DE-102024132529-A1 - Optische Anordnung und Verfahren zu deren Herstellung sowie HeadMounted-Display

Abstract

Es wird eine optische Anordnung für ein Head-Mounted-Display (200) beschrieben, welche einen Lichtwellenleiter (8) mit mindestens einem in dem Lichtwellenleiter angeordneten Fresnelelement (1) umfasst, wobei das Fresnelelement (1) eine Fresnelstruktur aufweist, welche eine Mehrzahl an aktiven Flächensegmenten (3, 3a, 3b, 3c) und eine Mehrzahl an passiven Flächensegmenten (5, 5a, 5b, 5c) umfasst, wobei die passiven Flächensegmente (5, 5a, 5b, 5c) stufenartig zwischen den aktiven Flächensegmenten (3, 3a, 3b, 3c) angeordnet sind und diese miteinander verbinden. Die Fresnelstruktur ist so beschichtet, dass die aktiven Flächensegmenten (3, 3a, 3b, 3c) eine erste reflektive Beschichtung (4) aufweisen und die passiven Flächensegmenten (5, 5a, 5b, 5c) eine zweite reflektive Beschichtung (6) aufweisen, wobei die erste reflektive Beschichtung (4) und die zweite reflektive Beschichtung (6) jeweils eine Anzahl an Schichten (7, 7a, 7b, 7c, 7d, 7e, 7f) aus demselben Material und in derselben Reihenfolge angeordnet umfassen, sodass sich die erste reflektive Beschichtung (4) und die zweite reflektive Beschichtung (6) nur in Bezug auf die Dicke der einzelnen Schichten (7, 7a, 7b, 7c, 7d, 7e, 7f) voneinander unterscheiden, wobei die beschichtete Fresnelstruktur in dem Lichtwellenleiter (8) so angeordnet ist, dass auf die Fresnelstruktur eingestrahltes Licht eines Displays, welches nach einer Transmission durch ein aktives Flächensegment (3, 3a, 3b, 3c) auf ein passives Flächensegment (5, 5a, 5b, 5c) auftrifft, so reflektiert wird, dass es nicht erneut auf ein aktives Flächensegment (3, 3a, 3b, 3c) auftrifft.

Inventors

• Georg Michels
• Jaime Carballo Leganes

Assignees

• tooz technologies GmbH

Dates

Publication Date

20260507

Application Date

20241107

Claims (14)

