DE102014207492A1

DE102014207492A1 - Optisches Element und Anzeigevorrichtung mit einem solchen optischen Element

Info

Publication number: DE102014207492A1
Application number: DE102014207492.4A
Authority: DE
Inventors: Karsten Lindig; Hans-Jürgen Dobschal; Günter Rudolph; Wolfgang Singer; Ersun Kartal; Lisa Riedel; Thomas Nobis
Original assignee: Carl Zeiss AG
Current assignee: Tooz Technologies GmbH
Priority date: 2014-04-17
Filing date: 2014-04-17
Publication date: 2015-10-22
Anticipated expiration: 2034-04-18
Also published as: DE102014207492B4; CN204758854U

Abstract

Beschrieben wird ein optisches Element mit einer reflektiven Fresnel-Struktur (13) zum Umlenken von entlang einer Einfallsrichtung (R1) auf die Fresnel-Struktur (13) einfallenden Lichtbündeln (9) in eine Ausfallsrichtung (R2), wobei die Fresnel-Struktur (13) eine Mehrzahl von nebeneinander angeordneten reflektiven Umlenkflächen (14) aufweist und wobei in Einfallsrichtung (R1) gesehen jeweils eine vordere Kante (22) einer Umlenkfläche (14) über eine Schattenflanke (21) mit einer hinteren Kante (23) der unmittelbar dahinter liegenden Umlenkfläche (14) verbunden ist, wobei zumindest eine Schattenflanke (21) in einer Schnittebene, die parallel zu der durch die Einfallsrichtung (R1) und die Ausfallsrichtung (R2) aufgespannten Ebene ist, im Bereich der hinteren Kante (23) gekrümmt ist und/oder zumindest zwei einen Winkel von kleiner als 180° einschließende Abschnitte (24, 25) aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein optisches Element mit einer reflektiven Fresnel-Struktur zum Umlenken von entlang einer Einfallsrichtung auf die Fresnel-Struktur einfallenden Lichtbündeln in einer Ausfallsrichtung, wobei die Fresnel-Struktur eine Mehrzahl von nebeneinander angeordneten reflektiven Umlenkflächen aufweist und wobei in Einfallsrichtung gesehen jeweils eine vordere Kante einer Umlenkfläche über eine Schattenflanke mit einer hinteren Kante der unmittelbar dahinterliegenden Umlenkfläche verbunden ist. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Anzeigevorrichtung mit einem solchen optischen Element.
Aufgrund der Ausbildung der Fresnel-Struktur mit den mehreren nebeneinander angeordneten reflektiven Umlenkflächen und den diese verbindenden Schattenflanken treten immer wieder Schwierigkeiten bei der Herstellung auf, da es z.B. bei abformenden Herstellverfahren zu Abrissen und/oder Verformungen im Bereich der Verbindung zwischen Schattenflanke und hinterer Kante kommen kann.
Ausgehend hiervon ist es daher Aufgabe der Erfindung, ein optisches Element der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass es einfach und gut herstellbar ist.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei einem optischen Element der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass zumindest eine Schattenflanke in einer Schnittebene, die parallel zu der der durch die Einfallsrichtung und die Ausfallsrichtung aufgespannten Ebene ist, im Bereich der hinteren Kante gekrümmt ist oder zumindest zwei einen Winkel von kleiner als 180° einschließende Abschnitte aufweist.
Durch diese Ausbildung der Schattenflanke wird der Verbindungsbereich zwischen Schattenflanke und hinterer Kante so gestaltet, dass spitze Winkel vermieden werden können. Solche spitzen Winkel sind gerade bei abformenden Herstellverfahren schwierig zu realisieren, da diese spitzen Winkel dann die tiefste Stelle im Formwerkzeug sind.
Nachdem diese spitzen Winkel verhindert werden können, kann das Formwerkzeug besser hergestellt werden und können unerwünschte Abrisse und Deformationen verhindert werden.
Insbesondere können die Schattenflanken zwei, drei, vier oder fünf (bevorzugt plane oder gekrümmte) Abschnitte aufweisen. Die jeweils verbundenen Abschnitte schließen einen Winkel von kleiner als 180° ein.
Die Umlenkflächen können teilreflektiv sein. Sie können jedoch eine Reflektivität aufweisen, die 100 % bzw. nahezu 100 % beträgt.
Die Schattenflanken können transmissiv sein.
Die Fresnel-Struktur kann als vergrabene Fresnel-Struktur ausgebildet sein.
Die Fresnel-Struktur kann eine abbildende Eigenschaft aufweisen.
Insbesondere kann die Verbindungsstelle der Schattenflanke an der hinteren Kante verrundet ausgebildet sein. Ferner kann die Verbindungsstelle der beiden Abschnitte der Schattenflanken verrundet ausgebildet sein. Die Verrundung kann einen Radius von kleiner oder gleich als 50 µm aufweisen.
Das erfindungsgemäße optische Element kann z.B. zweischalig ausgebildet sein.
Insbesondere sind die Innen- und Außenschale aus den gleichen Materialien gebildet.
Des weiteren kann die Innenschale mit der Außenschale flächig verbunden sein (z.B. verklebt oder verkittet mit einem optischen Kitt oder optischen Kleber).
Bevorzugt sind die einander zu weisenden Seiten von Innen- und Außenschale zueinander komplementär ausgebildet.
Insbesondere können diese einander zu weisenden Seiten sphärisch gekrümmt sein.
Des weiteren kann die Außenseite und/oder die Innenseite sphärisch gekrümmt sein.
