分配重量的唯一办法。因此眼镜显示设备在x方向上延伸尽可能少是有利的。由于线形屏幕单元的主要延伸方向沿着y方向靠近用户头部延伸，所以使用所述眼镜显示设备是可能的。由于部分透明的分束器单元也有一个沿y方向靠近用户头部的主要延伸方向，所以光学功能原则上与生理和通信条件相呼应或与它们相适应。
16.在一种有利的实施例中规定，将分束器单元设计成具有用于由屏幕单元发射的光的反射面，在任意情况下均围绕旋转轴线横向于、这就是说基本上垂直于第一方向地旋转或摆动。旋转轴线例如可以平行于y方向延伸。因此分束器单元和/或反射面优选具有平行于旋转轴线延伸的主延伸方向。
17.在这种情况下，分束器单元可以设计为例如带有作为部分透明的反射面的共振振镜的振荡扫描仪单元。每个镜都可以配备自己的弹簧元件。属于各分束器单元的反射面然后在按预期使用时围绕旋转轴线摆动，因此第二方向范围由分束器单元的反射面的各自的末端位置之间的角度范围预定。在这种情况下，反射面的旋转速度在末端位置中为零。可以在技术上实现部分透明，例如为分束器单元使用可选有涂层的透明材料，比如具有电介质涂层的玻璃。备选也可以选择圆点方法，在该方法中，将孔以预定的分布比例引入到反射面中。这有一个额外的优点，即在振荡时空气的阻尼会减少。不过多个已知的振镜、部分透明的镜和相应的驱动概念都是可能的，这在现有技术中是已知的。分束器单元例如也可以设计成旋转扫描仪单元，其各自的反射面围绕旋转轴线旋转。在这种情况下，第二方向范围就由相应的反射面在垂直于旋转轴线的平面中的宽度指定。反射面边缘的散射光就可以通过涂黑边缘和/或研磨边缘来避免，这样从视角上就看不到边缘了。分束器单元作为旋转扫描仪单元的设计与其作为振荡扫描仪单元的设计相比的缺点在于，发生了角动量并且机械装置可能产生噪音。简化的致动和恒定的角速度是有利的。
18.在另一种有利的实施例中规定，将分束器单元设计成在以统一的扫描频率工作时彼此间处于(固定的)预定的相位关系。在这种情况下，尤其为优选分别由不紧邻的分束器单元组成的两组或两组以上的分束器单元，指定彼此偏离的相位。因此固定地指定了在各组之间分束器单元的相位差，从而使每组分束器单元具有由于相同的相位而永久或恒定地平行于彼此延伸的反射面，尽管不同组的分束器单元的反射面并不是永久或恒定地平行于彼此延伸。因此一个组的分束器单元在运行期间处于相同的相位。这样一个组也可以包括所有的分束器单元，因而所有的反射面就永久地平行于彼此延伸。如果例如分成了两组，那么分束器单元就被控制用于使所有的分束器单元以相同的扫描频率振荡，但一组的分束器单元则相对另一组分束器元件有相移。
19.这样做的效果是，用户永远无法通过两个相邻的分束器单元同时观察到线形屏幕单元。虚拟图像，也就是说，计算机生成的图像信息，因此可以通过软件发生改变，从而创造出无伪影的虚拟图像。当线形屏幕单元没有成像到无穷远时，例如在屏幕单元和分束器单元之间有上述透镜元件时，那么可以这样避免掉的伪影就会出现。在这种情况下，分束器单元的垂直偏移具有的效果是，虚拟图像伴随垂直移动显示。相应地，如果所有的分束器单元以相同的相位工作，那么垂直图像的部分区域就会重叠。结果就是会出现重影，即所提到的并且通过对分束器单元分组就可以避免的伪影。将分束器单元分成两组(或更多组)与计算机生成的图像信息中的角度相关的垂直移动、伪影校正相结合，从而防止了重影的形成。放大的伪影也可以用类似的方法加以校正。
20.在另一种有利的实施例中，分束器单元在垂直方向上、特别是第一方向上观察时被一个接一个地前后相继地布置，使得由屏幕单元发射的光照射在相应的分束器单元上并且先前已经穿过(传输通过了)布置在相应的分束器单元和屏幕单元之间的其它分束器单元的分束器单元。在这种情况下，接下来相邻的分束器单元之间的距离优选地从上到下增加，这就是说，伴随与屏幕单元的距离增加。
21.这不仅对眼镜显示设备的外形尺寸有利，而且也很容易选择半透明分束器单元的透明度或反射率，这导致了虚拟图像在垂直方向上的均匀的强度。在这种情况下，虚拟图像的强度i
ar
由各个部分镜i1至ii的强度组成，它们具有反射率r和因此透射率(1-r)。屏幕单
元的恒定强度id导致了用于例如数量为i＝6的分束器单元的不同的部分镜面涂层，虚拟图像的恒定强度i
ar