1. Optische Anordnung für ein Head-Mounted-Display (200), welche einen Lichtwellenleiter (8) mit mindestens einem in dem Lichtwellenleiter angeordneten Fresnelelement (1) umfasst, wobei das Fresnelelement (1) eine Fresnelstruktur aufweist, welche eine Mehrzahl an aktiven Flächensegmenten (3, 3a, 3b, 3c) und eine Mehrzahl an passiven Flächensegmenten (5, 5a, 5b, 5c) umfasst, wobei die passiven Flächensegmente (5, 5a, 5b, 5c) stufenartig zwischen den aktiven Flächensegmenten (3, 3a, 3b, 3c) angeordnet sind und diese miteinander verbinden, dadurch gekennzeichnet , dass die Fresnelstruktur so beschichtet ist, dass die aktiven Flächensegmenten (3, 3a, 3b, 3c) eine erste reflektive Beschichtung (4) aufweisen und die passiven Flächensegmenten (5, 5a, 5b, 5c) eine zweite reflektive Beschichtung (6) aufweisen, wobei die erste reflektive Beschichtung (4) und die zweite reflektive Beschichtung (6) jeweils eine Anzahl an Schichten (7, 7a, 7b, 7c, 7d, 7e, 7f) aus demselben Material und in derselben Reihenfolge angeordnet umfassen, sodass sich die erste reflektive Beschichtung (4) und die zweite reflektive Beschichtung (6) nur in Bezug auf die Dicke der einzelnen Schichten (7, 7a, 7b, 7c, 7d, 7e, 7f) voneinander unterscheiden, wobei die beschichtete Fresnelstruktur in dem Lichtwellenleiter (8) so angeordnet ist, dass auf die Fresnelstruktur eingestrahltes Licht eines Displays, welches nach einer Transmission durch ein aktives Flächensegment (3, 3a, 3b, 3c) auf ein passives Flächensegment (5, 5a, 5b, 5c) auftrifft, so reflektiert wird, dass es nicht erneut auf ein aktives Flächensegment (3, 3a, 3b, 3c) auftrifft.
2. Optische Anordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet , dass die Dicke jeder einzelnen Schicht (7, 7a, 7b, 7c, 7d, 7e, 7f) der ersten reflektiven Beschichtung (4) größer ist als die Dicke der jeweils korrespondierenden einzelnen Schicht (7, 7a, 7b, 7c, 7d, 7e, 7f) der zweiten reflektiven Beschichtung (6).
3. Optische Anordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet , dass die Dicke jeder einzelnen Schicht (7, 7a, 7b, 7c, 7d, 7e, 7f) der ersten reflektiven Beschichtung (4) kleiner ist als die Dicke der jeweils korrespondierenden einzelnen Schicht (7, 7a, 7b, 7c, 7d, 7e, 7f) der zweiten reflektiven Beschichtung (6).
4. Optische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 , dadurch gekennzeichnet , dass die beschichtete Fresnelstruktur innerhalb des Lichtwellenleiters (8) so angeordnet ist, dass ein Einfallswinkel des eingestrahlten Lichts eines Displays auf ein aktives Flächensegment (3, 3a, 3b, 3c) kleiner ist als ein Einfallswinkel des Lichts auf ein passives Flächensegment (5, 5a, 5b, 5c) nach einer Transmission durch das aktive Flächensegment (3, 3a, 3b, 3c).
5. Optische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 , dadurch gekennzeichnet , dass der Lichtwellenleiter (8) ein Grundsubstrat, auf welchem die Fresnelstruktur angeordnet ist, und ein Füllsubstrat, welches die Fresnelstruktur bedeckt und innerhalb des Lichtwellenleiters (8) einkapselt, umfasst und in einem Strahlengang so angeordnet ist, das eingestrahltes Licht eines Displays das Grundsubstrat durchläuft bevor es auf ein aktives Flächensegment (3, 3a, 3b, 3c) auftrifft und das Füllsubstrat nach einer Transmission durch das aktive Flächensegment (3, 3a, 3b, 3c) und vor einem Auftreffen auf ein passives Flächensegment (5, 5a, 5b, 5c) durchläuft, wobei das Grundsubstrat und das Füllsubstrat jeweils einen Brechungsindex aufweisen und sich die Brechungsindices um weniger als 0,01 voneinander unterscheiden.
6. Optische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 , dadurch gekennzeichnet , dass das Fresnelelement (1) so ausgestaltet ist, dass die passiven Flächensegmente (5, 5a, 5b, 5c) für durch die aktiven Flächensegmente (3, 3a, 3b, 3c) transmittiertes Licht einen höheren Reflexionsgrad aufweisen als die aktiven Flächensegmente (3, 3a, 3b, 3c) für unmittelbar auf diese einfallendes Licht.
7. Optische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 , dadurch gekennzeichnet , dass eine oder mehrere der einzelnen Schichten (7, 7a, 7b, 7c, 7d, 7e, 7f) der ersten reflektiven Beschichtung (4) und der zweiten reflektiven Beschichtung (6) Siliziumdioxid und/oder Trititanpentoxid und/oder Aluminiumtrioxid und/oder Zirkoniumdioxid und/oder Magnesiumflurid und/oder Tantaltrioxid umfassen.
