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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anzeigevorrichtung mit einer auf den Kopf eines Benutzers aufsetzbaren Haltevorrichtung, einem an der Haltevorrichtung befestigten Bilderzeugungsmodul, das ein Bild erzeugt, und einer an der Haltevorrichtung befestigten Abbildungsoptik, die ein Optikelement aufweist und die das erzeugte Bild im auf dem Kopf aufgesetzten Zustand der Haltevorrichtung so abbildet, daß es der Benutzer mit zumindest einem Auge wahrnehmen kann, wobei die Anzeigevorrichtung so ausgebildet ist, daß der Benutzer im auf dem Kopf aufgesetzten Zustand der Haltevorrichtung bei Wahrnehmen des abgebildeten Bildes mit dem zumindest einem Auge nicht gleichzeitig die Umgebung mit dem zumindest einem Auge wahrnehmen kann.
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Bekannte Anzeigevorrichtungen benötigen einen relativ großen Bauraum für die Abbildungsoptik, um die Abbildung mit der gewünschten Qualität zu erzeugen. Nachdem die Anzeigevorrichtung auf dem Kopf des Benutzers aufgesetzt wird, besteht jedoch stetig der Bedarf, die Abmessungen und das Gewicht der Anzeigevorrichtung zu verringern.
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Es sei daher Aufgabe der Erfindung, eine Anzeigevorrichtung der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß ihre Größe und ihr Gewicht verringert werden kann.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei einer Anzeigevorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Abbildungsoptik eine Fresnel-Struktur umfaßt, die bei der Abbildung zumindest einen Strahlengangfaltung bewirkt und die eine abbildende Eigenschaft aufweist.
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Durch den Einsatz einer Fresnel-Struktur kann bauraumoptimiert die gewünschte Strahlengangfaltung sowie die gewünschte abbildende Eigenschaft bereitgestellt werden. Insbesondere können weitere Optikelemente eingespart werden, was zu einem kompakten Design bei gleichzeitig geringem Gewicht führt.
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Die Fresnel-Struktur kann an einer Materialgrenzfläche des Optikelementes der Abbildungsoptik ausgebildet sein. Dadurch wird ein äußerst kompaktes Design ermöglicht.
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Das Optikelement kann als Plankonvexlinse ausgebildet sein. Die Fresnel-Struktur ist in diesem Fall bevorzugt auf der planen Seite der Plankonvexlinse ausgebildet. Sie kann jedoch auch an der konvexen Seite vorgesehen werden.
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Die konvexe Seite der Plankonvexlinse ist bevorzugt sphärisch gekrümmt. Sie kann jedoch auch eine asphärische Krümmung oder eine sonstige Krümmung aufweisen.
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Ferner kann auf der konvexen Seite ein diffraktives Element ausgebildet sein, wenn die Fresnel-Struktur auf der planen Seite der Plankonvexlinse vorgesehen ist. Das diffraktive Element kann zur Abbildung und/oder zur Farbkorrektur ausgelegt sein.
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Ferner kann das Optikelement eine Vorderseite und eine Rückseite aufweisen und bei der Abbildung eine zweite Strahlengangfaltung mittels innerer Totalreflexion an der Vorder- oder Rückseite bewirken. Die Fresnel-Struktur kann in diesem Fall auch bevorzugt an der Vorder- und/oder Rückseite ausgebildet sein. Insbesondere ist es möglich, daß das Optikelement mehrere Fresnel-Strukturen aufweist, die jeweils eine Strahlengangfaltung sowie eine abbildende Eigenschaft aufweisen.
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Die Fresnel-Struktur bzw. die Fresnel-Strukturen können jeweils reflektiv ausgebildet sein.
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Die Fresnel-Struktur kann mehrere Fresnel-Segmente aufweisen, wobei die optisch wirksamen Facetten der Fresnel-Segmente optisch einer gedachten optischen Wirkfläche entsprechen, die gekrümmt ist. Die optische Wirkfläche kann keine Spiegelsymmetrie sowie keine Rotationssymmetrie aufweisen. Insbesondere kann die optische Wirkfläche keine Translationssymmetrie aufweisen.
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Die maximale Höhe jeder Facette ist bevorzugt gleich groß. Natürlich können die maximalen Facettenhöhen auch variieren.
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Die Facettenform ist bevorzugt eine Näherung, insbesondere eine lineare Näherung der Form des entsprechenden Flächenabschnitts der gedachten Wirkfläche.
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Die Facetten können im Schnitt konkav oder konvex gekrümmt sein. Ferner können die Fresnel-Segmente direkt benachbart oder voneinander beabstandet sein. Des weiteren können die Facetten eine reflektive Beschichtung aufweisen. Auch ist es möglich, daß die reflektive Wirkung an den Facetten durch interne Totalreflexion bereitgestellt wird.
