DE10036073A1

DE10036073A1 - Multifokale Fresnellinse und Verfahren zu ihrer Herstellung

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Publication number: DE10036073A1
Application number: DE10036073A
Authority: DE
Inventors: Falk Dipl-Ing Fh Doerfel
Original assignee: 4D Vision GmbH
Current assignee: 4D Vision GmbH
Priority date: 2000-07-19
Filing date: 2000-07-19
Publication date: 2002-02-07

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine multifokale Fresnellinse (1) mit einer Vielzahl von gekrümmt verlaufenden optischen Wirkflächen W¶n¶, die mindestens vier voneinander verschiedene Brennweiten f¶n¶(n = 1...>= 4) aufweisen. Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Fresnellinse (1). DOLLAR A Bei einer solchen Fresnellinse (1) ist die Gesamtfläche so in eine Anzahl streifenförmiger Sektoren S¶mn¶ gegliedert, daß innerhalb eines jeden Sektors S¶mn¶ Abschnitte von Wirkflächen W¶n¶ derselben Brennweite f¶n¶ und innerhalb aneinandergrenzender Sektoren S¶mn¶ Abschnitte von Wirkflächen W¶n¶ unterschiedlicher Brennweiten F¶n¶ vorhanden sind. Mit m ist ein fortlaufender Zählindes für die Sektoren S¶mn¶ bezeichnet. DOLLAR A Aufgrund der streifenförmigen Struktur, die den gekrümmten, bevorzugt ringförmig angeordneten Wirkflächen W¶n¶ überlagert ist, ist das "shuttern" der Wirkflächen W¶n¶ mit handelsüblichen Geräten möglich.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine multifokale Fresnellinse mit einer Vielzahl von ge krümmt verlaufenden optischen Wirkflächen W_n, die mindestens vier voneinander ver schiedene Brennweiten f_n(n = 1 . . . ≧ 4) aufweisen. Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Fresnellinse.

Im Stand der Technik sind multifokale Fresnellinsen in vielfältigen Ausführungen be kannt. Sie werden in verschiedenartigen optischen Apparaten und Instrumenten ver wendet, so beispielsweise beschrieben in DE 10 47 470 A1, wo eine bifokale Linse als Feldlinse eingesetzt ist und zur Aufhellung des Sucherbildes einer Spiegelreflexkamera dient. Hier sind zwei monofokale Fresnellinsen mit unterschiedlichen Brennweiten in einandergeschachtelt. Jede dieser monofokalen Fresnellinsen umfaßt eine Vielzahl von zur optischen Achse der Linse geneigten Wirkflächen.

Fresnellinsen kommen im Stand der Technik auch in Anordnungen zur räumlichen Dar stellung von Objekten zur Anwendung.

Eine solche Anordnung, bei der eine monofokale Fresnellinse als Abbildungslinse dient, ist beschrieben in "A. R. L. Travis, S. R. Lang, The design and evaluation of a CRT- based autostereoscopic 3D-display, Proceedings of the SID, Vol. 32/4, 1991 ". Die Ab- bildungslinse wird in Zusammenwirkung mit einem Schalter-Array genutzt. Eine zweite Linse ist in einem Abstand zur Abbildungslinse positioniert, der deren Brennweite ent spricht, so daß das Bild der Abbildungslinse in der Ebene der zweiten Linse entsteht. Mit dieser Anordnung werden bei entsprechender Ansteuerung des Schalter-Arrays im Zeit-Azimut-Multiplexing autostereoskopische 3D-Darstellungen erzeugt.

Im Zusammenhang mit 3D-Darstellungen ist es weiterhin bekannt, monofokale Fres nellinsen auch so in den Strahlengang zu stellen, daß sie optisch als Feldlinse wirken. Ein Beispiel dafür ist in EP 0 653 891 mit einem "Three-dimensional projection display apparatus" zu finden. Bekannt ist außerdem die Anpassung der Wirkflanken einer als Feldlinse genutzten monofokalen Fresnellinse an ein weiteres optischen Element, das beispielsweise ein Zylinderlinsenschirm sein kann, wie in JP 092 74 159 "Stereoscopic Image display divice" beschrieben.

