DE102007004444A1

DE102007004444A1 - Multifunktionsglas

Info

Publication number: DE102007004444A1
Application number: DE102007004444A
Authority: DE
Inventors: Hans-Jürgen DOBSCHAL; Günter Rudolph; Karsten Lindig
Original assignee: Carl Zeiss AG
Current assignee: Tooz Technologies GmbH
Priority date: 2007-01-26
Filing date: 2007-01-26
Publication date: 2008-08-07
Anticipated expiration: 2027-01-27
Also published as: DE102008033767A1; DE102007004444B4; WO2008089992A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Multifunktions-Glas, bei dem ein außerhalb dieses Glases (1) mit einem Bildgeber (3) erzeugtes Bild über eine Fläche des Glases (1) optisch einkoppelbar, innerhalb dieses Glases (1) optisch übertragbar und über eine der vor einem Auge (10) eines Beobachters liegenden optischen Flächen in das Auge (10) auskoppelbar ist. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß das reelle Bild in eine Einkoppelfläche (20), die in einem Randbereich des Glases (1) liegt, einkoppelbar ist, das eingekoppelte Bild an einer der optischen Flächen des Glases eine Totatreflexion erhält und dann eine Auskopplung eines virtuellen Bildes aus der optischen Fläche des Glases in Richtung Auge (10) durch eine mikrostrukturierte optische Fläche, welche eine Auskoppelfläche (22) ist, erfolgt, die auf einer der optischen Flächen des Glases aufgebracht ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Multifunktions-Glas, bei dem ein außerhalb dieser Gläser erzeugtes Bild über eine Randfläche eines Glases optisch einkoppelbar und innerhalb dieses Glases optisch übertragbar und über eine der vor einem Auge eines Beobachters liegenden optischen Flächen des Glases in das Auge auskoppelbar ist.
Bekannt sind Multifunktionsgläser zur Bildübertragung und Bildeinkopplung in Datenbrillen, die auch als Head-Mounted Displays (HMD's) bezeichnet werden. Bei See-Through-HMD's wird ein virtuelles Bild des darzustellenden Objektes erzeugt, welches in ein transparentes Brillenglas des Brillenträgers eingespiegelt wird und dem Betrachter in einigen Metern vor dem Brillenglas zu liegen scheint. Bei den darzustellenden Objekten handelt es sich typischer Weise um kleine Displays zur Anzeige von Text, Zahlen, Symbole oder Graphik, die entweder selbstleuchtend oder hinterleuchtet sind.
Die JP 10-319 240 A zeigt eine Datenbrille, bei der ein Bild in den Rand eines Brillenglases eingekoppelt wird. Mittels eines auf die Außenseite eines Brillenglases aufgebrachten Hologramms wird das eingekoppelte Bild direkt in Richtung der Augen des Brillenträgers umgelenkt. Mit dieser Lösung kann nur ein vergleichsweise kleines Bild geringer Auflösung dargestellt werden.
In US 5,369,415 A eine Anzeigeeinrichtung beschrieben, bei der ein Bild dadurch erzeugt wird, indem ein Lichtbündel direkt auf die Retina eines Betrachters gescannt wird. Die Strahleinkopplung erfolgt schräg in eine dem Auge zugewandten Fläche einer Planparallelen Platte. Nach mehrfacher Reflexion an den Planflächen der Planparallelen Platte wird der gescannte Strahl mittels einer holografischen Schicht, welche auf der den Auge abgewandten Planfläche aufgebracht ist, in das Auge umgelenkt. Direkt auf die Retina schreibende Verfahren haben den Nachteil, daß der Bildaufbau nacheinander Pixelweise erfolgt und die Gefahr zu hoher Strahlenbelastung des Auges besteht.
In US 6,829,095 B2 wird eine optische Anordnung beschrieben, welche insbesondere für die Verwendung in einem Head-Mounted Display vorgesehen ist. Ein Bild wird in eine Planfläche einer Planparallelen Platte, die als Lichtleiter dient, eingekoppelt nach mehreren Totalreflexionen wird das Bild über spezielle Reflexionsflächen, die in das Volumen der Planparallelen Platte eingebracht sind, in das Auge eingekoppelt. Daraus resultiert zum einen eine relativ komplexe Glasstruktur und zum anderen eine dicke Glasplatte, welche für Anwendung in klassisch gekrümmten Brillengläsern (Sonnen-, Sport-, Normalbrillen) nicht geeignet ist. Eine korrigierende optische Wirkung, wie die einer Brille, ist nicht möglich. Eine Hauptschwierigkeit liegt in der Lichtführung des HMD-Bildes, das zum einen NA-angepaßt und zum anderen als Querformatbild ins Auge abgebildet werden soll. Diese Planparallele Platte mit den schräg liegenden Reflexionsflächen ist nur sehr aufwendig herstellbar.
Die Erfindung soll das Problem lösen, eine vergleichsweise einfach aufgebaute Datenbrille zu schaffen, die der Funktion einer Brille und deren Trageeigenschaften möglichst nahe kommt. Es soll ein angepaßtes Querformatbild darstellbar sein, wobei auf ein direkt in die Retina schreibendes Verfahren verzichtet wird. Die auf unterschiedliche Weise generierten Bilder sollen insbesondere in Sonnenbrillen, Sportbrillen, Arbeitsschutzbrillen sowie klassischen Brillen, die als Sehhilfe dienen, der realen Umgebungssicht überlagert werden. Insbesondere soll das Bild im quergestellten Rechteckformat darstellbar sein.
Die Lösung der Aufgabe gelingt erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs 1.
Die Unteransprüche 2 bis 26 sind vorteilhafte Ausgestaltungen des Hauptanspruchs.
Grundlegende Idee dieser Erfindung ist ein Multifunktions-Glas, das insbesondere in einer Datenbrille Einsatz findet, welches im See-Through-Modus arbeitet und zur Darstellung von Informationen dient. Die Herausforderung liegt in der an Sonnenbrillen, Sportbrillen oder auch klassischen Brillen angepaßten Ergonomie der Datenbrille, die entgegen den handelsüblichen HMD's sehr dünne Brillengläser, sehr geringen Bauraum und geringes Gewicht erfordert.