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Die Abbildungsoptik kann ferner ein diffraktives Element aufweisen, das so ausgelegt ist, daß eine vorbestimmte Beugungsordnung (beispielsweise die +1. oder die –1. Beugungsordnung) abbildend und/oder farbkorrigierend wirkt.
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Das diffraktive Element kann auf einer planen Grenzfläche oder auch auf einer gekrümmten Grenzfläche ausgebildet sein. Insbesondere kann das diffraktive Element an einer Grenzfläche des Optikelementes ausgebildet sein.
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Das vom Bilderzeugungsmodul erzeugte Bild tritt über eine Eintrittsfläche in das Optikelement ein. Die Eintrittsfläche kann plan sein. Bevorzugt ist sie jedoch gekrümmt und weist abbildende Eigenschaften auf, wodurch eine kompakte Abbildungsoptik bereitgestellt werden kann. Die Krümmung kann sphärisch oder asphärisch sein. Insbesondere ist es möglich, daß die gekrümmte Eintrittsfläche keine Spiegelsymmetrie, keine Rotationssymmetrie und/oder keine Translationssymmetrie aufweist.
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Bei der erfindungsgemäßen Anzeigevorrichtung kann die Abbildungsoptik nur ein einziges Optikelement aufweisen.
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Das Bilderzeugungsmodul kann ein selbstleuchtendes oder nicht selbstleuchtendes Bilderzeugungsmodul sein. Insbesondere ist es möglich, daß das Bilderzeugungsmodul als Kippspiegelmatrix, als LCD-Modul, als LCoS-Modul oder als OLED-Modul ausgebildet ist.
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Die Anzeigevorrichtung kann zwei Abbildungsoptiken aufweisen, eine für jedes Auge des Benutzers.
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Ferner kann die Anzeigevorrichtung noch weitere, dem Fachmann bekannte Elemente aufweisen, die zum Betrieb der Anzeigevorrichtung notwendig sind.
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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.
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Nachfolgend wird die Erfindung beispielsweise anhand der beigefügten Zeichnungen, die auch erfindungswesentliche Merkmale offenbaren, noch näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Draufsicht auf eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anzeigevorrichtung;
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2 eine vergrößerte Darstellung des Bilderzeugungsmoduls 6 sowie der Abbildungsoptik 8 von 1;
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3 eine perspektivische Ausschnittsdarstellung der Fresnel-Struktur 14 auf der planen Seite der Plankonvexlinse 10 von 2;
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4 eine perspektivische Darstellung der gedachten optischen Wirkfläche 18, die mittels der Fresnel-Struktur 14 verwirklicht wird;
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5 eine Draufsicht auf die Fresnel-Struktur 14 von 3;
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6 einen xz-Schnitt der Wirkfläche 18;
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7 eine vergrößerte Darstellung des Details C von 6;
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8–11 verschiedene Profilformen der Fresnel-Struktur 14;
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12 eine vergrößerte Darstellung der Abbildungsoptik 8 einer weiteren Ausführungsform;
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13 eine vergrößerte Darstellung der Abbildungsoptik 8 gemäß einer weiteren Ausführungsform, und
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14 eine vergrößerte Darstellung einer Abbildungsoptik 8 gemäß einer noch weiteren Ausführungsform.
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Bei der in 1 gezeigten Ausführungsform umfaßt die erfindungsgemäße Anzeigevorrichtung 1 eine auf dem Kopf eines Benutzers aufsetzbare Haltevorrichtung 2 mit einem Hauptkörper 3 und zwei damit verbundene seitliche Bügel 4, 5. Die Haltevorrichtung 2 kann im wesentlichen wie eine herkömmliche Brille getragen werden, so daß die Bügel 4 und 5 auf den Ohren (nicht gezeigt) eines Benutzers und der Hauptkörper 3 mit einer nicht gezeigten Nasenauflage auf einer Nase (nicht gezeigt) des Benutzers aufliegen.
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Im Hauptkörper 3 ist für jedes Auge LA, RA des Benutzers jeweils ein Bilderzeugungsmodul 6, 7 sowie jeweils eine Abbildungsoptik 8, 9 angeordnet. Die Bilderzeugungsmodule 6, 7 und die Abbildungsoptiken 8, 9 sind somit mit der Haltevorrichtung 2 verbunden.
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Da das Bilderzeugungsmodul 6 und die Abbildungsoptik 8 spiegelsymmetrisch ausgebildet sind zum Bilderzeugungsmodul 7 und der Abbildungsoptik 9 werden nachfolgend im Detail lediglich das Bilderzeugungsmodul 6 und die Abbildungsoptik 8 für das linke Auge LA des Benutzers im Detail beschrieben. Zur besseren Darstellung ist in 1 der Hauptkörper offen dargestellt, so daß in der Draufsicht von 1 die Bilderzeugungsmodule 6, 7 und die Abbildungsoptiken 8, 9 sichtbar sind. Natürlich ist der Hauptkörper 3 bevorzugt geschlossen ausgebildet und weist lediglich eine transparente Austrittsöffnung (nicht gezeigt) zur Betrachtung des abgebildeten Bildes auf.