In einer "Vorrichtung zum Darstellen sich bewegender Bilder in hintereinanderliegen den Ebenen" nach WO 98/18114 ist ebenfalls die Verwendung einer monofokalen Fres nellinse beschrieben. Nachteil ist hier der hohe gerätetechnische Aufwand, da zwei Bildgeber, ein Strahlteiler und zusätzlich zur monofokalen Fresnellinse ein Hohlspiegel allein für zwei Ebenen erforderlich sind, was nicht nur hohe Fertigungskosten, sondern auch ein verhältnismäßig großes Bauvolumen zur Folge hat.

Die Verwendung einer bifokalen und damit multifokalen Fresnellinse für einen Rück projektionsschirm, der mit einem Zylinderlinsen-Array ausgestattet ist, ist in EP 0874 268 "Fresnel lens sheet and rear projection screen" angegeben. Hierbei aber wirkt die Fresnellinse ebenfalls als Feldlinse, was zur Folge hat, daß sie keine tiefenge staffelten Abbilder liefert.

Vom Anmelder dieser Erfindung wurden Verfahren und Anordnungen zur räumlichen Darstellung von Szenen und/oder Gegenständen entwickelt, bei denen mehrere Schichtbilder und/oder Teile von Schichtbildern, die Informationen aus unterschiedli chen räumlichen Tiefen der Szenen bzw. der Gegenstände enthalten, unter Verwen dung von multifokalen Fresnellinsen visuell wahrnehmbar dargeboten werden. Dabei werden die Linsenbereiche mit unterschiedlichen Brennweiten gesondert "geshuttert".

Die Anordnung dazu ist in der speziellen Ausgestaltung mit einem Shutter bisher an die Verwendung multifokaler Fresnellinsen gebunden, die als Fresnellzylinderlinsen ausgebildet sind, da aus dem Stand der Technik bzw. auch kommerziell bisher ledig lich Shutter bekannt sind, die geradlinig ausgebildete Strukturen öffnen und schließen und sich deshalb mit Fresnellzylinderlinsen kombinieren lassen. Vor allem aus tech nologischen Gründen vorteilhaft und deshalb wünschenswert ist es jedoch, hierbei multifokale Fresnellinsen mit gekrümmten optischen Wirkflächen verwenden zu kön nen.

Ausgehend davon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine multifokale Fresnel linse zu schaffen, die zwar gekrümmte optische Wirkflächen aufweist, wobei die Wirkflächen jedoch so ausgebildet sind, daß die Nutzung eines Shutters möglich ist, bei dem geradlinig ausgebildete Strukturen öffnen und schließen und so erreicht wer den kann, daß die auf einer Bildanzeige zeitlich multiplexten Schichtbilder immer durch zugeordnete gekrümmte Wirkflächen gelangen, die die gleiche Brennweite ha ben.

Erfindungsgemäß ist die Gesamtfläche der Fresnellinse in eine Anzahl streifenförmiger Sektoren S_mn gegliedert, wobei innerhalb eines jeden Sektors S_mn Abschnitte von Wirkflächen W_n derselben Brennweite f_n und innerhalb aneinandergrenzender Sekto ren S_mn Abschnitte von Wirkflächen W_n unterschiedlicher Brennweiten f_n vorhanden sind. Mit m ist ein fortlaufender Zählindex für die Sektoren S_mn bezeichnet.

Aufgrund der streifenförmigen Struktur, die den gekrümmten, bevorzugt ringförmig angeordneten Wirkflächen W_n überlagert ist, ist das "shuttern" mit handelsüblichen Geräten möglich, wie im weiteren noch ausführlich gezeigt wird.

Dabei ist in den einzelnen Sektoren S_mn die Ausbildung von gekrümmten Wirkflächen W_n mit verschiedenen Brennweiten f_n möglich, ohne daß sich der Herstellungsaufwand für die erfindungsgemäße multifokale Fresnellinse gegenüber einer aus dem Stand der Technik bekannten Fresnellinse wesentlich erhöht. Im Zusammenwirken mit einem handelsüblichen Shutter der beschriebenen Art ist es so möglich, eine Vielzahl von verschiedenen Schichtbildern mit technologisch einfach herstellbaren Mitteln zu erfas sen und die entsprechenden optischen Anordnungen kostengünstiger fertigen zu kön nen.

