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Die vorliegende Erfindung betrifft ein optisches Element mit einer Fresnel-Struktur mit mehreren Fresnel-Segmenten, wobei jedes Fresnel-Segment eine optisch wirksame Facette aufweist, deren Form Teil einer vorbestimmten Fläche ist.
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Ein solches optisches Element wird z.B. bei auf den Kopf aufsetzbaren Anzeigevorrichtungen eingesetzt und ist aus der
DE 10 2009 010 538 A1 bekannt.
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Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der Erfindung, ein optisches Element der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass es verbesserte Abbildungseigenschaften aufweist. Des weiteren soll eine Anzeigevorrichtung mit einem solchen optischen Element bereitgestellt werden.
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Bei den bisher bekannten optischen Elementen mit einer Fresnel-Struktur, wie z.B. bei der
DE 10 2009 010 538 A1 , haben alle Facetten dieselbe Flächenbeschreibung und sind somit Teil derselben vorbestimmten Fläche. Es wird daher zunächst die vorbestimmte Fläche optimiert und danach daraus die optisch wirksamen Facetten durch eine Modulo-Operation (Parallelversatz von Teilen aus derselben Fläche) erzeugt.
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Erfindungsgemäß sind bei dem optischen Element der eingangs genannten Art die vorbestimmten Flächen der optisch wirksamen Facetten in ihren Krümmungsverläufen unterschiedlich. Es handelt sich also nicht um ein und dieselbe Fläche, sondern jede optisch wirksame Facette wird durch eine andere vorbestimmte Fläche (die sich insbesondere in ihrem Krümmungsverlauf von den anderen Flächen unterscheidet) beschrieben. Dadurch ist es möglich, jede optisch wirksame Facette für sich zu optimieren, wodurch insgesamt die Abbildungseigenschaft der Fresnel-Struktur verbessert werden kann. So können im Vergleich zu herkömmlichen Fresnel-Strukturen z.B. monochromatische und polychromatische Bildfehler (beispielsweise monochromatische Querfehler, die sich in Verschmierungen bzw. Vielfachbildern äußern können, und Farbquerfehler) deutlich besser reduziert werden.
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Die vorbestimmten Flächen weisen bevorzugt keine Spiegel- oder Rotationssymmetrie auf. Des weiteren können sie keine Translationssymmetrie aufweisen. Damit sind viele Freiheitsgrade gegeben, so dass eine sehr gute Optimierung erfolgen kann, wodurch sehr gute Abbildungseigenschaften bereitgestellt werden.
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Die Fresnel-Struktur ist bevorzugt an einer Grenzfläche des optischen Elementes ausgebildet. Die Grenzfläche des optischen Elementes kann gekrümmt ausgebildet sein. Insbesondere weist das optische Element eine gekrümmte Vorderseite und eine gekrümmte Rückseite auf. Die Vorder- und Rückseite können sphärisch gekrümmt sein und insbesondere konzentrisch angeordnet sein.
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Ferner kann das optische Element eine die Vorder- und Rückseite verbindende Stirnseite aufweisen, die eben oder gekrümmt ist. Die erfindungsgemäße Fresnel-Struktur kann an der Stirnseite ausgebildet sein.
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Das optische Element kann als Linse mit Brechkraft null oder mit einer Brechkraft ungleich null ausgebildet sein.
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Die Fresnel-Segmente können direkt benachbart sein, so dass eine zusammenhängende Fresnel-Struktur vorliegt. Alternativ ist es möglich, dass die Fresnel-Segmente voneinander beabstandet sind, so dass die nicht-zusammenhängende Fresnel-Struktur vorliegt. In diesem Fall ist zwischen den einzelnen Fresnel-Segmenten der ursprüngliche Krümmungsverlauf der Grenzfläche vorhanden.
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Die Fresnel-Struktur stellt bevorzugt eine optische Abbildungsfunktion bereit.
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Die optisch wirksamen Facetten können eine Strahlumlenkung durch innere Totalreflexion oder durch Reflexion bewirken. Insbesondere können sie mit einer reflektierenden Beschichtung versehen werden. Des weiteren können die Fresnel-Segmente mit einem Material so aufgefüllt sein, dass im Bereich der Fresnel-Struktur der gleiche Oberflächenverlauf wie dazu benachbart vorliegt.
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Die optisch wirksamen Facetten des erfindungsgemäßen optischen Elementes können durch einen Parallelversatz nicht zu einer stetigen Fläche zusammengesetzt werden, da sich die vorbestimmten Flächen der optisch wirksamen Facetten in ihrem Krümmungsverlauf unterscheiden.
