WO2023242111A1 - Lichtwellenleiter mit gekrümmtem grin-element - Google Patents

Lichtwellenleiter mit gekrümmtem grin-element Download PDF

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WO2023242111A1
WO2023242111A1 PCT/EP2023/065628 EP2023065628W WO2023242111A1 WO 2023242111 A1 WO2023242111 A1 WO 2023242111A1 EP 2023065628 W EP2023065628 W EP 2023065628W WO 2023242111 A1 WO2023242111 A1 WO 2023242111A1
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WO
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optical waveguide
refractive index
optical
grin
grin element
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PCT/EP2023/065628
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Christoph Menke
Norbert Kerwien
Andrea Berner
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Carl Zeiss Ag
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    • G02B6/0001—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems
    • G02B6/0011—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems the light guides being planar or of plate-like form
    • G02B6/0033—Means for improving the coupling-out of light from the light guide
    • G02B6/0035—Means for improving the coupling-out of light from the light guide provided on the surface of the light guide or in the bulk of it
    • G02B6/0045—Means for improving the coupling-out of light from the light guide provided on the surface of the light guide or in the bulk of it by shaping at least a portion of the light guide
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    • G02B27/0101—Head-up displays characterised by optical features
    • G02B2027/011—Head-up displays characterised by optical features comprising device for correcting geometrical aberrations, distortion

Definitions

  • the present invention relates to an optical waveguide for arrangement in the beam path of an optical arrangement, for example a head-mounted display (HMD), a head-up display (HUD), a near-to-eye display or an imaging arrangement or imaging -Device (smart glasses with, for example, gesture recognition or eye tracking).
  • an optical arrangement for example for one of the aforementioned applications, an image capture device and an image display device.
  • Head-mounted displays for example in the form of data glasses or AR headsets (AR - Augmented Reality) or VR headsets (VR - Virtual Reality) or MR headsets (MR - Mixed Reality) or VR or MR glasses or VR or MR helmets are used in numerous contexts.
  • AR Augmented Reality
  • VR headsets VR - Virtual Reality
  • MR headsets MR - Mixed Reality
  • VR or MR glasses or VR or MR helmets are used in numerous contexts.
  • the light waves are usually guided after coupling into an optical waveguide by means of total reflection until they are coupled out.
  • augmented reality glasses” or “AR glasses” for short, they see a coupled or reflected “virtual image” superimposed on their image of the real world (“real image”).
  • a beam combiner which on the one hand is transparent to the ambient light and on the other hand also directs a beam of rays generated by an external imager onto the eye or into an eyebox.
  • the eye perceives this bundle of rays as a virtual image.
  • the beam path of the image of the real environment and the coupled-in are used to describe the beam path
  • Each virtual image defines an imaging path.
  • an imaging path is the path of the light from the object, e.g. an object in the real environment, or from the imager/projector, which emits the virtual image to be coupled in, to the place where the image is created or the image is perceived, e.g. the eye of a user or the eyebox, understood.
  • An optical waveguide is understood to mean a waveguide which is designed to guide or forward light waves through total reflection on surfaces of the waveguide inside the waveguide.
  • Light waves are understood to mean electromagnetic waves with wavelengths in the range between 300 nm (ultraviolet light) and 2 ⁇ m (infrared light), in particular light waves in the visible range and near infrared and near ultraviolet range.
  • a head-mounted display e.g. AR headsets
  • the image generated by an imaging unit or a display is coupled into the optical fiber, reflected once or several times within the optical fiber by means of total reflection and finally coupled out, so that a user of the head-mounted display Mounted displays can see a virtual image.
  • the area of space from which the virtual image passes through you What is visually perceptible to the user is also known as an eyebox.
  • the two outer surfaces of the optical waveguide are often designed as parallel flat surfaces so that neither optical refractive power is introduced within the optical waveguide nor aberrations that impair the image quality are generated.
  • head-mounted displays e.g. AR headsets
  • This one lens or these several additional lenses are used to correct the ametropia (ambiguous vision) or presbyopia (presbyopia) of the eye (pull lens) and/or to make the virtual image appear focused at a desired distance (pull lens) , without affecting the image of the real environment (push lens).
  • Eyeglass lenses are usually meniscus-shaped. If an optical fiber is integrated as a plane-parallel plate into a lens that is to be used as a head-mounted display, the combination of the optical fiber with the push-pull lenses inevitably leads to thick, voluminous and heavy systems. Obviously, the total thickness of a lens consisting of a push lens, a flat optical fiber and a pull lens increases with the curvature of the meniscus. However, stronger curvatures are necessary to correct larger ametropia (ametropia, e.g. more than +/-3 diopters) or presbyopia in progressive lenses.
  • ametropia ametropia, e.g. more than +/-3 diopters
  • a curved optical fiber usually leads, and especially with large fields of view or FOVs (FOV field of view), to strong astigmatic imaging errors in the virtual image that cannot be compensated for within the optical fiber.
  • FOVs field of view
  • a correction outside the optical fiber is also not possible, as the view through the glasses (image path of the real image of the environment) of the objects in the outside world must not be impaired.
  • the optical waveguide according to the invention for arrangement in the beam path of an optical arrangement comprises a device for coupling out and/or coupling in an imaging beam path, i.e. light waves.
  • the waveguide according to the invention can be, for example, a waveguide of a head-mounted display.
  • the waveguide can be designed in particular to generate a virtual image and at the same time to view the environment, i.e. to generate a real image of the environment. It can also be designed to be arranged between an imaging unit and an eyebox of a head-mounted display.
  • the optical waveguide according to the invention comprises a GRIN element.
  • a GRIN element or a GRIN material is understood to mean a gradient index element or gradient index material (GRIN) which has a refractive index curve or a refractive index distribution with a gradient.
  • the GRIN element is designed for light wave guidance by means of total reflection and is not part of a device for coupling in and/or decoupling an imaging beam path, i.e. light waves. In other words, it can be arranged as an integral part of the optical waveguide in the beam path between a device for coupling in and a device for coupling out.
  • the GRIN element of the optical waveguide according to the invention has at least one curved surface.
  • the surface can be concave or be convexly curved.
  • the surfaces can also be designed as free-form surfaces or aspherical surfaces.
  • An aspherical surface is understood to be a rotationally symmetrical optical surface whose radius of curvature changes radially with the distance from the center.
  • the GRIN element also has a refractive index distribution, which is designed to reduce the aberrations caused by the curvature of the GRIN element in an imaging path of a virtual image, which is generated by means of light waves guided in the optical waveguide by total reflection.
  • the refractive index distribution is therefore designed to at least partially correct, preferably completely correct, the aberrations mentioned.
  • the aberrations of the virtual image to be corrected arise from the curvature of the waveguide, since reflection (total reflection on the surfaces of the optical waveguide) has an optical effect on a curved surface.
  • the curved surface changes the convergence of the beam. With multiple reflections, the convergence changes with each reflection, causing aberrations, especially strong astigmatism, to occur.
  • the refractive index curve of the GRIN material now makes it possible to correct these typical aberrations of a simple curved optical fiber.
  • the GRIN material offers additional degrees of freedom in order to optionally reduce the aberrations of the real image of the environment caused by the GRIN element, also through the refractive index curve and, if necessary, through an adapted design of the curvature of the at least one surface, preferably the two surfaces, e.g. to correct completely or at least partially.
  • the at least one surface for example a first and/or a second surface can in particular be spherical, cylindrical, toric or aspherically curved or designed as a free-form surface.
  • the GRIN element preferably consists of isotropic material that does not have birefringence.
  • the GRIN element has a refractive index distribution, which is additionally designed to detect the aberrations induced or caused by the GRIN element in an imaging path of a real image of the environment, i.e. the real or actual environment, which is caused by the GRIN element runs through, to reduce, in particular to correct at least partially or completely.
  • the GRIN element is designed to reduce or correct the imaging errors of the coupled-in virtual image that are typically generated in a simple curved optical waveguide without a GRIN refractive index curve, as well as optionally additionally the aberrations of the real image of the actual environment (as seen through the waveguide towards the surroundings).
  • the aberrations induced in the imaging path of the real image of the environment by the GRIN element can be aberrations which are induced by the curvature of the GRIN element and/or which are caused by the aberrations induced in the imaging path of the virtual image Aberrations designed refractive index distribution are induced.
  • the optical waveguide according to the invention has the advantage that, due to its curved design, it can be adapted to a meniscus shape of a spectacle lens, in particular at least one of the lenses described above.
  • the GRIN element can be used, for example, to reduce or correct strong astigmatic errors in the virtual image without impairing the view of the objects in the outside world through the optical fiber.
  • the invention enables a compact and lightweight arrangement with a reduced system thickness (see Fig. 1). This is particularly advantageous from an aesthetic point of view. It can be compared Significantly more attractive eyewear designs can be achieved using plane-parallel optical fibers.
  • a large, aberration-free field of view (FOV) can be realized for the imaging path of the virtual image.
  • Transformation optics are characterized by the ability to “bend” or direct light or electromagnetic waves in any way for a desired application. This is done by tailoring the medium in which the electromagnetic wave propagates. The necessary properties of the medium are derived through a mathematical transformation. The special thing about this is that the Maxwell equations remain in their form, even though the coordinates are transformed. Instead, the spatial distribution of the material parameters ⁇ (permittivity, dielectric constant) and ⁇ (magnetic permeability) "transform" or change.
  • a coordinate transformation is carried out: q 1 (x, y, z) q 2 (x, y, z) q 3 (x, y, z)
  • the Maxwell equations are set up in the new coordinate system, whereby the form of the Maxwell equations does not change.
  • Maxwell equations can therefore be transformed into a new geometry or coordinate system that is particularly advantageous for describing a specific application.
  • ⁇ and ⁇ must be changed.
  • a planar optical waveguide is subjected to a suitable transformation, it can be converted into any shape, in particular into a spherically curved optical waveguide. It is also possible to convert it into a cylindrical, toric, aspherical or free-form waveguide, for example.
  • the refractive index curves or the refractive index distribution (represented via ⁇ and ⁇ ) must be adjusted according to the transformation.
  • the light wave field that propagates through a waveguide transformed in this way remains aberration-free - as in a planar optical waveguide. The derivation is described in detail in the context of the first and second embodiment variants.
  • the refractive index distribution of the GRIN element can have a radially symmetrical and/or cylindrical or cylindrically symmetrical and/or toric refractive index distribution and/or have a refractive index distribution which has at least one surface with a constant refractive index, wherein the at least one surface is cylindrical or toric or spherical or aspherical or designed as a free-form surface.
  • the at least one surface with a constant refractive index can coincide with the at least one curved surface of the GRIN element or run parallel to it. This variant has manufacturing advantages.
  • the origin of the coordinate system lies at the eye pivot point or a center point of an eyebox or on a straight line that connects an eye pivot point and a center point of an eyebox.
  • n(r) n 1 *r'/r
  • r' is the radius of curvature of the first surface
  • r is the radius, i.e Distance from the origin of the coordinate system which defines the radius of curvature of the first surface r'
  • m is the refractive index of the material of the GRIN element on the first surface.
  • the maximum thickness of the GRIN element in the direction of the optical axis or the main beam direction of an imaging path of the real image of the environment or in the radial direction can be at least 0.1 mm and/or a maximum of 10 mm, in particular between 0.1 mm and 10 mm, preferably between 0 .5mm and 3mm, for example between 1mm and 2mm.
  • the dimensions mentioned are particularly advantageous in connection with head-mounted displays when used in combination with spectacle lenses for correcting ametropia, since they enable compact optical arrangements.
  • the change in the refractive index ⁇ n in the GRIN element is between 0.005 and 0.20.
  • the change in the refractive index ⁇ n in the GRIN element, in particular in the radial direction (radial refractive index swing) can be between 0.01 and 0.15.
  • the gradient ⁇ n/dx of the refractive index n in a direction x can be, for example, between 0mm -1 and 0.02mm -1 .
  • it is Gradient ⁇ n/dx of the refractive index n in a direction x perpendicular to the main beam direction of an imaging path of the real image of the environment or in a direction x parallel to the main beam direction of an imaging path of the real image of the environment or in a radial direction x or in a direction x perpendicular to the optical Axis or in a direction x parallel to the optical axis between 0mm -1 and 0.02mm -1 .
  • the first surface and/or second surface can be toric or spherical or aspherical or cylindrical or cylindrically symmetrical or designed as a free-form surface.
  • the projection image of the virtual image through the optical fiber but also the quality of the viewing application (real image of the environment) can be optimized at the same time. If at least one push and/or pull lens is used, these are included in the optimization of the view image (real image of the environment) and/or the virtual image.
  • the push and pull lenses can be designed as separate elements attached via an air gap or via an airgel or a liquid or as elements connected to the optical waveguide, in particular to the GRIN element (embedded GRIN waveguide) and even have an inhomogeneous refractive index -Distribution (refractive index profile) and/or have free-form surfaces.
  • the connection between the push and/or pull lens and the optical fiber can be made by molding, gluing or cementing.
  • the lenses can also be printed on the optical fiber using 3D printing.
  • the lenses and the optical fiber can also be manufactured in one piece, for example using 3D printing.
  • the GRIN element is designed to be zero in the imaging path of the real and/or virtual image to introduce different refractive power, for example positive and/or negative refractive power.
  • it is designed to manipulate a beam path or a wavefront like a refractive lens or analogous to a refractive lens.
  • the GRIN element can therefore act like a pull lens and/or a push lens. It can therefore be designed to correct ametropia, in particular sphere and/or astigmatism, and/or to focus a virtual image.
  • This has the advantage that at least one of the lenses mentioned for correcting ametropia and/or for focusing a virtual image is dispensed with and the system thickness can therefore be reduced.
  • the effect of the push lens and/or the pull lens is taken over by the GRIN element.
  • a curved waveguide in particular adapted to the meniscus shape of a spectacle lens, can be designed according to the present invention so that it acts like an optically flat waveguide by using an appropriately designed gradient index material (GRIN) instead of the homogeneous material.
  • GRIN gradient index material
  • the GRIN material can partially or completely compensate for the aberrations (e.g. astigmatism) caused by the curved surfaces in the waveguide, so that the quality of the virtual image for a user of a head-mounted display, e.g AR headsets, is acceptable.