Bevorzugt sind die Wirkflächen W_n gleichförmig gekrümmt und konzentrisch zueinan der angeordnet, und die Sektoren S_mn sind geradlinig und parallel zueinander ausge richtet. Weiterhin ist es von Vorteil, für alle Sektoren S_mn eine gleiche Breite zu wählen, mit um den technologischen Aufwand bei der Herstellung der Fresnellinse so gering wie möglich zu halten. Ferner wird so die Projektion von allen an der Bildentstehung bete ligten Wirkflächen W_n auf eine Bezugsebene gleich groß gehalten. Außerdem ist die Ankopplung eines Shutters, der üblicherweise eine Rasterstruktur aus gleich breiten Zeilen und/oder Spalten besitzt, besser möglich.

Weiterhin ist die erfindungsgemäße Fresnellinse vorteilhafterweise als ebene Platte oder Folie mit einer im wesentlichen gleichbleibenden Dicke ausgebildet. Um die Ge samtfläche der Fresnellinse optimal nutzen zu können, sollten jeweils innerhalb eines Sektors S_mn die Wirkflächen W_n unter Vermeidung von Störflanken stets unmittelbar aneinandergrenzen.

Für Anwendungen zur Visualisierung von Bildinformationen ist es weiterhin von Vorteil, wenn die Breiten der Wirkflächen W_n bzw. deren Abstände zueinander kleiner sind als das visuelle Auflösungsvermögen des menschlichen Auges. Überdies ist es auch von Vorteil, wenn eine möglichst hohe Anzahl m von Sektoren S_mn zum Einsatz kommen, weil dadurch Abbildungsfehler, die ihre Ursache in fehlenden Wirkflächen der einzel nen Brennweiten f_m haben, minimiert werden.

Gegenstand der Erfindung ist weiterhin ein Verfahren zur Herstellung einer solchen multifokalen Fresnellinse. Dabei sind erfindungsgemäß folgende Verfahrensschritte vorgesehen:
Zunächst wird der Grundkörper der Fresnellinse als Rohling angefertigt, wobei dieser bereits eine ebene Oberfläche aufweist, die als spätere optisch wirksame Fläche vorge sehen ist. Die Oberfläche muß plastisch verformbar sein; außerdem werden mehrere Preßstempel P_n angefertigt, die zur plastischen Verformung der Oberfläche geeignet sind, wobei jeder dieser Preßstempel P_n die Negativstruktur von in geschlossenen kon zentrischen Kreisen angeordneten Wirkflächen W_n einer Brennweite f_n aufweist; die Preßstempel P_n werden dann in Stempelstreifen getrennt, wobei die Stempelstreifen in Form und Abmessung jeweils einem Sektor S_mn auf der herzustellenden Fresnellinse entsprechen; nun werden einzelne Stempelstreifen zu einem oder auch mehreren ver schiedenartig zusammengesetzten Preßstempel P_n' aneinandergereiht, wobei inner halb eines jeden Stempelstreifens die Negativstruktur von Wirkflächen W_n derselben Brennweite f_n vorhanden und aneinandergrenzende Stempelstreifen mit Wirkflächen W_n unterschiedlicher Brennweiten f_n versehen sind.

Schließlich wird die Oberfläche des Rohlings durch Aufsetzen eines kombiniert zu sammengesetzten Preßstempels P_n' und Einwirkung auf die Oberfläche unter Druck verformt, bis in die Oberfläche die Strukturen der Wirkflächen W_n plastisch eingeprägt sind.

Da zunächst für jede Brennweite f_n ein gesonderter Preßstempel P_n hergestellt wird, lassen sich nach dem Trennen der Preßstempel P_n in Stempelstreifen durch nachfol gendes Aneinanderfügen von Stempelstreifen mit Wirkflächen W_n unterschiedlicher Brennweiten f_n auf vielfältige Weise kombiniert zusammengesetzte Preßstempel P_n' herstellen, so daß in Abhängigkeit vom Verwendungszweck Preßstempel P_n' für Fres nellinsen mit unterschiedlichen optischen Gebrauchseigenschaften gefertigt werden können.

Dabei ist es empfehlenswert, als Material für die Preßstempel Kupfer, Aluminium oder ausgewählte NE-Metalle vorzusehen und die Strukturierung der Preßstempel P_n mit ei nem Einkristall-Diamantschneidwerkzeug, beispielsweise auf einer NC-Drehmaschine, vorzunehmen.