Diese Anforderungen sind nur durch eine Lichtführung im Bereich des Brillenglasrandes sowie hauptsächlich im Brillenglas selbst möglich. Zentraler Bestandteil der Erfindung ist demzufolge ein multifunktionelles Brillenglas mit den Hauptfunktionen Lichteinkopplung, Strahlumlenkung, optische Abbildung, Bilddrehung und Lichtauskopplung.
Eine wesentliche Ausführungsform der Erfindung besteht darin, daß an den Flächen eines Brillenglases mindestens zwei mikrostrukturierte optische Flächen (MSF) eingebracht und/oder aufgebracht sind, die nicht parallel zueinander sind.
Eine in Lichtausbreitungsrichtung angeordnete erste mikrostrukturierte Fläche ist auf dem Brillenglasrand angeordnet. Diese dient der Strahlumlenkung und hat dabei vorzugsweise zusätzlich eine optisch abbildende Wirkung, welche eine Verzeichniskorrektur und/oder Bildschärfekorrektur und/oder Fokussierung beinhaltet. Diese erste mikrostrukturierte Fläche wird nachfolgend als Umlenkfläche bezeichnet.
Eine in Lichtausbreitungsrichtung angeordnete zweite mikrostrukturierte optische Fläche ist auf einer der optischen Flächen des Brillenglases, entweder auf der distalen oder auf der proximalen optischen Fläche, angeordnet. Diese dient der Strahlauskopplung aus dem Brillenglas in proximaler Richtung (zur Einkopplung in das Auge) und wird nachfolgend als Auskoppelfläche bezeichnet. Dabei bedeckt diese mikrostrukturierte optische Fläche nicht die gesamte optische Fläche des Brillenglases, sondern nur ein Gebiet um die optische Achse des Brillenglases, welche mit der optischen Achse des Auges, bei Geradsicht, in Übereinstimmung sein sollte. Weiterhin besitzt das Brillenglas an einer der Randflächen, die der Umlenkfläche nicht gegenüberliegt, eine Einkoppelfläche zur Bildeinkopplung.
Der Lichtbündeleintritt erfolgt daher immer über eine der Randflächen des Brillenglases, vorzugsweise lateral, aber auch kranial oder kaudal. Die mediale Randfläche ist zwar technisch prinzipiell ebenso geeignet, jedoch praktisch nicht verfügbar, da in diesem Bereich die Nase ist.
Ein weiters Merkmal der Erfindung ist, daß auf dem Lichtweg des Bildes im Glas mindestens eine Totalreflexion an einer der optischen Flächen des Glases erfolgt.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Totalreflexion im Lichtweg zwischen den beiden mikrostrukturierten optischen Flächen des Brillenglases erfolgen (eine auf der distalen Fläche oder/und eine auf der proximalen Fläche oder umgekehrt).
Es ist eine Ausführungsvariante vorgesehen, bei der eine weitere (dritte) mikrostrukturierte optische Fläche lateral oder medial oder kranial oder kaudal auf der Randfläche des Brillenglases aufgebracht ist, welche jedoch nicht parallel zu der jeweils ersten mikrostrukturierten optischen Fläche ist, die als Umlenkfläche dient. Vorzugsweise erfolgen die Lichteinkopplung in das Brillenglas in die laterale Randfläche und die Lichtbündelumlenkung an einer oder an zwei der Randflächen, medial oder kranial oder kaudal. Dies hat den großen Vorteil, daß die Komponenten zur Bilderzeugung im Bereich des Brillenbügels angeordnet werden können. Der Brillenbügel dient dabei vorteilhafter Weise zur Aufnahme der elektrischen und optischen Übertragungskabel.
Es ist auch vorgesehen, daß unmittelbar nach dem Lichteintritt in das Brillenglas durch die Einkoppelfläche mindestens zwei weitere Totalreflexionen zwischen den optischen Flächen des Brillenglases, distal und proximal, erfolgen, das heißt, vor der ersten Umlenkung der Lichtbündel durch die im Lichtweg erste Umlenkfläche.
Insbesondere beim Lichtbündeleintritt in die laterale Randfläche des Brillenglases ist ein Umlenkspiegel oder ein Umlenkprisma vorgesehen, welche die Lichtbündel, die aus der Richtung des Brillenbügels ausgesendet werden in etwa um 90° auf die laterale Randfläche des Brillenglases umlenkt.
Ein wesentlicher Gesichtspunkt der Erfindung liegt darin, daß durch die Lichtbündelumlenkung eine Drehung des Bildformates um 90° oder ein vielfaches erfolgt. Diese Bilddrehung ist im Brillenglas integriert. Das heißt, ein an dem lateralen Rand der Brilleeingekoppeltes vertikales hochformatiges Eingangsbild wird mittels der Umlenkfläche, die Kranial oder kaudal angeordnet sein kann, in ein horizontales Bild transformiert und anschließend als Querformat-Ausgangsbild in das Auge abgebildet. Damit wird zum einen die in jedem Fall notwendige NA-Anpassung an das menschliche Auge aus dem Brillenglas in einem vorgesetzten Element im Brillengestell integriert. Zum anderen liegt der Vorteil in der sehr geringen benötigten Brillenglas Dicke bei dennoch relativ großen möglichen Bildwinkeln. Damit ergeben sich für die Datenbrille ein sehr geringer Bauraum und ein geringes Gewicht.
Für das Head-Mounted Display in Brillenform ist das beschriebene transmittierende Multifunktions-Brillenglas das Hauptbauelement, in dem neben der klassischen Brillenfunktion die Lichtführung eines seitlich anliegenden HMD-Bildes im Querschnitt des Brillenglases mit folgenden vier Funktionen erfolgt:

1. Lichtbündeleinkopplung in das Brillenglas in eine Einkoppelfläche
2. Lichtbündelumlenkung und Lichtbündeldrehung an einer Umlenkfläche
3. Abbildende Wirkung durch refraktive und/oder mikrostrukturierte optische Flächen
4. Lichtbündelauskopplung durch eine Auskoppelfläche

Dabei kommt der Bilddrehung innerhalb des Brillenglases eine zentrale Bedeutung zu, da diese zum einen sehr schmale Brillengläser zuläßt und zum anderen es erlaubt, die NA-Angepassung außerhalb des Brillenglases in den Brillenbügel zu verlagern, was den technologischen Aufwand bei der Herstellung des Brillenglas und die Brillenglasdicke gering hält.
