DE102018133383A1

DE102018133383A1 - Optisches System zum Erzeugen eines virtuellen Bildes und Verfahren zum Herstellen einer Auskoppelanordnung eines optischen Systems

Info

Publication number: DE102018133383A1
Application number: DE102018133383.8A
Authority: DE
Inventors: Georg Michels; Momchil Davidkov
Original assignee: Tooz Technologies GmbH
Current assignee: Tooz Technologies GmbH
Priority date: 2018-12-21
Filing date: 2018-12-21
Publication date: 2020-06-25
Also published as: JP2022512515A; CN113260814A; US20220082834A1; EP3899363A1; KR20210102969A; WO2020126672A1

Abstract

Ein optisches System zum Erzeugen eines virtuellen Bildes von einem auf einem Bildgeber (12) bereitgestellten Quellbild weist zumindest einen vor einem Auge (14) zu tragenden Lichtleiter (16), eine Einkoppelanordnung (24) zum Einkoppeln eines vom Quellbild ausgehenden Lichtstrahlengangs (26) in den Lichtleiter (16), eine Auskoppelanordnung (28) zum Auskoppeln des Lichtstrahlengangs (26) aus dem Lichtleiter (16) zum Auge (14) hin auf, wobei die Einkoppelanordnung (24) den Lichtstrahlengang (26) derart in den Lichtleiter (16) einkoppelt, dass der Lichtstrahlengang (26) in dem Lichtleiter (16) durch Reflexion an einer Innen- und/oder Außenfläche (18, 20) des Lichtleiters (16) zur Auskoppelanordnung (28) propagiert, wobei die Auskoppelanordnung (28) eine Fläche (29) aufweist, die von dem in dem Lichtleiter (16) zur Auskoppelanordnung (28) propagierenden Lichtstrahlengang (26) beaufschlagt wird. Die vom Lichtstrahlengang (26) beaufschlagte Fläche (29) der Auskoppelanordnung (28) ist derart oberflächenbehandelt, dass der Lichtstrahlengang (26) von ersten Teilbereichen (42, 44, 46; 60) der Fläche (29) der Auskoppelanordnung (28) aus dem Lichtleiter (16) zum Auge hin ausgekoppelt wird, während er in von den ersten Teilbereichen verschiedenen zweiten Teilbereichen (48a, 48b, 50a, 50b, 52a, 52b; 62) der Fläche (29) der Auskoppelanordnung (28) nicht oder allenfalls mit verringerter Intensität aus dem Lichtleiter (16) zum Auge (14) hin ausgekoppelt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches System zum Erzeugen eines virtuellen Bildes von einem auf einem Bildgeber bereitgestellten Quellbild, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen einer Auskoppelanordnung eines derartigen optischen Systems.
Ein optisches System der eingangs genannten Art ist aus dem Dokument WO 2016/102190 A1 bekannt.
Ein optisches System der eingangs genannten Art kann in einem sogenannten Head Mounted Display (HMD), d.h. in einer kopfgetragenen Anzeigevorrichtung, verwendet werden. Eine gängige Form von HMDs verwendet Bildschirme, die vor den Augen getragen werden und dem Benutzer Computer-generierte Bilder oder von Kameras aufgenommene Bilder präsentieren. Derartige HMDs sind häufig voluminös und erlauben keine unmittelbare Wahrnehmung der Umgebung. Erst in jüngerer Zeit sind HMDs entwickelt worden, die in der Lage sind, dem Benutzer ein mit einer Kamera aufgenommenes Bild oder ein Computer-generiertes Bild darzubieten, ohne die unmittelbare Wahrnehmung der Umgebung zu verhindern. Derartige HMDs, die auch Datenbrillen genannt werden, ermöglichen die Nutzung dieser Technologie im alltäglichen Leben.
Optische Systeme solcher Datenbrillen weisen typischerweise einen Bildgeber, ein Einkoppelelement, einen Lichtleiter und ein Auskoppelelement auf. Die Einkopplung des vom Quellbild stammenden Lichtes in den Lichtleiter und die Auskopplung des im Lichtleiter propagierten Lichtes aus dem Lichtleiter können durch unterschiedliche Ansätze realisiert werden, beispielsweise reflektiv, refraktiv, diffraktiv, holographisch usw., oder durch eine Kombination davon. Datenbrillen zeichnen sich durch hohe Anforderungen an die Abbildungsqualität bei einem relativ großen Abbildungsverhältnis aus. Gleichzeitig stehen bei solchen kopfgetragenen Systemen ein geringes Gewicht und Kompaktheit (kleiner Bauraum) im Vordergrund, was eine Abbildung des Quellbildes zur Erzeugung des virtuellen Bildes durch möglichst wenig optische Flächen verlangt, womit jedoch wiederum wenig Flächen für die Kompensation von optischen Aberrationen zur Verfügung stehen. Nicht zuletzt gehört die perfekte Durchsicht (sog. See-through-Funktionalität) im Falle einer Datenbrille zu den wichtigen Kriterien, die über Akzeptanz und Erfolg von HMD-Produkten entscheiden.