＝i1＝i2＝
…
＝i6＝const.并且i1＝r1*id、i2＝(1-r1)*r2*id，...i6＝(1-r1)*(1-r2)*(1-r3)*(1-r4)*(1-r5)*r6*id，并且因此例如r6＝30％、r5＝23％、r4＝19％、r3＝16％、r2＝14％和r1＝12％。在这种情况下，每个部分透明的分束器单元的相同数量的光被反射给用户的眼睛。不过让用户透视并且因此感知到真实环境的透射减少了，这会让一些用户在某些情况下觉得不舒服。或者也可以用例如r＝20％的恒定的反射率工作，并且作为垂直光的函数的显示强度，这就是说，分束器单元的角位置，可以附加地发生改变，从而在整个垂直视野上以恒定强度感知虚拟图像。
22.在另一种有利的实施例中规定，当眼镜显示设备按预期使用时，第一方向是垂直方向，并且线形屏幕单元在该垂直方向上布置在分束器单元上方。这特别良好地实现了外形尺寸、重量和最大可能打开虚拟图像的视野的上述优点。
23.在另一种有利的实施例中规定，作为线形屏幕单元的主延伸方向的长度，比线状屏幕单元的横向于长度延伸的宽度，大至少一个数量级，即大10倍，特别是大至少1.5个数量级，即大50倍。屏幕单元的宽度和长度在此特别是均横向于第一方向延伸。这种设计也具有的优点是，能以一种特别便利的方式达到就外形尺寸、重量分布和为虚拟图像所打开的视野所说明的优点。
24.另一种有利的实施例规定，线形屏幕单元包括像元(像素)的一条像素线，特别是正好一条像素线，像元分别由沿着所述线交替布置的不同颜色的子像素形成。彩色子像素(sub-pixels)可以是或者可以包括例如红色、绿色或蓝色子像素。彩色子像素例如可以按r-g-b-r-g-b...方案排列。因此可以实现一种特别窄的线形屏幕单元。所述屏幕单元也可以包括多条这样的像素线。
25.在另一种有利的实施方案中可以规定，线形屏幕单元具有相应的彩色子像素的多条(特别是平行的)子像素线。将特定的颜色，例如红色或绿色或蓝色，分配给每条子像素线。子像素线的像素因此有一种(单一的)颜色，因此，对红色的子像素线而言，它们以r-r-r-...方案排列。线形屏幕单元尤其可以具有有一种颜色的彩色子像素的各条所述子像素线中的正好一条子像素线，或者比其它子像素线更多或更少的至少一条所述子像素线中的正好一条子像素线。因此相应的彩色子像素带可以作为单色子像素线沿屏幕单元的主延伸方向排列。由于每种特定颜色的子像素线的数量不同，所以可以以如下方式补偿子像素线的相应的颜色子像素的发光度的技术差异，即，例如蓝色子像素线的效率较低的蓝色子像素可以由线形屏幕单元中存在的另一条蓝色子像素线来补偿。总的来说，由线形屏幕单元发射的更大强度的光可以通过多个像素或子像素线实现。
26.多条局部偏移的像素线或子像素线由分束器单元伴随一个时间偏移扫描，不过该时间偏移对人类用户而言太小而无法感知。如果在屏幕单元的线的时移致动中考虑到了由扫描频率决定的不同线的对应局部偏移的时间偏移，那么能在虚拟图像中为每个所产生的像素显示颜色信息作为不同线的颜色信息的覆盖。
27.在另一有利的实施例中规定，线形屏幕单元的(一种类型的)至少一条线或子像素线以相应的实例的形式实现多次、特别是8次。像素线或子像素线的每个实例被设计为特别是以针对每个示例不同地指定的最大亮度来运行。因此，在按预期使用时，实例的每个像素或子像素的眼镜显示设备只能在两种工作模式之间切换，即具有指定的最大亮度的“off
(关闭)”工作模式和“on(打开)”工作模式。在这种情况下，最大亮度可以被动态固定地指定，这就是说是不可改变的或者在方案中、例如在所谓的位平面方案中可变。因此实例(线)的所有像素的亮度可以例如通过电流被全面地切换，从而不必通过调节脉宽来控制亮度控制，这将是一种备选方案。因此，每个像素只需实现一个开或关并且可以全面地为整条相应的实例化的线设置亮度。虚拟像素的亮度然后对应在不同实例中分配给虚拟像素的像素的总亮度。这大大简化了在此处所述的方法中无论如何都会在屏幕单元中出现的高开关频率下的致动。另一个优点是，如果在屏幕单元中使用led，它们只会在短时间内以最大功率被致动，那么可以在短时间内达到更高的最大强度。这可以使用所述的灵活指定的最大亮度方案实现，例如通过连续实现一个亮度序列，其中1、128、2、64、4、32、8、16作为不同实例的相应的最大亮度值。对每个扫描过程而言，每个实例然后具有由所述方案单独预定的最大亮度，并且在下一个扫描过程中由位平面方案中的下一个最大亮度值预定。