Neben der einfachen Lichtbündeleinkopplung über eine plane Einkoppelfläche kann diese auch noch weitere optische Wirkungen liefern, wie eine Lichtbündelumlenkung und/oder optische Abbildung. In diesem Falle sind in die Einkoppelfläche ein diffraktives Element (HOE, DOE) oder ein refraktives Element (Fresnel) in die Eintrittsfläche integriert.
Die Lichtführung zur Umlenkfläche erfolgt über den direkten Glasweg oder über eine oder mehrer Totalreflektionen zwischen den optischen Flächen des Brillenglases.
Die Bilddrehung erfolgt an jeder Umlenkfläche. Die Umlenkfläche kann ein Spiegel sein oder als diffraktives Element (HOE, DOE) oder als refraktives Element (Fresnel) ausgebildet sein. Die Auskoppelfläche ist in jedem Fall ein diffraktives Element (HOE, DOE) oder ein refraktives Element (Fresnel).
Die Umlenkfläche dient auch zur Einleitung der mindestens einen Totalreflektion im Glas, die notwendig ist, um das Licht mittels der Auskoppelfläche, die als diffraktives Element (HOE, DOE) oder als refraktives Element (Fresnel) ausgebildet ist, wieder aus dem Brillenglas in Richtung Augenpupille auszukoppeln.
Um eine zusätzliche optische Wirkung in die Lichtführung einzubringen, kann ein weiteres Mikrostrukturiertes optisches Element, welches insbesondere als DOE ausgebildet ist, im Strahlengang der Totalreflexion auf die Front oder Rückfläche des Brillenglases aufgebracht werden. Dadurch erhält man einen weiteren Freiheitsgrad bei der Dimensionierung der Abbildung, was zu einer besseren Realisierung einer gewünschten großen Bildgröße führt.
Vorraussetzung für die Wirkung jeder Ausführungsform des Multifunktions-Brillenglases ist ein Zwischenbild, welches nahe dem Randbereich des Brillenglases erzeugt wird. Dies kann zum einen durch monochromatisch hinterleuchtete 2-D-Bildgeber oder zum anderen mittels Microscanner, in Kombination mit kollimierter Beleuchtung auf einer Mattscheibe realisiert sein.
Wichtig ist in beiden Fällen die an das Multifunktions-Brillenglas angepaßte NA und die Winkelverteilung der Abstrahlung, welche beispielsweise durch ein ortsabhängiges, strukturiertes reflektierendes Noppenarray realisiert wird.
Die beschriebenen Multifunktions-Brillengläser werden insbesondere für monokolare oder biokulare Dateneinspiegelung in einer Anordnung eingesetzt, welche als Datenbrille oder als HMD bekannt ist. Der Einsatz dieser speziellen Gläser ist jedoch auch in anderen optischen Geräten zur Bilddarstellung, wie Fotoapparaten, Fernrohren oder Mikroskopen, vorgesehen.
Die Bezeichnung „Brillenglas" beinhaltet, daß das „Brillenglas" aus dem Werkstoff Glas oder einem anderen transparenten Stoff, insbesondere einem transparenten Kunststoff, gefertigt sein kann, wobei das „Brillenglas" eine oder keine das menschliche Auge korrigierende optische Wirkung hat.
Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von Ausführungsbeispielen beschrieben. Es zeigen:
1: Datenbrille mit Bildgeber zur Dateneinspiegelung und mit einem Brillenglas, welches als Multifunktions-Glas ausgebildet ist
2: Schema zur Bestimmung der seitlichen Flächen eines Brillenglases in Bezug zum Beobachter
3: Schema zur Bestimmung der horizontalen Fläche eines Brillenglases in Bezug zum Beobachter
4: Schema zur Bestimmung der optischen Flächen eines Brillenglases in Bezug zum Beobachter
5: Schema zur Bestimmung der Randflächen eines Brillenglases in Bezug zum Beobachter
6: Kopplung des Multifunktions-Brillenglases mit einem Bilderzeuger, der eine Laserlichtquelle und einen gescannten Laserstrahl verwendet
7: Kopplung des Multifunktions-Brillenglases mit einem Bilderzeuger, der eine selbstleuchtende Matrix (OLED) verwendet
8: Kopplung des Multifunktions-Brillenglases mit einem Bilderzeuger, der eine Lichtquelle und eine LCD-Matrix als Bildgeber verwendet
9: Komponenten eines Bilderzeugers mit Lichtquelle und LCD-Matrix
10: Komponenten eines Bilderzeugers mit Laserlichtquelle, Scannerspiegel und Streuscheibe
11: Komponenten eines Bilderzeugers mit Lichtleitfaser, Scannerspiegel und Streuscheibe
12: Multifunktions-Brillenglas mit Bildeinkopplung über eine kraniale Randfläche und proximale Bildauskopplung
13: Multifunktions-Brillenglas mit Bildeinkopplung über eine kraniale Randfläche und distale Bildauskopplung
14: Multifunktions-Brillenglas mit Bildeinkopplung über eine kraniale Randfläche, laterale Bildumlenkung und proximale Bildauskopplung
15: Multifunktions-Brillenglas mit Bildeinkopplung über eine kraniale Randfläche, laterale Bildumlenkung und distale Bildauskopplung
16: Multifunktions-Brillenglas mit Bildeinkopplung über eine kraniale Randfläche, mediale Bildumlenkung und proximale Bildauskopplung
17: Multifunktions-Brillenglas mit Bildeinkopplung über eine kraniale Randfläche, mediale Bildumlenkung und distale Bildauskopplung