Als Material für die Fresnellinse kann ein Polymerwerkstoff, beispielhaft PMMA, vorge sehen sein, womit die Strukturierung durch Warmverformung möglich ist.

Die erfindungsgemäße Fresnellinse und ihre Verwendung soll nachfolgend anhand ei ner Anordnung zur dreidimensionalen Darstellung von Gegenständen näher erläutert werden. Weiterhin wird ein Verfahren zur Herstellung derartiger Fresnellinsen anhand einer Fresnellinse mit vier ringförmigen Wirkflächen W₁, W₂, W₃, W₄ und jeweils zuge ordneten Brennweiten f₁, f₂, f₃, f₄ erläutert. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen

Fig. 1 die schematische Darstellung einer multifokalen Fresnellinse mit den Wirkflä chen W₁, W₂, W₃, W₄, die jeweils die Brennweiten f₁, f₂, f₃, f₄ aufweisen, wobei die Gesamtfläche der Fresnellinse in Sektoren S_mn gegliedert ist;

Fig. 2 ein Beispiel zur Verwendung der erfindungsgemäßen Fresnellinse in einer An ordnung, die zur räumlichen Darstellung von Gegenständen/Szenen dient;

Fig. 3 die Strukturen von vier Preßstempeln P₁, P₂, P₃, P₄ zur Erzeugung von Wirkflä chen W₁, W₂, W₃, W₄ mit Andeutung ihrer Trennlinien in einzelne Stempelstrei fen;

Fig. 4 aus einzelnen Stempelstreifen unterschiedlich kombiniert zusammengesetzte Preßstempel P₁', P₂', P₃', P₄' zur Herstellung verschiedenartig wirkender Fres nellinsen.

In Fig. 1 ist eine multifokale Fresnellinse 1 mit gleichförmig gekrümmt verlaufenden optischen Wirkflächen W₁, W₂, W₃, W₄ dargestellt. Die Wirkflächen W₁, W₂, W₃, W₄ weisen die vier verschiedenen Brennweiten f₁, f₂, f₃, f₄ auf. Die Gesamtfläche der Fresnellinse 1 ist in acht streifenförmige Sektoren S_mn gegliedert, mit m = 1 . . . 8 als Zählindex für die Sektoren und n = 1 . . . 4 als Kennung für verschiedene Brennweiten f_n. Es sei darauf hin gewiesen, daß der Zählindex m = 8 zum Zwecke der Erläuterung anhand der Zeich nungen gewählt wurde. In der praktischen Ausführung jedoch sollte dieser Zählindex wesentlich höher sein und beispielsweise bei m ≈ 400 liegen.

Es ist aus Fig. 1 ersichtlich, daß innerhalb der Sektoren S₁₁ und S₅₁ nur Abschnitte von Wirkflächen W₁ mit der Brennweite f_n vorhanden sind. Analog hierzu sind innerhalb der Sektoren S₂₂ und S₆₂ nur Abschnitte von Wirkflächen W₂ mit der Brennweite f₂ vorhanden und so weiter.

Daraus ergibt sich, daß jeweils innerhalb eines Sektors S_mn nur Abschnitte von Wirkflä chen W_n derselben Brennweite f_n vorhanden sind. Andererseits weisen aneinandergren zende Sektoren S_mn stets Abschnitte von Wirkflächen W_n unterschiedlicher Brennwei ten f_n auf. Die streifenförmigen Sektoren S_mn haben jeweils die gleiche Breite, verlaufen parallel zueinander und sind lückenlos aneinandergefügt.

Die multifokale Fresnellinse 1 ist aus den oben bereits genannten Gründen zur Ver wendung in optischen Anordnungen geeignet, die zur dreidimensionalen Darstellung von Gegenständen vorgesehen sind, wobei auf einfache Weise mit einem konventio nellen Shutter dafür gesorgt werden kann, daß das Licht von mehreren Schichtbildern, die auf einer Bildanzeige zeitlich multiplext nacheinander wiedergegeben werden, stets nur durch zugeordnete Wirkflächen W_n gelangt.

