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WO2024223273A1 - Optical system comprising fresnel lens adapted to augmented reality applications - Google Patents

Optical system comprising fresnel lens adapted to augmented reality applications Download PDF

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Publication number
WO2024223273A1
WO2024223273A1 PCT/EP2024/059481 EP2024059481W WO2024223273A1 WO 2024223273 A1 WO2024223273 A1 WO 2024223273A1 EP 2024059481 W EP2024059481 W EP 2024059481W WO 2024223273 A1 WO2024223273 A1 WO 2024223273A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
region
head
optical system
fresnel
lens
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
PCT/EP2024/059481
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Philipp Scheiderer
Andrea Berner
Richard Quintanilha
Holger Muenz
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Carl Zeiss AG
Original Assignee
Carl Zeiss AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Carl Zeiss AG filed Critical Carl Zeiss AG
Publication of WO2024223273A1 publication Critical patent/WO2024223273A1/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Pending legal-status Critical Current

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    • G02B27/01Head-up displays
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    • G02B27/0172Head mounted characterised by optical features
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    • G02C2202/00Generic optical aspects applicable to one or more of the subgroups of G02C7/00
    • G02C2202/20Diffractive and Fresnel lenses or lens portions

Definitions

  • AR augmented reality
  • Head-mounted optical systems are often used for AR applications. Head-mounted optical systems for AR applications are often also referred to as AR glasses.
  • Lenses are regularly used in HMDs to shift a focal plane of an image superimposed on the viewer's line of sight.
  • a corresponding head-mounted optical system is disclosed in WO 2022/245447 A1.
  • the use of Fresnel lenses is proposed for some of the embodiments described in WO 2022/245447 A1.
  • Fresnel lenses enables a reduction in volume and, as a result, a reduction in mass compared to volume lenses.
  • Fresnel lenses typically have a lower image quality than volume lenses due to the step structure.
  • the following invention is based on the object of specifying a head-mounted optical system which enables an appropriate imaging quality of the image displayed in the line of sight of a viewer while at the same time keeping the mass of the head-mounted optical system as low as possible.
  • This object is achieved by a head-mounted display system according to the main claim.
  • Advantageous embodiments are described in the subclaims.
  • An HMD with a waveguide is proposed as an example, wherein the waveguide is designed to generate an image (AR image) in a display region of the waveguide for an eye located on one side of the waveguide.
  • the waveguide generates the image together with other optical components, such as a display and an optic that couples the image shown by the display into the waveguide.
  • the optical properties of the image generated by the waveguide are given by the overall system of such optical components, i.e. typically by the display, the coupling optics and the waveguide.
  • the head-mounted optical system also includes a Fresnel lens.
  • the Fresnel lens can form a spectacle lens on its own or together with one or more other lenses.
  • the Fresnel lens is divided into a first optical region and a second optical region.
  • the Fresnel lens is therefore further segmented - in addition to the use of Fresnel zones.
  • the first region is arranged to at least partially image the display region of the waveguide.
  • the first region can therefore be arranged adjacent to the display region.
  • the first region can extend at least partially along the display region. If the first region completely maps the display region, then the lateral extent of the display region is approximately equal to the lateral extent of the first region.
  • the second region can also be arranged in the area of the display region or can be arranged at a distance from the display region.
  • the first region could be in a central area the display region, close to or at a main viewing point; the second region could be arranged in a peripheral area of the display region.
  • the second region can be arranged adjacent to the first region.
  • the second region can surround the first region.
  • the second region can surround the first region in a ring shape.
  • the first region can be circular or elliptical.
  • the display region is arranged in the area of a zero viewing direction or in the area of the main visual point (typically, the main visual point corresponds to the zero viewing direction).
  • the zero viewing direction is defined with respect to the eye rotation point.
  • the positioning of the zero viewing direction with respect to the Fresnel lens depends on an inclination angle of the head-mounted optical system, a frame disc angle of the head-mounted optical system, a corneal vertex distance and/or an eyebox of the head-mounted optical system.
  • the zero viewing direction is typically the viewing direction parallel to the ground up to an angle of 15° downwards from the horizontal with a normal head and body posture. See also DIN EN ISO 13666 (2013).
  • the viewing lines are parallel to each other when looking into the distance.
  • the display region is typically arranged in a center of the lens or in particular in a center of the Fresnel lens. Accordingly, the first region is also typically arranged in the center of the lens or in particular in the center of the Fresnel lens.
  • the first region provides a first optical resolution.
  • the second region provides a second optical resolution.
  • the first optical resolution can be better than the second optical resolution (a "better" optical resolution corresponds to a greater resolving power, i.e. small structures are imaged).
  • the optical resolution of an imaging system - here the Fresnel lens - refers to the minimum distance between two object points, which Image can still be perceived as separate points by the imaging system.
  • resolution is often described by the Rayleigh criterion or the Sparrow criterion.
  • the Rayleigh criterion defines the resolution limit as the point at which the intensity maxima of two neighboring points are in the first intensity minimum of the other point.
  • the optical resolution can be specified in different units, such as line pairs per millimeter (Ip/mm) or arc seconds (arcsec) of arc minutes (arcmin). Typical resolutions of the eye and of Fresnel lenses are on the order of arc minutes.
  • the optical resolution can vary as the position of the field position (ie perpendicular to the beam path or lateral).
  • the minimum optical resolution in the corresponding area eg the first region or the second region
  • an even better optical resolution can be achieved locally.
  • the optical resolution can vary according to the regions and can thus be tailored to the performance of the eye or at least the optical resolution with which the AR image is generated. Only as much material with refractive power is used for the Fresnel lens as is necessary or required in view of the design specifications (for example, the thickness of the lens or the weight of the lens).
  • a reduction in the number of Fresnel zones in the first region compared to the second region can lead to a reduction in the loss of resolution due to the division of the aperture of the Fresnel lens into the sub-apertures of the individual Fresnel zones.
  • the first optical resolution of the first region is therefore better than the second optical resolution of the second region.
  • Zone boundaries between the Fresnel zones can possibly be perceived as shadows in the viewer's field of view. Zone boundaries can also cause a A reduced number of zone boundaries can therefore contribute to improved image quality.
  • the improved image quality can be provided specifically for the first region; in the second region, a lower optical resolution is sufficient.
  • Fresnel zone is often referred to as a "slope facet".
  • Two Fresnel zones are separated by a Fresnel zone boundary - also referred to as a "draft facet", see Davis, Arthur, and Frank Kühnlenz. "Optical design using Fresnel lenses: Basic principles and some practical examples.” Optik & Photonik 2.4 (2007): 52-55.
  • Fresnel zones can be ring-shaped or elliptical.
  • the Fresnel zones can accordingly have a radial extension (in relation to the optical axis), which is characterized by the distance between two Fresnel zone boundaries.
  • the number of zone boundaries of Fresnel zones in the first region is smaller than the number of zone boundaries of Fresnel zones in the second region.
  • the density of the zone boundaries in the first region can be smaller than in the second region, i.e. the number of zone boundaries (e.g. radial in the case of ring- or elliptical Fresnel zones) per length or area is smaller in the first region than in the second region. This means that better optical resolution can be achieved in the first region than in the second region.
  • the minimum distance between Fresnel zone boundaries in the first region can be different from the minimum distance of the Fresnel zone boundaries in the second region.
  • the minimum distance of the Fresnel zone boundaries in the first region can be greater than in the second region. The minimum distance is typically given in the radial direction starting from a center of the Fresnel lens.
  • the achievable resolution of a Fresnel lens is limited by the minimum width of the zones involved, ie the distance between the Fresnel zone boundaries, in the respective viewing direction.
  • the optical resolution in the corresponding region can be set.
  • the first region it would even be conceivable for the first region to have no zone boundaries at all.
  • the height or thickness of the Fresnel zones between the first and second regions can also vary. The height refers to the distance between the upper edge and the lower edge of a Fresnel zone or in particular a Fresnel zone boundary.
  • the Fresnel zones in the first region could be correspondingly thicker, at least on average, than the Fresnel zones in the second region. In this way, more refractive material can be present in the first region in accordance with a classic lens. Typically, higher Fresnel zones are also wider and thus provide a higher optical resolution, while lower Fresnel zones can achieve a reduction in mass.
  • the Fresnel zones it is possible for the Fresnel zones to have a constant height. This means that the height does not vary as a function of the lateral position within the Fresnel lens.
  • the Fresnel zones within a region of the Fresnel lens it would be possible for the Fresnel zones within a region of the Fresnel lens to have a constant height.
  • the height of the Fresnel zones it would also be conceivable for the height of the Fresnel zones to vary within a region.
  • the average height of the Fresnel zones in the first region is different from the average height of the Fresnel zones in the second region.
  • the average height of the Fresnel zones in the first region can be greater than the average height of the Fresnel zones in the second region.
  • the height of the Fresnel zones within the first region varies.
  • the height of the Fresnel zones within the second region is constant. This means that within the first region, different Fresnel zones have different heights; while in the second region, all Fresnel zones have the same height.
  • a constant height of the Fresnel zones may be possible due to the poorer optical resolution.
  • dividing the Fresnel lens into different regions enables a better compromise between the trade-off fundamentally required for Fresnel lenses between the greatest possible reduction in the mass of the lens or its center and edge thickness, which is made possible by a high number of Fresnel zones, and high image quality, which can be achieved by the smallest possible number of Fresnel zones.
  • the height of the Fresnel zones should be as low as possible from an aesthetic point of view. However, a low height results in a smaller width of the Fresnel zones and thus smaller sub-apertures, which impair the resolution, while the curvature of the surface remains the same.
  • the first optical resolution of the first region can support the optical resolution of the AR image.
  • the first optical resolution is equal to or better than the optical resolution with which the waveguide generates that part of the AR image that is imaged by the first region.
  • the optical resolution of the AR image could be equal to or better than 1 arcmin.
  • the first optical resolution of the first region can be equal to or better than 1 arcmin.
  • Such an optical resolution of the AR image in the range of one arc minute is useful if the AR image is generated in the area of the central field of view. Aspects related to the optical resolution of the human eye are explained below.
  • the human eye has different resolving powers in the central and peripheral visual fields.
  • the central visual field more precisely in the area of the fovea (typically the central visual field has an extension of +/-1° around the central optical axis - the zero viewing direction - of the eye, but +/-15° can be achieved by moving the eye), where the density of photoreceptors is highest, the resolving power of the eye is about 1 arc minute (arcmin).
  • the cones photoreceptors for color vision and high visual acuity
  • the resolving power of the eye decreases because the density of photoreceptors is lower and rods (photoreceptors for peripheral and low light conditions) dominate.
  • the resolution in the peripheral field of vision depends on various factors, such as the distance from the center of the field of vision and the brightness of the light.
  • a typical value for the resolution of the peripheral field of vision (about +40° upwards from the optical axis, -20° downwards from the optical axis and +/-35° horizontally) around the optical axis is 4 arcmin, i.e. a factor of 4 less than in the central field of vision.
  • the lateral extent of the first region may correspond to viewing angles ranging from +/- 1° to +/- 15° (along the horizontal and/or the vertical) around the zero gaze direction; thus, the lateral extent of the first region may be adapted to the central field of view - either with or without eye rolling.
  • This means that the first region is centered around the zero gaze direction (along the display region), and extends over an angular range that covers these viewing angles from -1° to +1° (or viewing angles from up to -15° to +15°).
  • the conversion of viewing angles into lateral extent and position on the Fresnel lens is carried out in a known manner depending on factors such as: an inclination angle of the head-mounted optical system, a frame lens angle of the head-mounted optical system, a corneal vertex distance and/or an eyebox of the head-mounted optical system.
  • the lateral extent of the first region can be smaller, equal to or larger than the lateral extent of the display region.
  • the first region can display the entire AR image or only parts of it. If the AR image is smaller than the central field of view of the eye, the first region can be larger than the display region, so that surrounding objects in the central field of view can also be displayed with the high optical resolution of the first region that is perceived outside the AR image.
  • the second region can then cover the surrounding area, i.e. be adapted to the peripheral field of vision.
  • the second region can accordingly provide an optical resolution that is worse than 4 arcmin, optionally worse than 10 arcmin.
  • the second region could be annular (ie, surrounding the first region).
  • the second region could extend in a region of the Fresnel lens corresponding to viewing angles from -15° to +15° about the zero viewing direction up to +/-30 ° (along the horizontal and/or the vertical) about the zero viewing direction.
  • the first region may have a lateral extent or area that is in the range of 10% to 50%, optionally 20% to 40% of the lateral extent or area of the second region. This means that the first region may have a significant extent in relation to the extent of the second region.
  • the first region may have a lateral extent that is adapted to a central field of view of the human eye.
  • the AR image is generated with a particularly high optical resolution, in particular with the high optical resolution of the human eye (for example, 1 arc minute in the area of the central field of view).
  • the optical resolution with which the waveguide generates the AR image in the area of the display region is worse than 1 arc minute, optionally worse than 4 arc minutes.
