DE102009010538A1

DE102009010538A1 - Optisches Element mit einer optisch wirksamen Fläche, die zumindest teilweise eine Fresnel-Struktur mit mehreren Fresnel-Segmenten aufweist, sowie Verfahren zur Herstellung eines solchen optischen Elementes

Info

Publication number: DE102009010538A1
Application number: DE102009010538A
Authority: DE
Inventors: Hans-Jürgen DOBSCHAL; Günter Rudolph; Karsten Lindig
Original assignee: Carl Zeiss AG
Current assignee: Tooz Technologies GmbH
Priority date: 2009-02-25
Filing date: 2009-02-25
Publication date: 2010-08-26
Anticipated expiration: 2029-02-26
Also published as: EP2401645B1; US20150036223A1; US8970961B2; CN102326112B; WO2010097442A1; EP2401645A1; US8467132B2; US20120002295A1; CN102326112A; US20130250429A1; US8736962B2; DE102009010538B4

Abstract

Es wird bereitgestellt ein optisches Element mit einer optisch wirksamen Fläche (2), die zumindest teilweise eine Fresnel-Struktur (3) mit mehreren Fresnel-Segmenten (4) aufweist, wobei die optisch wirksamen Facetten (5) der Fresnel-Segmente (4) optisch einer gedachten optischen Wirkfläche (8) entsprechen, die gekrümmt ist und keine Spiegel- oder Rotationssymmetrie aufweisen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein optisches Element mit einer optisch wirksamen Fläche, die zumindest teilweise eine Fresnel-Struktur mit mehreren Fresnel-Segmenten aufweist, sowie ein Herstellungsverfahren für ein solches optisches Element.
Ein optisches Element mit einer Fresnel-Struktur wird häufig zur Bauraumverringerung eingesetzt, beispielsweise bei Beleuchtungsoptiken. Dabei werden z. B. rotationssymmetrische Fresnel-Strukturen sowie torische Fresnel-Strukturen verwendet.
Aus der US 6,989,992 B2 ist eine rotationssymmetrische Fresnel-Linse bekannt, die in Transmission zur Lichtumlenkung und optischen Abbildung in Rückprojektionsgeräten eingesetzt wird. Aus der US 7,178,947 B2 ist eine in Reflexion arbeitende rotationssymmetrische Fresnel-Linse mit konkaven Fresnel-Strukturen bekannt, die in einer Beleuchtungsoptik eingesetzt wird. Ferner ist aus der US 4,510,560 eine in Reflexion arbeitende Fresnel-Struktur bekannt, die zur Strahlformung dient und bei der von einer zylindrischen Profilform ausgegangen wird.
Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der Erfindung, das optische Element der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß weitere Einsatzgebiete erschlossen werden können. Ferner soll ein Herstellungsverfahren eines solchen optischen Elementes bereitgestellt werden.
Die Aufgabe wird bei einem optischen Element der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die optisch wirksamen Facetten der Fresnel-Segmente optisch einer gedachten optischen Wirkfläche entsprechen, die gekrümmt ist und keine Spiegel- oder Rotationssymmetrie aufweist.
Eine solche optische Wirkfläche, die nachfolgend auch als Freiformfläche bezeichnet wird, kann unabhängig von ihrer räumlichen Ausdehnung zunächst rechnerisch optimiert werden, damit das dann gefertigte optische Element mit der Fresnel-Struktur die gewünschten Eigenschaften aufweist. Bei der Umsetzung der Freiformfläche als Fresnel-Struktur spielt die räumliche Ausdehnung der Freiformfläche praktisch keine Rolle, da diese durch die einzelnen Facetten optisch äquivalent bereitgestellt werden kann, so daß die oben erwähnte rechnerische Optimierung durchgeführt werden kann.
Die maximale Facetten-Höhe kann vorgegeben werden und beispielsweise im Bereich von 5–500 μm, insbesondere im Bereich von 0,01–0,1 mm liegen.
Die optische Wirkfläche weist bevorzugt auch keine Translationssymmetrie auf.
Insbesondere ist die optisch wirksame Fläche eine Grenzfläche des optischen Elementes. Das erleichtert die Herstellung des optischen Elementes. So kann es beispielsweise durch Diamantfräsen hergestellt werden. Es ist jedoch auch möglich, das optische Element durch Abform- und Gußverfahren herzustellen.
Die Fresnel-Segmente können als reflektive oder als refraktive Segmente ausgebildet werden. Im Fall der reflektiven Ausbildung kann die Reflektivität eingestellt werden und in einem Bereich von größer 0 bis nahezu 100% liegen.