Ein Beispiel einer solchen Anordnung ist schematisch in Fig. 2 dargestellt. Diese Anord nung dient der räumlichen Darstellung von Gegenständen und/oder Szenen und um faßt einen Bildgeber 2, auf dem vier ebene Schichtbilder b₁, b₂, b₃ und b₄ vollflächig und in einem Zeittakt zyklisch aufeinander folgend wiedergegeben werden. Der Voll ständigkeit halber sei erwähnt, daß dabei jedes Schichtbild b₁ bis b₄ um einen geson derten Faktor α/β_n verkleinert oder vergrößert dargestellt wird, wodurch den Schicht bildern b₁ bis b₄ Abbildungsmaßstäbe β_n (n = 1 . . . 4) zugeordnet sind, mit denen die Transformation durch die multifokale Fresnellinse 1 erfolgt (der Wert α ist eine Kon stante).

Eine in den Strahlengang nach Fig. 2 gestellte multifokale Fresnellinse 1 sei entspre chend der Darstellung in Fig. 1 ausgebildet, d. h. sie weist Sektoren S_mn mit Abschnitten mit von Wirkflächen W_n und Brennweiten f_n wie dort angegeben auf.

In Fig. 2 ist weiterhin ein Shutter 3 angedeutet, der so ansteuerbar ist, daß die Transpa renz einzelner Querschnittsbereiche q₁ bis q₄ eines Abbildungsstrahlenganges von ei nem Maximum auf ein Minimum und umgekehrt verändert werden kann. Die Verände rung erfolgt in dem gleichen Zeittakt, in dem die Schichtbilder b₁ bis b₄ auf dem Bild geber 2 aufeinander folgend erscheinen.

Wie die Sektoren S_mn auf der Fresnellinse 1, so sind auch die mit dem Shutter 3 reali sierten Querschnittsbereiche q₁ bis q₄ streifenförmig ausgebildet (nicht dargestellt). Die Veränderung der Transparenz der Querschnittsbereiche q₁ bis q₄ wird beispielsweise erreicht, indem als Shutter 3 ein Flüssigkristall-Modulator genutzt wird, der (in Rich tung der optischen Achse 4) einen Polarisator mit unveränderlicher und über den ge samten Abbildungsstrahlengang gleichgerichteter Polarisationsrichtung, eine aktive polarisationsoptische Flüssigkristallzone, in der einzelne Flüssigkristallbereiche an steuerbar sind und einen Analysator (ebenfalls mit unveränderlicher und über den ge samten Abbildungsstrahlengang gleichgerichteter Polarisationsrichtung) umfaßt.

Dabei können je nach vorgegebener Betriebsweise im "white mode" oder "black mode" die Polarisationsrichtungen des Polarisators und des Analysators um 90° gegeneinan der verdreht oder parallel ausgerichtet sein. Der Polarisator und der Analysator sind in den an sich bekannten Flüssigkristall-Modulatoren oftmals als Polarisationsfolien aus gebildet, wodurch der Modulator kompakt aufgebaut ist.

Bevorzugt sind dabei die Polarisationsrichtungen des Polarisators und des Analysators gegeneinander verdreht, so daß die Transparenz der Querschnittsbereiche q₁ bis q₄ im angesteuerten Zustand der Flüssigkristalle das Minimum und im nicht-angesteuerten Zustand das Maximum aufweist (white mode).

Die angesteuerten Flüssigkristallbereiche sind in Form und Ausdehnung mit den Quer schnittsbereichen q₁ bis q₄ identisch. So wird erreicht, daß sich bei Ansteuerung eines dieser Flüssigkristallbereiche aufgrund des Zusammenwirkens des Polarisators, der Flüssigkristalle dieses Bereiches (deren polarisierende Wirkung mit der Ansteuerung veränderlich ist) und des Analysators die Transparenz für die betreffenden Quer schnittsbereiche q₁ bis q₄ von einem Minimum auf ein Maximum bzw. umgekehrt ver ändert.

Die multifokale Fresnellinse 1 und der Shutter 3 können vorteilhaft zu einer Baueinheit zusammengefaßt sein. Dabei ist jeweils einem Sektor S_mn mit Wirkflächen W_n einer vor gegebenen Brennweite f_n auf der multifokalen Fresnellinse 1 einer der streifenförmigen Querschnittsbereich q₁ bis q₄ am Shutter 3 zugeordnet.