Die reflektiven Umlenkflächen können jeweils plan oder gekrümmt ausgebildet sein. Ferner können die Umlenkflächen fresnelartig eine gekrümmte Reflexionsfläche nachstellen, die neben einer reiner Strahlumlenkung auch eine abbildende Eigenschaft aufweist.
Der Fresnel-Struktur kann im optischen Element vergraben sein. Insbesondere kann die Fresnel-Struktur so ausgebildet sein, dass die Vorderseite und/oder Rückseite des optischen Elementes eine glatte, durchgehende Fläche ist.
Die beiden Abschnitte der Schattenflanke können einen Winkel von 65° bis 115° einschließen.
Insbesondere können die Schattenflanken so ausgebildet sein, dass lineare Verlängerungen der Schattenflanken bzw. lineare Verlängerungen des ersten Abschnitts der Schattenflanken sich in einem Punkt schneiden.
Ferner können die zweiten Abschnitte der Schattenflanken so angeordnet sein, dass sie in einer Fläche liegen.
Es wird ferner ein optisches Element mit einer reflektiven Fresnel-Struktur zum Umlenken von entlang einer Einfallsrichtung auf die Fresnel-Struktur einfallenden Lichtbündeln in einer Ausfallsrichtung bereitgestellt, wobei die Fresnel-Struktur eine Mehrzahl von nebeneinander angeordneten reflektiven Umlenkflächen aufweist.
Die reflektiven Umlenkflächen können jeweils Teile asphärischer Flächen sein. Die asphärischen Flächen können insbesondere so bestimmt sein, dass sie jeweils eine Objektebene in die virtuelle Bildebene abbilden, wobei die asphärischen Flächen durch einen Flächenabstand beabstandet sind. Die reflektiven Umlenkflächen sind somit Teile unterschiedlicher Flächen, so daß durch Parallelverschiebung aller Umlenkflächen um den Flächenabstand sich keine kontinuierliche Fläche ergibt.
Die asphärischen Flächen können jeweils Teil eines Rotations-Hyperboloides sein. Das Rotations-Hyperboloid kann insbesondere so bestimmt sein, dass ein Objektpunkt und der zugehörige virtuelle Bildpunkt den beiden Brennpunkten des Rotations-Hyperboloids entspricht.
Des weiteren können die Umlenkflächen Abschnitte derselben gekrümmten Fläche sein, die lediglich für die einzelnen Umlenkflächen parallel verschoben ist. Man kann somit durch eine Parallelverschiebung aller Umlenkflächen diese in die gedachte gekrümmte Fläche einfügen.
Das optische Element kann insbesondere als Brillenglas ausgebildet sein.
Es wird ferner eine Anzeigevorrichtung mit einer auf dem Kopf eines Benutzer aufsetzbaren Haltevorrichtung, einem an der Haltevorrichtung befestigten Bilderzeugungsmodul, das ein Bild erzeugt und einer an der Haltevorrichtung befestigten Abbildungsoptik bereitgestellt, die ein erfindungsgemäßes optisches Element (einschließlich seiner Weiterbildungen) aufweist und die das erzeugte Bild in auf dem Kopf aufgesetzten Zustand der Haltevorrichtung so abbildet, dass es der Benutzer als virtuelles Bild wahrnehmen kann.
Die Abbildungsoptik kann das optische Element als einziges optisches Element aufweisen. Es ist jedoch auch möglich, dass die Abbildungsoptik neben dem optischen Element zumindest noch ein weiteres optisches Element umfaßt. Das weitere optische Element kann z.B. eine Kollimationsoptik sein, die zwischen dem erfindungsgemäßen optischen Element und dem Bilderzeugungsmodul angeordnet ist, so dass die Lichtbündel vom Bilderzeugungsmodul als kollimierte Bündel in das erfindungsgemäße optische Element eingekoppelt werden können.
Die Fresnel-Struktur im optischen Element kann in einem Einkoppelabschnitt und/oder einem Auskoppelabschnitt angeordnet sein, wobei über den Einkoppelabschnitt die Lichtbündel vom Bilderzeugungsmodul in das Brillenglas eingekoppelt werden, in dem sie bis zum Auskoppelabschnitt geführt werden, über den dann die Auskopplung so bewirkt wird, dass ein Benutzer im auf dem Kopf eines Benutzers aufgesetzten Zustand der Haltevorrichtung ein virtuelles Bild wahrnehmen kann.
Bei dem erfindungsgemäßen optischen Element können seine Vorderseite und/oder seine Rückseite gekrümmt ausgebildet sein. Insbesondere kann die Rückseite eine Krümmung aufweisen, die so gewählt ist, dass eine Fehlsichtigkeitskorrektur bewirkt wird. Dies führt zu dem Vorteil, dass auch für die ausgekoppelten Lichtbündel die gewünschte Fehlsichtigkeitskorrektur vorliegt, da diese so ausgekoppelt werden, dass sie über die Rückseite aus dem optischen Element austreten.
Der Einkoppelabschnitt kann in einem Randbereich des optischen Elementes (z.B. Brillenglas) und der Auskoppelabschnitt kann in einem Mittelbereich des optischen Elementes (z.B. Brillenglas) ausgebildet sein.
Ferner kann die Anzeigevorrichtung eine Steuereinheit aufweisen, die das Bilderzeugungsmodul ansteuert.
Das Bilderzeugungsmodul kann insbesondere einen flächigen Bildgeber aufweisen, wie z.B. ein LCD-Modul, ein LCoS-Modul, ein OLED-Modul oder eine Kippspiegelmatrix. Der Bildgeber kann eine Mehrzahl von Pixeln aufweisen, die z.B. in Zeilen und Spalten angeordnet sein können. Der Bildgeber kann selbstleuchtend oder nicht selbstleuchtend sein.