Bei optischen Systemen, bei denen die Auskopplung des im Lichtleiter propagierten Lichtes über eine Reflexion an einer Freiform-Fresnel-Fläche mit einem (z.B. Freiform-Spiegel) oder mehreren Segmenten realisiert ist, wie dies in dem eingangs genannten Dokument beschrieben ist, hängt die optische Abbildungsqualität aufgrund der Lage der Auskoppelanordnung nahe zur Austrittspupille des optischen Systems und zur Pupille des Auges des Benutzers sehr stark von der Oberflächentreue und -qualität der Auskoppelanordnung ab. Lokale Formabweichungen der einzelnen Fresnel-Segmente führen in besonderem Maße zu einer Reduzierung des optischen Leistungsverhaltens, ausgedrückt in Kontrastverlust, Doppelbildern (Geisterbildern) und anderen Abbildungsfehlern. Des Weiteren gelten zwischen den als stetig fortsetzbaren Teilstücken einer Freiformfläche zu verstehenden einzelnen Segmenten der Fresnel-Fläche Anschlussbedingungen, die eine Toleranz hinsichtlich Formabweichungen, aber auch bezüglich der gegenseitigen Lage, d.h. Position zueinander, der einzelnen Fresnel-Segmente im Submikrometerbereich (<<1 µm) erfordern, damit eine akzeptable Abbildungsqualität erreicht werden kann. Die Einhaltung eines sehr kleinen Toleranzbereiches bezüglich Formtreue und gegenseitiger Ausrichtung der Fresnel-Segmente erweist sich in der Praxis insbesondere bei der Fertigung von Kunststoffteilen, bedingt durch die Eigenschaften der Kunststoffe wie Wärmeausdehnung, Komprimierbarkeit, innere Spannungen, Oberflächenhaftung etc. und der verwendeten Fertigungstechnologie und -prozesse wie Spritzgießen, Spritzprägen, usw. als sehr schwierig und aufwendig. Die Einhaltung eines sehr kleinen Toleranzbereichs wirkt sich jedoch unmittelbar auf die Gutteilausbeute aus und stellt technologisch sowie prozesstechnisch eine große Herausforderung dar.
Zur Gewährleistung der oben genannten See-through-Funktionalität (Durchsichtigkeit) des Lichtleiters im Bereich der Auskoppelanordnung ist es sinnvoll, die Auskoppelanordnung mit einer teiltransparenten Schicht zu versehen, die einen Teil der Lichtintensität des vom Bildgeber kommenden Lichtstrahlengangs reflektiert, jedoch in Durchblickrichtung möglichst transparente Eigenschaften aufweist und somit einen Kompromiss zwischen bestmöglicher Durchsicht und maximaler Intensität des zum Auge des Benutzers ausgekoppelten Lichtes darstellt. Außerdem wird auf die Auskoppelanordnung üblicherweise eine zweite Schale aufgebracht. Diese kann im Bereich der Auskoppelanordnung an die Form der Auskoppelanordnung angepasst sein. Die Schale wird mit dem Lichtleiter mittels eines Klebstoffes oder anderweitig fixiert. Die Furchen der Auskoppelanordnung können auch mit einem anderen transparenten Stoff, beispielsweise Klebstoff, ohne Verwendung einer Schale gefüllt werden. Eine Schale, deren dem Klebstoff zugewandte Oberfläche von sich aus oder nach entsprechender Behandlung Antihafteigenschaften aufweist, könnte zur Formgebung nur während des Aushärteprozesses verwendet und danach entfernt werden.
Ein weiteres Problem bei Verwendung von teiltransparenten Schichten, die jedoch für die See-through-Funktion von entscheidender Bedeutung sind, besteht darin, dass Licht, das teilweise durch ein Fresnel-Segment transmittiert wird, in den Schattenbereich des darauf folgenden Fresnel-Segmentes einfällt und nach einer ein- oder mehrfachen Reflexion in das Auge des Beobachters gelangt. Dabei wird im allgemeinen Fall, wenn die Auskoppelanordnung eine Freiform-Fresnel-Fläche aufweist, die Stetigkeitsbedingung verletzt. Da bei der Auslegung der Fresnel-Fläche der Schwerpunkt auf einer Optimierung des reflektierenden Bereichs der Fresnel-Segmente liegt, entstehen beim Durchgang durch die Fresnel-Flanken und beim Einfallen des Lichtstrahlengangs in die Schattenbereiche der Fresnel-Segmente, in denen der Lichtstrahlengang reflektiert wird, Abbildungsfehler. Der Effekt wird durch fertigungsbedingte Abweichungen von der Sollgeometrie, beispielsweise Verrundungen der Segmente aufgrund des Radius des Diamantwerkzeuges, beispielsweise bei Ultrapräzisionsbearbeitung, weiter verstärkt. Die so entstandenen Lichtanteile, die ins Auge des Benutzers gelangen, führen zu einem Kontrastverlust, Doppelbildern, Verschmierung des wahrgenommenen Bildes und weiteren unerwünschten Effekten, die sich in Summe negativ auf die Abbildungsqualität des optischen Systems auswirken.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein optisches System der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, dass seine Abbildungsqualität verbessert ist.
Des Weiteren liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen einer verbesserten Auskoppelanordnung bereitzustellen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe hinsichtlich des eingangs genannten optischen Systems dadurch gelöst, dass die vom Lichtstrahlengang beaufschlagte Fläche der Auskoppelanordnung derart oberflächenbehandelt ist, dass der Lichtstrahlengang von ersten Teilbereichen der Fläche der Auskoppelanordnung aus dem Lichtleiter zum Auge hin ausgekoppelt wird, während er in von den ersten Teilbereichen verschiedenen zweiten Teilbereichen der Fläche der Auskoppelanordnung nicht oder allenfalls mit verringerter Intensität aus dem Lichtleiter zum Auge hin ausgekoppelt wird.
Das erfindungsgemäße optische System löst sich von dem Konzept, die gesamte Fläche der Auskoppelanordnung mit einer Teilverspiegelung zu versehen, so dass die gesamte vom Lichtstrahlengang beaufschlagte Fläche der Auskoppelanordnung den Lichtstrahlengang aus dem Lichtleiter zum Auge hin auskoppelt. Dagegen wird der Lichtstrahlengang bei dem erfindungsgemäßen System lediglich von gezielt ausgewählten Teilbereichen der vom Lichtstrahlengang beaufschlagten Fläche der Auskoppelanordnung zur Auskopplung des Lichtstrahlengangs in das Auge des Benutzers herangezogen. Hierzu ist die vom Lichtstrahlengang beaufschlagte Fläche der Auskoppelanordnung so oberflächenbehandelt, dass der Lichtstrahlengang lediglich von ersten Teilbereichen der Fläche der Auskoppelanordnung aus dem Lichtleiter zum Auge hin ausgekoppelt wird, während er in zweiten Teilbereichen der vom Lichtstrahlengang beaufschlagten Fläche nicht oder allenfalls mit verringerter Intensität aus dem Lichtleiter zum Auge des Benutzers hin ausgekoppelt wird. Eine verringerte Intensität ist dabei relativ zur Intensität des in den ersten Teilbereichen ausgekoppelten Lichtstrahlengang zu verstehen, derart, dass eine intensitätsschwache Auskopplung in den zweiten Teilbereichen die Qualität des im erzeugten virtuellen Bildes nicht merklich beeinträchtigt. Die ersten Teilbereiche der Fläche der Auskoppelanordnung sind hinsichtlich einer optimalen Abbildungsqualität des optischen Systems ausgewählt bzw. bestimmt.