  • the aberrations caused by the GRIN element of the optical waveguide in the imaging path of a real image of the environment i.e.
  • the GRIN element in the curved optical waveguide is designed such that the aberrations arising in the imaging path of a real image of the environment are small (astigmatism ⁇ 0.15 dpt) and no compensation is required.
  • the refractive index within the GRIN element can vary in three dimensions of a fixed coordinate system or reference system, i.e. have a gradient in all three dimensions.
  • the refractive index within the GRIN element varies in at least a first and a second dimension of a fixed coordinate system or reference system, i.e. has a gradient in these dimensions.
  • the refractive index along a third dimension of the defined coordinate system can be constant, i.e. have no gradient, the third dimension including a tilt angle with the main beam direction or the direction of the optical axis of an imaging path of the real image of the environment.
  • the amount of the tilt angle is greater than 2 degrees.
  • the amount of the tilt angle can be between 5 degrees and 20 degrees, for example. This configuration enables simplified production of the optical waveguide, with the costs for this being reduced.
  • the optical arrangement according to the invention comprises at least one optical element with at least one curved surface.
  • the at least one optical element can be designed as a lens, for example a meniscus-shaped or plano-concave or plano-convex lens.
  • the lens can e.g. be designed as a spectacle lens for correcting ametropia, in particular ametropia and/or presbyopia, and/or for focusing a virtual image.
  • the at least one optical element can also be designed as another optical element, for example a Fresnel lens, a diffractive or holographic optical element or as a GRIN lens, etc.
  • the optical arrangement according to the invention comprises at least one previously described optical waveguide according to the invention.
  • the at least one optical element and the optical waveguide are in the beam path of the imaging path of the real and/or virtual image arranged one behind the other.
  • the at least one optical element can be arranged in the beam path of the imaging path of the real and/or virtual image in front of or behind the optical waveguide, in particular in front of or behind the GRIN element.
  • the at least one optical element and the optical waveguide can be arranged one behind the other in a defined main beam direction or direction of the optical axis of an imaging path of the real image of the environment through the at least one optical element and through the optical waveguide.
  • the optical waveguide, in particular the GRIN element can therefore be arranged in the beam path of the imaging path of the real and/or virtual image in front of or behind the at least one optical element.
  • the GRIN element of the optical waveguide can be arranged geometrically between an eyebox or the eye of a viewer and a virtual image plane.
  • the at least one optical element can be arranged geometrically between the GRIN element of the optical waveguide and an eyebox or the eye of a viewer.
  • the optical arrangement can be for a head-mounted display (HMD), which is, for example, an AR headset or a VR headset, or an MR headset or an AR or VR or MR glasses or an AR - or VR or MR helmet or data glasses, or for a head-up display (HUD), for a near-to-eye display or for an imaging arrangement or an imaging device (smart glasses with for example gesture recognition or eye tracking).
  • HMD head-mounted display
  • HUD head-up display
  • the optical arrangement according to the invention has the features and advantages already mentioned in connection with the optical waveguide according to the invention.
  • the optical element can be designed as a refractive lens (e.g. spectacle lens) and/or for correcting ametropia, e.g. nearsightedness and/or farsightedness and/or astigmatism and/or presbyopia (presbyopia) etc., and/or for focusing a virtual image be.
  • the optical element for correcting ametropia can be in the imaging path of the real image Environment and / or for correcting ametropia in the imaging path of the virtual image and / or for focusing the virtual image in the imaging path of the virtual image.
  • the optical element can in particular be designed as spherical, aspherical or as a free-form lens.
  • the optical arrangement according to the invention can, for example, comprise at least one push lens and/or at least one pull lens.
  • the pull lens allows the virtual image to appear at a desired distance in front of the viewer's eye and, if necessary, corrects the wearer's ametropia for the virtual image. Depending on the ametropia, it can be collecting or dispersing.
  • a push lens ensures that the image of the real environment is corrected for a viewer, e.g. someone wearing glasses. Since the viewer or wearer always perceives the environment through the system consisting of optical fibers, push and pull lenses, the combination of these elements must be adapted to the respective viewer or wearer.
  • the optical waveguide is preferably designed such that the curvature of at least one of the surfaces of the GRIN element (e.g. the curvature of the first surface and/or the curvature of the second surface) is adapted to the curvature of the at least one curved surface of the at least one optical element.
  • the curvature of the GRIN element can be adapted to the meniscus shape of a spectacle lens.
  • the curvature of the GRIN element makes it possible to place the GRIN element directly onto the optical element.
  • the GRIN element and the optical element can have the same curvature over at least 50 percent, for example over at least 80 percent, preferably 100 percent, of the surfaces facing each other when applied.
  • the at least one optical element can be designed as a separate element or as an element connected to the optical waveguide in a fixed or detachable manner or by fixed spacers.
  • the optical element can in turn have an inhomogeneous refractive index distribution and/or a free-form surface.
  • the Optical arrangement according to the invention comprises at least one further GRIN element for reducing, for example for compensating, aberrations induced by the GRIN element along an imaging path of the real image of the environment.
  • the further GRIN element can be a separate component or element. However, it can also be part of the at least one optical element with at least one curved surface.
  • the image display device according to the invention comprises at least one optical waveguide according to the invention or a previously described optical arrangement according to the invention.
  • the image capture device according to the invention comprises at least one optical waveguide according to the invention.
  • the image capture device can be an imaging arrangement or imaging device (smart glasses with, for example, gesture recognition or eye tracking).
  • the image display device according to the invention and the image capture device according to the invention have the features and advantages already mentioned.
  • the term “and/or,” when used in a series of two or more items, means that any of the listed items may be used alone, or any combination of two or more of the listed items may be used. For example, if a composition is described that contains components A, B and/or C, the composition A alone; B alone; C alone; A and B in combination; A and C in combination; B and C in combination; or A, B, and C in combination.
  • Fig. 1 shows schematically variants of a lens arrangement of an AR headset.
  • Fig. 2 shows schematically the beam path through a plane-parallel waveguide.
  • Fig. 3 shows schematically the beam path through a curved waveguide.
  • FIG. 4 shows schematically the transverse deviations that occur in a waveguide shown in FIG. 3 for different viewing angles.
  • Fig. 5 shows schematically an optical waveguide according to the invention according to a first and a second embodiment variant in a sectioned view.
  • FIG. 6 shows the beam path through an optical waveguide according to the invention and the refractive index distribution in the GRIN element of the optical waveguide according to a third embodiment variant.
  • Fig. 7 shows the transverse deviations for different image angles for the third embodiment variant.
  • 8 shows the beam path through an optical waveguide according to the invention and the refractive index distribution in the GRIN element of the optical waveguide according to a fourth embodiment variant.
  • Fig. 9 shows the transverse deviations for different image angles for the fourth embodiment variant.
  • FIG. 10 shows the beam path through an optical waveguide according to the invention and the refractive index distribution in the GRIN element of the optical waveguide according to a fifth embodiment variant.
  • Fig. 11 shows the transverse deviations for different image angles for the fifth embodiment variant.
  • FIG. 12 shows the beam path through an optical waveguide according to the invention and the refractive index distribution in the GRIN element of the optical waveguide according to a sixth embodiment variant.
  • Fig. 13 shows the transverse deviations for different image angles for the sixth embodiment variant.
  • FIG 14 shows the beam path through an optical waveguide according to the invention and the refractive index distribution in the GRIN element of the optical waveguide according to a seventh embodiment variant.
  • Fig. 15 shows the transverse deviations for different image angles for the seventh embodiment variant.
  • Fig. 16 shows the spherical refractive power of the optical waveguide of the seventh embodiment variant in an imaging path of a real image of the environment.
  • Fig. 17 shows the astigmatism of the optical waveguide of the seventh embodiment variant in an imaging path of a real image of the environment.
  • FIG 18 shows the beam path through an optical waveguide according to the invention and the refractive index distribution in the GRIN element of the optical waveguide according to an eighth embodiment variant.
  • Fig. 19 shows the transverse deviations for different image angles for the eighth embodiment variant.
  • Fig. 20 shows the spherical refractive power of the optical waveguide of the eighth embodiment variant in an imaging path of a real image of the environment.
  • Fig. 21 shows the astigmatism of the optical waveguide of the eighth embodiment variant in an imaging path of a real image of the environment.
  • Fig. 22 shows schematically one according to the invention
  • Fig. 23 shows schematically one according to the invention
  • Figure 1 shows schematically variants of a lens arrangement 1 of an AR headset.
  • a and (b) are example versions of a positive spectacle meniscus lens 3 for correcting farsightedness and a negative spectacle meniscus lens 4 for correcting myopia, as well as under (c) and (d) two example versions of a push-pull lens combination 3, 4 including planar optical fiber 2 for a far-sighted headset wearer.
  • Variant (c) completely corrects the ametropia (sphere and cylinder) in the viewing direction through the two meniscus-shaped lenses 3, 4, but has a very large system volume.
  • Variant (d) designs the push and pull lenses 3, 4 as plano-convex or plano-concave lenses, which makes a much more compact system volume possible, but the ametropia cannot be corrected sufficiently well.
  • the inner surfaces of the push and pull lenses 3, 4 have the same radius of the adjacent optical waveguide surface.
  • This form of design enables both the most compact system volume and fully corrected ametropia.
  • the system thickness is marked by arrows with reference number 9 and the system volume by arrows with reference number 19.
  • the aperture or eyebox i.e. the position from which a virtual image generated by means of the waveguide 2, 20 can be visually perceived, is marked with the reference number 6.
  • an optical axis 7 of the imaging path of the real image of the environment is defined, which at the same time defines the viewing direction through the lens arrangement 1.
  • the central axis of the lens arrangement 1 is marked with the reference number 8 and coincides with the optical axis 7 in the examples shown.
  • Figure 2 shows schematically the beam path 5 through a plane-parallel optical waveguide 2, which has flat surfaces 14.
  • the optical waveguide 2 has a coupling device 10 in the form of a coupling surface. He also has a decoupling device 11, which decouples light waves from the optical waveguide 2 in the direction of an eyebox.
  • FIG. 3 shows schematically the beam path 5 through a curved optical waveguide 2. Collimated light is coupled into the optical waveguides 2 shown in FIGS. 2 and 3, which is coupled out collimated in FIG. 2 after the reflections on the flat surfaces 14. In the case of the curved optical waveguide 2 of FIG. 3, however, the coupled-out light is no longer collimated and has strong astigmatism. 4 shows schematically the transverse deviations that occur in an optical waveguide 2 shown in FIG. 3 for different viewing angles.
  • the reference circle shown has a diameter of 60 arc minutes.
  • Figure 5 shows schematically a section or partial area of an optical waveguide 20 according to the invention according to a first and a second embodiment variant in a sectioned view.
  • the optical waveguide 20 has a first surface 12 with a
  • the first surface 12 and the second surface 13 are designed to be concentric.
  • the optical waveguide 20 is cylindrically shaped and the first surface 12 and the second surface 13 form concentric cylindrical surface partial surfaces.
  • a corresponding derivation can also be carried out for the permeability tensor ⁇ .
  • the optical waveguide 20 is spherically shaped and the first surface 12 and the second surface 13 form concentric spherical partial surfaces.
  • R dr/dr'.
  • the planar waveguide transformed to a sphere behaves like an optically uniaxial crystal with the normal refractive index: and the extraordinary refractive index:
  • the GRIN element can be manufactured in all variants by arranging foils with appropriate refractive indices one on top of the other.
  • the GRIN element has a toric or spherical geometry.
  • FIG. 6 A third variant is described with reference to Figures 6 and 7.
  • two Cartesian coordinate systems (x,y,z) and (x',y',z') are defined at the top, which rotate around the x-axis or the x'-axis corresponding to the x-axis at an angle a are arranged tilted towards each other.
  • the z-direction defines the main beam direction or direction of the optical axis of the imaging path of the real image of the environment (viewing direction).
  • the information in the following figures (in particular Figures 6, 8 and 10) and embodiment variants also refer to these coordinate systems.
  • Figure 6 also shows the beam path through an optical waveguide 20 according to the invention in a sectional view in a yz plane and the refractive index distribution in the GRIN element of the optical waveguide in an x'-y' plane.
  • the optical waveguide 20 shown has a thickness 22 of 2mm in the z-direction and a length 23 of 22mm in the y-direction.
  • the centers of curvature are on the z-axis and are offset from each other by 2mm.
  • the outer surfaces of the GRIN element are therefore not concentric.
  • the field angle range considered is 10° x 10°.
  • the optical waveguide 20 has a GRIN element in the area shown, which consists of a GRIN material.
  • the refractive index distribution within the GRIN element is shown in Figure 6 below along the x'-y' plane.
  • the refractive index preferably varies continuously, but can also be reproduced by individual layers or areas with a constant refractive index, as shown in Figure 6 below and in corresponding figures of the further embodiments.
  • the refractive indices of the individual areas are given as examples in brackets in the figures.
  • the GRIN element causes light waves coupled out of the waveguide 20 to form a collimated beam path.
  • the astigmatism in the virtual image initially caused by the curvature of the optical waveguide 20 is therefore compensated for by the gradient index distribution within the GRIN element.
  • the waveguide in Figure 6 images an object (at infinity) in the object plane onto an image plane (at infinity). Rays that emanate from a single object point form a parallel bundle of rays, ie all rays are parallel when they are coupled onto the coupling surface.
  • the individual beams of rays in Figure 6 arise from different object points in the object plane.
  • the angle between an incident beam of rays and the optical axis is called the field angle.
  • the beams of rays are coupled out at different angles (image angles) on the decoupling surface.
  • image angles image angles
  • all rays in a single coupled-out beam are again exactly parallel to one another. Since the refractive index distribution in the present embodiment variant does not exactly satisfy the equations of a transformation optics, aberrations, in particular astigmatism, occur.
  • the individual rays in a beam are then no longer parallel, but show individual directional deviations (transverse deviations). The sizes of these transverse deviations are therefore a measure of the size of the aberrations in the imaging path of the virtual image.
  • Figure 7 shows the transverse deviations for different field angles in a pupil plane (x F - y F plane) for the present embodiment variant.
  • the diameter of the reference circle shown is 2 arc minutes.
  • XAN denotes the field angle when rotating about the y F -axis of the pupil plane and
  • YAN denotes the field angle when rotating about the x F -axis of the pupil plane, each in degrees.
