WO2015011287A1 - Optisches element mit einer fresnel-struktur sowie anzeigevorrichtung mit einem solchen optischen element - Google Patents

Optisches element mit einer fresnel-struktur sowie anzeigevorrichtung mit einem solchen optischen element Download PDF

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WO2015011287A1
WO2015011287A1 PCT/EP2014/066111 EP2014066111W WO2015011287A1 WO 2015011287 A1 WO2015011287 A1 WO 2015011287A1 EP 2014066111 W EP2014066111 W EP 2014066111W WO 2015011287 A1 WO2015011287 A1 WO 2015011287A1
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WO
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optical element
facets
reflective
facet
element according
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PCT/EP2014/066111
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Christoph Menke
Wolfgang Singer
Norbert Kerwien
Eduard Schmidt
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Carl Zeiss Ag
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Publication date
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    • G02B27/017—Head mounted
    • G02B2027/0178—Eyeglass type

Definitions

  • Optical element with a Fresnel structure and display device with such an optical element
  • the present invention relates to an optical element having a Fresnel structure with a plurality of Fresnel segments, each Fresnel segment having an optically effective facet whose shape is part of a predetermined area.
  • Such an optical element is e.g. used in head-mounted display devices and is known from DE 10 2009 010 538 A1.
  • predetermined areas of the optically effective facets in their curvature progressions different. It is therefore not one and the same area, but each optically effective facet or the at least two optically effective facets are by another predetermined area (which differs in particular in their curvature from the other areas)
  • Image characteristic of the Fresnel structure can be improved.
  • monochromatic and polychromatic aberrations for example, monochromatic transverse errors resulting in smearings or
  • the predetermined areas may be spherical or aspherical surfaces and preferably have no mirror or rotational symmetry. Furthermore, they can not
  • the Fresnel structure is preferably formed at an interface of the optical element.
  • the interface of the optical element may be curved.
  • the optical element has a curved front side and a curved rear side.
  • the front and back can be spherically curved and in particular can be arranged concentrically.
  • the optical element may have a front side which connects the front and rear side, which is flat or curved.
  • the Fresnel structure according to the invention may be formed on the front side.
  • the optical element may be formed as a lens with refractive power zero or with a refractive power not equal to zero.
  • the Fresnel segments may be directly adjacent so that there is a coherent Fresnel structure.
  • the Fresnel structure preferably provides an optical imaging function.
  • the optically effective facets can cause a beam deflection by total internal reflection or by reflection.
  • they can be provided with a reflective coating.
  • the Fresnel segments can be filled with a material such that in the region of the Fresnel structure the same surface profile is present as adjacent thereto.
  • the optically effective facets of the optical element according to the invention can not be assembled into a continuous surface by a parallel offset, since the predetermined surfaces of the optically active facets differ in their curvature.
  • the optically active facets eg, due to parallel displacement
  • tilting or otherwise assembling does not allow the composite surface to be continuously differentiable.
  • this assembly is a proposed assembly that does not actually have to be performed.
  • One can computationally perform the composition if one has a corresponding surface description for each optically effective facet.
  • the area description can be determined, for example, by a suitable measurement.
  • Conventional Fresnel structures, in which the optically active facets are part of the same predetermined area, can be combined to form a continuously differentiable surface, in contrast to the Fresnel structure according to the invention.
  • the optical element may be formed of glass or plastic.
  • the optically effective facets are formed, for example, as patches. They can have a reflective coating.
  • the Fresnel structure in addition to the described formation of the Fresnel structure as a reflective structure, it can of course also be designed as a refractive structure.
  • the optically active facets can be arranged next to one another along a first direction and extend in a strip shape transversely to the first direction. Furthermore, it is possible for the optically active facets to be arranged alongside one another along a first direction and along a second direction extending transversely to the first direction.
  • the Fresnel structure can thus have arbitrarily juxtaposed facets.
  • the facets can be strip-shaped. They can also have any other shape. In particular, they may be formed as a polynomial having three, four, five or more corners, round, circular, etc. The more facets are provided, the more degrees of freedom for optimization are present and the better optical results can be achieved.
  • the Fresnel structure can be designed as a reflective Fresnel structure for deflecting light bundles incident along a direction of incidence on the Fresnel structure in an outflow direction, wherein the optically active facets are reflective and arranged next to one another and at least two immediately adjacent ones Facets each have a first reflective section and a have the second reflective portion, wherein the reflectivity of the first reflective portion is greater than the reflectivity of the second reflective portion and wherein viewed in the direction of incidence, the second reflective portion of a first reflective facet is located in front of the first reflective portion of the immediately adjacent reflective facet, so that the portion of the incident light beam transmitted from the second reflective portion of the first reflective facet strikes the first reflective portion of the immediately adjacent reflective facet to be deflected.
  • the deflected total light bundle which comprises all the deflected light bundles, has the most uniform possible brightness distribution.
  • the first portion of the facets may be only reflective or semi-transparent, and thus reflective as well as transmissive.
  • the second reflective portion of the reflective facets may each comprise a first region adjoining the first reflective portion and a second region adjoining the first region, the second region of the first facet being viewed in the direction of incidence the first area of the immediately adjacent facet. This allows a very homogeneous brightness distribution in the deflected
  • Total light beam can be achieved.
  • a light beam is thus deflected by three facets, namely the first reflective section of the first facet, the second reflective section of the second facet behind it, and the second section of the third facet located behind it.
  • the reflectivity of the first region may be greater than the reflectivity of the second region. This achieves a very good homogeneity of the brightness distribution in the deflected total light bundle.
  • the Fresnel structure may be formed as a buried Fresnel Strutkur.
  • an edge connecting two immediately adjacent facets may be transparent.
  • a display device with an optical element according to the invention (including its developments), one placed on the head of a user A holding device, an image forming module attached to the holding device, which forms an image, and an imaging optics attached to the holding device, which has the optical element and the image generated in the upside down state of
  • a holding device is provided so that the user can perceive it as a virtual image provided, wherein the image generated by the image generation module via a
  • the optical element has two Fresnel structures with a plurality of Fresnel segments, each Fresnel segment having an optically effective facet whose shape is part of a predetermined area, which is different in its curvature for different optically effective facets.
  • the optical element can be designed in particular in the form of a spectacle lens with a front side (in particular curved) and a rear side (in particular curved), wherein in the mounted on the head state of the holding device, the front of
  • the Fresnel structure is formed as a reflective structure, it is preferably formed on the front side. In the formation of the Fresnel structure as a refractive structure, it is preferably formed on the back.
  • the front side of the optical element or of the spectacle lens can be spherically curved.
  • the rear side of the optical element or of the spectacle lens can be spherically curved.
  • the radius of curvature of the front and rear sides may each be less than or equal to 200 mm, preferably less than or equal to 140 mm, and in particular less than or equal to 100 mm.
  • the coupling-in section may be formed on the rear side and / or the front side which connects the front and rear sides.
  • the guidance of the generated image in the optical element can be achieved by at least two
  • the respective front and back portions may include a reflective coating or a partially reflective coating.
  • a reflective coating may be included in the respective front and back portions.
  • a partially reflective coating may be included in the respective front and back portions.
  • the described types of image guidance by reflection can also be combined with each other.
  • the coupling-out section is preferably spaced from the coupling-in section.
  • the decoupling section is arranged such that the decoupling section for a user is located within the field of view when the holding device is mounted.
  • the imaging module may, in particular, comprise a planar imager, such as e.g. an LCD module, an LCoS module or an OLED module.
  • the imager may be self-luminous or non-self-luminous.
  • the imaging module may be configured to include a
  • the imaging optics are designed accordingly.
  • the display device according to the invention may have further, known in the art elements that are necessary for their operation.
  • a method for producing the optical element according to the invention (including its developments), wherein in step a) for each optically effective facet an individual surface description is provided, in a step b) for each optically effective facet the shape of the the area description is optimized area to determine the predetermined area, in a step c) based on the thus determined predetermined areas generates the production data and in a step d) based on the manufacturing data, the optical element is produced.
  • step c) for each facet, the part of the specific predetermined surface which characterizes the optically active facet can be computationally arranged on a curved base surface.
  • each Fresnel segment can have a secondary flank connected to the optically active facet and the secondary flank can be designed such that it suppresses scattered light.
  • Fig. 1 is a schematic perspective view of an embodiment of
  • FIG. 2 is a detail sectional view of the right-hand lens 3 of the display device 1 of FIG.
  • FIG. 3 is an enlarged sectional view of three fresnel segments of the Fresnel structure;
  • Fig. 4 is a schematic perspective view of the optically effective facets 28 of
  • Fig. 5 is a schematic sectional view of the optically used surfaces of
  • FIG. 6 shows a schematic representation of the image of a field point in the exit pupil
  • 7 is a view according to Figure 3 for explaining a further embodiment of the
  • FIG. 8 shows a schematic representation according to FIG. 7 according to a further embodiment of the Fresnel structure according to the invention.
  • Fig. 9 is a schematic perspective view of the optically effective facets 28 of
  • FIG. 10 is a schematic perspective view of the optically effective facets 28 of FIG.
  • Fig. 1 1 is an enlarged sectional view of FIG. 3 of three Fresnel segments of the Fresnel structure according to another embodiment, and
  • Fig. 12 is a schematic perspective view of another embodiment of the
  • optical element according to the invention.
  • the display device 1 comprises a holding device 2 that can be placed on the head of a user, which can be designed, for example, in the manner of a conventional eyeglass frame, and a first and a second spectacle lens 3, 4 which are attached to the holding device 2 are attached.
  • the holding device 2 with the lenses 3 and 4 may be formed, for example, as sports or sunglasses, wherein the user via the first lens 3, a virtual image can be reflected in his field of view, as described below.
  • the spectacle lenses 3, 4 are formed so that they have no optical imaging effect and thus no defective vision correction takes place.
  • the right-hand lens 3 is designed as an optical element according to the invention with a Fresnel structure 21 and is here only as an example as part of the invention
  • the display device 1 As best seen in the enlarged detail sectional view of the first (right) lens 3 (the holder 2 is not shown), the display device 1 comprises an image forming module 5, a control unit 6 for controlling the image forming module 5, and a lens 22.
  • the image forming module 5, the control unit 6 and the lens 22 are shown purely schematically and preferably attached to the holding device 2.
  • the right-hand spectacle lens 3 has a spherically curved front side 7, a spherically curved rear side 8 and an end face 9.
  • the spherical curvatures of front and back 7, 8 are preferably concentric or nearly concentric.