Es handelt sich bei den ersten Teilbereichen insbesondere um solche Teilbereiche der Fläche der Auskoppelanordnung, die definierte Mindestanforderungen an Oberflächenqualität, Formtreue und andere für die Abbildungsqualität relevante Parameter erfüllen. Die ersten Teilbereiche können durch geeignete Messverfahren ermittelt werden. Geeignete Messverfahren sind beispielsweise gängige Messverfahren für taktile und berührungslose Formmessung, wie beispielsweise Profilometrie, Weißlichtinterferometrie, chromatisch-konfokale Messverfahren.
Kontrastverluste, Doppelbilder, Verschmierungen des wahrgenommenen Bildes und weitere unerwünschte Effekte durch Auskopplung nicht zur eigentlichen Abbildung beitragende Lichtanteile des vom Quellbild kommenden Lichtes in das Auge des Benutzers werden mit dem erfindungsgemäßen optischen System vermieden, zumindest aber verringert.
Die ersten Teilbereiche der vom Lichtstrahlengang beaufschlagten Fläche der Auskoppelanordnung, die der Auskopplung des Lichtstrahlengangs aus dem Lichtleiter dienen, können dadurch oberflächenbehandelt sein, dass sie mit einer reflektierenden Schicht versehen sind. Unter einer reflektierenden Schicht ist hierbei auch eine teilreflektierende Schicht zu verstehen. Entsprechend kann die reflektierende Schicht eine Reflektivität von 1 % bis 100 % aufweisen. Des Weiteren ist unter einer reflektierenden Schicht auch eine Schicht zu verstehen, die aus mehreren Einzelschichten aufgebaut ist.
Im Unterschied zu herkömmlichen Systemen wird die reflektierende Schicht nicht auf die gesamte Fläche der Auskoppelanordnung aufgebracht, sondern nur in ausgewählten Teilbereichen der Fläche (erste Teilbereiche).
Die nicht mit der reflektierenden Schicht versehenen zweiten Teilbereiche tragen somit nicht oder zumindest nur verringert zur Auskopplung des Lichtstrahlengangs aus dem Lichtleiter bei. Außerdem wird durch die Beschichtung der Fläche der Auskoppelanordnung nur in den ersten Teilbereichen die Durchsichtigkeit (See-through-Funktion) des Lichtleiters im Bereich der Auskoppelanordnung erhöht, da die nicht beschichteten zweiten Teilbereiche die maximal mögliche Transmission aufweisen. Die Abnahme der Intensität des aus dem Lichtleiter ausgekoppelten Lichtstrahlengangs aufgrund der nicht vollständig mit einer reflektierenden Schicht versehenen Fläche der Auskoppelanordnung kann durch eine Erhöhung der Leuchtkraft des Bildgebers oder eine Beschichtung der ersten Teilbereiche mit höherer Reflektivität erreicht werden.
Alternativ oder kumulativ zu einer Oberflächenbehandlung der ersten Teilbereiche mit einer reflektierenden Schicht können die zweiten Teilbereiche der Fläche der Auskoppelanordnung, von denen der Lichtstrahlengang nicht oder allenfalls mit geringerer Intensität aus dem Lichtleiter zum Auge des Benutzers hin ausgekoppelt werden soll, mit einer im sichtbaren Spektrum transparenten, idealerweise Brechungsindex-angepassten Schicht oberflächenbehandelt sein, wobei die Brechungsindex-angepasste Schicht in den zweiten Teilbereichen eine Reflexion des Lichtstrahlengangs zum Auge des Benutzers hin zumindest verringert und/oder eine Auskopplung des Lichtstrahlengangs aus dem Lichtleiter in Richtung vom Auge weg bewirkt.
Auch diese Maßnahme trägt vorteilhafterweise zur Erhöhung der Abbildungsqualität des optischen Systems bei, indem diejenigen Teilbereiche der Fläche der Auskoppelanordnung, die, wenn von ihnen der Lichtstrahlengang zum Auge des Benutzers hin aus dem Lichtleiter ausgekoppelt wird, zu Kontrastverlusten, Doppelbildern oder einer sonstigen Verschlechterung der Abbildungsqualität führen, aufgrund der Brechungsindex-angepassten Schicht eine gegenüber den ersten Teilbereichen verringerte Reflektivität aufweisen und/oder eine erhöhte Transmission des Lichtstrahlengangs zur Auskopplung des Lichtstrahlengangs in Richtung vom Auge des Benutzers weg begünstigen.
Die Brechungsindex-angepasste Schicht ist vorzugsweise hoch transparent im sichtbaren Spektrum. Der Brechungsindex ist an das Material von Lichtleiter und/oder Auskoppelanordnung so angepasst, dass ein Brechungsindex-Sprung, der Anlass zu Reflexionen gibt, in den zweiten Teilbereichen der Fläche der Auskoppelanordnung so gering wie möglich ist.
Unter einer Brechungsindex-angepasste Schicht ist auch eine Schicht zu verstehen, die, beispielsweise im Fall einer Fresnel-segmentierten Fläche durch Auffüllen der Furchen mit einem Brechungsindex-angepassten Material entstanden ist.
Die Auskoppelanordnung kann eine Fläche mit einem oder mehreren Fresnel-Segmenten aufweisen. Die Fresnel-Fläche kann insbesondere eine Freiform-Fresnel-Fläche mit einem oder mehren Segmenten sein.
Im Fall der Ausgestaltung der Auskoppelanordnung mit mehreren Fresnel-Segmenten sind die ersten Teilbereiche der Fläche der Auskoppelanordnung, die für die gewünschte Auskopplung des Lichtstrahlengangs zum Auge des Benutzers hin benutzt werden sollen, jeweils ein Bereich, der außerhalb eines Schattenwurfs eines benachbarten Fresnel-Segments liegt.