18: Multifunktions-Brillenglas mit Bildeinkopplung über eine kraniale Randfläche, laterale und kaudale Bildumlenkung und proximale Bildauskopplung
19: Multifunktions-Brillenglas mit Bildeinkopplung über eine kraniale Randfläche, laterale und kaudale Bildumlenkung und distale Bildauskopplung
20: Multifunktions-Brillenglas mit Bildeinkopplung über eine laterale Randfläche, kraniale Bildumlenkung sowie proximale Bildauskopplung
21: Multifunktions-Brillenglas mit Bildeinkopplung über eine laterale Randfläche, kraniale Bildumlenkung sowie distale Bildauskopplung
22: Multifunktions-Brillenglas mit Bildeinkopplung über eine laterale Randfläche, mediale und kraniale Bildumlenkungen sowie proximale Bildauskopplung
23: Multifunktions-Brillenglas mit Bildeinkopplung über eine laterale Randfläche, mediale und kraniale Bildumlenkungen sowie distale Bildauskopplung
24: Multifunktions-Brillenglas mit Bildeinkopplung über eine laterale Randfläche, kaudale Bildumlenkung sowie proximale Bildauskopplung
25: Multifunktions-Brillenglas mit Bildeinkopplung über eine laterale Randfläche, kaudale Bildumlenkung sowie distale Bildauskopplung
26: Multifunktions-Brillenglas mit Bildeinkopplung über eine laterale Randfläche, mediale und kaudale Bildumlenkungen sowie proximale Bildauskopplung
27: Multifunktions-Brillenglas mit Bildeinkopplung über eine laterale Randfläche, mediale und kaudale Bildumlenkungen sowie distale Bildauskopplung
28: Entspricht 20, jedoch mit Totalreflexionen vor der Bildumlenkung
29: Entspricht 21, jedoch mit Totalreflexionen vor der Bildumlenkung
30: Entspricht 24, jedoch mit Totalreflexionen vor der Bildumlenkung
31: Entspricht 25, jedoch mit Totalreflexionen vor der Bildumlenkung
32: Multifunktions-Brillenglas mit Bildeinkopplung über eine kraniale Randfläche, laterale Bildumlenkung sowie proximale Bildauskopplung
33: Multifunktions-Brillenglas mit Bildeinkopplung über eine kraniale Randfläche, laterale Bildumlenkung sowie distale Bildauskopplung
34: Multifunktions-Brillenglas mit Bildeinkopplung über eine kraniale Randfläche, kaudale Bildumlenkung sowie proximale Bildauskopplung
35: Multifunktions-Brillenglas mit Bildeinkopplung über eine kraniale Randfläche, kaudale Bildumlenkung sowie distale Bildauskopplung
36: Multifunktions-Brillenglas mit Bildeinkopplung über eine kraniale Randfläche, laterale und kaudale Bildumlenkungen sowie proximale Bildauskopplung
37: Multifunktions-Brillenglas mit Bildeinkopplung über eine kraniale Randfläche, laterale und kaudale Bildumlenkungen sowie distale Bildauskopplung
38: Multifunktions-Brillenglas mit Bildeinkopplung über eine kraniale Randfläche, mediale und kaudale Bildumlenkungen sowie proximale Bildauskopplung
39: Multifunktions-Brillenglas mit Bildeinkopplung über eine kraniale Randfläche, mediale und kaudale Bildumlenkungen sowie distale Bildauskopplung
40: Multifunktions-Brillenglas mit Bildeinkopplung über eine laterale Randfläche, kraniale Bildumlenkung sowie proximaler Formungsfläche und distaler Auskoppelfläche
41: Multifunktions-Brillenglas mit Bildeinkopplung über eine kraniale Randfläche sowie mit angekoppelten Bildgeber und Lichtquelle
42: Multifunktions-Brillenglas mit Bildeinkopplung über eine am lateralen Rand proximal liegende Einkoppelfläche, am lateralem Rand liegende Umlenkfläche, kranial liegender Umlenkfläche
43: Draufsicht auf das Multifunktions-Brillenglas gemäß 42.
44: Schematische Darstellung des Einsatzes eines Multifunktions-Glases in einem Feldstecher
1 zeigt eine Ausführungsform einer Datenbrille, die über einen Bildgeber 3 verfügt, der an einem Brillenbügel 2 befestigt ist. Der Bildgeber 3 koppelt ein Bild in eine Fläche am Rand eines Brillenglases 1 ein. Mit Hilfe einer Mikrostrukturierten optischen Fläche, die sich auf einer der optischen Flächen des Brillenglases 1 (innen oder außen) befindet, wird das Bild in das Auge 10 eines Betrachters gelenkt.
Hier ist in der 1 eine Bilddarstellung für das linke Auge 10 gezeigt. Ein weiterer Bildgeber 3 kann auch an dem Brillenglas 1 für das rechte Auge 10 angebracht sein, so daß eine binokulare Sicht realisierbar ist.
Die 2 bis 5 veranschaulichen die Definition der Richtungen, welche die Flächen des Brillenglases 1 in Bezug zum Körper des Beobachters festlegen.
6 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines Multifunktions-Brillenglases 1, welches in einer Variante die prinzipiellen Merkmale der Erfindung darstellt.
Solche Multifunktions-Brillengläser werden in Datenbrillen, welche auch als Head-Mounted Display bezeichnet werden, eingesetzt.
Der Bildgeber 3 ist in diesem Beispiel eine Kombination aus einer intensitätsmodulierbaren Halbleiterlichtquelle, die einen monochromatischen Laserstrahl liefert, einer strahlformenden abbildenden Optik 5, einem Scannspiegel, der mit dem Laserstrahl ein Bild schreibt, welches über einen Umlenkspiegel 6 auf einer Streuscheibe 8 als Zwischenbild darstellbar ist.