Der Bildgeber 1 und der Shutter 3 sind mit einer Synchronsteuerung verbunden (zeich nerisch nicht darstellt), die dafür sorgt, daß zeitgleich mit der Wiedergabe eines der Schichtbilder b₁ bis b₄ ausschließlich die Flüssigkristallbereiche des Shutters 3 nicht angesteuert sind, die den Weg des Abbildungsstrahlenganges durch die diesem Schichtbild zugeordneten Wirkflächen W_n freigegeben sollen (white mode).

So wird in einer ersten Zeitspanne t₁ das verkleinerte (oder vergrößerte) ebene Schicht bild b₁ in ein reelles Abbild a₁ transformiert, indem der Weg für den Abbildungsstrah lengang durch die Querschnittsbereiche q₂ und damit durch alle Sektoren S_m1 (mit den Wirkflächen W₁ und der Brennweite f₁) hindurch freigegeben ist. Der Weg durch die üb rigen Wirkflächen W_n _≠ ₁ (und den Brennweiten f_n _≠ ₁) ist während der Zeitspanne t₁ ge sperrt.

Während einer folgenden zweiten Zeitspanne t₂ erscheint auf dem Bildgeber 2 das ver kleinerte (oder vergrößerte) ebene Schichtbild b₂. Synchron ist durch entsprechende Ansteuerung der Querschnittsbereiche q₂ der Weg für den Abbildungsstrahlengang durch alle Sektoren S_m2 (mit den Wirkflächen W₂ und der Brennweite f₂) hindurch frei, während die Querschnittsbereiche q₁, q₃ und q₄ den Abbildungsstrahlengang sperren. Dabei wird das Schichtbild b₂ in das reelle Abbild a₂ transformiert.

In der dritten Zeitspanne t₃ wird das Schichtbild b₃ durch den Bildgeber 1 wiedergege ben und der Shutter 3 synchron so angesteuert, daß die Querschnittsbereiche q₃ alle Sektoren S_m3 (mit den Wirkflächen W₃und der Brennweite f₃) freigeben, während die Querschnittsbereiche q₁, q₂ und q₄ den Abbildungsstrahlengang bezüglich aller Wirkflächen W₁ bis W₄(mit den Brennweiten f₁ bis f₄) sperren. So wird das Schichtbild b₃ in das reelle Abbild a₃ transformiert. Während einer weiteren Zeitspanne t₄, erfolgt dies in entsprechender Art und Weise auch in bezug auf das Schichtbild b₄, von dem ein Abbild a₄ erzeugt wird.

Die Abbilder a₁ bis a₄ entstehen aufgrund der unterschiedlichen Brennweiten f₁ bis f₄ in unterschiedlichen Abständen von dem Betrachter 5 und haben infolge der Maßstabs korrektur jeweils dieselbe Größe. Dabei entsprechen die Abstände zu einem Betrach ter 5 der räumlichen Tiefe der in den Schichtbildern b₁ bis b₄ enthaltenen Bildinforma tionen. Der Betrachter 5 erhält einen Raumeindruck mit natürlicher Perspektive, sobald sein Abstand (bis auf den Faktor α) demjenigen bei der Betrachtung der realen Szene oder des realen Gegenstandes entspricht.

Die Abfolge der Zeitspannen t₁ bis t₄ wird zyklisch wiederholt, wobei immer wieder die Schichtbilder b₁ bis b₄ in der Objektebene des Bildgebers 2 wiedergegeben und in der beschriebenen Weise Abbilder a₁ bis a₄ erzeugt werden. Sind die Zeitspannen t₁ bis t₄ bezüglich ihrer Dauer und zeitlichen Aufeinanderfolge entsprechend gewählt und liegt der Zeittakt oberhalb des k-fachen der Flimmerverschmelzungsfrequenz v des menschlichen Auges, wobei k der Anzahl der insgesamt zur Raumbilderzeugung vor gesehenen Schichtbilder entspricht (in dem Ausführungsbeispiel also k = n = 4), kann der Betrachter 5 vier flimmerfreie, je nach Ausbildung der optischen Anordnung reelle und/oder virtuelle Abbilder a₁ bis a₄ in unterschiedlicher Tiefe des Raumes wie reale Objekte wahrnehmen.

