Search

EP-3458900-B1 - SPECTACLE LENS FOR AN IMAGING OPTICAL UNIT AND DATA GOGGLES

EP3458900B1EP 3458900 B1EP3458900 B1EP 3458900B1EP-3458900-B1

Inventors

  • DOBSCHAL, Hans-Jürgen
  • HILLENBRAND, MATTHIAS
  • RUDOLPH,Günter

Dates

Publication Date
20260506
Application Date
20170515

Claims (12)

  1. Spectacle lens (31, 51) for an imaging optical unit for generating a virtual image of an initial image represented on an image generator (63), comprising: - an inner surface (33, 53) that is to face the eye and an outer surface (35, 55) that is to face away from the eye, - an input coupling section (37, 57) situated at the edge of the spectacle lens and serving for coupling an imaging beam of rays of an imaging beam path emanating from the initial image in between the inner surface (33, 53) and the outer surface (35, 55) of the spectacle lens (31, 51), and - an output coupling structure (39, 65) present in the spectacle lens (31, 51) and serving for coupling the imaging beam of rays coupled in via the input coupling section (37, 57) out from the spectacle lens (31, 51) in the direction of the eye, - reflection surfaces in the region of the inner surface (33, 53) and in the region of the outer surface (35, 55), which are situated between the input coupling section (37, 57) and the output coupling structure (39, 65), wherein the imaging beam of rays coupled in via the input coupling section (37, 57) is guided by reflections based on total internal reflection at the reflection surfaces between the inner surface (33, 53) and the outer surface (35, 55) to the output coupling structure (39, 65), wherein - the spectacle lens (31, 51) has a transparent main body (32, 52) having a first refractive index, into which the imaging beam path is coupled, wherein the main body (32, 52) has a main body inner surface (33, 53) corresponding to the inner surface of the spectacle lens (31, 51), and also a main body outer surface (35, 55) corresponding to the outer surface of the spectacle lens (31, 51), and at least one of the reflection surfaces (i) is a surface section (TR1, TR3) which is formed in the region of the main body inner surface (33, 53) and which is curved concavely as viewed from the interior of the spectacle lens (31, 51) and the curvature of which differs from a basic curvature of the inner surface (33, 53) of the spectacle lens (31, 51), which basic curvature is convex as viewed from the interior of the spectacle lens (31, 51), and/or (ii) is a surface section (R3, TR2) which is formed in the region of the main body outer surface (35, 55) and which is curved concavely as viewed from the interior of the spectacle lens (31, 51) and the curvature of which differs from a basic curvature of the outer surface (35, 55) of the spectacle lens (31, 51), which basic curvature is concave as viewed from the interior of the spectacle lens (31, 51), in such a way that it has an increased concavity relative to the concave basic curvature of the outer surface (35, 55), - there is situated in the region of the at least one concavely curved surface section on the main body inner surface (33, 53) and/or the main body outer surface (35, 55) a first layer (43, 67) having a second refractive index, which is chosen in relation to the first refractive index such that a total internal reflection of light rays of the imaging beam path takes place at the interface between the main body (32, 52) and the first layer (43, 67), and - at least one second layer (45, 71, 73) having a refractive index corresponding to the refractive index of the material of the main body (32, 52) is situated above the first layer (43, 67).
  2. Spectacle lens (31, 51) according to Claim 1, characterized in that the output coupling structure (39, 64) is configured exclusively in beam-deflecting fashion.
  3. Spectacle lens (31, 51) according to Claim 1 or Claim 2, characterized in that at least that reflection surface (TR3) at which the last reflection of the imaging beam path takes place upstream of the output coupling structure (39) is configured as a reflection surface which is curved concavely as viewed from the interior of the spectacle lens (31, 51).
  4. Spectacle lens (1, 31, 51) according to any of the preceding claims, characterized in that at least that reflection surface (R3, TR2) at which the penultimate reflection of the imaging beam path takes place upstream of the output coupling structure (9, 39, 65) is configured as a concavely curved reflection surface.
  5. Spectacle lens (51) according to any of Claims 1 to 4, characterized in that the second layer is or comprises a film (73) having a refractive index corresponding to the refractive index of the material of the main body (32, 52).
  6. Spectacle lens (51) according to any of Claims 1 to 5, characterized in that the first layer is or comprises an adhesive layer (67) and/or the second layer is or comprises an adhesive layer (71).
  7. Spectacle lens (51) according to Claim 5 and Claim 6, characterized in that the second layer comprises an adhesive layer (71) adjoining the first layer (67) and a film (73) adjoining the adhesive layer (71) and having a refractive index corresponding to the refractive index of the material of the main body (32, 52).
  8. Spectacle lens (31, 51) according to any of the preceding claims, characterized in that a freeform surface having properties that correct imaging aberrations is superimposed on the at least one concavely curved reflection surface (R1, R2, R3, R4, TR1, TR2, TR3).
  9. Imaging device for generating a virtual image comprising an image generator (63) for representing an initial image and a spectacle lens (51) according to any of the preceding claims.