28.在另一种有利的实施例中规定，多个至少基本上平行于它们各自的主延伸方向延伸的线形屏幕被附接到框架单元上，屏幕单元分别在垂直方向上与分束器单元和/或布置在分束器单元和屏幕单元之间的下文中还要进一步介绍的透镜元件间隔不同地间距地布置。可以通过在x方向和z方向上的相应的移动来定位线形屏幕单元，而不会发生相互覆盖。这样做的好处是可以消除所谓的ar眼镜的视觉辐辏调节问题。视觉辐辏调节问题是由于ar眼镜被设计为3d眼镜并且可以相应地淡入到定位在任何距离处的虚拟对象中。不过屏幕单元始终在限定的距离处具有焦点位置。结果是只有正好一个距离可以显示虚拟对象，在该距离处，眼睛也聚焦在这个自然距离上。尤其在使用也可以不受干扰地查看自然环境的ar眼镜的情况下，用户注意到了真实对象和虚拟对象何时就它们的3d信息而言处于相同的距离，但必须聚焦在虚拟对象周围的不同距离处才能在这个距离处清晰地看到对象。因此通过使用两个或多个沿彼此延伸的线形屏幕单元，可以根据与虚拟对象的距离而使用不同的显示器。在不同距离处使用多个线形屏幕单元可能会导致伪影，不过伪影通过指定两组或两组以上的分束器单元加以纠正，分束器单元如上文所述那样彼此间有各自预定的固定相位关系。由于人眼的景深有限，只需几个屏幕单元就足以解决视觉辐辏调节问题。
29.另一种有利的实施例提供了：一种透镜元件，特别是具有色散透镜或由色散透镜组成的透镜元件，该透镜元件布置在分束器单元和由用户的眼睛在眼镜显示设备按预期使用时所占据的眼睛位置之间；和/或一种透镜元件，特别是具有聚焦透镜或由聚焦透镜组成的透镜元件，该透镜元件布置在分束器单元和在眼镜显示设备按预期使用时用户可以透过分束器单元查看的环境之间。因此能够将色散透镜布置在眼镜显示设备的内侧并且聚焦透镜可以布置在眼镜显示设备的外侧。在内侧的透镜元件，这就是说，在分束器单元和眼睛位置之间的透镜单元，可以确保虚拟图像更接近用户。附接在外部的聚焦透镜则可以用相应的反焦距针对真实对象补偿这种效应，因而通过附接在内侧的透镜元件，透过分束器查看自然环境不会失真。附接在内侧的透镜因此确保ar眼镜内的光束路径成像到无穷远并且因此不会在透过两个相邻的分束器同时查看时导致伪影，当所有分束器都并行地和同时振荡时，虚拟图像由于所述透镜元件而在有限的距离上感知到。通过分束器单元的相移扫描备选也是可能的，这就是说通过从具有如上所示那样固定地指定给所述组的不同的相位的非相邻的分束器单元中指定两组或两组以上的分束器单元，可以甚至在没有所述透镜元件的情况下就可以为虚拟对象指定不同的距离。
30.另一种有利的实施例规定，在分束器单元和屏幕单元之间设置另外的透镜元件，特别是具有聚焦透镜或由聚焦透镜组成的透镜元件。透镜元件尤其包括沿第一方向、优选沿y方向和z方向延伸的两个平面平行边界面。因此另外的透镜元件就由屏幕单元发射的光而言是光学活跃的，但对根据第二方向范围来自环境或进入环境的光而言则是光学中性的，因而所述另外的透镜对用户对面的人而言是透明的，如从窗玻璃可知那样，没有失真。这意味着光学器件后面的人类面部表情更容易识别，这如已经提到的那样对电信特别有利。
31.在另一种有利的实施例中，规定了一种附接到框架单元上的光圈单元。光阑单元包括横向于第一方向延伸的光圈和/或平行于由分束器单元撑开的平面，即y-z平面的光圈，以便屏蔽被分束器单元偏转的屏幕单元的光以免受从邻近第一方向的方向来的入射光。也就是说，诸如散射光这样的光，有可能使虚拟图像退化。根据用户眼睛的取向，即正前方、上方或下方，来自邻近第一方向的不同方向的光特别有害。使用所述两个光圈可以特别有效地屏蔽所述光。
32.上文中在说明书中、也在导言部分中提到的特征和特征组合以及在下文中附图说明中和/或单独在附图中示出的特征和特征组合，不仅能以在各种情况下指定的组合使用，而且也能以其它组合使用，而不会脱离本发明的范围。本发明因此也被认为包括并公开了未在附图中明确示出和阐释的实施例，但这些实施例由所阐释的实施例产生并且可以通过特征的单独组合产生。实施例和特征组合也被认为是公开的，它们因此不具有最初提出的独立权利要求的所有特征。此外，实施例和特征组合，特别是通过上文所呈现的实施例，被认为是公开的，它们超出或偏离了在权利要求的反向应用中所呈现的特征组合。