Insbesondere kann bei dem optischen Element die maximale Höhe jeder Facette gleich groß sein.
Ferner kann die Facettenform eine Näherung, insbesondere eine lineare Näherung der Form des entsprechenden Flächenabschnitts der gedachten Wirkfläche sein. Damit kann immer noch eine optisch entsprechende Wirkung erreicht werden. Natürlich ist die optische Wirkung der Fresnel-Struktur in Realität nicht identisch zur optischen Wirkung der gedachten optischen Wirkfläche. Wesentlich ist erfindungsgemäß, daß die Abweichung der tatsächlichen optischen Wirkung der Fresnel-Struktur von der optimalen optischen Wirkung der gedachten optischen Wirkfläche so gering ist, daß das optische Element die gestellten optischen Anforderungen erfüllt, wie dies stets bei optischen Elementen der Fall ist, die in Realität nie die theoretisch maximale optische Wirkung erreichen.
Die Facetten können im Schnitt konkav oder auch konvex gekrümmt sein.
Ferner können die Fresnel-Segmente direkt benachbart sein. Es ist jedoch auch möglich, daß einzelne Fresnel-Segmente voneinander beabstandet sind.
Die optisch wirksame Fläche mit der Fresnel-Struktur ist insbesondere eine zusammenhängende Fläche.
Es wird ferner ein Verfahren zur Herstellung des optischen Elementes mit einer optisch wirksamen Fläche, die zumindest teilweise eine Fresnel-Struktur mit mehreren Fresnel-Segmenten aufweist, bereitgestellt, bei der die optisch wirksamen Facetten der Fresnel-Segmente so ausgebildet werden, daß sie optisch einer gedachten optischen Wirkfläche entsprechen, die gekrümmt ist und keine Spiegel- oder Rotationssymmetrie aufweist.
Mit diesem Herstellungsverfahren kann ein optisches Element mit ausgezeichneten optischen Eigenschaften hergestellt werden.
Die optische Wirkfläche kann insbesondere auch keine Translationssymmetrie aufweisen.
Die Fresnel-Segmente werden bevorzugt an einer Grenzfläche des optischen Elementes ausgebildet. Das vereinacht die Herstellung des optischen Elementes.
Das optische Element kann basierend auf Herstellungsdaten hergestellt werden, die rechnerisch dadurch erzeugt werden, daß eine optische Modellfläche in mehrere Höhenbereiche aufgeteilt wird und die Flächenabschnitte der einzelnen Höhenbereiche oder Näherungen dieser Flächenabschnitte an einer Grundfläche (z. B. auf der oder unter der Grundfläche) rechnerisch so angeordnet werden, daß sie optisch der optischen Wirkfläche entsprechen. Die Aufteilung in die mehreren Höhenbereiche kann mit konstanter Höhe oder auch mit variierender Höhe erfolgen. Insbesondere liegt die Höhe im Bereich von 5–500 μm. Besonders bevorzugt ist der Bereich von 0,01–0,1 mm.
Die Höhenbereiche können insbesondere so gewählt werden, daß der Abstand zur Grundfläche jeweils konstant ist.
Die Flächenabschnitte bzw. die Näherung der Flächenabschnitte können rechnerisch an einer planen oder an einer gekrümmten Grundfläche angeordnet werden.
Insbesondere kann als Näherung der Flächenabschnitte eine lineare Näherung gewählt werden. Es ist jedoch auch jede andere Art der Näherung möglich.
Die Facetten können so ausgebildet werden, daß die maximale Höhe aller Facetten gleich groß ist.
Insbesondere kann das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren so weitergebildet werden, daß das erfindungsgemäße optische Element sowie seine Weiterbildungen hergestellt werden können.
Das optische Element kann beispielsweise als Strahlteiler oder auch als Strahlvereiniger eingesetzt werden. Ferner kann das optische Element als Umlenkelement eingesetzt werden. Es ist auch möglich, das optische Element als abbildendes Element auszubilden, daß reflektiv oder refraktiv wirkt. Weitere mögliche Ausgestaltungen sind in den nachfolgenden Ausführungsformen angegeben. So kann das optische Element auch im Bereich von HMD-Vorrichtungen (Head Mounted Display-Vorrichtungen) eingesetzt werden.
Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Nachfolgend wird die Erfindung beispielsweise anhand der beigefügten Zeichnungen, die auch erfindungswesentliche Merkmale offenbaren, noch näher erläutert. Es zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen optischen Elementes;
2 den Verlauf der optischen Wirkfläche, der mit der Fresnel-Struktur 3 gemäß 1 nachgebildet ist;
