WO2011039119A1 - Anzeigevorrichtung mit einer fresnel struktur - Google Patents

Anzeigevorrichtung mit einer fresnel struktur Download PDF

Info

Publication number
WO2011039119A1
WO2011039119A1 PCT/EP2010/064168 EP2010064168W WO2011039119A1 WO 2011039119 A1 WO2011039119 A1 WO 2011039119A1 EP 2010064168 W EP2010064168 W EP 2010064168W WO 2011039119 A1 WO2011039119 A1 WO 2011039119A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
display device
fresnel structure
fresnel
image
imaging
Prior art date
Application number
PCT/EP2010/064168
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jürgen DOBSCHAL
Karsten Lindig
Original Assignee
Carl Zeiss Ag
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Carl Zeiss Ag filed Critical Carl Zeiss Ag
Publication of WO2011039119A1 publication Critical patent/WO2011039119A1/de

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/017—Head mounted
    • G02B27/0172—Head mounted characterised by optical features
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B3/00—Simple or compound lenses
    • G02B3/02—Simple or compound lenses with non-spherical faces
    • G02B3/08—Simple or compound lenses with non-spherical faces with discontinuous faces, e.g. Fresnel lens
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/0149—Head-up displays characterised by mechanical features
    • G02B2027/015—Head-up displays characterised by mechanical features involving arrangement aiming to get less bulky devices
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/0149—Head-up displays characterised by mechanical features
    • G02B2027/0152—Head-up displays characterised by mechanical features involving arrangement aiming to get lighter or better balanced devices
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/08—Mirrors
    • G02B5/09—Multifaceted or polygonal mirrors, e.g. polygonal scanning mirrors; Fresnel mirrors