附图说明
33.参考在下面的附图中示出的示意图更为详细地阐述本发明的主题，但不希望将本发明的主题局限于此处所示的特定的实施例。图中：
34.图1在立体前视图中示出了用于在用户的视野中显示虚拟图像的眼镜显示设备的实施例；
35.图2在示意性的侧向剖视图中示出了图1的实施例；
36.图3示出了散射光使虚拟图像变差的示例性的状况；
37.图4示出了眼镜显示设备的另一种实施例的不同的细节；
38.图5示出了线形屏幕单元的不同的实施例；
39.图6是另一种示例方式的眼镜显示设备的概览；
40.图7示出了具有旋转的扫描仪单元的眼镜显示设备的实施例。
41.附图中为一致的或功能一致的元件配设相同的参考标记。
具体实施例
42.图1示出了用于在用户的视野中显示虚拟图像的眼镜显示设备的一种实施例。眼镜显示设备0包括框架单元17，框架单元17在这种情况下带有框架单元16和附加的框架加热器15。在所示实施例中表明，线形屏幕单元29布置在框架单元17上，在这种情况下是布置在框架单元15上，该框架单元的两个分区141、142被分配给用户的右眼和左眼20(图2)。线
形屏幕单元29用于沿着光束路径226(图2)在第一方向上、在此为负的z方向上发射作为计算机生成的图像信息的光。眼镜显示设备0也包括附接到框架单元17上、在这里为框架单元16上的多个部分透明的分束器单元10，分束器单元被设计用于以统一定义的扫描频率作为扫描仪单元工作以将屏幕单元29在第一方向(负z方向)上发射的光偏转到第二方向范围中，当眼镜显示设备0按预期使用时，该第二方向范围对应用户的视野。在当前情况下，第二方向范围基本上沿负x方向延伸。
43.在当前情况下，在分束器单元10和屏幕单元29之间布置有另一个透镜元件13，在此是具有两个透镜11、12的所谓的薄饼光学器件。在图平面中，即在y-z平面中，透镜元件13包括两个平面平行的边界面(因此沿第一方向延伸)，使得正在观看的第三方不会体验到用户面部表情的失真再现。分束器单元10在垂直方向上，这里看是正z方向上，是一个接一个地前后相继的，这就是说在z方向上一个布置在另一个之上，因而由屏幕单元29发射的光照射到相应的分束器单元10上，所述光事先穿过了其它分束器单元10的那些布置在所述相应的分束器单元10和屏幕单元29之间的分束器单元。随着与屏幕单元29的距离增加，在分束器单元10之间的距离如在示例中所示那样也增加了。
44.在上面的示例中，为每只眼睛描绘了六个设计为扫描仪单元的部分透明的分束器单元10，分束器单元具有沿着y轴的各自的旋转轴线24(图2)。分束器单元10例如设计有相应的控制单元，以在统一定义的扫描频率下工作，因而具有指定的部分透明的反射面的各个扫描仪单元彼此同步地振荡。在这种情况下，同步意味着分束器单元相对于彼此的相位是恒定不变的。另外的透镜元件13成像形成线形屏幕单元29，使得所述的屏幕单元可以被用户20(图2)的眼睛通过部分透明的分束器单元10在大部分自然的人类视野中看到。可用于虚拟图像的视野由分束器单元10、光学器件13和线形屏幕单元29在y方向上的延伸水平地确定。在垂直方向上，可用于虚拟图像的视野则由扫描仪单元10(扫描仪单元的宽度横向于它们的主延伸方向)的机械的偏转和所使用的扫描仪单元10的数量确定，因为每个单独的扫描仪单元只能覆盖垂直视野的部分区域。
45.在所示示例中，另一个透镜元件13被这样成形，使得从正面方向透过透镜11、12，这就是说，可以无失真地看向负x方向。这是可能的，因为透镜11、12在x方向上被切割成条状，也就是说，在y方向上具有比在x方向上明显更长的造型。“明显”在此例如可以理解为例如至少相差一个数量级，例如在x方向上延伸6mm并且在y方向上延伸70mm。在本例中，用于另一个透镜元件13的薄饼光学器件的设计被选择作为示例并且也可以由其它光学器件替代。