  • the transverse deviation shown in the middle of the bottom line refers to a field angle XAN of 0° and YAN of 0°
  • the transverse deviation shown to the left occurs with a field angle YAN of -5° and a field angle XAN of 0°.
  • a transverse deviation is shown at the bottom right for a field angle YAN of 5° and a field angle XAN of 0°.
  • the gradient index distribution in the GRIN element is mirror-symmetrical to the y'-z' plane
  • the transverse deviations for field angle XAN of -5° correspond to the transverse deviations for the Figure 7 shown above transverse deviations for a field angle XAN of 5 °.
  • the transverse deviations are significantly reduced.
  • the refractive index distribution of the GRIN element in this embodiment variant leads to the fact that the curvature of the GRIN element resulting aberrations in the imaging path of the virtual image can be reduced.
  • a fourth embodiment variant is shown in Figure 8.
  • the associated transverse deviations are shown in Figure 9.
  • the 3rd dimension therefore forms an angle of -15.6° with the z-axis or the main beam direction or direction of the optical axis of the imaging path of the real image of the environment (viewing direction).
  • the field angle range, the thickness 22 in the z direction and the width 23 in the y direction of the GRIN element correspond to those of the first embodiment variant.
  • the refractive index distribution in Figure 8 below has greater variations in the x' direction compared to the third embodiment variant. However, the greater tilting of the 3rd dimension results in a significant reduction in the transverse deviations, as can be seen in Figure 9.
  • the refractive index distribution of the GRIN element in this embodiment variant therefore results in the aberrations in the imaging path of the virtual imaging resulting from the curvature of the GRIN element being reduced even further.
  • the field angle range considered is 22.5° x 10°.
  • the GRIN element has a thickness 22 of 1.2mm and a width 23 of 10mm.
  • the 3rd dimension (z'-axis), in which the refractive index is constant, closes with the z-axis at one Rotation around the x-axis creates an angle of ⁇ 14°.
  • the refractive index distribution in the x'-y' plane is shown in Figure 10 below.
  • Figure 11 shows the transverse deviations that occur in this embodiment variant for field angles YAN of -5° to 5°, and for field angles XAN of 0° to 11.25°.
  • the diameter of the reference circle shown is 2 arc minutes.
  • the transverse deviations are sufficiently small even at field angles XAN greater than 5°.
  • a sixth embodiment variant is explained in more detail below with reference to Figures 12 and 13.
  • the radii of curvature of the meniscus of the GRIN element are 150mm.
  • the field angle range is 5° x 5°.
  • the GRIN element shown has a thickness of 1.0mm and a width of 15mm.
  • the refractive index distribution is shown in the bottom left of Figure 12 in the form of a cross section in an xz plane.
  • the refractive index is constant in the y direction. This means that the refractive index does not conform to the outer surfaces, i.e. the first surface and the second surface.
  • the refractive index curve on the second surface i.e. the front side 13 of the optical waveguide 20 shown in Figure 12
  • the x-axis of the diagram shows the position along the surface.
  • the respective refractive indices are plotted on the y-axis of the diagram.
  • the refractive index decreases as the y value increases, i.e. starting from the coupling surface 10 along the surface 13.
  • the transverse deviations for the sixth embodiment variant are shown schematically in Figure 13. As in the previously described embodiment variants, the diameter of the reference circle shown is 2 arc minutes.
  • a seventh embodiment variant is explained below with reference to Figures 14 to 17. In this variant, the astigmatism in the virtual image is corrected for the field angle of 5° x 5°.
  • the waveguide 20 has a thickness of 1 mm and a length of 18 mm in the area of the GRIN element.
  • the radius of curvature of the concave surface 12 of the meniscus of the GRIN element of the optical waveguide 20 is 150 mm in this embodiment variant.
  • the second surface, i.e. the convex surface 13 of the meniscus is designed as a torus.
  • the radius of curvature of the second surface 13 in the image plane Rz (radius when rotating about the x-axis) is 150.0 mm.
  • the radius of curvature perpendicular to the image plane Rx (radius when rotating around the y-axis) is 134.5 mm.
  • the astigmatism is corrected not only for the virtual image, but also for the imaging path of the image of the real environment (as seen through the waveguide).
  • the toric design of the second surface is necessary to compensate for the astigmatism that arises from the design of the waveguide as a GRIN element in the viewing direction.
  • the refractive index distribution conforms to the convex outer surface, i.e. the second surface 13. This means that the refractive index is constant on the convex outer surface, but the refractive index inside the optical waveguide increases with increasing distance from the convex outer surface. From a manufacturing perspective, this has the advantage that films with appropriate refractive indices can be arranged one on top of the other.
  • the refractive index distributions for different cutting planes are shown in Figure 14 below.
  • the diagram shown in the middle left shows the distribution in a section in an xz plane
  • the figure shown in the middle right shows a section in a yz plane
  • the figure shown below shows a section in an xy plane.
  • Figure 15 shows the transverse deviations for this embodiment variant.
  • 16 shows the spherical refractive power in an imaging path of a real image of the environment (viewing direction) in diopters of the optical waveguide 20 of the seventh embodiment variant in an xy representation.
  • the scale on the right indicates the refractive power in diopters.
  • the dimensions are plotted in mm on the x-axis and y-axis.
  • the refractive power has a value of 0.385 diopters +/-0.015 diopters.
  • the optical waveguide according to the invention therefore influences the spherical refractive power by a constant amount, which can be maintained in the push-pull concept.
  • the astigmatism in diopters is shown in the form of a diagram. The scale on the right indicates astigmatism in diopters.
  • the astigmatism when looking through the optical waveguide 20 of the seventh embodiment variant is less than 0.05 diopters (Dpt) in the marked area 24. So no compensation is required.
  • the marked area 24 in Figures 16 and 17 has the size of approximately 40mmx20mm.
  • the refractive index distribution and the convex outer surface of the optical fiber are coordinated in such a way that when looking through the optical fiber, the astigmatism is less than 0.05 D and thus the objects in the outside world are imaged practically without aberrations.
  • the spherical refractive power of the optical fiber is almost constant throughout the entire range and can easily be maintained, i.e. exploited, in a push-pull concept, for example.
  • first surface and the second surface each have a meniscus shape with different radii of curvature.
  • the first surface i.e. the concave surface facing the eye
  • the second surface i.e. the convex surface of the meniscus
  • the field angle range in this variant is 40° x 10°.
  • the refractive index distribution conforms to at least one of the outer surfaces, i.e. to the first surface and/or the second surface.
  • the GRIN element has a thickness 22 of 1.2mm and a width 23 of 12mm.
  • 18 shows the refractive index distributions in a section in an xz plane, in a section in a yz plane and in a section in an xy plane. The area shown has an extension of 10 mm in the x direction.
  • Figure 19 shows the transverse deviations for different viewing angles for this variant.
  • the diameter of the reference circle is 2 arc minutes.
  • Figure 20 shows the spherical refractive power in diopters and
  • Figure 21 shows the astigmatism in diopters as seen through the optical waveguide.
  • the dashed area 25 marks the extent of the optical waveguide in the x-direction and y-direction with a field of view of 40° x 10°.
  • the spherical refractive power of the optical waveguide is 1.3 diopters +/-0.04 diopters, which can be used when integrated into a push-pull lens.
  • the refractive power of the optical fiber can be used to correct ametropia, in particular of up to 1.3 diopters. From Figure 20 it follows that the astigmatism when viewed through the optical waveguide is less than 0.05 diopters, so no further compensation is required.
  • Figure 22 shows schematically an image display device 30 according to the invention, for example a head-mounted display, which comprises an optical arrangement 31 according to the invention.
  • the optical arrangement 31 according to the invention comprises an optical waveguide 20 according to the invention, in particular an optical waveguide according to one of the previously described embodiment variants.
  • the optical arrangement 31 also includes at least one optical element 3, 4, for example a lens.
  • the optical element 3, 4 can be designed as a push lens and/or pull lens.
  • the optical element 3, 4 can be used to correct ametropia and/or to focus a virtual image, etc. be designed.
  • image display device 30 according to the invention can only comprise an optical waveguide 20 according to the invention instead of the optical arrangement 31.
  • FIG. 23 shows schematically an image capture device 32 according to the invention, which comprises at least one optical waveguide 20 according to the invention.
  • the coupling-out device 11 is designed as a coupling-in device and the coupling-in device or coupling-in surface 10 is designed as a coupling-out device or coupling-out surface.

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Abstract

Es wird ein Lichtwellenleiter (20) zur Anordnung im Strahlengang (5) einer optischen Anordnung mit einer Einrichtung (11) zum Auskoppeln und/oder Einkoppeln eines Abbildungsstrahlengangs beschrieben. Der Lichtwellenleiter (20) weist ein GRIN-Element mit mindestens einer gekrümmten Oberfläche (12, 13) auf, wobei das GRIN-Element eine Brechungsindex-Verteilung aufweist, welche dazu ausgebildet ist, die durch die Krümmung des GRIN-Elements entstehenden Aberrationen in einem Abbildungspfad einer virtuellen Abbildung, welche mittels in dem Lichtwellenleiter (20) durch Totalreflexion geführter Lichtwellen erzeugt wird, zu reduzieren.

Description

Anmelder: Carl Zeiss AG, 73447 Oberkochen
Unser Zeichen: Z50356/WO bzi/ehä
Lichtwellenleiter mit gekrümmtem GRIN-Element
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Lichtwellenleiter zur Anordnung im Strahlengang einer optischen Anordnung, z.B. eines Head-Mounted-Displays (HMD), eines Head-up-Displays (HUD), eines Near-to-eye-Displays oder einer Imaging-Anordnung oder Imaging-Vorrichtung (Smart Glasses mit beispielsweise Gestenerkennung oder Eyetracking). Die Erfindung betrifft zudem eine optische Anordnung, z.B. für eine der zuvor genannten Anwendungen, eine Bilderfassungsvorrichtung und eine Bildwiedergabevorrichtung.
Head-Mounted-Displays, zum Beispiel in Form von Datenbrillen oder AR- Headsets (AR - Augmented Reality) oder VR-Headsets (VR - Virtual Reality) oder MR-Headsets (MR - Mixed Reality) oder VR- oder MR-Brillen oder VR- oder MR-Helmen, kommen in zahlreichen Zusammenhängen zur Anwendung. Hierbei werden die Lichtwellen zum Erzeugen eines virtuellen Bildes üblicherweise nach der Einkopplung in einem Lichtwellenleiter mittels Totalreflexion bis zu einer Auskopplung geführt. Blickt ein Nutzer durch eine „Augmented-Reality-Brille“ oder kurz „AR-Brille“, so sieht er seinem Bild der realen Welt („reales Bild“) ein eingekoppeltes oder eingespiegeltes „virtuelles Bild“ überlagert. Diese Überlagerung wird durch einen Strahlvereiniger („Beamcombiner“) erreicht, der einerseits für das Umgebungslicht transparent ist, andererseits auch ein durch einen externen Bildgeber erzeugtes Strahlenbündel auf das Auge oder in eine Eyebox lenkt. Dieses Strahlenbündel nimmt das Auge als virtuelles Bild wahr. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung werden zur Beschreibung des Strahlenganges des Bildes der realen Umgebung und des eingekoppelten virtuellen Bildes jeweils ein Abbildungspfad definiert. Unter einem Abbildungspfad wird vorliegend der Weg des Lichts vom Objekt, z.B. einem Objekt in der realen Umgebung, oder vom Bildgeber/Projektor, welcher das einzukoppelnde virtuelle Bild ausstrahlt, zum Ort der Bildentstehung oder der Abbildungswahrnehmung, z.B. dem Auge eines Nutzers oder der Eyebox, verstanden.
Die am weitesten verbreiteten Lichtwellenleiter-Technologien in AR-Headsets basieren auf planaren oder planparallelen Lichtwellenleitern. Allerdings wären gekrümmte Lichtwellenleiter wünschenswert, um ein ansprechendes Produktdesign zu unterstützen. Die Fehlsichtigkeitskorrektur wird typischerweise über ein sogenanntes Push-Pull-Linsen-Konzept, also eine Kombination von Linsen unterschiedlicher Brechkraft vor und hinter dem Lichtwellenleiter, realisiert. Zusammen mit einem planaren Lichtwellenleiter ergeben sich dadurch jedoch große Systemgesamtdicken und damit ein hohes Gesamtgewicht der optischen Einheit.
Unter einem Lichtwellenleiter (Lightguide) wird ein Wellenleiter verstanden, welcher dazu ausgelegt ist, Lichtwellen durch Totalreflexion an Oberflächen des Wellenleiters im Inneren des Wellenleiters durch diesen zu führen oder weiterzuleiten. Unter Lichtwellen werden elektromagnetische Wellen mit Wellenlängen im Bereich zwischen 300 nm (ultraviolettes Licht) und 2 μm (infrarotes Licht) verstanden, insbesondere Lichtwellen im sichtbaren Bereich und nahen Infrarot- und nahen Ultraviolettbereich.
In dem Dokument DE 10 2016 105 060 B3 ist z.B. ein gekrümmtes Brillenglas für eine Abbildungsoptik und eine Datenbrille beschrieben.
Bei einem Head-Mounted-Display, z.B. bei AR-Headsets, wird das von einer bildgebenden Einheit oder einem Display erzeugte Bild in den Lichtwellenleiter eingekoppelt, innerhalb des Lichtwellenleiters mittels Totalreflexion einmal oder mehrmals reflektiert und schließlich ausgekoppelt, so dass ein Nutzer des Head-Mounted-Displays ein virtuelles Bild sehen kann. Der Raumbereich, von welchem aus das virtuelle Bild durch einen Nutzer visuell wahrnehmbar ist, wird auch als Eyebox bezeichnet. Die beiden Außenflächen des Lichtwellenleiters sind häufig als parallele Planflächen ausgebildet, damit innerhalb des Lichtwellenleiters weder optische Brechkraft eingeführt wird, noch Aberrationen, die die Bildqualität beeinträchtigen, erzeugt werden. Des Weiteren können Head-Mounted-Displays, z.B. AR- Headsets, einen Lichtwellenleiter und eine oder mehrere zusätzliche Linsen (Push-Pull-Linsenprinzip) pro Auge umfassen. Diese eine Linse oder diese mehreren zusätzlichen Linsen dienen dazu, die Ametropie (Fehlsichtigkeit) bzw. Presbyopie (Alterssichtigkeit) des Auges zu korrigieren (Pull-Linse) und/oder das virtuelle Bild in einem gewünschten Abstand fokussiert erscheinen zu lassen (Pull-Linse), ohne das Bild der realen Umgebung zu beeinträchtigen (Push-Lens).