3 eine Draufsicht des optischen Elements von 1;
4 einen xz-Schnitt der Wirkfläche 8;
5 eine vergrößerte Darstellung des Details C von 4;
6–9 verschiedene Profilformen der Fresnel-Struktur 3 des erfindungsgemäßen optischen Elementes 1;
10 eine weitere Ausführungsform des optischen Elementes 1 als Fresnel-Spiegel;
11 eine Schnittansicht zur Erläuterung der Umsetzung einer weiteren Freiformfläche als Fresnel-Struktur 3;
12 einen herkömmlichen asphärischen Spiegel zum Vergleich mit den Fresnel-Spiegeln gemäß 10;
13A eine Schnittansicht einer weiteren Freiformfläche 8, die als Fresnel-Struktur 3 auf einer gekrümmten Grundfläche 11 verwirklicht wird;
13B eine weitere Freiformfläche 8, die wiederum auf einer gekrümmten Grundfläche 11 optische gleichwirkend als Fresnel-Struktur umgesetzt wird;
14 eine reflektive Fresnel-Struktur 3 gemäß einer weiteren Ausführungsform auf einem Spiegel 16 mit sphärischer Grundfläche 17;
15 eine perspektivische Ansicht einer weiteren Freiformfläche 8;
16 eine perspektivische Ansicht der entsprechenden Fresnel-Struktur der Wirkfläche 8 von 15 auf einer Zylindergrundfläche;
17–18 Schnittansichten einer Fresnel-Struktur 3 an einer gekrümmten Grundfläche 11;
19 eine perspektivische Ansicht eines Multifunktionsglases mit einem Umlenkelement 38, das eine erfindungsgemäße Fresnel-Struktur 3 enthält;
20 eine schematische Seitenansicht des an einem Brillengestellt 23 befestigten Multifunktionsglases 1 von 19;
21 eine Schnittansicht einer kompletten Facette 5 der Fresnel-Struktur 3 des Umlenkelementes 38 von 19;
22 eine Abwandlung der Facette von 21;
23 eine weitere Abwandlung der Facette von 21;
24 eine Schnittansicht einer weitern Fresnel-Struktur 3;
25 eine Schnittansicht einer nicht zusammenhängenden Fresnel-Struktur 3;
26 eine Schnittansicht eines Strahlvereinigers 1 mit einer Fresnel-Struktur 3;
27 eine Abwandlung des Strahlteilers von 26;
28 eine Abwandlung des Strahlteilers von 27;
29 ein Strahlvereiniger mit einer Fresnel-Struktur, und
30 eine weitere Ausführungsform eines Strahlteilers mit einer Fresnel-Struktur 3.
Bei der in 1 gezeigten Ausführungsform umfaßt das erfindungsgemäße optische Element 1, das hier als Linse ausgebildet ist, auf seiner Oberseite 2 eine Fresnel-Struktur 3 mit mehreren Fresnel-Segmenten 4.
Jedes Fresnel-Segment 4 weist eine optisch wirksame Facette 5 auf. Um die in 1 gezeigte Stufenform zu erzielen, umfaßt in der Regel jedes Fesnel-Segment 4 noch eine Flanke 6, die sich hier im wesentlichen senkrecht zur Unterseite 7 des optischen Elementes 1 erstreckt.
Die gemeinsame optische Wirkung der Facetten 5 entspricht einer gedachten optischen Wirkfläche 8, wie sie in 2 gezeigt ist, wobei die optische Wirkfläche 8 gekrümmt ist und keine Spiegel- oder Rotationssymmetrie aufweist. Wie aus dem Vergleich der 1 und 2 leicht ersichtlich ist, ist die Darstellung in 2 um 90° um die z-Achse gegenüber der Darstellung in 1 gedreht. Die gedachte optische Wirkfläche 8 kann wie folgt als Fresnel-Struktur 3 gemäß 1 umgesetzt werden.
Die Wirkfläche 8 wird in z-Richtung in Abschnitte gleicher Höhe Δh geteilt. Dadurch ergeben sich Schnittlinien 9, die auch als Höhenlinien bezeichnet werden können und die jeweils einen Flächenabschnitt 10 der Wirkfläche 8 begrenzen. Die Flächenabschnitte 10 werden in z-Richtung alle so zueinander verschoben, daß jeweils die untere Schnittlinie (die mit dem geringeren z-Wert) und somit der untere Rand der Facette 5 auf gleicher Höhe (in z-Richtung) liegen. Von der jeweiligen oberen Schnittlinie der Flächenabschnitte 10 und somit dem oberen Rand der Facette 5 wird dann die senkrechte Flanke 6 bis zur unteren Schnittlinie des direkt benachbarten Flächenabschnittes 10 geführt, um zu der gestuften Ausbildung der Fresnel-Struktur 3 gemäß 1 zu gelangen. In der Draufsicht in 3 des optischen Elementes 1 von 1 sind die oberen Ränder zu sehen.