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Wie insbesondere der vergrößerten Darstellung in 2 zu entnehmen ist, umfaßt die Abbildungsoptik 7 eine sphärische Plankonvexlinse 10 mit einer planen Seite 11 und einer sphärischen Seite 12.
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Das Bilderzeugungsmodul 6 umfaßt ein bilderzeugendes Element (hier ein OLED), das ein Bild erzeugt, das mittels der Plankonvexlinse 10 im aufgesetzten Zustand der Haltevorrichtung 2 so zum linken Auge LA des Benutzers umgelenkt und abgebildet wird, daß der Benutzer das erzeugte Bild vergrößert als virtuelles Bild wahrnehmen kann.
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Die Anzeigevorrichtung 1 ist so ausgebildet, daß im aufgesetzten Zustand der Haltevorrichtung 2 der Benutzer nur das virtuelle Bild und nicht die Umgebung wahrnehmen kann. Dies kann z. B. dadurch erreicht werden, daß bis auf eine Austrittsöffnung zur Abbildung des erzeugten Bildes mittels der Plankonvexlinse 10 der Hauptkörper 3 nicht transparent ist. Somit sieht ein Benutzer nur das abgebildete Bild und nicht die Umgebung.
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Um insbesondere die in 2 ersichtliche Strahlengangfaltung an der planen Seite 12 der Plankonvexlinse 10 zu bewirken, ist an der planen Seite 11 eine Fresnel-Struktur 14 ausgebildet, die neben der Umlenkung auch noch gleichzeitig abbildende Eigenschaften aufweist.
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Das Grundprinzip der Ausbildung der Fresnel-Struktur 14 soll nachfolgend anhand der 3 bis 7 erläutert werden.
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In 3 ist perspektivisch ein Ausschnitt der Fresnel-Struktur 14 dargestellt, die mehrere Fresnel-Segmente 15 umfaßt.
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Jedes Fresnel-Segment 15 weist eine optisch wirksame Facette 16 auf. Um die in 3 gezeigte Stufenform zu erzielen, umfaßt in der Regel jedes Fresnel-Segment 15 noch eine Flanke 17, die sich hier im wesentlichen senkrecht zur planen Seite 11 erstreckt.
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Bei der in 3 gezeigten Darstellung erfolgt der Lichteinfall von unten nach oben (also in +z-Richtung). Da die Facetten 16 verspiegelt sind, wird das Licht nach unten (in –z-Richtung) reflektiert.
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Die gemeinsame optische Wirkung der Facetten 16 entspricht einer gedachten optischen Wirkfläche 18, wie sie z. B. in 4 gezeigt ist (die Darstellung in 4 ist um 90° um die z-Achse gegenüber der Darstellung in 3 gedreht). Die gedachte optische Wirkfläche 18 kann wie folgt als Fresnel-Struktur 14 gemäß 3 umgesetzt werden.
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Die Wirkfläche 18 wird in z-Richtung in Abschnitte gleicher Höhe Δh geteilt. Dadurch ergeben sich Schnittlinien 19, die auch als Höhenlinien bezeichnet werden können und die jeweils einen Flächenabschnitt 20 der Wirkfläche 18 begrenzen. Die Flächenabschnitte 20 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 16 auf gleicher Höhe (in z-Richtung) liegen. Von der jeweiligen oberen Schnittlinie der Flächenabschnitte 20 und somit dem oberen Rand der Facette 16 wird dann die senkrechte Flanke 17 bis zur unteren Schnittlinie des direkt benachbarten Flächenabschnittes 20 geführt, um zu der gestuften Ausbildung der Fresnel-Struktur 14 gemäß 3 zu gelangen. In der Draufsicht in 5 der Fresnel-Struktur 14 sind die oberen Ränder zu sehen.
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Die durchzuführenden Schritte, um von der gedachten optischen Wirkfläche 18 zur gewünschten Fresnel-Struktur 14 zu gelangen, werden nachfolgend in Verbindung mit 6 im Detail erläutert, in der ein xz-Schnitt einer gewünschten optischen Wirkfläche 18 gezeigt ist, die gegenüber der planen Seite 11 verkippt sein soll. Zur Verdeutlichung der Verkippung der optischen Wirkfläche 18 gegenüber der planen Seite 11 der Plankonvexlinse 10 ist eine Ausgleichsgerade 21 eingezeichnet. Der Verlauf der optischen Wirkfläche 18 entspricht hier nicht der tatsächlichen optischen Wirkfläche 18, die mit der Fresnel-Struktur 14 dargestellt wird, sondern wird zum besseren Verständnis des Grundprinzips zur Ausbildung der Fresnel-Struktur 14 mit einem recht willkürlichen Krümmungsverlauf dargestellt.