  • the spectacle lens is designed as a refractive power-free meniscus.
  • the light coming from the imaging module 5 is coupled by means of the lens 22 via the end face 9 in the spectacle lens 3, that it several times on the front and back 8, 9 (here twice in the areas 23, 24, 25, 26) by means Total internal reflection is led to the Fresnel structure 21.
  • the Fresnel structure 21 is formed on the front side 7 so that it deflects the light rays in the direction of an exit pupil 14 toward which a user has his eye pupil when the display device 1 is mounted.
  • the Fresnel structure 21 also has an imaging function in addition to its function of the beam path convolution. In conjunction with the lens 22 and any intended imaging effect of the end face 9, the image generated by means of the image generation module 5 is presented to the user in the exit pupil 14 as a virtual image.
  • the Fresnel structure 21 thus forms, together with the path through the spectacle lens 3 to the rear side 8, which passes through the light after reflection at the Fresnel structure 21, a decoupling section.
  • the front side 9 forms a coupling-in section, which possibly also includes the region of the first reflection on the front side 7.
  • the Fresnel structure 21 is part of the decoupling section in the described embodiment, it may alternatively or additionally be part of the coupling-in section. As indicated in the enlarged detail view according to FIG.
  • the Fresnel structure 21 has a plurality of Fresnel segments 27 which each have an optically effective facet 28 on which the light beams are reflected (in FIG Facets still provided with an index to the individual facets in the description below to be able to differentiate; if no distinction is necessary, the index becomes
  • the optically active facets 28 are connected to each other by minor flanks 29.
  • the facets 28 extend, as can be seen in the schematic perspective view of FIG. 4 from the direction 30 of FIG. 3, substantially in the x-direction, wherein in the illustration of FIG. 4, the used area of the facets 28 and a Light beam L is shown to indicate the imaging and beam deflecting effect of the Fresnel structure 21.
  • each optically effective facet 28, and in particular the cross-sectional shape indicated in FIG. 3, is in each case part of a predetermined surface which, however, differs for the individual optically effective facets 28 with regard to the curvature profile. This makes it possible to achieve an improved imaging property or improved error correction compared to conventional Fresnel structures.
  • conventional Fresnel structures e.g. in DE 10 2009 010 538 A1
  • the shape of the optically active facets is part of one and the same predetermined surface, the facets being offset only parallel to one another.
  • the predetermined area for the facets 28 is different from facet 28 to facet 28.
  • one has more degrees of freedom for optimizing the shape of the optically effective facets 28, thus providing, for example, improved correction of monochromatic and polychromatic aberrations (such as monochromatic transverse aberrations resulting in smearings).
  • Such a design of the optically effective facets 28 can be achieved by providing an individual surface description for each optically effective facet 28 and optimizing them by calculation. Optimization takes into account which rays strike which facets 28. In this case, preference is given to whether shadowing or misconduct occurs for the individual beams. For example, in the case of the beam A according to FIG. 3, there is the difficulty that this beam, which should strike the facet 28 3 , is shaded by the facet 28 2 . Beam B has the difficulty of missing facet 28T and instead striking facet 28 2 . These effects are given preference in the optimization. For example, you can do a non-sequential ray tracing.
  • the values of the coefficients for the facets 28 shown schematically in FIG. 4 are given in the following tables, wherein in the tables the facets from right to left in FIG. 1 as facets 28 ! , 28 2 , ... 28 10 are designated. That is, the facet 28 is the facet in Fig. 4, which is drawn on the far right.
  • Fig. 5 In a similar manner as in Fig. 2, wherein in the representation of Fig. 5 substantially only the optically active surfaces are shown schematically. Furthermore, the three beam paths are shown for clarity.
  • the areas F1 and F2 relate to a cover glass of the imaging module, wherein on the surface F1 an imager, not shown, is arranged.
  • the surfaces F3 to F8 are surfaces of a prism, which is provided instead of the lens 22 shown schematically in FIG.
  • the surfaces F9, F10 and F1 1 are surfaces of the right spectacle lens 3.
  • the surface F12 is the exit pupil 14 according to FIG. 2.
  • the area F1 is thus 56.4602673 mm in the x direction relative to the coordinate system of the surface F12, and 2.7796851 mm in the y direction and in the z direction in the y direction
  • the x-axis (line “EX") of the area F1 has as x-component - 0.480488, as y-component 0.1608098 and as z-component -0.8621319 related to the unit vector y-axis (line “EY”) and the z-axis (line “EZ”) of this area F1 are indicated accordingly.
  • the light rays enter the prism via the coverslip (areas F1 and F2) on the surface F3. Reflection then takes place on the surface F4, on the surface F3, on the surface F5, on the surface F6, on the surface F7, so that the light rays exit the surface via the surface F8 and out of the prism 8 (surface F9) enter the spectacle lens.
  • Reflections then take place in the spectacle lens on the front side 7 and the rear side 8 (surfaces F10, F9 and F1 1), so that the light bundles are guided to the Fresnel structure 21, where they are deflected in the manner described in the direction towards the eye so that they emerge from the spectacle lens via the rear side 8 (surface F9) and are perceptible in the region of the surface F12 by an eye of the user.
  • FIG. 6 shows in arbitrary units the pupil of a field point and thus the image of an image pixel in the exit pupil 14, wherein the different forms represent different facets 28 for reflection. From FIG. 6 it follows that the considered field point is imaged by six optically active facets 28 into the exit pupil 14. In optimizing the predetermined areas for the optically effective facets 28, shading may also be allowed (beam A) or the beam misses its original facet (beam B), and then also optimizes the shape of the predetermined area be taken into account. It has been found according to the invention that in the embodiment described here, the consideration of the immediately adjacent facets 28 is sufficient.
  • the suppression of unwanted stray light can also be taken into account in the optimization.
  • the shape of the minor flanks 29 is changed with respect to the false light optimization.
  • the reflection at the facets 28 may be a total internal reflection. It is also possible that the facets 28 are provided with a reflective coating to obtain the desired reflection. This may be, for example, a partially transparent coating, so that in addition to the reflection on the facets 28 also a certain
  • the reflective coating may also be formed so that it completely reflects and does not transmit light.
  • the free spaces on the front side 7 created by the formation of the facets can be filled up with material 31 such that the original shape of the front side 7 is also present in the region of the Fresnel structure 21. If the facets 28 are provided with a reflective coating, the same material can be used for filling as for the
  • Spectacle lens 3 If total internal reflection is desired, a different material will be chosen, allowing total internal reflection.
  • the previously described Fresnel structure 21 is a coherent Fresnel structure in which the minor flanks 29 connect adjacent facets 28.
  • the Fresnel structure 21 it is also possible to form the Fresnel structure 21 as a non-contiguous Fresnel structure 21, as indicated in FIG. 8.
  • the minor sidewalls 29 do not connect two adjacent facets 28, but between the minor sidewall 29 and the adjacent facet 28 there is still a portion of the front side 7.
  • These regions are transmissive, so that the facets 28 can be provided, for example, with a reflective coating and still an overlay is also possible within the Fresnel structure 21 from the environment and the imaged virtual image.
  • the reflection can be done by total internal reflection and can be carried out in the same way a material filling, as described in connection with FIG. 6 has been. This is thus possible in the case of total internal reflection as well as in the case of the reflective coating.
  • the facets 28 are strip-shaped or elongated, wherein they are arranged side by side in a first direction (here y-direction) and stripe-shaped in a second direction transverse to the first direction (here approximately the x-direction) strip-shaped , as can be seen in particular in Fig. 4. It can also be said that the facets 28 are arranged side by side transversely to their longitudinal direction.
  • the strip-shaped design of the facets 28 is understood here in particular to mean that the extent of the facets 28 in the second direction or in the second direction
  • Longitudinal direction (in this case approximately in the x-direction) is greater than in the first direction or in the transverse direction (here the y-direction).
  • the extension in the longitudinal direction is at least twice as large as the extension in the transverse direction.
  • the facets 28 do not have to be strip-shaped. It is also possible for the facets 28 to be arranged alongside one another along the second direction (here approximately the x-direction). Thus, e.g. the strip-shaped facets of FIG. 4 in the
  • each of the individual facets is preferably optimized for itself.
  • each of the facets 28 may be part of a predetermined area, with the predetermined areas of the facets 28 being related to one another
  • the facets 28 are basically designed as elongated or strip-shaped facets 28. However, this is not absolutely necessary.
  • the facets 28 can have very different shapes and also need not be arranged regularly, as indicated in FIG. In the illustration according to FIG. 10, each of the facets 28 is preferably in each case part of a predetermined area, wherein the predetermined areas for the individual facets 28 with respect to their
  • Fig. 1 1 is a modification of the optical element according to the invention in one
  • each reflective facet 28 has a first reflective portion 32 and a part thereof subsequent second reflective portion 33, wherein the reflectivity of the first reflective portion 32 is greater than that of the second reflective portion 33rd
  • the first reflective section 32 for the light beams L r L 4 to be deflected can have the highest possible reflectivity (for example 100%).
  • the reflectivity of the second reflective portion 33 may be 50%, for example, so that 50% of the incident light is reflected and 50% transmitted. This leads advantageously to the fact that after the deflection by the Fresnel structure 21 there are as few as possible no gaps between the deflected light beams LL 4 and thus a homogeneous brightness distribution is present in the light bundles present through the deflected light beams L r L 4 .
  • FIG. 1 In the illustration according to FIG. 1 1, three adjacently arranged reflective facets 28 (which are designated here as first, second and third facets 28 28 2 and 28 3 ) are shown together with the corresponding light beams LL 4 . Furthermore ⁇ 28 is -28 3 of the first reflective section 32 drawn with a solid line and the adjoining second reflective portion 33 having a lower reflectivity, shown in dashed lines in each of the reflective facets. As can be seen from the illustration in FIG. 11, the second reflective section 33 of the first reflective facet 28 lies ! , seen in the direction of arrival ER, in front of the first reflective section 32 of the second reflective facet 28 2 .
  • the light beam L 2 striking the beginning of the second reflective portion 33 of the first reflective facet 28 is partially deflected by the second reflective portion 33 in the direction of the exit direction AR and partially transmitted as the light beam L 2 '
  • the shaded area 34 is also filled with deflected light beams 18, which would not be the case if the second reflective portion 33 of the first reflective facet 28 is not transmissive
  • the portion (second reflective portion 33) of the reflective facet 28 is thus formed partially reflecting and partially transparent, which is at the predetermined
  • Incident direction ER would lead to shading of the underlying reflective facet 28.