Das Bilderzeugungsmodul kann insbesondere so ausgebildet sein, dass es ein monochromatisches oder ein mehrfarbiges Bild erzeugt.
Die Schattenflanken bzw. zumindest ein Abschnitt der Schattenflanken kann so ausgerichtet sein, dass sie parallel zur Blickrichtung zur Betrachtung des virtuellen Bildes beim bestimmungsgemäßen Gebrauch der erfindungsgemäßen Abbildungsoptik ausgerichtet sind. Ferner ist es möglich, dass lineare Verlängerungen der Schattenflanken bzw. zumindest eines Abschnitts der Schattenflanken sich in einem Schnittpunkt schneiden. Der Schnittpunkt kann bei dem bestimmungsgemäßen Gebrauch der Anzeigenvorrichtung mit dem Augendrehpunkt des Auges des Benutzers zusammenfallen. Ferner ist es möglich, dass der Schnittpunkt mit einem virtuellen Objektpunkt, dem äußersten virtuellen Objektpunkt oder mit einem Punkt neben dem äußersten virtuellen Objektpunkt zusammenfällt.
Ferner können die Schattenflanken bzw. ein Abschnitt der Schattenflanken so ausgerichtet sein, dass sie parallel zur Einfallsrichtung orientiert sind.
Die erfindungsgemäße Anzeigevorrichtung kann weitere, dem Fachmann bekannte Elemente aufweisen, die zu ihrem Betrieb notwendig sind.
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 schematische perspektivische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anzeigevorrichtung;
2 eine vergrößerte Teilschnittansicht des ersten Brillenglases 3 einschließlich einer schematischen Darstellung des Bilderzeugungsmoduls;
3 eine vergrößerte Schnittdarstellung der Fresnel-Struktur 14;
4 eine Schnittdarstellung einer Abformschablone 26 zusammen mit der Innenschale 20 zur Erläuterung der Herstellung der Fresnel-Struktur;
5 eine Schnittdarstellung der Innenschale mit Fresnel-Struktur;
6 eine Teilschnittdarstellung einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brillenglases;
7 eine Teilschnittdarstellung einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brillenglases;
8 eine Teilschnittdarstellung einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brillenglases;
9 eine Teilschnittdarstellung einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brillenglases, und
10 eine Teilschnittdarstellung einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brillenglases.
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 Brillengestells 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, 4 kann z.B. als Sportbrille, Sonnenbrille und/oder Brille zur Korrektur einer Fehlsichtigkeit ausgebildet sein, wobei dem Benutzer über mindestens das erste Brillenglas 3 ein virtuelles Bild in sein Gesichtsfeld eingespiegelt werden kann, wie nachfolgend beschrieben wird.
Dazu umfaßt die Anzeigevorrichtung 1 ein Bilderzeugungsmodul 5, das im Bereich des rechten Brillenbügels der Haltevorrichtung 2 angeordnet sein kann, wie in 1 schematisch dargestellt ist. Das Bilderzeugungsmodul 5 kann ein flächiges Bilderzeugungselement 6 (2), wie z.B. einen OLED-, einen CMOS- oder einen LCoS-Chip oder eine Kippspiegelmatrix, mit einer Vielzahl von z.B. in Spalten und Zeilen angeordneten Pixeln aufweisen.
Die Brillengläser 3 und 4 und insbesondere das erste Brillenglas 3 sind nur beispielshalber zusammen mit der erfindungsgemäßen Anzeigevorrichtung 1 beschrieben. Die Brillengläser 3, 4 bzw. zumindest das erste Brillenglas 3 sind jeweils für sich als erfindungsgemäßes Brillenglas 3, 4 oder als erfindungsgemäßes optisches Element ausgebildet. Das erfindungsgemäße optische Element kann auch in anderem Zusammenhang als mit der hier beschriebenen Anzeigevorrichtung 1 eingesetzt werden. Daher kann das optische Element, wenn es als Brillenglas ausgebildet ist, natürlich auch als zweites Brillenglas 4 ausgebildet sein.
Wie am besten aus der vergrößerten, schematischen Teilschnittansicht in 2 ersichtlich ist, weist die Anzeigevorrichtung 1 eine Abbildungsoptik 7 auf, die ein zwischen dem Bilderzeugungselement 6 bzw. dem Bildgeber 6 und dem ersten Brillenglas 3 angeordnetes Optikelement 8 enthält. Des weiteren dient das erste Brillenglas 3 selbst auch als Teil der Abbildungsoptik 7.
Von jedem Pixel des Bildgebers 6 kann ein Lichtbündel 9 ausgehen. Durch eine entsprechende Ansteuerung der Pixel des Bildgebers 6 mittels einer Steuereinheit 10, die Teil des Bilderzeugungsmoduls 5 sein kann, kann das gewünschte Bild erzeugt werden. In 2 ist stellvertretend für die Lichtbündel 9 der Strahlengang eines Lichtstrahls eingezeichnet, so dass nachfolgend auch von dem Lichtstrahl 9 die Rede ist.
Der vom Bildgeber 6 ausgehende Lichtstrahl 9 läuft durch das Optikelement 8 und tritt über einen Einkoppelabschnitt 11 (hier die Stirnseite des ersten Brillenglases 3) in das erste Brillenglas 3 ein und wird in diesem entlang eines Lichtführungskanals 12 bis zu einem Auskoppelabschnitt 13 geführt. Der Auskoppelabschnitt 13 weist mehrere nebeneinander angeordnete reflektive Umlenkflächen 14 (die auch als reflektive Facetten bezeichnet werden können) auf, an denen eine Reflexion der Lichtstrahlen 9 in Richtung zu einer Rückseite 15 des ersten Brillenglases 3 stattfindet, so dass die Lichtstrahlen 9 über die Rückseite 15 aus dem ersten Brillenglas 3 austreten.