Die durchzuführenden Schritte, um von der gedachten optischen Wirkfläche 8, die gekrümmt ist und keine Spiegel- oder Rotationssymmetrie aufweist, zu der gewünschten Fresnel-Struktur 3 zu gelangen, werden nachfolgend in Verbindung mit 4 im Detail erläutert, in der ein xz-Schnitt der Wirkfläche 8 gezeigt ist, die verschieden ist zur Wirkfläche 8 von 2, aber wiederum gekrümmt ist und keine Spiegel- oder Rotationssymmetrie aufweist. Die Aufteilung in Flächenabschnitte 10 (in der Schnittdarstellung von 4 sind diese Flächenabschnitte natürlich Linienabschnitte) gleicher Höhe ist durch die gestrichelten Schnittlinien in 4 dargestellt.
In der vergrößerten Darstellung des Details C in 5 ist ersichtlich, daß der gezeigte Flächenabschnitt 10 aufgrund des vorgegebenen Abstandes Δh eindeutig definiert und dann auf die Höhe z₀ abgesenkt wird, wie durch den Pfeil P1 schematisch dargestellt ist. Ferner wird noch auf der linken Seite des Flächenelementes 10 die Flanke 6 hinzugefügt, die sich senkrecht zur Höhe z₀ erstreckt. Auf der Höhe z₀ liegt somit eine ebene Grundfläche 11, auf der die Fresnel-Struktur 3 ausgebildet ist.
Für die Fresnel-Struktur 3 läßt sich somit die nachfolgende Formel 1 aufstellen, wobei z_F die Fresnel-Struktur 3, z_Grundfläche die Flächenform der Grundfläche 11 (hier eine Ebene), auf der die Fresnel-Struktur aufgebracht ist, und z_Facette die Fresnel-Facetten 5 relativ zur Grundfläche beschreibt: zF = zGrundfläche + zFacette (1)
Die Fläche z_Facette der Facetten, die auch als ”gefresnelte” Freiformfläche bezeichnet werden kann, berechnet sich nach der folgenden Formel 2 zFacette = modulo(zWirfläche, Δh) (2),wobei die Wirkfläche 8 durch die nachfolgende Flächenformel z_Wirkfläche beschrieben ist
bei der K1 den konischen Term in x-Richtung und K2 den konischen Term in y-Richtung, wie nachfolgend angegeben ist, bezeichnen
Durch die Anwendung der Modulo-Funktion auf die Wirkfläche 8 wird die Wirkfläche 8 in z-Richtung in Abständen mit gleicher Höhe Δh geteilt. Somit ist die maximale Höhe der Facetten 5 jeweils Δh. Die verwendete Modulo-Funktion ist nachfolgend angegeben modulo(a, m) = a – ⌊am ⌋·m (6),wobei die Gaußklammer ⌊am ⌋ die größte ganze Zahl bezeichnet, die kleiner oder gleich der Zahl in der Gaußklammer ist, also das Ergebnis der Division a/m ohne den Rest der Division. Damit ergibt sich für die Facettenflächen die nachfolgende Formel
Gemäß dem oben beschriebenen Vorgehen kann basierend auf einer gewünschten optischen Wirkfläche 8, die gekrümmt ist und keine Spiegel- oder Rotationssymmetrie aufweist und nachfolgend auch Freiformfläche 8 bezeichnet wird, die entsprechende Fresnel-Struktur 3 abgeleitet werden, die die entsprechende optische Wirkung bereitstellt. Aufgrund der Stufenform kann zwar mit der Fresnel-Struktur 3 nicht dieselbe optische Wirkung erreicht werden, die eine Linse hätte, deren Grenzfläche gemäß der Freiformfläche 8 ausgebildet ist, jedoch wird eine vergleichbare optische Wirkung erreicht.
Wie der Darstellung in 4 und 5 zu entnehmen ist, weisen die Facetten 5 die durch die Freiformfläche 8 im Höhenbereich Δh vorgegebenen Krümmungen auf. Um die Herstellung der Fresnel-Struktur 3 zu vereinfachen, ist es möglich, den Verlauf der einzelnen Facetten 5 an die entsprechende Flächenform der Freiformflächen anzunähern. Im einfachsten Falle kann der Verlauf linearisiert werden, wie in der Schnittansicht von 6 schematisch dargestellt ist. Es ist jedoch auch möglich, die Facetten mit einer konvexen Krümmung (7) oder einer konkaven Krümmung (8) zu versehen. Auch eine Näherung durch einen anderen Krümmungsverlauf ist möglich, wie dies beispielsweise in 9 angedeutet ist.
Mit diesem erfindungsgemäßen Vorgehen, eine beliebige Freiformfläche 8 auf einer planen Fläche als Fresnel-Struktur ausbilden zu können, ist beispielsweise ein bauraumoptimiertes Design möglich.
So kann zum Beispiel ein Fresnel-Spiegel 1 hergestellt werden, wie er in 10 gezeigt ist. Ein paralleles einfallendes Lichtbündel L1, wird mittels des Fresnel-Spiegels umgelenkt und gleichzeitig auf einen Detektor 12 fokussiert. Die makroskopische Ausdehnung des Fresnel-Spiegels 1 bzw. der Spiegelfläche ist hierbei senkrecht zur Einfallsrichtung des Lichtbündels L1. Dies ist möglich, da aufgrund der Fresnel-Struktur 3 die gewünschte Umlenkung und Fokussierung erfolgt.