  • the first optical resolution can support the high optical resolution of the human eye in the area of the central field of view and thus be, for example, approximately 1 arcmin, or better.
  • the first optical resolution does not support the high optical resolution of the human eye in the area of the central field of view and instead adapts to the comparatively poor optical resolution with which the waveguide generates the AR image in the area of the display region.
  • the first optical resolution is worse than 1 arcmin, optionally worse than 4 arcmin.
  • Such a scenario is particularly useful when a head-mounted optical system is optimized for the small form factor and low weight, but not for particularly high imaging quality of the environment.
  • the Fresnel lens can also have further regions that differ from the first and second regions in terms of optical resolution and/or the number of zone boundaries.
  • the third region can take into account the fact that the human eye has a lower resolution in the peripheral field of vision.
  • the Fresnel lens can in particular be designed to shift, in particular pull, a focal plane of the image to a predefined distance from the waveguide (focal length).
  • the definition of the focal length can depend on the type of application of the lens (a single lens can even have different focal lengths across its aperture). In general, however, the focal length is the distance between the lens and the point at which an idealized collimated input beam converges to a point.
  • the Fresnel lens can therefore also be called a pull lens.
  • the effect of shifting the focal plane neutralizing second lens can be considered a push lens.
  • the push lens can also be designed as a Fresnel lens.
  • the Fresnel lens is designed to correct a visual impairment of a wearer of the head-mounted display.
  • the Fresnel lens can be designed to correct short-sightedness (myopia), long-sightedness (hyperopia) or astigmatism.
  • a lens with high refractive power is required to correct the visual impairment, a significant reduction in the center or edge thickness can be made possible.
  • the Fresnel zones in the first region can be adapted in particular to an inclination angle of the head-mounted optical system, a frame lens angle of the head-mounted optical system, a corneal vertex distance and/or an eyebox of the head-mounted optical system in order to optimally adapt the head-mounted optical system to the viewer.
  • the Fresnel zones in the first region can be adapted to a spectacle frame geometry.
  • the Fresnel zones can be formed on the side of the Fresnel lens facing the waveguide, so that the structured surface is not exposed. It can therefore be less susceptible to contamination.
  • the Fresnel zones can also be formed on the side of the Fresnel lens facing away from the waveguide. This can make it possible to align the flanks of the Fresnel zones, for example in relation to the observer's eye rotation point, so that the observer perceives the zone boundaries as less disturbing. Other alignments of the flanks of the Fresnel zones (draft facet), e.g. towards the pupil (pupil center in rest position) or individually for each flank, are also conceivable.
  • the eye pivot point also called the center of rotation or axis of rotation of the eye, is an imaginary point within the eye around which the eye rotates during Eye movements rotate.
  • three main eye movements are distinguished: horizontal rotation, vertical rotation and torsional rotation. These movements are controlled by the six external eye muscles that hold and move the eye in the eye socket.
  • the eye pivot point is located approximately near the front lens and is considered to be the geometric location where all axes of rotation of the eye movements meet. However, the exact position of the pivot point can vary from person to person and also depends on the direction of gaze and the individual eye anatomy.
  • the Fresnel lens may have a wedge profile.
  • the wedge profile may be arranged on the side of the Fresnel lens facing the waveguide and/or on the side of the Fresnel lens facing away from the waveguide.
  • the Fresnel lens opposite the side on which the Fresnel zones are formed it would be possible for a side of the Fresnel lens opposite the side on which the Fresnel zones are formed to have an optical effect. It is conceivable that the side opposite the Fresnel zones of the Fresnel lens has a convex, concave or toric shape.
  • the Fresnel lens can be a hybrid lens. This can make it possible to reduce the required curvature on the side of the Fresnel lens facing the eye, which can lead to greater distances and/or lower heights of the Fresnel zones.
  • the head-mounted optical system comprises a second lens, wherein the second lens is arranged on a side of the waveguide opposite the Fresnel lens, and wherein the second lens compensates for a shift in the focus position caused by the Fresnel lens.
  • FIG. 1 shows a head-mounted optical system
  • FIG. 2 shows a head-mounted optical system
  • FIG. 4 a Fresnel lens
  • FIG. 6 a Fresnel lens
  • FIG. 7 a Fresnel lens
  • FIG. 9 a Fresnel lens
  • FIG. 10 a Fresnel lens
  • FIG. 11 a Fresnel lens
  • FIG. 12 a Fresnel lens
  • FIG. 13 a Fresnel lens
  • FIG. 14 a Fresnel lens.
  • An AR image is generated by a waveguide with a certain optical resolution.
  • the AR image is imaged by the Fresnel lens; this imaging is also carried out with a certain optical resolution, which is typically not smaller than the optical resolution with which the AR image is generated.
  • the Fresnel lens has several regions, for example a first region and a second region.
  • the first region and the second region provide different optical resolutions. This allows a targeted adjustment of geometric parameters of the first and second regions to be optimized, taking into account the required optical resolution on the one hand and the thickness or weight of the Fresnel lens on the other.
  • TAB. 1 Various examples of the relative dimensioning of the size and optical resolution of the display region, the first region and the second region.
  • FIG. 1 shows a schematic view of a head-mounted optical system 100 with a waveguide 110, a first lens 120 and a second lens 130.
  • the waveguide transports the light 140 of the AR image to be displayed, coupled in from a display (not shown), into a display region of the waveguide 110, where it is coupled out.
  • a coupling-out element (not shown) can be used.
  • the coupling-out element can be a reflective, diffractive or holographic coupling-out element.
  • collimated light with a focal plane at infinity is used to transport the AR image, which is also called an augmented image.
  • a first lens such as the first lens 120 is regularly used, with which the focal plane of the AR image is shifted.
  • the first lens 120 can be used in particular to pull the focal plane into the close range.
  • the first lens 120 is therefore also referred to as a "pull" lens.
  • the influence of the "pull" lens is compensated by the second lens 130, which is also called a "push” lens.
  • the light rays 150 coming from the surroundings should therefore not be influenced as much as possible.
  • the first lens 120 can also be used for individual refraction correction for the user.
  • the head-mounted optical system 100 can be part of AR glasses. Compared to conventional glasses for correcting visual impairments such as myopia, hyperopia or astigmatism, AR glasses place even greater emphasis on being as thin and light as possible.
  • a Fresnel lens 220 can be used as the first lens 220 of the head-mounted optical system 200.
  • the second lens 230, the push lens, arranged on the side of the waveguide 210 opposite the Fresnel lens 220 can also be designed as a volume lens.
  • AR glasses are designed to allow a viewer to perceive both the environment and the displayed AR image.
  • the resolution perceived by the viewer depends on the position of the incident light on the retina of the viewer's eye, which is determined by the angle at which the incident light hits the pupil.
  • the perceivable resolution depends on the direction of gaze in relation to the resting eye.
  • the viewer can, within limits, choose the direction of view in relation to the resting eye so that the perceptible resolution corresponds to the desired perceptible resolution.
  • moving the head cannot change the position of the displayed AR image in relation to the eye position or orientation.
  • the resolution of the human eye is about 1 arcmin in an area of about +/- 1° of the viewing direction around the central axis (zero viewing direction) - this area is often referred to as the central field of vision.
  • the central field of vision is expanded by rolling the eye to about +/-15° around the zero viewing direction. Text recognition (without rolling) is normally possible in the range of about +/-10° around the zero viewing direction, whereby the resolution here is usually better than about 4 arcmin. For larger angles up to the area of peripheral vision, the resolution decreases.
  • a deflection (rolling) of the eye of approx. +- 15° vertically and/or horizontally from the resting position is usually not perceived as strenuous by the observer. If a larger deflection of the eye is required to view an object with the necessary resolution, the observer moves usually the head.
  • the maximum deflection of the eye for most viewers is about 40° upwards, about 20° downwards and about +-35° horizontally.
  • the perceptible resolution is approx. 1 arcmin (this viewing angle range is referred to herein as the central visual field) and in a range of approx. +- 25° with a resolution of approx. 4 arcmin (this viewing angle range is referred to herein as the peripheral visual field).
  • Some AR glasses allow AR images to be displayed that require the eye to be deflected by more than +/- 15°. See TABLE 1: Scenario 1.
  • a high optical resolution of the AR image can be supported, for example, while in a second region of the Fresnel lens, which adjoins the first region towards the outside, only a lower resolution that corresponds to the optical resolution of the human eye in the peripheral field of vision can be supported.
  • the optical resolution of the Fresnel lens can be chosen to be correspondingly lower outside this range and greater weight savings can be achieved.
  • it would also be possible to support a high optical resolution for viewing angles outside the AR image see TAB. 1 : Scenario 3A).
  • Some AR glasses provide for parts of the AR image to be displayed with high resolution in a central area of the display region and parts of the AR image to be displayed with low resolution in peripheral areas of the display region.
  • the Fresnel lens can have a high optical resolution in a central first region and a lower optical resolution in a peripheral second region in order to meet the resolution requirements while keeping the weight as low as possible. See TABLE 1: Scenario 4).
  • the resolution of the displayed AR image is lower than the perceptible resolution of the human eye, the resolution of the Fresnel lens can also be selected to be correspondingly lower, so that further weight savings are possible.
  • the optical performance of a Fresnel lens can be adjusted in the following way.
  • Each Fresnel zone can be considered as a sub-aperture, which corresponds to the achievable angular resolution.
  • a Fresnel zone with the width w enables an angular resolution Aa of
  • a Acr — nw where n is the refractive index in air.
  • n the refractive index in air.
  • the Fresnel zones that contribute to the perceived AR image correspond to the Region of the Fresnel lens seen through the pupil.
  • the smallest value of Ac indicates a maximum for the achievable resolution.
  • the central region 301 of the field of view in which high resolution is normally required, there should be as few Fresnel zone boundaries as possible, and ideally none at all.
  • the light rays perceived by the eye thus essentially only pass through a single Fresnel zone 302 with a continuous surface, as in a volume lens.
  • a first region 91 is therefore aligned with the central area 301 of the field of view.
  • the Fresnel zones are arranged - in the example shown in FIG. 3, only a single Fresnel zone 302, although more than just a single Fresnel zone can also be used.
  • the Fresnel zone density in the first region 91 is lower than in the surrounding second region 92.
  • the second region 92 surrounds the first region 91 in a ring shape, i.e. extends radially outwards from the first region 91. Both regions 91, 92 are centered on the optical axis (dotted line) - defined by the resting position of the pupil.
  • At least the first region 91 is arranged in the area of the display region of the waveguide (not shown in FIG. 3). However, it would also be conceivable for the display region to have such a large lateral extent that it extends into the area of the second region 92 (i.e. the first region 91 has a lateral extent that is smaller than the lateral extent of the display region).
  • the Fresnel zone boundaries should be as imperceptible as possible in the different areas. This can be done, for example, by orienting the Fresnel zone boundaries (in FIG. 3 a Fresnel zone boundary 303 is highlighted) towards the pivot point of the eye or towards the pupil of the eye. so that they form a particularly small footprint. Furthermore, the height of the Fresnel zones (or Fresnel zone boundaries or "draft facets”), ie the step height at the Fresnel zone boundary, should be small enough to influence the perceived image as little as possible.
  • the discontinuities at the Fresnel zone boundaries can be perceived as disturbing.
  • the footprint of the Fresnel zone boundary corresponds to approximately 100 ⁇ m.
  • TAB. 2 Different variants for the dimensioning of the first and second region of the Fresnel lens
  • a locally larger height of the Fresnel zones usually leads to a wider Fresnel zone.
  • the height of the Fresnel zone boundaries can be selected individually for each region or each Fresnel zone of the Fresnel lens.
  • FIG. 9 Another variant for influencing the width of the Fresnel zones and the position of the Fresnel zone boundaries is shown in FIG. 9.
  • Part of the refractive power of the Fresnel lens 900 can be generated from the back side 901, i.e. the non-structured side, of the Fresnel lens 900. This makes it possible to reduce the curvature on the front side 902 of the Fresnel lens 900, so that the distance between the Fresnel zones can be increased.
  • Saddle surfaces of such a lens geometry can be used for cylinder correction.
  • FIG. 9 shows a scenario in which the rear side 901 of the Fresnel lens 900 is not Fresnel-coated, it would be conceivable that Fresnel zones are formed on both the front side 902 and the rear side 901.
  • the Fresnel lens with a wedge structure on the back in order to direct the AR image to be displayed into the viewer's pupil in a decentralized display region.
  • a Wedge structure on the front to shift the central Fresnel zone.
  • FIG. 10 shows a Fresnel lens 220 in which the flanks 1011 of the Fresnel zones are aligned with respect to the pivot point of the observer's eye 1020 (cf. zero viewing direction 161), so that the observer perceives the zone boundaries less.
  • the Fresnel zones in the second region 92 have a constant height 1198.
  • the Fresnel zones in the first region 91 have a variable height 1199; the average height in the first region 91 is greater than in the second region 92.
  • FIG. 12 illustrates the lateral extent of the display region 180 in relation to the first region 91 and the second region 92.
  • the first region 91 extends along the display region 180.
  • the first region 91 covers the entire display region 180 (cf. TAB. 1 , Scenario 1 and Scenario 3B).
  • Other variants would also be conceivable, i.e. the first region 91 could have a smaller or larger lateral extent than the display region 180. This can be desirable, for example, if the optical resolution of the display region 180 varies or if the display region has such a large extent that the peripheral area of the field of view is also used for the AR image.
  • Example scenarios were discussed in TAB. 1.
  • the first region 91 is smaller than in FIG. 13 (cf. TABLE 1: Scenario 3A).
  • an inclination angle of the head-mounted optical system, a mounting disc angle of the head-mounted optical system and/or the eyebox could also be taken into account.
  • various aspects related to the geometric design of Fresnel lenses for an HMD for AR applications were disclosed above. These techniques were described in particular in connection with a pull lens. Alternatively or additionally, such techniques can also be used for a push lens.