Definitions

  • the present invention relates to a display device having a holding device to be placed on a user's head, an image forming module attached to the holding device that forms an image, and an imaging optical system attached to the holding device having an optical element and placing the generated image in an upside down fashion State of the holding device so that it can be perceived by the user with at least one eye, wherein the display device is designed so that the user in the mounted on the head state of the holding device on perception of the image with the at least one eye not simultaneously with the environment which at least one eye can perceive.
  • the object is achieved in a display device of the type mentioned above in that the imaging optics comprises a Fresnel structure which causes at least one beam path convolution in the image and which has an imaging property.
  • the Fresnel structure is particularly designed so that the beam path folding and the imaging property is achieved purely refractive (and not diffractive).
  • the Fresnel structure can therefore also be called a refractive Fresnel structure.
  • the refractive design of the Fresnel structure is on the optical output from the imaging module Radiation related. In particular, it relates to optical radiation from the visible wavelength range (for example from about 380 to 780 nm).
  • the desired optical path folding as well as the desired imaging property can be provided in a space-optimized manner.
  • further optical elements can be saved, resulting in a compact design with low weight.
  • the Fresnel structure may be formed on a material interface of the optical element of the imaging optics. This allows a very compact design.
  • the optical element can be designed as a plano-convex lens.
  • the Fresnel structure is preferably formed on the plane side of the plano-convex lens. However, it can also be provided on the convex side.
  • the convex side of the plano-convex lens is preferably spherically curved. However, it may also have an aspherical curvature or other curvature.
  • a diffractive element may be formed when the Fresnel structure is provided on the plane side of the plano-convex lens.
  • the diffractive element may be designed for imaging and / or for color correction.
  • the optical element may have a front side and a rear side and in the imaging effect a second optical path convolution by means of total internal reflection at the front or rear side.
  • the Fresnel structure may also be formed in this case on the front and / or rear side.
  • the optical element has a plurality of Fresnel structures, each having a beam path convolution and an imaging property.
  • the Fresnel structure or the Fresnel structures can each have a reflective design.
  • the Fresnel structure may have a plurality of Fresnel segments, wherein the optically active facets of the Fresnel segments optically correspond to an imaginary optical effective surface which is curved.
  • the optical active surface can have no mirror symmetry and no rotational symmetry. In particular, the optical active surface can not have translational symmetry.
  • the maximum height of each facet is preferably the same size. Of course, the maximum facet heights can also vary.
  • the facet shape is preferably an approximation, in particular a linear approximation of the shape of the corresponding surface portion of the imaginary effective surface.
  • the facets can be concave or convex on average. Further, the Fresnel segments may be directly adjacent or spaced apart. Furthermore, the facets may have a reflective coating. It is also possible that the reflective effect on the facets is provided by total internal reflection.
  • the imaging optics can furthermore have a diffractive element which is designed so that a predetermined diffraction order (for example the +1 or -1 order of diffraction) has an imaging and / or color correcting effect.
  • a predetermined diffraction order for example the +1 or -1 order of diffraction
  • the diffractive element may be formed on a planar interface or on a curved interface.
  • the diffractive element may be formed at an interface of the optical element.
  • the image generated by the imaging module enters the optical element via an entrance surface.
  • the entrance area can be flat.
  • it is curved and has imaging properties, whereby a compact imaging optics can be provided.
  • the curvature can be spherical or aspherical.
  • the curved entrance surface has no mirror symmetry, no rotational symmetry and / or no translation symmetry.
  • the imaging optics can have only a single optical element.
  • the imaging module may be a self-luminous or non-self-luminous imaging module.
  • the imaging module it is possible for the imaging module to be designed as a tilting mirror matrix, as an LCD module, as an LCoS module or as an OLED module.
  • the optical element may have two opposing interfaces, wherein the one Fresnel structure is formed on a first of the interfaces and a second Fresnel structure, which causes a beam path folding in the imaging and has an imaging property, spaced at the first interface is formed by a Fresnel structure.
  • a Fresnel structure which causes a beam path folding in the imaging and has an imaging property, spaced at the first interface is formed by a Fresnel structure.
  • the beam path can be folded from the one Fresnel structure to the second Fresnel structure at the second interface. This can be effected for example by total internal reflection or by a normal reflection.
  • the beam path can enter the optical element via the second interface and in turn exit the optical element via the second interface. This also leads to a very compact display device.
  • the first interface may be curved. In particular, it may be spherically curved. However, any other curvature is possible.
  • the second interface may also be curved. It may be spherical, aspherical curved or may have some other curvature. In particular, it may be formed as a free-form surface which is neither spherically nor aspherically curved and preferably is neither rotationally symmetrical nor has any other mirror symmetry.
  • the second Fresnel structure may be formed as a refractive Fresnel structure in the same way as the one Fresnel structure.
  • the display device may have two imaging optics, one for each eye of the user.
  • the display device may have further, known in the art elements that are necessary for the operation of the display device.
  • Fig. 1 is a schematic plan view of a first embodiment of the display device according to the invention; an enlarged view of the imaging module 6 and the imaging optics 8 of FIG. 1; Fig. 3 is a perspective sectional view of the Fresnel structure 14 on the plan
  • FIG. 4 shows a perspective view of the imaginary optical active surface 18, which is realized by means of the Fresnel structure 14;
  • Fig. 5 is a plan view of the Fresnel structure 14 of Fig. 3;
  • Fig. 6 shows an xz section of the active surface 18
  • Fig. 7 is an enlarged view of the detail C of Fig. 6;
  • Fig. 8 - 1 different profile shapes of the Fresnel structure 14;
  • Fig. 12 is an enlarged view of the imaging optics 8 another
  • Fig. 13 is an enlarged view of the imaging optics 8 according to another
  • Embodiment; Fig. 14 is an enlarged view of an imaging optics 8 according to yet another
  • Fig. 15 is an enlarged view of an imaging optics 8 according to another
  • the display device 1 comprises a holding device 2 which can be placed on the head of a user and has a main body 3 and two lateral brackets 4, 5 connected to it.
  • the holding device 2 can be worn substantially like a conventional pair of glasses that the brackets 4 and 5 rest on the ears (not shown) of a user and the main body 3 with a not shown nose pad on a nose (not shown) of the user.
  • an image generation module 6, 7 and in each case one imaging optics 8, 9 are arranged for each eye LA, RA of the user.
  • the imaging modules 6, 7 and the imaging optics 8, 9 are thus connected to the holding device 2.
  • the main body is shown open in Fig. 1, so that in the plan view of Fig. 1, the imaging modules 6, 7 and the imaging optics 8, 9 are visible.
  • the main body 3 is preferably closed and has only a transparent outlet opening (not shown) for viewing the imaged image.
  • the imaging optics 7 comprises a spherical plano-convex lens 10 with a plane side 11 and a spherical side 12.
  • the imaging module 6 comprises an imaging element (here an OLED) which generates an image which is deflected and imaged by means of the plano-convex lens 10 in the mounted state of the holder 2 to the user's left eye LA so that the user enlarges the generated image as virtual Image can perceive.
  • an imaging element here an OLED
  • the display device 1 is designed so that in the mounted state of the holding device 2, the user can perceive only the virtual image and not the environment. This can e.g. be achieved in that except for an outlet opening for imaging the image produced by means of the plano-convex lens 10, the main body 3 is not transparent. Thus, a user sees only the image and not the environment.
  • a Fresnel structure 14 is formed on the flat side 11, which also has simultaneously imaging properties in addition to the deflection.
  • Fig. 3 is a section of the Fresnel structure 14 is shown in perspective, which comprises a plurality of Fresnel segments 15.
  • Each Fresnel segment 15 has an optically effective facet 16.
  • each Fresnel segment 15 still includes a flank 17, which extends here substantially perpendicular to the plane side 1 1.
  • the light incidence occurs from bottom to top (ie in the + z direction). Since the facets 16 are mirrored, the light is reflected downwards (in -z direction).
  • the combined optical effect of the facets 16 corresponds to an imaginary effective optical surface 18, as e.g. is shown in Fig. 4 (the illustration in Fig. 4 is rotated by 90 ° about the z-axis relative to the illustration in Fig. 3).
  • the imaginary optical active surface 18 can be implemented as a Fresnel structure 14 according to FIG. 3 as follows.
  • the active surface 18 is divided in the z direction into sections of equal height Ah. This results in cutting lines 19, which can also be referred to as contour lines, and each defining a surface portion 20 of the active surface 18.
  • the surface sections 20 are all shifted relative to one another in the z direction, so that the lower section line (those with the lower z value) and thus the lower edge of the facet 16 are at the same height (in the z direction). From the respective upper section line of the surface sections 20 and thus the upper edge of the facet 16, the vertical edge 17 is then guided to the lower section line of the directly adjacent surface section 20 to arrive at the stepped formation of the Fresnel structure 14 according to FIG. In the plan view in Fig. 5 of the Fresnel structure 14, the upper edges can be seen.
  • each surface section between two vertical lines is lowered to the height z 0 , as shown schematically by the arrow P1.
  • the flank 17 is added, which extends perpendicular to the height z 0 .
  • the flat base surface 22 may correspond, for example, to the flat side 1 1 of the plano-convex lens 10.
  • the surface z facet of the facets which can also be called a "felted" effective surface, is calculated according to the following formula 2
  • the active surface 18 is divided in the z direction at intervals with the same height Ah.
  • Ah the maximum height of the facets 16
  • the height Ah can be in the range of 5 - 500 ⁇ and is here (but does not have to) constant.
  • the modulo function used is given below a
  • Gaussian bracket denotes the largest integer less than or equal to the m
  • the number in the Gauss bracket is the result of the division a / m without the rest of the division. This results in the following formula for the facet surfaces
  • the corresponding Fresnel structure 14 can be derived, which provides the desired optical effect of the imaginary effective optical surface 18. Due to the step shape, although the Fresnel structure 14 does not achieve the identical optical effect, which would have a lens whose interface is formed according to the effective area 18, but a comparable optical effect is achieved.
  • the facets 16 have the curvatures predetermined by the effective area 18 in the height range Ah.
  • the Fresnel structure 14 it is possible to approximate the course of the individual facets 16 to the corresponding surface shape of the active surface 18.
  • the course can be linearized, as shown schematically in the sectional view of FIG. 8.
  • the facets can be provided with a convex curvature (FIG. 9) or a concave curvature (FIG. 10).
  • An approximation by a different curvature profile is possible, as indicated for example in Fig. 1 1.
  • an arbitrarily curved and oriented active surface 18 can be formed on the flat side 11 as a Fresnel structure 14 in order, for example, to allow a space-optimized design.
  • the tilting of the active surface 18 indicated by the balancing line 14 is integrated by the application of the modulo function in the facets 16 of the Fresnel segments 15, the desired space-optimized design can be realized.
  • the plano-convex lens 10 has a radially symmetrical diffractive element 23 on its convex side 12 in the region of the light entry of the light coming from the imaging module 6.
  • the diffractive element 23 is formed in the material interface of the spherical side 12 to the environment with a kinoform profile.
  • the diffractive surface 23 can be described with the following phase profile function ⁇ : where ⁇ 0 stands for the reference wavelength and D
  • the groove depth d of each profile section is
  • n 0 is the refractive index of the material for ⁇ 0 .
  • ⁇ 0 546.04 nm
  • the radius of the spherical surface 12 is 17.778 mm, and Zeonex was used as the material for the lens 10.
  • the position of the optical surfaces in the global coordinate system of the eye pupil which is denoted by F1 in FIG. 2, can be stated as follows, the x-axis extending perpendicular to the plane of the drawing into it.
  • a field of view or field of view is achieved with 32 ° in the diagonal with a round exit pupil with a diameter of 10 mm.
  • the display device 1 is designed for the visible wavelength range.
  • FIG. 12 shows a further embodiment of the display device according to the invention, wherein only the image generation module 6 and the imaging optics 8 are shown enlarged.
  • the imaging optics 8 comprises a first optical element 25 having a front side 26 and a back side 27 and a plate 28, the on its side facing the imaging module 6 side 29 has a diffractive element.
  • the side facing away from the imaging module 6 side 30 of the plate 28 is flat and has no further optical function.
  • the light of the imaging module 6 passes through the plate 28 and enters the first optical element 25 via the front side 26, is reflected on a first Fresnel structure 31 on the rear side 27, is soldered to the Reflected back side due to total internal reflection back to the back 27, which has a second Fresnel structure 32 in this area, so that the reflection towards the eye (exit pupil F1) takes place.
  • the position of the individual optical surfaces is indicated in the same way as in the first embodiment relative to the global coordinate system of the eye pupil.
  • the front side 26 can by the following formula he
  • the coefficients C j are given in Table 6 below.
  • the back 27 here has a spherical curvature.
  • the groove depth d of each profile section is where n 0 is the refractive index of the material for ⁇ 0 .
  • the coefficients D j can be found in Table 7 below.
  • the values of the coefficients C j are given in Table 9 below.
  • the coefficients C j are given in Table 10 below.
  • the field of view, the dimensions of the exit pupil and the spectral range are the same as in the embodiment described in connection with FIG. 12.
  • FIG. 14 shows a further embodiment in which the light of the imaging module 6 does not enter the first optical element 25 from the rear side 26 but via an upper side 33.
  • the positions of the optical surfaces in the global coordinate system of the eye pupil are analogous to the above Embodiments in the following Table 12 indicated.
  • the coefficients C j are given in Table 14 below.
  • the light enters via the top side 33, is reflected at the front side 26 by total internal reflection to the first Fresnel structure 31 on the back 27 and then from the first Fresnel structure 31 to the front side 26, over the light leaves the first optical element 25 and spreads to the user's eye.
  • Fig. 15 a further embodiment is shown, which is very similar to the embodiment of FIG. 13, wherein the same or similar elements are designated by the same reference numerals and reference is made to the description of the above statements.
  • the back 27 has a spherical curvature with a radius of 41, 56 mm and the front 26 is formed as a free-form surface, which is used twice in refraction and once in total internal reflection.
  • the first and second Fresnel structures 31, 32 are formed independently of each other and spaced apart on the back surface 27.
  • the two Fresnel structures 31 and 32 take over the deflection function as well as parts of the imaging function.
  • the second Fresnel structure 32 has a high deflection function, whereby an inclination of the base is not necessary and thus a very slim design is possible.
  • the carrier material used is Zeonex.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Lenses (AREA)

Abstract

Es wird bereitgestellt eine Anzeigevorrichtung mit einer auf den Kopf eines Benutzers aufsetzbaren Haltevorrichtung, einem an der Haltevorrichtung befestigten Bilderzeugungsmodul, das ein Bild erzeugt, und einer an der Haltevorrichtung befestigten Abbildungsoptik, die ein Optikelement aufweist und die das erzeugte Bild im auf den Kopf aufgesetzten Zustand der Haltevorrichtung so abbildet, daß es der Benutzer mit zumindest einem Auge wahrnehmen kann, wobei die Anzeigevorrichtung so ausgebildet ist, daß der Benutzer im auf den Kopf aufgesetzten Zustand der Haltevorrichtung bei Wahrnehmen des abgebildeten Bildes mit dem zumindest einem Auge nicht gleichzeitig die Umgebung mit dem zumindest einem Auge wahrnehmen kann, dadurch gekennzeichnet, daß die Abbildungsoptik eine Fresnel-Struktur umfaßt, die bei der Abbildung zumindest eine Strahlengangfaltung bewirkt und die eine abbildende Eigenschaft aufweist.