46.图2示出了图1的眼镜显示设备的示意性的侧向剖视图。用户的眼睛20通过瞳孔21看向设计为扫描仪单元并且因此进行扫描的分束器单元10的布置，分束器单元10分别围绕它们的旋转轴线24旋转。分束器单元10在两个末端位置241、242之间具有机械的角范围243。所述机械的角范围243需要光学的角范围231、232，其作为第二方向范围对应于用户通过虚拟图像可用的视野。原则上机械的角范围243在此也可以选择得更大，仅当光束路径在边界221、222内延伸时才使用线形屏幕单元29。在当前情况下，边界221、222对应用户的自然的人类视野。这个观察区域对称地围绕中心主方向225布置，该中心主方向225优选也应该是机械的扫描范围或角范围243的中心。部分透明的分束器单元10在静止位置中的取向被最优地选择用于，使平行光沿着光束路径226在方向225上从屏幕单元29偏转出去。分束
器单元10是同步的，这就是说，均以相同的扫描频率工作。如下面在图4中进一步解释的那样，可以选择具有在相应的分束器单元10之间的相对相移的造型，或者如当前图中所示那样，在相应的分束器单元10之间没有相移。在后一种情况下，所有部分透明的分束器单元10的反射面平行布置。
47.在该示例中，根据视场中的垂直位置，分束器单元10在z方向上以垂直距离251、252一个接一个地地上下相继地定位，垂直距离251、252取决于z方向上的高度而不同。分束器单元10例如可以这样靠近彼此，使得来自眼睛20或眼球的旋转中心的观察光束路径224与上分束器单元10的下边缘261相交并且同时与下分束器单元10的上边缘262相交。然而也可以想到更窄的距离和更大的距离。在更近的布置中，观察光束路径可以被两个分束器单元10同时偏转。因此这不会造成图像伪影，在当前情况下，另外的透镜元件13必须设计用于使光线成像到无穷远，也就是说，存在要偏转的平行光束。然后可以通过用户和分束器单元10之间的凹透镜元件283将虚拟图像移回到有限的虚拟距离。因此通过分束器10对自然环境中的真实物体的查看不会由于透镜元件283而失真，这可以通过在眼镜显示设备0的外部具有反焦距的透镜元件282再次校正。如果使用相移式扫描，则不再需要透镜元件283和284，在图4中会更为详细地解释。
48.在图3中，考虑到了光束路径，其作为散射光可能会使虚拟图像退化。
49.图3a示出了一种伴随水平直视的状况，其结果是眼镜20聚焦在水平方向上、即x方向上可见的虚拟图像的像素上。因为分束器单元10以例如50赫兹的扫描频率扫描线形屏幕单元，所以自然环境的其它的光源311、312和313也根据扫描周期中的光束路径30在短时间内叠加在观察到的虚拟像素上。自然环境中的所述光源311、312和313可以分为三个角范围321、322和323。
50.处于图示的角范围323中的垂直线左侧并且因此在x方向上看比屏幕单元29更为靠近眼睛20的光源313，实际上叠加在虚拟图像上，不过由于眼镜显示设备0靠近用户，所以在此描绘了面部。由于这只是从外部照明，所以这是相对一个较暗的区域，仅贡献少量的散射光，如边界光束路径302所示那样。这要与光束路径301中相对较亮的线形的屏幕单元有关地进行评估。在当前情况下，边界光束路径302对应指定的分束器单元10的末端位置242。
51.此外，存在在x方向上离眼镜显示设备0足够远的光源312的角范围322，光源不再能通过扫描分束器单元10被感知为散射光。角范围321因此保持在另外两个角范围323、322之间，诸如外部灯或明亮天空之类的光源311可以处在所述另外两个角范围中，光源能够潜在地为散射光作出很大的贡献。为了不必依赖帽子作为头戴物或类似物，可以使用光圈33、34来阻挡所述角范围321，在当前情况下，对应末端位置241的边界光束路径303通往该角范围。光圈33、34两者均可以设计成水平成形的光圈33(具有在x-y平面中水平延伸的光圈平面的光圈33)和/或垂直成形的光圈34(具有在z-y平面中垂直延伸的光圈平面的光圈34)，例如设计成直接在眼镜显示设备0的玻璃上的渐变阴影。
52.图3b表明，散射光问题对向下的观察方向，即负z方向，变得不太重要，因为来自用户面部区域的散射光增加并且因此与环境相比通常较暗。此外，在此变得明确的是，将用于虚像的角范围相对水平线向下倾斜设置是有利的，例如，从水平线向上+20
°
和从水平线向下-40
°
。
53.在图3c中可以看出，当眼睛20指向上方时，光圈33、34尤其是相关的，因为光束路