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Die Schnittlinien gleicher Höhe verlaufen in der Darstellung von 6 waagerecht, die sich daraus in x-Richtung ergebende Ausdehnung Δx für jedes Fresnel-Segment ist durch die senkrechten Linien verdeutlicht.
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Wie in der vergrößerten Darstellung des Details C in 7 ersichtlich ist, wird jeder Flächenabschnitt zwischen zwei senkrechten Linien auf die Höhe z0 abgesenkt, wie durch den Pfeil P1 schematisch dargestellt ist. Ferner wird noch auf einer der beiden Seiten (hier die rechte Seite) des Flächenelementes 20, sofern notwendig, die Flanke 17 hinzugefügt, die sich senkrecht bis zur Höhe z0 erstreckt. Auf der Höhe z0 liegt somit eine ebene Grundfläche 22, auf der die Fresnel-Struktur ausgebildet ist. Die ebene Grundfläche 22 kann z. B. der planen Seite 11 der Plankonvexlinse 10 entsprechen.
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Für die Fresnel-Struktur 14 läßt sich somit die nachfolgende Formel 1 aufstellen, wobei zF die Fresnel-Struktur 14, ZGrundfläche die Flächenform der Grundfläche 22 (hier eine Ebene), auf der die Fresnel-Struktur 14 aufgebracht ist, und ZFacette die Fresnel-Facetten 16 relativ zur Grundfläche 22 beschreibt: ZF = ZGrundfläche + ZFacette (1)
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Die Fläche Z
Facette der Facetten, die auch als ”gefresnelte” Wirkfläche bezeichnet werden kann, berechnet sich nach der folgenden Formel 2
ZFacette = modulo(zWirkfläche, Δh) (2), wobei die Wirkfläche
18 durch die nachfolgende Flächenformel z
Wirkfläche beschrieben ist
mit
j = [(m + n)² + m + 3n] / 2 r = √x² + y² (jeweilige radiale Höhe); c = 1/R (Scheitelkrümmung); R (= Grundradius) und k = (konische Konstante).
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Da hier c = 0 (bei R = unendlich) wird der Bruch in Formel 3 Null. Die Werte für m, n und C
j sind in der nachfolgenden Tabelle 1 angegeben, wobei nicht aufgeführte Koeffizienten C
j gleich Null sind. Tabelle 1
| m | n | j | Cj |
| 0 | 1 | 2 | 4.186759e–001 |
| 0 | 2 | 5 | –1.841067e–003 |
| 0 | 3 | 9 | –1.424659e–004 |
| 0 | 4 | 14 | 1.958162e–005 |
| 0 | 5 | 20 | –9.633915e–007 |
| 2 | 0 | 3 | –6.325776e–003 |
| 2 | 1 | 7 | –5.961417e–004 |
| 2 | 2 | 12 | 2.447620e–005 |
| 2 | 3 | 18 | 9.763953e–007 |
| 2 | 4 | 25 | 1.911990e–007 |
| 4 | 0 | 10 | 3.238192e–005 |
| 4 | 1 | 16 | 1.039681e–006 |
| 4 | 2 | 23 | 3.812446e–007 |
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Durch die Anwendung der Modulo-Funktion auf die Wirkfläche 18 wird die Wirkfläche 18 in z-Richtung in Abständen mit gleicher Höhe Δh geteilt. Somit ist die maximale Höhe der Facetten 16 jeweils Δh (hier z. B. 50 μm). Die Höhe Δh kann im Bereich von 5–500 μm liegen und ist hier (muß aber nicht) konstant. Die verwendete Modulo-Funktion ist nachfolgend angegeben modulo(a, m) = a – ⌊ a / m⌋·m (4), wobei die Gaußklammer ⌊ a / m⌋ 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
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Gemäß dem oben beschriebenen Vorgehen kann basierend auf einer gewünschten optischen Wirkfläche 18 die entsprechende Fresnel-Struktur 14 abgeleitet werden, die die gewünschte optische Wirkung der gedachten optischen Wirkfläche 18 bereitstellt. Aufgrund der Stufenform kann zwar mit der Fresnel-Struktur 14 nicht die identische optische Wirkung erreicht werden, die eine Linse hätte, deren Grenzfläche gemäß der Wirkfläche 18 ausgebildet ist, jedoch wird eine vergleichbare optische Wirkung erreicht.