Somit kann ein Benutzer, wenn er die erfindungsgemäße Anzeigevorrichtung 1 bestimmungsgemäß auf dem Kopf trägt, das mittels des Bildgebers 6 erzeugte Bild als virtuelles Bild wahrnehmen, wenn er auf den Auskoppelabschnitt 13 blickt. Bei der hier beschriebenen Ausführungsform muß der Benutzer bezogen auf die Blickrichtung G eines Geradeausblicks um ca. 20°–40° nach rechts schauen. In 2 ist zur Verdeutlichung der Drehpunkt 16 des Auges des Benutzers sowie die Eyebox 17 bzw. die Austrittspupille 17 der Abbildungsoptik 7 eingezeichnet. Die Eyebox 17 ist der Bereich, der durch die Anzeigevorrichtung 1 bereitgestellt wird und in dem sich das Auge des Benutzers bewegen kann und er stets noch das erzeugte Bild als virtuelles Bild sehen kann.
Obwohl bei der beschriebenen Ausführungsform die Einkopplung über die Stirnseite des ersten Brillenglases 3 durchgeführt ist und somit der Einkoppelabschnitt 11 auf der Stirnseite des ersten Brillenglases 3 ausgebildet ist, ist es auch möglich, eine Einkopplung über die Rückseite 15 des ersten Brillenglases durchzuführen.
Wie in der schematischen Darstellung in 2 gezeigt ist, ist sowohl die Rückseite 15 als auch die Vorderseite 18 des ersten Brillenglases 3 gekrümmt ausgebildet.
Das erste Brillenglas 3 ist ferner zweischalig ausgebildet und umfaßt eine Außenschale 19 und eine Innenschale 20.
Die einander zugewandten Seiten der Außenschale 19 und der Innenschale 22 weisen komplementäre Krümmungen auf, so dass sie flächig miteinander verbunden werden können, wie in 2 gezeigt ist.
Der Lichtführungskanal 12 ist so ausgebildet, dass die gewünschte Führung der Lichtstrahlen 9 vom Einkoppelabschnitt 11 bis zum Auskoppelabschnitt 13 erfolgt. Dies kann z.B. durch innere Totalreflexion an der Vorderseite 18 und Rückseite 15 erfolgen. Natürlich ist es auch möglich, dass auf der Vorderseite 18 und/oder auf der Rückseite 15 eine reflektive Beschichtung ausgebildet ist, die die gewünschte Reflexion der Lichtstrahlen 9 bewirkt. Die Reflektivität der reflektiven Beschichtung kann z.B. so groß wie möglich (ca. 100 %) oder geringer sein. Die reflektive Beschichtung kann somit als Spiegelschicht oder als teilreflektive Schicht beispielsweise mit Reflektivitäten zwischen 50% und 70% ausgebildet sein.
In 3 ist eine vergrößerte Darstellung der Schnittdarstellung gemäß 2 gezeigt, bei der die genaue Ausbildung der Fresnel-Struktur 13 erkennbar ist. Die Fresnel-Struktur 13 umfaßt die reflektiven Facetten bzw. reflektiven Umlenkflächen 14, die nebeneinander angeordnet sind und die die Lichtbündel 9, die entlang einer Einfallsrichtung R1 auf sie treffen so reflektieren, dass sie entlang einer Ausfallsrichtung R2 zur Rückseite 15 des ersten Brillenglases 3 hin reflektiert und somit über die Rückseite 15 ausgekoppelt werden.
Zwei benachbarte reflektive Facetten 14 sind jeweils durch eine Schattenflanke 21 miteinander verbunden. Die Schattenflanke 21 verbindet somit eine in Einfallsrichtung R1 gesehen vordere Kante 22 einer Facette 14 mit einer hinteren Kante 23 der unmittelbar dahinterliegenden Facette 14.
Die Form der Schattenflanke 21 in der Zeichenebene (die parallel zu der durch die Einfallsrichtung R1 und die Ausfallsrichtung R2 aufgespannte Ebene ist) ist erfindungsgemäß so gewählt, dass eine leichte Herstellbarkeit vorliegt. Dazu ist insbesondere die Form im Bereich der hinteren Kante 23 so gewählt, dass dort kein spitz zulaufendes Ende vorliegt, sondern dieser Bereich möglichst eine gewisse Ausdehnung in der y-Richtung aufweist. In 3 sind dazu drei verschiedene mögliche Varianten der Ausbildung der Schattenflanken mit den Bezugszeichen 21 ₁, 21 ₂ und 21 ₃ dargestellt.
Die erste Art der Schattenflanke 21 ₁ weist einen von der vorderen Kante 22 sich geradlinig erstreckenden ersten Abschnitt 24 und einen sich daran anschließenden zweiten Abschnitt 25 auf. Der zweite Abschnitt 25 ist gekrümmt bzw. verrundet ausgebildet, so dass im Bereich der hinteren Kante 23 eine gewisse Ausdehnung in y-Richtung vorliegt. Natürlich kann die Schattenflanke 21 ₁ statt des ersten geradlinigen Abschnitts 24 auch einen gekrümmten ersten Abschnitt 24 aufweisen, so dass insgesamt eine gekrümmte Schattenflanke 21 ₁ vorliegt.