径302、303然后均通往角范围321。相对较小的光圈33、34在此足以有效减少散射光。
54.散射光观察也表明，为分束器单元10选择较低的反射率并增加线形屏幕单元29的亮度而不是相反地选择低亮度的屏幕单元29并结合分束器单元10的高反射率，是有利的。这导致了与散射光相比有所增加的对比度和此外当在用户的自然环境中透过真实物体观看时的更高的透明度。
55.图4示出了一种变型方案，在该变型方案中，分束器单元10被分成两个不同的组411、412，它们都以相同的扫描频率振荡，但是一组411中的分束器单元10具有相对另一组412中的分束器单元10的相移。因此线形屏幕单元29决不会同时跨越两个相邻的分束器单元10地被看到。因此可以为每个分束器单元10单独生成线形屏幕单元29的计算机生成的图像信息。这带来了能通过软件校正制造公差、运动学偏差和其它错误的优点。例如没有聚焦到无穷远的光束路径226也可以因此被实现并且例如上述透镜元件283、284可以因此被省去。这也带来了以不同距离布置多个线形屏幕单元291、292、293(图4b)以解决所谓的视觉辐辏调节问题的可能性。
56.图4a示出了分束器单元10如何可以分成两个交替的组411、412，即分成两个组411、412，每个组由不直接相邻并且共同包含所有分束器单元10的分束器单元10组成。在各个组411、412内，分束器单元10同相并因此平行于彼此地与它们的部分透明的反射面对准。两个组411、412也具有相同的扫描频率，但它们的分束器单元10关于彼此相移。在此处所示的示例中，相移是90
°
，每个完整振荡的正弦振荡包含360
°
。图4c表明，在这个示例中，假设镜的最大机械偏转为
±
30
°
。
57.通过两个组411、412，可以分别如下文所阐释的那样为每个分束器单元10有效地生成虚拟图像。为清楚起见，在图4b中仅将单个分束器单元10描述为扫描仪单元。从屏幕单元29开始，光线以与光束路径425的最大角度向下偏转至与产生的光束路径424的最小角度。由于瞳孔21只有一个相对较小的开口，所以人眼20不再能看到边界线状况的光束路径424和425。只有其中的至少很小一束光束击中了瞳孔的光束路径是有效可见的，例如光束422和423。这导致了每个分束器单元10的有效扫描范围，它与实际的图像形成有关并且小于技术上实现的扫描范围。在此处所示的示例中，有效扫描范围是围绕分束器单元10的静止位置的
±7°
。每个分束器单元10的所述有效角范围要么可以设计用于物理瞳孔大小，要么也可以被增加以考虑到眼睛20的运动。因为眼睛20总是在重新调整自己，所以可以通过一个相对真实的瞳孔放大了的虚构所得的瞳孔21来进行相应的设计。另一个备选方案因此使用眼动跟踪传感器49(眼动跟踪)。因此可以连续地测量角范围并且可以通过软件连续地调整在屏幕单元29中的修正。优选使用混合物，因而获得了不必以太高的精度来测量眼睛20的瞳孔21的优点。此外，分束器单元10的对准也可以以这种方式连续地针对眼镜显示设备0的不同用户重新调整。通过将分束器单元10分为两组411、412，可以确保不同的分束器单元10的光束路径不会在瞳孔21中重叠，因此只有来自单个分束器单元10的光被感知到。不过在这种情况下，分束器单元10可以在z方向上彼此间隔很小的间距布置，使得尽管如此，在z方向上的虚拟图像的不间断呈现仍是可能的。
58.图4c将两个组411、412的振荡周期描述为机械角偏转s(y轴)关于作为(x轴)的振荡p的相位的绘制曲线451和452。具有高度44(y轴方向)和宽度43(x轴方向)的区域(理想地仅)标记屏幕单元29打开的时间，即正在发射光的时间。由于相移，第二组412的绘制曲线
452在这些时间上具有在范围47内的机械角偏转。所述偏转如此之大以至于没有光束路径从屏幕单元29通向眼睛20或瞳孔21。两个组411和412之间的相移以及最大机械(角)偏转被选择为使得存在一个不能看到光束路径的时间段，即角范围46和相位范围48。根据第二组412的光束路径在第一组411的光束路径不再可见的时间点上变得可见(此时相位区域48被最小化)这一事实，这个时间段可以在结构上减少到零。