Wie bereits eingangs beschrieben, können beim Durchgang des Lichtstrahlengangs durch die Fresnel-Flanken und beim Eindringen des Lichtes in die Schattenbereiche der Fresnel-Segmente Abbildungsfehler entstehen. Wenn aber wie in der vorstehend genannten Maßnahme vorgesehen die außerhalb des jeweiligen Schattenwurfs befindlichen Bereiche der langen Flanken der Fresnel-Segmente zumindest zum Teil als die ersten Teilbereiche ausgewählt sind, so dass der Lichtstrahlengang nur von den ersten Teilbereichen aus dem Lichtleiter ausgekoppelt wird, können die Anteile des Lichtstrahlengangs, die in die Schattenbereiche der Fresnel-Segmente gelangen, nicht mehr zu Abbildungsfehlern führen, da diese Anteile des Lichtstrahlengangs nicht oder allenfalls mit geringerer Intensität aus dem Lichtleiter ausgekoppelt werden.
Die zweiten Teilbereiche, bei denen eine Auskopplung des Lichtstrahlengangs aus dem Lichtleiter in Richtung zum Auge des Benutzers hin verringert oder unterdrückt ist, können jeweils ein Bereich eines Fresnel-Segments sein, der innerhalb eines Schattenwurfs eines benachbarten Fresnel-Segments liegt, und/oder allgemein ein Bereich, der für eine Auskopplung des Lichtstrahlengangs zum Auge des Betrachters hin nicht geeignet ist, weil er nicht die Anforderungen an eine optimale Abbildungsqualität erfüllt.
Des Weiteren wird erfindungsgemäß ein Verfahren zum Herstellen einer Auskoppelanordnung, beispielsweise eines erfindungsgemäßen optischen Systems bereitgestellt. Erfindungsgemäß weist das Verfahren auf:

Bestimmen von ersten Teilbereichen der Fläche der Auskoppelanordnung, die für die Auskopplung eines von dem Quellbild kommenden und in einem Lichtleiter propagierenden Lichtstrahlengangs aus dem Lichtleiter zum Auge eines Benutzers hin für eine Abbildung des Quellbildes geeignet sind,
Oberflächenbehandeln der Fläche der Auskoppelanordnung derart, dass der Lichtstrahlengang von den ersten Teilbereichen aus dem Lichtleiter zum Auge des Benutzers hin ausgekoppelt wird, während er in von den ersten Teilbereichen verschiedenen zweiten Teilbereichen der Fläche der Auskoppelanordnung nicht oder allenfalls mit verringerter Intensität aus dem Lichtleiter zum Auge hin ausgekoppelt wird.

Das Bestimmen der ersten Teilbereiche kann mit einem geeigneten optischen Messverfahren, wie sie beispielhaft oben angegeben sind, durchgeführt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren besitzt die gleichen Vorteile, wie sie mit Bezug auf das erfindungsgemäße optische System beschrieben wurden.
In bevorzugten Ausgestaltungen kann das Oberflächenbehandeln der Fläche der Auskoppelanordnung ein Aufbringen einer reflektierenden Schicht auf die ersten Teilbereiche aufweisen.
Vorteilhafterweise kann dabei das Oberflächenbehandeln mittels einer Maske durchgeführt werden, die die nicht zu beschichtenden Teilbereiche der Fläche der Auskoppelanordnung während des Aufbringens der reflektierenden Schicht maskiert. Eine solche Beschichtungsmaske kann nach Bestimmung der ersten Teilbereiche beispielsweise in einem Laserschneid-, Ätz- oder mittels eines anderen Verfahrens gefertigt werden. Die Maske gewährleistet vorteilhafterweise das Aufbringen der reflektierenden Beschichtung lediglich auf die gewünschten ersten Teilbereiche der Fläche der Auskoppelanordnung.
Alternativ oder kumulativ kann das Oberflächenbehandeln der Fläche der Auskoppelanordnung ein Aufbringen einer Brechungsindex-angepassten Schicht auf die zweiten Teilbereiche aufweisen.
Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und der beigefügten Zeichnung.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden mit Bezug auf diese hiernach näher beschrieben. Es zeigen:

1 ein Ausführungsbeispiel eines optischen Systems zum Erzeugen eines virtuellen Bildes in einer Ansicht von oben;
2 einen Ausschnitt eines optischen Systems zur Veranschaulichung der Entstehung von Falschlicht in dem System im Bereich einer Auskoppelanordnung;
3 einen Ausschnitt eines optischen Systems zum Erzeugen eines virtuellen Bildes gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung;
4-7 Beispiele von bereichsweise oberflächenbehandelten Flächen von Auskoppelanordnungen; und
8 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen einer Auskoppelanordnung eines optischen Systems zum Erzeugen eines virtuellen Bildes.

In 1 ist ein mit dem allgemeinen Bezugszeichen 10 versehenes optisches System zum Erzeugen eines virtuellen Bildes von einem auf einem Bildgeber 12 bereitgestellten Quellbild gezeigt. Das optische System 10 kann das optische System eines Head Mounted Display (HMD), insbesondere einer Datenbrille, sein. Das optische System 10 ist insbesondere in der Lage, dem Benutzer das von dem Bildgeber 12 bereitgestellte Quellbild, das ein mit einer Kamera aufgenommenes Bild oder ein Computer-generiertes Bild sein kann, darzubieten, ohne die unmittelbare Wahrnehmung der Umgebung zu verhindern. Dies bedeutet, dass das optische System 10 dem Benutzer gleichzeitig die Durchsicht wie bei einer herkömmlichen Brille gewährt (sog. See-Through-Funktionalität). Solche Systeme werden auch als Augmented Reality- oder Virtual Reality-Brille bezeichnet.