Bei der zweiten Variante 21 ₂ weist die Schattenflanke den geradlinigen ersten Abschnitt 24 sowie einen daran anschließenden, sich geradlinig erstreckenden zweiten Abschnitt 25 auf. Der zweite Abschnitt 25 erstreckt sich hier entlang einer gedachten Grenzfläche S3, in der alle hinteren Kanten 23 der reflektiven Facetten 14 liegen. Die zweiten Abschnitte sind somit auch nicht notwendig senkrecht zu Sehrichtung oder den ersten Abschnitten. Je nach Auslegung der Brille kann jeder zweite Abschnitt zur Sehrichtung geneigt sein, entsprechend der Neigung des Brillenglases zur Hauptsehrichtung (dem sogenannten Pantoskopischem Tilt und der sogenannten „Wrap“-Winkel). Typische Neigungswinkel zwischen den Normalen zu den zweiten Abschnitten und der Sehrichtung sind größer 5°.
Bei der dritten Variante der Schattenflanke 21 ₃ ist der Winkel zwischen dem ersten und zweiten geradlinigen Abschnitt 24, 25 größer als bei der Schattenflanke 21 ₂, so dass der zweite Abschnitt 25 hier nicht in der Grenzfläche S3 liegt, sondern mit dieser einen Winkel einschließt.
Typische Winkel zwischen dem ersten und zweiten linearen Abschnitt 24 und 25 liegen im Bereich von 65° bis 115°.
In 4 ist eine Abformschablone 26 gezeigt, mit der die Fresnel-Struktur 13 in der Innenschale 20 gebildet werden kann. Die entsprechende mit der Abformschale 26 gebildete Struktur auf der Oberseite 27 der Innenschale 20 ist in 4 dargestellt. Durch die beschriebene Ausbildung der Schattenflanken 21 ₁–21 ₃ wird der Vorteil erreicht, dass der in der Abformschablone 26 tiefliegende Endbereich 28, der zur Abformung des Bereiches der Verbindung der Schattenflanke 21 mit der hinteren Kante 23 dient, eine gewisse Ausdehnung in der y-Richtung aufweist bzw. keine zu spitzen Winkel aufweist. Somit kann einerseits die Abformschablone 26 leichter hergestellt werden. Andererseits kann bei der Herstellung verhindert werden, dass es zu Abrissen, zu Ausbrüchen oder zu Deformationen in den Bereichen der Verbindung der Schattenflanken 21 mit den hinteren Kanten 23 bei der Innenschale 20 kommt. Die Schattenflanken 21 sind somit fertigungsfreundlich ausgebildet und stören nicht die optische Wirkung der reflektiven Facetten 14 im fertigen Brillenglas, da sie durch die reflektiven Facetten 14 abgeschattet sind und somit nicht von den Lichtbündel 9 getroffen werden, wie in 3 ersichtlich ist.
Um die Innenschale einschließlich der reflektiven Facetten 14 herzustellen, muß somit lediglich in einem Abformprozeß (wie z.B. Spritzgießen) unter Verwendung der Abformschale 26 die Struktur für die Fresnel-Struktur 13 in der Innenschale 20 gebildet werden (4). Danach werden die Flanken für die reflektiven Facetten 14 mit einer reflektiven Beschichtung 29 versehen, wie in 5 angedeutet ist. In der Außenschale 19 wird im Bereich der Fresnel-Struktur eine komplementäre Struktur ausgebildet und danach werden Außenschale 19 und Innenschale 20 zu dem ersten Brillenglas 3 gemäß 2 zusammengefügt. Dabei können die beiden Schalen 19, 20 z.B. miteinander verklebt oder verkittet werden.
Ferner kann die in 4 gezeigte Abformschablone 26 (bzw. Form 26) leichter hergestellt werden, da Bearbeitungswerkzeuge zur Herstellung solcher Abformschablonen 26 in ihrer Form in der Regel limitiert sind und durch die größere Ausdehnung in y-Richtung des Endbereiches 28 dieser leichter herstellbar ist.
In einer nicht gezeigten Ausführungsform kann die Außenschale 19 weggelassen werden, so dass nur die Innenschale 20 vorgesehen ist. In diesem Fall bildet die von der Rückseite 15 wegweisende Seite der Innenschale 20 die Vorderseite 18. Bei dieser Ausführungsform können die durch die reflektiven Facetten 14 gebildeten Vertiefungen so mit Material aufgefüllt sein, dass eine glatte durchgehende Vorderseite 18 gegeben ist.
Natürlich müssen die Schattenflanken 21 ₁–21 ₃ nicht gleichzeitig bei einem erfindungsgemäßen Brillenglas vorliegen. Bevorzugt werden immer gleiche Schattenflanken 21 bei einem Brillenglas 3 gebildet. So kann das Brillenglas 3 dann beispielsweise nur Schattenflanken 21 ₁, nur Schattenflanken 21 ₂ oder nur Schattenflanken 21 ₃ aufweisen. Es ist jedoch auch möglich, dass zumindest zwei unterschiedliche Arten von Schattenflanken 21 vorgesehen sind. In jeder Ausführungsform können die Winkel der einzelnen Schattenflanken 21 ₁–21 ₃ innerhalb der Fresnelstruktur 13 zueinander oder zu den Fresnelflächen 14 oder zu den Brillenglasflächen 15 oder 18 für jede Schattenflanke in der Fresnel-Struktur 13 unterschiedlich sein.