8. Brillenglas (100, 100a, 100b) für ein Head-Mounted-Display (200), dadurch gekennzeichnet , dass das Brillenglas (100, 100a, 100b) eine optische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 umfasst.
9. Head-Mounted-Display (200), dadurch gekennzeichnet , dass das Head-Mounted-Display (200) eine optische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 oder ein Brillenglas (100, 100a, 100b) nach Anspruch 8 umfasst.
10. Verfahren (300) zum Herstellen einer optischen Anordnung für ein Head-Mounted-Display (200), dadurch gekennzeichnet , dass das Verfahren (300) folgende Schritte umfasst: - Bereitstellen einer Fresnelstruktur an einem Grundsubstrat (17) eines Lichtwellenleiters (8), wobei die Fresnelstruktur eine Mehrzahl an aktiven Flächensegmenten (3, 3a, 3b, 3c) und eine Mehrzahl an passiven Flächensegmenten (5, 5a, 5b, 5c) umfasst, wobei die passiven Flächensegmente (5, 5a, 5b, 5c) stufenartig zwischen den aktiven Flächensegmenten (3, 3a, 3b, 3c) angeordnet sind und diese miteinander verbinden, - Beschichten der Fresnelstruktur durch gleichzeitiges Aufbringen von Material mittels Abscheiden von Beschichtungsmaterialien aus einer Gasphase auf die aktiven Flächensegmente (3, 3a, 3b, 3c) und die passiven Flächensegmente (5, 5a, 5b, 5c), sodass auf den aktiven Flächensegmenten (3, 3a, 3b, 3c) eine erste reflektive Beschichtung (4) und auf den passiven Flächensegmenten (5, 5a, 5b, 5c) eine zweite reflektive Beschichtung (6) ausgebildet wird, wobei die erste reflektive Beschichtung (4) und die zweite reflektive Beschichtung (6) jeweils eine Anzahl an Schichten (7, 7a, 7b, 7c, 7d, 7e, 7f) aus demselben Material und in derselben Reihenfolge angeordnet umfassen, sodass sich die erste reflektive Beschichtung (4) und die zweite reflektive Beschichtung (6) nur in Bezug auf die Dicke der einzelnen Schichten (7, 7a, 7b, 7c, 7d, 7e, 7f) voneinander unterscheiden.
11. Verfahren (300) nach Anspruch 10 , dadurch gekennzeichnet , dass die beschichtete Fresnelstruktur zur Ausbildung eines Füllsubstrats (18), welches die Fresnelstruktur bedeckt und innerhalb des Lichtwellenleiters (8) einkapselt, mit einem Füllmaterial beschichtet wird, wobei das Grundsubstrat (17) und das Füllsubstrat (18) jeweils einen Brechungsindex aufweisen und sich die Brechungsindices um weniger als 0,01 voneinander unterscheiden, wobei die erste reflektive Beschichtung (4) und/oder die zweite reflektive Beschichtung (6) mittels physikalischer Gasphasenabscheidung der Beschichtungsmaterialien ausgebildet werden.
12. Verfahren (300) nach Anspruch 10 oder 11 , dadurch gekennzeichnet , dass die Gasphasen der Beschichtungsmaterialien mittels einer oder mehrerer Verdampfungsquelle/n erzeugt werden.
13. Verfahren (300) nach Anspruch 12 , dadurch gekennzeichnet , dass vor dem Beschichten das Grundsubstrat (17) des Lichtwellenleiters (8) mit der Fresnelstruktur zum Erzeugen einer vorgegebenen Dicke der einzelnen Schichten (7, 7a, 7b, 7c, 7d, 7e, 7f) der ersten reflektiven Beschichtung (4) und der zweiten reflektiven Beschichtung (6) in Bezug auf die eine oder mehreren Verdampfungsquelle/n in einer vorgegebenen Weise räumlich positioniert wird.
14. Verfahren (300) nach Anspruch 12 oder 13 , dadurch gekennzeichnet , dass das Beschichten umfasst, dass zum Erzeugen der vorgegebenen Dicke der einzelnen Schichten (7, 7a, 7b, 7c, 7d, 7e, 7f) der Lichtwellenleiter (8) mit der Fresnelstruktur in Bezug auf die eine oder mehreren Verdampfungsquelle/n in einer vorgegebenen Weise bewegt wird und/oder auf die eine oder mehreren Verdampfungsquelle/n in Bezug auf den Lichtwellenleiter (8) mit der Fresnelstruktur in einer vorgegebenen Weise bewegt wird/werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Anordnung für ein Head-Mounted-Display, ein Brillenglas, ein Head-Mounted-Display sowie ein Verfahren zum Herstellen einer optischen Anordnung. Ein Head-Mounted-Display (HMD), also eine am oder auf dem Kopf eines Nutzers anordenbare Anzeigevorrichtung, ermöglicht in einer zur Durchsicht ausgelegten Variante eine Kombination eines elektronisch erzeugten Bilds mit dem unmittelbar durch den Nutzer wahrgenommenen Bild der Umgebung. Datenbrillen stellen hierbei eine Ausführungsform eines Head-Mounted-Displays in Brillenform, d. h. mit von einem Brillengestell gehaltenen Brillengläsern, dar. Beispiele für Datenbrillen