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Wie der Darstellung in 6 und 7 zu entnehmen ist, weisen die Facetten 16 die durch die Wirkfläche 18 im Höhenbereich Δh vorgegebenen Krümmungen auf. Um die Herstellung der Fresnel-Struktur 14 zu vereinfachen, ist es möglich, den Verlauf der einzelnen Facetten 16 an die entsprechende Flächenform der Wirkfläche 18 anzunähern.
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Im einfachsten Falle kann der Verlauf linearisiert werden, wie in der Schnittansicht von 8 schematisch dargestellt ist. Es ist jedoch auch möglich, die Facetten mit einer konvexen Krümmung (9) oder einer konkaven Krümmung (10) zu versehen. Auch eine Näherung durch einen anderen Krümmungsverlauf ist möglich, wie dies beispielsweise in 11 angedeutet ist.
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Mit diesem erfindungsgemäßen Vorgehen kann eine beliebig gekrümmte und orientierte Wirkfläche 18 auf der planen Seite 11 als Fresnel-Struktur 14 ausgebildet werden, um beispielsweise ein bauraumoptimiertes Design zu ermöglichen.
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Da bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel die durch die Ausgleichsgerade 14 angedeutete Verkippung der Wirkfläche 18 durch die Anwendung der Modulo-Funktion in die Facetten 16 der Fresnel-Segmente 15 integriert wird, kann das gewünschte bauraumoptimierte Design verwirklicht werden.
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Neben der Fresnel-Struktur 14 auf der planen Seite 11 weist die Plankonvexlinse 10 auf ihrer konvexen Seite 12 im Bereich des Lichteintritts des vom Bilderzeugungsmodul 6 kommenden Lichtes ein radial symmetrisches diffraktives Element 23 auf. Das diffraktive Element 23 ist in der Materialgrenzfläche der sphärischen Seite 12 zur Umgebung mit einem Kinoform-Profil ausgebildet.
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Die diffraktive Fläche 23 kann mit der nachfolgenden Phasenprofilfunktion φ beschrieben werden: φ = 2π / λ₀·Σ lDlr2l (6) dabei steht λ0 für die Referenzwellenlänge und Dl sind die Koeffizienten des Phasenpolynoms. Aus diesem Phasenpolynom läßt sich in bekannter Weise die räumliche Ausbildung des Kinoform-Profils des diffraktiven Elementes 23 ableiten. Die Furchentiefe d jedes Profilabschnittes beträgt d = λ₀ / n₀ – 1, wobei n0 der Brechungsindex des Materials für λ0 ist. Bei der hier beschriebenen Ausführungsform hat sich gezeigt, daß es ausreichend war, die diffraktive Fläche mit den Koeffizienten D1, D2 und D3 zu beschreiben. Diese sind wie folgt:
D1 = 3,0778E–4
D2 = –1,1625E–5
D3 = 3,1213E–8
λ0 = 546,04 nm
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Der Radius der sphärischen Fläche 12 beträgt 17,778 mm und als Material für die Linse 10 wurde Zeonex verwendet.
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Die Lage der optischen Flächen im globalen Koordinatensystem der Augenpupille, die in
2 mit F1 bezeichnet ist, kann wie folgt angegeben werden, wobei die x-Achse sich senkrecht zur Zeichenebene in diese hineinerstreckt.
| Fläche | y-Koordinate [mm] | z-Koordinate [mm] | Kippwinkel um die x-Achse [°] |
| F1 | 0,000 | 0,000 | 0,000 |
| 12 | 0,000 | 18,300 | 0,000 |
| 11 | 0,000 | 29,740 | 0,000 |
| 6 | 13,000 | 17,800 | –41,849 |
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Mit einem solchen Aufbau wird ein Bildfeld bzw. Sichtfeld mit 32° in der Diagonalen bei einer runden Austrittspupille mit Durchmesser 10 mm erreicht. Die Anzeigevorrichtung 1 ist für den sichtbaren Wellenlängenbereich ausgelegt.
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In 12 ist eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anzeigevorrichtung gezeigt, wobei lediglich das Bilderzeugungsmodul 6 und die Abbildungsoptik 8 vergrößert dargestellt sind.
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Bei der Ausführungsform gemäß
12 umfaßt die Abbildungsoptik
8 ein erstes Optikelement
25 mit einer Vorderseite
26 und einer Rückseite
27 sowie eine Platte
28, die auf ihrer dem Bilderzeugungsmodul
6 zugewandten Seite
29 ein diffraktives Element aufweist. Die dem Bilderzeugungsmodul
6 abgewandte Seite
30 der Platte
28 ist plan ausgebildet und weist keine weitere optische Funktion auf. Wie dem Strahlverlauf in
12 zu entnehmen ist, durchläuft das Licht des Bilderzeugungsmoduls
6 die Platte
28 und tritt über die Vorderseite
26 in das erste Optikelement
25 ein, wird an einer ersten Fresnel-Struktur
31 an der Rückseite
27 reflektiert, wird an der Vorderseite aufgrund interner Totalreflexion wiederum zur Rückseite
27 hinreflektiert, die in diesem Bereich eine zweite Fresnel-Struktur
32 aufweist, so daß die Reflexion hin zum Auge (Austrittspupille F1) erfolgt. Die Lage der einzelnen optischen Flächen wird in gleicher Weise wie bei der ersten Ausführungsform relativ zum globalen Koordinatensystem der Augenpupille angegeben.