Bei der in 6 gezeigten Ausführungsform sind die Schattenflanken 21 so ausgebildet, dass der zweite Abschnitt 25 entlang der Grenzfläche S3 verläuft. Der erste Abschnitt 24 der Schattenflanken 21 ist stets so ausgerichtet, dass eine gedachte lineare Verlängerung des zweiten Abschnittes 25 den Augendrehpunkt 16 schneidet. Man kann auch sagen, dass alle gedachten linearen Verlängerungen der ersten Abschnitte 24 sich in einem Schnittpunkt schneiden. Dieser Schnittpunkt fällt bei der bestimmungsgemäßen Nutzung des ersten Brillenglases 3 in einer Anzeigevorrichtung 1 bevorzugt mit dem Augendrehpunkt des Auges des Benutzers zusammen.
Je nach Auslegung der Brille für einen bestimmten Hornhaut-Scheitel-Abstand ergeben sich somit andere Ausrichtungen der Schattenflanken. Typischerweise ist der Hornhaut-Scheitelabstand zwischen Hornhaut des Auges und dem hinteren Flächenschnittpunkt mit einen Strahl durch die Augenmitte beispielsweise 15mm, der Augendrehpunkt liegt etwa in der Mitte des Auges etwa 12.5mm hinter dem Hornhautscheitel. Bei einer Brillenglasdicke von 4mm ergibt sich somit ein Abstand des Schnittpunkts der Schattenflanken 21 von etwa 27.5mm zur Rückseite 15 des Brillenglases 3. Der Schnittpunkt der Schattenflanken 21 liegt bevorzugt in einem Bereich zwischen 20mm und 40mm, besonders bevorzugt 25mm bis 30mm in der vorgesehenen Sehrichtung beabstandet zur der bei Benutzung dem Auge zugewandten zur Rückseite 15 des Brillenglases 3.
Für einen Bildfeldwinkel von beispielsweise 15° weichen die Neigungswinkel der Schattenflanken 21 zwischen den äußersten Schattenflanken innerhalb der Fresnelstruktur um einen Winkel von beispielsweise 15° voneinander ab. Insbesondere haben die Schattenflanken 21 unterschiedliche Neigungswinkel. Die Schattenflanken stehen damit insbesondere auch nicht senkrecht zur einer der Brillenglasoberflächen 15 oder 18 oder zu den Fresnelflächen 14.
Bei der in 7 gezeigten Ausführungsform weisen die Schattenflanken 21 nur einen ersten linearen Abschnitt 24 auf. Es ist jedoch möglich, dass dieser im Bereich der hinteren Kanten 23 jeweils eine gewisse Verrundung aufweist, um die gewünschte bessere Herstellbarkeit zu erzielen. Die ersten Abschnitte 24 sind so ausgerichtet, dass gedachte lineare Verlängerungen der ersten Abschnitte 24 sich in einem Schnittpunkt schneiden, der einem Objektpunkt bzw. einem virtuellen Objektpunkt entspricht. Es kann sich dabei um den äußersten virtuellen Objektpunkt 30 handeln. Dieser entspricht beispielsweise einem virtuellen Objektpunkt in einer Ebene durch den Punkt F1, der dem Mittelpunkt des Feldes bzw. des Bilderzeugungselementes 6 entspricht. Mit einer solchen Ausrichtung der Schattenflanken 21 ist sichergestellt, dass die eingekoppelten Lichtbündel von den Fresnel-Flächen 14 in die Auskoppelrichtung R2 umgelenkt werden und nicht verloren gehen. Man kann den Neigungswinkel der Schattenflanken 21 bei der Ausführungsform gemäß 7 auch noch etwas steiler wählen, so dass der Schnittpunkt der gedachten Verlängerungen außerhalb des virtuellen Feldes liegt, beispielsweise um mindestens 1° außerhalb.
Bei einer Schnittweite der Dateneinspiegelung von beispielsweise 3 m liegt die Schnittweite des virtuellen Objektes je nach Ausführung des Designs des Brillenglases 3 in einer Entfernung von 1 m bis 3 m beabstandet zur Rückseite 15 des ersten Brillenglases. Die Neigungswinkel der Schattenflanken 21 weichen bei einem Bildfeld von 15° und einer Eyebox von 8 mm daher um bis zu 0,7° voneinander ab. Insbesondere liegen die Schattenflanken 21 nicht senkrecht zu den Fresnel-Flächen 14. In einem typischen Design ist der Winkel zwischen einer Fresnel-Fläche 14 und dem Randstrahl zu einem virtuellen Objektpunkt am äußersten Bildrand durch 119° gegeben. Die Winkel zwischen den Fresnel-Flächen 14 und den Schattenflanken 21 (die auch als Zwischenflanken bezeichnet werden können) liegen dann idealer Weise zwischen 90° bis 119°, bevorzugt zwischen 105° und 118,5° und besonders bevorzugt zwischen 115° und 118°.
Bei der in 8 gezeigten Ausführungsform liegen die Schattenflanken 21 parallel oder näherungsweise parallel zur Einfallsrichtung R1 bzw. zu den geführten Lichtbündeln 9 und Störungen auf den Zwischenflanken 21 wirken sich somit möglichst gering auf die Lichtbündel aus. Dies ist insbesondere bei Designkonzepten von Vorteil, die auf dem Prinzip der Mehrfachauskopplung mit teiltransparent beschichteten Fresnel-Flächen 14 beruhen. Das durch eine erste Fresnel-Fläche 14 mit teiltransparenter Beschichtung transmittierte Licht wird dann nicht an der benachbarten Fresnel-Fläche 14 erneut aufgespalten, sondern passiert diese bzw. läuft an dieser seitlich vorbei bis zur Grenzfläche des Brillenglases 3 (hier die Vorderseite 18), wird dort reflektiert, läuft durch die teiltransparente Fresnel-Flächen 14 bis zur Rückseite 15, wird dort erneut reflektiert und trifft dann auf eine weitere Fresnel-Fläche 14, über die eine zweite Auskopplung 31 erfolgt.