Dank dieser tatsächlich vorhandenen räumlichen Tiefenstaffelung muß sich der Be trachter nicht mit einer Illusion von Tiefe zufriedengeben, wie das bei vielen stereo skopischen und autostereoskopischen 3D-Verfahren der Fall ist. Bei der hier beschrie benen Anordnung akkomodieren und konvergieren die Augen des Betrachters 5 auf die Abbilder a₁ bis a₄ in völliger Übereinstimmung mit dessen natürlicher Sehgewohnheit ohne Entkopplungszwang.

Die Betrachtung der Abbilder a₁ bis a₄ ist durch mehrere Betrachter 5 gleichzeitig mög lich. Für jeden Betrachter 5 ist außerdem auch das Erlebnis der Bewegungsparallaxe möglich, sofern er sich innerhalb des Sichtwinkels hin- und herbewegt.

Weitere wesentliche Vorteile dieser Anordnung bestehen darin, daß keine betrachter bezogenen Hilfsmittel, wie beispielsweise Brillen, benötigt werden, und das Verfahren auch ohne bewegte mechanische Baugruppen auskommt.

Allerdings ist hierbei die Verwendung von großformatigen multifokalen Fresnellinsen 1 erforderlich, damit die Abbilder a₁ bis a₄ im Raum unter einem möglichst breiten Sicht winkel wahrgenommen werden können. Derartige Fresnellinsen stehen mit der vorlie genden Erfindung zur Verfügung.

Nachfolgend wird ein Verfahren zur Herstellung der Fresnellinse 1, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist, näher erläutert.

Dazu werden zunächst vier zylinderförmige Preßstempel P₁, P₂, P₃, P₄ gefertigt, von de nen die Sicht auf die Formflächen in Fig. 3 dargestellt ist. Dabei weist der Preßstem pel P₁, dargestellt in Fig. 3a, die Negativstruktur der ringförmigen Wirkflächen W₁ der Brennweite f₁ auf. Der äußere Durchmesser der dargestellten Formfläche entspricht der Abmessung der zu fertigenden multifokalen Fresnellinse 1. Dies gilt für die übrigen Preßstempel P₂, P₃, P₄, die in Fig. 3b bis Fig. 3d dargestellt sind, im übertragenen Sinne.

Die Struktur der Wirkflächen W_n wird beispielsweise mit Hilfe eines Diamantschneid werkzeuges eingearbeitet. Nach der Strukturierung werden alle Preßstempel P₁, P₂, P₃, P₄ in Stempelstreifen getrennt, die in Form und Fläche den späteren Sektoren S_mn ent sprechen. In Fig. 3a bis Fig. 3d sind die Trennlinien zwischen den Stempelstreifen ein gezeichnet. Mit m ist die jeweilige Position eines Stempelstreifens bzw. Sektors S_mn im mit Preßstempel P_n und mit n die jeweilige Brennweite f_n der Wirkflächen W_n bezeichnet.

Nach dem Trennen und gegebenenfalls nach Feinbearbeitung der Stempelstreifen wer den diese zu kombiniert zusammengesetzten Preßstempeln P₁', P₂', P₃', P₄' aneinan dergereiht. Die dabei entstehenden Preßstempel P₁', P₂', P₃', P₄' sind beispielhaft in Fig. 4a bis Fig. 4d skizziert. Hier ist innerhalb eines jeden Stempelstreifens die Negativ struktur von Wirkflächen W_n derselben Brennweite f_n vorhanden, und aneinandergren zende Stempelstreifen sind mit Wirkflächen W_n unterschiedlicher Brennweiten f_n verse hen.

Im abschließenden Verfahrensschritt wird, um bei dem eingangs gewählten Beispiel der Fresnellinse 1 zu bleiben, der Preßstempel P₁' zur Verformung der Oberfläche eines Rohlings der Fresnellinse 1 genutzt, indem dieser auf die Oberfläche aufgesetzt wird und auf die Oberfläche unter Druck einwirkt, bis die Strukturen der Wirkflächen W_n pla stisch in die Oberfläche eingeprägt sind.

Abweichend davon ist die Herstellung der erfindungsgemäßen Fresnellinse in einer Weise denkbar, bei der zunächst eine Gieß- oder Spritzform gefertigt wird, die die Ne gativ-Konturen der Linse aufweist und die dann wiederholt ausgegossen bzw. ausge spritzt wird. Hierbei können thermische Plastwerkstoffe als Linsenmaterial vorgese hen werden. Mit diesem Herstellungsverfahren wie auch mit dem weiter oben beschriebenen sind ohne weiteres beispielsweise Fresnellinsen der Abmessungen 1231 × 727 mm² in großen Stückzahlen herstellbar.