Brillengläser sind üblicherweise meniskusförmig. Wird ein Lichtwellenleiter als planparallele Platte in ein Brillenglas integriert, das als Head-Mounted- Display verwendet werden soll, so führt die Kombination des Lichtwellenleiters mit den Push-Pull-Linsen zwangsläufig zu dicken, voluminösen und schweren Systemen. Offensichtlich nimmt die Gesamtdicke eines Brillenglases bestehend aus Push-Linse, planem Lichtwellenleiter und Pull-Linse mit der Krümmung des Meniskus zu. Stärkere Krümmungen sind aber notwendig zur Korrektur von größeren Fehlsichtigkeiten (Ametropie, z.B. mehr als +/-3 Dioptrien) oder Presbyopie in Gleitsichtgläsern.
Die Verwendung eines gekrümmten Lichtwellenleiters führt in der Regel, und insbesondere bei großen Sichtfeldern oder FOVs (FOV- field of view), zu starken astigmatischen Abbildungsfehlern im virtuellen Bild, die innerhalb des Lichtwellenleiters nicht kompensiert werden können. Auch eine Korrektur außerhalb des Lichtwellenleiters ist nicht möglich, da der Blick durch die Brille (Abbildungspfad der realen Abbildung der Umgebung) auf die Objekte der Außenwelt nicht beeinträchtigt werden darf.
Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen vorteilhaften Lichtwellenleiter zur Anordnung im Strahlengang einer optischen Anordnung, eine optische Anordnung, eine Bilderfassungsvorrichtung und eine Bildwiedergabevorrichtung zur Verfügung zu stellen. Diese Aufgabe wird durch einen Lichtwellenleiter gemäß Patentanspruch 1 , eine optische Anordnung gemäß Patentanspruch 18, eine Bilderfassungsvorrichtung gemäß Patentanspruch 22 und eine
Bildwiedergabevorrichtung gemäß Patentanspruch 23 gelöst. Die abhängigen Ansprüche enthalten weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Der erfindungsgemäße Lichtwellenleiter zur Anordnung im Strahlengang einer optischen Anordnung, z.B. einer Bildwiedergabevorrichtung und/oder einer Bilderfassungsvorrichtung, umfasst eine Einrichtung zum Auskoppeln und/oder Einkoppeln eines Abbildungsstrahlengangs, also von Lichtwellen.
Bei dem erfindungsgemäßen Wellenleiter kann es sich zum Beispiel um einen Wellenleiter eines Head-Mounted-Displays handeln. Der Wellenleiter kann insbesondere zum Erzeugen einer virtuellen Abbildung und gleichzeitig zur Durchsicht auf die Umgebung, also zum Erzeugen einer realen Abbildung der Umgebung, ausgelegt sein. Er kann zudem zur Anordnung zwischen einer bildgebenden Einheit und einer Eyebox eines Head-Mounted-Displays ausgelegt sein.
Der erfindungsgemäße Lichtwellenleiter umfasst ein GRIN-Element. Unter einem GRIN-Element oder einem GRIN-Material wird ein Gradienten-Index- Element bzw. Gradienten-Index-Material (GRIN) verstanden, welches einen Brechungsindex-Verlauf oder eine Brechungsindex-Verteilung mit einem Gradienten aufweist. Das GRIN-Element ist zur Lichtwellenleitung mittels Totalreflexion ausgelegt und kein Bestandteil einer Einrichtung zum Einkoppeln und/oder Auskoppeln eines Abbildungsstrahlengangs, also von Lichtwellen. Es kann mit anderen Worten als integraler Bestandteil des Lichtwellenleiters im Strahlengang zwischen einer Einrichtung zum Einkoppeln und einer Einrichtung zum Auskoppeln angeordnet sein.
Das GRIN-Element des erfindungsgemäßen Lichtwellenleiters weist mindestens eine gekrümmte Oberfläche auf. Die Oberfläche kann konkav oder konvex gekrümmt sein. Zum Beispiel kann das GRIN-Element eine konkav oder konvex gekrümmte erste Oberfläche, beispielsweise eine Rückseite mit einem Krümmungsradius R1=r‘, und eine konkav oder konvex gekrümmte zweite Oberfläche, beispielsweise eine Vorderseite mit einem Krümmungsradius R2=r, aufweisen. Die Oberflächen können auch als Freiformflächen oder asphärische Flächen ausgestaltet sein. Unter einer asphärischen Fläche wird eine rotationssymmetrische optische Fläche, deren Krümmungsradius sich radial mit dem Abstand vom Mittelpunkt ändert, verstanden.
Das GRIN-Element weist zudem eine Brechungsindex-Verteilung auf, welche dazu ausgebildet ist, die durch die Krümmung des GRIN-Elements entstehenden Aberrationen in einem Abbildungspfad einer virtuellen Abbildung, welche mittels in dem Lichtwellenleiter durch Totalreflexion geführter Lichtwellen erzeugt wird, zu reduzieren. Die Brechungsindex- Verteilung ist also dazu ausgebildet, die genannten Aberrationen zumindest teilweise zu korrigieren, vorzugsweise vollständig zu korrigieren.
Die zu korrigierenden Aberrationen des virtuellen Bildes entstehen durch die Krümmung des Wellenleiters, da die Reflektion (Totalreflexion an den Oberflächen des Lichtwellenleiters) an einer gekrümmten Fläche eine optische Wirkung hat. Die gekrümmte Fläche ändert die Konvergenz des Strahlenbündels. Bei Mehrfachreflektionen ändert sich die Konvergenz somit bei jeder Reflektion, wodurch Aberrationen, insbesondere starker Astigmatismus, auftreten. Durch den Brechungsindex-Verlauf des GRIN- Materials wird es nun möglich diese typischen Aberrationen eines einfachen gekrümmten Lichtwellenleiters zu korrigieren. Außerdem bietet das GRIN- Material zusätzliche Freiheitsgrade an, um optional die durch das GRIN- Element bedingten Aberrationen des realen Bildes der Umgebung ebenfalls durch den Brechzahlverlauf und gegebenenfalls durch eine angepasste Auslegung der Krümmung der mindestens einen Oberfläche, vorzugsweise der beiden Oberflächen, zu reduzieren, z.B. vollständig oder zumindest teilweise zu korrigieren. Die mindestens eine Oberfläche, z.B. eine erste und/oder eine zweite Oberfläche, kann insbesondere sphärisch, zylindrisch, torisch oder asphärisch gekrümmt oder als Freiformfläche ausgestaltet sein.
Bevorzugt besteht das GRIN-Element aus isotropem Material, das keine Doppelbrechung aufweist.
Vorteilhafterweise weist das GRIN-Element eine Brechungsindex-Verteilung auf, welche zusätzlich dazu ausgebildet ist, die durch das GRIN-Element induzierten oder verursachten Aberrationen in einem Abbildungspfad einer realen Abbildung der Umgebung, also der realen oder tatsächlichen Umgebung, welcher durch das GRIN-Element hindurch verläuft, zu reduzieren, insbesondere zumindest teilweise oder vollständig zu korrigieren. Das GRIN-Element ist mit anderen Worten dazu ausgebildet, die typischerweise in einem einfachen gekrümmten Lichtwellenleiter ohne GRIN- Brechzahlverlauf erzeugten Abbildungsfehler des eingekoppelten virtuellen Bildes zu reduzieren oder zu korrigieren sowie optional zusätzlich die Aberrationen der realen Abbildung der tatsächlichen Umgebung (in Durchsicht durch den Wellenleiter in Richtung der Umgebung) zu kompensieren. Es kann sich bei den in dem Abbildungspfad der realen Abbildung der Umgebung durch das GRIN-Element induzierten Aberrationen um Aberrationen handeln, welche durch die Krümmung des GRIN-Elements induziert werden und/oder welche durch die zur Reduzierung der in dem Abbildungspfad der virtuellen Abbildung induzierten Aberrationen ausgelegte Brechungsindex-Verteilung induziert werden.
Der erfindungsgemäße Lichtwellenleiter hat den Vorteil, dass er aufgrund seiner gekrümmten Ausbildung an eine Meniskusform eines Brillenglases, insbesondere mindestens einer der eingangs beschriebenen Linsen, angepasst werden kann. Durch das GRIN-Element können z.B. starke astigmatische Fehler im virtuellen Bild reduziert oder korrigiert werden ohne dass der Blick durch den Lichtwellenleiter auf die Objekte der Außenwelt beeinträchtigt wird. Die Erfindung ermöglicht eine kompakte und leichte Anordnung mit einer reduzierten Systemdicke (siehe Fig. 1). Dies ist vor allem unter ästhetischen Gesichtspunkten von Vorteil. Es können verglichen mit planparallelen Lichtwellenleitern deutlich ansprechendere Brillendesigns realisiert werden. Zudem kann ein großes aberrationsfreies Sichtfeld (FOV - Field of View) für den Abbildungspfad des virtuellen Bildes realisiert werden.
Die der Erfindung zugrunde liegende Idee, welche Teil der Erfindung ist, besteht darin, die Grundzüge der Transformationsoptik (siehe z.B. [Pendry, Schurig, Smith, Science Vol 312, p. 1780 (2006)]), auf die vorliegende Situation anzuwenden. Transformationsoptiken zeichnen sich durch die Fähigkeit aus, Licht oder elektromagnetische Wellen in beliebiger Weise für eine gewünschte Anwendung zu „biegen“ bzw. zu lenken. Dies geschieht durch Maßschneidern des Mediums, in der sich die elektromagnetische Welle ausbreitet. Die notwendigen Eigenschaften des Mediums werden durch eine mathematische Transformation abgeleitet. Das Besondere dabei ist, dass die Maxwell Gleichungen in ihrer Form erhalten bleiben, obwohl sich die Koordinaten transformieren. Stattdessen "transformieren" oder verändern sich die räumliche Verteilung der Materialparameter ε (Permittivität, Dielektrizitätskonstante) und μ (magnetische Permeabilität)]. Die Transformationseigenschaften sind von verschiedenen Autoren u.a. in [A. J. Ward, J. B. Pendry, Journal of Modem Optics, 43 773-793 (1996), [D. M. Shyroki http://arxiv.org/abs/physics/0307029v1 (2003)] [Leonhardt Ulf; Philbin, Thomas G.: Transformation Optics and the Geometry of Light, Progress in Optics, Volume 53, p. 69-152] beschrieben.
Die wesentlichen Schritte der Transformation werden im Folgenden zusammengefasst. In einem ersten Schritt wird eine Koordinatentransformation durchgeführt: q1 (x, y, z) q2 (x, y, z) q3 (x, y, z)
In einem zweiten Schritt werden die Maxwell-Gleichungen in dem neuen Koordinatensystem aufgestellt, wobei sich die Form der Maxwell- Gleichungen nicht ändert.
Figure imgf000010_0001
In einem dritten Schritt werden die neuen Werte für ε und μ berechnet
Figure imgf000010_0002
wobei,
Figure imgf000010_0003
Die Maxwell-Gleichungen können also in eine neue Geometrie oder ein Koordinatensystem transformiert werden, die für die Beschreibung eines spezifischen Anwendungsfalles besonders vorteilhaft ist. Hierbei müssen ε und μ verändert werden.
Unterwirft man einen planaren Lichtwellenleiter einer geeigneten Transformation, so kann er in eine beliebige Form, insbesondere in einen sphärisch gekrümmten Lichtwellenleiter überführt werden. Auch die Überführung z.B. in einen zylindrischen, torischen, asphärischen oder als Freiform ausgestalteten Wellenleiter ist möglich. Die Brechungsindex- Verläufe oder die Brechungsindex-Verteilung (repräsentiert über ε und μ) sind entsprechend der Transformation anzupassen. Das Lichtwellenfeld, das durch einen derart transformierten Wellenleiter propagiert, bleibt - wie im planaren Lichtwellenleiter auch - aberrationsfrei. Die Herleitung wird im Rahmen der ersten und zweiten Ausführungsvariante ausführlich beschrieben. In einer vorteilhaften Variante, insbesondere für einen zylindrischen oder sphärischen geformten Lichtwellenleiter, hängt der Brechungsindex und damit dessen Verlauf vom Verhältnis r‘/r ab, kann also z.B. als Funktion n(r)=f(r‘/r) dargestellt werden, wobei r‘ ein vorgegebener oder festgelegter Krümmungsradius einer der mindestens einen gekrümmten Oberfläche des GRIN-Elements ist.
Die Brechungsindex-Verteilung des GRIN-Elements kann eine radialsymmetrische und/oder zylindrische bzw. zylindersymmetrische und/oder torische Brechungsindex-Verteilung aufweisen und/oder eine Brechungsindex-Verteilung aufweisen, welche mindestens eine Fläche mit konstantem Brechungsindex aufweist, wobei die mindestens eine Fläche zylindrisch oder torisch oder sphärisch oder asphärisch oder als Freiformfläche ausgestaltet ist. Die mindestens eine Fläche mit konstantem Brechungsindex kann mit der mindestens einen gekrümmten Oberfläche des GRIN-Elements zusammenfallen oder parallel zu dieser verlaufen. Diese Variante hat fertigungstechnische Vorteile. Um die Durchsichtqualität durch den Lichtwellenleiter auf die reale Umgebung möglichst wenig zu beeinträchtigen ist im Falle eines gekrümmten Wellenleiters die Brechungsindexverteilung des GRIN-Elements vorteilhafterweise radialsymmetrisch ausgestaltet (n=n(r)). Der Ursprung des Koordinatensystems liegt im Augendrehpunkt oder einem Mittelpunkt einer Eyebox oder auf einer Geraden, welche einen Augendrehpunkt und einem Mittelpunkt einer Eyebox miteinander verbindet.