sind beispielsweise in den Dokumenten DE 10 2013 207 257 A1, DE 10 2013 223 963 A1, DE 10 2013 223 964 B3, DE 10 2015 117 557 A1, DE 10 2016 124 538 A1, US 2006 / 0 126 181 A1, US 2010 / 0 220 295 A1 und US 2012 / 0 002 294 A1 beschrieben. Das elektronisch erzeugte virtuelle Bild wird von einem auf einem Bildgeber, z. B. einem Display, dargestellten Ausgangsbild geformt. Hierfür wird eine Abbildungsoptik mit einem Lichtwellenleiter genutzt, wobei der Lichtwellenleiter zwischen einem Einkoppelelement zum Einkoppeln eines vom Bildgeber oder Display ausgehenden Abbildungsstrahlengangs und einem Auskoppelelement zum Auskoppeln des Abbildungsstrahlengangs in Richtung des Auges des Nutzers oder einer Eyebox angeordnet ist. Dabei können das Einkoppelelement und das Auskoppelelement Bestandteil des Lichtwellenleiters sein. Als Eyebox wird ein Raumbereich bezeichnet, von welchem aus elektronisch erzeugte virtuelle Bild als virtuelle Abbildung visuell wahrnehmbar ist. In zur Durchsicht ausgelegten HMDs dient das Auskoppelelement auch dem Zusammenführen des Strahlengangs des elektronisch erzeugten Bilds, also des Strahlengangs der virtuellen Abbildung, mit einem unmittelbaren Bild der Umgebung, also dem Strahlengang der realen Abbildung. In diesem Fall wird das Auskoppelelement auch als Combiner bezeichnet. Das Auskoppelelement kann beispielsweise eine Fresnelstruktur umfassen, welche aus einer Mehrzahl an Flächensegmenten oder Facetten besteht, wovon eine Mehrzahl an aktiven Flächensegmenten oder Facetten zur Strahlformung ausgelegt sind und eine Mehrzahl an passiven Flächensegmenten oder Facetten stufenartig zwischen den aktiven Flächensegmenten angeordnet sind und diese geometrisch miteinander verbinden. In einer beispielhaften Variante können die aktiven Flächensegmente oder eine Teilmenge dieser parallel zueinander angeordnet sein. Es ist bekannt, dass die aktiven oder wirksamen Flächensegmente einer Fresnelstruktur Teilflächen einer kontinuierlichen Fläche sind bzw. zu einer kontinuierlichen Fläche zusammengesetzt werden können und die passiven oder nicht wirksamen oder inaktiven Flächensegmente, welche auch als Schattenflächen bezeichnet werden können, die stufenweisen Diskontinuitäten zwischen den einzelnen aktiven Flächensegmenten repräsentieren und benachbarte aktive Flächensegmente miteinander verbinden. Es ist weiterhin bekannt, dass eine Fresnelstruktur von dem klassischen Konzept einer Ableitung dieser aus einer einzelnen kontinuierlichen Oberfläche abweichen kann. In diesem Fall handelt es sich um eine fresnelartige Struktur, welche eine oder mehrere aktive Flächensegmente ausweist, die nicht mit einer einzelnen kontinuierlichen Oberfläche korrespondieren sondern eine oder mehrere kontinuierliche Oberflächen umfassen bzw. mit diesen korrespondieren. Solche Abweichungen können ihre Ursache in Toleranzen oder Ungenauigkeiten während des Fertigungsprozesses der Fresnelstruktur haben oder absichtlich vorgesehen sein um gewünschte Eigenschaften der Struktur zu erzielen. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf das klassische Konzept einer Fresnelstruktur beschränkt sondern ist auch für fresnelartige Strukturen anwendbar und bietet hierfür dieselben Vorteile. Aus diesem Grund werden im Folgenden die Begriffe „Fresnel“ und „fresnelartig“ miteinander austauschbar zur Beschreibung des obigen Konzepts von Fresnelstrukturen und fresnelartigen Strukturen verwendet und sind entsprechend synonym zu verstehen. Wenn von Fresnelstrukturen die Rede ist, sind hiervon also auch fresnelartige Strukturen umfasst. Die beschriebenen Fresnel- oder fresnelartigen Strukturen können sowohl als Einkoppelelement zum Einkoppeln eines Strahlengangs von einem Display oder Bildgeber in einen Lichtwellenleiter als auch als Auskoppelelement zum Auskoppeln eines Strahlengangs aus dem Lichtwellenleiter verwendet werden. Es wird daher im Folgenden der Begriff „optische Anordnung“ und „optische Anordnung mit Fresnelelement oder Fresnelstruktur“ als sowohl auf zur Einkopplung als auch zur Auskopplung geeignete oder vorgesehene Anordnungen oder Elemente eines Lichtwellenleiters verstanden. Aktive Flächenbereiche oder Facetten einer Fresnelstruktur in einer optischen Anordnung können mit einer teilreflektiven und teiltransparenten Beschichtung versehen sein, wobei der Reflexionsgrad üblicherweise im Be