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Insbesondere können die optisch wirksamen Facetten (z.B. durch Parallelversatz) nicht zu einer Fläche zusammengesetzt werden, die stetig differenzierbar ist. Auch ein Verkippen oder ein sonstiges Zusammensetzen ermöglicht nicht, dass dann die zusammengesetzte Fläche stetig differenzierbar ist. Bei diesem Zusammensetzen handelt es sich insbesondere um ein gedachtes Zusammensetzen, das nicht tatsächlich durchgeführt werden muss. Man kann das Zusammensetzen rechnerisch durchführen, wenn man für jede optisch wirksame Facette eine entsprechende Flächenbeschreibung vorliegen hat. Die Flächenbeschreibung kann man beispielsweise durch eine geeignete Messung ermitteln. Herkömmliche Fresnel-Strukturen, bei denen die optisch wirksamen Facetten Teil ein und derselben vorbestimmten Fläche sind, lassen sich im Gegensatz zu der erfindungsgemäßen Fresnel-Struktur zu einer stetig differenzierbaren Fläche zusammensetzen.
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Das optische Element kann aus Glas oder Kunststoff gebildet sein.
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Neben der beschriebenen Ausbildung der Fresnel-Struktur als reflektive Struktur kann sie natürlich auch als refraktive Struktur ausgebildet sein.
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Es wird ferner eine Anzeigevorrichtung mit einem erfindungsgemäßen optischen Element (einschließlich seiner Weiterbildungen), 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 das optische Element aufweist und das erzeugte Bild im auf dem Kopf aufgesetzten Zustand der Haltevorrichtung so abbildet, dass es der Benutzer als virtuelles Bild wahrnehmen kann, bereitgestellt, wobei das vom Bilderzeugungsmodul erzeugte Bild über einen Einkoppelabschnitt des optischen Elementes in das optische Element eingekoppelt, im optischen Element durch innere Totalreflexion bis zu einem Auskoppelabschnitt geführt und über den Auskoppelabschnitt aus dem optischen Element ausgekoppelt wird, wobei der Einkoppel- und/oder Auskoppelabschnitt die Fresnel-Struktur aufweist. Wenn sowohl der Einkoppel- als auch der Auskoppelabschnitt die Fresnel-Struktur aufweist, weist das optische Element natürlich zwei Fresnel-Strukturen mit mehreren Fresnel-Segmenten auf, wobei jedes Fresnel-Segment eine optisch wirksame Facette aufweist, deren Form Teil einer vorbestimmten Fläche ist, die in ihrem Krümmungsverlauf für verschiedene optisch wirksame Facetten unterschiedlich ist.
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Das optische Element kann insbesondere in Form eines Brillenglases mit einer Vorderseite (insbesondere gekrümmt) und einer Rückseite (insbesondere gekrümmt) ausgebildet sein, wobei im auf den Kopf aufgesetzten Zustand der Haltevorrichtung die Vorderseite vom Benutzer weg weist und die Rückseite zum Benutzer hin weist. Wenn die Fresnel-Struktur als reflektive Struktur ausgebildet ist, ist sie bevorzugt an der Vorderseite ausgebildet. Bei der Ausbildung der Fresnel-Struktur als refraktive Struktur ist sie bevorzugt an der Rückseite ausgebildet.
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Das Bilderzeugungsmodul kann insbesondere einen flächigen Bildgeber aufweisen, wie z.B. ein LCD-Modul, ein LCoS-Modul oder ein OLED-Modul. Der Bildgeber kann selbstleuchtend oder nicht-selbstleuchtend sein.
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Das Bilderzeugungsmodul kann insbesondere so ausgebildet sein, dass es ein monochromatisches oder ein mehrfarbiges Bild erzeugt. Natürlich ist in diesem Falle die Abbildungsoptik entsprechend ausgebildet.
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Die erfindungsgemäße Anzeigevorrichtung kann weitere, dem Fachmann bekannte Elemente aufweisen, die zu ihrem Betrieb notwendig sind.
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Es wird ferner ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen optischen Elementes (einschließlich seiner Weiterbildungen) bereitgestellt, bei dem in einem Schritt a) für jede optisch wirksame Facette eine individuelle Flächenbeschreibung vorgesehen wird, in einem Schritt b) für jede optisch wirksame Facette die Form der durch die Flächenbeschreibung charakterisierten Fläche optimiert wird, um die vorbestimmte Fläche zu bestimmen, in einem Schritt c) basierend auf den so bestimmten vorbestimmten Flächen die Herstellungsdaten erzeugt und in einem Schritt d) basierend auf den Herstellungsdaten das optische Element hergestellt wird.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann im Schritt c) für jede Facette der Teil der bestimmten vorbestimmen Fläche, der die optisch wirksame Facette charakterisiert, rechnerisch an einer gekrümmten Grundfläche angeordnet werden.