Description

ANZEIGEVORRICHTUNG MIT EINER FRESNEL STRUKTUR
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anzeigevorrichtung mit einer auf den Kopf eines Benutzers aufsetzbaren Haltevorrichtung, einem an der Haltevorrichtung befestigten Bilderzeugungsmodul, das ein Bild erzeugt, und einer an der Haltevorrichtung befestigten Abbildungsoptik, die ein Optikelement aufweist und die das erzeugte Bild im auf dem Kopf aufgesetzten Zustand der Haltevorrichtung so abbildet, daß es der Benutzer mit zumindest einem Auge wahrnehmen kann, wobei die Anzeigevorrichtung so ausgebildet ist, daß der Benutzer im auf dem Kopf aufgesetzten Zustand der Haltevorrichtung bei Wahrnehmen des abgebildeten Bildes mit dem zumindest einem Auge nicht gleichzeitig die Umgebung mit dem zumindest einem Auge wahrnehmen kann.
Bekannte Anzeigevorrichtungen benötigen einen relativ großen Bauraum für die Abbildungsoptik, um die Abbildung mit der gewünschten Qualität zu erzeugen. Nachdem die Anzeigevorrichtung auf dem Kopf des Benutzers aufgesetzt wird, besteht jedoch stetig der Bedarf, die Abmessungen und das Gewicht der Anzeigevorrichtung zu verringern.
Es sei daher Aufgabe der Erfindung, eine Anzeigevorrichtung der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß ihre Größe und ihr Gewicht verringert werden kann.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei einer Anzeigevorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Abbildungsoptik eine Fresnel-Struktur umfaßt, die bei der Abbildung zumindest einen Strahlengangfaltung bewirkt und die eine abbildende Eigenschaft aufweist.
Die Fresnel-Struktur ist insbesondere so ausgebildet, daß die Strahlengangfaltung und die abbildende Eigenschaft rein refraktiv (und nicht diffraktiv) erreicht wird. Die Fresnel-Struktur kann daher auch als refraktive Fresnel-Struktur bezeichnet werden. Natürlich ist die refraktive Ausbildung der Fresnel-Struktur auf die vom Bilderzeugungsmodul abgegebene optische Strahlung bezogen. Insbesondere ist sie auf optische Strahlung aus dem sichtbaren Wellenlängenbereich (z. B. von ca. 380 - 780nm) bezogen.
Durch den Einsatz einer Fresnel-Struktur kann bauraumoptimiert die gewünschte Strahlengangfaltung sowie die gewünschte abbildende Eigenschaft bereitgestellt werden. Insbesondere können weitere Optikelemente eingespart werden, was zu einem kompakten Design bei gleichzeitig geringem Gewicht führt.
Die Fresnel-Struktur kann an einer Materialgrenzfläche des Optikelementes der Abbildungsoptik ausgebildet sein. Dadurch wird ein äu ßerst kompaktes Design ermöglicht.
Das Optikelement kann als Plankonvexlinse ausgebildet sein. Die Fresnel-Struktur ist in diesem Fall bevorzugt auf der planen Seite der Plankonvexlinse ausgebildet. Sie kann jedoch auch an der konvexen Seite vorgesehen werden.
Die konvexe Seite der Plankonvexlinse ist bevorzugt sphärisch gekrümmt. Sie kann jedoch auch eine asphärische Krümmung oder eine sonstige Krümmung aufweisen.
Ferner kann auf der konvexen Seite ein diffraktives Element ausgebildet sein, wenn die Fresnel-Struktur auf der planen Seite der Plankonvexlinse vorgesehen ist. Das diffraktive Element kann zur Abbildung und/oder zur Farbkorrektur ausgelegt sein.
Ferner kann das Optikelement eine Vorderseite und eine Rückseite aufweisen und bei der Abbildung eine zweite Strahlengangfaltung mittels innerer Totalreflexion an der Vorder- oder Rückseite bewirken. Die Fresnel-Struktur kann in diesem Fall auch bevorzugt an der Vorder - und/oder Rückseite ausgebildet sein. Insbesondere ist es möglich, daß das Optikelement mehrere Fresnel-Strukturen aufweist, die jeweils eine Strahlengangfaltung sowie eine abbildende Eigenschaft aufweisen. Die Fresnel-Struktur bzw. die Fresnel-Strukturen können jeweils reflektiv ausgebildet sein.
Die Fresnel-Struktur kann mehrere Fresnel-Segmente aufweisen, wobei die optisch wirksamen Facetten der Fresnel-Segmente optisch einer gedachten optischen Wirkfläche entsprechen, die gekrümmt ist. Die optische Wirkfläche kann keine Spiegelsymmetrie sowie keine Rotationssymmetrie aufweisen. Insbesondere kann die optische Wirkfläche keine Translationssymmetrie aufweisen. Die maximale Höhe jeder Facette ist bevorzugt gleich groß. Natürlich können die maximalen Facettenhöhen auch variieren.
Die Facettenform ist bevorzugt eine Näherung, insbesondere eine lineare Näherung der Form des entsprechenden Flächenabschnitts der gedachten Wirkfläche.
Die Facetten können im Schnitt konkav oder konvex gekrümmt sein. Ferner können die Fresnel-Segmente direkt benachbart oder voneinander beabstandet sein. Des weiteren können die Facetten eine reflektive Beschichtung aufweisen. Auch ist es möglich, daß die reflektive Wirkung an den Facetten durch interne Totalreflexion bereitgestellt wird.
Die Abbildungsoptik kann ferner ein diffraktives Element aufweisen, das so ausgelegt ist, daß eine vorbestimmte Beugungsordnung (beispielsweise die +1 . oder die -1 . Beugungsordnung) abbildend und/oder farbkorrigierend wirkt.
Das diffraktive Element kann auf einer planen Grenzfläche oder auch auf einer gekrümmten Grenzfläche ausgebildet sein. Insbesondere kann das diffraktive Element an einer Grenzfläche des Optikelementes ausgebildet sein. Das vom Bilderzeugungsmodul erzeugte Bild tritt über eine Eintrittsfläche in das Optikelement ein. Die Eintrittsfläche kann plan sein . Bevorzugt ist sie jedoch gekrümmt und weist abbildende Eigenschaften auf, wodurch eine kompakte Abbildungsoptik bereitgestellt werden kann. Die Krümmung kann sphärisch oder asphärisch sein. Insbesondere ist es möglich, daß die gekrümmte Eintrittsfläche keine Spiegelsymmetrie, keine Rotationssymmetrie und/oder keine Translationssymmetrie aufweist.
Bei der erfindungsgemäßen Anzeigevorrichtung kann die Abbildungsoptik nur ein einziges Optikelement aufweisen . Das Bilderzeugungsmodul kann ein selbstleuchtendes oder nicht selbstleuchtendes Bilderzeugungsmodul sein. Insbesondere ist es möglich, daß das Bilderzeugungsmodul als Kippspiegelmatrix, als LCD-Modul, als LCoS-Modul oder als OLED-Modul ausgebildet ist.
Bei der erfindungsgemäßen Anzeigevorrichtung kann das Optikelement zwei gegenüberliegende Grenzflächen aufweisen, wobei die eine Fresnel-Struktur an einer ersten der Grenzflächen ausgebildet ist und eine zweite Fresnel-Struktur, die bei der Abbildung eine Strahlengangfaltung bewirkt und eine abbildende Eigenschaft aufweist, an der ersten Grenzfläche beabstandet von der einen Fresnel-Struktur ausgebildet ist. Damit kann eine äu ßerst kompakte Anzeigevorrichtung bereitgestellt werden, da beide Fresnel-Strukturen eine Abbildungsfunktion aufweisen und eine Strahlengangfaltung bewirken.