Die Fresnel-Struktur 3 kann beispielsweise auf der in 11 in einer Schnittansicht gezeigten Freiformfläche 8 basieren. Zur Verdeutlichung der Verkippung der Freiformfläche 8 gegenüber der Grundfläche 11 ist eine Ausgleichsgerade 14 eingezeichnet. Die Ausbildung der Fresnel-Struktur erfolgt in gleicher Weise wie bereits beschrieben, so daß die Kippung der Freiformfläche 8 durch die auf der planen Grundfläche 11 ausgebildeten Fresnel-Struktur 3 bzw. der Facetten 5 der einzelnen Fresnel-Segmente 4 realisiert wird. Die Facetten 5 sind hier verspiegelt, damit die Fresnel-Struktur 3 als reflektive Fresnel-Struktur 3 wirkt.
In diesem Ausführungsbeispiel kann als Grundflächenfunktion der Formel 1 folgendes angegeben werden z_Grundfläche = 0. Die Wirkfläche z_Wirkfläche kann in gleicher Weise wie in der obigen Formel 3 angegeben werden, wobei insbesondere die linearen Terme b₁₀x sowie b₀₁y der Wirkfläche 8 durch die Anwendung der Modulo-Funktion in die Facetten 5 der Fresnel-Segmente 4 integriert werden können, so daß eine Verkippung der gesamten Grundfläche gegenüber dem einfallenden Lichtbündel L1 nicht notwendig ist. In 12 ist zum Vergleich ein herkömmlicher sphärischer Spiegel 15 gezeigt, der gegenüber der Einfallsrichtung des Lichtbündels L1 gekippt ist, um die gleiche Umlenkwirkung zu erreichen, die der Fresnel-Spiegel gemäß 10 aufweist. Ein solcher Spiegel 15 weist aufgrund der starken Verkippung große Koma- und Astigmatismusfehler auf, die in der Darstellung von 12 anhand des eingezeichneten Strahlenverlaufs erkennbar sind. Mit einer nicht gezeigten asphärischen Ausbildung des Spiegels 15, wenn diese parabolisch wäre, würde man eine ideale Abbildung für einen Punkt erreichen können. Jedoch wäre immer noch eine Verkippung des Spiegels gemäß 12 nötig. Bei dem erfindungsgemäßen Spiegel 1 in 10 ist diese Verkippung nicht notwendig, da die Verkippung in der Fresnel-Struktur 3 integriert ist. Somit kann, selbst wenn nur Bauraum für die Stellung des Spiegels 1 in 10 zur Verfügung stehen würde, die gewünschte Umlenk- und Fokussierwirkung mit dem erfindungsgemäßen Spiegel 1 erreicht werden. Mit einem herkömmlichen Spiegel 15 gemäß 12 wäre dies nicht möglich.
Bei den bisher beschriebenen Ausführungsbeispielen wurde als Grundfläche jeweils eine plane Fläche bzw. eine Ebene angenommen. Natürlich ist es auch möglich, eine davon abweichende Grundfläche vorzusehen, wenn z. B. die Fresnel-Struktur 3 auf einer sphärisch gekrümmten Linsenoberfläche ausgebildet werden soll. In diesem Fall kann mittels der Fresnel-Struktur 3 quasi ein Feintuning in der Art durchgeführt werden, daß z. B. weitere Aberrationen der Linse oder der Optikgruppe, in der die Linse eingesetzt wird, korrigiert werden.
Wie in 13A gezeigt, wird die Freiformfläche 8 in Abständen gleicher Höhe Δh aufgeteilt, wobei hier die Höhe jeweils relativ zur lokalen Flächennormalen der Grundfläche 11 betrachtet wird. Der Abstand der eingezeichneten Schnittlinien ist somit jeweils zur Grundfläche 11 konstant.
In 13B ist ein Beispiel gezeigt, bei der die Freiformfläche 8 gegenüber der sphärischen Grundfläche 11 stark gekippt ist. Auch in diesem Fall ist es keine Problem, die Freiformfläche 8 als Fresnel-Struktur 3 auf der Grundfläche 11 auszubilden, ohne daß die makroskopische Form der Grundfläche 11 verändert werden muß. Die Höhe Δh kann hier wie auch bei allen anderen Ausführungsformen im Bereich von 5–500 μm, insbesondere im Bereich von 0,01–0,1 mm liegen. Ferner muß die Höhe Δh nicht konstant sein, sondern kann hier wie auch bei allen anderen Ausführungsformen variieren. So kann z. B. Δh mit zunehmendem z-Wert selbst zu- oder abnehmen.
In 14 ist ein Beispiel gezeigt, bei dem eine reflektive Fresnel-Struktur 3 auf einem Spiegel 16 mit sphärischer Grundfläche 17 vorgesehen ist, um eine Parabolspiegelfunktion zu verwirklichen. Dazu muß lediglich in der obigen Formel 1 für die Grundfläche z_Grundfläche folgende Formel eingesetzt werden
wobei R der Krümmungsradius der sphärischen Grundfläche 17 ist. Für die Wirkfläche z_Wirkfläche wird die nachfolgende Formel angenommen
wobei k(i, j) wie folgt bestimmt ist
Als Tiefe der Fresnel-Struktur 3 bzw. -Zacken in z-Richtung und somit für den Wert Δh wurde 0,01 mm angenommen. Ferner wurde M = 8 und N = 8 eingesetzt. Damit ergeben sich die folgenden Fresnel-Polynomkoeffizienten

