DE102015117557B4 - Spectacle lens for imaging optics to create a virtual image and data glasses - Google Patents
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Abstract
Brillenglas (3) für eine Abbildungsoptik zum Erzeugen eines virtuellen Bildes von einem auf einem Bildgeber (21) dargestellten Ausgangsbild, das eine dem Auge (33) zuzuwendende Innenfläche (13) und eine vom Auge (33) abzuwendende Außenfläche (17) aufweist und in dem ein Einkopplungsabschnitt zum Einkoppeln eines Abbildungsstrahlengangs zwischen die Innenfläche (13) und die Außenfläche (17) sowie eine reflektive Auskopplungsstruktur (31, 131) mit einer Anzahl von Reflexionsflächen (30, 130A, 130B) zum Auskoppeln des Abbildungsstrahlengangs aus dem Brillenglas (3) in Richtung auf das Auge (33) vorhanden sind, wobei der Einkopplungsabschnitt derart im Brillenglas (3) angeordnet ist, dass ein durch den Einkopplungsabschnitt in das Brillenglas (3) eingekoppelter Abbildungsstrahlengang durch wenigstens eine Reflexion zwischen der Innenfläche (13) und der Außenfläche (17) des Brillenglases (3) zur reflektiven Auskopplungsstruktur (31, 131) geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die reflektive Auskopplungsstruktur (31, 131) im Bereich der Innenfläche (13) angeordnet ist und die letzte Reflexion des Abbildungsstrahlengangs vor dem Erreichen der Reflexionsflächen (30, 130A, 130B) an der Außenfläche (17) erfolgt.Spectacle lens (3) for imaging optics for generating a virtual image from an output image displayed on an image generator (21), which has an inner surface (13) to be turned towards the eye (33) and an outer surface (17) to be turned away from the eye (33), and in a coupling section for coupling an imaging beam path between the inner surface (13) and the outer surface (17) and a reflective coupling structure (31, 131) with a number of reflection surfaces (30, 130A, 130B) for coupling the imaging beam path out of the spectacle lens (3) in the direction of the eye (33), the coupling section being arranged in the spectacle lens (3) in such a way that an imaging beam path coupled into the spectacle lens (3) through the coupling section by at least one reflection between the inner surface (13) and the outer surface ( 17) of the spectacle lens (3) to the reflective coupling structure (31, 131), characterized in that the refle active coupling structure (31, 131) is arranged in the area of the inner surface (13) and the last reflection of the imaging beam path takes place on the outer surface (17) before the reflection surfaces (30, 130A, 130B) are reached.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brillenglas für eine Abbildungsoptik zum Erzeugen eines virtuellen Bildes, welches insbesondere in einer Datenbrille Verwendung finden kann. Daneben betrifft die Erfindung eine Datenbrille.The present invention relates to a spectacle lens for imaging optics for generating a virtual image, which can be used in particular in data glasses. In addition, the invention relates to data glasses.
Eine Datenbrille ist eine spezielle Form eines Head Mounted Displays. Eine gängige Form von Head Mounted Displays verwendet Bildschirme, die vor den Augen getragen werden und dem Benutzer computergenerierte Bilder oder von Kameras aufgenommene Bilder präsentieren. Derartige Head Mounted Displays sind häufig voluminös und erlauben keine unmittelbare Wahrnehmung der Umgebung. In jüngerer Zeit sind Head Mounted Displays entwickelt worden, die in der Lage sind, dem Benutzer ein mit einer Kamera aufgenommenes Bild oder ein computergeneriertes Bild darzubieten, ohne die unmittelbare Wahrnehmung der Umgebung zu verhindern. Derartige Head Mounted Displays, die nachfolgend Datenbrillen genannt werden, ermöglichen die Nutzung dieser Technologie im alltäglichen Leben.Data glasses are a special form of head-mounted display. A common form of head mounted displays uses screens that are worn in front of the eyes and present to the user computer-generated images or images taken by cameras. Such head mounted displays are often voluminous and do not allow immediate perception of the surroundings. More recently, head mounted displays have been developed which are able to present the user with an image taken with a camera or a computer-generated image without preventing the immediate perception of the surroundings. Such head-mounted displays, which are referred to below as data glasses, enable the use of this technology in everyday life.