Insbesondere kann bei der Abbildung der Strahlengang von der einen Fresnel-Struktur zur zweiten Fresnel-Struktur an der zweiten Grenzfläche gefaltet sein. Dies kann beispielsweise durch innere Totalreflexion oder durch eine normale Reflexion bewirkt werden.
Ferner kann bei der Abbildung der Strahlengang über die zweite Grenzfläche in das Optikelement eintreten und wiederum über die zweite Grenzfläche aus dem Optikelement austreten . Auch dies führt zu einer äu ßerst kompakten Anzeigevorrichtung.
Die erste Grenzfläche kann gekrümmt ausgebildet sein. Insbesondere kann sie sphärisch gekrümmt sein. Es ist jedoch auch jede andere Krümmung möglich . Auch die zweite Grenzfläche kann gekrümmt ausgebildet sein. Sie kann sphärisch, asphärisch gekrümmt sein oder kann eine sonstige Krümmung aufweisen. Insbesondere kann sie als Freiformfläche ausgebildet sein, die weder sphärisch noch asphärisch gekrümmt ist und bevorzugt weder rotationssymmetrisch ist noch eine sonstige Spiegelsymmetrie aufweist. Die zweite Fresnel-Struktur kann in gleicher Weise wie die eine Fresnel-Struktur als refraktive Fresnel-Struktur ausgebildet sein.
Die Anzeigevorrichtung kann zwei Abbildungsoptiken aufweisen , eine für jedes Auge des Benutzers.
Ferner kann die Anzeigevorrichtung noch weitere, dem Fachmann bekannte Elemente aufweisen, die zum Betrieb der Anzeigevorrichtung 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 :
Fig. 1 eine schematische Draufsicht auf eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anzeigevorrichtung; eine vergrößerte Darstellung des Bilderzeugungsmoduls 6 sowie der Abbildungsoptik 8 von Fig. 1 ; Fig. 3 eine perspektivische Ausschnittsdarstellung der Fresnel-Struktur 14 auf der planen
Seite der Plankonvexlinse 10 von Fig. 2;
Fig. 4 eine perspektivische Darstellung der gedachten optischen Wirkfläche 18, die mittels der Fresnel-Struktur 14 verwirklicht wird;
Fig. 5 eine Draufsicht auf die Fresnel-Struktur 14 von Fig. 3;
Fig. 6 einen xz-Schnitt der Wirkfläche 18; Fig. 7 eine vergrößerte Darstellung des Details C von Fig. 6;
Fig. 8 - 1 1 verschiedene Profilformen der Fresnel-Struktur 14;
Fig. 12 eine vergrößerte Darstellung der Abbildungsoptik 8 einer weiteren
Ausführungsform ;
Fig. 13 eine vergrößerte Darstellung der Abbildungsoptik 8 gemäß einer weiteren
Ausführungsform ; Fig. 14 eine vergrößerte Darstellung einer Abbildungsoptik 8 gemäß einer noch weiteren
Ausführungsform, und
Fig. 15 eine vergrößerte Darstellung einer Abbildungsoptik 8 gemäß einer weiteren
Ausführungsform.
Bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform umfaßt die erfindungsgemäße Anzeigevorrichtung 1 eine auf dem Kopf eines Benutzers aufsetzbare Haltevorrichtung 2 mit einem Hauptkörper 3 und zwei damit verbundene seitliche Bügel 4, 5. Die Haltevorrichtung 2 kann im wesentlichen wie eine herkömmliche Brille getragen werden, so daß die Bügel 4 und 5 auf den Ohren (nicht gezeigt) eines Benutzers und der Hauptkörper 3 mit einer nicht gezeigten Nasenauflage auf einer Nase (nicht gezeigt) des Benutzers aufliegen. Im Hauptkörper 3 ist für jedes Auge LA, RA des Benutzers jeweils ein Bilderzeugungsmodul 6, 7 sowie jeweils eine Abbildungsoptik 8, 9 angeordnet. Die Bilderzeugungsmodule 6, 7 und die Abbildungsoptiken 8, 9 sind somit mit der Haltevorrichtung 2 verbunden. Da das Bilderzeugungsmodul 6 und die Abbildungsoptik 8 spiegelsymmetrisch ausgebildet sind zum Bilderzeugungsmodul 7 und der Abbildungsoptik 9 werden nachfolgend im Detail lediglich das Bilderzeugungsmodul 6 und die Abbildungsoptik 8 für das linke Auge LA des Benutzers im Detail beschrieben. Zur besseren Darstellung ist in Fig. 1 der Hauptkörper offen dargestellt, so daß in der Draufsicht von Fig. 1 die Bilderzeugungsmodule 6, 7 und die Abbildungsoptiken 8, 9 sichtbar sind. Natürlich ist der Hauptkörper 3 bevorzugt geschlossen ausgebildet und weist lediglich eine transparente Austrittsöffnung (nicht gezeigt) zur Betrachtung des abgebildeten Bildes auf.
Wie insbesondere der vergrößerten Darstellung in Fig. 2 zu entnehmen ist, umfaßt die Abbildungsoptik 7 eine sphärische Plankonvexlinse 10 mit einer planen Seite 1 1 und einer sphärischen Seite 12.
Das Bilderzeugungsmodul 6 umfaßt ein bilderzeugendes Element (hier ein OLED), das ein Bild erzeugt, das mittels der Plankonvexlinse 10 im aufgesetzten Zustand der Haltevorrichtung 2 so zum linken Auge LA des Benutzers umgelenkt und abgebildet wird, daß der Benutzer das erzeugte Bild vergrößert als virtuelles Bild wahrnehmen kann.
Die Anzeigevorrichtung 1 ist so ausgebildet, daß im aufgesetzten Zustand der Haltevorrichtung 2 der Benutzer nur das virtuelle Bild und nicht die Umgebung wahrnehmen kann. Dies kann z.B. dadurch erreicht werden, daß bis auf eine Austrittsöffnung zur Abbildung des erzeugten Bildes mittels der Plankonvexlinse 10 der Hauptkörper 3 nicht transparent ist. Somit sieht ein Benutzer nur das abgebildete Bild und nicht die Umgebung.
Um insbesondere die in Fig. 2 ersichtliche Strahlengangfaltung an der planen Seite 12 der Plankonvexlinse 10 zu bewirken, ist an der planen Seite 1 1 eine Fresnel-Struktur 14 ausgebildet, die neben der Umlenkung auch noch gleichzeitig abbildende Eigenschaften aufweist.
Das Grundprinzip der Ausbildung der Fresnel-Struktur 14 soll nachfolgend anhand der Fig. 3 bis 7 erläutert werden.
In Fig. 3 ist perspektivisch ein Ausschnitt der Fresnel-Struktur 14 dargestellt, die mehrere Fresnel-Segmente 15 umfaßt. Jedes Fresnel-Segment 15 weist eine optisch wirksame Facette 16 auf. Um die in Fig. 3 gezeigte Stufenform zu erzielen, umfaßt in der Regel jedes Fresnel-Segment 15 noch eine Flanke 17, die sich hier im wesentlichen senkrecht zur planen Seite 1 1 erstreckt.