Bei den beschriebenen Ausführungsformen ist es vorteilhaft, wenn das Material von Innenschale 20 und Außenschale 19 gleich ist. Es können auch verschiedene Materialien verwendet werden, so dass unterschiedliche Brechzahlen vorliegen. Bevorzugt ist es bei der Verwendung von unterschiedlichen Materialien, wenn die Brechzahldifferenz zwischen den beiden Materialien geringer als 0,001 ist. Dies führt dann dazu, dass bei Durchsicht durch das Brillenglas 3 für den Benutzer kaum merkbare Störungen auftreten.
Bei den bisher beschriebenen Ausführungsformen wurde davon ausgegangen, dass die Fresnel-Flächen 14 gekrümmte Flächen sind. Jedoch können die Fresnel-Flächen 14 auch plan ausgebildet sein.
Jeder Umlenkspiegel bzw. jede einzelne Fresnel-Fläche kann Teil einer asphärischen Fläche sein, welche für die Abbildung vom Bildgeber 5 oder eines Zwischenbildes des Bildgebers 5 in das virtuelle Zwischenbild ausgelegt ist. Der Bildgeber 5 oder ein Zwischenbild des Bildgebers 5 bildet für die asphärische Fläche somit die Objektebene. Die asphärischen Flächen jeder Fresnel-Fläche können insbesondere so bestimmt sein, dass sie jeweils die Objektebene in die virtuelle Bildebene abbilden, wobei die asphärischen Flächen verschiedener Umlenkspiegel durch einen Flächenabstand beabstandet sind. Die reflektiven Umlenkflächen sind somit Teile unterschiedlicher Flächen, so daß durch Parallelverschiebung aller Umlenkflächen um den Flächenabstand sich keine kontinuierliche Fläche ergibt.
Eine vereinfachte mathematische Darstellung dafür ist eine Punkt zu Punkt Abbildung. In diesem Fall der Abbildung eines Punktes in das virtuelle Zwischenbild sind ideale Flächen zur Abbildung der beiden Punkte aufeinander durch Rotations-Hyperboloide gegeben, wobei der Objektpunkt und der virtuelle Bildpunkt in beiden Brennpunkten F1 und F2 der Rotations-Hyperboloide entsprechen, wie in 9 schematisch dargestellt ist.
Zu diesen beiden Brennpunkten F1 und F2 gibt es unendlich viele Rotations-Hyperboloide, die diese beiden Punkte ineinander abbilden. Die Fresnel-Struktur 13 erhält man beispielsweise aus einer rekursiven Konstruktionsvorschrift. Man wählt beispielsweise ein erstes Hyperboloid H1 aus und bestimmt die Fresnel-Fläche durch zwei Strahlen L1 und L2. In 9 ist die sich aus dem Schnitt des ersten Hyperboloids H1 mit der Zeichenebene ergebende Hyperbel (auch mit H1 bezeichnet) dargestellt. Der zweite Strahl L2 schneidet die Hyperbel H1 im Durchstoßpunkt der Hyperbel H1 mit der Vorderseite 18 des ersten Brillenglases. Der Strahl L1 schneidet die Hyperbel H1 in einer vorgegebenen Tiefe von der Vorderseite 18 des ersten Brillenglases 3. Die vorgegebene Tiefe kann beispielsweise 0,7 mm betragen. Damit ist im Schnittbild die erste Fresnel-Fläche 14 festgelegt. Die Konstruktionsvorschrift kann nun für jeden Schnitt durch das erste Brillenglas fortgesetzt werden. Es ergibt sich für die Kanten der Fresnel-Fläche 14 eine Schnittkurve des ersten Hyperboloids H1 mit der Vorderseite 18 und eine Schnittkurve mit einer beispielsweise zur Vorderseite 18 konzentrischen Fläche S1 im Abstand von beispielsweise 0,7 mm. Somit ist in Richtung der Oberflächennormalen zur Vorderseite 18 des ersten Brillenglases ein Flächenabstand der Hyperbeln H1 und H2 von 0,7mm gegeben.
Die nächste Fresnel-Fläche 14 kann nun durch eine zum Strahl L2 benachbarten Strahl L3 erfolgen, für den eine Strahlablenkung durch eine zweite Hyperbel H2 in einer bestimmten Tiefe von beispielsweise 0,7 mm erfolgt. Dieser Punkt liegt auf der Schnittfläche S1. Ein Strahl L4 im Schnittpunkt der Hyperbelfläche H2 mit der Vorderseite 18 bestimmt analog den äußeren Rand der Fresnel-Fläche 14. An den Fresnel-Flächen 14 sind jeweils ein lokaler mittlerer Normalenvektor N gezeigt.
Das im ersten Brillenglas 3 geführte Licht vom Bildgeber 5 wird an den Fresnel-Flächen 14 reflektiert und dem Auge des Benutzers zugeführt. In rückwärtiger Verlängerung der Strahlen befindet sich im Brennpunkt F1 ein virtuelles Objekt, welches einem virtuellen Zwischenbild des Bildgebers 5 entspricht.
Allgemein ergeben sich asphärische Flächen für die reflektiven Umlenkflächen für die Abbildung eines endlichen Objektfeldes in eine virtuelle Bildebene mit endlicher Ausdehnung, wobei die rekursive Konstruktionsvorschrift der einzelnen Umlenkflächen analog zu dem Beispiel mit Rotations-Hyperboloiden erfolgt.