  • the unwanted gaps can be avoided after the deflection or filled with the corresponding deflected light beams.
  • the first reflective portions 32 are not purely reflective, but allow some transmission. This can be used, for example, that the environment can also be perceived by the user when the display device 1 is attached by the first reflective section 32.
  • the virtual image can be in this case in
  • FIG. 12 shows in perspective a further embodiment of the right-hand spectacle lens 3 according to the invention with three schematically illustrated reflective facets 28 28 2 and 28 3 .
  • the shape and position of the facets 28i -28 3 can be determined, for example, as follows.
  • Light rays Li which hit the lower edge 36 2 of the second facet 28 2 , determine the boundary or boundary line 37! between the first reflective portion 32 and the second reflective portion 33 of the first reflective facet 28 ⁇ .
  • Light rays L 2 meeting the lower edge 36 3 of the third facet 28 3 determine the boundary 37 2 between the first and second reflective portions 32 and 33 on the second reflective facet 28 2 and an upper boundary 38! on the first reflective facet 28! ,
  • Rays L 3 reflected at the lower edge 36 3 of the third facet 28 3 must contact the upper edge 39 i of the first facet 28 i and, if possible, have the same direction with the rays incident on this upper edge 39 i of the first facet 28 are reflected.
  • the part of the light beam L which is reflected (hatched) by the upper portion 42 of the second reflective portion 33 of the first facet 28 ⁇ must adjoin the portion which is reflected by the first reflective portion 32 of the second facet 28 2 ,
  • the upper portion 42 of the second reflective portion 33 is the area between an upper limit 38! and the upper edge 39i.
  • the upper limit 38i is defined by the light beam L 2 which strikes the lower edge 36 3 of the third facet 28 3 .
  • the range between upper limit 38i and lower limit 37! may be referred to as lower portion 41 of the second reflective portion 33.
  • the facets are formed from arbitrary segments of different surfaces, the surfaces are described for example by polynomials with different coefficients.
  • the facets are thus more freely selectable and can be formed in the beam path arbitrarily overlapping or spaced.
  • the optical performance is thereby improved, for example, the geometrical-optical aberrations or beam deviations are reduced by at least 15%, preferably by 30%.
  • the refractive power of the Fresnel surface can be increased, for example focal lengths of less than 5000 mm, preferably less than 1000 mm, are possible.
  • the coupling of the virtual image in the field of view of the user via the right lens 3 takes place.
  • a coupling via the left lens 4 is possible.
  • the display device 1 can be designed so that information about both lenses 3, 4 are reflected. The reflection can be done so that a three-dimensional image impression is created.
  • the spectacle lenses 3 and 4 according to the described embodiments have a
  • the lenses 3, 4 may also have a refractive power of non-zero and be designed in particular for the correction of refractive errors.
  • the spectacle lenses 3, 4 may e.g. be made of glass or plastic.

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Abstract

Es wird ein optisches Element mit einer Fresnel-Struktur (21) mit mehreren Fresnel-Segmenten (27), wobei jedes Fresnel-Segment (27) eine optisch wirksame Facette (28) aufweist, deren Form Teil einer vorbestimmten Fläche ist, bereitgestellt, wobei sich die vorbestimmten Flächen der optisch wirksamen Facetten (28) in ihrem Krümmungsverlauf unterscheiden.

Description

Optisches Element mit einer Fresnel-Struktur sowie Anzeigevorrichtung mit einem solchen optischen Element
Die vorliegende Erfindung betrifft ein optisches Element mit einer Fresnel-Struktur mit mehreren Fresnel-Segmenten, wobei jedes Fresnel-Segment eine optisch wirksame Facette aufweist, deren Form Teil einer vorbestimmten Fläche ist.
Ein solches optisches Element wird z.B. bei auf den Kopf aufsetzbaren Anzeigevorrichtungen eingesetzt und ist aus der DE 10 2009 010 538 A1 bekannt.
Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der Erfindung, ein optisches Element der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass es verbesserte Abbildungseigenschaften aufweist. Des weiteren soll eine Anzeigevorrichtung mit einem solchen optischen Element bereitgestellt werden.
Bei den bisher bekannten optischen Elementen mit einer Fresnel-Struktur, wie z.B. bei der DE 10 2009 010 538 A1 , haben alle Facetten dieselbe Flächenbeschreibung und sind somit Teil derselben vorbestimmten Fläche. Es wird daher zunächst die vorbestimmte Fläche optimiert und danach daraus die optisch wirksamen Facetten durch eine Modulo-Operation
(Parallelversatz von Teilen aus derselben Fläche) erzeugt.
Erfindungsgemäß sind bei dem optischen Element der eingangs genannten Art die
vorbestimmten Flächen der optisch wirksamen Facetten (zumindest von zwei optisch wirksamen Facetten) in ihren Krümmungsverläufen unterschiedlich. Es handelt sich also nicht um ein und dieselbe Fläche, sondern jede optisch wirksame Facette wird bzw. die zumindest zwei optisch wirksamen Facetten werden durch eine andere vorbestimmte Fläche (die sich insbesondere in ihrem Krümmungsverlauf von den anderen Flächen unterscheidet)
beschrieben. Dadurch ist es möglich, jede optisch wirksame Facette bzw. die zumindest zwei optisch wirksamen Facetten für sich zu optimieren, wodurch insgesamt die
Abbildungseigenschaft der Fresnel-Struktur verbessert werden kann. So können im Vergleich zu herkömmlichen Fresnel-Strukturen z.B. monochromatische und polychromatische Bildfehler (beispielsweise monochromatische Querfehler, die sich in Verschmierungen bzw.
Vielfachbildern äußern können, und Farbquerfehler) deutlich besser reduziert werden. Die vorbestimmten Flächen können sphärische oder asphärische Flächen sein und weisen bevorzugt keine Spiegel- oder Rotationssymmetrie auf. Des weiteren können sie keine
Translationssymmetrie aufweisen. Damit sind viele Freiheitsgrade gegeben, so dass eine sehr gute Optimierung erfolgen kann, wodurch sehr gute Abbildungseigenschaften bereitgestellt werden.
Die Fresnel-Struktur ist bevorzugt an einer Grenzfläche des optischen Elementes ausgebildet.
Die Grenzfläche des optischen Elementes kann gekrümmt ausgebildet sein. Insbesondere weist das optische Element eine gekrümmte Vorderseite und eine gekrümmte Rückseite auf. Die Vorder- und Rückseite können sphärisch gekrümmt sein und insbesondere konzentrisch angeordnet sein.
Ferner kann das optische Element eine die Vorder- und Rückseite verbindende Stirnseite aufweisen, die eben oder gekrümmt ist. Die erfindungsgemäße Fresnel-Struktur kann an der Stirnseite ausgebildet sein.
Das optische Element kann als Linse mit Brechkraft null oder mit einer Brechkraft ungleich null ausgebildet sein.
Die Fresnel-Segmente können direkt benachbart sein, so dass eine zusammenhängende Fresnel-Struktur vorliegt. Alternativ ist es möglich, dass die Fresnel-Segmente voneinander beabstandet sind, so dass die nicht-zusammenhängende Fresnel-Struktur vorliegt. In diesem Fall ist zwischen den einzelnen Fresnel-Segmenten der ursprüngliche Krümmungsverlauf der Grenzfläche vorhanden.
Die Fresnel-Struktur stellt bevorzugt eine optische Abbildungsfunktion bereit.
Die optisch wirksamen Facetten können eine Strahlumlenkung durch innere Totalreflexion oder durch Reflexion bewirken. Insbesondere können sie mit einer reflektierenden Beschichtung versehen werden. Des weiteren können die Fresnel-Segmente mit einem Material so aufgefüllt sein, dass im Bereich der Fresnel-Struktur der gleiche Oberflächenverlauf wie dazu benachbart vorliegt. Die optisch wirksamen Facetten des erfindungsgemäßen optischen Elementes können durch einen Parallelversatz nicht zu einer stetigen Fläche zusammengesetzt werden, da sich die vorbestimmten Flächen der optisch wirksamen Facetten in ihrem Krümmungsverlauf unterscheiden. Insbesondere können die optisch wirksamen Facetten (z.B. durch Parallelversatz) nicht zu einer Fläche zusammengesetzt werden, die stetig differenzierbar ist. Auch ein Verkippen oder ein sonstiges Zusammensetzen ermöglicht nicht, dass dann die zusammengesetzte Fläche stetig differenzierbar ist. Bei diesem Zusammensetzen handelt es sich insbesondere um ein gedachtes Zusammensetzen, das nicht tatsächlich durchgeführt werden muss. Man kann das Zusammensetzen rechnerisch durchführen, wenn man für jede optisch wirksame Facette eine entsprechende Flächenbeschreibung vorliegen hat. Die Flächenbeschreibung kann man beispielsweise durch eine geeignete Messung ermitteln. Herkömmliche Fresnel-Strukturen, bei denen die optisch wirksamen Facetten Teil ein und derselben vorbestimmten Fläche sind, lassen sich im Gegensatz zu der erfindungsgemäßen Fresnel-Struktur zu einer stetig differenzierbaren Fläche zusammensetzen.
Das optische Element kann aus Glas oder Kunststoff gebildet sein. Die optisch wirksamen Facetten sind beispielsweise als Flächenstücke ausgebildet. Sie können eine reflektive Beschichtung aufweisen.
Neben der beschriebenen Ausbildung der Fresnel-Struktur als reflektive Struktur kann sie natürlich auch als refraktive Struktur ausgebildet sein.
Bei dem erfindungsgemäßen optischen Element können die optisch wirksamen Facetten entlang einer ersten Richtung nebeneinander angeordnet sein und sich quer zur ersten Richtung streifenförmig erstrecken. Ferner ist es möglich, dass die optisch wirksamen Facetten entlang einer ersten Richtung und entlang einer quer zur ersten Richtung verlaufenden zweiten Richtung nebeneinander angeordnet sind. Die Fresnel-Struktur kann somit beliebig nebeneinander angeordnete Facetten aufweisen. Die Facetten können streifenförmig sein. Sie können auch jede andere Form aufweisen. Insbesondere können sie als Polynom mit drei, vier, fünf oder mehr Ecken, rund, kreisförmig, etc. ausgebildet sein. Je mehr Facetten vorgesehen werden, desto mehr Freiheitsgrade für die Optimierung liegen vor und desto bessere optische Ergebnisse können erzielt werden.