59.在当前情况下，在图4a中，使用了比将来自屏幕单元29的光偏转到瞳孔21中所需的更大的机械扫描范围、更大的偏转角。这具有的优点是，在有效范围43、44内达到了角度偏转s和相位p之间的近似的线性关系，即近似恒定的扫描速度。屏幕单元29因此可以以近似恒定的亮度工作。通过动态调整屏幕单元29中的亮度来修正由正弦变化的扫描速度引起的偏差，备选可以实现虚拟图像的恒定不变的强度。
60.图5示出了线形屏幕单元的不同的实施例。例如，通过将4000个或其它数量的像素51彼此相邻地布置，使线状屏幕单元在所有部分图中均以y方向为主延伸方向地形成。为了能够着色，使用红色、绿色和蓝色像素r、g、b，优选以led的形式，例如所谓的微型led。在这种情况下，需要非常快速地切换各个像素51。即，如果要伴随沿扫描方向52的、例如垂直的、这就是说对应图中x方向的扫描生成2000个(虚拟的)像素作为虚拟图像，并且分束器单元10具有45hz的扫描频率，这就是说，分别针对每个虚拟像素90hz的频率进行的两次扫描，那么led必须以2000*90hz＝180khz的频率切换。此外，可能需要例如通过在整个扫描时间内不点亮、但仅在很短时间内点亮相应的led来通常以8位分辨率调节亮度。用于点亮led的最短脉宽相应地缩短了256倍，这对应46mhz的切换频率。不过备选也可以通过绝对电流而不是通过led活动的脉宽来调节强度。也可以备选使用能足够快速地切换的显示技术。这些技术例如包括激光，它们通过mems镜投射到屏幕单元29的一条线上。
61.在图5a中相应地示出了单行排列，其中各个颜色r、g、b的像素51在y方向上彼此相邻布置，因此形成了屏幕单元29。在图5b中，一种颜色的各个像素以具有相应的颜色子像素r、g、b的相应的子像素线511、512、513的形式以彼此间不同于零的间距排列。这是可能的，因为分束器单元10的扫描方向52伴随时间偏移地扫过不同颜色的子像素线511、512、513。如果依据时间偏移致动考虑到了致动中的局部偏移，那么虚拟图像中的每个所产生的像素都有可能将颜色信息显示为覆盖。
62.图5c将应用选项扩展到呈现相应的颜色r、g、b的多条子像素线的效果。可以多次显示一种颜色，目的是使其在比较时显得更亮。这是有利的，例如因为不同颜色的led的强度被人眼感知为具有不同的光谱亮度。在所示实施例中，子像素线511、511'、511”、512、513、513'的数量被不同地选择，目的是能够很好地代表白点d65。
63.图5d示出了亮度控制的另一种可能性。所要呈现的像素的亮度被分解为所谓的位平面，即实例1-8，这也从投影仪的微镜芯片的致动可知。8位亮度信息也可以由亮度为128、64、32、16、8、4、2、1的8个二进制单独图像组成。由于扫描过程，可以一个接一个地依次呈现所述亮度，因为扫描过程的速度与人的感知相比只能识别亮度的积分。相应地，必须仅区分每个像素的开和关的状态，并且可以例如通过适当调节的电流为整条线全局设置亮度。这明显简化了高频下的致动。
64.使用灵活切换的位平面方案(在所述位平面方案中，不同的实例被交替地分配不同级别的亮度)带来的还有一个优点就是切换的led仅在短时间内以最大功率致动，因此可
以在短时间内达到更高的最大强度。为此目的，典型地例如通过为每个实例并因此为每条线连续地实现诸如1、128、2、64、4、8、16的亮度序列来混合位平面。各行的最大强度的灵活设定也有利于温度管理。
65.图5e示出了扫描方向52与通过分束器单元10扫描在x方向上彼此相邻布置的两条子像素线511、512的之间的关系的一个示例。
66.图6现在在另一种实施例中示出了虚拟图像的图像形成。在该示例中，线状屏幕单元29的光通过透镜元件13成像到无穷远，即被平行化。光因此根据光束路径226照射到扫描分束器单元10上并且在每种情况下都被部分反射和部分透射。在所示的示例中，总是透射的那部分光最终照射在眼镜显示设备0的吸收面61上以避免背向反射。反射光根据光束路径621被偏转到眼睛。由于每个扫描分束器单元10都贡献其自己的射束并且扫描分束器单元10以彼此间的在z方向上变化的分束器间距定位于此，所以各个射束部分重叠(例如重叠631)并且部分形成了未被照亮的间隙(例如间隙633)。不过只有被引导到瞳孔21中的光线，这就是说在入瞳632内击中眼睛20的光线是重要的和有效的。由于光束路径226被聚焦到无穷远并且所述光束路径在其于分束器单元10处被反射之后仍穿过示例所示的凹透镜283，所以虚拟图像看起来好像它是根据光束路径622或623以特定的间距创建。对线形屏幕单元29中每单位时间显示的像素51而言，人眼20看虚拟像素651就好比对应的真实像素存在于用户视野中。