Bei der in Fig. 3 gezeigten Darstellung erfolgt der Lichteinfall von unten nach oben (also in +z- Richtung). Da die Facetten 16 verspiegelt sind, wird das Licht nach unten (in -z-Richtung) reflektiert. Die gemeinsame optische Wirkung der Facetten 16 entspricht einer gedachten optischen Wirkfläche 18, wie sie z.B. in Fig. 4 gezeigt ist (die Darstellung in Fig. 4 ist um 90° um die z- Achse gegenüber der Darstellung in Fig. 3 gedreht). Die gedachte optische Wirkfläche 18 kann wie folgt als Fresnel-Struktur 14 gemäß Fig. 3 umgesetzt werden. Die Wirkfläche 18 wird in z-Richtung in Abschnitte gleicher Höhe Ah geteilt. Dadurch ergeben sich Schnittlinien 19, die auch als Höhenlinien bezeichnet werden können und die jeweils einen Flächenabschnitt 20 der Wirkfläche 18 begrenzen. Die Flächenabschnitte 20 werden in z- Richtung alle so zueinander verschoben, daß jeweils die untere Schnittlinie (die mit dem geringeren z-Wert) und somit der untere Rand der Facette 16 auf gleicher Höhe (in z-Richtung) liegen. Von der jeweiligen oberen Schnittlinie der Flächenabschnitte 20 und somit dem oberen Rand der Facette 16 wird dann die senkrechte Flanke 17 bis zur unteren Schnittlinie des direkt benachbarten Flächenabschnittes 20 geführt, um zu der gestuften Ausbildung der Fresnel- Struktur 14 gemäß Fig. 3 zu gelangen. In der Draufsicht in Fig. 5 der Fresnel-Struktur 14 sind die oberen Ränder zu sehen.
Die durchzuführenden Schritte, um von der gedachten optischen Wirkfläche 18 zur gewünschten Fresnel-Struktur 14 zu gelangen, werden nachfolgend in Verbindung mit Fig. 6 im Detail erläutert, in der ein xz-Schnitt einer gewünschten optischen Wirkfläche 18 gezeigt ist, die gegenüber der planen Seite 1 1 verkippt sein soll. Zur Verdeutlichung der Verkippung der optischen Wirkfläche 18 gegenüber der planen Seite 1 1 der Plankonvexlinse 10 ist eine Ausgleichsgerade 21 eingezeichnet. Der Verlauf der optischen Wirkfläche 18 entspricht hier nicht der tatsächlichen optischen Wirkfläche 18, die mit der Fresnel-Struktur 14 dargestellt wird, sondern wird zum besseren Verständnis des Grundprinzips zur Ausbildung der Fresnel-Struktur 14 mit einem recht willkürlichen Krümmungsverlauf dargestellt.
Die Schnittlinien gleicher Höhe verlaufen in der Darstellung von Fig. 6 waagerecht, die sich daraus in x-Richtung ergebende Ausdehnung Δχ für jedes Fresnel-Segment ist durch die senkrechten Linien verdeutlicht. Wie in der vergrößerten Darstellung des Details C in Fig. 7 ersichtlich ist, wird jeder Flächenabschnitt zwischen zwei senkrechten Linien auf die Höhe z0 abgesenkt, wie durch den Pfeil P1 schematisch dargestellt ist. Ferner wird noch auf einer der beiden Seiten (hier die rechte Seite) des Flächenelementes 20, sofern notwendig, die Flanke 17 hinzugefügt, die sich senkrecht bis zur Höhe z0 erstreckt. Auf der Höhe z0 liegt somit eine ebene Grundfläche 22, auf der die Fresnel-Struktur ausgebildet ist. Die ebene Grundfläche 22 kann z.B. der planen Seite 1 1 der Plankonvexlinse 10 entsprechen. Für die Fresnel-Struktur 14 läßt sich somit die nachfolgende Formel 1 aufstellen, wobei zF die Fresnel-Struktur 14, zGrUndfiäche die Flächenform der Grundfläche 22 (hier eine Ebene), auf der die Fresnel-Struktur 14 aufgebracht ist, und zFacette die Fresnel-Facetten 16 relativ zur Grundfläche 22 beschreibt:
Figure imgf000010_0001
Die Fläche zFacette der Facetten, die auch als "gefresnelte" Wirkfläche bezeichnet werden kann, berechnet sich nach der folgenden Formel 2
Z Facette = m°dul°(ZWirkfläche > h ) wobei die Wirkfläche 18 durch die nachfolgende Flächenformel zWirkfiäche beschrieben ist
Figure imgf000010_0002
mjt . = [(m + n)2 + m + 3n]
r = jx + y (jeweilige radiale Höhe); c = 1/R (Scheitelkrümmung); R (= Grundradius) und k = (konische Konstante).
Da hier c = 0 (bei R = unendlich) wird der Bruch in Formel 3 Null. Die Werte für m, n und Cj sind in der nachfolgenden Tabelle 1 angegeben, wobei nicht aufgeführte Koeffizienten Cj gleich Null sind. Tabelle 1 m n j
0 1 2 4.186759e-001
0 2 5 -1 .841067Θ-003
0 3 9 -1 .424659e-004
0 4 14 1 .958162Θ-005
0 5 20 -9.633915e-007
2 0 3 -6.325776e-003
2 1 7 -5.961417e-004
2 2 12 2.447620e-005
2 3 18 9.763953e-007
2 4 25 1 .91 1990Θ-007
4 0 10 3.238192e-005
4 1 16 1 .039681 e-006
4 2 23 3.812446e-007
Durch die Anwendung der Modulo-Funktion auf die Wirkfläche 18 wird die Wirkfläche 18 in z- Richtung in Abständen mit gleicher Höhe Ah geteilt. Somit ist die maximale Höhe der Facetten 16 jeweils Ah (hier z.B. 50 μιη). Die Höhe Ah kann im Bereich von 5 - 500 μιη liegen und ist hier (muß aber nicht) konstant. Die verwendete Modulo-Funktion ist nachfolgend angegeben a
modulo(a, m) = a— m (4), m a
wobei die Gaußklammer die größte ganze Zahl bezeichnet, die kleiner oder gleich der m
Zahl in der Gaußklammer ist, also das Ergebnis der Division a/m ohne den Rest der Division. Damit ergibt sich für die Facettenflächen die nachfolgende Formel
J Wirkfläche
^Facette modulo(z Wirkfläche , h) J Wirkfläche ■Ah (5).
Ah
Gemäß dem oben beschriebenen Vorgehen kann basierend auf einer gewünschten optischen Wirkfläche 18 die entsprechende Fresnel-Struktur 14 abgeleitet werden, die die gewünschte optische Wirkung der gedachten optischen Wirkfläche 18 bereitstellt. Aufgrund der Stufenform kann zwar mit der Fresnel-Struktur 14 nicht die identische optische Wirkung erreicht werden, die eine Linse hätte, deren Grenzfläche gemäß der Wirkfläche 18 ausgebildet ist, jedoch wird eine vergleichbare optische Wirkung erreicht.
Wie der Darstellung in Figuren 6 und 7 zu entnehmen ist, weisen die Facetten 1 6 die durch die Wirkfläche 18 im Höhenbereich Ah vorgegebenen Krümmungen auf. Um die Herstellung der Fresnel-Struktur 14 zu vereinfachen, ist es möglich , den Verlauf der einzelnen Facetten 16 an die entsprechende Flächenform der Wirkfläche 18 anzunähern.
Im einfachsten Falle kann der Verlauf linearisiert werden, wie in der Schnittansicht von Fig. 8 schematisch dargestellt ist. Es ist jedoch auch möglich, die Facetten mit einer konvexen Krümmung (Fig. 9) oder einer konkaven Krümmung (Fig. 1 0) zu versehen. Auch eine Näherung durch einen anderen Krümmungsverlauf ist möglich, wie dies beispielsweise in Fig. 1 1 angedeutet ist. Mit diesem erfindungsgemäßen Vorgehen kann eine beliebig gekrümmte und orientierte Wirkfläche 18 auf der planen Seite 1 1 als Fresnel-Struktur 14 ausgebildet werden, um beispielsweise ein bauraumoptimiertes Design zu ermöglichen.
Da bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel die durch die Ausgleichsgerade 14 angedeutete Verkippung der Wirkfläche 18 durch die Anwendung der Modulo-Funktion in die Facetten 16 der Fresnel-Segmente 15 integriert wird, kann das gewünschte bauraumoptimierte Design verwirklicht werden.
Neben der Fresnel-Struktur 14 auf der planen Seite 1 1 weist die Plankonvexlinse 10 auf ihrer konvexen Seite 12 im Bereich des Lichteintritts des vom Bilderzeugungsmodul 6 kommenden Lichtes ein radial symmetrisches diffraktives Element 23 auf. Das diffraktive Element 23 ist in der Materialgrenzfläche der sphärischen Seite 12 zur Umgebung mit einem Kinoform-Profil ausgebildet.