Datenbrillen können auf verschiedene Arten bereitgestellt werden. Eine Art der Datenbrille, die sich insbesondere durch ihre Kompaktheit und ästhetische Akzeptanz auszeichnet, beruht auf dem Prinzip der Wellenleitung im Brillenglas. Dabei wird von einem Bildgeber generiertes Licht außerhalb des Brillenglases kollimiert und bspw. über die Stirnfläche des Brillenglases eingekoppelt, von wo aus es sich über mehrfache Reflexion bis vor das Auge ausbreitet. Ein dort befindliches optisches Element koppelt das Licht dann in Richtung auf die Augenpupille aus. Die Einkopplung in das Brillenglas und die Auskopplung aus dem Brillenglas können dabei entweder diffraktiv, reflektiv oder refraktiv erfolgen. Bei einem diffraktiven Ein- oder Auskoppeln finden als Ein- und Auskopplungselemente Beugungsgitter annähernd gleicher Strichzahl Verwendung, wobei die stark dispersiven Wirkungen der einzelnen Gitter untereinander kompensiert werden. Auf Beugungsgittern beruhende Ein- und Auskoppelelemente sind beispielsweise in
Gegenüber diesem Stand der Technik ist es eine erste Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein vorteilhaftes Brillenglas für eine Datenbrille zur Verfügung zu stellen. Eine zweite Aufgabe ist es, eine vorteilhafte Datenbrille zur Verfügung zu stellen.In relation to this prior art, it is a first object of the present invention to provide an advantageous spectacle lens for data glasses. A second task is to provide advantageous data glasses.
Die erste Aufgabe wird durch ein Brillenglas nach Anspruch 1 gelöst, die zweite Aufgabe durch eine Datenbrille nach Anspruch 10. Die abhängigen Ansprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.The first object is achieved by an eyeglass lens according to
Ein erfindungsgemäßes Brillenglas für eine Abbildungsoptik zum Erzeugen eines virtuellen Bildes von einem auf einem Bildgeber dargestellten Ausgangsbild weist eine dem Auge zuzuwendende Innenfläche und eine vom Auge abzuwendende Außenfläche auf. Außerdem sind in dem Brillenglas ein Einkopplungsabschnitt zum Einkoppeln eines Abbildungsstrahlengangs zwischen die Innenfläche und die Außenfläche sowie eine reflektive Auskopplungsstruktur mit einer Anzahl von Reflexionsflächen zum Auskoppeln des Abbildungsstrahlengangs aus dem Brillenglas in Richtung auf das Auge vorhanden. Der Einkopplungsabschnitt ist derart im Brillenglas angeordnet, dass ein durch den Einkopplungsabschnitt in das Brillenglas eingekoppelter Abbildungsstrahlengang durch wenigstens eine Reflexion zwischen der Innenfläche und der Außenfläche des Brillenglases zur reflektiven Auskopplungsstruktur geleitet wird. Die reflektive Auskopplungsstruktur ist im Bereich der Innenfläche angeordnet und kann insbesondere an die Innenfläche angrenzen. Die letzte Reflexion des Abbildungsstrahlengangs vor dem Erreichen der Reflexionsflächen erfolgt an der Außenfläche.An inventive spectacle lens for imaging optics for generating a virtual image from an output image displayed on an image generator has an inner surface facing the eye and an outer surface facing away from the eye. In addition, a coupling section for coupling an imaging beam path between the inner surface and the outer surface and a reflective coupling structure with a number of reflection surfaces for coupling the imaging beam path out of the spectacle lens in the direction of the eye are present in the spectacle lens. The coupling section is arranged in the spectacle lens in such a way that an imaging beam path coupled into the spectacle lens through the coupling section is guided to the reflective coupling-out structure by at least one reflection between the inner surface and the outer surface of the spectacle lens. The reflective coupling structure is arranged in the area of the inner surface and can in particular adjoin the inner surface. The last reflection of the imaging beam path before reaching the reflection surfaces takes place on the outer surface.