67.由于部分透明的分束器单元10作为扫描仪单元以能移动的方式安装，所以可以从线形屏幕单元29构建二维的虚拟图像。如果分束器单元10沿方向52移动，则光束路径也在方向52上改变角度。这样做的效果是，线形屏幕单元29现在可以显示可以被人眼20感知为新位置中的虚拟像素651'的新的图像颜色和亮度信息，这就是说，可以在扫描方向52上构建剩余图像。对此，线形显示单元29有必要根据扫描分束器10的位置以同步的方式被致动。因此，存在能够以足够的精度确定分束器单元10的位置的传感器系统。所述传感器系统可以集成在分束器单元10或另一个控制单元中。线形屏幕单元29可以由控制单元68相应地致动，该控制单元68要么布置在眼镜显示设备0的外部，要么通过缆线或无线电或与眼镜显示设备0耦合。
68.如果要在真实环境中创建静止的虚拟对象的假象，则还必须确定眼镜显示设备0在空间中的位置。为此目的可以使用相应的跟踪单元67(跟踪传感器系统)。这可以包括例如固定地连接到眼镜显示设备0上的相机，所述相机与计算单元68协作，使得可以计算虚拟图像，从而它看起来静态地锚定在空间中。
69.在当前情况下，另外的透镜元件13被实现为穿过透镜的部分。这导致了两个平面平行的边界面66，它们允许另外的人200通过另外的透镜元件13观看，而不会扭曲在它们后面正在发生的事情。因此另外的透镜元件13对眼镜显示设备0的美学外观影响很小，并且实现了至少接近普通眼镜的设计。
70.图7示出了具有旋转扫描仪单元的眼镜显示设备的实施例的图示。在那里，分束器单元10被设计为旋转扫描仪单元，而不是如上述示例中那样的振荡扫描仪单元。未阐释的特征可以对应于针对其它示例所阐释的特征。
71.在图7a所示的实施例中，分束器单元10围绕旋转轴24以恒定不变的角速度并且因此以统一定义的扫描频率或旋转频率旋转。由于涉及到分束器单元10彼此间以及与屏幕单
元29的相对布置的光学边界条件，旋转扫描仪单元不能以相同方向和相位同步地旋转，因为否则的话会触碰分束器单元10。分束器单元10因此被分成两组411、412，每个组具有相反的旋转方向。如在具有振荡扫描仪单元的示例中那样，分束器单元10的反射面在组411、412内同相地移动，这就是说始终彼此平行。
72.图7b显示了在以10
°
的增量移动的180
°
的移动周期期间，图7a的细节73。从上方，即在负z方向上，只有一个分束器单元10总是朝着眼睛20反射或反射到瞳孔21中。在步骤741中，用于偏转屏幕单元29的光的分束器单元10是图中的上分束器单元10。在步骤742中，用于偏转屏幕单元29的光的分束器单元10是图中的下分束器单元10'。在没有更为详细地说明的其余步骤中，屏幕单元29可以保持关闭，例如因为在分束器单元10、1'0'的相应配置中来自屏幕单元29的光无论如何都不会到达瞳孔。以这种方式也可以避免“眼睛发光”效应，此时来自屏幕单元29的光被引导给对面的人或谈话对象。
73.在设计时应当注意的是，接下来相邻的分束器单元10、10'之间的距离76被选择得足够大，因而在完全旋转期间没有接触。例如，分束器单元10在细节75处非常接近，但不接触。出于空气动力学原因，避免使镜子靠得更近是有意义的，如细节75所示，并提供足够大的剩余间隙。
74.图7c备选示出了部分透明的分束器单元10，其在横截面中相对于旋转轴线24具有梳状几何形状。代替矩形形状77地是允许了中间空间76。在这种情况下，如果相邻分束器单元10的梳状结构相对彼此偏移，那么分束器单元10可以在不相互损坏的情况下相互啮合。以几何方式构造分束器单元10的可能性类似于没有在其整个表面上均涂层的圆点分束器，因为近似30％或更低的反射率就已经足以用于正常工作的眼镜显示设备0了。如果光束分路器单元10包括如图7c所示的梳状结构，那么反射表面应当具有平均恒定不变的反射率。例如，如果梳状结构朝着边缘261、262变得更薄，则梳尖处的反射率必然在那相应地增加。