Bei dem erfindungsgemäßen optischen Element kann die Fresnel-Struktur als reflektive Fresnel-Struktur zum Umlenken von entlang einer Einfallsrichtung auf die Fresnel-Struktur einfallenden Lichtbündeln in eine Ausfallsrichtung ausgebildet sein, wobei die optisch wirksamen Facetten reflektiv ausgebildet und nebeneinander angeordnet sind und zumindest zwei unmittelbar benachbarte Facetten jeweils einen ersten reflektiven Abschnitt und einen daran anschließenden zweiten reflektiven Abschnitt aufweisen, wobei die Reflektivität des ersten reflektiven Abschnitts größer ist als die Reflektivität des zweiten reflektiven Abschnitts und wobei in Einfallsrichtung gesehen der zweite reflektive Abschnitt einer ersten reflektiven Facette vor dem ersten reflektiven Abschnitt der unmittelbar benachbarten reflektiven Facette liegt, so dass der Teil des einfallenden Lichtbündels, der vom zweiten reflektiven Abschnitt der ersten reflektiven Facette transmittiert wird, auf den ersten reflektiven Abschnitt der unmittelbar benachbarten reflektiven Facette trifft, um umgelenkt zu werden.
Durch diese teiltransparente Ausbildung der Facetten bzw. durch die zweiten Abschnitte, die sowohl reflektiv als auch transmissiv sind, wird in vorteilhafter Weise erreicht, dass das umgelenkte Gesamtlichtbündel, das alle umgelenkten Lichtbündel umfaßt, eine möglichst gleichmäßige Helligkeitsverteilung aufweist.
Der erste Abschnitt der Facetten kann nur reflektiv oder teiltransparent und somit reflektiv als auch transmissiv sein.
Bei dem optischen Element kann der zweite reflektive Abschnitt der reflektiven Facetten jeweils einen ersten Bereich, der an den ersten reflektiven Abschnitt anschließt, und einen zweiten Bereich, der an den ersten Bereich anschließt, aufweisen, wobei der zweite Bereich der ersten Facette in Einfallsrichtung gesehen vor dem ersten Bereich der unmittelbar benachbarten Facette liegt. Damit kann eine sehr homogene Helligkeitsverteilung im umgelenkten
Gesamtlichtbündel erreicht werden. Ein Lichtbündel wird somit in der Regel von drei Facetten umgelenkt, nämlich von dem ersten reflektiven Abschnitt der ersten Facette, dem zweiten reflektiven Abschnitt der dahinter liegenden zweiten Facette und dem zweiten Bereich der dahinter liegenden dritten Facette.
Insbesondere kann die Reflektivität des ersten Bereichs größer sein als die Reflektivität des zweiten Bereichs. Damit wird eine sehr gute Homogenität der Helligkeitsverteilung im umgelenkten Gesamtlichtbündel erreicht.
Bei dem optischen Element kann die Fresnel-Struktur als vergrabene Fresnel-Strutkur ausgebildet sein.
Des weiteren kann eine Flanke, die zwei unmittelbar benachbarte Facetten verbindet, transparent ausgebildet sein.
Es wird ferner eine Anzeigevorrichtung mit einem erfindungsgemäßen optischen Element (einschließlich seiner Weiterbildungen), einer auf den Kopf eines Benutzers aufsetzbaren Haltevorrichtung, einem an der Haltevorrichtung befestigten Bilderzeugungsmodul, das ein Bild erzeugt, und einer an der Haltevorrichtung befestigten Abbildungsoptik, die das optische Element aufweist und das erzeugte Bild im auf dem Kopf aufgesetzten Zustand der
Haltevorrichtung so abbildet, dass es der Benutzer als virtuelles Bild wahrnehmen kann, bereitgestellt, wobei das vom Bilderzeugungsmodul erzeugte Bild über einen
Einkoppelabschnitt des optischen Elementes in das optische Element eingekoppelt, im optischen Element durch eine oder mehrere Reflexionen (z.B. innere Totalreflexion) bis zu einem Auskoppelabschnitt geführt und über den Auskoppelabschnitt aus dem optischen Element ausgekoppelt wird, wobei der Einkoppel- und/oder Auskoppelabschnitt die Fresnel- Struktur aufweist. Wenn sowohl der Einkoppel- als auch der Auskoppelabschnitt die Fresnel- Struktur aufweist, weist das optische Element natürlich zwei Fresnel-Strukturen mit mehreren Fresnel-Segmenten auf, wobei jedes Fresnel-Segment eine optisch wirksame Facette aufweist, deren Form Teil einer vorbestimmten Fläche ist, die in ihrem Krümmungsverlauf für verschiedene optisch wirksame Facetten unterschiedlich ist.
Das optische Element kann insbesondere in Form eines Brillenglases mit einer Vorderseite (insbesondere gekrümmt) und einer Rückseite (insbesondere gekrümmt) ausgebildet sein, wobei im auf den Kopf aufgesetzten Zustand der Haltevorrichtung die Vorderseite vom
Benutzer weg weist und die Rückseite zum Benutzer hin weist. Wenn die Fresnel-Struktur als reflektive Struktur ausgebildet ist, ist sie bevorzugt an der Vorderseite ausgebildet. Bei der Ausbildung der Fresnel-Struktur als refraktive Struktur ist sie bevorzugt an der Rückseite ausgebildet.
Die Vorderseite des optischen Elementes bzw. des Brillenglases kann sphärisch gekrümmt sein. In gleicher Weise kann die Rückseite des optischen Elementes bzw. des Brillenglases sphärisch gekrümmt sein. Der Krümmungsradius von Vorderseite und Rückseite kann jeweils kleiner oder gleich 200 mm, bevorzugt kleiner oder gleich 140 mm und insbesondere kleiner oder gleich als 100 mm sein. Der Einkoppelabschnitt kann an der Rückseite und/oder der Stirnseite, die die Vorder- und Rückseite verbindet, ausgebildet sein.
Die Führung des erzeugten Bildes im optischen Element kann durch zumindest zwei
Reflexionen und somit zumindest einer Reflexion an der Vorderseite und einer Reflexion an der Rückseite erfolgen. Um die Reflexionen zu bewirken, können die entsprechenden Abschnitte von Vorder- und Rückseite eine reflektive Beschichtung oder eine teilreflektive Beschichtung aufweisen. Es ist jedoch auch möglich, dass ein oder zwei reflektive oder teilreflektive
Schichten innerhalb des Brillenglases ausgebildet sind und an diesen die Reflexion zur Führung des Bildes erfolgen. Des weiteren ist es möglich, dass die Reflexionen an Vorder- und
Rückseite durch innere Totalreflexion bewirkt werden. Die beschriebenen Arten der Bildführung durch Reflexion können auch miteinander kombiniert sein. Der Auskoppelabschnitt ist bevorzugt vom Einkoppelabschnitt beabstandet. Insbesondere ist der Auskoppelabschnitt so angeordnet, dass der Auskoppelabschnitt für einen Benutzer bei aufgesetzter Haltevorrichtung innerhalb seines Sehfeldes liegt.
Das Bilderzeugungsmodul kann insbesondere einen flächigen Bildgeber aufweisen, wie z.B. ein LCD-Modul, ein LCoS-Modul oder ein OLED-Modul. Der Bildgeber kann selbstleuchtend oder nicht-selbstleuchtend sein.
Das Bilderzeugungsmodul kann insbesondere so ausgebildet sein, dass es ein
monochromatisches oder ein mehrfarbiges Bild erzeugt. Natürlich ist in diesem Falle die Abbildungsoptik entsprechend ausgebildet.
Die erfindungsgemäße Anzeigevorrichtung kann weitere, dem Fachmann bekannte Elemente aufweisen, die zu ihrem Betrieb notwendig sind. Es wird ferner ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen optischen Elementes (einschließlich seiner Weiterbildungen) bereitgestellt, bei dem in einem Schritt a) für jede optisch wirksame Facette eine individuelle Flächenbeschreibung vorgesehen wird, in einem Schritt b) für jede optisch wirksame Facette die Form der durch die Flächenbeschreibung charakterisierten Fläche optimiert wird, um die vorbestimmte Fläche zu bestimmen, in einem Schritt c) basierend auf den so bestimmten vorbestimmten Flächen die Herstellungsdaten erzeugt und in einem Schritt d) basierend auf den Herstellungsdaten das optische Element hergestellt wird.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann im Schritt c) für jede Facette der Teil der bestimmten vorbestimmen Fläche, der die optisch wirksame Facette charakterisiert, rechnerisch an einer gekrümmten Grundfläche angeordnet werden.
Ferner kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren jedes Fresnel-Segment eine mit der optisch wirksamen Facette verbundenen Nebenflanke aufweisen und die Nebenflanke so ausgelegt werden, dass sie Streulicht unterdrückt.
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 perspektivische Darstellung einer Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Anzeigevorrichtung;
Fig. 2 eine Detailschnittansicht des rechten Brillenglases 3 der Anzeigevorrichtung 1 von Fig.
1 ;
Fig. 3 eine vergrößerte Schnittansicht von drei Fresnel-Segmenten der Fresnel-Struktur; Fig. 4 eine schematische perspektivische Darstellung der optisch wirksamen Facetten 28 der
Fresnel-Struktur 21 ;
Fig. 5 eine schematische Schnittansicht der optisch genutzten Flächen der
Anzeigevorrichtung von Fig. 1 ;
Fig. 6 eine schematische Darstellung der Abbildung eines Feldpunkts in die Austrittspupille; Fig. 7 eine Darstellung gemäß Fig.3 zur Erläuterung einer weiteren Ausführungsform der
Ausbildung der Fresnel-Struktur;
Fig. 8 eine schematische Darstellung gemäß Fig. 7 gemäß einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Fresnel-Struktur;
Fig. 9 eine schematische perspektivische Darstellung der optisch wirksamen Facetten 28 der
Fresnel-Struktur 21 gemäß einer weiteren Ausführungsform;
Fig. 10 eine schematische perspektivische Darstellung der optisch wirksamen Facetten 28 der
Fresnel-Struktur 21 gemäß einer weiteren Ausführungsform;
Fig. 1 1 eine vergrößerte Schnittansicht gemäß Fig. 3 von drei Fresnel-Segmenten der Fresnel- Struktur gemäß einer weiteren Ausführungsform, und
Fig. 12 eine schematische perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform des
erfindungsgemäßen optischen Elementes.
Bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform umfasst die erfindungsgemäße Anzeigevorrichtung 1 eine auf den Kopf eines Benutzers aufsetzbare Haltevorrichtung 2, die z.B. in Art eines herkömmlichen Brillegestells ausgebildet sein kann, sowie ein erstes und ein zweites Brillenglas 3, 4, die an der Haltevorrichtung 2 befestigt sind. Die Haltevorrichtung 2 mit den Brillengläsern 3 und 4 kann z.B. als Sport- oder Sonnenbrille ausgebildet sein, wobei dem Benutzer über das erste Brillenglas 3 ein virtuelles Bild in sein Gesichtsfeld eingespiegelt werden kann, wie nachfolgend beschrieben wird. Die Brillengläser 3, 4 sind so ausgebildet, dass sie keine optische Abbildungswirkung aufweisen und somit keine Fehlsichtigkeitskorrektur erfolgt. Das rechte Brillenglas 3 ist als erfindungsgemäßes optisches Element mit einer Fresnel- Struktur 21 ausgebildet und ist hier nur beispielhalber als Teil der erfindungsgemäßen
Anzeigevorrichtung 1 beschrieben. Wie am besten aus der vergrößerten Detailschnittansicht des ersten (rechten) Brillenglases 3 ersichtlich ist (die Haltevorrichtung 2 ist nicht dargestellt), umfasst die Anzeigevorrichtung 1 ein Bilderzeugungsmodul 5, eine Steuereinheit 6 zur Steuerung des Bilderzeugungsmoduls 5 sowie eine Linse 22. Das Bilderzeugungsmodul 5, die Steuereinheit 6 und die Linse 22 sind rein schematisch dargestellt und bevorzugt an der Haltevorrichtung 2 befestigt.
Das rechte Brillenglas 3 weist eine sphärisch gekrümmte Vorderseite 7, eine sphärisch gekrümmte Rückseite 8 sowie eine Stirnfläche 9 auf. Die sphärischen Krümmungen von Vorder- und Rückseite 7, 8 sind bevorzugt konzentrisch oder nahezu konzentrisch. Besonders bevorzugt ist das Brillenglas als brechkraftfreier Meniskus ausgelegt.
Das vom Bilderzeugungsmodul 5 kommende Licht wird mittels der Linse 22 so über die Stirnfläche 9 in das Brillenglas 3 angekoppelt, dass es mehrfach an der Vorder- und Rückseite 8, 9 (hier jeweils zweimal in den Bereichen 23, 24, 25, 26) mittels innerer Totalreflexion bis zur Fresnel-Struktur 21 geführt wird. Die Fresnel-Struktur 21 ist an der Vorderseite 7 so ausgebildet, dass sie die Lichtstrahlen in Richtung einer Austrittspupille 14 hin umlenkt, an der ein Benutzer bei aufgesetzter Anzeigevorrichtung 1 seine Augenpupille hat. Bei der hier beschriebenen Ausführungsform weist die Fresnel-Struktur 21 neben ihrer Funktion der Strahlengangfaltung auch noch eine abbildende Funktion auf. In Verbindung mit der Linse 22 sowie einer eventuell vorgesehenen abbildenden Wirkung der Stirnfläche 9 wird das mittels des Bilderzeugungsmoduls 5 erzeugte Bild dem Benutzer in der Austrittspupille 14 als virtuelles Bild dargeboten.
Die Fresnel-Struktur 21 bildet somit zusammen mit dem Weg durch das Brillenglas 3 bis zur Rückseite 8, den das Licht nach Reflexion an der Fresnel-Struktur 21 durchläuft, einen Auskoppelabschnitt. Die Stirnseite 9 bildet einen Einkoppelabschnitt, der eventuell auch noch den Bereich der ersten Reflexion an der Vorderseite 7 umfasst. Obwohl die Fresnel-Struktur 21 bei der beschriebenen Ausführungsform Teil des Auskoppelabschnitts ist, kann sie alternativ oder zusätzlich Teil des Einkoppelabschnitts sein. Wie in der vergrößerten Detailansicht gemäß Fig. 3 angedeutet ist, weist die Fresnel-Struktur 21 mehrere Fresnel-Segmente 27 auf, die jeweils eine optisch wirksame Facette 28 aufweisen, an der die Lichtstrahlen reflektiert werden (in Fig. 3 sind die Bezugszeichen 28 der Facetten noch mit einem Index versehen, um die einzelnen Facetten in der nachfolgenden Beschreibung unterscheiden zu können; falls keine Unterscheidung notwendig ist, wird der Index
weggelassen). Die optisch wirksamen Facetten 28 sind durch Nebenflanken 29 miteinander verbunden. Die Facetten 28 erstrecken sich, wie in der schematischen perspektivischen Ansicht gemäß Fig. 4 aus der Richtung 30 gemäß Fig. 3 ersichtlich ist, im wesentlichen in x-Richtung, wobei bei der Darstellung von Fig. 4 der genutzte Bereich der Facetten 28 sowie ein Lichtstrahl L dargestellt ist, um die abbildende und strahlumlenkende Wirkung der Fresnel-Struktur 21 anzudeuten.
Die Form jeder optisch wirksamen Facette 28 und insbesondere die in Fig. 3 angedeutete Querschnittsform ist jeweils Teil einer vorbestimmten Fläche, die sich für die einzelnen optischen wirksamen Facetten 28 jedoch bezüglich des Krümmungsverlaufes unterscheidet. Damit ist es möglich, eine im Vergleich zu herkömmlichen Fresnel-Strukturen verbesserte Abbildungseigenschaft bzw. verbesserte Fehlerkorrektur zu erzielen. Bei herkömmlichen Fresnel-Strukturen, wie sie z.B. in der DE 10 2009 010 538 A1 beschrieben sind, ist die Form der optisch wirksamen Facetten Teil ein und derselben vorbestimmten Fläche, wobei die Facetten lediglich parallel zueinander versetzt sind.
Bei der erfindungsgemäßen Ausbildung der Fresnel-Struktur 21 ist jedoch die vorbestimmte Fläche für die Facetten 28 von Facette 28 zu Facette 28 verschieden. Man hat somit mehr Freiheitsgrade für die Optimierung der Form der optisch wirksamen Facetten 28, wodurch beispielsweise eine verbesserte Korrektur von monochromatischen und polychromatischen Bildfehlern (wie z.B. monochromatische Querfehler, die sich in Verschmierungen bzw.
Vielfachbildern äußern können, oder Farbquerfehler) möglich ist. Eine solche Ausbildung der optisch wirksamen Facetten 28 kann dadurch erreicht werden, dass für jede optisch wirksame Facette 28 eine individuelle Flächenbeschreibung vorgesehen und rechnerisch optimiert wird. Bei der Optimierung wird dabei berücksichtigt, welche Strahlen auf welche Facetten 28 treffen. Dabei wird bevorzugt berücksichtigt, ob Abschattungen oder Verfehlungen für die einzelnen Strahlen auftreten. So besteht beispielsweise bei dem Strahl A gemäß Fig. 3 die Schwierigkeit, dass dieser Strahl, der auf die Facette 283 treffen sollte, von der Facette 282 abgeschattet wird. Beim Strahl B besteht die Schwierigkeit, dass dieser die Facette 28T verfehlt und stattdessen auf die Facette 282 trifft. Diese Effekte werden bei der Optimierung bevorzugt berücksichtigt. So kann man z.B. eine nicht sequentielle Strahldurchrechnung durchführen.
Die vorbestimmte Fläche für jede der optisch wirksamen Facetten 28 kann durch das nachfolgend angegebene Polynom beschrieben werden: z(x, y) = J cijx y]
Die Werte der Koeffizienten für die in Fig. 4 schematisch dargestellten Facetten 28 sind in den nachfolgenden Tabellen angegeben, wobei in den Tabellen die Facetten von rechts nach links in Fig. 1 als Facetten 28! , 282, ... 2810 bezeichnet sind. Das heißt, dass die Facette 28^ die Facette in Fig. 4 ist, die ganz rechts eingezeichnet ist.
Figure imgf000012_0001
Figure imgf000013_0001
Figure imgf000013_0002
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Zur Beschreibung des optischen Aufbaus der erfindungsgemäßen Anzeigevorrichtung ist diese in Fig. 5 in ähnlicher Weise wie in Fig. 2 dargestellt, wobei bei der Darstellung von Fig. 5 im wesentlichen nur die optisch wirksamen Flächen schematisch dargestellt sind. Ferner sind die drei Strahlenverläufe zur Verdeutlichung eingezeichnet.
Die Flächen F1 und F2 betreffen ein Deckglas des Bilderzeugungsmoduls, wobei an der Fläche F1 ein nicht gezeigter Bildgeber angeordnet ist. Die Flächen F3 bis F8 sind Flächen eines Prismas, das anstelle der in Fig. 2 schematisch dargestellten Linse 22 vorgesehen ist. Die Flächen F9, F10 und F1 1 sind Flächen des rechten Brillenglases 3. Die Fläche F12 ist die Austrittspupille 14 gemäß Fig. 2.
Nachfolgend sind die Orientierungen dieser Flächen angegeben, wobei davon ausgegangen wird, dass der Koordinatenursprung in der Fläche F12 liegt, so dass sich alle nachfolgenden Angaben bezüglich der Flächen F1 -F12 auf dieses Koordinatensystem beziehen. Dazu ist für jede Fläche der Wert der x-, y- und z-Ortskoordinate in der Zeile„Ort" angegeben. Des weiteren ist für jede Fläche die x-, y- und z-Richtungskomponente des entsprechenden
Flächenkoordinatensystems bezüglich der Fläche F12 als EX, EY und EZ angegeben.
Dies ist in der nachfolgenden Tabelle für alle Flächen F1 -F12 sowie alle Facetten 281-2810 angegeben.
Die Fläche F1 ist somit gegenüber dem Koordinatensystem der Fläche F12 in der x-Richtung um 56,4602673 mm, in der y-Richtung um 2,7796851 mm und in der z-Richtung um
21 ,6640695 mm versetzt. Die x-Achse (Zeile„EX") der Fläche F1 weist als x-Komponente - 0,480488, als y-Komponente 0,1608098 und als z-Komponente -0,8621319 bezogen auf den Einheitsvektor auf. Die entsprechenden Komponentenwerte für die y-Achse (Zeile„EY") und die z-Achse (Zeile„EZ") dieser Fläche F1 sind entsprechend angegeben.