| Fläche | y-Koordinate [mm] | z-Koordinate [mm] | Kippwinkel um die x-Achse [°] |
| F1 | 0,000 | 0,000 | 0,000 |
| 26 | 0,000 | 18,300 | –4,064 |
| 31 und 32 | –0,490 | 25,200 | –4,064 |
| 30 | 12,152 | 17,143 | 12,980 |
| 29 | 11,927 | 16,169 | 12,980 |
| 6 | 11,134 | 15,838 | 12,132 |
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Als Material für das erste Optikelement 25 und die Platte 28 wird Polycarbonat verwendet.
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Die Vorderseite
26 kann durch die folgende Formel
mit
j = [(m + n)² + m + 3n] / 2 + 1 beschrieben werden, wobei k = –6,00541, R = –34,816 und somit c = –0,028722. Die entsprechenden Werte für den Koeffizienten C
j sind in der nachfolgenden Tabelle 4 angegeben, wobei auch hier wieder gilt, daß alle nicht aufgeführten Koeffizienten C
j = 0 sind. Tabelle 4
| m | n | j | Cj |
| 0 | 1 | 3 | –1.143566e–002 |
| 0 | 2 | 6 | 1.581844e–002 |
| 0 | 3 | 10 | –2.662261e–005 |
| 0 | 4 | 15 | –3.577345e–005 |
| 0 | 5 | 21 | –1.084493e–007 |
| 2 | 0 | 4 | –7.770017e–003 |
| 2 | 1 | 8 | 1.092366e–003 |
| 2 | 2 | 13 | –1.181204e–004 |
| 2 | 3 | 19 | 2.393114e–006 |
| 2 | 4 | 26 | –7.749935e–009 |
| 4 | 0 | 11 | 2.791648e–005 |
| 4 | 1 | 17 | 5.044015e–006 |
| 4 | 2 | 24 | –1.668954e–007 |
| 6 | 0 | 22 | –1.7731388–007 |
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Für die zweite Fresnel-Struktur
32 wird die entsprechende Wirkfläche in gleicher Weise wie bei der bereits beschriebenen Ausführungsform wiederum durch die Formel 7 dargestellt, wobei R = –46,697 und k = 0. Die Koeffizienten C
j sind in der nachfolgenden Tabelle 5 angegeben. Tabelle 5
| m | n | j | Cj |
| 0 | 1 | 2 | 3.842578e–001 |
| 0 | 2 | 5 | 3.871463e–003 |
| 0 | 3 | 9 | –1.710760e–004 |
| 0 | 4 | 14 | 2.064640e–006 |
| 0 | 5 | 20 | –3.258384e–007 |
| 2 | 0 | 3 | –5.684171e–003 |
| 2 | 1 | 7 | 2.704405e–004 |
| 2 | 2 | 12 | –1.729514e–005 |
| 2 | 3 | 18 | 9.920498e–007 |
| 2 | 4 | 25 | –7.337468e–008 |
| 4 | 0 | 10 | 1.791672e–005 |
| 4 | 1 | 16 | 9.448210e–007 |
| 4 | 2 | 23 | 2.244261e–008 |
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Auch die erste Fresnel-Struktur
31 kann wiederum mit der Formel 3 beschrieben werden, wobei R = –46,697 und k = 0. Die Koeffizienten C
j sind, in der nachfolgenden Tabelle 6 angegeben. Tabelle 6
| m | n | j | Cj |
| 0 | 1 | 2 | 1.227584e–001 |
| 0 | 2 | 5 | –3.500205e–002 |
| 0 | 3 | 9 | 2.027008e–003 |
| 0 | 4 | 14 | –5.439798e–005 |
| 0 | 5 | 20 | –4.035688e–007 |
| 2 | 0 | 3 | –1.467681e–002 |
| 2 | 1 | 7 | –2.227917e–004 |
| 2 | 2 | 12 | 8.795256e–005 |
| 2 | 3 | 18 | –6.467189e–006 |
| 2 | 4 | 25 | 8.632517e–008 |
| 4 | 0 | 10 | –1.268886e–005 |
| 4 | 1 | 16 | 2.317651e–006 |
| 4 | 2 | 23 | –9.157232e–008 |
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Das auf der Seite
29 der Platte
28 ausgebildete diffraktive Element kann mittels der nachfolgenden Formel beschrieben werden:
mit
j = [(m + n)² + m + 3n] / 2 dabei steht λ
0 (= 546,04 nm) für die Referenzwellenlänge und D
j sind die Koeffizienten des Phasenpolynoms. Aus diesem Phasenpolynom läßt sich in bekannter Weise die räumliche Ausbildung des Kinoform-Profils des diffraktiven Elementes auf der Seite
29 der Platte
28 ableiten. Die Furchentiefe d jedes Profilabschnittes beträgt
d = λ₀ / n₀ – 1, wobei n
0 der Brechungsindex des Materials für λ
0 ist. Die Koeffizienten D
j lassen sich der nachfolgenden Tabelle 7 entnehmen. Tabelle 7