Dadurch, dass die reflektive Auskopplungsstruktur im Bereich der Innenfläche angeordnet ist und die ausgekoppelten Strahlenbündel aus Richtung der Außenfläche auf die Reflexionsflächen der Auskopplungsstruktur auftreffen, können die Reflexionsflächen so angeordnet werden, dass die Einfallswinkel der Strahlenbündel, also der Winkel zwischen dem einfallenden Strahlenbündel und der Flächennormalen der jeweiligen Reflexionsfläche, im Vergleich zu den Reflexionsflächen einer an der Außenfläche angeordneten reflektiven Auskopplungsstruktur erheblich vergrößert sind. Dabei können die Reflexionsflächen derart orientiert sein, dass der Abbildungsstrahlengang unter einem Einfallswinkel größer 45°, insbesondere größer 60° und weiter insbesondere größer 70° auf die Reflexionsflächen auftrifft. Mit derart großen Einfallswinkeln können die für die Reflexionsflächen zulässigen Toleranzen vergrößert werden, was deren Herstellung vereinfacht.Because the reflective decoupling structure is arranged in the region of the inner surface and the decoupled radiation beams impinge on the reflection surfaces of the coupling structure from the direction of the outer surface, the reflection surfaces can be arranged in such a way that the angles of incidence of the radiation beams, i.e. the angle between the incident beam and the surface normal of the respective reflection surface are considerably enlarged in comparison to the reflection surfaces of a reflective coupling structure arranged on the outer surface. The reflection surfaces can be oriented in such a way that the imaging beam path strikes the reflection surfaces at an angle of incidence greater than 45 °, in particular greater than 60 ° and further particularly greater than 70 °. With such large angles of incidence, the tolerances permissible for the reflection surfaces can be increased, which simplifies their manufacture.
Der Einkopplungsabschnitt kann insbesondere derart im Brillenglas angeordnet sein, dass der durch den Einkopplungsabschnitt eingekoppelte Abbildungsstrahlengang die erste Reflexion an der Außenfläche erfährt, und dass zwischen dem Einkopplungsabschnitt und der reflektiven Auskopplungsstruktur eine ungerade Anzahl von Reflexionen des Abbildungsstrahlengangs erfolgt. Bei einer Einkopplung derart, dass der eingekoppelte Abbildungsstrahlengang die erste Reflexion an der Außenfläche erfährt, und einer im Bereich der Außenfläche angeordneten reflektiven Auskopplungsstruktur ist dagegen immer eine gerade Anzahl an Reflexionen nötig. Wenn andererseits der Einkopplungsabschnitt derart angeordnet ist, dass der durch den Einkopplungsabschnitt eingekoppelte Abbildungsstrahlengang die erste Reflexion an der Innenfläche erfährt, erfolgt im erfindungsgemäßen Brillenglas zwischen dem Einkopplungsabschnitt und der reflektive Auskopplungsstruktur eine gerade Anzahl von Reflexionen des Abbildungsstrahlengangs. Bei einer im Bereich der Außenfläche angeordneten reflektiven Auskopplungsstruktur ist dagegen immer eine ungerade Anzahl an Reflexionen nötig, wenn die Einkopplung derart erfolgt, dass der eingekoppelte Abbildungsstrahlengang die erste Reflexion an der Innenfläche erfährt. Das Anordnen der Auskopplungsstruktur im Bereich der Innenfläche führt daher zu zusätzlichen Designoptionen beim Entwickeln eines Brillenglases für eine Datenbrille. Dadurch wird es möglich, in einer Datenbrille den Bereich möglicher Abstände zwischen der Sichtachse des Brillenglases und dem Brillenbügel, an dem in der Regel ein Display als Ausgangspunkt des Abbildungsstrahlengangs angeordnet ist, zu vergrößern. Dies kommt dadurch zustande, dass bei gegebenem Auftreffwinkel des Abbildungsstrahlengangs innerhalb des Brillenglases jede zusätzliche Reflexion im Brillenglas einem bestimmten zusätzlichen Abstand zwischen der Sichtachse des Brillenglases und dem Brillenbügel entspricht. Da durch die zusätzliche Option beim Anordnen der Auskopplungsstruktur weitere Optionen für die Zahl der Reflexionen im Brillenglas hinzukommen, steht eine höhere Zahl möglicher Abstände zwischen der Sichtachse des Brillenglases und dem Brillenbügel zur Verfügung.The coupling section can in particular be arranged in the spectacle lens in such a way that the imaging beam path coupled through the coupling section causes the first reflection at the Experience outer surface, and that between the coupling section and the reflective coupling structure there is an odd number of reflections of the imaging beam path. In the case of a coupling in such a way that the coupled imaging beam path experiences the first reflection on the outer surface, and in the case of a reflective coupling structure arranged in the region of the outer surface, an even number of reflections is always necessary. If, on the other hand, the coupling section is arranged such that the imaging