Das optische System 10 weist zumindest einen vor einem Auge 14 des Benutzers zu tragenden Lichtleiter 16 auf. Der Lichtleiter 16 kann als Brillenglas ausgebildet sein oder in ein Brillenglas integriert sein. In 1 ist nur ein Lichtleiter 16 gezeigt, wobei das System 10 einen zweiten Lichtleiter (nicht gezeigt) aufweisen kann, der vor dem anderen Auge des Benutzers getragen wird. Es versteht sich weiterhin, dass der Lichtleiter 16 aus einer Stapelanordnung mehrerer Lichtleiter aufgebaut sein kann, wie dies bei derartigen Systemen der Fall sein kann, um beispielsweise jeweils einen Lichtleiter als Übertragungskanal für einen jeweiligen Spektralbereich zu nutzen.
Der Lichtleiter 16 weist eine dem Auge 14 zugewandte Innenfläche 18 und eine vom Auge abgewandte Außenfläche 20 auf. Der Lichtleiter 16 ist für sichtbares Licht transparent, so dass der Benutzer durch den Lichtleiter 16 in Richtung einer Blickachse 22 hindurchblicken kann.
Das optische System 10 weist weiterhin eine Einkoppelanordnung 24 auf, die dazu dient, einen vom Quellbild des Bildgebers 12 ausgehenden Lichtstrahlengang 26 in den Lichtleiter 16 zwischen die Innenfläche 18 und die Außenfläche 20 einzukoppeln. Die Einkoppelanordnung 24 und der Lichtleiter 16 können miteinander monolithisch ausgebildet sein, d.h. zwischen der Einkoppelanordnung 24 und dem Lichtleiter 16 ist keine Grenzfläche und somit kein Luftspalt vorhanden. Die Einkoppelanordnung 24 dient außer zum Einkoppeln des vom Bildgeber 12 ausgehenden Lichtstrahlengangs 26 in den Lichtleiter 16 auch zum Kollimieren des vom Bildgeber 12 ausgehenden divergenten Lichtstrahlengangs 26.
In dem Lichtleiter 16 propagiert der über die Einkoppelanordnung 24 in den Lichtleiter 16 eingekoppelte Lichtstrahlengang 26 durch Reflexion an der Innenfläche 18 und der Außenfläche 20. Die Reflexion des Lichtstrahlengangs 26 beruht dabei auf einer Totalreflexion des Lichtstrahlengangs 26 an der Innenfläche 18 und der Außenfläche 20 des Lichtleiters 16. Der Lichtstrahlengang 16 propagiert in dem Lichtleiter 16 nach einer oder mehreren Reflexionen an der Innenfläche 18 bzw. der Außenfläche 20 (in 1 ist zur Vereinfachung nur eine Reflexion an der Innenfläche 18 gezeigt) zu einer Auskoppelanordnung 28. Die Auskoppelanordnung 28 hat die Funktion, den Lichtstrahlengang 26 aus dem Lichtleiter 16 zum Auge 14 des Benutzers hin auszukoppeln, wodurch der Benutzer ein virtuelles Bild des über das System 10 abgebildeten Quellbildes wahrnehmen kann.
Die optische Abbildungsqualität des erzeugten virtuellen Bildes hängt aufgrund der Lage der Auskoppelanordnung 28 nahe zur Austrittspupille des optischen Systems und zur Pupille des Auges 14 sehr stark von der Oberflächentreue und -qualität der Auskoppelanordnung 28 ab.
In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Auskoppelanordnung 28 als Freiform-Fresnel-Fläche mit einer Mehrzahl von Fresnel-Segmenten 28a ausgebildet, die sägezahnartig ausgebildet sind. In 1 sind beispielhaft sieben Segmente gezeigt. Die Fresnel-Segmente sind so orientiert, dass ein auf das jeweilige Fresnel-Segment (Facette) 28a auftreffender Nullstrahl des Lichtstrahlengangs 26 in Richtung auf die Innenfläche 18 des Lichtleiters 16 reflektiert wird, von wo er in das Auge 14 des Benutzers eintritt. Lichtstrahlenbündel, die aus der Umgebung durch die Außenfläche 20 in die Auskoppelanordnung 28 einfallen, werden von dieser möglichst durchgelassen, um so beim Benutzer des optischen Systems 10 den Eindruck zu erwecken, dass von dem Quellbild des Bildgebers 12 erzeugte virtuelle Bild schwebe in der Umgebung.
1A zeigt eine Draufsicht auf die gesamte Fläche 29 der Auskoppelanordnung 28 in Alleinstellung und in einem gegenüber 1 vergrößerten Maßstab. In dem gezeigten Beispiel weist die Auskoppelanordnung 28 sieben Fresnel-Segmente 28a-28g auf. Die Fresnel-Segmente 28a-28g bilden die Fläche 29 der Auskoppelanordnung 28, die von dem in dem Lichtleiter 16 von der Einkoppelanordnung 24 zur Auskoppelanordnung 28 propagierenden Lichtstrahlengang 26 beaufschlagt wird. Bei herkömmlichen optischen Systemen wird die gesamte Fläche 29, wie sie beispielsweise in 1A dargestellt ist, zur Auskopplung des Lichtstrahlengangs 26 in das Auge 14 des Benutzers genutzt. Dies hat jedoch Nachteile hinsichtlich der Abbildungsqualität des optischen Systems 10, die sich in einem Kontrastverlust, in der Entstehung von Doppelbildern (Geistbilder) und anderen Fehlern äußern. Mit Bezug auf 2 wird dies nachfolgend beispielhaft erläutert.