| m | n | j | Dj |
| 0 | 1 | 2 | –3.713488e–002 |
| 0 | 2 | 5 | –1.079098e–002 |
| 0 | 3 | 9 | 4.653099e–004 |
| 0 | 4 | 14 | –2.183863e–004 |
| 0 | 5 | 20 | –9.896567e–005 |
| 2 | 0 | 3 | –7.251021e–003 |
| 2 | 1 | 7 | –3.321858e–004 |
| 2 | 2 | 12 | 2.295776e–004 |
| 2 | 3 | 18 | –1.662871e–005 |
| 4 | 0 | 10 | 1.035477e–004 |
| 4 | 1 | 16 | 5.119248e–006 |
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Es wird von einer Konstruktionswellenlänge von 546,07 nm ausgegeben, wobei die erste Beugungsordnung verwendet wird. Das Sichtfeld bei dieser Ausführungsform beträgt in der Diagonalen 32° mit einer Pupillengröße von 10,5 × 6,5 mm für den sichtbaren Wellenlängenbereich.
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In 13 ist eine weitere Ausführungsform gezeigt, die sich von der Ausführungsform von 12 im wesentlichen darin unterscheidet, daß keine Platte 28 mit einem diffraktiven Element vorgesehen ist. Ansonsten sind gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet und es wird zu deren Beschreibung auf die obigen Ausführungen verwiesen.
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Die Lage der optischen Flächen im globalen Koordinatensystem der Augenpupille (d. h. Koordinatensystem analog zu den bereits beschriebenen Ausführungsbeispielen) sind in der nachfolgenden Tabelle 8 angegeben. Tabelle 8
| Fläche | y-Koord. | z-Koord. | Kippwinkel um x-Achse |
| F1 | 0.000 | 0.000 | 0.000 |
| 26 | 0.000 | 18.300 | –4.064 |
| 32 u. 31 | –0.400 | 23.933 | –4.107 |
| 6 | 10.923 | 16.554 | 12.523 |
-
Die Vorderseite
26 läßt sich mit obiger Formel 7 beschreiben, wobei k = –9,959 und R = –32,921 betragen. Die Werte der Koeffizienten C
j sind in der nachfolgenden Tabelle 9 angegeben. Tabelle 9
| m | n | j | Cj |
| 0 | 1 | 3 | –8.993316e–002 |
| 0 | 2 | 6 | 1.658630e–002 |
| 0 | 3 | 10 | 1.968627e–004 |
| 0 | 4 | 15 | –7.381164e–005 |
| 0 | 5 | 21 | 4.425722e–007 |
| 2 | 0 | 4 | –5.342832e–003 |
| 2 | 1 | 8 | 8.909126e–004 |
| 2 | 2 | 13 | –1.564509e–004 |
| 2 | 3 | 19 | 2.594020e–006 |
| 2 | 4 | 26 | 1.286316e–007 |
| 4 | 0 | 11 | –3.358249e–005 |
| 4 | 1 | 17 | 5.581704e–006 |
| 4 | 2 | 24 | –1.892731e–007 |
| 6 | 0 | 22 | –1.058064e–007 |
-
Die Wirkfläche für die zweite Fresnel-Struktur
32 läßt sich wiederum mit Formel 7 beschreiben, wobei R = –41,562 und k = 0 beträgt. Die Koeffizienten C
j sind in der nachfolgenden Tabelle 10 angegeben. Tabelle 10
| m | n | j | Cj |
| 0 | 1 | 2 | 3.607534e–001 |
| 0 | 2 | 5 | 3.485724e–003 |
| 0 | 3 | 9 | –2.082023e–004 |
| 0 | 4 | 14 | –4.607092e–006 |
| 0 | 5 | 20 | 9.154462e–008 |
| 2 | 0 | 3 | –6.288461e–003 |
| 2 | 1 | 7 | 2.019900e–004 |
| 2 | 2 | 12 | –2.363295e–005 |
| 2 | 3 | 18 | 1.347304e–006 |
| 4 | 0 | 10 | 3.228561e–006 |
| 4 | 1 | 16 | 6.690907e–007 |
-
Die Wirkfläche für die erste Fresnel-Struktur
32 läßt sich wiederum mit Formel 3 beschreiben, wobei R = –41,562 und k = 0. beträgt. Die Koeffizienten C
j sind in der nachfolgenden Tabelle 11 angegeben. Tabelle 11
| m | n | j | Cj |
| 0 | 1 | 2 | 2.828907e–001 |
| 0 | 2 | 5 | –7.288314e–002 |
| 0 | 3 | 9 | 5.026031e–003 |
| 0 | 4 | 14 | –1.505562e–004 |
| 2 | 0 | 3 | –2.358960e–002 |
| 2 | 1 | 7 | 2.001451e–003 |
| 2 | 2 | 12 | –1.054343e–004 |
| 4 | 0 | 10 | 1.039554e–005 |
| 4 | 1 | 16 | –2.533663e–006 |
-
Das Sichtfeld, die Abmessungen der Austrittspupille sowie der Spektralbereich sind gleich wie bei dem in Verbindung mit 12 beschriebenen Ausführungsbeispiel.