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Ferner kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren jedes Fresnel-Segment eine mit der optisch wirksamen Facette verbundenen Nebenflanke aufweisen und die Nebenflanke so ausgelegt werden, dass sie Streulicht unterdrückt.
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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 perspektivische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anzeigevorrichtung;
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2 eine Detailschnittansicht des rechten Brillenglases 3 der Anzeigevorrichtung 1 von 1;
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3 eine vergrößerte Schnittansicht von drei Fresnel-Segmenten der Fresnel-Struktur;
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4 eine schematische perspektivische Darstellung der optisch wirksamen Facetten 28 der Fresnel-Struktur 21;
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5 eine schematische Darstellung der Abbildung eines Feldpunkts in die Austrittspupille;
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6 eine Darstellung gemäß 3 zur Erläuterung einer weiteren Ausführungsform der Ausbildung der Fresnel-Struktur, und
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7 eine schematische Darstellung gemäß 6 gemäß einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Fresnel-Struktur.
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Bei der in 1 gezeigten Ausführungsform umfasst die erfindungsgemäße Anzeigevorrichtung 1 eine auf den Kopf eines Benutzers aufsetzbare Haltevorrichtung 2, die z.B. in Art eines herkömmlichen Brillegestells ausgebildet sein kann, sowie ein erstes und ein zweites Brillenglas 3, 4, die an der Haltevorrichtung 2 befestigt sind. Die Haltevorrichtung 2 mit den Brillengläsern 3 und 4 kann z.B. als Sport- oder Sonnenbrille ausgebildet sein, wobei dem Benutzer über das erste Brillenglas 3 ein virtuelles Bild in sein Gesichtsfeld eingespiegelt werden kann, wie nachfolgend beschrieben wird. Die Brillengläser 3, 4 sind so ausgebildet, dass sie keine optische Abbildungswirkung aufweisen und somit keine Fehlsichtigkeitskorrektur erfolgt.
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Das rechte Brillenglas 3 ist als erfindungsgemäßes optisches Element mit einer Fresnel-Struktur 21 ausgebildet und ist hier nur beispielhalber als Teil der erfindungsgemäßen Anzeigevorrichtung 1 beschrieben.
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Wie am besten aus der vergrößerten Detailschnittansicht des ersten (rechten) Brillenglases 3 ersichtlich ist (die Haltevorrichtung 2 ist nicht dargestellt), umfasst die Anzeigevorrichtung 1 ein Bilderzeugungsmodul 5, eine Steuereinheit 6 zur Steuerung des Bilderzeugungsmoduls 5 sowie eine Linse 22. Das Bilderzeugungsmodul 5, die Steuereinheit 6 und die Linse 22 sind rein schematisch dargestellt und bevorzugt an der Haltevorrichtung 2 befestigt.
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Das rechte Brillenglas 3 weist eine sphärisch gekrümmte Vorderseite 7, eine sphärisch gekrümmte Rückseite 8 sowie eine Stirnfläche 9 auf. Die sphärischen Krümmungen von Vorder- und Rückseite 7, 8 sind bevorzugt konzentrisch.
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Das vom Bilderzeugungsmodul 5 kommende Licht wird mittels der Linse 22 so über die Stirnfläche 9 in das Brillenglas 3 angekoppelt, dass es mehrfach an der Vorder- und Rückseite 8, 9 (hier jeweils zweimal in den Bereichen 23, 24, 25, 26) mittels innerer Totalreflexion bis zur Fresnel-Struktur 21 geführt wird. Die Fresnel-Struktur 21 ist an der Vorderseite 7 so ausgebildet, dass sie die Lichtstrahlen in Richtung einer Austrittspupille 14 hin umlenkt, an der ein Benutzer bei aufgesetzter Anzeigevorrichtung 1 seine Augenpupille hat. Bei der hier beschriebenen Ausführungsform weist die Fresnel-Strutkur 21 neben ihrer Funktion der Strahlengangfaltung auch noch eine abbildende Funktion auf. In Verbindung mit der Linse 22 sowie einer eventuell vorgesehenen abbildenden Wirkung der Stirnfläche 9 wird das mittels des Bilderzeugungsmoduls 5 erzeugte Bild dem Benutzer in der Austrittspupille 14 als virtuelles Bild dargeboten.