i j k Wert

1 0 2 –5.0000E–01

2 1 8 –2.0725E–06

2 2 13 5.1285E–07

2 0 4 5.1661E–03

0 2 8 8.1971E–03

0 3 10 –2.7623E–06

4 0 11 1.7796E–05

0 5 21 7.0842E–04
Alle nicht genannten Koeffizienten k(i, j), die in der obigen Tabelle nicht aufgeführt sind, sind gleich 0. Der Radius R des sphärischen Spiegels ist hier (–)50 mm.
Die Zuordnung zwischen den Indizes i, j, k kann auch durch nachfolgende Matrix angegeben werden
wobei j waagerecht von 0–5 und i senkrecht von 0–5 läuft und die zugeordneten Matrixwerte den entsprechenden k-Indexwert angeben.
In 15 ist perspektivisch eine nur mit x und nicht mit y variierende Wirkfläche 8 gezeigt. In 16 ist die entsprechende Fresnel-Struktur 3 auf einer Grundfläche, die als Zylinderfläche ausgebildet ist, gezeigt. Auch hier ist somit die Wirkfläche 8 optisch in eine auf einer nicht ebenen Grundfläche (hier eine Zylinderfläche) ausgebildeten Fresnel-Struktur 3 umgesetzt. Die Fresnel-Struktur 3 von 16 kann reflektiv oder transmissiv ausgebildet werden.
In 17 ist eine Schnittansicht einer Fresnel-Struktur 3 an einer gekrümmten Grundfläche 11 gezeigt, bei der die Facetten 5 jeweils linear ausgebildet sind. Die einzelnen Flanken 6 sind zueinander parallel ausgerichtet, wobei der ursprüngliche Verlauf der Grundfläche 11 noch schematisch eingezeichnet ist. Bei dieser Ausführungsform wurde in Abwandlung von Formel 1 die Facettenfunktion z_Facette von der Grundflächenfunktion z_Grundfläche abgezogen, so daß die Fresnel-Struktur 3 wie folgt beschreibbar ist: zF = zGrundfläche – zFacette (12).
Diese Art der Berechnung von z_F ist natürlich auch bei allen bereits beschriebenen Ausführungsformen sowie bei allen noch nachfolgenden Ausführungsformen möglich.
In 18 ist eine Abwandlung des Profils von 17 gezeigt, das sich im wesentlichen darin unterscheidet, daß die Flanken 6 im Schnitt nicht mehr zueinander parallel orientiert sind, sondern radial zum nicht gezeigten Mittelpunkt der Grundfläche 11.
Eine gemäß 17 oder 18 gezeigte Fresnel-Struktur 3 kann auf der Vorderseite 28 eines Multifunktionsglases 1 als Umlenkelement 38 vorgesehen sein, wobei in diesem Fall die Facetten 5 bevorzugt verspiegelt sind. Das Multifunktionsglas 1 ist in 19 schematisch dargestellt, wobei die Profilform gemäß 17 bzw. 18 der Schnittansicht entlang der Schnittlinie B-B entspricht. An der Rückseite 36 des Multifunktionsglases 1 oder von der Reckseite 36 beabstandet ist ein Bildgeber 25 vorgesehen, der ein Bild erzeugt, das einem Benutzer, wie nachfolgend noch detaillierter beschrieben wird, in Überlagerung mit der Umgebung dargeboten werden soll.
Aufgrund der Anordnung des Bildgebers 25 tritt ein Bildstrahlenbündel BS über die Rückseite 36 in das Multifunktionsglas 1 ein und trifft auf die Fresnel-Struktur des Umlenkelementes 38, das eine Umlenkung des Bildstrahlenbündels BS nach links bewirkt, so daß das Bildstrahlenbündel BS im Multifunktionsglas 1 aufgrund innerer Totalreflexion an der Rückseite 36 sowie an der Vorderseite 28 bis zu einem Überlagerungsbereich 29 geführt wird, in dem das Bildstrahlenbündel BS mit Umgebungsstrahlung US zu einem gemeinsamen Strahlenbündel GS überlagert wird. Die Überlagerung erfolgt so, daß in einem Pupillenbereich P für einen Benutzer das mittels des Bildgebers 25 erzeugte Bild in Überlagerung mit der Umgebung wahrnehmbar ist.
Wie der schematischen Seitenansicht in 20 entnommen werden kann, kann das Multifunktionsglas 1 an einem Brillengestell 23 befestigt sein, das seitliche Brillenbügel 24 aufweist. Eine so gebildete Anzeigevorrichtung 22 kann in Art einer Brille aufgesetzt werden, wobei in diesem Fall das Auge des Benutzers A im Pupillenbereich P liegt, so daß der Benutzer bei aufgesetzter Anzeigevorrichtung 22 das mittels des Bildgebers 25 erzeugte Bild in Überlagerung mit der Umgebung wahrnehmen kann.
In 21 ist eine Schnittansicht einer kompletten Facette 5 der Fresnel-Struktur 3 des Umlenkelementes 38 gezeigt. Wie aus der Darstellung ersichtlich ist, weist die Facette 5 eine Verspiegelung V auf, damit die gewünschte Strahlenumlenkung des Bildstrahlenbündels BS stattfindet.
In 22 ist eine Abwandlung gezeigt, bei der freie Bereiche, der aufgrund der Neigung der Facette 5 relativ zur Vorderseite 28 des Multifunktionsglases 1 gebildet ist, mit Material 34 bis zur Vorderseite 28 aufgefüllt ist. Die Auffüllung ist bevorzugt so durchgeführt, daß eine glatte, durchgehende Vorderseite 28 gebildet ist. Als Material 34 kann insbesondere das gleiche Material wie für das Multifunktionsglas 1 selbst verwendet werden.
Es ist jedoch auch möglich, die Fresnel-Struktur 3 so auszulegen, daß die Umlenkung des Bildstrahlenbündels BS durch innere Totalreflexion erfolgt, so daß eine Verspiegelung nicht mehr notwendig ist, wie in 23 angedeutet ist.
In 24 ist eine Schnittansicht einer weiteren Fresnel-Struktur 3 gezeigt. Bei dieser Fresnel-Struktur 3 erstrecken sich die Flanken 6 nicht wie bei den meisten bisher beschriebenen Ausführungsformen senkrecht (also hier in z-Richtung), sondern sind ebenfalls etwas geneigt. Dies vereinfacht die Fertigung der Fresnel-Struktur 3. Jedoch ist es bevorzugt, wenn der Neigungswinkel der Flanken 6 möglichst klein ist, so daß sie quasi senkrecht verlaufen.