Das Zwischenbild wird mittels eines prismenartigen Umlenkelements 9 in eine laterale Einkoppelfläche 20 eines Brillenglases 1 eingekoppelt. Das Umlenkelement 9 hat vornehmlich die Funktion der Umlenkung des Zwischenbildes, wobei eine zusätzliche refraktive oder diffraktive Wirkung auf einer der optischen Flächen des Umlenkelements 9 vorgesehen ist, welche eine Anpassung des Strahlenganges an die geometrischen Verhältnisse bei der Übertragung im Brillenglas 1 ermöglicht. Die laterale Einkoppelfläche 20 ist hier mikrostrukturiert, so daß eine Ablenkung der Lichtbündel des Bildes in Richtung auf eine kraniale Randfläche erfolgt.
Das Bild wird geradlinig durch das Brillenglas 1 geführt und trifft auf die kraniale Randfläche. Die kraniale Randfläche ist mikrostrukturiert, so daß eine Lichtbündelumlenkung zu der nachfolgenden Totalreflexion 23 und eine Bilddrehung vorgenommen werden.
Im Strahlenverlauf erfolgt die eine Totalreflexion 23 auf einer distalen Fläche des Brillenglases 1. Auf der proximalen Fläche des Brillenglases 1 ist weiterhin im Bereich der projizierten Augenmitte eine Mikrostrukturierte optische Fläche (Transmissionshologramm) vorhanden, welche eine Auskopplung des Bildes aus dem Brillenglas 1 vornimmt, wobei das Bild im quergestellten Rechteckformat vom Auge 10 des Beobachters virtuell wahrnehmbar ist.
Die Mikrostrukturierungen der Flächen können als DOE-, HOE- und/oder Fresnel-Struktur ausgeführt sein, wobei neben der Bildumlenkung zusätzlich auch eine refraktive oder diffraktive strahlformende optische Wirkung realisierbar sind.
Die Herstellung derartiger Strukturen ist in der Fachliteratur umfassend beschrieben.
7 entspricht im Wesentlichen der Darstellung in 6, wobei hier als Bildgeber 3 eine selbstleuchtende Matrix (OLED) verwendet wird und als Umlenkelement 9 ein Spiegel verwendet wird.
In 8 erfolgt die Bilderzeugung mittels einer mit einer Lichtquelle 11 beleuchteten LCD-Matrix 13 als Bildgeber 3. Das Umlenkelement 9 ist hier ein Spiegel, der das Bild auf die Umlenkfläche 21 lenkt. Das Multifunktions-Brillenglas 1 entspricht dem in 6 und 7 gezeigten, mit dem Unterschied, daß hier die Einkoppelfläche 20 nicht strukturiert ist.
9 zeigt einen Teil einer Datenbrille, bei der die Energieversorgung, die Steuerung und die Datenverarbeitung von der Brille mit Dateneinspiegelung räumlich getrennt in einer Einheit 14 angeordnet sind. Die Verbindung erfolgt durch Kabel 15, welche über den Brillenbügel 2 zur Lichtquelle 11 und zum Bildgeber 3 geführt sind. Die Lichtquelle 11 beleuchtet den Bildgeber 3 über ein Aufweitungssystem 12 (die Anordnung entspricht der in 8 gezeigten). Das vom Bildgeber 3 erzeugte Bild wird über ein Umlenkelement 9, im Beispiel ein prismenartiges Teil, in die Randfläche des Brillenglases 1 (nicht dargestellt) eingekoppelt. Die in der Figur gezeigten Teile, Lichtquelle 11, Aufweitungssystem 12, Bildgeber 3 und Umlenkelement 9, sind in dem Brillenbügel 2 integriert. Eine Lichtaustrittsfläche des Umlenkelements 9 steht im aufgeklappten Zustand des Brillenbügels 2 der Einkoppelfläche 20 am Rand des Brillenglases 1 gegenüber.
10 zeigt eine modifizierte Ausführung von 9, wobei hier die Bildgebung durch einen modulierten Laserstrahl erfolgt, der mit einem Scannerspiegel 7 auf eine Streuscheibe 8 gescannt wird (wie dieses in 6 gezeigt ist).
11 zeigt eine modifizierte Ausführung von 10, wobei hier die Laserlichtquelle 4 mit in der Einheit zur Energieversorgung, Steuerung und Datenverarbeitung 14 enthalten ist. Hier ist parallel zu den Verbindungskabeln 15 eine Lichtleitfaser 16 gelegt, welche das Laserlicht zum Scannerspiegel 7 transportiert.
12 zeigt ein Multifunktions-Brillenglas 1, bei dem das Bild über eine kraniale Randfläche am Brillenglas 1 eingekoppelt wird. Es erfolgt zunächst eine erste Totalreflexion 23 an der distalen optischen Fläche, eine zweite an der proximalen optischen Fläche und dann eine dritte Totalreflexion an der distalen optischen Fläche. Das Bild wird dann aus der proximalen optischen Fläche mittels einer darauf aufgebrachten Mikrostruktur ausgekoppelt, um als virtuelles Bild 17 vom Auge 10 des Betrachters wahrgenommen zu werden.
In 13 entspricht die Bildeinkopplung der in 12 gezeigten. Hier erfolgt eine dritte Totalreflexion 23 auf der distalen optischen Fläche und die Auskopplung des Bildes erfolgt durch eine Mikrostrukturierung auf der distalen optischen Fläche.
Die in 12 und in 13 beschriebenen Varianten funktionieren entsprechend, wenn der Bildgeber 3 das Bild über eine kaudal oder lateral liegende Randfläche in das Brillenglas 1 einkoppelt.
Die 14 bis 42 zeigen verschiedene Varianten der Dateneinspiegelung in ein Brillenglas 1, die sämtlich von der Idee der Erfindung Gebrauch machen durch eine Umlenkung am Rand des Brillenglases 1, dem Beobachter ein NA-angepaßtes Querformatbild über ein Brillenglas 1 einzuspiegeln.
Die 14 bis 19 zeigen zunächst eine Einkopplung des Bildes über die kraniale Randfläche als Einkoppelfläche 20. Die Einkoppelfläche 20 ist hier eine mikrostrukturierte optische Fläche, welche die Lichtbündel nach ihrem Eintritt ablenkt.