56,4602673 2,7796851
-0,480488 0,1608098
-0,1557581 0,9517695
0,8630589 0,2612951
55,8561261 2,5967786
-0,480488 0,1608098
-0,1557581 0,9517695
0,8630589 0,2612951
Fläche F3 Eintritt in Prisma Ort 55,3762325 2,3425856 21 ,8147278 EX -0,4998 0,1601816 -0,8512002 EY -0,1458082 0,953165 0,264984 EZ 0,8537798 0,256551 -0,453036
Fläche F4 1 .Reflexion
Ort 53,4739615 1 ,6887478 22,1769381
EX -0,7629759 -0,090901 -0,6400037
EY -0,3242707 0,9103038 0,2572848
EZ 0,5592104 0,4038365 -0,7240164
Fläche F3 2. Reflexion
Ort 53,2147214 3,00761 13 18,1 178009
EX 0,489922 -0,1014512 0,865843
EY -0,1761718 0,961 1916 0,2123069
EZ -0,8537798 -0,256551 0,453036
Fläche F5 3. Reflexion
Ort 43,9556606 3,8186335 12,2346015
EX -0,6338181 0,0940485 -0,7677431
EY -0,1 141749 0,970331 1 0,2131237
EZ 0,765009 0,2227387 -0,6042754
Fläche F6 4. Reflexion
Ort 36,621434 7,8999442 -5,3665923
EX 0,8464867 0,0442762 0,5305657
EY -0,2575684 0,9062147 0,33531 1
EZ -0,4659601 -0,4204932 0,7785028 Fläche F7 5. Reflexion 104
Ort 26,1751 191 4,5087813 -4,7546122
EX -0,7938649 0,0023845 -0,6080895
EY -0,1504673 0,9681253 0,2002323
EZ 0,5891843 0,250455 -0,7682019
Fläche F8 Austritt Prisma, Freiformfläche
Ort 24,6666748 4,7051 17 -1 1 ,1046731
EX 0,9562232 -0,0641391 0,285523
EY 0,0022923 0,9772973 0,21 18602
EZ -0,2926294 -0,201931 1 0,9346614
Fläche F9 Eintritt ins Brillenglas über Rückseite 8, Radius 90 mm
Ort -0,0000001 -0,0000002 -15,6995003
EX 0,999814 0,0018171 -0,0192
EY 0,0000001 0,995551 0,0942242
EZ 0,0192858 -0,0942067 0,9953658
Fläche F10 Reflexion im Abschnitt 23, Freiformfläche
Ort 24,7480995 9,5460548 -13,3644689
EX 0,8156392 0,0925728 0,571 1067
EY -0,2124713 0,9660696 0,1468519
EZ -0,5381344 -0,241 122 0,8076333
Fläche F9 Innere Totalreflexion an Rückseite 8
Ort -0,0000001 -0,0000002 -15,6995003
EX -0,999814 -0,0018171 0,0192 EY 0,0000001 0,995551 0,0942242
EZ -0,0192858 0,0942067 -0,9953658
Fläche F1 1 Innere Totalreflexion an Vorderseite 7, Radius 94 mm
Ort -0,0771433 0,3768266 -19,6809637
EX 0,999814 0,0018171 -0,0192
EY 0,0000001 0,995551 0,0942242
EZ 0,0192858 -0,0942067 0,9953658
Fläche F9 Innere Totalreflexion an Rückseite 8
Ort -0,0000001 -0,0000002 -15,6995003
EX -0,999814 -0,0018171 0,0192
EY 0,0000001 0,995551 0,0942242
EZ -0,0192858 0,0942067 -0,9953658
Fläche 28^
Ort -10,2887926 7,8252771 -16,0634171
EX -0,9864933 -0,1215025 0,109855
EY -0,0991071 0,9767123 0,1902918
EZ -0,1304177 0,1768342 -0,9755618
Fläche 282
Ort -10,2301046 7,7457018 -15,6244142
EX -0,9864933 -0,1215025 0,109855
EY -0,0991071 0,9767123 0,1902918
EZ -0,1304177 0,1768342 -0,9755618
Fläche 283 Ort 10,1714167 7,6661264 -15,18541 14 EX -0,9864933 -0,1215025 0,109855 EY -0,0991071 0,9767123 0,1902918 EZ -0,1304177 0,1768342 -0,9755618
Fläche 284
Ort 10,1 127287 7,586551 -14,7464086
EX -0,9864933 -0,1215025 0,109855
EY -0,0991071 0,9767123 0,1902918
EZ -0,1304177 0,1768342 -0,9755618
Fläche 285
Ort 10,0540408 7,5069756 -14,3074058
EX -0,9864933 -0,1215025 0,109855
EY -0,0991071 0,9767123 0,1902918
EZ -0,1304177 0,1768342 -0,9755618
Fläche 286
Ort -9,9953528 7,4274003 -13,8684029
EX -0,9864933 -0,1215025 0,109855
EY -0,0991071 0,9767123 0,1902918
EZ -0,1304177 0,1768342 -0,9755618
Fläche 287
Ort -9,9366649 7,3478249 -13,4294001
EX -0,9864933 -0,1215025 0,109855
EY -0,0991071 0,9767123 0,1902918
EZ -0,1304177 0,1768342 -0,9755618 Fläche 28,
Ort -9,8779769 7,2682495 -12,9903973
EX -0,9864933 -0,1215025 0,109855
EY -0,0991071 0,9767123 0,1902918
EZ -0,1304177 0,1768342 -0,9755618
Ort -9,8192889 7,1886742 -12,5513944 EX -0,9864933 -0,1215025 0,109855 EY -0,0991071 0,9767123 0,1902918 EZ -0,1304177 0,1768342 -0,9755618
Fläche 2810
Ort -9,760601 7,1090988 -12,1 123916
EX -0,9864933 -0,1215025 0,109855
EY -0,0991071 0,9767123 0,1902918
EZ -0,1304177 0,1768342 -0,9755618
Fläche F9 Austritt Brillenglas 3
Ort 0 0 -15,6995
EX 0,999814 0,0018171 -0,0192
EY 0,0000001 0,995551 0,0942242
EZ 0,0192858 -0,0942067 0,9953658
Fläche F12
Ort 0 0
EX 0 0 EY 0 1 0
EZ 0 0 1
Die Werte für die Freiformflächen F8 und F10 sind in der nachfolgenden Tabelle in gleicher Weise wie für die Facetten 281-2810 angegeben.
i j F8 F10
1 0 -2.69940E-02 0
0 1 3.06786E-03 0
2 0 -3.56798E-03 1 ,14973 E-02
1 1 -7.29234E-03 4.45868E-04
0 2 9.51758E-03 9,16551 E-03
3 0 -3.65288E-04 1 .01450E-04
2 1 -6.30398E-05 2.83498E-05
1 2 -1 .80824E-04 3,42169E-05
0 3 -7.36505E-05 6.94948E-06
4 0 3,1 1041 E-05 1 .52520E-06
3 1 -4.90029E-05 6,49715E-06
2 2 -3.58994E-05 9,35341 E-07
1 3 9.04467E-06 1 .60443E-06
0 4 6.16336E-08 8.08264E-07
5 0 1 .61380E-06 2,7371 OE-07
4 1 -3.56986E-07 -1 .50363E-07
3 2 -1 ,46244E-06 -6.19532E-08
2 3 6.66230E-07 -1 .90150E-08
1 4 -1 .51679E-06 2.67477E-07
0 5 5.70054E-07 6.96397E-09
6 0 4,34415E-07 2.54133E-08
5 1 -1 .51562E-08 -1 ,65761 E-09
4 2 -2,28541 E-07 -1 .81043E-08
3 3 -5,44341 E-08 1 ,47308 E-08
2 4 3.13272E-07 -3, 74204 E- 10
1 5 1 .25625E-07 -2.50990E-09 0 6 -3,29481 E-08 3.18622E-09
7 0 -3.27984E-08 8.28855E-10
6 1 -4.66566E-08 -5.27318E-10
5 2 3.16837E-10 1 .02033E-09
4 3 3.20374E-08 -1 .14635E-09
3 4 1 .10706E-08 -1 .16495E-09
2 5 -2.05587E-08 -1 .63862E-09
1 6 -4.70939E-09 2, 64884 E- 1 1
0 7 -1 ,54349 E-09 -2,25617E-10
8 0 0 -1 .80003E-10
7 1 0 -2.83214E-1 1
6 2 0 1 .69034E-10
5 3 0 1 .42023E-10
4 4 0 -2.12468E-10
3 5 0 -2.24496E-10
2 6 0 -9.09024E-1 1
1 7 0 2.10367E-1 1
0 8 0 -1 .01283E-12
Wie sich aus den obigen Angaben entnehmen läßt, treten die Lichtstrahlen über das Deckglas (Flächen F1 und F2) an der Fläche F3 in das Prisma ein. Es findet dann eine Reflexion an der Fläche F4, an der Fläche F3, an der Fläche F5, an der Fläche F6, an der Fläche F7 statt, so dass die Lichtstrahlen über die Fläche F8 aus dem Prisma austreten und über die Rückseite 8 (Fläche F9) in das Brillenglas eintreten. Im Brillenglas finden dann Reflexionen an Vorderseite 7 und Rückseite 8 (Flächen F10, F9 und F1 1 ) statt, so dass die Lichtbündel bis zur Fresnel- Struktur 21 geführt werden, an der sie in der beschriebenen Art und Weise in Richtung zum Auge hin umgelenkt werden, so dass sie über die Rückseite 8 (Fläche F9) aus dem Brillenglas austreten und im Bereich der Fläche F12 durch ein Auge des Benutzers wahrnehmbar sind.
In Fig. 6 ist in beliebigen Einheiten die Pupille eines Feldpunktes und somit die Abbildung eines Bildpixels in die Austrittspupille 14 dargestellt, wobei die unterschiedlichen Formen für Reflexion an verschiedenen Facetten 28 stehen. Aus Fig. 6 ergibt sich, dass der betrachtete Feldpunkt von sechs optisch wirksamen Facetten 28 in die Austrittspupille 14 abgebildet wird. Bei der Optimierung der vorbestimmten Flächen für die optisch wirksamen Facetten 28 kann auch zugelassen werden, dass eine Abschattung auftritt (Strahl A) oder dass der Strahl seine ursprüngliche Facette verfehlt (Strahl B) und dann bei der Optimierung der Form der vorbestimmten Fläche auch diese Strahlen berücksichtigt werden. Es hat sich erfindungsgemäß gezeigt, dass bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel die Berücksichtigung der unmittelbar benachbarten Facetten 28 ausreichend ist.
Ferner kann bei der Optimierung auch noch die Unterdrückung von unerwünschtem Falschlicht berücksichtigt werden. Dazu wird insbesondere die Form der Nebenflanken 29 bezüglich der Falschlichtoptimierung geändert.