Sind R1=r‘ und R2=r die Innen- beziehungsweise Außenradien eines sphärisch gekrümmten Lichtwellenleiters, so ergibt sich aus der einfachen Überlegung, dass die optischen Pfadlängen entlang der Kugelflächen mit konzentrischen Radien R1 und R2, (allgemein mit Radius r) konstant sein müssen, folgender Zusammenhang für den Brechungsindex-Verlauf: n2=n1*R1/R2 oder allgemein im Lichtwellenleiter n(r)=n1*r'/r. Setzt man R1=r', so entspricht dies genau dem Verlauf des außerordentlichen Brechungsindex nao eines in Polarkoordinaten transformierten planaren Lichtwellenleiters (siehe unten zweites Ausführungsbeispiel). In einer vorteilhaften Variante gilt daher für die Brechungsindex-Verteilung n(r) des GRIN-Elements in radialer Richtung n(r)=n1*r'/r, wobei r‘ der Krümmungsradius der ersten Oberfläche, r der Radius, also der Abstand vom Ursprung des Koordinatensystems, welches den Krümmungsradius der ersten Oberfläche r‘ definiert, und m der Brechungsindex des Materials des GRIN-Elements an der ersten Oberfläche ist.
Der Krümmungsradius der ersten Oberfläche R1=r‘ und/oder der Krümmungsradius der zweiten Oberfläche R2=r können/kann mindestens 50mm betragen, z.B. zwischen 50mm und 1000mm, insbesondere zwischen 70mm und 130mm, betragen. Im Falle einer Ausgestaltung der ersten und/oder zweiten Oberfläche als Freiformfläche oder asphärische Fläche ist der Krümmungsradius als der best-fit-Radius zu verstehen. Eine der Oberflächen kann auch plan ausgestaltet sein. Die maximale Dicke des GRIN-Elements in Richtung der optischen Achse oder der Hauptstrahlrichtung eines Abbildungspfades der realen Abbildung der Umgebung oder in radialer Richtung kann mindestens 0,1 mm und/oder maximal 10mm betragen, insbesondere zwischen 0,1mm und 10mm, vorzugsweise zwischen 0,5mm und 3mm, zum Beispiel zwischen 1 mm und 2mm, betragen. Die genannten Maße sind im Zusammenhang mit Head- Mounted-Displays im Rahmen einer Anwendung in Kombination mit Brillengläsern zur Korrektur von Fehlsichtigkeit besonders vorteilhaft, da sie kompakte optische Anordnungen ermöglichen.
In einer weiteren Variante beträgt die Änderung des Brechungsindex Δn in dem GRIN-Element zwischen 0,005 und 0,20. Insbesondere kann die Änderung des Brechungsindex Δn in dem GRIN-Element, insbesondere in radialer Richtung (radialer Brechzahlhub), zwischen 0,01 und 0,15 betragen. Der Gradient δn/dx des Brechungsindex n in einer Richtung x kann zum Beispiel zwischen 0mm-1 und 0,02mm-1 betragen. Vorzugsweise beträgt der Gradient δn/dx des Brechungsindex n in einer Richtung x senkrecht zur Hauptstrahlrichtung eines Abbildungspfades der realen Abbildung der Umgebung oder in einer Richtung x parallel zur Hauptstrahlrichtung eines Abbildungspfades der realen Abbildung der Umgebung oder in einer radialen Richtung x oder in einer Richtung x senkrecht zur optischen Achse oder in einer Richtung x parallel zur optischen Achse zwischen 0mm-1 und 0,02mm-1. Mit typischen Brillenglas-Radien in der Größenordnung von 100mm und Dicken im 1 mm-Bereich ergibt sich ein radialer Brechzahlhub im Brillenglas in der Größenordnung Δn~0,01 und Brechzahlgradienten δn/dx~0,01 mm-1. Dies sind Brechzahlgradienten, die sich mit heutigen Technologien gut fertigen lassen.
Die erste Oberfläche und/oder zweite Oberfläche können torisch oder sphärisch oder asphärisch oder zylindrisch bzw. zylindersymmetrisch oder als Freiformfläche ausgebildet sein. Hierdurch kann einerseits die Projektionsabbildung des virtuellen Bildes durch den Lichtwellenleiter aber auch die Qualität der Durchsichtanwendung (reale Abbildung der Umgebung) gleichzeitig optimiert werden. Kommt mindestens eine Push- und/oder Pull- Linse zum Einsatz, so werden diese in die Optimierung der Durchblickabbildung (reale Abbildung der Umgebung) und/oder der virtuellen Abbildung einbezogen. Die Push- und Pull-Linsen können als separate über einen Luftspalt oder über ein Aerogel oder eine Flüssigkeit angefügte oder auch als mit dem Lichtwellenleiter, insbesondere mit dem GRIN-Element, verbundene Elemente ausgeführt werden (eingebetteter GRIN-Wellenleiter) und selbst eine inhomogene Brechungsindex-Verteilung (Brechzahl profil) und/oder Freiformflächen aufweisen. Die Verbindung zwischen Push- und/oder Pull-Linse und den Lichtwellenleiter kann durch Moulding, Kleben oder Kitten stattfinden. Alternativ können die Linsen auch mittels 3D-Druck auf dem Lichtwellenleiter gedruckt werden. Die Linsen und der Lichtwellenleiter können auch einstückig gefertigt werden, z.B. mittels 3D- Druck.
In einer weiteren vorteilhaften Variante ist das GRIN-Element dazu ausgelegt im Abbildungspfad des realen und/oder des virtuellen Bildes eine von Null verschiedene Brechkraft, z.B. positiver und/oder negativer Brechkraft, einzuführen. Es ist mit anderen Worten dazu ausgelegt, einen Strahlengang oder eine Wellenfront wie eine refraktive Linse oder analog zu einer refraktiven Linse zu manipulieren. Das GRIN-Element kann also wie eine Pull-Linse und/oder eine Push-Linse wirken. Es kann also zur Korrektur von Fehlsichtigkeit, insbesondere Sphäre und/oder Astigmatismus, und/oder zur Fokussierung einer virtuellen Abbildung ausgelegt sein. Dies hat den Vorteil, dass auf mindestens eine der genannten Linsen zur Korrektur von Fehlsichtigkeit und/oder zur Fokussierung einer virtuellen Abbildung verzichtet und damit die Systemdicke reduziert werden kann. Es wird in dieser Variante die Wirkung der Push-Linse und /oder der Pull-Linse von dem GRIN-Element übernommen.
Ein gekrümmter, insbesondere der Meniskusform eines Brillenglases angepasster Wellenleiter kann gemäß der vorliegenden Erfindung so ausgelegt werden, dass er wie ein optisch flacher Wellenleiter wirkt, indem anstelle des homogenen Materials ein entsprechend designtes Gradienten- Index-Material (GRIN) verwendet wird. Durch das GRIN-Material können bei entsprechender Auslegung die Aberrationen (z.B. Astigmatismus), die durch die gekrümmten Flächen im Wellenleiter entstehen, teilweise oder vollständig kompensiert werden, so dass die Qualität des virtuellen Bilds für einen Nutzer eines Head-Mounted-Displays, z.B. eines AR-Headsets, akzeptabel ist. Die in dem Abbildungspfad einer realen Abbildung der Umgebung, also bei Durchsicht, durch das GRIN-Element des Lichtwellenleiters entstehenden Aberrationen können durch mindestens ein weiteres gekrümmtes GRIN- Element oder durch die Push-Pull-Linsen kompensiert werden. Bei einer weiteren Ausführungsform ist das GRIN-Element im gekrümmten Lichtwellenleiter so ausgebildet, dass die in dem Abbildungspfad einer realen Abbildung der Umgebung entstehenden Aberrationen gering sind (Astigmatismus < 0.15 dpt) und keine Kompensation erforderlich ist.
Im Allgemeinen kann es vorteilhaft sein, z.B. bei nicht-konzentrischen Krümmungsradien der Oberflächen, einen beliebigen Brechungsindex- Verlauf n=n(x,y,z) in das GRIN-Element des Lichtwellenleiters zuzulassen, um neben Astigmatismus möglichst viele oder alle Aberrationen der ausgekoppelten virtuellen Abbildung, die durch die Abweichung von einem idealen, im allgemeinen anisotropen Brechungsindex-Verlauf resultiert, zu minimieren. Grundsätzlich kann also der Brechungsindex innerhalb des GRIN-Elements in drei Dimensionen eines festgelegten Koordinatensystems oder Bezugssystems variieren, also einen Gradienten in allen drei Dimensionen aufweisen. In einer bevorzugten Variante variiert der Brechungsindex innerhalb des GRIN-Elements in mindestens einer ersten und einer zweiten Dimension eines festgelegten Koordinatensystems oder Bezugssystems, weist also in diesen Dimensionen einen Gradienten auf. Der Brechungsindex entlang einer dritten Dimension des festgelegten Koordinatensystems kann dabei konstant sein, also keinen Gradienten aufweisen, wobei die dritte Dimension einen Kippwinkel mit der Hauptstrahlrichtung oder der Richtung der optischen Achse eines Abbildungspfades der realen Abbildung der Umgebung einschließt. Vorzugsweise ist der Betrag des Kippwinkels größer ist als 2 Grad. Der Betrag des Kippwinkels kann zum Beispiel zwischen 5 Grad und 20 Grad betragen. Diese Ausgestaltung ermöglicht eine vereinfachte Herstellung des Lichtwellenleiters, wobei die Kosten hierfür reduziert werden.
Die erfindungsgemäße optische Anordnung umfasst mindestens ein optisches Element mit mindestens einer gekrümmten Oberfläche. Das mindestens eine optische Element kann als Linse, z.B. eine meniskusförmige oder plan-konkave oder plan-konvexe Linse ausgebildet sei. Die Linse kannz.B. als Brillenglas, zur Korrektur von Fehlsichtigkeit, insbesondere Ametropie und/oder Presbyopie, und/oder zur Fokussierung einer virtuellen Abbildung, ausgebildet sein. Das mindestens eine optische Element kann auch als ein anderes optisches Element, zum Beispiel eine Fresnel-Linse, ein diffraktives oder holographisches optisches Element oder als GRIN-Linse etc., ausgebildet sein. Die erfindungsgemäße optische Anordnung umfasst mindestens einen zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Lichtwellenleiter.
Das mindestens eine optische Element und der Lichtwellenleiter sind im Strahlengang des Abbildungspfades der realen und/oder virtuellen Abbildung hintereinander angeordnet. Das mindestens eine optische Element kann im Strahlengang des Abbildungspfades der realen und/oder virtuellen Abbildung vor oder hinter dem Lichtwellenleiter, insbesondere vor oder hinter dem GRIN-Element, angeordnet sein. Insbesondere können das mindestens eine optische Element und der Lichtwellenleiter in einer festgelegten Hauptstrahlrichtung oder Richtung der optischen Achse eines Abbildungspfades der realen Abbildung der Umgebung durch das mindestens eine optische Element und durch den Lichtwellenleiter hintereinander angeordnet sein. Der Lichtwellenleiter, insbesondere das GRIN-Element, kann also im Strahlengang des Abbildungspfades der realen und/oder virtuellen Abbildung vor oder hinter dem mindestens einen optischen Element angeordnet sein. Beispielsweise kann das GRIN-Element des Lichtwellenleiters geometrisch zwischen einer Eyebox oder dem Auge eines Betrachters und einer virtuellen Bildebene angeordnet sein. Das mindestens eine optische Element kann geometrisch zwischen dem GRIN- Element des Lichtwellenleiters und einer Eyebox oder dem Auge eines Betrachters angeordnet sein.
Die optische Anordnung kann für ein Head-Mounted-Display (HMD), bei welchem es sich z.B. um ein AR-Headset oder ein VR-Headset, oder ein MR-Headset oder eine AR- oder VR- oder MR-Brille oder einen AR- oder VR- oder MR-Helm oder eine Datenbrille handeln kann, oder für ein Head- up-Display (HUD), für ein Near-to-eye-Display oder für eine Imaging- Anordnung oder eine Imaging-Vorrichtung (Smart Glasses mit beispielsweise Gestenerkennung oder Eyetracking) ausgelegt sein.
Die erfindungsgemäße optische Anordnung hat die bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Lichtwellenleiter genannten Merkmale und Vorteile. Das optische Element kann als refraktive Linse (z.B. Brillenglas) ausgestaltet sein und/oder zur Korrektur von Fehlsichtigkeit, z.B. Kurzsichtigkeit und/oder Weitsichtigkeit und/oder Astigmatismus und /oder Presbyopie (Alterssichtigkeit) etc., und/oder zur Fokussierung einer virtuellen Abbildung ausgelegt sein. Dabei kann das optische Element zur Korrektur von Fehlsichtigkeit in dem Abbildungspfad der realen Abbildung der Umgebung und/oder zur Korrektur von Fehlsichtigkeit in dem Abbildungspfad der virtuellen Abbildung und/oder zur Fokussierung der virtuellen Abbildung in dem Abbildungspfad der virtuellen Abbildung ausgelegt sein. Das optische Element kann insbesondere sphärisch, asphärisch oder als Freiformlinse ausgebildet sein. Die erfindungsgemäße optische Anordnung kann z.B. mindestens eine Push-Linse und/oder mindestens eine Pull-Linse umfassen. Die Pull-Linse lässt das virtuelle Bild in einem gewünschten Abstand vor dem Auge des Betrachters erscheinen und korrigiert ggf. die Fehlsichtigkeit des Trägers für das virtuelle Bild. Je nach Fehlsichtigkeit kann sie sammelnd oder zerstreuend sein. Eine Push-Linse sorgt dafür, dass das Bild der realen Umgebung für einen Betrachter, z.B. Brillenträger, korrigiert wird. Da der Betrachter oder Träger die Umgebung immer durch das aus Lichtwellenleiter, Push- und Pull-Linse bestehende System wahrnimmt, muss die Kombination aus diesen Elementen an den jeweiligen Betrachter oder Träger angepasst sein.