14 und 15 zeigen ein Multifunktions-Brillenglas 1, bei dem nach der Einkopplung Totalreflexionen 23 zwischen der distalen optischen Fläche und der proximalen optischen Fläche erfolgen. Dann erfolgt eine Umlenkung der Lichtbündel durch die laterale Fläche, welche eine mikrostrukturierte optische Fläche ist. Auf dem Weg im Glas zur Auskoppelfläche 22 werden die Lichtbündel nochmals mehrfach zwischen der distalen optischen Fläche und der proximalen optischen Fläche totalreflektiert. In 14 ist die Auskoppelfläche 22 distal, in 15 proximal aufgebracht.
16 und 17 entsprechen den 14 und 15 mit dem Unterschied, daß die Umlenkfläche 21 medial auf der Randfläche liegt.
18 und 19 zeigen jeweils eine zweifache Umlenkung der Lichtbündel. Die in Lichtausbreitungsrichtung erste Umlenkfläche 21 liegt lateral auf dem Brillenrand und die in Lichtausbreitungsrichtung zweite Umlenkfläche 24 liegt kaudal auf dem Brillenrand. Hier ist jeweils ein Rechteckbild im Querformat darstellbar.
Die 20 bis 31 zeigen jeweils ein Multifunktions-Brillenglas 1, bei dem das Bild über eine laterale Randfläche des Brillenglases 1 eingekoppelt wird.
In 20 erfolgt nach der lateralen Einkopplung des Bildes zunächst eine Umlenkung an der kranialen Randfläche. Dann erfolgen eine erste Totalreflexion 23 an der proximalen optischen Fläche und dann eine zweite Totalreflexion 23 an der distalen optischen Fläche. Das Bild wird dann aus der proximalen optischen Fläche mittels der darauf aufgebrachten Mikrostruktur ausgekoppelt. Die Mikrostruktur ist jedoch nur auf einer Teilfläche der optischen Fläche des Brillenglases 1 aufgebracht, welche auf ein Gebiet um die Verlängerung des Augenmittelpunktes des Beobachters herum beschränkt ist. In den Bereichen der optischen Fläche, auf denen eine Totalreflexion 23 erfolgt, ist die optische Fläche nicht strukturiert.
In 21 entspricht die Bildeinkopplung der in 20 gezeigten. Hier erfolgt eine dritte Totalreflexion 23 auf der proximalen optischen Fläche und die Auskopplung des Bildes erfolgt durch eine Mikrostrukturierung auf einem Teil der distalen optischen Fläche.
In 22 erfolgen nach der lateralen Einkopplung des Bildes zunächst eine erste Umlenkung des Bildes an einer medialen Randfläche des Brillenglases 1 und dann eine zweite Umlenkung an der kranialen Randfläche. Weiter erfolgen eine erste Totalreflexion 23 an der proximalen optischen Fläche, dann eine zweite Totalreflexion 23 an der distalen optischen Fläche. Das Bild wird dann aus der proximalen optischen Fläche mittels der darauf aufgebrachten Mikrostruktur ausgekoppelt.
In 23 entspricht die Bildeinkopplung der in 22 gezeigten. Hier erfolgt eine dritte Totalreflexion 23 auf der proximalen optischen Fläche und die Auskopplung des Bildes erfolgt dann durch eine Mikrostrukturierung auf der distalen optischen Fläche.
In 24 erfolgt nach der lateralen Einkopplung des Bildes zunächst eine Umlenkung an der kaudalen Randfläche am Glasrand. Dann erfolgen eine erste Totalreflexion 23 an der distalen optischen Fläche, dann eine zweite Totalreflexion 23 an der proximalen optischen Fläche und dann eine dritte Totalreflexion 23 an der distalen optischen Fläche. Das Bild wird dann aus der proximalen optischen Fläche mittels der darauf aufgebrachten Mikrostruktur ausgekoppelt.
In 25 entspricht die Bildeinkopplung der in 24 gezeigten. Hier erfolgen drei Totalreflexionen 23, wobei die erste Totalreflexion 23 auf der proximalen optischen Fläche erfolgt und die Auskopplung des Bildes durch eine Mikrostrukturierung auf der distalen optischen Fläche erfolgt.
Die 26 und die 27 entsprechen den 22 und 23, mit dem Unterschied, daß eine Bildumlenkung nicht durch die kraniale sondern durch die kaudale Randfläche des Brillenglases 1 erfolgt.
Die 28 und die 29 entsprechen den 20 und 21, mit dem Unterschied, daß vor der Umlenkung durch die kraniale Randfläche Totalreflexionen 23 auf der distalen optischen Fläche und der proximalen optischen Fläche erfolgen.
Die 30 und die 31 entsprechen den 22 und 23, mit dem Unterschied, daß vor der Umlenkung durch die kaudale Randfläche Totalreflexionen 23 auf der distalen optischen Fläche und der proximalen optischen Fläche erfolgen.
Die 32 entspricht der 12, die 33 entspricht der 13, die 34 entspricht der 16 und die 35 entspricht der 17, mit dem Unterschied, daß zwischen der Einkoppelfläche 20 und der Umlenkfläche 21 keine Totalreflexion 23 erfolgt.
Die 36 und die 37 zeigen jeweils eine zweifache Umlenkung der Lichtbündel. Die in Lichtausbreitungsrichtung erste Umlenkfläche 21 liegt kaudal auf dem Brillenrand und die in Lichtausbreitungsrichtung zweite Umlenkfläche 24 liegt lateral auf dem Brillenrand. Hier ist jeweils ein Rechteckbild im Hochformat darstellbar (im Unterschied zu den 18 und 19, die vorteilhaft ein Querformat darstellen können).
Die 38 und die 39 zeigen jeweils eine zweifache Umlenkung der Lichtbündel. Die in Lichtausbreitungsrichtung erste Umlenkfläche 21 liegt kaudal auf dem Brillenrand und die in Lichtausbreitungsrichtung zweite Umlenkfläche 24 liegt medial auf dem Brillenrand. Die Figuren unterscheiden sich durch die Anzahl der Totalreflexionen 23 und die Lage der Auskoppelfläche 22.