Die diffraktive Fläche 23 kann mit der nachfolgenden Phasenprofilfunktion φ beschrieben werden :
Figure imgf000012_0001
dabei steht λ0 für die Referenzwellenlänge und D| sind die Koeffizienten des Phasenpolynoms. Aus diesem Phasenpolynom läßt sich in bekannter Weise die räumliche Ausbildung des Kinoform-Profils des diffraktiven Elementes 23 ableiten. Die Furchentiefe d jedes Profilabschnittes beträgt
n0 -1 wobei n0 der Brechungsindex des Materials für λ0 ist. Bei der hier beschriebenen Ausführungsform hat sich gezeigt, daß es ausreichend war, die diffraktive Fläche mit den Koeffizienten D2 und D3 zu beschreiben. Diese sind wie folgt: D1 = 3,0778E-4
D2 = -1 ,1625E-5
D3 = 3,1213E-8
λ0 = 546,04 nm Der Radius der sphärischen Fläche 12 beträgt 17,778 mm und als Material für die Linse 10 wurde Zeonex verwendet.
Die Lage der optischen Flächen im globalen Koordinatensystem der Augenpupille, die in Figur 2 mit F1 bezeichnet ist, kann wie folgt angegeben werden, wobei die x-Achse sich senkrecht zur Zeichenebene in diese hineinerstreckt.
Figure imgf000013_0001
Mit einem solchen Aufbau wird ein Bildfeld bzw. Sichtfeld mit 32° in der Diagonalen bei einer runden Austrittspupille mit Durchmesser 10 mm erreicht. Die Anzeigevorrichtung 1 ist für den sichtbaren Wellenlängenbereich ausgelegt.
In Fig. 12 ist eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anzeigevorrichtung gezeigt, wobei lediglich das Bilderzeugungsmodul 6 und die Abbildungsoptik 8 vergrößert dargestellt sind.
Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 12 umfaßt die Abbildungsoptik 8 ein erstes Optikelement 25 mit einer Vorderseite 26 und einer Rückseite 27 sowie eine Platte 28, die auf ihrer dem Bilderzeugungsmodul 6 zugewandten Seite 29 ein diffraktives Element aufweist. Die dem Bilderzeugungsmodul 6 abgewandte Seite 30 der Platte 28 ist plan ausgebildet und weist keine weitere optische Funktion auf. Wie dem Strahlverlauf in Fig. 12 zu entnehmen ist, durchläuft das Licht des Bilderzeugungsmoduls 6 die Platte 28 und tritt über die Vorderseite 26 in das erste Optikelement 25 ein, wird an einer ersten Fresnel-Struktur 31 an der Rückseite 27 reflektiert, wird an der Vorderseite aufgrund interner Totalreflexion wiederum zur Rückseite 27 hinreflektiert, die in diesem Bereich eine zweite Fresnel-Struktur 32 aufweist, so daß die Reflexion hin zum Auge (Austrittspupille F1 ) erfolgt. Die Lage der einzelnen optischen Flächen wird in gleicher Weise wie bei der ersten Ausführungsform relativ zum globalen Koordinatensystem der Augenpupille angegeben.
Figure imgf000014_0001
Als Material für das erste Optikelement 25 und die Platte 28 wird Polycarbonat verwendet. Die Vorderseite 26 kann durch die folgende Formel er
z (x, y) = + £ C,x™ y"
1 + ^1- (l + k)c2r2] . mjt , = [(m + n)2 + m + 3n] + 1
3 2 beschrieben werden, wobei k = - 6,00541 , R = -34,81 6 und somit c = -0,028722. Die entsprechenden Werte für den Koeffizienten Cj sind in der nachfolgenden Tabelle 4 angegeben, wobei auch hier wieder gilt, daß alle nicht aufgeführten Koeffizienten Cj = 0 sind. Tabelle 4
m n j
0 1 3 -1 .143566Θ-002
0 2 6 1 .581844e-002
0 3 10 -2.662261 e-005
0 4 15 -3.577345e-005
0 5 21 -1 .084493e-007
2 0 4 -7.770017e-003
2 1 8 1 .092366e-003
2 2 13 -1 .181204e-004
2 3 19 2.3931 14e-006
2 4 26 -7.749935e-009
4 0 1 1 2.791648e-005
4 1 17 5.044015e-006
4 2 24 -1 .668954Θ-007
6 0 22 -1 .773138Θ-007
Für die zweite Fresnel-Struktur 32 wird die entsprechende Wirkfläche in gleicher Weise wie bei der bereits beschriebenen Ausführungsform wiederum durch die Formel 7 dargestellt, wobei R = -46,697 und k = 0. Die Koeffizienten Cj sind in der nachfolgenden Tabelle 5 angegeben.
Tabelle 5
m n j
0 1 2 3.842578e-001
0 2 5 3.871463e-003
0 3 9 -1 .710760e-004
0 4 14 2.064640e-006
0 5 20 -3.258384e-007
2 0 3 -5.684171 e-003
2 1 7 2.704405e-004
2 2 12 -1 .729514e-005
2 3 18 9.920498e-007
2 4 25 -7.337468e-008
4 0 10 1 .791672Θ-005
4 1 16 9.44821 Oe-007
4 2 23 2.244261 e-008 Auch die erste Fresnel-Struktur 31 kann wiederum mit der Formel 3 beschrieben werden, wobei R = - 46,697 und k = 0. Die Koeffizienten Cj sind in der nachfolgenden Tabelle 6 angegeben.
Tabelle 6
m n j
0 1 2 1 .227584e-001
0 2 5 -3.500205e-002
0 3 9 2.027008e-003
0 4 14 -5.439798e-005
0 5 20 -4.035688e-007
2 0 3 -1 .467681 e-002
2 1 7 -2.227917e-004
2 2 12 8.795256e-005
2 3 18 -6.467189e-006
2 4 25 8.632517e-008
4 0 10 -1 .268886Θ-005
4 1 16 2.317651 e-006
4 2 23 -9.157232e-008
Die Rückseite 27 weist hier eine sphärische Krümmung auf.
Das auf der Seite 29 der Platte 28 ausgebildete diffraktive Element kann mittels der nachfolgenden Formel beschrieben werden:
Figure imgf000016_0001
mjt . = [(m + n)2 + m + 3n]
J 2 dabei steht λ0 ( = 546,04 nm) für die Referenzwellenlänge und Dj sind die Koeffizienten des Phasenpolynoms. Aus diesem Phasenpolynom läßt sich in bekannter Weise die räumliche Ausbildung des Kinoform-Profils des diffraktiven Elementes auf der Seite 29 der Platte 28 ableiten. Die Furchentiefe d jedes Profilabschnittes beträgt wobei n0 der Brechungsindex des Materials für λ0 ist. Die Koeffizienten Dj lassen sich der nachfolgenden Tabelle 7 entnehmen.
Tabelle 7
m n j Dj
0 1 2 -3.713488e-002
0 2 5 -1 .079098e-002
0 3 9 4.653099e-004
0 4 14 -2.183863e-004
0 5 20 -9.896567e-005
2 0 3 -7.251021 e-003
2 1 7 -3.321858e-004
2 2 12 2.295776e-004
2 3 18 -1 .662871 e-005
4 0 10 1 .035477e-004
4 1 16 5.1 19248e-006 Es wird von einer Konstruktionswellenlänge von 546,07 nm ausgegeben, wobei die erste Beugungsordnung verwendet wird. Das Sichtfeld bei dieser Ausführungsform beträgt in der Diagonalen 32 ° mit einer Pupillengröße von 10,5 x 6,5 mm für den sichtbaren Wellenlängenbereich. In Fig. 13 ist eine weitere Ausführungsform gezeigt, die sich von der Ausführungsform von Fig. 12 im wesentlichen darin unterscheidet, daß keine Platte 28 mit einem diffraktiven Element vorgesehen ist. Ansonsten sind gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet und es wird zu deren Beschreibung auf die obigen Ausführungen verwiesen. Die Lage der optischen Flächen im globalen Koordinatensystem der Augenpupille (d.h. Koordinatensystem analog zu den bereits beschriebenen Ausführungsbeispielen) sind in der nachfolgenden Tabelle 8 angegeben.
Tabelle 8
Fläche y-Koord. z-Koord. Kippwinkel um x-Achse
F1 0.000 0.000 0.000
26 0.000 18.300 -4.064
32 U. 31 -0.400 23.933 -4.107