Der Lichtwellenleiter ist bevorzugt so ausgestaltet, dass die Krümmung mindestens einer der Oberflächen des GRIN-Elements (z.B. die Krümmung der ersten Oberfläche und/oder die Krümmung der zweiten Oberfläche) an die Krümmung der mindestens einen gekrümmten Oberfläche des mindestens einen optischen Elements angepasst ist. Beispielsweise kann die Krümmung des GRIN-Elements an eine Meniskusform eines Brillenglases angepasst sein. Durch die Krümmung des GRIN-Elements kann ein unmittelbares Anlegen des GRIN-Elements an das optische Element ermöglicht sein. Insbesondere können das GRIN-Element und das optische Element über mindestens 50 Prozent, z.B. über mindestens 80 Prozent, vorzugsweise 100 Prozent, der beim Anlegen einander zugewandten Oberflächen die gleiche Krümmung aufweisen.
Das mindestens eine optische Element kann als separates Element oder als mit dem Lichtwellenleiter fest oder lösbar oder durch feste Abstandhalter (Spacer) verbundenes Element ausgestaltet sein. Das optische Element kann seinerseits eine inhomogene Brechungsindex-Verteilung und/oder eine Freiformfläche aufweisen. In einer weiteren Variante kann die erfindungsgemäße optische Anordnung mindestens ein weiteres GRIN- Element zur Reduzierung, z.B. zur Kompensation, von durch das GRIN- Element entlang eines Abbildungspfades der realen Abbildung der Umgebung induzierten Aberrationen umfassen. Bei dem weiteren GRIN- Element kann es sich um ein separates Bauteil oder Element handeln. Es kann aber auch Bestandteil des mindestens einen optischen Elements mit mindestens einer gekrümmten Oberfläche sein.
Die erfindungsgemäße Bildwiedergabevorrichtung umfasst mindestens einen erfindungsgemäßen Lichtwellenleiter oder eine zuvor beschriebene erfindungsgemäße optische Anordnung. Die erfindungsgemäße Bilderfassungsvorrichtung umfasst mindestens einen erfindungsgemäßen Lichtwellenleiter. Bei der Bilderfassungsvorrichtung kann es sich um eine Imaging-Anordnung oder Imaging-Vorrichtung (Smart Glasses mit beispielsweise Gestenerkennung oder Eyetracking) handeln. Die erfindungsgemäße Bildwiedergabevorrichtung und die erfindungsgemäße Bilderfassungsvorrichtung haben die bereits genannten Merkmale und Vorteile.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher erläutert. Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wird, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
Die Figuren sind nicht notwendigerweise detailgetreu und maßstabsgetreu und können vergrößert oder verkleinert dargestellt sein, um einen besseren Überblick zu bieten. Daher sind hier offenbarte funktionale Einzelheiten nicht einschränkend zu verstehen, sondern lediglich als anschauliche Grundlage, die dem Fachmann auf diesem Gebiet der Technik Anleitung bietet, um die vorliegende Erfindung auf vielfältige Weise einzusetzen. Der hier verwendete Ausdruck „und/oder“, wenn er in einer Reihe von zwei oder mehreren Elementen benutzt wird, bedeutet, dass jedes der aufgeführten Elemente alleine verwendet werden kann, oder es kann jede Kombination von zwei oder mehr der aufgeführten Elemente verwendet werden. Wird beispielsweise eine Zusammensetzung beschrieben, die die Komponenten A, B und/oder C, enthält, kann die Zusammensetzung A alleine; B alleine; C alleine; A und B in Kombination; A und C in Kombination; B und C in Kombination; oder A, B, und C in Kombination enthalten.
Fig. 1 zeigt schematisch Varianten einer Brillenglas-Anordnung eines AR-Headsets.
Fig. 2 zeigt schematisch den Strahlengang durch einen planparallelen Wellenleiter.
Fig. 3 zeigt schematisch den Strahlengang durch einen gekrümmten Wellenleiter.
Fig. 4 zeigt schematisch die bei einem in der Figur 3 gezeigten Wellenleiter für verschiedene Blickwinkel auftretende Querabweichungen.
Fig. 5 zeigt schematisch einen erfindungsgemäßen Lichtwellenleiter gemäß einer ersten und einer zweiten Ausführungsvariante in einer geschnittenen Ansicht.
Fig. 6 zeigt den Strahlengang durch einen erfindungsgemäßen Lichtwellenleiter sowie die Brechungsindex-Verteilung in dem GRIN-Element des Lichtwellenleiters gemäß einer dritten Ausführungsvariante.
Fig. 7 zeigt für die dritte Ausführungsvariante die Querabweichungen für verschiedene Bildwinkel. Fig. 8 zeigt den Strahlengang durch einen erfindungsgemäßen Lichtwellenleiter sowie die Brechungsindex-Verteilung in dem GRIN-Element des Lichtwellenleiters gemäß einer vierten Ausführungsvariante.
Fig. 9 zeigt für die vierte Ausführungsvariante die Querabweichungen für verschiedene Bildwinkel.
Fig. 10 zeigt den Strahlengang durch einen erfindungsgemäßen Lichtwellenleiter sowie die Brechungsindex-Verteilung in dem GRIN-Element des Lichtwellenleiters gemäß einer fünften Ausführungsvariante.
Fig. 11 zeigt für die fünfte Ausführungsvariante die Querabweichungen für verschiedene Bildwinkel.
Fig. 12 zeigt den Strahlengang durch einen erfindungsgemäßen Lichtwellenleiter sowie die Brechungsindex-Verteilung in dem GRIN-Element des Lichtwellenleiters gemäß einer sechsten Ausführungsvariante.
Fig. 13 zeigt für die sechste Ausführungsvariante die Querabweichungen für verschiedene Bildwinkel.
Fig. 14 zeigt den Strahlengang durch einen erfindungsgemäßen Lichtwellenleiter sowie die Brechungsindex-Verteilung in dem GRIN-Element des Lichtwellenleiters gemäß einer siebenten Ausführungsvariante.
Fig. 15 zeigt für die siebente Ausführungsvariante die Querabweichungen für verschiedene Bildwinkel. Fig. 16 zeigt die sphärische Brechkraft des Lichtwellenleiters der siebenten Ausführungsvariante in einem Abbildungspfad einer realen Abbildung der Umgebung.
Fig. 17 zeigt den Astigmatismus des Lichtwellenleiters der siebenten Ausführungsvariante in einem Abbildungspfad einer realen Abbildung der Umgebung.
Fig. 18 zeigt den Strahlengang durch einen erfindungsgemäßen Lichtwellenleiter sowie die Brechungsindex-Verteilung in dem GRIN-Element des Lichtwellenleiters gemäß einer achten Ausführungsvariante.
Fig. 19 zeigt für die achte Ausführungsvariante die Querabweichungen für verschiedene Bildwinkel.
Fig. 20 zeigt die sphärische Brechkraft des Lichtwellenleiters der achten Ausführungsvariante in einem Abbildungspfad einer realen Abbildung der Umgebung.
Fig. 21 zeigt den Astigmatismus des Lichtwellenleiters der achten Ausführungsvariante in einem Abbildungspfad einer realen Abbildung der Umgebung.
Fig. 22 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße
Bildwiedergabevorrichtung.
Fig. 23 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße
Bilderfassungsvorrichtung.
Im Folgenden wird zunächst anhand der Figuren 1 bis 4 die Ausgangssituation für die vorliegende Erfindung erläutert. Die Figur 1 zeigt schematisch Varianten einer Brillenglas-Anordnung 1 eines AR-Headsets. Dabei sind unter (a) und (b) Beispielausführungen einer positiven Brillenglasmeniskuslinse 3 zur Korrektur von Weitsichtigkeit und einer negativen Brillenglasmeniskuslinse 4 zur Korrektur von Kurzsichtigkeit, sowie unter (c) und (d) zwei Beispielausführungen einer Push-Pull-Linsen- Kombination 3, 4 inklusive planarem Lichtwellenleiter 2 für einen weitsichtigen Headset-Träger. Die Variante (c) korrigiert die Fehlsichtigkeit (Sphäre und Zylinder) in Durchsichtrichtung durch die zwei meniskusförmigen Linsen 3, 4 vollständig, weist aber ein sehr großes Systemvolumen auf. Die Variante (d) dagegen führt die Push- und Pull-Linse 3, 4 als plan-konvex bzw. plan-konkave Linsen aus, womit ein wesentlich kompakteres Systemvolumen möglich wird, aber die Fehlsichtigkeit nicht ausreichend gut korrigiert werden kann. Die Ausführungsvariante (e) zeigt einen gekrümmten Lichtwellenleiter 20 gemäß der vorliegenden Erfindung mit einem ersten Radius R1=r‘ und einem zweiten Radius R2=r. Die Innenflächen der Push- und Pull-Linsen 3, 4 weisen denselben Radius der anliegenden Lichtwellenleiterfläche auf. Diese Form der Auslegung ermöglicht sowohl das kompakteste Systemvolumen als auch eine vollständig korrigierte Fehlsichtigkeit. Zur Veranschaulichung des Systemvolumens ist die Systemdicke durch Pfeile mit der Bezugsziffer 9 und das Systemvolumen durch Pfeile mit der Bezugsziffer 19 gekennzeichnet.
Die Blende oder Eyebox, also die Position, aus welcher eine mittels des Wellenleiters 2, 20 generierte virtuelle Abbildung visuell wahrnehmbar ist, ist mit der Bezugsziffer 6 gekennzeichnet. Ausgehend von der Eyebox 6 ist eine optische Achse 7 des Abbildungspfades der realen Abbildung der Umgebung festgelegt, durch welche zugleich die Durchsichtrichtung durch die Brillenglas-Anordnung 1 definiert wird. Die Mittelachse der Brillenglas- Anordnung 1 ist mit der Bezugsziffer 8 gekennzeichnet und fällt in den gezeigten Beispielen mit der optischen Achse 7 zusammen.
Die Figur 2 zeigt schematisch den Strahlengang 5 durch einen planparallelen Lichtwellenleiter 2, welcher Planflächen 14 aufweist. Der Lichtwellenleiter 2 weist eine Einkoppeleinrichtung 10 in Form einer Einkoppelfläche auf. Er verfügt zudem über eine Auskoppeleinrichtung 11 , welche Lichtwellen in Richtung einer Eyebox aus dem Lichtwellenleiter 2 auskoppelt.
Die Figur 3 zeigt schematisch den Strahlengang 5 durch einen gekrümmten Lichtwellenleiter 2. In die in den Figuren 2 und 3 gezeigten Lichtwellenleiter 2 wird jeweils kollimiertes Licht eingekoppelt, das in der Figur 2 nach den Reflektionen an den Planflächen 14 kollimiert ausgekoppelt wird. Bei dem gekrümmten Lichtwellenleiter 2 der Figur 3 hingegen ist das ausgekoppelte Licht nicht mehr kollimiert und weist einen starken Astigmatismus auf. Die Figur 4 zeigt schematisch die bei einem in der Figur 3 gezeigten Lichtwellenleiter 2 für verschiedene Blickwinkel auftretenden Querabweichungen. Der gezeigte Bezugskreis weist einen Durchmesser von 60 Bogenminuten auf.
Im Folgenden werden verschiedene Ausführungsvarianten eines erfindungsgemäßen Lichtwellenleiters erläutert.
Die Figur 5 zeigt schematisch einen Ausschnitt oder Teilbereich eines erfindungsgemäßen Lichtwellenleiters 20 gemäß einer ersten und einer zweiten Ausführungsvariante in einer geschnittenen Ansicht. Der Lichtwellenleiter 20 weist eine erste Oberfläche 12 mit einem
Krümmungsradius r und eine zweite Oberfläche 13 mit einem
Krümmungsradius r' auf. Die erste Oberfläche 12 und die zweite Oberfläche 13 sind konzentrisch ausgebildet.
Im Rahmen der ersten Ausführungsvariante ist der Lichtwellenleiter 20 zylindrisch geformt und erste Oberfläche 12 und die zweite Oberfläche 13 bilden konzentrische Zylindermantel-Teilflächen.
Zur Transformation von kartesischen Koordinaten (x', y', z') auf Zylinderkoordinaten wird der Radius r' basierend auf den kartesischen Koordinaten
Figure imgf000023_0001
in den Radius r in Zylinderkoordinaten r = r(r') transformiert, wobei der Winkel Φ und die Koordinate z (z=z') erhalten bleiben (siehe Formel (5.5) in [Leonhardt Ulf; Philbin, Thomas G.: Transformation Optics and the Geometry of Light, Progress in Optics, Volume 53, p. 69-152]).
Wendet man die Transformation von kartesischen auf Zylinderkoordinaten an, so ergibt sich für den dielektrischen Tensor in kartesischen Koordinaten ε [Leonhardt Ulf; Philbin, Thomas G.: Transformation Optics and the Geometry of Light, Progress in Optics, Volume 53, p. 69-152]:
Figure imgf000024_0001
Die Eigenwerte des Tensors sind
Figure imgf000024_0004
Und damit ist der Dielektriziätstensor in Diagonalenform:
Figure imgf000024_0002
mit
Figure imgf000024_0003
Eine entsprechende Herleitung lässt sich auch für den Permeabilitätstensor μ durchführen.
Im Rahmen der zweiten Ausführungsvariante ist der Lichtwellenleiter 20 sphärisch geformt und erste Oberfläche 12 und die zweite Oberfläche 13 bilden konzentrische Kugel-Teilflächen.
Analog zu der ersten Ausführungsvariante ergibt sich für die Transformation von kartesischen Koordinaten auf Polarkoordinaten, für den Dielektrizitätstensor in Diagonalenform:
Figure imgf000025_0001
mit
R = dr/dr'. ε und μ sind im Allgemeinen Tensoren 2. Stufe und die transformierten Materialien verhalten sich damit im Allgemeinen wie optisch einachsig oder zweiachsige Kristalle. D.h. auch bei einem isotropen Ausgangsmaterial zeigen sie anisotrope Eigenschaften. Folgt der anisotrope Brechungsindex- Verlauf den Vorgaben der Transformationsoptik, so bleibt das Lichtwellenfeld bei der Propagation durch den Wellenleiter aberrationsfrei. Sieht man keine Kompression des Wellenfeldes entlang der radialen Richtung wie z.B. bei Cloaking-Anwendungen vor, so ist R = dr/dr‘ = 1. Betrachtet man weiter die Transformation auf Polarkoordinaten, so reduziert sich in diesem Fall der Dielektrizitätstensor auf εΓ = diag (r'2/r2 , 1, 1)
Nimmt man ein Ausgangsmaterial mit der Dielektrizitätskonstanten ε und der Permeabilität μ an und wählt darüber hinaus μ=1 , so verhält sich der auf eine Sphäre transformierte planare Wellenleiter wie ein optisch einachsiger Kristall mit dem ordentlichen Brechungsindex:
Figure imgf000025_0002
und dem außerordentlichen Brechungsindex:
Figure imgf000025_0003
Wie sich gezeigt hat, ist für typische Anwendungen |no-nao|«1 , so dass man in guter Näherung von einem isotropen Material, das keine Doppelbrechung aufweist, ausgehen kann. Die Verwendung isotroper Materialien ist in der praktischen Anwendung aus Fertigungsgründen vorteilhaft.