2 zeigt einen Ausschnitt aus dem Lichtleiter 16 im Bereich der Auskoppelanordnung 28, von der zwei aufeinanderfolgende Fresnel-Segmente 28_i und 28_i+1 gezeigt sind. Weiterhin zeigt 2 den Lichtstrahlengang 26, der in dem Lichtleiter 16 propagiert. Ein mit 26a bezeichnetes Lichtstrahlenbündel des Lichtstrahlengangs 26 verläuft an dem Fresnel-Segment 28_i vorbei, trifft auf eine lange Flanke 34 des Fresnel-Segments 28_i+1 und wird von dort aufgrund der Teiltransparenz der Auskoppelanordnung 28 teilweise reflektiert, wie mit einem Lichtstrahlenbündel 26b gezeigt ist, und tritt teilweise in das Fresnel-Segment 28_i+1 ein, wie mit einem Lichtstrahlenbündel 26c gezeigt ist. Das Lichtstrahlenbündel 26b wird entsprechend von dem Fresnel-Segment 28_i+1 aus dem Lichtleiter 16 in Richtung zum Auge des Benutzers (nicht gezeigt) ausgekoppelt. Das Lichtstrahlenbündel 26b ist ein Solllichtstrahlenbündel, das für die Abbildung des Quellbildes zum Erzeugen des virtuellen Bildes im Auge des Benutzers benötigt und genutzt wird. 2 zeigt weiterhin ein Lichtstrahlenbündel 26d des Lichtstrahlengangs 26, das im Unterschied zu dem Lichtstrahlenbündel 26a zunächst durch das Fresnel-Segment 28_i, genauer gesagt durch eine lange Flanke 30 und eine kurze Flanke 32 desselben, hindurchtritt und nach dem Durchtritt auf die lange Flanke 34 des Fresnel-Segments 28_i+1 trifft. Von dort wird es teilweise reflektiert, wie mit einem Lichtstrahlenbündel 26e gezeigt ist, und teilweise transmittiert, wie mit einem Lichtstrahlenbündel 26f gezeigt ist. Das Lichtstrahlenbündel 26d trifft auf das Fresnel-Segment 28_i+1 in einem Bereich 36 auf dasselbe, der eigentlich im Schatten des Fresnel-Segments 28_i liegt. Das in dem Schattenbereich 36 reflektierte Lichtstrahlenbündel 26e, das von dem Fresnel-Segment 28_i+1 aus dem Lichtleiter 16 in das Auge des Benutzers ausgekoppelt wird, stellt Falsch- oder Störlicht dar, das nicht zur ordentlichen Abbildung des Quellbildes zum Erzeugen des virtuellen Bildes beiträgt, sondern vielmehr die Abbildungsqualität durch Erzeugung eines Doppelbildes stört. Dass das Lichtstrahlenbündel 26e nicht zur ordnungsgemäßen Abbildung beitragen kann, liegt u.a. daran, dass es einen zusätzlichen Durchtritt durch das Fresnel-Segment 28_i erfahren hat. Außerdem können beim Durchtritt an den Flanken 30 und 32 Mehrfachreflexionen auftreten, die die Abbildungsqualität verringern. Zusätzlich kann die Abbildungsqualität noch weiter verschlechtert werden, wenn aufgrund von Fertigungstoleranzen der Fresnel-Segmente 28_i und 28_i+1 von der Sollgeometrie abweichen, beispielsweise durch Verrundungen der Fresnel-Segmente 28_i, wie mit einer unterbrochenen Linie 38 in dem Fresnel-Segment 28_i angedeutet ist. Solche Geometriefehler führen zu einer weiteren Verschlechterung der Abbildungsqualität.
Bei der Auslegung der Abbildungsparameter der Auskoppelanordnung ist ein Durchtritt des Lichtstrahlengangs 26 durch die Flanken der Segmente und anschließende Auskopplung zum Auge 14 des Benutzers hin typischerweise nicht berücksichtigt und ist daher unerwünscht. Andererseits ist eine gewisse Transparenz der Auskoppelanordnung für die See-Through-Funktion erforderlich.
Zur Vermeidung der vorstehend genannten Probleme ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die vom Lichtstrahlengang 26 beaufschlagte Fläche 29 der Auskoppelanordnung 28, wie sie beispielsweise in 1A gezeigt ist, nicht wie im Stand der Technik vollständig (teil-)verspiegelt ist, so dass eine Auskopplung des Lichtstrahlengangs 26 über die gesamte Fläche 29 der Auskoppelanordnung 28 aus dem Lichtleiter 16 erfolgt, sondern nur bereichsweise in vorbestimmten Teilbereichen der Fläche 29. Dies wird dadurch erreicht, dass die vom Lichtstrahlengang 26 beaufschlagte Fläche der Auskoppelanordnung 28 in vorbestimmten Bereichen so oberflächenbehandelt ist, dass der Lichtstrahlengang 26 von ersten Teilbereichen der vom Lichtstrahlengang 26 beaufschlagten Fläche 29 der Auskoppelanordnung aus dem Lichtleiter 16 zum Auge 14 hin ausgekoppelt wird, während der Lichtstrahlengang 26 in von den ersten Teilbereichen verschiedenen zweiten Teilbereichen der vom Lichtstrahlengang beaufschlagten Fläche 29 der Auskoppelanordnung nicht oder allenfalls mit verringerter Intensität aus dem Lichtleiter 16 zum Auge 14 hin ausgekoppelt wird. Dies wird mit Bezug auf die 3 bis 7 nachfolgend beschrieben.
3 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem eine Auskopplung des Lichtstrahlengangs 26 aus dem Lichtleiter 16 zum Auge 14 des Benutzers hin (siehe 1) hin lediglich über erste Teilbereiche 42, 44, 46 von hier drei dargestellten Fresnel-Segmenten 28a, b und c erfolgt, während der Lichtstrahlengang 26 in zweiten Teilbereichen 48a, 48b (Fresnel-Segment 28c), 50a, 50b (Fresnel-Segment 28b) und 52a, 52c (Fresnel-Segment 28a) nicht aus dem Lichtleiter 16 zum Auge 14 des Benutzers hin ausgekoppelt wird. Die ersten Teilbereiche 42, 44, 46 sind hierzu mit einer reflektierenden Schicht versehen, die eine Reflektivität im Bereich von 1 % bis 100 % aufweisen kann. Die ersten Teilbereiche 42, 44, 46 sind anhand eines vorangehenden Messprozesses, der ein geeignetes Messverfahren umfasst, bestimmt worden. Die ersten Teilbereiche 42, 44, 46 werden anhand der Mindestanforderungen an Oberflächenqualität, Formtreue und anderen für die Abbildungsqualität relevanten Parametern ermittelt. Geeignete Messverfahren sind beispielsweise gängige Messverfahren für taktile und berührungslose Formmessung, wie beispielsweise Profilometrie, Weißlichtinterferometrie, chromatisch-konfokale Messverfahren.