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Abstract

The invention relates e.g. to a head-mounted optical system for augmented reality applications. A Fresnel lens (220) having multiple regions (91, 92) of different geometrical properties of the particular Fresnel zone or of different supported optical resolutions is used.

Description

Beschreibung Description

OPTISCHES SYSTEM MIT FÜR ERWEITERTE REALITÄTSANWENDUNGEN ANGEPASSTER FRESNELLINSE OPTICAL SYSTEM WITH FRESNEL LENS ADAPTED FOR AUGMENTED REALITY APPLICATIONS

Anwendungen im Bereich der erweiterten Realität (engl. augmented reality, AR) blenden Bilder (auch als AR-Bilder bezeichnet) in die Sichtachse eines Betrachters der Umgebung ein. Der Betrachter kann folglich in seinem Sichtfeld nicht nur die Umgebung, sondern auch weitere Informationen wahrnehmen. Applications in the field of augmented reality (AR) display images (also known as AR images) in the line of sight of a viewer of the environment. The viewer can therefore perceive not only the environment but also other information in his field of vision.

Häufig werden für AR-Anwendungen kopftragbare optische Systeme (HMD) verwendet. Kopftragbare optische Systeme für AR-Anwendungen werden häufig auch als AR-Brillen bezeichnet. Head-mounted optical systems (HMD) are often used for AR applications. Head-mounted optical systems for AR applications are often also referred to as AR glasses.