Die 40 zeigt ein Brillenglas 1, bei dem der Lichtweg im Glas folgendermaßen beschrieben ist: die Einkoppelfläche 20 ist eine Mikrostrukturierte optische Fläche, diese lenkt das Lichtbündel zur Umlenkfläche 21, die ebenfalls eine Mikrostrukturierte optische Fläche ist, es folgt eine erste Totalreflexion 23 an der distalen optischen Fläche, dann erfolgt eine Reflexion und Strahlformung an einer proximalen Formungsfläche 25, die eine Mikrostrukturierte optische Fläche ist (insbesondere ein DOE; ohne Formungsfläche 25 würde an dieser Stelle eine Totalreflexion erfolgen). Danach erfolgen eine Totalreflexion 23 an der distalen optischen Fläche und eine Auskopplung der Lichtbündel durch die proximale Auskoppelfläche 22. Die zusätzliche Formungsfläche 25 liefert eine weitere Möglichkeit zur Beeinflussung der Bildgeometrie.
Die 41 zeigt ein Multifunktions-Brillenglas 1, bei dem der Bildgeber 3 unmittelbar über der kranialen Randfläche als Einkoppelfläche 20 angeordnet ist. Die ebenfalls kranial liegende Einkoppelfläche 20 ist eine Mikrostrukturierte optische Fläche, die die Lichtbündel auf die laterale Umlenkfläche 21 lenkt, die ebenfalls eine Mikrostrukturierte optische Fläche ist. Nach mehreren Totalreflexionen 23 wird das Lichtbündel ausgekoppelt. Die Auskoppelfläche 22 liegt proximal.
Die 42 zeigt ein Multifunktions-Brillenglas 1, bei dem das Umlenkelement 9 in den Rand des Brillenglases 1 integriert wurde. Die Bildeinkopplung über eine am lateralen Rand, auf der proximal liegenden optischen Fläche, welche im Randbereich die Einkoppelfläche 20 aufweist. Am abgeschrägten lateralen Rand des Glases liegt eine Fläche, die der Strahlumlenkung dient.
Die proximal liegende Einkoppelfläche 20 und die erste Umlenkfläche 21 entsprechen dem Umlenkelement 9, wie dieses beispielsweise in 6 gezeigt ist.
Auf der kranialen Randfläche liegt die zweite Umlenkfläche 24 und nach einer Totalreflexion 23 durch die distal liegende optische Fläche erfolgt die Auskopplung der Lichtbündel durch die auf der proximalen optischen Fläche aufgebrachte Auskoppelfläche 22.
Die 43 zeigt zur besseren Verdeutlichung des Strahlenganges eine Draufsicht auf das Multifunktions-Brillenglas 1 gemäß 42. Die weiteren gezeigten Baugruppen entsprechen denen, die bereits zu 6 beschrieben wurden.
Die 44 zeigt eine schematische Darstellung des Einsatzes eines Multifunktions-Glases 1 in einem Feldstecher. Das Multifunktions-Glas 1 mit dem Bildgeber 3 ist im Beispiel im Lichtweg zwischen dem Objektiv 18 und dem Prismensatz 19 angeordnet.

1: Multifunktions-(Brillen-)Glas
2: Brillenbügel
3: Bildgeber
4: Laserlichtquelle
5: abbildende Optik
6: Umlenkspiegel
7: Scannerspiegel
8: Streuscheibe
9: Umlenkelement
10: Auge
11: Lichtquelle
12: Aufweitungssystem
13: LCD-Matrix
14: Einheit zur Energieversorgung, Steuerung und Datenverarbeitung
15: Kabel zur Energie- und Datenleitung
16: Lichtleitfaser
17: virtuelles Bild
18: Objektiv
19: Prismensatz
20: Einkoppelfläche
21: (erste) Umlenkfläche
22: Auskoppelfläche
23: Totalreflexion(en)
24: zweite Umlenkfläche
25: Formungsfläche

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- JP 10-319240 A [0003]
- US 5369415 A [0004]
- US 6829095 B2 [0005]

Claims

Multifunktions-Glas (1), bei dem ein außerhalb dieses Glases (1) mit einem Bildgeber (3) erzeugtes Bild über eine Fläche (20) des Glases (1) optisch einkoppelbar, innerhalb dieses Glases (1) optisch übertragbar und über eine der vor einem Auge eines Beobachters liegenden optischen Flächen (22) in das Auge (10) auskoppelbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß das reelle Bild in eine Einkoppelfläche (20), die in einem Randbereich des Glases (1) liegt, einkoppelbar ist, das eingekoppelte Bild an einer der optischen Flächen des Glases (1) eine Totalreflexion erhält und dann eine Auskopplung eines virtuellen Bildes aus der optischen Flächen des Glases in Richtung Auge (10) durch eine Mikrostrukturierte optische Fläche, welche eine Auskoppelfläche (22) ist, erfolgt, die auf einer der optischen Flächen das Glases aufgebracht ist.
Multifunktions-Glas, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildeinkopplung in das Glas (1) über eine der frei zugänglichen Randflächen, welche eine lateral oder eine kranial oder eine kaudal liegende Einkoppelfläche (20) ist, erfolgt.
Multifunktions-Glas, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildeinkopplung in das Glas (1) über eine am lateralen Rand liegenden Einkoppelfläche (20) erfolgt, die auf einer proximal liegenden optischen Fläche angeordnet ist.
Multifunktions-Glas nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das in das Glas (1) eingekoppelte Bild an einer proximalen optischen Fläche total reflektiert wird und dann eine Auskopplung eines virtuellen Bildes aus der proximalen optischen Fläche des Glases (1) in Richtung Auge (10) durch die Mikrostrukturierte optische Fläche, welche die Auskoppelfläche (22) ist, erfolgt, welche auf der distalen optischen Fläche des Glases (1) aufgebracht ist, wobei die Mikrostrukturierte optische Fläche für den Strahlengang des Bildes in Reflexion wirkt und in Blickrichtung transmittierend ist.