Die zweiten Teilbereiche 48a, 48b, 50a, 50b, 52a und 52b werden dagegen nicht mit einer reflektierenden Schicht versehen. Es versteht sich, dass unter einer reflektierenden Schicht nicht nur eine Einzelschicht zu verstehen ist, sondern auch ein Schichtaufbau aus mehreren Einzelschichten.
Die zweiten Teilbereiche 48a, 48b, 50a, 50b, 52a, 52b können zusätzlich oder alternativ zum Aufbringen einer reflektierenden Schicht auf die ersten Teilbereiche 42, 44, 46 mit einer Brechungsindex-angepassten Schicht versehen sein, die in den zweiten Teilbereichen eine Reflexion des Lichtstrahlengangs 26 zum Auge 14 hin zumindest verringert und/oder eine Auskopplung des Lichtstrahlengangs 26 aus dem Lichtleiter 16 in Richtung vom Auge weg bewirkt, wie in 3 mit Lichtstrahlenbündeln 26t gezeigt ist.
Die Brechungsindex-angepasste Schicht in den zweiten Teilbereichen kann auch dadurch gebildet sein, dass die Fresnel-Segmente 28a, b, c auf ihrer dem Auge 14 abgewandten Seite mit einem transparenten Brechungsindex-angepassten Material aufgefüllt werden, wie für ein dem Fresnel-Segment 28 benachbartes Segment mit einem schraffierten Bereich 59 gezeigt ist.
Wie in 3 gezeigt, sind die ersten Teilbereiche 42, 44, 46 jeweils ein Bereich der jeweiligen langen Flanke der Fresnel-Segmente 28a, 28b, 28c, der außerhalb eines jeweiligen Schattenbereichs (siehe Schattenbereich 36 in 2 oder Schattenbereiche 63 bspw. in 4) eines benachbarten Fresnel-Segments liegt.
Demgegenüber sind die Schattenbereiche der Fresnel-Segmente nicht mit der reflektierenden Schicht versehen, sondern bilden die zweiten Teilbereiche 48b, 50b, 52b.
4 bis 7 zeigen Ausführungsbeispiele der vom Lichtstrahlengang 26 beaufschlagten Fläche 29 der Auskoppelanordnung 28 mit selektiv reflektierend beschichteten ersten Teilbereichen 60 und nicht reflektierend beschichteten zweiten Teilbereichen 62. In 4 bis 7 sind die ersten Teilbereiche 60 der Fläche der Auskoppelanordnung 28, an denen die Auskopplung des Lichtstrahlengangs 26 zum Auge 14 des Benutzers hin stattfindet, durch schraffierte Felder gezeigt. Die zweiten Teilbereiche 62 sind als weiße Flächen gezeigt. Das Ausführungsbeispiel in 4 entspricht dem Ausführungsbeispiel in 3 in einer zweidimensionalen Darstellung. 5 bis 7 zeigen alternative Ausführungsbeispiele für erste Teilbereiche, an denen eine Auskopplung des Lichtstrahlengangs 26 zum Auge 14 des Benutzers hin erfolgt. In den ersten Teilbereichen kann wie zuvor beschrieben eine reflektierende Schicht vorhanden sein. In den übrigen, weiß gezeigten Teilbereichen (zweite Teilbereiche) der Fläche der Auskoppelanordnung 28 findet keine Auskopplung des Lichtstrahlengangs 26 zum Auge 14 des Benutzers hin statt. In diesen Bereichen können Lichtanteile des Lichtstrahlengangs 26 insbesondere durch Transmission bzw. Auskopplung in Richtung vom Auge 14 des Benutzers weg unschädlich gemacht werden, so dass aus diesen zweiten Teilbereichen kein Falsch- oder Störlicht zum Auge 14 des Benutzers hin gelangt. In 4 bis 7 sind Schattenbereiche benachbarter Fresnel-Segmente ebenfalls schraffiert dargestellt und mit dem Bezugszeichen 63 versehen.
In 8 ist in einem Flussdiagramm ein Verfahren zum Herstellen einer Auskoppelanordnung 28 gezeigt.
In einem Schritt S1 wird die Fläche 29 der Auskoppelanordnung 28 vermessen und/oder es werden geeignete Muster aufgenommen. In einem Schritt S2 werden die ersten Teilbereiche der Fläche der Auskoppelanordnung 28, die für die Auskopplung des Lichtstrahlengangs 26 aus dem Lichtleiter 16 in Richtung zum Auge hin für eine Abbildung des Quellbildes geeignet sind, bestimmt. Die Bestimmung der ersten Teilbereiche kann durch geeignete Messverfahren durchgeführt werden, wie sie beispielhaft oben angegeben sind. In einem Schritt S3a wird eine Maske hergestellt, z.B. in einem Laserschneid-, Ätz- oder in einem anderen Verfahren. Alternativ oder kumulativ zu dem Schritt S3a werden in einem Schritt S3b lokale Haftbedingungen für eine spätere Beschichtung der ersten Teilbereiche hergestellt. In einem Schritt S4 werden die im Schritt S2 bestimmten ersten Teilbereiche der Fläche 29 mit einer reflektierenden Schicht versehen.
Der Schritt S2 kann zusätzlich oder alternativ eine Bestimmung zweiter Teilbereiche umfassen, die für die Auskopplung des Lichtstrahlengangs 26 aus dem Lichtleiter 16 zum Auge 14 des Benutzers hin nicht geeignet sind. Im Schritt S4 können die zweiten Teilbereiche mit einer Brechungsindex-angepassten Schicht versehen werden, die die Reflexion des Lichtstrahlengangs 26 an den zweiten Teilbereichen reduziert oder verhindert und/oder eine Auskopplung des Lichtstrahlengangs 26 in Richtung vom Auge 14 des Benutzers weg begünstigt. Wie oben beschrieben können die Segmente auf ihrer Außenseite dazu mit einem transparenten Material aufgefüllt werden. Die Brechungsindex-angepasste Schicht kann dabei auch die reflektierende Beschichtung der ersten Teilbereiche 42, 44, 46, 60 überdecken.