beam path coupled through the coupling section experiences the first reflection on the inner surface, an even number of reflections of the imaging beam path take place in the spectacle lens according to the invention between the coupling section and the reflective coupling structure. In the case of a reflective decoupling structure arranged in the region of the outer surface, on the other hand, an odd number of reflections is always necessary if the coupling takes place in such a way that the coupled imaging beam path experiences the first reflection on the inner surface. The arrangement of the decoupling structure in the area of the inner surface therefore leads to additional design options when developing spectacle lenses for data glasses. This makes it possible to enlarge the range of possible distances in a pair of data glasses between the visual axis of the lens and the temple, on which a display is usually arranged as the starting point of the imaging beam path. This is due to the fact that, given the angle of incidence of the imaging beam path within the spectacle lens, each additional reflection in the spectacle lens corresponds to a certain additional distance between the viewing axis of the spectacle lens and the spectacle temple. Since the additional option when arranging the decoupling structure adds further options for the number of reflections in the spectacle lens, there is a greater number of possible distances between the visual axis of the spectacle lens and the spectacle temple.
In einer besonderen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Brillenglases besteht jede Reflexionsfläche aus zwei Teilflächen, die unter einem Winkel zueinander angeordnet sind. Der Winkel, unter dem die Teilflächen zueinander angeordnet sind, ist dabei vorzugsweise größer als 120°, insbesondere größer 150°. Durch diese Ausgestaltung kann eine lokale Invertierung des Phasenraumes durch die Reflexion an den Reflexionsflächen vermieden werden. Außerdem kann durch diese Ausgestaltung der Anteil dunkler Bereiche im ausgekoppelten Abbildungsstrahlengang verringert werden, was die Uniformität des ausgekoppelten Abbildungsstrahlengangs erhöht.In a special embodiment of the spectacle lens according to the invention, each reflection surface consists of two partial surfaces which are arranged at an angle to one another. The angle at which the partial surfaces are arranged relative to one another is preferably greater than 120 °, in particular greater than 150 °. With this configuration, a local inversion of the phase space due to the reflection on the reflection surfaces can be avoided. In addition, this configuration allows the proportion of dark areas in the coupled-out imaging beam path to be reduced, which increases the uniformity of the coupled-out imaging beam path.
In einer besonderen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Brillenglases umfasst die reflektive Auskopplungsstruktur refraktive und/oder reflektive Freiformflächen, so dass sie auch ein Teil des Abbildungssystems zum Formen der virtuellen Abbildung sein kann.In a special embodiment of the spectacle lens according to the invention, the reflective coupling structure comprises refractive and / or reflective free-form surfaces, so that it can also be part of the imaging system for shaping the virtual image.
Ein erfindungsgemäßes Brillenglas kann auch ein am Einkopplungsabschnitt angeordnetes Einkoppelelement bspw. in Form eines Prismas, auch Tubus genannt, umfassen.A spectacle lens according to the invention can also comprise a coupling element arranged on the coupling section, for example in the form of a prism, also called a tube.
Eine erfindungsgemäße Datenbrille umfasst wenigstens einen Bildgeber und wenigstens ein erfindungsgemäßes Brillenglas. Die mit Bezug auf das erfindungsgemäße Brillenglas beschriebenen Eigenschaften und Vorteile wohnen auch der erfindungsgemäßen Datenbrille inne, weswegen im Hinblick auf mit der erfindungsgemäßen Datenbrille realisierbaren Eigenschaften und Vorteile auf die obige Beschreiung des erfindungsgemäßen Brillenglases verwiesen wird.Data glasses according to the invention comprise at least one image generator and at least one spectacle lens according to the invention. The properties and advantages described with reference to the spectacle lens according to the invention also reside in the data glasses according to the invention, which is why reference is made to the above description of the spectacle lens according to the invention with regard to properties and advantages which can be achieved with the data glasses according to the invention.
Weitere Eigenschaften, Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Brillenglases sowie der erfindungsgemäßen Datenbrille ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren.