Regelmäßig werden in HMDs Linsen verwendet, um eine Fokusebene eines in die Sichtachse eines Betrachters eingeblendeten Bildes zu verschieben. Ein entsprechendes kopftragbares optisches System ist in der WO 2022/245447 A1 offenbart. Für einige der in der WO 2022/245447 A1 beschriebenen Ausführungsbeispiele wird die Verwendung von Fresnellinsen vorgeschlagen. Lenses are regularly used in HMDs to shift a focal plane of an image superimposed on the viewer's line of sight. A corresponding head-mounted optical system is disclosed in WO 2022/245447 A1. The use of Fresnel lenses is proposed for some of the embodiments described in WO 2022/245447 A1.

Die Verwendung von Fresnellinsen ermöglicht gegenüber Volumenlinsen eine Volumenreduktion und daraus folgend auch eine Massenreduktion. Andererseits weisen Fresnellinsen gegenüber Volumenlinsen aufgrund der Stufenstruktur typischerweise eine geringere Abbildungsqualität auf. The use of Fresnel lenses enables a reduction in volume and, as a result, a reduction in mass compared to volume lenses. On the other hand, Fresnel lenses typically have a lower image quality than volume lenses due to the step structure.

Hiervon ausgehend liegt der folgenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein kopftragbares optisches System anzugeben, welches eine angemessene Abbildungsqualität des in die Sichtachse eines Betrachters eingeblendeten Bildes bei gleichzeitig möglichst geringer Masse des kopftragbaren optischen Systems ermöglicht. Diese Aufgabe wird durch ein kopftragbares Anzeigesystem gemäß Hauptanspruch gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen werden in den Unteransprüchen beschrieben. Based on this, the following invention is based on the object of specifying a head-mounted optical system which enables an appropriate imaging quality of the image displayed in the line of sight of a viewer while at the same time keeping the mass of the head-mounted optical system as low as possible. This object is achieved by a head-mounted display system according to the main claim. Advantageous embodiments are described in the subclaims.

Beispielhaft vorgeschlagen wird ein HMD mit einem Wellenleiter, wobei der Wellenleiter zur Erzeugung eines Bildes (AR-Bild) in einer Anzeigeregion des Wellenleiters für ein auf einer Augenseite des Wellenleiters befindliches Auge eingerichtet ist. Der Wellenleiter erzeugt das Bild zusammen mit weiteren optischen Komponenten, wie z.B. einem Display und einer Optik, die das vom Display angezeigte Bild in den Wellenleiter einkoppelt. Die optischen Eigenschaften des vom Wellenleiter erzeugten Bildes, wie z.B. dessen optische Auflösung, sind dabei durch das Gesamtsystem solcher optischen Komponenten gegeben, d.h. typischerweise durch das Display, die Einkopplungsoptik und den Wellenleiter. An HMD with a waveguide is proposed as an example, wherein the waveguide is designed to generate an image (AR image) in a display region of the waveguide for an eye located on one side of the waveguide. The waveguide generates the image together with other optical components, such as a display and an optic that couples the image shown by the display into the waveguide. The optical properties of the image generated by the waveguide, such as its optical resolution, are given by the overall system of such optical components, i.e. typically by the display, the coupling optics and the waveguide.

Das kopftragbare optische System umfasst auch eine Fresnellinse. Die Fresnellinse kann alleine oder zusammen mit ein oder mehreren weiteren Linsen ein Brillenglas ausbilden. The head-mounted optical system also includes a Fresnel lens. The Fresnel lens can form a spectacle lens on its own or together with one or more other lenses.

Die Fresnellinse ist unterteilt in eine erste optische Region und eine zweite optische Region. Die Fresnellinse ist also - zusätzlich zur Verwendung von Fresnelzonen - weitergehend segmentiert. The Fresnel lens is divided into a first optical region and a second optical region. The Fresnel lens is therefore further segmented - in addition to the use of Fresnel zones.

Die erste Region ist angeordnet, um die Anzeigeregion des Wellenleiters zumindest teilweise abzubilden. The first region is arranged to at least partially image the display region of the waveguide.

Die erste Region kann also angrenzend an die Anzeigeregion angeordnet sein. Die erste Region kann sich zumindest teilweise entlang der Anzeigeregion erstrecken. Wenn die erste Region die Anzeigeregion komplett abbildet, dann ist die laterale Ausdehnung der Anzeigeregion in etwa gleich der lateralen Ausdehnung der ersten Region. Die zweite Region kann auch im Bereich der Anzeigeregion angeordnet sein oder kann beabstandet von der Anzeigeregion angeordnet sein. Beispielsweise könnte die erste Region in einem Zentralbereich der Anzeigeregion, nahe bei oder bei einem Hauptdurchblickpunkt, angeordnet sein; die zweite Region könnte in einem Randbereich der Anzeigeregion angeordnet sein. Die zweite Region kann angrenzend an die erste Region angeordnet sein. Die zweite Region kann die erste Region umgeben. Die zweite Region kann die erste Region ringförmig umgeben. Die erste Region kann kreisförmig oder ellipsenförmig ausgebildet sein. The first region can therefore be arranged adjacent to the display region. The first region can extend at least partially along the display region. If the first region completely maps the display region, then the lateral extent of the display region is approximately equal to the lateral extent of the first region. The second region can also be arranged in the area of the display region or can be arranged at a distance from the display region. For example, the first region could be in a central area the display region, close to or at a main viewing point; the second region could be arranged in a peripheral area of the display region. The second region can be arranged adjacent to the first region. The second region can surround the first region. The second region can surround the first region in a ring shape. The first region can be circular or elliptical.

Typischerweise ist die Anzeigeregion im Bereich einer Nullblickrichtung oder im Bereich des Hauptdurchblickpunkts angeordnet (typischerweise entspricht der Hauptdurchblickpunkt der Nullblickrichtung). Die Nullblickrichtung ist in Bezug auf den Augendrehpunkt definiert. Die Positionierung der Nullblickrichtung in Bezug auf die Fresnellinse hängt ab von einem Inklinationswinkel des kopftragbaren optischen Systems, einem Fassungsscheibenwinkel des kopftragbaren optischen Systems, einen Hornhautscheitelabstand und/oder eine Eyebox des kopftragbaren optischen Systems. Typically, the display region is arranged in the area of a zero viewing direction or in the area of the main visual point (typically, the main visual point corresponds to the zero viewing direction). The zero viewing direction is defined with respect to the eye rotation point. The positioning of the zero viewing direction with respect to the Fresnel lens depends on an inclination angle of the head-mounted optical system, a frame disc angle of the head-mounted optical system, a corneal vertex distance and/or an eyebox of the head-mounted optical system.

Die Nullblickrichtung ist bei normaler Kopf- und Körperhaltung typischerweise die Blickrichtung parallel zum Boden bis zu einem Winkel von 15° nach unten gegenüber der Horizontalen. Vgl. z.B. auch DIN EN ISO 13666 (2013). Die Blicklinien sind bei Blick in die Feme zueinander parallel. Die Anzeigeregion ist typischerweise in einem Zentrum des Brillenglases oder insbesondere in einem Zentrum der Fresnellinse angeordnet. Entsprechend ist auch die erste Region typischerweise im Zentrum des Brillenglases oder insbesondere im Zentrum der Fresnellinse angeordnet. The zero viewing direction is typically the viewing direction parallel to the ground up to an angle of 15° downwards from the horizontal with a normal head and body posture. See also DIN EN ISO 13666 (2013). The viewing lines are parallel to each other when looking into the distance. The display region is typically arranged in a center of the lens or in particular in a center of the Fresnel lens. Accordingly, the first region is also typically arranged in the center of the lens or in particular in the center of the Fresnel lens.

Die erste Region stellt eine erste optische Auflösung bereit. Die zweite Region stellt eine zweite optische Auflösung bereit. Die erste optische Auflösung kann besser sein als die zweite optische Auflösung (eine „bessere“ optische Auflösung entspricht einem größeren Auflösungsvermögen, d.h. kleine Strukturen werden abgebildet). The first region provides a first optical resolution. The second region provides a second optical resolution. The first optical resolution can be better than the second optical resolution (a "better" optical resolution corresponds to a greater resolving power, i.e. small structures are imaged).