Natürlich können die Fresnel-Flächen 14 auch im Brillenglas 3 vergraben sein und durch zwei Schnittflächen S2 und S3 limitiert werden, wie in 10 schematisch dargestellt ist. Die hintere Kante 23 der Fresnel-Fläche 14 kann im Schatten der jeweils davor liegenden Fresnel-Fläche 14 sein.
Die Fresnel-Flächen 14 können auch in der Art und Weise bestimmt werden, dass sie aus einer durchgängigen gekrümmten Fläche (insbesondere einer Freiformfläche) gebildet sind. Diese wird jeweils um einen bestimmten Betrag parallel verschoben und die entsprechenden Segmente für die Fresnel-Flächen 14 ergeben sich aus den jeweiligen Flächenausschnitten der parallel verschobenen Flächen zwischen z.B. der Vorderseite 18 und der Fläche S1 (in der Art gemäß 9) oder zwischen den Schnittflächen S2 und S3 (in der Art gemäß 10).
Bei der Benutzung der erfindungsgemäßen Anzeigevorrichtung kann der Benutzer das virtuelle Bild in Überlagerung mit der Umgebung wahrnehmen. Das Umgebungslicht kann durch Lücken zwischen den Fresnel-Flächen 14 ins Auge oder im Falle von teilverspiegelten Fresnel-Flächen auch durch die Fresnel-Flächen 14 selbst gelangen. Des weiteren kann die Größe des virtuellen Bildes so klein sein, dass für den Benutzer nur ein Teil seines Blickfeldes mit dem virtuellen Bild belegt ist. Er kann somit die Umgebung um das virtuelle Bild weiterhin wahrnehmen.
Bei der erfindungsgemäßen Anzeigevorrichtung 1 erfolgt die Einspiegelung des virtuellen Bildes in das Gesichtsfeld des Benutzers über das erste Brillenglas 3. Natürlich ist auch eine Einspiegelung über das zweite Brillenglas 4 möglich. Des weiteren kann die Anzeigevorrichtung 1 so ausgebildet sein, dass Informationen bzw. virtuelle Bilder über beide Brillengläser 3, 4 eingespiegelt werden. Dabei kann die Einspiegelung so erfolgen, dass ein dreidimensionaler Bildeindruck entsteht. Dies ist jedoch nicht zwingend notwendig.
Die Brillengläser 3, 4 können eine Brechkraft von Null oder eine von Null verschiedene Brechkraft (insbesondere zur Korrektur von Fehlsichtigkeiten) aufweisen. Wie in den Figuren gezeigt ist, sind sowohl die Vorderseite 11 als auch die Rückseite 12 des Brillenglases 3 gekrümmt ausgebildet. Die Vorderseite 11 kann insbesondere sphärisch gekrümmt sein. Wenn das Brillenglas eine von Null verschiedene Brechkraft aufweist, um eine Fehlsichtigkeit zu korrigieren, ist in der Regel die Krümmung der Rückseite 15 entsprechend gewählt, um die entsprechende Korrektur zu erreichen. Die Rückseite 15 kann eine von der sphärischen Form abweichende Krümmung aufweisen.
Die Haltevorrichtung 2 muß nicht als brillenartige Haltevorrichtung ausgebildet sein. Es ist auch jede andere Art der Haltevorrichtung möglich, mit der ein Aufsetzen oder Tragen der Anzeigevorrichtung auf dem Kopf des Benutzers erfolgen kann.

Claims

Optisches Element mit einer reflektiven Fresnel-Struktur (13) zum Umlenken von entlang einer Einfallsrichtung (R1) auf die Fresnel-Struktur (13) einfallenden Lichtbündeln (9) in eine Ausfallsrichtung (R2), wobei die Fresnel-Struktur (13) eine Mehrzahl von nebeneinander angeordneten reflektiven Umlenkflächen (14) aufweist und wobei in Einfallsrichtung (R1) gesehen jeweils eine vordere Kante (22) einer Umlenkfläche (14) über eine Schattenflanke (21) mit einer hinteren Kante (23) der unmittelbar dahinter liegenden Umlenkfläche (14) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Schattenflanke (21) in einer Schnittebene, die parallel zu der durch die Einfallsrichtung (R1) und die Ausfallsrichtung (R2) aufgespannten Ebene ist, im Bereich der hinteren Kante (23) gekrümmt ist und/oder zumindest zwei einen Winkel von kleiner als 180° einschließende Abschnitte (24, 25) aufweist.
Optisches Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkflächen (14) teilreflektiv sind.
Optisches Element nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schattenflanken (21) transmissiv sind.
Optisches Element nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fresnel-Struktur (13) als vergrabene Fresnel-Struktur (13) ausgebildet ist.
Optisches Element nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fresnel-Struktur (13) eine abbildende Eigenschaft aufweist.
Optisches Element nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsstelle der Schattenflanke (21) mit der hinteren Kante (23) verrundet ausgebildet ist.
Optisches Element nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsstelle der beiden Abschnitte (24, 25) der Schattenflanke (21) verrundet ausgebildet ist.
Optisches Element nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verrundung einen Radius von kleiner oder gleich 50 µm aufweist.
Anzeigevorrichtung mit einer auf den Kopf eines Benutzers aufsetzbaren Haltevorrichtung (2), einem an der Haltevorrichtung (2) befestigten Bilderzeugungsmodul (5), das ein Bild erzeugt, und einer an der Haltevorrichtung (2) befestigten Abbildungsoptik, die ein optisches Element (3, 4) nach einem der obigen Ansprüche aufweist und die das erzeugte Bild im auf dem Kopf aufgesetzten Zustand der Haltevorrichtung (2) so abbildet, das es der Benutzer als virtuelles Bild wahrnehmen kann.