6 10.923 16.554 12.523 Die Vorderseite 26 läßt sich mit obiger Formel 7 beschreiben, wobei k = -9,959 und R = -32,921 betragen. Die Werte der Koeffizienten Cj sind in der nachfolgenden Tabelle 9 angegeben.
Tabelle 9
m n j
0 1 3 -8.993316e-002
0 2 6 1 .658630e-002
0 3 10 1 .968627e-004
0 4 15 -7.381 164e-005
0 5 21 4.425722e-007
2 0 4 -5.342832e-003
2 1 8 8.909126e-004
2 2 13 -1 .564509Θ-004
2 3 19 2.594020e-006
2 4 26 1 .286316Θ-007
4 0 1 1 -3.358249e-005
4 1 17 5.581704e-006
4 2 24 -1 .892731 e-007
6 0 22 -1 .058064Θ-007
Die Wirkfläche für die zweite Fresnel-Struktur 32 läßt sich wiederum mit Formel 7 beschreiben, wobei R = -41 ,562 und k = 0 beträgt. Die Koeffizienten Cj sind in der nachfolgenden Tabelle 10 angegeben.
Tabelle 10
m n j
0 1 2 3.607534e-001
0 2 5 3.485724e-003
0 3 9 -2.082023e-004
0 4 14 -4.607092e-006
0 5 20 9.154462e-008
2 0 3 -6.288461 e-003
2 1 7 2.019900e-004
2 2 12 -2.363295e-005
2 3 18 1 .347304e-006
4 0 10 3.228561 e-006
4 1 16 6.690907e-007 Die Wirkfläche für die erste Fresnel-Struktur 32 läßt sich wiederum mit Formel 3 beschreiben , wobei R = -41 ,562 und k = 0. beträgt. Die Koeffizienten Cj sind in der nachfolgenden Tabelle 1 1 angegeben.
Tabelle 1 1
m n j
0 1 2 2.828907e-001
0 2 5 -7.288314e-002
0 3 9 5.026031 e-003
0 4 14 -1 .505562Θ-004
2 0 3 -2.358960e-002
2 1 7 2.001451 e-003
2 2 12 -1 .054343e-004
4 0 10 1 .039554e-005
4 1 16 -2.533663e-006
Das Sichtfeld, die Abmessungen der Austrittspupille sowie der Spektralbereich sind gleich wie bei dem in Verbindung mit Fig. 12 beschriebenen Ausführungsbeispiel.
In Fig. 14 ist eine weitere Ausführungsform gezeigt, bei der das Licht des Bilderzeugungsmoduls 6 nicht von der Rückseite 26 in das erste Optikelement 25 eintritt, sondern über eine Oberseite 33. Die Lagen der optischen Flächen im globalen Koordinatensystem der Augenpupille sind analog zu den obigen Ausführungsbeispielen in der nachfolgenden Tabelle 12 angegeben.
Tabelle 12
Fläche Y-Koord. Z-Koord. Kippwinkel um x-Achse
F1 0.000 0.000 0.000
26 0.000 18.300 0.000
27 0.000 29.300 0.000
33 18.1 1 1 30.987 34.973
6 36.050 33.300 36.489
An der Rückseite 27 ist eine erste Fresnel-Struktur 31 vorgesehen, deren zugrundeliegende Wirkfläche wiederum mit der obigen Formel 3 beschrieben werden kann. Da der Radius der Rückseite 27 unendlich beträgt, ist der Bruch der Formel 3 Null. Daher werden in der nachfolgenden Tabelle 13 lediglich die Koeffizienten Cj angegeben.
Tabelle 13
m n j
0 1 2 5.196261 e-001
0 2 5 -2.594851 e-003
0 3 9 -6.176526e-006
0 4 14 1 .401924e-006
0 5 20 -2.153833e-007
2 0 3 -4.549238e-003
2 1 7 2.474725e-005
2 2 12 3.994617e-006
2 3 18 -1 .765439e-007
4 0 10 4.718723e-006
4 1 16 -3.1 13542e-008
Die Flächenform der Oberseite 33 kann wiederum mit der Formel 7 beschrieben werden, wobei R = 22,369 und k = 0 betragen. Die Koeffizienten Cj sind in der nachfolgenden Tabelle 14 angegeben.
Tabelle 14
m n j
0 1 3 2.924891 e-001
0 2 6 -1 .692345e-002
0 3 10 1 .1 1 7008Θ-003
0 4 15 -1 .683787e-004
0 5 21 7.459476e-006
2 0 4 -2.880193e-003
2 1 8 -1 .406995e-003
2 2 13 5.906888e-005
2 3 19 -2.782122e-006
2 4 26 3.070558e-007
4 0 1 1 2.099086e-005
4 1 17 1 .763213Θ-006
4 2 24 2.578195e-008
6 0 22 -1 .31 0485Θ-008 Vom Strahlverlauf ausgehend vom Bilderzeugungsmodul 6 tritt das Licht über die Oberseite 33 ein, wird an der Vorderseite 26 durch interne Totalreflexion zur ersten Fresnel-Struktur 31 an der Rückseite 27 reflektiert und dann von der ersten Fresnel-Struktur 31 zur Vorderseite 26 hin, über die das Licht das erste Optikelement 25 verläßt und bis zum Auge des Benutzers sich ausbreitet.
In Fig. 15 ist eine weitere Ausführungsform gezeigt, die sehr ähnlich zu der Ausführungsform gemäß Fig. 13 ist, wobei gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind und zu deren Beschreibung auf die obigen Ausführungen verwiesen wird.
Auch hier weist die Rückseite 27 eine sphärische Krümmung mit einem Radius von 41 ,56 mm auf und ist die Vorderseite 26 als Freiformfläche ausgebildet, die zweimal in Refraktion und einmal in innerer Totalreflexion verwendet wird.
Die erste und die zweite Fresnel-Struktur 31 , 32 sind voneinander unabhängig und voneinander beabstandet auf der Rückseite 27 ausgebildet. Die beiden Fresnel-Strukturen 31 und 32 übernehmen die Ablenkfunktion sowie Teile der Abbildungsfunktion. Insbesondere die zweite Fresnel-Struktur 32 besitzt eine hohe Ablenkfunktion, wodurch eine Schrägstellung der Grundfläche nicht nötig wird und somit eine sehr schlanke Bauform möglich ist. Die Dicke der Abbildungsoptik 8 kann beispielsweise kleiner als 6 mm gehalten werden.
Die Lage der einzelnen optischen Flächen sind in gleicher Weise wie beim Ausführungsbeispiel relativ zum globalen Koordinatensystem der Augenpupille nachfolgenden Tabelle 15 angegeben:
Tabelle 15 Fläche Y-Koord. [mm] Z-Koord. [mm] Kippwinkel um x-Achse Π
F1 0.00000 0.00000 0.0000
26 0.00000 18.30000 -4.0635
27 u.31 -0.40021 23.93352 -4.1071
6 10.92261 16.55447 12.5229
Als Trägermaterial wird Zeonex verwendet. Die als Freiformfläche ausgebildete Vorderseite 26 kann durch die obige Formel 7 beschrieben werden, wobei k= -9,9594 und R= 32,92 (mit c= 1/R) beträgt. Die Werte der Koeffizienten Cj sind in nachfolgender Tabelle 16 angegeben, wobei alle nicht aufgeführten Koeffizienten Cj= 0 sind:
Tabelle 16 m n j
0 1 3 -8.993316e-002
0 2 6 1 .658630e-002
0 3 10 1 .968627e-004
0 4 15 -7.381 164e-005
0 5 21 4.425722e-007
2 0 4 -5.342832e-003
2 1 8 8.909126e-004
2 2 13 -1 .564509Θ-004
2 3 19 2.594020e-006
2 4 26 1 .286316Θ-007
4 0 1 1 -3.358249e-005
4 1 17 5.581704e-006
4 2 24 -1 .892731 e-007
6 0 22 -1 .058064Θ-007
Für die erste und zweite Fresnel-Struktur 31 , 32 werden die entsprechenden Wirkflächen in gleicher Weise wie bei den bereits beschriebenen Ausführungsformen durch die Formel 7 dargestellt. Dabei betragen für die erste Fresnel-Struktur 31 k= 0 und R= 41 ,56 und sind die Werte für Cj in der üblichen Form in Tabelle 18 angegeben. Für die zweite Fresnel-Struktur 32 betragen k= 0 und R= 41 ,56 und sind die Werte für Cj in der Tabelle 17 angegeben. Tabelle 17
Figure imgf000023_0001
0 1 2 3.607534e-001
0 2 5 3.485724e-003
0 3 9 -2.082023e-004
0 4 14 -4.607092e-006
0 5 20 9.154462e-008
2 0 3 -6.288461 e-003
2 1 7 2.019900e-004
2 2 12 -2.363295e-005
2 3 18 1 .347304e-006
4 0 10 3.228561 e-006
4 1 16 6.690907e-007
Tabelle 18 m n j
0 1 2 2.828907e-001
0 2 5 -7.288314e-002
0 3 9 5.026031 e-003
0 4 14 -1 .505562Θ-004
2 0 3 -2.358960e-002
2 1 7 2.001451 e-003
2 2 12 -1 .054343e-004
4 0 10 1 .039554e-005
4 1 16 -2.533663e-006