  10. Imaging device according to Claim 9, characterized in that the image generator (63) is arranged directly at the input coupling section (57) or directly in the vicinity of the input coupling section (57).
  11. Imaging device according to Claim 9, characterized in that an input coupling unit (93) for coupling an imaging beam path emanating from the initial image in between the inner surface and the outer surface of the spectacle lens (1, 31, 51) is present between the image generator (63) and the input coupling section (57).
  12. Data goggles comprising at least one imaging device according to any of Claims 9 to 11.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brillenglas für eine Abbildungsoptik zum Erzeugen eines virtuellen Bildes von einem auf einem Bildgeber dargestellten Ausgangsbild. Daneben betrifft die Erfindung eine Abbildungsoptik und eine Datenbrille. Eine Datenbrille ist eine spezielle Form eines Head Mounted Displays. Eine gängige Form von Head Mounted Displays verwendet Bildschirme, die vor den Augen getragen werden und dem Benutzer elektronische Bilder wie etwa computergenerierte Bilder oder von Kameras aufgenommene Bilder, präsentieren. Derartige Head Mounted Displays sind häufig voluminös und erlauben keine unmittelbare Wahrnehmung der Umgebung. In jüngerer Zeit sind Head Mounted Displays entwickelt worden, die in der Lage sind, elektronische Bilder mit dem unmittelbar wahrgenommenen Bild der Umgebung zu kombinieren und so dem Benutzer ein elektronisches Bild darzubieten, ohne die unmittelbare Wahrnehmung der Umgebung zu verhindern. Derartige Head Mounted Displays, die nachfolgend Datenbrillen genannt werden, ermöglichen die Nutzung dieser Technologie im alltäglichen Leben. Die DE 10 2013 214 700 A1 offenbart ein Brillenglas für eine bilderzeugende Anzeigevorrichtung mit einer Vorderseite und einer Rückseite, einem Einkoppelabschnitt und einem Auskoppelabschnitt, wobei das erzeugte Bild über den Einkoppelabschnitt eingekoppelt und im Brillenglas durch innere Totalreflexion zum Auskoppelabschnitt geführt und über den Auskoppelabschnitt ausgekoppelt wird. Die EP 0 790 516 A1 beschreibt ein Bildanzeigegerät mit einer vor dem Auge zu positionierenden Okularoptik. Die US 2015/0253487 A1 beschreibt ein reflektives Display, das einen Lichtleiter umfasst. Die US 2016/0131907 A1 beschreibt eine Okularoptik für ein am Kopf zu tragendes Bildanzeigegerät. Die DE 10 2014 207499 A1 beschreibt eine weitere Okularoptik. Beim Kombinieren der elektronischen Bilder mit dem unmittelbar wahrgenommenen Bild der Umgebung unterscheidet man im Wesentlichen die folgenden Prinzipien, auf denen das Kombinieren beruhen kann: 1. Verwendung einer normalen Brille mit vorgesetztem Strahlkombinierer (z.B. Strahlteilerwürfel).2. Direkte Einkopplung des Lichtes von der Seite über einen Reflex an der Innenseite des Brillenglases, wobei unterstützend Beugungsgitter, Fresnelelemente o.ä. eingesetzt werden.3. Führung des Lichtes des elektronischen Bildes mittels Totalreflektion im Brillenglas und Zusammenführen des Strahlengangs des elektronischen Bildes mit dem unmittelbaren Bild der Umgebung mit Hilfe einer im Brillenglas angeordneten Auskopplungsstruktur zum Auskoppeln des Strahlengangs des elektronischen Bildes aus dem Brillenglas in Richtung auf das Auge. Ein entsprechendes Brillenglas ist bspw.in DE 10 2014 118 490 A1 beschrieben. Das erste Prinzip funktioniert zwar optisch sehr gut, hat aber nur eine sehr geringe soziale Akzeptanz, da der vorgesetzte Strahlkombinierer nach außen sehr auffällig und groß ist. Außerdem wird die Brille dadurch vorderlastig Das zweite Prinzip lässt sich anatomisch nur bei stark vergrößertem Abstand zwischen Brille und Kopf realisieren, was ebenfalls nicht akzeptabel ist. Die erfolgsversprechenderen Ansätze gehen daher vom dritten Prinzip aus, also von der Lichtführung im Brillenglas. Die Auskopplungsstruktur kann dabei als Beugungsgitter, als teiltransparenter schräg gestellter Spiegel oder in Form von teiltransparenten Fresnelelementen ausgebildet sein. Im Falle eines Beugungsgitters wird der Strahlengang des elektronischen Bildes bspw. über das Beugungsmaximum der 1. Ordnung aus dem Brillenglas ausgekoppelt, während über das Beugungsmaximum der 0. Ordnung das Beobachtungslicht die Auskopplungsstruktur möglichst unbeeinträchtigt passieren kann. Bei der Auskopplung ergeben sich aber die nachfolgend beschriebenen Grundsatzprobleme, die insbesondere vom verwendeten Prinzip abhängen. Beim Auskoppeln des Strahlengangs des elektronischen Bildes mittels eines Beugungsgitters müssen sowohl für die Ein- wie Auskopplung des Strahlengangs Gitter der gleichen Frequenz verwendet werden um eine unzumutbare Spreizung des Spektrums zu verhindern. Die Étendue des Abbildungsstrahlenbündels, die im Rahmen der weiteren Erläuterungen vereinfachend als das Produkt aus dem Sichtfeldwinkel des horizontalen Sichtfeldes und der horizontalen Ausdehnung der Eye-Box (derjenige Bereich der Lichtröhre im Abbildungsstrahlengang, in dem sich die Augenpupille bewegen kann, ohne dass eine Vignettierung des Bildes erfolgt) angesehen werden kann, ist hierbei stark eingeschränkt. Dies kommt daher, dass zum einen der Beugungswinkel für das blaue Licht so groß sein muss, dass interne Totalreflexion im Glas erreicht wird, er aber zum anderen für das rote Licht nicht über 90 Grad liegen darf. Dazu kommen noch die Forderung an den Sichtfeldwinkel des horizontalen Sichtfeldes wodurch diese Randbedingung weiter verschärft wird. Problematisch ist dabei auch die Beugungseffizienz, da durch die zweimalige Beugung viel Licht verloren geht und außerdem eine ho