Alle bisher beschriebenen Fresnel-Strukturen 3 waren zusammenhängende Fresnel-Strukturen. Darunter wird hier verstanden, daß die einzelnen Fresnel-Facetten 5 stets durch die Flanken 6 miteinander verbunden sind. Es ist jedoch auch möglich, die Fresnel-Facetten 5 voneinander beabstandet vorzusehen und zwischen den einzelnen Fresnel-Facetten 5 Abschnitte 23 einzufügen, die beispielsweise Abschnitte der Grundfläche 11 sein können. Dies kann einfach dadurch realisiert werden, daß von der ermittelten Fresnel-Fläche z_F Bereiche bzw. Abschnitte durch den Verlauf der Grundfläche z_Grundfläche in diesen Abschnitten ersetzt werden. Ein Profil einer solchen Fresnel-Struktur 3 ist in 25 schematisch angedeutet.
Wenn man die Fresnel-Facetten 5 verspiegelt, kann auf diese Art beispielsweise ein Strahlvereiniger 1 bereitgestellt werden, wie er in einer vergrößerten Schnittansicht in 26 dargestellt ist. Mit dem Strahlvereiniger 1 kann ein erstes Strahlenbündel BS mit einem zweiten Strahlenbündel US zu einem gemeinsamen Strahlenbündel GS überlagert werden. Wie der Darstellung in 26 entnommen werden kann, sind die Fresnel-Facetten 5 gegenüber der Normalen der Vorderseite 28 so gekippt, daß der Teil des ersten Strahlenbündels BS (auch als Bildstrahlenbündel BS bezeichnet), der auf die jeweilige Fresnel-Facette 5 trifft, nach rechts als Bildteilstrahl BS' umgelenkt wird. Der restliche Teil des Bildstrahlenbündels BS, der nicht auf die Fresnel-Facetten 5 trifft, wird an der Vorderseite 28 so reflektiert und/oder transmittiert, daß er nicht Teil des gemeinsamen Strahlenbündels GS wird.
Der Teil des Umgebungsstrahlenbündels US, der (in 26 von links) auf die Rückseite der Fresnel-Facetten 5 trifft, wird von den Fresnel-Facetten so abgeschattet, daß er nicht Teil des gemeinsamen Strahlenbündels GS wird. Daher ist dieser Teil des Umgebungsstrahlenbündels US schraffiert eingezeichnet. Der restliche Teil des Umgebungsstrahlenbündels US tritt als Umgebungsteilstrahlen US' durch die transmissiven Bereiche 23 zwischen den Fresnel-Facetten 5 hindurch.
Die nicht zusammenhängende Fresnel-Struktur 3 gemäß 26 bewirkt somit eine Überlagerung des durch die transmissiven Bereiche 23 hindurchtretenden Teils US' des Umgebungsstrahlenbündels US mit dem an den Fresnel-Facetten 5 reflektierten Teil BS' des Bildstrahlenbündels BS zu einem gemeinsamen Strahlenbündel GS. Der Überlagerungsbereich 29 des Multifunktionsglases 21 von 19 kann beispielsweise in der Art des Strahlvereinigers gemäß 26 realisiert werden.
Natürlich kann der Strahlvereiniger von 26 auch als Strahlteiler eingesetzt werden. In diesem Fall muß er nur von rechts (also entgegengesetzt zu dem eingezeichneten gemeinsamen Strahlenbündel GS) mit einem Strahlenbündel beaufschlagt werden, das dann in ein transmittiertes Strahlenbündel (das entgegengesetzt zu dem eingezeichneten Umgebungsstrahlenbündel US verläuft, aber nicht die schraffierten Bereiche enthält) und ein reflektiertes Strahlenbündel (das entgegengesetzt zu dem eingezeichneten Bildstrahlenbündel BS verläuft) aufgeteilt wird.
In 27 ist eine Abwandlung des Strahlteilers von 26 gezeigt. Bei dieser Abwandlung sind wiederum nur die Facetten 5 der Fresnel-Struktur 3 und nicht die Bereiche 23 beschichtet, so daß der Teil des einfallenden Lichtbündels L1, der auf die Facetten 5 trifft, reflektiert und der andere Teil, der auf die Bereiche 23 trifft, transmittiert wird. Ferner wird das reflektierte Strahlenbündel auf den Detektor 12 fokussiert.
In 28 ist eine Abwandlung gezeigt, bei der die Grundfläche des Strahlteilers 1 von 27 gekrümmt ist, so daß auch der transmittierte Teil des einfallenden Lichtbündels L1 fokussiert wird, wie der Darstellung zu entnehmen ist.
In 29 ist das optische Element 1 als Strahlvereiniger ausgebildet, bei dem aufgrund der Fresnel-Struktur 3 ein erstes und ein zweites Strahlenbündel L1 und L2 zu einem gemeinsamen Strahlenbündel überlagert wird, das zudem noch, wie der Darstellung zu entnehmen ist, fokussiert wird.
In 30 ist ein optisches Element 1 gezeigt, das als Strahlteiler ausgebildet ist, wobei die Fresnel-Struktur 3 transmissiv wirkt. Die Fresnel-Struktur 3 ist dabei so ausgebildet, daß ein Teil des einfallenden Strahlenbündels L1 abgelenkt und gleichzeitig auf einen Detektor 12 als Strahlenbündel L2 fokussiert wird. Der Rest des einfallenden Strahlenbündels L1 geht als transmittiertes Strahlenbündel L3 durch das Element 1 hindurch.
Bei den Ausgestaltungen in 27 bis 30 können die Fresnel-Strukturen 3 entweder zusammenhängend sein, oder es ist auch möglich, daß Zwischenbereiche 23 in gleicher Weise wie in 25 bzw. 26 beschrieben wurde, vorgesehen sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- US 6989992 B2 [0003]
- US 7178947 B2 [0003]
- US 4510560 [0003]