Es versteht sich, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die Ausgestaltung der Auskoppelanordnung 28 mit Fresnel-Segmenten beschränkt ist, sondern auch auf nicht segmentierte Auskoppelanordnungen anwendbar ist, seien es reflektive, diffraktive oder refraktive Auskoppeloptiken. Auch bei nicht segmentierten Auskoppelanordnungen werden Teilbereiche der vom Lichtstrahlengang 26 beaufschlagten Fläche der Auskoppelanordnung bestimmt, und durch eine Oberflächenbehandlung der Fläche wie oben beschrieben wird erreicht, dass eine Auskopplung des Lichtstrahlengangs 16 zum Auge 14 des Benutzers hin nur in den bestimmten Teilbereichen erfolgt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2016/102190 A1 [0003]

Claims

Optisches System zum Erzeugen eines virtuellen Bildes von einem auf einem Bildgeber (12) bereitgestellten Quellbild, mit zumindest einem vor einem Auge (14) zu tragenden Lichtleiter (16), einer Einkoppelanordnung (24) zum Einkoppeln eines vom Quellbild ausgehenden Lichtstrahlengangs (26) in den Lichtleiter (16), einer Auskoppelanordnung (28) zum Auskoppeln des Lichtstrahlengangs (26) aus dem Lichtleiter (16) zum Auge (14) hin, wobei die Einkoppelanordnung (24) den Lichtstrahlengang (26) derart in den Lichtleiter (16) einkoppelt, dass der Lichtstrahlengang (26) in dem Lichtleiter (16) durch Reflexion an einer Innen- und/oder Außenfläche (18, 20) des Lichtleiters (16) zur Auskoppelanordnung (28) propagiert, wobei die Auskoppelanordnung (28) eine Fläche (29) aufweist, die von dem in dem Lichtleiter (16) zur Auskoppelanordnung (28) propagierenden Lichtstrahlengang (26) beaufschlagt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die vom Lichtstrahlengang (26) beaufschlagte Fläche (29) der Auskoppelanordnung (28) derart oberflächenbehandelt ist, dass der Lichtstrahlengang (26) von ersten Teilbereichen (42, 44, 46; 60) der Fläche (29) der Auskoppelanordnung (28) aus dem Lichtleiter (16) zum Auge hin ausgekoppelt wird, während er in von den ersten Teilbereichen verschiedenen zweiten Teilbereichen (48a, 48b, 50a, 50b, 52a, 52b; 62) der Fläche (29) der Auskoppelanordnung (28) nicht oder allenfalls mit verringerter Intensität aus dem Lichtleiter (16) zum Auge (14) hin ausgekoppelt wird.
System nach Anspruch 1, wobei die ersten Teilbereiche (42, 44, 46; 60) mit einer reflektierenden Schicht oberflächenbehandelt sind.
System nach Anspruch 2, wobei die reflektierende Schicht eine Reflektivität von 1 % bis 100 % aufweist.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die zweiten Teilbereiche (48a, 48b, 50a, 50b, 52a, 52b; 62) mit einer Brechungsindex-angepassten Schicht oberflächenbehandelt sind, wobei die Brechungsindex-angepasste Schicht in den zweiten Teilbereichen (48a, 48b, 50a, 50b, 52a, 52b; 62) eine Reflexion des Lichtstrahlengangs (26) zum Auge hin zumindest verringert und/oder eine Auskopplung des Lichtstrahlengangs (26) aus dem Lichtleiter in Richtung vom Auge weg bewirkt.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Auskoppelanordnung (28) mehrere Fresnel-Segmente (28a-28g) aufweist.
System nach Anspruch 5, wobei die ersten Teilbereiche (42, 44, 46; 60) jeweils ein Bereich eines Fresnel-Segments (28_i+1) sind, der außerhalb eines Schattenwurfs eines benachbarten Fresnel-Segments (28i) liegt.
System nach Anspruch 5 oder 6, wobei die zweiten Teilbereiche (48a, 48b, 50a, 50b, 52a, 52b; 62) jeweils zumindest ein Bereich (36) eines Fresnel-Segments (28_i+1) sind, der innerhalb eines Schattenwurfs eines benachbarten Fresnel-Segments (28_i) liegt.
Verfahren zum Herstellen einer Auskoppelanordnung (28) eines optischen Systems (10) zum Erzeugen eines virtuellen Bildes von einem auf einem Bildgeber bereitgestellten Quellbild, wobei das Verfahren aufweist: Bestimmen von ersten Teilbereichen (42, 44, 46; 60) der Fläche (29) der Auskoppelanordnung (28), die für die Auskopplung eines von dem Quellbild kommenden und in einem Lichtleiter (16) propagierenden Lichtstrahlengangs (26) aus dem Lichtleiter (16) zum Auge (14) eines Benutzers hin für eine Abbildung des Quellbildes geeignet sind, Oberflächenbehandeln der Fläche (29) der Auskoppelanordnung (28) derart, dass der Lichtstrahlengang (26) von den ersten Teilbereichen (42, 44, 46; 60) aus dem Lichtleiter (16) zum Auge (14) des Benutzers hin ausgekoppelt wird, während er in von den ersten Teilbereichen (42, 44, 46; 60) verschiedenen zweiten Teilbereichen (48a, 48b, 50a, 50b, 52a, 52b; 62) der Fläche (29) der Auskoppelanordnung (28) nicht oder allenfalls mit verringerter Intensität aus dem Lichtleiter (16) zum Auge (14) hin ausgekoppelt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Oberflächenbehandeln der Fläche (29) der Auskoppelanordnung (28) ein Aufbringen einer reflektierenden Schicht auf die ersten Teilbereiche (42, 44, 46; 60) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Oberflächenbehandeln unter Verwendung einer Maske durchgeführt wird, die die zweiten Teilbereiche (48a, 48b, 50a, 50b, 52a, 52b; 62) während des Aufbringens der reflektierenden Schicht maskiert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei das Oberflächenbehandeln der Fläche (29) der Auskoppelanordnung (28) ein Aufbringen einer Brechungsindex-angepassten Schicht auf die zweiten Teilbereiche (48a, 48b, 50a, 50b, 52a, 52b; 62) aufweist.