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Die Fresnel-Struktur 21 bildet somit zusammen mit dem Weg durch das Brillenglas 3 bis zur Rückseite 8, den das Licht nach Reflexion an der Fresnel-Struktur 21 durchläuft, einen Auskoppelabschnitt. Die Stirnseite 9 bildet einen Einkoppelabschnitt, der eventuell auch noch den Bereich der ersten Reflexion an der Vorderseite 7 umfasst. Obwohl die Fresnel-Struktur 21 bei der beschriebenen Ausführungsform Teil des Auskoppelabschnitts ist, kann sie alternativ oder zusätzlich Teil des Einkoppelabschnitts sein.
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Wie in der vergrößerten Detailansicht gemäß 3 angedeutet ist, weist die Fresnel-Struktur 21 mehrere Fresnel-Segmente 27 auf, die jeweils eine optisch wirksame Facette 28 aufweisen, an der die Lichtstrahlen reflektiert werden (in 3 sind die Bezugszeichen 28 der Facetten noch mit einem Index versehen, um die einzelnen Facetten in der nachfolgenden Beschreibung unterscheiden zu können; falls keine Unterscheidung notwendig ist, wird der Index weggelassen). Die optisch wirksamen Facetten 28 sind durch Nebenflanken 29 miteinander verbunden. Die Facetten 28 erstrecken sich, wie in der schematischen perspektivischen Ansicht gemäß 4 aus der Richtung 30 gemäß 3 ersichtlich ist, im wesentlichen in x-Richtung, wobei der Darstellung von 4 der genutzte Bereich der Facetten 28 sowie ein Lichtstrahl L dargestellt ist, um die abbildende und strahlumlenkende Wirkung der Fresnel-Struktur 21 anzudeuten.
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Die Form jeder optisch wirksamen Facette 28 und insbesondere die in 3 angedeutete Querschnittsform ist jeweils Teil einer vorbestimmten Fläche, die sich für die einzelnen optischen wirksamen Facetten 28 jedoch bezüglich des Krümmungsverlaufes unterscheidet.
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Damit ist es möglich, eine im Vergleich zu herkömmlichen Fresnel-Strukturen verbesserte Abbildungseigenschaft bzw. verbesserte Fehlerkorrektur zu erzielen. Bei herkömmlichen Fresnel-Strukturen, wie sie z.B. in der
DE 10 2009 010 538 A1 beschrieben sind, ist die Form der optisch wirksamen Facetten Teil ein und derselben vorbestimmten Fläche, wobei die Facetten lediglich parallel zueinander versetzt sind.
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Bei der erfindungsgemäßen Ausbildung der Fresnel-Struktur 21 ist jedoch die vorbestimmte Fläche für die Facetten 28 von Facette 28 zu Facette 28 verschieden. Man hat somit mehr Freiheitsgrade für die Optimierung der Form der optisch wirksamen Facetten 28, wodurch beispielsweise eine verbesserte Korrektur von monochromatischen und polychromatischen Bildfehlern (wie z.B. monochromatische Querfehler, die sich in Verschmierungen bzw. Vielfachbildern äußern können, oder Farbquerfehler) möglich ist.
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Eine solche Ausbildung der optisch wirksamen Facetten 28 kann dadurch erreicht werden, dass für jede optisch wirksame Facette 28 eine individuelle Flächenbeschreibung vorgesehen und rechnerisch optimiert wird. Bei der Optimierung wird dabei berücksichtigt, welche Strahlen auf welche Facetten 28 treffen. Dabei wird bevorzugt berücksichtigt, ob Abschattungen oder Verfehlungen für die einzelnen Strahlen auftreten. So besteht beispielsweise bei dem Strahl A gemäß 3 die Schwierigkeit, dass dieser Strahl, der auf die Facette 28 3 treffen sollte, von der Facette 28 2 abgeschattet wird. Beim Strahl B besteht die Schwierigkeit, dass dieser die Facette 28 1 verfehlt und stattdessen auf die Facette 28 2 trifft. Diese Effekte werden bei der Optimierung bevorzugt berücksichtigt. So kann man z.B. eine nicht sequentielle Strahldurchrechnung durchführen.
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In 5 ist in beliebigen Einheiten die Pupille eines Feldpunktes und somit die Abbildung eines Bildpixels in die Austrittspupille 14 dargestellt, wobei die unterschiedlichen Formen für Reflexion an verschiedenen Facetten 28 stehen. Aus 5 ergibt sich, dass der betrachtete Feldpunkt von sechs optisch wirksamen Facetten 28 in die Austrittspupille 14 abgebildet wird.