-
1 zeigt eine Datenbrille in einer perspektivischen Darstellung. -
2 zeigt ein Brillenglas und eine Einkopplungsvorrichtung der Datenbrille aus1 in einer schematischen Darstellung. -
3 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel für eine reflektive Auskopplungsstruktur, wie sie in dem Brillenglas aus2 Verwendung finden kann. -
4 zeigt die Reflexion eines Abbildungsstrahlenbündels an einer Reflexionsfläche der reflektiven Auskopplungsstruktur. -
5 zeigt die Reflexion eines Abbildungsstrahlenbündels an der Reflexionsfläche einer an der Außenfläche eines Brillenglases angeordneten reflektiven Auskopplungsstruktur. -
6 zeigt die Invertierung des Phasenraums eines Abbildungsstrahlenbündels bei Reflexion an einer erfindungsgemäßen Auskopplungsstruktur. -
7 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel für eine reflektive Auskopplungsstruktur, wie sie in dem Brillenglas aus2 Verwendung finden kann.
-
1 shows a pair of smart glasses in a perspective view. -
2nd shows an eyeglass lens and a coupling device of thedata glasses 1 in a schematic representation. -
3rd shows a first embodiment of a reflective decoupling structure, as in the spectacle lens2nd Can be used. -
4th shows the reflection of an imaging beam on a reflection surface of the reflective coupling structure. -
5 shows the reflection of an imaging beam on the reflection surface of a reflective coupling structure arranged on the outer surface of a spectacle lens. -
6 shows the inversion of the phase space of an imaging beam upon reflection from a decoupling structure according to the invention. -
7 shows a second embodiment of a reflective decoupling structure, as in the spectacle lens2nd Can be used.
Eine mit wenigstens einem erfindungsgemäßen Brillenglas ausgestattete Datenbrille
Die Datenbrille
Zwischen dem Bildgeber
Die Einkopplungseinrichtung
Das Brillenglas
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind der die Einkopplungseinrichtung
An der Innenseite
Die Fresnelstruktur
Das sägezahnförmige Profil umfasst eine Mehrzahl sägezahnförmiger Abschnitte, wobei jeder sägezahnartige Abschnitt eine erste, weniger steile Flanke
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel stehen die von den steilen Flanken
Um die Fresnelstruktur
Die von den steilen Flanken
Bei Benutzung der Datenbrille wird Abbildungsstrahlengang über einen Einkopplungsabschnitt des Brillenglases
Nachfolgend werden mit Bezug auf die
Der auf die Reflexionsfläche
Durch die Reflexion an den Reflexionsflächen
In der in
Die vorliegende Erfindung wurde anhand von Ausführungsbeispielen zu Erläuterungszwecken im Detail beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass von den beschriebenen Ausführungsbeispielen abgewichen werden kann und dass Merkmale der einzelnen Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden können. Beispielsweise verläuft in
BezugszeichenlisteReference symbol list
- 11
- DatenbrilleSmart glasses
- 33rd
- BrillenglasEyeglass lens
- 55
- BrillenglasEyeglass lens
- 77
- BrillengestellGlasses frame
- 99
- BrillenbügelTemple
- 1111
- BrillenbügelnTemple pieces
- 1313
- InnenflächeInner surface
- 1717th
- AußenflächeOutside surface
- 1919th
- AußenflächeOutside surface
- 2121st
- BildgeberImager
- 2323
- EinkopplungseinrichtungCoupling device
- 2424th
- EintrittsflächeEntrance area
- 2727th
- SpiegelflächeMirror surface
- 2929
- SpiegelflächeMirror surface
- 3030th
- ReflexionsflächeReflective surface
- 3131
- FresnelstrukturFresnel structure
- 3232
- Pupillepupil
- 3333
- Augeeye
- 3434
- FlankeFlank
- 3636
- FlankeFlank
- 3838
- BeschichtungCoating
- 4040
- Füllmasse oder FüllstückFilling compound or filling piece
- 4242
- StrahlenbündelBundle of rays
- 4444
- dunkler Bereichdark area
- 130A,B130A, B
- ReflexionsflächenReflective surfaces
- 131131
- FresnelstrukturFresnel structure
- R1R1
- Reflexionreflection
- R2R2
- Reflexionreflection
- R3R3
- Reflexionreflection
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