Die optische Auflösung eines abbildenden Systems - hier der Fresnellinse - bezieht sich auf die minimale Entfernung zwischen zwei Objektpunkten, die nach Abbildung durch das abbildende System noch als getrennte Punkte wahrgenommen werden können. In der Optik wird die Auflösung häufig durch das Rayleigh-Kriterium oder das Sparrow-Kriterium beschrieben. Das Rayleigh- Kriterium definiert die Auflösungsgrenze als den Punkt, an dem die Intensitätsmaxima zweier benachbarter Punkte sich im ersten Intensitätsminimum des anderen Punktes befinden. Die optische Auflösung kann in verschiedenen Einheiten angegeben werden, wie zum Beispiel Linienpaare pro Millimeter (Ip/mm) oder Bogensekunden (arcsec) der Bogenminuten (arcmin). Typische Auflösungen des Auges und von Fresnellinsen liegen in der Größenordnung von Bogenminuten. Die optische Auflösung kann als Position der Feldposition (d.h. senkrecht zum Strahlengang bzw. lateral) variieren. In den offenbarten Beispielen wird insbesondere auf die minimale optische Auflösung im entsprechenden Bereich (z.B. der ersten Region oder der zweiten Region) Bezug genommen, auch wenn das nicht jedes Mal speziell erwähnt wird. Für andere laterale Positionen kann lokal eine noch bessere optische Auflösung erzielt werden. The optical resolution of an imaging system - here the Fresnel lens - refers to the minimum distance between two object points, which Image can still be perceived as separate points by the imaging system. In optics, resolution is often described by the Rayleigh criterion or the Sparrow criterion. The Rayleigh criterion defines the resolution limit as the point at which the intensity maxima of two neighboring points are in the first intensity minimum of the other point. The optical resolution can be specified in different units, such as line pairs per millimeter (Ip/mm) or arc seconds (arcsec) of arc minutes (arcmin). Typical resolutions of the eye and of Fresnel lenses are on the order of arc minutes. The optical resolution can vary as the position of the field position (ie perpendicular to the beam path or lateral). In the disclosed examples, particular reference is made to the minimum optical resolution in the corresponding area (eg the first region or the second region), even if this is not specifically mentioned every time. For other lateral positions, an even better optical resolution can be achieved locally.

Durch die Verwendung unterschiedlicher optischer Auflösungen in der ersten Region und in der zweiten Region ist es möglich, eine Abwägungssituation zwischen Dicke und Schwere der Fresnellinse einerseits und optischer Auflösung andererseits besser zu adressieren. Die optische Auflösung kann gemäß den Regionen variieren und damit maßgeschneidert an die Leistungsfähigkeit des Auges oder jedenfalls die optische Auflösung, mit der das AR-Bild erzeugt wird, angepasst werden. Es wird nur so viel Material mit Brechkraft für die Fresnellinse verwendet, wie nötig oder in Anbetracht der Designvorgaben (beispielsweise Dicke des Brillenglases oder Gewicht des Brillenglases) nötig. By using different optical resolutions in the first region and in the second region, it is possible to better address a trade-off between the thickness and weight of the Fresnel lens on the one hand and the optical resolution on the other. The optical resolution can vary according to the regions and can thus be tailored to the performance of the eye or at least the optical resolution with which the AR image is generated. Only as much material with refractive power is used for the Fresnel lens as is necessary or required in view of the design specifications (for example, the thickness of the lens or the weight of the lens).

Beispielsweise kann eine Reduktion der Anzahl der Fresnelzonen in der ersten Region gegenüber der zweiten Region dazu führen, dass der Auflösungsverlust aufgrund der Aufteilung der Apertur der Fresnellinse in die Unteraperturen der einzelnen Fresnelzonen verringert wird. Die erste optische Auflösung der ersten Region ist also besser als die zweite optische Auflösung der zweiten Region. Zonengrenzen zwischen den Fresnelzonen können ggf. als Schatten im Sichtfeld des Betrachters wahrgenommen werden. Ebenso können Zonengrenzen eine Quelle von Streulicht, insbesondere Reflexen sein. Eine verringerte Anzahl von Zonengrenzen kann folglich zu einer verbesserten Abbildungsqualität beitragen. Die verbesserte Abbildungsqualität kann zielgerichtet für die erste Region bereitgestellt werden; in der zweiten Region reicht eine geringere optische Auflösung aus. For example, a reduction in the number of Fresnel zones in the first region compared to the second region can lead to a reduction in the loss of resolution due to the division of the aperture of the Fresnel lens into the sub-apertures of the individual Fresnel zones. The first optical resolution of the first region is therefore better than the second optical resolution of the second region. Zone boundaries between the Fresnel zones can possibly be perceived as shadows in the viewer's field of view. Zone boundaries can also cause a A reduced number of zone boundaries can therefore contribute to improved image quality. The improved image quality can be provided specifically for the first region; in the second region, a lower optical resolution is sufficient.

Eine Fresnelzone wird auf Englisch oftmals auch als „slope facet“ bezeichnet. Zwei Fresnelzonen werden separiert von einer Fresnelzonengrenze - auch als „draft facet“ bezeichnet, sh. Davis, Arthur, and Frank Kühnlenz. "Optical design using Fresnel lenses: Basic principles and some practical examples." Optik & Photonik 2.4 (2007): 52-55. Fresnelzonen können sich ringförmig oder ellipsenförmig erstrecken. Die Fresnelzonen können entsprechend eine radiale Ausdehnung (in Bezug auf die optische Achse) aufweisen, die durch den Abstand zwischen zwei Fresnelzonengrenzen charakterisiert ist. A Fresnel zone is often referred to as a "slope facet". Two Fresnel zones are separated by a Fresnel zone boundary - also referred to as a "draft facet", see Davis, Arthur, and Frank Kühnlenz. "Optical design using Fresnel lenses: Basic principles and some practical examples." Optik & Photonik 2.4 (2007): 52-55. Fresnel zones can be ring-shaped or elliptical. The Fresnel zones can accordingly have a radial extension (in relation to the optical axis), which is characterized by the distance between two Fresnel zone boundaries.

Allgemein formuliert ist es möglich, dass die Zonengrenzenanzahl von Fresnelzonen in der ersten Region kleiner ist als die Zonengrenzenanzahl von Fresnelzonen in der zweiten Region. Insbesondere kann die Dichte der Zonengrenzen in der ersten Region kleiner sein als in der zweiten Region, das heißt die Anzahl von Zonengrenzen (z.B. radialer bei ring- oder ellipsenförmigen Fresnelzonen) pro Länge oder Fläche ist in der ersten Region geringer als in der zweiten Region. Dadurch kann die bessere optische Auflösung in der ersten Region erzielt werden, als in der zweiten Region. Der minimale Abstand zwischen Fresnelzonengrenzen in der ersten Region kann verschieden sein zum minimalen Abstand der Fresnelzonengrenzen in der zweiten Region. Insbesondere kann der minimale Abstand der Fresnelzonengrenzen in der ersten Region größer sein als in der zweiten Region. Der minimale Abstand ist dabei typischerweise in radialer Richtung ausgehend von einem Zentrum der Fresnellinse gegeben. Generally speaking, it is possible that the number of zone boundaries of Fresnel zones in the first region is smaller than the number of zone boundaries of Fresnel zones in the second region. In particular, the density of the zone boundaries in the first region can be smaller than in the second region, i.e. the number of zone boundaries (e.g. radial in the case of ring- or elliptical Fresnel zones) per length or area is smaller in the first region than in the second region. This means that better optical resolution can be achieved in the first region than in the second region. The minimum distance between Fresnel zone boundaries in the first region can be different from the minimum distance of the Fresnel zone boundaries in the second region. In particular, the minimum distance of the Fresnel zone boundaries in the first region can be greater than in the second region. The minimum distance is typically given in the radial direction starting from a center of the Fresnel lens.

Typischerweise wird das erreichbare Auflösungsvermögen einer Fresnellinse durch die minimale Breite der beteiligten Zonen, d.h. den Abstand der Fresnelzonengrenzen, in der jeweiligen Blickrichtung beschränkt. Durch die Vorgabe eines minimalen Abstands kann folglich die optische Auflösung in der entsprechenden Region eingestellt werden. In einem Beispiel wäre es sogar denkbar, dass die erste Region gar keine Zonengrenzen aufweist. Beispielsweise kann alternativ oder zusätzlich zu einer Variation von solchen geometrischen Parametern der Zonengrenzen der Fresnelzonen auch die Höhe bzw. Dicke der Fresnelzonen zwischen der ersten und zweiten Region variieren. Die Höhe bezeichnet den Abstand zwischen Oberkante und Unterkante einer Fresnelzone oder insbesondere einer Fresnelzonengrenze. Beispielsweise könnten die Fresnelzonen in der ersten Region zumindest im Mittel entsprechend dicker ausgebildet sein, als die Fresnelzonen in der zweiten Region. Derart kann in der ersten Region mehr refraktives Material gemäß einer klassischen Linse vorhanden sein. Typischerweise sind höhere Fresnelzonen auch breiter und stellen damit eine höhere optische Auflösung bereit, während sich mit niedrigeren Fresnelzonen eine Massenverringerung erzielen lässt. Typically, the achievable resolution of a Fresnel lens is limited by the minimum width of the zones involved, ie the distance between the Fresnel zone boundaries, in the respective viewing direction. By specifying a minimum distance, the optical resolution in the corresponding region can be set. In one example, it would even be conceivable for the first region to have no zone boundaries at all. For example, alternatively or in addition to a variation of such geometric parameters of the zone boundaries of the Fresnel zones, the height or thickness of the Fresnel zones between the first and second regions can also vary. The height refers to the distance between the upper edge and the lower edge of a Fresnel zone or in particular a Fresnel zone boundary. For example, the Fresnel zones in the first region could be correspondingly thicker, at least on average, than the Fresnel zones in the second region. In this way, more refractive material can be present in the first region in accordance with a classic lens. Typically, higher Fresnel zones are also wider and thus provide a higher optical resolution, while lower Fresnel zones can achieve a reduction in mass.