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Bei der Optimierung der vorbestimmten Flächen für die optisch wirksamen Facetten 28 kann auch zugelassen werden, dass eine Abschattung auftritt (Strahl A) oder dass der Strahl seine ursprüngliche Facette verfehlt (Strahl B) und dann bei der Optimierung der Form der vorbestimmten Fläche auch diese Strahlen berücksichtigt werden. Es hat sich erfindungsgemäß gezeigt, dass bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel die Berücksichtigung der unmittelbar benachbarten Facetten 28 ausreichend ist.
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Ferner kann bei der Optimierung auch noch die Unterdrückung von unerwünschtem Falschlicht berücksichtigt werden. Dazu wird insbesondere die Form der neben Flanken 29 bezüglich der Falschlichtoptimierung geändert.
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Die Reflexion an den Facetten 28 kann eine innere Totalreflexion sein. Es ist auch möglich, dass die Facetten 28 mit einer reflektierenden Beschichtung versehen sind, um die gewünschte Reflexion zu erhalten. Dabei kann es sich beispielsweise um eine teiltransparente Beschichtung handeln, so dass neben der Reflexion an den Facetten 28 auch noch eine gewisse Transmission möglich ist, so dass selbst im Bereich der Facetten 28 der Benutzer die Umgebung wahrnehmen kann. Natürlich kann die reflektierende Beschichtung auch so ausgebildet sein, dass sie vollständig reflektiert und kein Licht transmittiert.
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Wie in der schematischen Schnittdarstellung in 7 angedeutet ist, können die durch die Ausbildung der Facetten entstandenen Freiräume auf der Vorderseite 7 mit Material 31 so aufgefüllt sein, dass die ursprüngliche Form der Vorderseite 7 auch im Bereich der Fresnel-Struktur 21 vorhanden ist. Wenn die Facetten 28 mit einer reflektierenden Beschichtung versehen sind, kann das gleiche Material zur Auffüllung verwendet werden wie für das Brillenglas 3. Falls eine innere Totalreflexion gewünscht ist, wird ein entsprechendes anderes Material gewählt, bei dem eine innere Totalreflexion möglich ist.
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Die bisher beschriebene Fresnel-Struktur 21 ist eine zusammenhängende Fresnel-Struktur, bei der die Nebenflanken 29 benachbarte Facetten 28 verbinden. Es ist jedoch auch möglich, die Fresnel-Struktur 21 als nicht-zusammenhängende Fresnel-Struktur 21 auszubilden, wie in 7 angedeutet ist. In diesem Fall verbinden die Nebenflanken 29 nicht zwei benachbarte Facetten 28, sondern ist zwischen der Nebenflanke 29 und der benachbarten Facette 28 noch ein Abschnitt der Vorderseite 27 vorhanden. Diese Bereiche sind transmissiv, so dass die Facetten 28 z.B. mit einer reflektierenden Beschichtung versehen werden können und immer noch eine Überlagerung auch innerhalb der Fresnel-Struktur 21 von der Umgebung und dem abgebildeten virtuellen Bild möglich ist. Auch bei der Ausbildung als nicht-zusammenhängende Fresnel-Struktur 21 kann die Reflexion durch innere Totalreflexion erfolgen und kann in gleicher Weise eine Materialauffüllung durchgeführt werden, wie in Verbindung mit 6 beschrieben wurde. Dies ist somit für den Fall der inneren Totalreflexion sowie auch für den Fall der reflektierenden Beschichtung möglich.
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Bei den beschriebenen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anzeigevorrichtung 1 erfolgt die Einkopplung des virtuellen Bildes in das Gesichtsfeld des Benutzers über das rechte Brillenglas 3. Natürlich ist auch eine Einkopplung über das linke Brillenglas 4 möglich. Des weiteren kann die Anzeigevorrichtung 1 so ausgebildet sein, dass Informationen über beide Brillengläser 3, 4 eingespiegelt werden. Dabei kann die Einspiegelung so erfolgen, dass ein dreidimensionaler Bildeindruck entsteht.
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Die Brillengläser 3 und 4 gemäß den beschriebenen Ausführungsformen weisen eine Abbildungswirkung mit Brechkraft null auf. Natürlich können die Brillengläser 3, 4 auch eine Brechkraft von ungleich null aufweisen und insbesondere zur Korrektur von Fehlsichtigkeiten ausgelegt sein. Die Brillengläser 3, 4 können z.B. aus Glas oder aus Kunststoff hergestellt sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009010538 A1 [0002, 0004, 0042]