Bezugszeichenliste

1

Fresnellinse

2

Bildgeber

3

Shutter

4

optische Achse

5

Beobachter
W_n

Wirkfläche
S_mn

Sektor
a_n

reelles Bild
b_n

Schichtbild
f_n

Brennweite
P_n

Preßwerkzeug
q_n

Querschnittsbereich

Claims

1. Multifokale Fresnellinse mit einer Vielzahl von gekrümmt verlaufenden optischen Wirkflächen W_n, die mindestens vier voneinander verschiedene Brennweiten f_n (n = 1 . . . ≧ 4) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß

- die Gesamtfläche der Fresnellinse (1) in eine Anzahl streifenförmiger Sektoren S_mn mit gegliedert ist, mit m einem fortlaufenden Zählindex aus dieser Anzahl,
- wobei innerhalb eines jeden Sektors S_mn Abschnitte von Wirkflächen W_n derselben Brennweite f_n und innerhalb aneinandergrenzender Sektoren S_mn Abschnitte von Wirkflächen W_n unterschiedlicher Brennweiten f_n vorhanden sind.

2. Multifokale Fresnellinse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirkflächen W_n ringförmig angeordnet sind.

3. Multifokale Fresnellinse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sektoren S_mn geradlinig und parallel zueinander ausgerichtet sind.

4. Multifokale Fresnellinse nach einem der vorgenannten Ansprüche, ausgebildet als ebene Platte oder Folie mit im wesentlichen gleichbleibender Dicke.

5. Multifokale Fresnellinse nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß die Wirkflächen W_n innerhalb eines Sektors S_mn unter Vermei dung von Störflanken stets unmittelbar aneinander angrenzen.

6. Multifokale Fresnellinse, nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß die Breiten der Wirkflächen W_n kleiner sind als das visuelle Auflösungsvermögen des menschlichen Auges.

7. Verfahren zur Herstellung einer multifokalen Fresnellinse, ausgebildet nach ei nem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

- Anfertigung eines Rohlings für die spätere Fresnellinse (1) mit einer plastisch verformbaren Oberfläche,
- Anfertigung mehrerer Preßstempel P_n, die zur plastischen Verformung der Ober fläche geeignet sind, wobei jeder Preßstempel P_n die Negativstruktur von ring förmig angeordneten Wirkflächen W_n einer der Brennweiten f_n aufweist,
- Trennen der Preßstempel P_n in Stempelstreifen, wobei die Stempelstreifen in Form und Abmessung jeweils den Sektoren S_mn auf der herzustellenden Fresnel linse (1) entsprechen,
- Aneinanderreihen einzelner Stempelstreifen zu einem kombiniert zusammenge setzten Preßstempel P_n', bei dem innerhalb eines jeden Stempelstreifens die Ne gativstruktur von Wirkflächen W_n derselben Brennweite f_n vorhanden und anein andergrenzende Stempelstreifen mit Wirkflächen W_n unterschiedlicher Brennwei ten f_n versehen sind, und schließlich
- Verformung der Oberfläche des Rohlings durch Aufsetzen des kombiniert zu sammengesetzten Preßstempels P_n' und Einwirkung auf die Oberfläche unter Druck, bis in die Oberfläche die Strukturen der Wirkflächen W_n plastisch einge prägt sind.

8. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Material für die Preßstempel Kupfer vorgesehen ist und die Strukturierung der Preßstempel P_n mit einem Einkristall-Diamantschneidwerkzeug erfolgt.

9. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß als Material für die Fresnellinse (1) ein Polymerwerkstoff, bevorzugt PMMA, vorgesehen ist und die Strukturierung durch Warmverformung erfolgt.

10. Verfahren zur Herstellung einer multifokalen Fresnellinse, ausgebildet nach ei nem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst eine Gieß- oder Spritzform gefertigt wird, die die Negativ-Konturen der Linse aufweist und die Form dann mit einem thermischen Plastwerkstoff ausgegossen bzw. ausge spritzt wird, wobei der Plastwerkstoff die Kontur der Linse annimmt