Multifunktions-Glas nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das in das Glas (1) eingekoppelte Bild an einer distalen optischen Fläche des Glases total reflektiert wird und dann eine Auskopplung eines virtuellen Bildes aus der proximalen optischen Fläche des Glases in Richtung Auge (10) durch die Mikrostrukturierte optische Fläche, welche die Auskoppelfläche (22) ist, erfolgt, welche auf der proximalen optischen Fläche des Glases (1) aufgebracht ist, wobei die Mikrostrukturierte optische Fläche für den Strahlengang des Bildes in Transmission wirkt und in Blickrichtung transmittierend ist.
Multifunktions-Glas nach Anspruch 4 oder Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jede weitere Totalreflexion, welche an einer jeweils gegenüberliegenden optischen Fläche des Glases stattfindet, zu einem Wechsel der optischen Fläche, welche die Auskoppelfläche (22) trägt, von distal zu proximal oder von proximal zu distal, führt.
Multifunktions-Glas nach Anspruch 4 oder Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang im Glas (1) zwischen der Randfläche an der die Bildeinkopplung erfolgt (Einkoppelfläche 20) und der proximalen oder distalen optischen Fläche, welche die Mikrostrukturierte optische Fläche zur Auskopplung des Bildes (Auskoppelfläche 22) trägt, eine Randfläche mit einer optisch umlenkenden und abbildenden Wirkung als Umlenkfläche (21) angeordnet ist, welche auf einer jeweils anderen Randfläche, als der Randfläche, die für die Bildeinkopplung als Einkoppelfläche (20) vorbestimmt ist, angeordnet ist.
Multifunktions-Glas nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang im Glas (1) zwischen der Randfläche mit der optisch umlenkenden Wirkung (Umlenkfläche 21) und der Auskoppelfläche (22) eine Totalreflexion (23) an der proximalen optischen Fläche und/oder an der distalen optischen Fläche erfolgt oder erfolgen.
Multifunktions-Glas nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang im Glas (1) zwischen der frei zugänglichen Randfläche zur Bildeinkopplung (Einkoppelfläche 20), welche die laterale oder die kraniale oder die kaudale Randfläche des Glases ist, und der Randfläche mit der optisch umlenkenden Wirkung (Umlenkfläche 21) eine weitere Totalreflexion (23) an der distalen optischen Fläche und/oder der proximalen optischen Fläche erfolgt oder erfolgen.
Multifunktions-Glas nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einkoppelfläche (20) eine optische Glasfläche oder eine Mikrostrukturierte optische Fläche ist.
Multifunktions-Glas nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Bildgeber (3) eine aktiv leuchtende Matrix oder eine mit einer Lichtquelle (11) beleuchtete Matrix oder eine Streuscheibe (8) ist, auf welche mit einem gescannten, modulierten Laserlichtbündel ein Zwischenbild schreibbar ist, wobei das jeweils erzeugte reelle Bild in eine rechteckförmige optische Fläche im Bereich des Randes des Glases oder in den Rand des Glases, welche die Einkoppelfläche (20) ist, einkoppelbar ist.
Multifunktions-Glas nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß mittels der Lichtquelle (11) monochromatisches Licht erzeugbar ist oder die Lichtquelle monochromatisch ist.
Multifunktions-Glas nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildumlenkung an der Randfläche welche die Umlenkfläche (21) ist, durch ein Mikrostrukturiertes optisches Element (diffraktiv, holographisch oder Fresnel) oder in Reflexion erfolgt.
Multifunktions-Glas nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrostrukturierte optische Fläche (Auskoppelfläche 22) ein diffraktives Element oder ein holographisches Element oder ein Fresnel-Element ist.
Multifunktions-Glas nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang zwischen dem Bildgeber (3) und der Totalreflexion (23) auf einer der optischen Flächen des Glases (1) ein Umlenkelement (9) angeordnet ist.
Multifunktions-Glas nach Anspruch 1 und Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Umlenkelement (9) ein Prisma oder ein Spiegel ist oder ein auf einem Träger aufgebrachtes Mikrostrukturiertes optisches Element ist.
Multifunktions-Glas nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Umlenkelement (9) in einem Luftabstand zum Glas (1), vor der lateralen Randfläche des Glases (1) angeordnet ist.
Multifunktions-Glas nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Umlenkelement (9) in einem Kittabstand an der lateralen Randfläche des Glases (1) angeordnet ist.
Multifunktions-Glas nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Umlenkelement (9) in die laterale Randfläche des Glases (1) integriert ist.
Multifunktions-Glas nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die distale und/oder proximale optische Fläche des Glases (1) in dem Teilgebiet, in dem eine Totalreflexion des Bildes erfolgen kann, mit einer Mikrostrukturierten optischen Fläche beschichtet ist, welche die Lichtbündel des Bildes formt und umlenkt (Formungsfläche 25).
Multifunktions-Glas nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Glas (1) als Augenschutzglas ausgebildet ist, wobei dieses aus einem Glaswerkstoff und/oder aus einem anderen transparentem Stoff gefertigt ist.
Multifunktions-Glas nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Glas (1) als Brillenglas ausgebildet ist, wobei dieses aus einem Glaswerkstoff und/oder aus einem anderen transparenten Stoff gefertigt ist
Multifunktions-Glas nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Glas (1) als Bauteil in einem optischen Gerät zur Bilddarstellung eingesetzt ist.
Multifunktions-Glas nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dieses in einer Datenbrille einsetzbar ist, die ein Gestell hat, welches ein Brillenglas für ein rechtes Auge (10) und ein Brillenglas für ein linkes Auge (10) haltert, wobei eines oder beide dieser Brillengläser ein Multifunktions-Glas (1) ist und der Bildgeber (3) in Bezug zu einer lateralen oder einer kranialen oder einer kaudalen Randfläche des Glases (1) angeordnet ist.
Multifunktions-Glas nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß das Brillengestell lateral Brillenbügel (2) aufweist, wobei der Bildgeber (3) an dem Brillenbügel (2) befestigt ist.
Multifunktions-Glas nach Anspruch 24 und Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Umlenkelement (9) an dem Brillenbügel (9) befestigt ist.