Dabei ist es in den verschiedenen Beispielen möglich, dass die Fresnelzonen eine konstante Höhe aufweisen. Das bedeutet, dass die Höhe als Funktion der lateralen Position innerhalb der Fresnellinse nicht variiert. Insbesondere wäre es möglich, dass die Fresnelzonen innerhalb einer Region der Fresnellinse eine konstante Höhe aufweisen. In manchen Beispielen wäre es aber auch denkbar, dass die Höhe der Fresnelzonen innerhalb einer Region variiert. In einem solchen Beispiel wäre es denkbar, dass die mittlere Höhe der Fresnelzonen in der ersten Region verschieden ist von der mittleren Höhe der Fresnelzonen in der zweiten Region. Beispielsweise kann die mittlere Höhe der Fresnelzonen in der ersten Region größer sein als die mittlere Höhe der Fresnelzonen in der zweiten Region. In the various examples, it is possible for the Fresnel zones to have a constant height. This means that the height does not vary as a function of the lateral position within the Fresnel lens. In particular, it would be possible for the Fresnel zones within a region of the Fresnel lens to have a constant height. In some examples, however, it would also be conceivable for the height of the Fresnel zones to vary within a region. In such an example, it would be conceivable that the average height of the Fresnel zones in the first region is different from the average height of the Fresnel zones in the second region. For example, the average height of the Fresnel zones in the first region can be greater than the average height of the Fresnel zones in the second region.

In den unterschiedlichen beschriebenen Beispielen ist es möglich, dass die Höhe der Fresnelzonen innerhalb der ersten Region variiert. Gleichzeitig wäre es denkbar, dass die Höhe der Fresnelzonen innerhalb der zweiten Region konstant ist. Das bedeutet also, dass innerhalb der ersten Region unterschiedliche Fresnelzonen unterschiedliche Höhen aufweisen; während in der zweiten Region alle Fresnelzonen die gleiche Höhe aufweisen. Das ist aber nur eine beispielhafte Implementierung und andere Szenarien sind denkbar. Indem die Höhe der Fresnelzonen innerhalb der ersten Region variiert wird, kann eine relativ gute optische Auflösung durch die erste Region bereitgestellt werden, wobei gleichzeitig die Materialmenge des optischen Materials der Fresnellinse in der ersten Region limitiert wird. Für die zweite Region kann eine konstante Höhe der Fresnelzonen aufgrund der schlechteren optischen Auflösung möglich sein. Allgemein ermöglicht die Aufteilung der Fresnellinse in unterschiedliche Regionen einen besseren Kompromiss zwischen der grundsätzlich bei Fresnellinsen erforderlichen Abwägung zwischen einer möglichst großen Reduktion der Masse der Linse bzw. deren Mitten- und Randdicke, die durch eine hohe Anzahl von Fresnelzonen ermöglicht wird, und einer hohen Abbildungsqualität, welche durch eine möglichst geringe Anzahl von Fresnelzonen erzielt werden kann. Zum Beispiel sollte die Höhe der Fresnelzonen aus dem Blickwinkel der Ästhetik möglichst gering gewählt werden. Eine geringe Höhe bewirkt bei gleichbleibender Krümmung der Oberfläche allerdings eine kleinere Breite der Fresnelzonen und damit kleinere Unteraperturen, welche die Auflösung verschlechtern. In the different examples described, it is possible that the height of the Fresnel zones within the first region varies. At the same time, it would be conceivable that the height of the Fresnel zones within the second region is constant. This means that within the first region, different Fresnel zones have different heights; while in the second region, all Fresnel zones have the same height. However, this is only an example implementation and other scenarios are conceivable. By varying the height of the Fresnel zones within the first region, a relatively good optical resolution can be provided by the first region, whereby at the same time, the amount of optical material of the Fresnel lens is limited in the first region. For the second region, a constant height of the Fresnel zones may be possible due to the poorer optical resolution. In general, dividing the Fresnel lens into different regions enables a better compromise between the trade-off fundamentally required for Fresnel lenses between the greatest possible reduction in the mass of the lens or its center and edge thickness, which is made possible by a high number of Fresnel zones, and high image quality, which can be achieved by the smallest possible number of Fresnel zones. For example, the height of the Fresnel zones should be as low as possible from an aesthetic point of view. However, a low height results in a smaller width of the Fresnel zones and thus smaller sub-apertures, which impair the resolution, while the curvature of the surface remains the same.

Beispielsweise kann die erste optische Auflösung der ersten Region die optische Auflösung des AR-Bilds unterstützen. Das bedeutet also in anderen Worten, dass in Beispielen die erste optische Auflösung gleich oder besser ist, als die optische Auflösung, mit der der Wellenleiter denjenigen Teil des AR-Bilds erzeugt, der von der ersten Region abgebildet wird. Beispielsweise könnte die optische Auflösung des AR-Bilds gleich oder besser als 1 arcmin sein. Entsprechend kann die erste optische Auflösung der ersten Region gleich oder besser als 1 arcmin sein. Eine solche optische Auflösung des AR-Bilds im Bereich von einer Bogenminute ist dann sinnvoll, wenn das AR-Bild im Bereich des zentralen Gesichtsfelds erzeugt wird. Aspekte im Zusammenhang mit dem optischen Auflösungsvermögen des menschlichen Auges werden nachfolgend erläutert. For example, the first optical resolution of the first region can support the optical resolution of the AR image. In other words, this means that in examples, the first optical resolution is equal to or better than the optical resolution with which the waveguide generates that part of the AR image that is imaged by the first region. For example, the optical resolution of the AR image could be equal to or better than 1 arcmin. Accordingly, the first optical resolution of the first region can be equal to or better than 1 arcmin. Such an optical resolution of the AR image in the range of one arc minute is useful if the AR image is generated in the area of the central field of view. Aspects related to the optical resolution of the human eye are explained below.

Das menschliche Auge hat im zentralen und peripheren Gesichtsfeld ein unterschiedliches Auflösungsvermögen. Im zentralen Gesichtsfeld, genauer gesagt im Bereich der Fovea (typischerweise weist das zentrale Gesichtsfeld eine Ausdehnung von +/-1 ° um die zentrale optische Achse - die Nullblickrichtung - des Auges auf, wobei aber durch Bewegung des Auges +/-15° erreicht werden), wo die Dichte der Fotorezeptoren am höchsten ist, beträgt das Auflösungsvermögen des Auges etwa 1 Bogenminute (arcmin). In diesem Bereich sind die Zapfen (Fotorezeptoren für Farbsehen und hohe Sehschärfe) am dichtesten konzentriert und ermöglichen so das schärfste Sehen. Im peripheren Gesichtsfeld nimmt das Auflösungsvermögen des Auges ab, da die Dichte der Fotorezeptoren geringer ist und Stäbchen (Fotorezeptoren für periphere und schwache Lichtverhältnisse) dominieren. Die Auflösung im peripheren Gesichtsfeld hängt von verschiedenen Faktoren ab, wie z. B. der Entfernung vom Zentrum des Gesichtsfelds und der Helligkeit des Lichts. Ein typischer Wert für die Auflösung des peripheren Gesichtsfelds (etwa +40° nach oben von der optischen Achse, -20° nach unten von der optischen Achse und +/-35° horizontal) um die optische Achse ist 4 arcmin, also Faktor 4 geringer als im zentralen Gesichtsfeld. The human eye has different resolving powers in the central and peripheral visual fields. In the central visual field, more precisely in the area of the fovea (typically the central visual field has an extension of +/-1° around the central optical axis - the zero viewing direction - of the eye, but +/-15° can be achieved by moving the eye), where the density of photoreceptors is highest, the resolving power of the eye is about 1 arc minute (arcmin). In this area the cones (photoreceptors for color vision and high visual acuity) are most densely concentrated, enabling the sharpest vision. In the peripheral field of vision, the resolving power of the eye decreases because the density of photoreceptors is lower and rods (photoreceptors for peripheral and low light conditions) dominate. The resolution in the peripheral field of vision depends on various factors, such as the distance from the center of the field of vision and the brightness of the light. A typical value for the resolution of the peripheral field of vision (about +40° upwards from the optical axis, -20° downwards from the optical axis and +/-35° horizontally) around the optical axis is 4 arcmin, i.e. a factor of 4 less than in the central field of vision.

Beispielsweise kann die laterale Ausdehnung der ersten Region Blickwinkeln entsprechen, die im Bereich von +/- 1 ° bis +/- 15° (entlang der Horizontalen und/oder der Vertikalen) um die Nullblickrichtung liegen; die laterale Ausdehnung der ersten Region kann also an das zentrale Gesichtsfeld - entweder mit oder ohne Augenrollen - angepasst sein. Das bedeutet also, das die erste Region zentriert um die Nullblickrichtung angeordnet ist (entlang der Anzeigeregion), und sich über einen Winkelbereich erstreckt, der diese Blickwinkel von -1 ° bis +1 ° (oder Blickwinkel von bis zu -15° bis zu +15°) erfasst. For example, the lateral extent of the first region may correspond to viewing angles ranging from +/- 1° to +/- 15° (along the horizontal and/or the vertical) around the zero gaze direction; thus, the lateral extent of the first region may be adapted to the central field of view - either with or without eye rolling. This means that the first region is centered around the zero gaze direction (along the display region), and extends over an angular range that covers these viewing angles from -1° to +1° (or viewing angles from up to -15° to +15°).

Als allgemeine Regel erfolgt die Umrechnung von Blickwinkeln in laterale Ausdehnung und Position auf der Fresnellinse in bekannter Weise in Abhängigkeit von Faktoren wie z.B.: ein Inklinationswinkel des kopftragbaren optischen Systems, einen Fassungsscheibenwinkel des kopftragbaren optischen Systems, einen Hornhautscheitelabstand und/oder eine Eyebox des kopftragbaren optischen Systems. As a general rule, the conversion of viewing angles into lateral extent and position on the Fresnel lens is carried out in a known manner depending on factors such as: an inclination angle of the head-mounted optical system, a frame lens angle of the head-mounted optical system, a corneal vertex distance and/or an eyebox of the head-mounted optical system.