Die Reflexion an den Facetten 28 kann eine innere Totalreflexion sein. Es ist auch möglich, dass die Facetten 28 mit einer reflektierenden Beschichtung versehen sind, um die gewünschte Reflexion zu erhalten. Dabei kann es sich beispielsweise um eine teiltransparente Beschichtung handeln, so dass neben der Reflexion an den Facetten 28 auch noch eine gewisse
Transmission möglich ist, so dass selbst im Bereich der Facetten 28 der Benutzer die
Umgebung wahrnehmen kann. Natürlich kann die reflektierende Beschichtung auch so ausgebildet sein, dass sie vollständig reflektiert und kein Licht transmittiert. Wie in der schematischen Schnittdarstellung in Fig. 7 angedeutet ist, können die durch die Ausbildung der Facetten entstandenen Freiräume auf der Vorderseite 7 mit Material 31 so aufgefüllt sein, dass die ursprüngliche Form der Vorderseite 7 auch im Bereich der Fresnel- Struktur 21 vorhanden ist. Wenn die Facetten 28 mit einer reflektierenden Beschichtung versehen sind, kann das gleiche Material zur Auffüllung verwendet werden wie für das
Brillenglas 3. Falls eine innere Totalreflexion gewünscht ist, wird ein entsprechendes anderes Material gewählt, bei dem eine innere Totalreflexion möglich ist.
Die bisher beschriebene Fresnel-Struktur 21 ist eine zusammenhängende Fresnel-Struktur, bei der die Nebenflanken 29 benachbarte Facetten 28 verbinden. Es ist jedoch auch möglich, die Fresnel-Struktur 21 als nicht-zusammenhängende Fresnel-Struktur 21 auszubilden , wie in Fig. 8 angedeutet ist. In diesem Fall verbinden die Nebenflanken 29 nicht zwei benachbarte Facetten 28, sondern ist zwischen der Nebenflanke 29 und der benachbarten Facette 28 noch ein Abschnitt der Vorderseite 7 vorhanden. Diese Bereiche sind transmissiv, so dass die Facetten 28 z.B. mit einer reflektierenden Beschichtung versehen werden können und immer noch eine Überlagerung auch innerhalb der Fresnel-Struktur 21 von der Umgebung und dem abgebildeten virtuellen Bild möglich ist. Auch bei der Ausbildung als nicht-zusammenhängende Fresnel-Struktur 21 kann die Reflexion durch innere Totalreflexion erfolgen und kann in gleicher Weise eine Materialauffüllung durchgeführt werden, wie in Verbindung mit Fig. 6 beschrieben wurde. Dies ist somit für den Fall der inneren Totalreflexion sowie auch für den Fall der reflektierenden Beschichtung möglich.
Bei den bisher beschriebenen Ausführungsformen sind die Facetten 28 streifenförmig oder länglich ausgebildet, wobei sie in einer ersten Richtung (hier y-Richtung) nebeneinander angeordnet sind und sich streifenförmig in einer zweiten Richtung quer zur ersten Richtung (hier ungefähr die x-Richtung) streifenförmig erstrecken, wie insbesondere in Fig. 4 ersichtlich ist. Man kann auch sagen, dass die Facetten 28 quer zu ihrer Längsrichtung nebeneinander angeordnet sind. Unter der streifenförmigen Ausbildung der Facetten 28 wird hier insbesondere verstanden, dass die Ausdehnung der Facetten 28 in der zweiten Richtung bzw. in der
Längsrichtung (hier also in etwa die x-Richtung) größer ist als in der ersten Richtung bzw. in Querrichtung (hier die y-Richtung). Insbesondere ist die Ausdehnung in Längsrichtung mindestens doppelt so groß wie die Ausdehnung in Querrichtung. Die Facetten 28 müssen jedoch nicht streifenförmig ausgebildet sein. Es ist auch möglich, dass die Facetten 28 entlang der zweiten Richtung (hier ungefähr die x-Richtung) nebeneinander angeordnet sind. Somit können z.B. die streifenförmigen Facetten gemäß Fig. 4 in der
Längsrichtung unterteilt sein, wie in Fig. 9 angedeutet ist. Jede der einzelnen Facetten ist bevorzugt für sich optimiert. Somit kann jede der Facetten 28 Teil einer vorbestimmten Fläche sein, wobei sich die vorbestimmten Flächen der Facetten 28 bezüglich ihres
Krümmungsverlaufes unterscheiden.
Bei der in Fig. 9 gezeigten Ausführungsform sind die Facetten 28 grundsätzlich noch als längliche oder streifenförmige Facetten 28 ausgebildet. Dies ist jedoch nicht zwingend notwendig. Die Facetten 28 können unterschiedlichste Formen haben und müssen auch nicht regelmäßig angeordnet sein, wie dies in Fig. 10 angedeutet ist. Bevorzugt ist auch bei der Darstellung gemäß Fig. 10 jede der Facetten 28 jeweils Teil einer vorbestimmten Fläche, wobei sich die vorbestimmten Flächen für die einzelnen Facetten 28 bezüglich ihres
Krümmungsverlaufes unterscheiden. Nachdem die Facetten 28 gemäß den Ausführungsformen von Fig. 9 und 10 kleiner sind als die Facetten 28 gemäß Fig. 4, werden in vorteilhafter Weise kleine Aberrationen pro Facette 28 auftreten. Nachdem auch die Anzahl der Facetten 28 höher ist, kann dies als weiterer Freiheitsgrad bei der Optimierung der Flächen für die Facetten 28 genutzt werden. In Fig. 1 1 ist eine Abwandlung des erfindungsgemäßen optischen Elementes in einer
Darstellung gezeigt, die der Darstellung gemäß Fig. 3 entspricht. Bei dieser Abwandlung weist jede reflektive Facette 28 einen ersten reflektiven Abschnitt 32 und einen sich daran anschließenden zweiten reflektiven Abschnitt 33 auf, wobei die Reflektivität des ersten reflektiven Abschnitts 32 größer ist als die des zweiten reflektiven Abschnitts 33.
Bei der hier beschriebenen Ausführungsform kann der erste reflektive Abschnitt 32 für die umzulenkenden Lichtstrahlen LrL4 eine möglichst hohe Reflektivität (beispielsweise 100 %) aufweisen. Die Reflektivität des zweiten reflektiven Abschnitts 33 kann z.B. 50 % betragen, so dass 50 % des einfallenden Lichtes reflektiert und 50 % transmittiert wird. Dies führt in vorteilhafter Weise dazu, dass nach der Umlenkung durch die Fresnel-Struktur 21 möglichst wenig bis keine Lücken zwischen den umgelenkten Lichtstrahlen L L4 vorliegen und somit eine homogene Helligkeitsverteilung im durch die umgelenkten Lichtstrahlen LrL4 vorliegenden Lichtbündel vorliegt.
Bei der Darstellung gemäß Fig. 1 1 sind drei nebeneinander angeordnete reflektive Facetten 28 (die hier als erste, zweite und dritte Facette 28 282 und 283 bezeichnet sind) zusammen mit den entsprechenden Lichtstrahlen L L4 dargestellt. Des weiteren ist bei jeder der reflektiven Facetten 28† -283 der erste reflektive Abschnitt 32 mit einer durchgezogenen Linie gezeichnet und der daran anschließende zweite reflektive Abschnitt 33, der eine geringere Reflektivität aufweist, gestrichelt dargestellt. Wie der Darstellung in Fig. 1 1 entnommen werden kann, liegt der zweite reflektive Abschnitt 33 der ersten reflektiven Facette 28! , in Einfallsrichtung ER gesehen, vor dem ersten reflektiven Abschnitt 32 der zweiten reflektiven Facette 282. Dies führt dazu, dass der Lichtstrahl L2, der gerade auf den Anfang des zweiten reflektiven Abschnitts 33 der ersten reflektiven Facette 28^ trifft, vom zweiten reflektiven Abschnitt 33 teilweise in Richtung der Ausfallsrichtung AR umgelenkt wird und teilweise als Lichtstrahl L2' transmittiert wird. Der transmittierte Lichtstrahl L2' trifft auf den hinter dem zweiten reflektiven Abschnitt 33 der ersten reflektiven Facette 28^ liegenden ersten reflektiven Abschnitt 32 der zweiten reflektiven Facette 282 und wird von diesem in Richtung der Ausfallsrichtung AR umgelenkt. Somit ist der schraffiert dargestellte Bereich 34 auch mit umgelenkten Lichtstrahlen 18 gefüllt, was nicht der Fall wäre, wenn der zweite reflektive Abschnitt 33 der ersten reflektiven Facette 28 keine transmittierende
Eigenschaft aufweisen würde, sondern rein reflektiv wäre. Bei dieser Ausführungsform des rechten Brillenglases 3 ist somit der Abschnitt (zweiter reflektiver Abschnitt 33) der reflektiven Facette 28 teilreflektiv und teiltransparent ausgebildet, der bei der vorbestimmten
Einfallsrichtung ER zu einer Abschattung der dahinter liegenden reflektiven Facette 28 führen würde. Damit können die unerwünschten Lücken nach der Umlenkung vermieden bzw. mit den entsprechend umgelenkten Lichtstrahlen gefüllt werden. Ferner ist es möglich , dass die ersten reflektiven Abschnitte 32 nicht rein reflektiv sind, sondern eine gewisse Transmission zulassen. Dies kann z.B. dazu benutzt werden, dass durch den ersten reflektiven Abschnitt 32 auch die Umgebung bei aufgesetzter Anzeigevorrichtung 1 durch den Benutzer wahrgenommen werden kann. Das virtuelle Bild kann in diesem Fall in
Überlagerung mit der Umgebung dargestellt werden.
In Fig. 12 ist perspektivisch eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen rechten Brillenglases 3 mit drei schematisch dargestellten reflektiven Facetten 28 282 und 283 gezeigt. Die Form und Lage der Facetten 28i -283 kann dabei beispielsweise wie folgt bestimmt werden. Lichtstrahlen Li , die die untere Kante 362 der zweiten Facette 282 treffen, bestimmen die Grenze bzw. Grenzlinie 37! zwischen dem ersten reflektiven Abschnitt 32 und dem zweiten reflektiven Abschnitt 33 der ersten reflektiven Facette 28^ . Lichtstrahlen L2, die die untere Kante 363 der dritten Facette 283 treffen, bestimmen die Grenze bzw. Grenzlinie 372 zwischen dem ersten und zweiten reflektiven Abschnitt 32 und 33 auf der zweiten reflektiven Facette 282 sowie eine obere Grenze bzw. obere Grenzlinie 38! auf der ersten reflektiven Facette 28! .