Analog zu Polarkoordinaten können mit R=1 für Zylinderkoordinaten der ordentliche Brechungsindex:
Figure imgf000026_0001
und dem außerordentlichen Brechungsindex:
Figure imgf000026_0002
abgeleitet werden.
Das GRIN-Element kann allen Ausführungsvananten prinzipiell durch Aufeinander-Anordnen von Folien mit entsprechenden Brechungsindices gefertigt werden. In den Ausführungsvananten weist das GRIN-Element eine torische oder sphärische Geometrie auf.
Eine dritte Variante wird anhand der Figuren 6 und 7 beschrieben. In der Figur 6 sind oben zwei kartesische Koordinatensysteme (x,y,z) und (x‘,y‘,z‘) definiert, welche um die x-Achse bzw. die der x-Achse entsprechende x‘- Achse um einen Winkel a zueinander gekippt angeordnet sind. Die z- Richtung definiert hierbei die Hauptstrahlrichtung oder Richtung der optischen Achse des Abbildungspfades der realen Abbildung der Umgebung (Durchsichtrichtung). Die Angaben in den folgenden Figuren (insbesondere den Figuren 6, 8 und 10) und Ausführungsvarianten beziehen sich ebenfalls auf diese Koordinatensysteme.
Die Figur 6 zeigt zudem den Strahlengang durch einen erfindungsgemäßen Lichtwellenleiter 20 in einer Schnittansicht in einer y-z-Ebene sowie die Brechungsindex-Verteilung in dem GRIN-Element des Lichtwellenleiters in einer x‘-y‘-Ebene. Der gezeigte Lichtwellenleiter 20 weist in z-Richtung eine Dicke 22 von 2mm und in y-Richtung eine Länge 23 von 22mm auf. Der Lichtwellenleiter 20 ist meniskusförmig ausgestaltet, wobei die Krümmungsradien R1 = r‘ und R2 = r des Meniskus 125mm betragen. Die Krümmungsmittelpunkte befinden sich auf der z-Achse und sind um 2mm zueinander verschoben. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Außenflächen des GRIN-Elementes also nicht konzentrisch. Der betrachtete Feldwinkelbereich beträgt 10° x 10°. Der Lichtwellenleiter 20 weist in dem gezeigten Bereich ein GRIN-Element auf, welches aus einem GRIN-Material besteht.
Die Brechungsindex-Verteilung innerhalb des GRIN-Elements ist in der Figur 6 unten entlang der x‘-y‘-Ebene gezeigt. Der Brechungsindex variiert dabei bevorzugt kontinuierlich, kann aber auch durch einzelne Schichten oder Bereiche mit konstantem Brechungsindex, wie in der Figur 6 unten und in entsprechenden Figuren der weiteren Ausführungsvananten gezeigt, nachgebildet werden. Die Brechungsindices der einzelnen Bereiche sind in den Figuren beispielhaft in Klammern angegeben.
Die maximale Differenz des Brechungsindex innerhalb des GRIN-Elements beträgt 0,10 (Δn=0,10). Die Brechungsindex-Verteilung ist so ausgestaltet, dass sie in der x‘-y‘-Ebene variiert, wie in der Figur 6 unten gezeigt, und ist in einer 3. Dimension (entlang der z‘ -Achse), welche mit der z-Achse der Figur oben einen Kippwinkel von α=-5 Grad einschließt, konstant. Das GRIN- Element bewirkt, dass aus dem Wellenleiter 20 ausgekoppelte Lichtwellen einen kollimierten Strahlengang bilden. Der durch die Krümmung des Lichtwellenleiters 20 zunächst bewirkte Astigmatismus im virtuellen Bild wird also durch die Gradienten-Index-Verteilung innerhalb des GRIN-Elements kompensiert.
Der Wellenleiter in Figur 6 bildet ein Objekt (im Unendlichen) in der Objektebene auf eine Bildebene (im Unendlichen) ab. Strahlen, die von einem einzelnen Objektpunkt ausgehen, formen ein paralleles Strahlenbündel, d.h. alle Strahlen sind parallel wenn sie auf die Einkoppelfläche eingekoppelt werden. Die einzelnen Strahlenbündel in Figur 6 entstehen also aus unterschiedlichen Objektpunkten in der Objektebene. Der Winkel zwischen einem einfallenden Strahlenbündel und der optischen Achse wird als Feldwinkel bezeichnet.
Nach Totalreflektionen an den Außenflächen des Wellenleiters werden die Strahlenbündel an der Auskoppelfläche unter verschiedenen Winkeln (Bildwinkeln) ausgekoppelt. Bei einer aberrationsfreien Abbildung sind alle Strahlen in einem einzelnen ausgekoppelten Strahlenbündel wieder genau parallel zueinander. Da die Brechungsindexverteilung in der vorliegenden Ausführungsvariante nicht exakt die Gleichungen einer Transformationsoptik genügt, treten aber Aberrationen, insbesondere Astigmatismus auf. Die einzelnen Strahlen in einem Strahlenbündel sind dann nicht mehr parallel, sondern zeigen individuelle Richtungsabweichungen (Querabweichungen). Die Größen dieser Querabweichungen sind also ein Maß für die Größe der Aberrationen im Abbildungspfad der virtuellen Abbildung.
Die Figur 7 zeigt für die vorliegende Ausführungsvariante die Querabweichungen für verschiedene Feldwinkel in einer Pupillenebene (xF- yF-Ebene). Der Durchmesser des gezeigten Bezugskreises beträgt 2 Bogenminuten. XAN kennzeichnet den Feldwinkel bei einer Drehung um die yF-Achse der Pupillenebene und YAN den Feldwinkel bei einer Drehung um die xF-Achse der Pupillenebene, jeweils in Grad.
Die in der unteren Zeile in der Mitte gezeigte Querabweichung bezieht sich also auf einen Feldwinkel XAN von 0° und YAN von 0°, die links daneben gezeigte Querabweichung tritt bei einem Feldwinkel YAN von -5° und einem Feldwinkel XAN von 0° auf. Rechts unten ist eine Querabweichung für einen Feldwinkel YAN von 5° und einen Feldwinkel XAN von 0° gezeigt. Da, wie in der Figur 6 unten gezeigt, die Gradienten-Index-Verteilung in dem GRIN- Element spiegelsymmetrisch zu der y‘-z‘-Ebene ausgebildet ist, entsprechen die Querabweichungen für Feldwinkel XAN von -5° den Querabweichungen für die in der Figur 7 oben gezeigten Querabweichungen für einen Feldwinkel XAN von 5°. Im Vergleich zur Figur 4 sind die Querabweichungen deutlich reduziert. Die Brechungsindex-Verteilung des GRIN-Elements in dieser Ausführungsvariante führt also dazu, dass die durch die Krümmung des GRIN-Elements entstehenden Aberrationen im Abbildungspfad der virtuellen Abbildung reduziert werden.
Eine vierte Ausführungsvariante ist in der Figur 8 gezeigt. Die zugehörigen Querabweichungen sind in der Figur 9 gezeigt. Die vierte Ausführungsvariante unterscheidet sich von der dritten Ausführungsvariante darin, dass die Krümmungsradien R1 = r‘ und R2 = r des Meniskus 200mm betragen und die Verkippung des GRIN-Mediums, also die Verkippung der 3. Dimension (z‘-Achse), in welcher der Brechungsindex konstant ist, α=-15,6° beträgt. Die 3. Dimension schließt also mit der z-Achse oder der Hauptstrahlrichtung oder Richtung der optischen Achse des Abbildungspfades der realen Abbildung der Umgebung (Durchsichtrichtung) einen Winkel von -15,6° ein. Der Feldwinkelbereich, die Dicke 22 in z- Richtung und die Breite 23 in y-Richtung des GRIN-Elements entsprechen denen der der ersten Ausführungsvariante. Die berechnete Brechungsindexverteilung mit den geringsten Aberrationen im virtuellen Bild, hat erneut eine maximalen Differenz des Brechungsindex Δn innerhalb des GRIN-Materials von Δn=0,10. Die Brechungsindexverteilung in der Figur 8 unten weist in x‘-Richtung verglichen mit der dritten Ausführungsvariante stärkere Variationen auf. Durch die stärkere Verkippung der 3. Dimension wird aber eine deutliche Reduzierung der Querabweichungen bewirkt, wie in der Figur 9 ersichtlich ist. Die Brechungsindex-Verteilung des GRIN- Elements in dieser Ausführungsvariante führt also dazu, dass die durch die Krümmung des GRIN-Elements entstehenden Aberrationen im Abbildungspfad der virtuellen Abbildung noch weiter reduziert werden.
Eine fünfte Ausführungsvariante wird im Folgenden anhand der Figuren 10 und 11 erläutert. In der dritten Ausführungsvariante weist der Lichtwellenleiter 20 im Bereich des GRIN-Elements Krümmungsradien R1=R2 des Meniskus von 90mm auf. Der betrachtete Feldwinkelbereich beträgt 22,5° x 10°. Das GRIN-Element weist eine Dicke 22 von 1 ,2mm und eine Breite 23 von 10mm auf. Die maximale Differenz des Brechungsindex in dem GRIN-Material beträgt 0,12 (Δn=0,12). Die 3. Dimension (z‘-Achse), in welcher der Brechungsindex konstant ist, schließt mit der z-Achse bei einer Drehung um die x-Achse einen Winkel von α=14° ein. In der Figur 10 unten ist die Brechungsindex-Verteilung in der x‘-y‘-Ebene gezeigt. Die Figur 11 zeigt die in dieser Ausführungsvariante auftretenden Querabweichungen für Feldwinkel YAN von -5° bis 5°, und für Feldwinkel XAN von 0° bis 11 ,25°. Der Durchmesser des gezeigten Bezugskreises beträgt 2 Bogenminuten. In dieser Ausführungsvariante sind, im Vergleich zu den vorherigen Ausführungsvarianten, die Querabweichungen auch bei den Feldwinkeln XAN größer als 5° ausreichend klein.
Eine sechste Ausführungsvariante wird im Folgenden anhand der Figuren 12 und 13 näher erläutert. In dieser Ausführungsvariante betragen die Krümmungsradien des Meniskus des GRIN-Elements 150mm. Der Feldwinkelbereich beträgt 5° x 5°. Das gezeigte GRIN-Element weist eine Dicke von 1 ,0mm und eine Breite von 15mm auf.
Die Brechungsindex-Verteilung ist in der Figur 12 unten links in Form eines Querschnitts in einer x-z-Ebene gezeigt. Dabei ist der Brechungsindex in y- Richtung konstant. Das bedeutet, dass der Brechungsindex nicht konform zu den Außenflächen, also der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche, verläuft. In dem Diagramm in der Figur 12 unten rechts ist der Brechungsindexverlauf an der zweiten Oberfläche, also der Vorderseite 13 des in der Figur 12 gezeigten Lichtwellenleiters 20 bei x=0, d.h. in der Zeichenebene, gezeigt. Auf der x-Achse des Diagramms ist die Position entlang der Oberfläche aufgetragen. Auf der y-Achse des Diagramms sind die jeweiligen Brechungsindices aufgetragen. Der Brechungsindex nimmt mit zunehmendem y-Wert, also ausgehend von der Einkoppelfläche 10 entlang der Oberfläche 13 ab.
Die Querabweichungen für die sechste Ausführungsvariante sind in der Figur 13 schematisch gezeigt. Wie auch in den zuvor beschriebenen Ausführungsvarianten beträgt der Durchmesser des gezeigten Bezugskreises 2 Bogenminuten. Eine siebente Ausführungsvariante wird im Folgenden anhand der Figuren 14 bis 17 erläutert. In dieser Variante wird für den Feldwinkel von 5° x 5° der Astigmatismus im virtuellen Bild korrigiert. Der Wellenleiter 20 weist im Bereich des GRIN-Elements eine Dicke von 1 mm und eine Länge von 18 mm auf. Der Krümmungsradius der konkaven Fläche 12 des Meniskus des GRIN-Elements des Lichtwellenleiters 20 beträgt in dieser Ausführungsvariante 150 mm. Die zweite Oberfläche, also die konvexe Fläche 13 des Meniskus, ist als Torus ausgebildet. Der Krümmungsradius der zweiten Oberfläche 13 in Bildebene Rz (Radius bei Drehung um die x- Achse) beträgt 150,0 mm. Der Krümmungsradius senkrecht zur Bildebene Rx (Radius bei Drehung um die y-Achse) beträgt 134,5 mm.
Bei dieser Ausführungsvariante wird der Astigmatismus nicht nur für das virtuelle Bild, sondern auch für den Abbildungspfad der Abbildung der realen Umgebung (in Durchsicht durch den Wellenleiter) korrigiert. Die torische Ausbildung der zweiten Oberfläche ist dabei notwendig um den Astigmatismus, der durch die Ausbildung des Wellenleiters als GRIN- Element in Durchsichtrichtung entsteht, zu kompensieren.