Als allgemeine Regel kann die laterale Ausdehnung der ersten Region kleiner, gleich oder auch größer als die laterale Ausdehnung der Anzeigeregion sein. Die erste Region kann das gesamte AR-Bild abbilden oder nur Teile davon. Wenn das AR-Bild kleiner als das zentrale Gesichtsfeld des Auges ist, kann die erste Region insbesondere größer dimensioniert sein, als die Anzeigeregion, sodass auch Umfeldobjekte im zentralen Gesichtsfeld mit der hohen optischen Auflösung der ersten Region abgebildet werden, die außerhalb des AR-Bilds wahrgenommen werden. Die zweite Region kann dann den umliegenden Bereich abdecken, also an das periphere Gesichtsfeld angepasst sein. Die zweite Region kann entsprechend eine optische Auflösung bereitstellen, die schlechter als 4 arcmin optional schlechter als 10 arcmin ist. As a general rule, the lateral extent of the first region can be smaller, equal to or larger than the lateral extent of the display region. The first region can display the entire AR image or only parts of it. If the AR image is smaller than the central field of view of the eye, the first region can be larger than the display region, so that surrounding objects in the central field of view can also be displayed with the high optical resolution of the first region that is perceived outside the AR image. The second region can then cover the surrounding area, i.e. be adapted to the peripheral field of vision. The second region can accordingly provide an optical resolution that is worse than 4 arcmin, optionally worse than 10 arcmin.

Beispielsweise könnte die zweite Region ringförmig ausgebildet sein (d.h. die erste Region umgeben). Die zweite Region könnte sich in einem Bereich der Fresnellinse erstrecken, der Blickwinkeln von - 15° bis +15° um die Nullblickrichtung bis zu +/-300 (entlang der Horizontalen und/oder der Vertikalen) um die Nullblickrichtung entspricht. For example, the second region could be annular (ie, surrounding the first region). The second region could extend in a region of the Fresnel lens corresponding to viewing angles from -15° to +15° about the zero viewing direction up to +/-30 ° (along the horizontal and/or the vertical) about the zero viewing direction.

Die erste Region kann eine laterale Ausdehnung bzw. Fläche aufweisen, die im Bereich von 10 % bis 50%, optional 20% bis 40% der lateralen Ausdehnung bzw. Fläche der zweiten Region liegt. Das bedeutet, dass die erste Region eine signifikante Ausdehnung in Bezug auf die Ausdehnung der zweiten Region aufweisen kann. Beispielsweise kann die erste Region eine laterale Ausdehnung aufweisen, die angepasst ist auf ein zentrales Sichtfeld des menschlichen Auges. The first region may have a lateral extent or area that is in the range of 10% to 50%, optionally 20% to 40% of the lateral extent or area of the second region. This means that the first region may have a significant extent in relation to the extent of the second region. For example, the first region may have a lateral extent that is adapted to a central field of view of the human eye.

Es ist nicht in allen Varianten erforderlich, dass das AR-Bild mit einer besonders hohen optischen Auflösung, insbesondere mit der hohen optischen Auflösung des menschlichen Auges (zum Beispiel von 1 Bogenminute im Bereich des zentralen Gesichtsfelds) erzeugt wird. Beispielsweise wäre es denkbar, dass die optische Auflösung, mit welcher der Wellenleiter im Bereich der Anzeigeregion das AR-Bild erzeugt, schlechter als 1 Bogenminute ist, optional schlechter als 4 Bogenminuten. In einem solchen Beispiel gibt es unterschiedliche Varianten für die Dimensionierung des optischen Auflösungsvermögens der Fresnellinse im Bereich der ersten Region. Beispielsweise kann die erste optische Auflösung die hohe optische Auflösung des menschlichen Auges im Bereich des zentralen Gesichtsfelds unterstützen und also zum Beispiel ungefähr 1 arcmin sein, oder besser. Es wäre aber auch möglich, dass die erste optische Auflösung die hohe optische Auflösung des menschlichen Auges im Bereich des zentralen Gesichtsfelds nicht unterstützt und vielmehr angepasstes an die vergleichsweise schlechte optische Auflösung, mit welcher der Wellenleiter das AR-Bild im Bereich der Anzeigeregion erzeugt. Beispielsweise wäre es also möglich, dass die erste optische Auflösung schlechter als 1 arcmin ist, optional schlechter als 4 arcmin. Ein solches Szenario ist insbesondere dann hilfreich, wenn etwas kopftragbare optisches System optimiert ist für den kleinen Formfaktor und geringes Gewicht, jedoch nicht für besonders hohe Abbildungsqualität der Umgebung. It is not necessary in all variants that the AR image is generated with a particularly high optical resolution, in particular with the high optical resolution of the human eye (for example, 1 arc minute in the area of the central field of view). For example, it would be conceivable that the optical resolution with which the waveguide generates the AR image in the area of the display region is worse than 1 arc minute, optionally worse than 4 arc minutes. In such an example, there are different variants for the dimensioning of the optical resolution of the Fresnel lens in the area of the first region. For example, the first optical resolution can support the high optical resolution of the human eye in the area of the central field of view and thus be, for example, approximately 1 arcmin, or better. However, it would also be possible that the first optical resolution does not support the high optical resolution of the human eye in the area of the central field of view and instead adapts to the comparatively poor optical resolution with which the waveguide generates the AR image in the area of the display region. For example, it would be possible that the first optical resolution is worse than 1 arcmin, optionally worse than 4 arcmin. Such a scenario is particularly useful when a head-mounted optical system is optimized for the small form factor and low weight, but not for particularly high imaging quality of the environment.

Neben der mindestens ersten und zweiten Region kann die Fresnellinse auch noch weitere Regionen aufweisen, die sich hinsichtlich der optischen Auflösung und/oder der Zonengrenzenanzahl von der ersten und zweiten Region unterscheiden. Beispielsweise kann mit der dritten Region berücksichtigt werden, dass im peripheren Sichtfeld das menschliche Auge ein geringeres Auflösungsvermögen hat. In addition to at least the first and second regions, the Fresnel lens can also have further regions that differ from the first and second regions in terms of optical resolution and/or the number of zone boundaries. For example, the third region can take into account the fact that the human eye has a lower resolution in the peripheral field of vision.

Es wurde erkannt, dass durch Anpassung der optischen Auflösung in unterschiedlichen Regionen der Fresnellinse an das unterschiedliche Auflösungsvermögen des menschlichen Auges und an die Eigenschaften des eingeblendeten (augmentierenden) Bildes, wie beispielsweise Bildfeld (engl. field of view, FOV) oder digitale Auflösung in unterschiedlichen Blickrichtungen, eine Verringerung der Masse und Dicke der Linse durch Fresnelierung und damit des optischen Systems bei gleicher global wahrgenommener Abbildungsqualität bzw. eine verbesserte global wahrgenommene Abbildungsqualität bei gleicher Masse des kopftragbaren optischen Systems erzielt werden kann. It was recognized that by adapting the optical resolution in different regions of the Fresnel lens to the different resolution capabilities of the human eye and to the properties of the augmented image, such as field of view (FOV) or digital resolution in different viewing directions, a reduction in the mass and thickness of the lens through Fresnelization and thus of the optical system can be achieved with the same globally perceived image quality or an improved globally perceived image quality with the same mass of the head-mounted optical system.

Die Fresnellinse kann insbesondere dazu eingerichtet sein, eine Fokusebene des Bildes in einen vordefinierten Abstand zum Wellenleiter (Brennweite) zu verschieben, insbesondere heranzuziehen. Die Definition der Brennweite kann von der Art der Anwendung des Objektivs abhängen (ein einzelnes Objektiv kann sogar unterschiedliche Brennweiten über seine Öffnung haben). Im Allgemeinen ist die Brennweite jedoch der Abstand zwischen dem Objektiv und dem Punkt, an dem ein idealisierter kollim ierter Eingangsstrahl zu einem Punkt konvergiert. Die Fresnellinse kann daher auch als Pull-Linse bezeichnet werden. The Fresnel lens can in particular be designed to shift, in particular pull, a focal plane of the image to a predefined distance from the waveguide (focal length). The definition of the focal length can depend on the type of application of the lens (a single lens can even have different focal lengths across its aperture). In general, however, the focal length is the distance between the lens and the point at which an idealized collimated input beam converges to a point. The Fresnel lens can therefore also be called a pull lens.

Dementsprechend kann die den Effekt der Verschiebung der Fokusebene neutralisierende zweite Linse als Push-Linse angesehen werden. Die Push-Linse kann auch als Fresnellinse ausgebildet sein. Accordingly, the effect of shifting the focal plane neutralizing second lens can be considered a push lens. The push lens can also be designed as a Fresnel lens.

Es ist denkbar, dass die Fresnellinse dazu eingerichtet ist, eine Fehlsichtigkeit eines Trägers der kopftragbaren Anzeige zu korrigieren. Beispielsweise kann die Fresnellinse zur Korrektur einer Kurzsichtigkeit (Myopie), Weitsichtigkeit (Hyperopie) oder Stabsichtigkeit (Astigmatismus) eingerichtet sein. Insbesondere wenn für die Korrektur der Fehlsichtigkeit eine Linse mit hoher Brechkraft benötigt wird, kann eine deutliche Reduktion der Mitten- bzw. Randdicke ermöglicht werden. It is conceivable that the Fresnel lens is designed to correct a visual impairment of a wearer of the head-mounted display. For example, the Fresnel lens can be designed to correct short-sightedness (myopia), long-sightedness (hyperopia) or astigmatism. In particular, if a lens with high refractive power is required to correct the visual impairment, a significant reduction in the center or edge thickness can be made possible.