Claims

Optisches Element mit einer optisch wirksamen Fläche (2), die zumindest teilweise eine Fresnel-Struktur (3) mit mehreren Fresnel-Segmenten (4) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die optisch wirksamen Facetten (5) der Fresnel-Segmente (4) optisch einer gedachten optischen Wirkfläche (8) entsprechen, die gekrümmt ist und keine Spiegel- oder Rotationssymmetrie aufweisen.
Optisches Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Wirkfläche (8) keine Translationssymmetrie aufweist.
Optisches Element nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die optisch wirksame Fläche (2) eine Grenzfläche des optischen Elementes (1) ist.
Optisches Element nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fresnel-Segmente (4) als reflektive Fresnel-Segmente ausgebildet sind.
Optisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Fresnel-Segmente (4) als refraktive Fresnel-Segmente ausgebildet sind.
Optisches Element nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die maximale Höhe (Δh) jeder Facette (5) gleich groß ist.
Optisches Element nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Facettenform eine Näherung, insbesondere eine lineare Näherung der Form des entsprechenden Flächenabschnitts (10) der gedachten Wirkfläche (8) ist.
Optisches Element nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Facetten (5) im Schnitt konkav gekrümmt sind.
Optisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Facetten im Schnitt konvex gekrümmt sind.
Optisches Element nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fresnel-Segmente (4) direkt benachbart sind.
Optisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Fresnel-Segmente (4) voneinander beabstandet sind.
Verfahren zur Herstellung eines optischen Elementes mit einer optischen wirksamen Fläche, die zumindest teilweise eine Fresnel-Struktur mit mehreren Fresnel-Segmenten aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die optisch wirksamen Facetten der Fresnel-Segmente so ausgebildet werden, daß sie optisch einer gedachten optischen Wirkfläche entsprechen, die gekrümmt ist und keine Spiegel- oder Rotationssymmetrie aufweist.
Verfahren nach Anspruch 12, bei dem die optische Wirkfläche keine Translationssymmetrie aufweist.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, bei dem die Fresnel-Segmente an einer Grenzfläche des optischen Elementes ausgebildet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, durch gekennzeichnet, daß das optische Element basierend auf Herstellungsdaten hergestellt wird, die rechnerisch dadurch erzeugt werden, daß eine optische Modellfläche in mehrere Höhenbereiche aufgeteilt wird und die Flächenabschnitte der einzelnen Höhenbereiche oder Näherungen dieser Flächenabschnitte an einer Grundfläche rechnerisch so angeordnet werden, daß sie optisch der optischen Wirkfläche entsprechen.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Flächenabschnitte bzw. die Näherungen der Flächenabschnitte rechnerisch an einer planen Grundfläche angeordnet werden.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Flächenabschnitte bzw. die Näherungen der Flächenabschnitte rechnerisch an einer gekrümmten Grundfläche angeordnet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Näherung der Flächenabschnitte eine lineare Näherung der Form des entsprechenden Flächenabschnittes ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Facetten so ausgebildet werden, daß ihre maximale Höhe gleich groß ist.