Die maximale Brechungsindex-Differenz in dem GRIN-Material beträgt 0,02 (Δn=0,02), wobei der Brechungsindex Werte von 1 ,50 bis 1 ,52 annimmt. Die Brechungsindex-Verteilung verläuft im vorliegenden Beispiel konform zu der konvexen Außenfläche, also der zweiten Oberfläche 13. Das heißt, dass an der konvexen Außenfläche die Brechzahl konstant ist, die Brechzahl aber im Innern des Lichtwellenleiters mit zunehmender Entfernung von der konvexen Außenfläche zunimmt. Dies hat fertigungstechnisch den Vorteil, dass Folien mit entsprechenden Brechungsindices aufeinander angeordnet werden können. In der Figur 14 unten sind die Brechungsindex-Verteilungen für verschiedene Schnittebenen gezeigt. Dabei zeigt das in der Mitte links gezeigte Diagramm die Verteilung in einen Schnitt in einer x-z-Ebene, die in der Mitte rechts gezeigte Abbildung einen Schnitt in einer y-z-Ebene und die unten gezeigte Abbildung einen Schnitt in einer x-y-Ebene. Die Figur 15 zeigt die Querabweichungen für diese Ausführungsvariante. Die Figur 16 zeigt die sphärische Brechkraft in einem Abbildungspfad einer realen Abbildung der Umgebung (Durchsichtrichtung) in Dioptrien des Lichtwellenleiters 20 der siebten Ausführungsvariante in einer x-y- Darstellung. Die Skala rechts kennzeichnet die Brechkraft in Dioptrien. Auf der x-Achse und der y-Achse sind die Abmessungen in mm aufgetragen. Die Brechkraft weist dabei einen Wert von 0,385 Dioptrien +/-0,015 Dioptrien auf. Durch den erfindungsgemäßen Lichtwellenleiter wird also die sphärische Brechkraft um einen konstanten Betrag beeinflusst, der beim Push-Pull- Konzept vorgehalten werden kann. In der Figur 17 ist der Astigmatismus in Dioptrien in Durchsicht in Form eines Diagramms dargestellt. Die Skala rechts kennzeichnet den Astigmatismus in Dioptrien. Der Astigmatismus bei Durchsicht durch den Lichtwellenleiter 20 der siebten Ausführungsvariante beträgt in dem markierten Bereich 24 weniger als 0,05 Dioptrien (Dpt). Es ist also keine Kompensation erforderlich.
Der markierte Bereich 24 in den Figuren 16 und 17 hat die Größe von ca. 40mmx20mm. Die Brechungsindex-Verteilung und die konvexe Außenfläche des Lichtwellenleiters sind so aufeinander abgestimmt, dass bei der Durchsicht durch den Lichtwellenleiter der Astigmatismus kleiner als 0,05 Dpt ist und somit die Objekte der Außenwelt praktisch aberrationsfrei abgebildet werden. Die sphärische Brechkraft des Lichtwellenleiters ist im gesamten Bereich nahezu konstant und kann z.B. bei einem Push-Pull-Konzept problemlos vorgehalten, also ausgenutzt werden.
Eine achte Ausführungsvariante wird im Folgenden anhand der Figuren 18 bis 21 erläutert. In dieser Variante weisen die erste Oberfläche und die zweite Oberfläche jeweils eine Meniskusform mit unterschiedlichen Krümmungsradien auf. Die erste Oberfläche, also die konkave, augenzugewandte Fläche, ist sphärisch mit einem Krümmungsradius von 200 mm ausgebildet. Die zweite Oberfläche, also die konvexe Fläche des Meniskus ist als Torus ausgebildet mit einem Krümmungsradius Rz von 140 mm und einem Krümmungsradius Rx von 133,6 mm. Der Feldwinkelbereich beträgt in dieser Variante 40° x 10°. Die maximale Brechungsindex-Differenz in dem GRIN-Material beträgt 0,01 (Δn=0,01 ), wobei der Brechungsindex Werte von 1 ,51 bis 1 ,52 annimmt. Die Brechungsindex-Verteilung verläuft konform zu mindestens einer der Außenflächen, also zu der ersten Oberfläche und/oder der zweiten Oberfläche. Das GRIN-Element weist eine Dicke 22 von 1 ,2mm und eine Breite 23 von 12mm auf. In der Figur 18 sind die Brechungsindex-Verteilungen in einem Schnitt in einer x-z Ebene, in einem Schnitt in einer y-z-Ebene gezeigt und in einem Schnitt in einer x-y- Ebene gezeigt. Der gezeigte Bereich weist eine Ausdehnung von 10 mm in x-Richtung auf.
Die Figur 19 zeigt für diese Variante die Querabweichungen für verschiedene Blickwinkel. Der Durchmesser des Bezugskreises beträgt 2 Bogenminuten. Die Figur 20 zeigt die sphärische Brechkraft in Dioptrien und die Figur 21 zeigt den Astigmatismus in Dioptrien in Durchsicht durch den Lichtwellenleiter. In beiden Figuren markiert der gestrichelte Bereich 25 jeweils die Ausdehnung des Lichtwellenleiters in x-Richtung und y-Richtung bei einem Sichtfeld (Field of View) von 40° x 10°. In der Figur 19 beträgt die sphärische Brechkraft des Lichtwellenleiters 1 ,3 Dioptrien +/-0,04 Dioptrien, was sich bei Integration in eine Push-Pull-Linse nutzen lässt. Auch ohne eine Push/Pull-Linse kann die Brechkraft des Lichtwellenleiters dazu verwendet werden, eine Fehlsichtigkeit, insbesondere von bis zu 1 ,3 Dioptrien, zu korrigieren. Aus der Figur 20 ergibt sich, dass der Astigmatismus bei Durchsicht durch den Lichtwellenleiter geringer ist als 0,05 Dioptrien, also keine weitere Kompensation erforderlich ist.
Die Figur 22 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Bildwiedergabevorrichtung 30, z.B. ein Head-Mounted-Display, welche eine erfindungsgemäße optische Anordnung 31 umfasst. Die erfindungsgemäße optische Anordnung 31 umfasst einen erfindungsgemäßen Lichtwellenleiter 20, insbesondere einen Lichtwellenleiter gemäß einer der zuvor beschriebenen Ausführungsvarianten. Die optische Anordnung 31 umfasst darüber hinaus mindestens ein optisches Element 3, 4, beispielsweise eine Linse. Das optische Element 3, 4 kann als Push-Linse und/oder Pull-Linse ausgestaltet sein. Das optische Element 3, 4 kann zur Korrektur von Fehlsichtigkeit und/oder zur Fokussierung einer virtuellen Abbildung etc. ausgelegt sein. Alternativ zu der in der Figur 22 gezeigten Variante kann erfindungsgemäße Bildwiedergabevorrichtung 30 anstelle der optischen Anordnung 31 lediglich einen erfindungsgemäßen Lichtwellenleiter 20 umfassen.
Die Figur 23 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Bilderfassungsvorrichtung 32, welche mindestens einen erfindungsgemäßen Lichtwellenleiter 20 umfasst. Dabei ist die Auskoppeleinrichtung 11 als Einkoppeleinrichtung und die Einkoppeleinrichtung oder Einkoppelfläche 10 als Auskoppeleinrichtung oder Auskoppelfläche ausgebildet.
Bezugszeichenliste :
1 Brillenglas-Anordnung
2 Wellenleiter
3 erste Linse
4 zweite Linse
5 Strahlengang
6 Eyebox
7 Optische Achse
8 Mittelachse
9 Systemdicke
10 Einkoppeleinrichtung / Einkoppelfläche
11 Auskoppeleinrichtung
12 konkav gekrümmte, erste Oberfläche
13 konvex gekrümmte, zweite Oberfläche
14 Planfläche
19 Systemdurchmesser
20 Lichtwellenleiter
21 x-y-Ebene
22 Dicke
23 Länge
24 markierter Bereich
25 markierter Bereich
30 Bildwiedergabevorrichtung
31 optische Anordnung
32 Bilderfassungsvorrichtung
XAN Feldwinkel
YAN Feldwinkel x Koordinate y Koordinate z Koordinate x‘ Koordinate y‘ Koordinate z‘ Koordinate

Claims

Patentansprüche
1. Lichtwellenleiter (20) zur Anordnung im Strahlengang (5) einer optischen Anordnung mit einer Einrichtung (11 ) zum Auskoppeln und/oder Einkoppeln eines Abbildungsstrahlengangs, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtwellenleiter (20) ein GRIN-Element mit mindestens einer gekrümmten Oberfläche (12, 13) aufweist, wobei das GRIN-Element eine Brechungsindex-Verteilung aufweist, welche dazu ausgebildet ist, die durch die Krümmung des GRIN-Elements entstehenden Aberrationen in einem Abbildungspfad einer virtuellen Abbildung, welche mittels in dem Lichtwellenleiter (20) durch Totalreflexion geführter Lichtwellen erzeugt wird, zu reduzieren.
2. Lichtwellenleiter (20) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das GRIN-Element eine Brechungsindex-Verteilung aufweist, welche dazu ausgebildet ist, die durch das GRIN-Element induzierten Aberrationen in einem Abbildungspfad einer realen Abbildung der Umgebung, welcher durch das GRIN-Element hindurch verläuft, zu reduzieren.
3. Lichtwellenleiter (20) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den in dem Abbildungspfad der realen Abbildung der Umgebung durch das GRIN-Element induzierten Aberrationen um Aberrationen handelt, welche durch die Krümmung des GRIN-Elements induziert werden und/oder welche durch die zur Reduzierung der in dem Abbildungspfad der virtuellen Abbildung induzierten Aberrationen ausgelegte Brechungsindex-Verteilung induziert werden.
4. Lichtwellenleiter (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Brechungsindex-Verteilung des GRIN-Elements eine radialsymmetrische und/oder zylindrische und/oder torische Brechungsindex-Verteilung aufweist und/oder eine Brechungsindex-Verteilung aufweist, welche mindestens eine Fläche mit konstantem Brechungsindex aufweist.
5. Lichtwellenleiter (20) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Fläche mit konstantem Brechungsindex zylindrisch oder torisch oder sphärisch oder asphärisch oder als Freiformfläche ausgestaltet ist.
6. Lichtwellenleiter (20) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Fläche mit konstantem Brechungsindex mit der mindestens einen gekrümmten Oberfläche des GRIN-Elements zusammenfällt oder parallel zu dieser verläuft.
7. Lichtwellenleiter (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass für die Brechungsindex-Verteilung des GRIN-Elements in radialer Richtung n(r) gilt n(r)=f(r'/r), wobei r‘ ein vorgegebener Krümmungsradius einer der mindestens einen gekrümmten Oberfläche (12, 13) des GRIN-Elements ist. .
8. Lichtwellenleiter (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Krümmungsradius R1=r‘ einer ersten Oberfläche (12) des GRIN- Elements und/oder der Krümmungsradius R2=r einer zweiten Oberfläche (13) des GRIN-Elements mindestens 50mm beträgt und/oder die Dicke (22) des GRIN-Elements in Hauptstrahlrichtung eines Abbildungspfades der realen Abbildung der Umgebung (9) oder radialer Richtung mindestens 0,1 mm und/oder maximal 10mm beträgt.
9. Lichtwellenleiter (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung des Brechungsindex Δn in dem GRIN-Element zwischen 0,005 und 0,20 beträgt.
10. Lichtwellenleiter (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung des Brechungsindex Δn in dem GRIN-Element in radialer Richtung zwischen 0,01 und 0,15 beträgt.
11. Lichtwellenleiter (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Gradient δn/dx des Brechungsindex n in einer Richtung x zwischen 0 mm-1 und 0,02 mm-1 beträgt.
12. Lichtwellenleiter (20) nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass der Gradient δn/dx des Brechungsindex n in einer Richtung x senkrecht zur Hauptstrahlrichtung eines Abbildungspfades der realen Abbildung der Umgebung (9) oder in einer Richtung x parallel zur Hauptstrahlrichtung eines Abbildungspfades der realen Abbildung der Umgebung (9) oder in einer radialen Richtung x oder in einer Richtung x senkrecht zur optischen Achse (7) oder in einer Richtung x parallel zur optischen Achse (7) zwischen 0 mm-1 und 0,02 mm-1 beträgt.
13. Lichtwellenleiter (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Oberfläche (12) und/oder zweite Oberfläche (13) torisch oder sphärisch oder asphärisch oder zylindrisch oder als Freiformfläche ausgebildet sind/ist.
14. Lichtwellenleiter (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Brechungsindex innerhalb des GRIN-Elements in mindestens einer ersten und einer zweiten Dimension eines festgelegten Koordinatensystems variiert.
15. Lichtwellenleiter (20) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Brechungsindex entlang einer dritten Dimension des festgelegten Koordinatensystems konstant ist, wobei die dritte Dimension einen Kippwinkel mit der Hauptstrahlrichtung eines Abbildungspfades der realen Abbildung der Umgebung (9) einschließt.
16. Lichtwellenleiter (20) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Betrag des Kippwinkels größer ist als 2 Grad.
17. Lichtwellenleiter (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das GRIN-Element dazu ausgelegt ist, im Abbildungspfad des realen und/oder des virtuellen Bildes eine von Null verschiedene Brechkraft einzuführen.
18. Optische Anordnung (31 ), welche mindestens ein optisches Element (3, 4) mit mindestens einer gekrümmten Oberfläche umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Anordnung (31 ) mindestens einen Lichtwellenleiter (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 17 umfasst, wobei das mindestens eine optische Element (3, 4) und der Lichtwellenleiter (20) im Strahlengang des Abbildungspfades der realen und/oder virtuellen Abbildung hintereinander angeordnet sind.
19. Optische Anordnung (31 ) nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (3, 4) als Linse ausgestaltet ist und/oder zur Korrektur von Fehlsichtigkeit in dem Abbildungspfad der realen Abbildung der Umgebung und/oder zur Korrektur von Fehlsichtigkeit in dem Abbildungspfad der virtuellen Abbildung und/oder zur Fokussierung der virtuellen Abbildung in dem Abbildungspfad der virtuellen Abbildung ausgelegt ist.
20. Optische Anordnung (31 ) nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtwellenleiter (20) so ausgestaltet ist, dass die Krümmung mindestens einer der Oberflächen (12, 13) des GRIN-Elements an die Krümmung der mindestens einen gekrümmten Oberfläche des mindestens einen optischen Elements (3, 4) angepasst ist.
21. Optische Anordnung (31 ) nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein weiteres GRIN-Element zur Reduzierung von durch das GRIN-Element entlang eines Abbildungspfades der realen Abbildung der Umgebung induzierten Aberrationen vorhanden ist.
22. Bilderfassungsvorrichtung, welche mindestens einen Lichtwellenleiter (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 17 umfasst.
23. Bildwiedergabevorrichtung, welche mindestens einen Lichtwellenleiter (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 17 umfasst oder eine optische Anordnung (31 ) nach einem der Ansprüche 18 bis 21 umfasst.
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