[发明专利]增强现实显示器

说明书

显示器具有沿投影方向投射准直图像照明的图像投影仪以及具有两个主表面并且包含部分反射表面的光学元件，所述部分反射表面位于光学元件内部、是平面的、相互平行并且相对于投影方向交叠。准直图像照明的每条光线进入光学元件并且被部分反射表面中的至少两个部分反射表面部分地反射，以便被重定向成沿观察方向离开第一主表面。在可替选的实现方式中，来自部分反射表面中的一个部分反射表面的第一反射对图像照明光线的一部分重定向，以在光学元件的主表面处经历全内反射。然后，光线通过来自部分反射表面中的另一个部分反射表面的另外的反射被重定向成沿观察方向离开光学元件。

技术领域

本发明涉及显示器，并且特别地涉及采用与倾斜地设置在光学元件内的部分反射表面结合的自由空间图像投影的增强现实显示器。

背景技术

增强现实显示器是向观察者同时提供视觉显示和真实世界的视野的显示器。增强现实显示器的示例包括：平视显示器，该显示器经由固定窗口来提供；以及近眼式显示器，该显示器通常以眼镜框形状因子或头戴式护目镜相对于观察者的头部被安装。特别是在近眼式显示器的情况下，显示器需要是紧凑的。真实世界的可见性应当不受干扰、不失真并且不被模糊。

许多近眼式显示系统利用分束器结构，在该分束器结构中，在眼睛前方以倾斜角来设置部分反射器，以在实现世界的可见性的同时将虚拟图像投射到眼睛上。在图1中示意性地表示了这种类型的布置。分束器的倾斜角的几何要求通常使结构庞大。

增强现实显示器的可替选的方法采用光导光学元件，在该光导光学元件中，图像通过全内反射被捕获在基板内并且从基板的预定区域朝向观察者的眼睛耦合出基板。该方法需要耦合入布置以将图像引入光导中，使得图像通过全内反射被捕获。光导基板需要光导基板的光学表面的高精度平行度，以通过多次内反射来保持图像质量。

发明内容

本发明是用于向观察者的眼睛提供图像的显示器。

根据本发明的实施方式的教导，提供了一种用于沿观察方向向观察者的眼睛提供图像的显示器，该显示器包括：(a)图像投影仪，其沿投影方向投射准直图像照明；以及(b)光学元件，其由具有第一主表面和第二主表面的至少部分透明的材料形成，该光学元件包括多个部分反射表面，所述多个部分反射表面位于光学元件内部、是平面的、相互平行并且相对于投影方向至少部分地交叠，图像投影仪被相对于光学元件设置使得投影方向入射在主表面中的一个主表面上，并且被定向成使得准直图像照明的每条光线进入光学元件并且被部分反射表面中的至少两个部分反射表面部分地反射，以便被重定向成沿观察方向离开第一主表面。

根据本发明的实施方式的另外的特征，投影方向以超过50度的角度入射在主表面中的所述一个主表面上。

根据本发明的实施方式的另外的特征，图像投影仪包括色差补偿元件，该色差补偿元件在图像照明到达主表面中的所述一个主表面之前修改图像照明。

根据本发明的实施方式的另外的特征，投影仪包括用于投射图像的、具有加长有效孔径的光学孔径扩展布置，该加长有效孔径的主要维度与光学元件内的部分反射表面的延伸方向平行。

根据本发明的实施方式的另外的特征，光学孔径扩展布置包括光导光学元件，该光导光学元件包含多个部分反射内表面。

根据本发明的实施方式的另外的特征，投影仪包括具有输出方向的图像生成器，并且其中，光学孔径扩展布置包括由透明材料形成并且包括多个部分反射表面的光学扩展元件，所述多个部分反射表面位于光学扩展元件内部、是平面的、相互平行并且相对于图像生成器的输出方向至少部分地交叠，图像生成器被相对于光学扩展元件设置使得输出方向入射在光学扩展元件上，并且图像生成器被定向成使得准直图像照明的每条光线进入光学扩展元件并且被部分反射表面中的至少两个部分反射表面部分地反射，以便被重定向成沿投影方向离开光学扩展元件。

根据本发明的实施方式的另外的特征，光学元件是平面板。