Strahlen L3, die an der unteren Kante 363 der dritten Facette 283 reflektiert werden, müssen die obere Kante 39i der ersten Facette 28i berühren und möglichst die gleiche Richtung mit den Strahlen haben, die an dieser oberen Kante 39i der ersten Facette 28^ reflektiert sind. Der Teil des Lichtstrahls L, der von dem oberen Teilbereich 42 des zweiten reflektiven Abschnitts 33 der ersten Facette 28^ reflektiert wird (schraffiert), mu ß sich an den Teil anschließen , der von dem ersten reflektiven Abschnitt 32 der zweiten Facette 282 reflektiert wird. Der obere Teilbereich 42 des zweiten reflektiven Abschnitts 33 ist der Bereich zwischen einer oberen Grenze 38! und der oberen Kante 39i . Die obere Grenze 38i ist durch den Lichtstrahl L2 festgelegt, der die untere Kante 363 der dritten Facette 283 trifft. Der Bereich zwischen oberer Grenze 38i und unterer Grenze 37! kann als unterer Teilbereich 41 des zweiten reflektiven Abschnitts 33 bezeichnet werden.
Basierend auf diesen Bedingungen ist es möglich, die Form und Position der Facetten 28 und die Lage der Grenzen 37, 38 für ein Lichtbündel bzw. einen Lichtstrahl (z.B. für ein zentrales Lichtbündel L) zu bestimmen. Dabei können alle Facetten 28 für alle Grenzlinien 37, 38 unterschiedlich sein. Wenn man in dieser Art und Weise alle Bündel aus dem Objektfeld berücksichtigt, kann es noch zu einer Änderung der Umrisse der Facetten 28 und der
Grenzlinien führen. Das kann zu Lücken und auch zu einer inhomogenen Helligkeitsverteilung im Licht nach der Umlenkung führen. Dies ist jedoch stets deutlich geringer als dies der Fall wäre ohne die teilreflektiven Abschnitte 33. Der schraffierte Bereich von eingestrahlten Lichtstrahlen zeigt die Aufteilung des Lichts auf halbtransparente Facettenteile und die Zusammensetzung zu einem lückenlosen
Gesamtbündel nach Umlenkung an der Fresnel-Struktur 21. Im Unterschied zu herkömmlichen Fresnel-Optiken für Brillen mit Dateneinspiegelung, bei denen die einzelnen Facetten der herkömmlichen Fresnel-Optik aus aneinander angrenzenden Segmenten eine Fläche bestehen, können bei den Fresnel-Optiken aus den
Ausführungsbeispielen die Facetten aus beliebigen Segmenten unterschiedlicher Flächen gebildet werden, wobei die Flächen beispielsweise durch Polynome mit unterschiedlichen Koeffizienten beschrieben werden. Die Facetten sind somit freier wählbar und können im Strahlengang beliebig überlappend oder beabstandet ausgebildet werden. Die optische Performance wird dadurch verbessert, beispielsweise werden die geometrisch-optischen Aberrationen oder Strahlabweichungen um mindestens 15%, bevorzugt um 30% verringert. Gleichzeitig kann die Brechkraft der Fresnel-Fläche gesteigert werden, beispielsweise sind Brennweiten von weniger als 5000mm, bevorzugt von weniger als 1000mm möglich.
Bei den beschriebenen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anzeigevorrichtung 1 erfolgt die Einkopplung des virtuellen Bildes in das Gesichtsfeld des Benutzers über das rechte Brillenglas 3. Natürlich ist auch eine Einkopplung über das linke Brillenglas 4 möglich. Des weiteren kann die Anzeigevorrichtung 1 so ausgebildet sein, dass Informationen über beide Brillengläser 3, 4 eingespiegelt werden. Dabei kann die Einspiegelung so erfolgen, dass ein dreidimensionaler Bildeindruck entsteht.
Die Brillengläser 3 und 4 gemäß den beschriebenen Ausführungsformen weisen eine
Abbildungswirkung mit Brechkraft null auf. Natürlich können die Brillengläser 3, 4 auch eine Brechkraft von ungleich null aufweisen und insbesondere zur Korrektur von Fehlsichtigkeiten ausgelegt sein. Die Brillengläser 3, 4 können z.B. aus Glas oder aus Kunststoff hergestellt sein.

Claims

Patentansprüche
1 . Optisches Element mit einer Fresnel-Struktur (21 ) mit mehreren Fresnel-Segmenten (27), wobei jedes Fresnel-Segment (27) eine optisch wirksame Facette (28) aufweist, deren Form
Teil einer vorbestimmten Fläche ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
sich die vorbestimmten Flächen der optisch wirksamen Facetten (28) in ihrem
Krümmungsverlauf unterscheiden.
2. Optisches Element nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass aufgrund der unterschiedlichen Krümmungsverläufe der vorbestimmten Flächen die optisch wirksamen Facetten (28) nicht zu einer stetig differenzierbaren Fläche zusammengesetzt werden können.
3. Optisches Element nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die vorbestimmten Flächen keine Spiegel- oder Rotationssymmetrie aufweisen.
4. Optisches Element nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die vorbestimmten Flächen keine Translationssymmetrie aufweisen.
5. Optisches Element nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fresnel-Struktur (21 ) an einer Grenzfläche des optischen Elementes (3) ausgebildet ist.
6. Optisches Element nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Grenzfläche (7) gekrümmt ist.
7. Optisches Element nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fresnel-Segmente direkt benachbart sind.
8. Optisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Fresnel-Segmente (27) voneinander beabstandet sind.
9. Optisches Element nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fresnel-Struktur (21 ) eine optische Abbildungsfunktion bereitstellt.
10. Optisches Element nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die optisch wirksamen Facetten (28) entlang einer ersten Richtung nebeneinander angeordnet sind und sich quer zur ersten Richtung streifenförmig erstrecken.
1 1 . Optisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die optisch wirksamen Facetten (28) entlang einer ersten Richtung und entlang einer quer zur ersten Richtung verlaufenden zweiten Richtung nebeneinander angeordnet sind.
12. Optisches Element nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die optisch wirksame Facetten (28) als reflektive Facetten (28) ausgebildet sind.
13. Optisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Fresnel-Struktur (21 ) als reflektive Fresnel-Struktur (21 ) zum Umlenken von entlang einer Einfallsrichtung (ER) auf die Fresnel-Struktur (21 ) einfallenden Lichtbündeln (L1 : L2, L3, L4) in eine Ausfallsrichtung (AR) ausgebildet ist, wobei die optisch wirksamen Facetten (27) reflektiv ausgebildet und nebeneinander angeordnet sind und zumindest zwei unmittelbar benachbarte Facetten (27) einen ersten reflektiven Abschnitt (32) und einen daran anschließenden zweiten reflektiven Abschnitt (33) aufweisen,
wobei die Reflektivität des ersten reflektiven Abschnitts (32) größer ist als die Reflektivität des zweiten reflektiven Abschnitts (33) und
wobei in Einfallsrichtung (ER) gesehen der zweite reflektive Abschnitt (33) einer ersten reflektiven Facette (28^ vor dem ersten reflektiven Abschnitt (32) der unmittelbar benachbarten reflektiven Facette (282) liegt, so dass der Teil des einfallenden Lichtbündels (L1 : L2, L3, L4), der von dem zweiten reflektiven Abschnitt (33) der ersten reflektiven Facette (28^ transmittiert wird, auf den ersten reflektiven Abschnitt (32) der unmittelbar benachbarten reflektiven Facette (282) trifft, um umgelenkt zu werden.
14. Optisches Element nach Anspruch 13, bei dem
der zweite reflektive Abschnitt (33) der reflektiven Facetten (28) jeweils einen ersten Bereich (41 ), der an den ersten reflektiven Abschnitt (32) anschließt, und einen
zweiten Bereich (42), der an den ersten Bereich (41 ) anschließt, aufweist,
wobei der zweite Bereich (42) der ersten Facette (28^ in Einfallsrichtung (ER) gesehen vor dem ersten Bereich (41 ) der unmittelbar benachbarten Facette (282) liegt.
15. Optisches Element nach Anspruch 14, bei dem die Reflektivität des ersten Bereichs (41 ) größer ist als die Reflektivität des zweiten Bereichs (42).
16. Anzeigevorrichtung mit
einem optischen Element (3) nach einem der obigen Ansprüche,
einer auf den Kopf eines Benutzers aufsetzbaren Haltevorrichtung (2),
einem an der Haltevorrichtung (2) befestigten Bilderzeugungsmodul (5), das ein Bild erzeugt, und
einer an der Haltevorrichtung (2) befestigten Abbildungsoptik (3, 22), die das optische Element (3) aufweist und das erzeugte Bild im auf dem Kopf aufgesetzten Zustand der Haltevorrichtung so abbildet, dass es der Benutzer als virtuelles Bild wahrnehmen kann,
wobei das vom Bilderzeugungsmodul (5) erzeugte Bild über einen Einkoppelabschnitt (9) des optischen Elementes (3) in das optische Element (3) eingekoppelt, im optischen Element (3) durch eine oder mehrere Reflexionen bis zu einem Auskoppelabschnitt geführt und über den Auskoppelabschnitt aus dem optischen Element (3) ausgekoppelt wird, wobei der Einkoppel- und/oder Auskoppelabschnitt die Fresnel-Struktur (21 ) aufweist.
17. Verfahren zur Herstellung eines optischen Elementes nach einem der Ansprüche 1 - 15, dadurch gekennzeichnet, dass
a) für jede optisch wirksame Facette (28) eine individuelle Flächenbeschreibung vorgesehen wird,
b) für jede optisch wirksame Facette (28) die Form der durch die Flächenbeschreibung charakterisierten Fläche optimiert wird, um die vorbestimmte Fläche zu bestimmen, c) basierend auf den so bestimmten vorbestimmten Flächen die Herstellungsdaten erzeugt und d) basierend auf den Herstellungsdaten das optische Element hergestellt wird.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt c) für jede Facette (27) der Teil der bestimmten vorbestimmten Fläche, der die optisch wirksame Facette (28) charakterisiert, rechnerisch an einer gekrümmten Grundfläche (7) angeordnet wird.
PCT/EP2014/066111 2013-07-26 2014-07-25 Optisches element mit einer fresnel-struktur sowie anzeigevorrichtung mit einem solchen optischen element WO2015011287A1 (de)

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DE102013214697.3 2013-07-26

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