Claims

Patentansprüche
1 . Anzeigevorrichtung mit
einer auf den Kopf eines Benutzers aufsetzbaren Haltevorrichtung (2),
einem an der Haltevorrichtung (2) befestigten Bilderzeugungsmodul (6, 7), das ein Bild erzeugt, und
einer an der Haltevorrichtung (2) befestigten Abbildungsoptik (8, 9), die ein Optikelement (10) aufweist und die das erzeugte Bild im auf den Kopf aufgesetzten Zustand der Haltevorrichtung (2) so abbildet, daß es der Benutzer mit zumindest einem Auge wahrnehmen kann, wobei die Anzeigevorrichtung so ausgebildet ist, daß der Benutzer im auf den Kopf aufgesetzten Zustand der Haltevorrichtung (2) bei Wahrnehmen des abgebildeten Bildes mit dem zumindest einem Auge nicht gleichzeitig die Umgebung mit dem zumindest einem Auge wahrnehmen kann,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Abbildungsoptik (8, 9) eine Fresnel-Struktur (14) umfaßt, die bei der Abbildung zumindest eine Strahlengangfaltung bewirkt und die eine abbildende Eigenschaft aufweist.
2. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Fresnel-Struktur (14) an einer Materialgrenzfläche des Optikelementes (10) der Abbildungsoptik (8, 9) ausgebildet ist.
3. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Optikelement (10) als Plankonvexlinse ausgebildet ist.
4. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Fresnel-Struktur (14) auf der planen Seite (1 1 ) der Plankonvexlinse (1 0) ausgebildet ist.
5. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Optikelement eine Vorderseite und eine Rückseite aufweist und bei der Abbildung eine zweite Strahlengangfaltung mittels interner Totalreflexion an der Vorder- oder Rückseite bewirkt.
6. Anzeigevorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fresnel-Struktur (14) reflektiv ausgebildet ist.
7. Anzeigevorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fresnel-Struktur (14) mehrere Fresnel-Segmente (15) aufweist, wobei die optisch wirksamen Facetten (16) der Fresnel-Segmente (15) optisch einer gedachten optischen Wirkfläche (18) entsprechen, die gekrümmt ist.
8. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Wirkfläche (18) keine Spiegel- oder Rotationssymmetrie aufweist.
9. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Wirkfläche (18) keine Translationssymmetrie aufweist.
10. Anzeigevorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die maximale Höhe (Ah) jeder Facette (16) gleich groß ist.
1 1 . Anzeigevorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Facettenform eine Näherung, insbesondere eine lineare Näherung der Form des entsprechenden Flächenabschnitts (20) der gedachten Wirkfläche (18) ist.
12. Anzeigevorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Facetten (16) im Schnitt konkav gekrümmt sind.
13. Anzeigevorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Facetten (16) im Schnitt konvex gekrümmt sind.
14. Anzeigevorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Fresnel-Segmente (15) direkt benachbart sind.
15. Anzeigevorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Fresnel-Segmente (15) voneinander beabstandet sind.
16. Anzeigevorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Optikelement (8) zwei gegenüberliegende Grenzflächen (26, 27) aufweist, wobei die eine Fresnel-Struktur (31 ) an einer ersten der Grenzflächen (26, 27) ausgebildet ist und eine zweite Fresnel-Struktur (12), die bei der Abbildung eine Strahlungsfaltung bewirkt und eine abbildende Eigenschaft aufweist, an der ersten Grenzfläche (27) beabstandet von der einen Fresnel- Struktur (31 ) ausgebildet ist.
17. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Abbildung der Strahlengang von der einen Fresnel-Struktur (31 ) zur zweiten Fresnel-Struktur (32) an der zweiten der Grenzflächen (26, 27) gefaltet ist.
18. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Abbildung der Strahlengang über die zweite der Grenzflächen (26, 27) in das Optikelement (8) eintritt und über die zweite Grenzfläche (26) aus dem Optikelement (8) austritt.
19. Anzeigevorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Grenzfläche (27) gekrümmt, insbesondere sphärisch gekrümmt ausgebildet ist.
20. Anzeigevorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite der Grenzflächen (26, 27) gekrümmt ausgebildet ist.
21 . Anzeigevorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fresnel-Struktur(en) (12, 31 ) als refraktive Fresnel-Struktur(en) (12, 31 ) ausgebildet ist/sind.
PCT/EP2010/064168 2009-09-29 2010-09-24 Anzeigevorrichtung mit einer fresnel struktur WO2011039119A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102009045128.5A DE102009045128B4 (de) 2009-09-29 2009-09-29 Anzeigevorrichtung
DE102009045128.5 2009-09-29

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2011039119A1 true WO2011039119A1 (de) 2011-04-07

Family

ID=43086392

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2010/064168 WO2011039119A1 (de) 2009-09-29 2010-09-24 Anzeigevorrichtung mit einer fresnel struktur

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102009045128B4 (de)
WO (1) WO2011039119A1 (de)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106019596A (zh) * 2016-06-21 2016-10-12 成都瀚德胜邦光学有限公司 一种用于虚拟现实显示设备的光学系统

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102013214700B4 (de) * 2013-07-26 2020-08-06 tooz technologies GmbH Brillenglas sowie Anzeigevorrichtung mit einem solchen Brillenglas
DE102020133924A1 (de) 2020-12-17 2022-06-23 Carl Zeiss Jena Gmbh Chiplabor-system mit funktionalisiertem wellenleiter

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5706137A (en) * 1992-09-22 1998-01-06 Kelly; Shawn L. Wide field of view imaging system
US6236511B1 (en) * 2000-03-20 2001-05-22 Rockwell Collins, Inc. Beam combining optical element
JP2003043361A (ja) * 2001-08-03 2003-02-13 Olympus Optical Co Ltd 偏心光学系及びそれを用いた投影表示装置
US20050041275A1 (en) * 2001-09-07 2005-02-24 Shuichi Kobayashi Scanning type image display optical system, scanning type image display apparatus, and image display system
US20090201589A1 (en) * 2007-09-10 2009-08-13 Microvision, Inc. Wide Field of View Head-Up Display System

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3827834A1 (de) * 1988-08-17 1990-02-22 Reitter & Schefenacker Kg Fresnellinse
US5224198A (en) * 1991-09-30 1993-06-29 Motorola, Inc. Waveguide virtual image display
US5369415A (en) * 1992-06-29 1994-11-29 Motorola, Inc. Direct retinal scan display with planar imager
DE202005003051U1 (de) * 2005-02-25 2005-05-19 Sick Ag Optoelektronische Sensoreinrichtung

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5706137A (en) * 1992-09-22 1998-01-06 Kelly; Shawn L. Wide field of view imaging system
US6236511B1 (en) * 2000-03-20 2001-05-22 Rockwell Collins, Inc. Beam combining optical element
JP2003043361A (ja) * 2001-08-03 2003-02-13 Olympus Optical Co Ltd 偏心光学系及びそれを用いた投影表示装置
US20050041275A1 (en) * 2001-09-07 2005-02-24 Shuichi Kobayashi Scanning type image display optical system, scanning type image display apparatus, and image display system
US20090201589A1 (en) * 2007-09-10 2009-08-13 Microvision, Inc. Wide Field of View Head-Up Display System

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106019596A (zh) * 2016-06-21 2016-10-12 成都瀚德胜邦光学有限公司 一种用于虚拟现实显示设备的光学系统
CN106019596B (zh) * 2016-06-21 2019-01-04 成都瀚德胜邦光学有限公司 一种用于虚拟现实显示设备的光学系统

Also Published As

Publication number Publication date
DE102009045128B4 (de) 2017-02-16
DE102009045128A1 (de) 2011-03-31

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102009010538B4 (de) Multifunktionsglas mit einer optisch wirksamen Fläche, die zumindest teilweise eine Fresnel-Struktur mit mehreren Fresnel-Segmenten aufweist, sowie Verfahren zur Herstellung eines solchen optischen Multifunktionsglases
DE102011007812B4 (de) Anzeigevorrichtung
EP2130083B1 (de) Optisches okularsystem
DE102009010537A1 (de) Strahlvereiniger und Strahlteiler
EP2329309A2 (de) Anzeigevorrichtung und anzeigeverfahren
DE102011007811B4 (de) Anzeigevorrichtung
EP3210068B1 (de) Abbildungsoptik und datenbrille
EP3237960B1 (de) Abbildungsoptik zum erzeugen eines virtuellen bildes und datenbrille
EP3704533A1 (de) Lichtleiter, abbildungsvorrichtung und hmd mit separaten abbildungskanälen
DE102010041349A1 (de) Anzeigevorrichtung
DE102014107938B4 (de) Anzeigevorrichtung
DE102010041343A1 (de) Anzeigevorrichtung
EP3132300B1 (de) Brillenglas für eine auf den kopf eines benutzers aufsetzbare und ein bild erzeugende anzeigevorrichtung
WO2008090001A1 (de) Rückprojektionsvorrichtung und verfahren für eine rückprojektionsvorrichtung
DE102015122131B3 (de) Brillenglas für eine auf den Kopf eines Benutzers aufsetzbare und ein Bild erzeugende Anzeigevorrichtung sowie Anzeigevorrichtung mit einem solchen Brillenglas
WO2011039119A1 (de) Anzeigevorrichtung mit einer fresnel struktur
DE102007046505B4 (de) Anzeigevorrichtung und Stereo-Anzeigemodul
DE102007036974B4 (de) HMD-Vorrichtung
DE102012216581A1 (de) Anzeigevorrichtung
DE102007046711B4 (de) Anzeigevorrichtung
DE102009045066B4 (de) Teleskop
DE102019108678A1 (de) Vorrichtung zur Energieversorgung eines aktiven Augenimplantats
DE102017101352A1 (de) Brillenglas für eine auf den Kopf eines Benutzers aufsetzbare und ein Bild erzeugende Anzeigevorrichtung

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 10770518

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 10770518

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1