-
In
14 ist eine weitere Ausführungsform gezeigt, bei der das Licht des Bilderzeugungsmoduls
6 nicht von der Rückseite
26 in das erste Optikelement
25 eintritt, sondern über eine Oberseite
33. Die Lagen der optischen Flächen im globalen Koordinatensystem der Augenpupille sind analog zu den obigen Ausführungsbeispielen in der nachfolgenden Tabelle 12 angegeben. Tabelle 12
| Fläche | Y-Koord. | Z-Koord. | Kippwinkel um x-Achse |
| F1 | 0.000 | 0.000 | 0.000 |
| 26 | 0.000 | 18.300 | 0.000 |
| 27 | 0.000 | 29.300 | 0.000 |
| 33 | 18.111 | 30.987 | 34.973 |
| 6 | 36.050 | 33.300 | 36.489 |
-
An der Rückseite
27 ist eine erste Fresnel-Struktur
31 vorgesehen, deren zugrundeliegende Wirkfläche wiederum mit der obigen Formel 3 beschrieben werden kann. Da der Radius der Rückseite
27 unendlich beträgt, ist der Bruch der Formel 3 Null. Daher werden in der nachfolgenden Tabelle 13 lediglich die Koeffizienten C
j angegeben. Tabelle 13
| m | n | j | Cj |
| 0 | 1 | 2 | 5.196261e–001 |
| 0 | 2 | 5 | –2.594851e–003 |
| 0 | 3 | 9 | –6.176526e–006 |
| 0 | 4 | 14 | 1.401924e–006 |
| 0 | 5 | 20 | –2.153833e–007 |
| 2 | 0 | 3 | –4.549238e–003 |
| 2 | 1 | 7 | 2.474725e–005 |
| 2 | 2 | 12 | 3.994617e–006 |
| 2 | 3 | 18 | –1.765439e–007 |
| 4 | 0 | 10 | 4.718723e–006 |
| 4 | 1 | 16 | –3.113542e–008 |
-
Die Flächenform der Oberseite
33 kann wiederum mit der Formel 7 beschrieben werden, wobei R = 22,369 und k = 0 betragen. Die Koeffizienten C
j sind in der nachfolgenden Tabelle 14 angegeben. Tabelle 14
| m | n | j | Cj |
| 0 | 1 | 3 | 2.924891e–001 |
| 0 | 2 | 6 | –1.692345e–002 |
| 0 | 3 | 10 | 1.117008e–003 |
| 0 | 4 | 15 | –1.683787e–004 |
| 0 | 5 | 21 | 7.459476e–006 |
| 2 | 0 | 4 | –2.880193e–003 |
| 2 | 1 | 8 | –1.406995e–003 |
| 2 | 2 | 13 | 5.906888e–005 |
| 2 | 3 | 19 | –2.782122e–006 |
| 2 | 4 | 26 | 3.070558e–007 |
| 4 | 0 | 11 | 2.099086e–005 |
| 4 | 1 | 17 | 1.763213e–006 |
| 4 | 2 | 24 | 2.578195e–008 |
| 6 | 0 | 22 | –1.310485e–008 |
-
Vom Strahlverlauf ausgehend vom Bilderzeugungsmodul 6 tritt das Licht über die Oberseite 33 ein, wird an der Vorderseite 26 durch interne Totalreflexion zur ersten Fresnel-Struktur 31 an der Rückseite 27 reflektiert und dann von der ersten Fresnel-Struktur 31 zur Vorderseite 26 hin, über die das Licht das erste Optikelement 25 verläßt und bis zum Auge des Benutzers sich ausbreitet.