Die Fresnelzonen in der ersten Region können insbesondere an einen Inklinationswinkel des kopftragbaren optischen Systems, einen Fassungsscheibenwinkel des kopftragbaren optischen Systems, einen Hornhautscheitelabstand und/oder eine Eyebox des kopftragbaren optischen Systems angepasst sein, um das kopftragbare optische System optimal an den Betrachter anzupassen. Insbesondere können die Fresnelzonen in der ersten Region an eine Brillenfassungsgeometrie angepasst sein. The Fresnel zones in the first region can be adapted in particular to an inclination angle of the head-mounted optical system, a frame lens angle of the head-mounted optical system, a corneal vertex distance and/or an eyebox of the head-mounted optical system in order to optimally adapt the head-mounted optical system to the viewer. In particular, the Fresnel zones in the first region can be adapted to a spectacle frame geometry.

Die Fresnelzonen können auf der dem Wellenleiter zugewandten Seite der Fresnellinse ausgebildet sein, so dass die strukturierte Oberfläche nicht offen liegt. Sie kann folglich weniger verschmutzungsanfällig sein. The Fresnel zones can be formed on the side of the Fresnel lens facing the waveguide, so that the structured surface is not exposed. It can therefore be less susceptible to contamination.

Die Fresnelzonen können allerdings auch auf der dem Wellenleiter abgewandten Seite der Fresnellinse ausgebildet sein. Dies kann es erlauben, die Flanken der Fresnelzonen auszurichten, beispielsweise in Bezug auf einen Augendrehpunkt des Betrachters hin, so dass der Betrachter die Zonengrenzen als weniger störend wahrnimmt. Andere Ausrichtungen der Flanken der Fresnelzonen (engl. „draft facet“) z.B. zur Pupille (Pupillenzentrum in Ruhelage) hin oder für jede Flanke individuell sind auch denkbar. However, the Fresnel zones can also be formed on the side of the Fresnel lens facing away from the waveguide. This can make it possible to align the flanks of the Fresnel zones, for example in relation to the observer's eye rotation point, so that the observer perceives the zone boundaries as less disturbing. Other alignments of the flanks of the Fresnel zones (draft facet), e.g. towards the pupil (pupil center in rest position) or individually for each flank, are also conceivable.

Der Augendrehpunkt, auch Drehzentrum oder Drehachse des Auges genannt, ist ein gedachter Punkt innerhalb des Auges, um den das Auge bei Augenbewegungen rotiert. In der Regel werden drei Hauptaugenbewegungen unterschieden: Horizontalrotation, Vertikalrotation und Torsionsrotation. Diese Bewegungen werden durch die sechs äußeren Augenmuskeln gesteuert, die das Auge in der Augenhöhle halten und bewegen. The eye pivot point, also called the center of rotation or axis of rotation of the eye, is an imaginary point within the eye around which the eye rotates during Eye movements rotate. As a rule, three main eye movements are distinguished: horizontal rotation, vertical rotation and torsional rotation. These movements are controlled by the six external eye muscles that hold and move the eye in the eye socket.

Der Augendrehpunkt liegt etwa in der Nähe der vorderen Linse und wird als der geometrische Ort angesehen, an dem alle Drehachsen der Augenbewegungen Zusammentreffen. Die genaue Position des Drehpunkts kann jedoch von Person zu Person variieren und ist auch abhängig von der Blickrichtung und der individuellen Augenanatomie. The eye pivot point is located approximately near the front lens and is considered to be the geometric location where all axes of rotation of the eye movements meet. However, the exact position of the pivot point can vary from person to person and also depends on the direction of gaze and the individual eye anatomy.

In einigen Ausführungsbeispielen kann die Fresnellinse ein Keilprofil aufweisen. Das Keilprofil kann auf der dem Wellenleiter zugewandten Seite der Fresnellinse und/oder auf der dem Wellenleiter abgewandten Seite der Fresnellinse angeordnet sein. In some embodiments, the Fresnel lens may have a wedge profile. The wedge profile may be arranged on the side of the Fresnel lens facing the waveguide and/or on the side of the Fresnel lens facing away from the waveguide.

Es wäre möglich, dass eine Seite der Fresnellinse, die gegenüber zu deren Seite liegt, welche die Fresnelzonen ausgebildet sind, eine optische Wirkung aufweist. So ist denkbar, dass die den Fresnelzonen der Fresnellinse gegenüberliegende Seite eine konvexe, konkave oder torische Form hat. Insbesondere kann es sich bei der Fresnellinse um eine Hybridlinse handeln. Dies kann es erlauben, die erforderliche Krümmung auf der dem Auge zugewandten Seite der Fresnellinse zu reduzieren, was zu größeren Abständen und/oder geringeren Höhen der Fresnelzonen führen kann. It would be possible for a side of the Fresnel lens opposite the side on which the Fresnel zones are formed to have an optical effect. It is conceivable that the side opposite the Fresnel zones of the Fresnel lens has a convex, concave or toric shape. In particular, the Fresnel lens can be a hybrid lens. This can make it possible to reduce the required curvature on the side of the Fresnel lens facing the eye, which can lead to greater distances and/or lower heights of the Fresnel zones.

In Ausführungsbeispielen umfasst das kopftragbare optische System eine zweite Linse, wobei die zweite Linse auf einer der Fresnellinse gegenüberliegenden Seite des Wellenleiters angeordnet ist, und wobei die zweite Linse eine Verschiebung der Fokuslage durch die Fresnellinse kompensiert. Dies wäre ein Push-Pull- Linsensystem. In embodiments, the head-mounted optical system comprises a second lens, wherein the second lens is arranged on a side of the waveguide opposite the Fresnel lens, and wherein the second lens compensates for a shift in the focus position caused by the Fresnel lens. This would be a push-pull lens system.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nunmehr anhand der Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigt: FIG. 1 ein kopftragbares optisches System; Embodiments of the invention will now be explained in more detail with reference to the drawings, in which: FIG. 1 shows a head-mounted optical system;

FIG. 2 ein kopftragbares optisches System; FIG. 2 shows a head-mounted optical system;

FIG. Seine Fresnellinse; FIG. His Fresnel lens;

FIG. 4 eine Fresnellinse; FIG. 4 a Fresnel lens;

FIG. Seine Volumenlinse; FIG. His volume lens;

FIG. 6 eine Fresnellinse; FIG. 6 a Fresnel lens;

FIG. 7 eine Fresnellinse; FIG. 7 a Fresnel lens;

FIG. Seine Fresnellinse; FIG. His Fresnel lens;

FIG. 9 eine Fresnellinse; FIG. 9 a Fresnel lens;

FIG. 10 eine Fresnellinse, FIG. 10 a Fresnel lens,

FIG. 11 eine Fresnellinse, FIG. 11 a Fresnel lens,

FIG. 12 eine Fresnellinse, FIG. 12 a Fresnel lens,

FIG. 13 eine Fresnellinse, und FIG. 13 a Fresnel lens, and

FIG. 14 eine Fresnellinse. FIG. 14 a Fresnel lens.

Nachfolgend werden Aspekte im Zusammenhang mit dem Design einer Fresnellinse für ein kopftragbares optisches System für AR-Anwendungen beschrieben. Ein AR-Bild wird von einem Wellenleiter mit einer bestimmten optischen Auflösung erzeugt. Das AR-Bild wird durch die Fresnellinse abgebildet; diese Abbildung erfolgt auch mit einer bestimmten optischen Auflösung, die typischerweise nicht kleiner ist als die optische Auflösung, mit der das AR-Bild erzeugt wird. Aspects related to the design of a Fresnel lens for a head-mounted optical system for AR applications are described below. An AR image is generated by a waveguide with a certain optical resolution. The AR image is imaged by the Fresnel lens; this imaging is also carried out with a certain optical resolution, which is typically not smaller than the optical resolution with which the AR image is generated.

Dazu weist die Fresnellinse mehrere Regionen auf, beispielsweise eine erste Region und eine zweite Region. Die erste Region und die zweite Region stellen unterschiedliche optische Auflösungen bereit. Dadurch kann eine zielgerichtete Anpassung von geometrischen Parametern der ersten und zweiten Region unter Abwägung der benötigten optischen Auflösung einerseits und der Dicke oder des Gewichts der Fresnellinse andererseits optimiert werden. For this purpose, the Fresnel lens has several regions, for example a first region and a second region. The first region and the second region provide different optical resolutions. This allows a targeted adjustment of geometric parameters of the first and second regions to be optimized, taking into account the required optical resolution on the one hand and the thickness or weight of the Fresnel lens on the other.

In der nachfolgenden TAB. 1 sind einige Szenarien für die Implementierung von solchen Regionen beschrieben.

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In TABLE 1 below, some scenarios for the implementation of such regions are described.
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TAB. 1 : Verschiedene Beispiele für die relative Dimensionierung der Größe und optischen Auflösung der Anzeigeregion, der ersten Region und der zweiten Region. TAB. 1 : Various examples of the relative dimensioning of the size and optical resolution of the display region, the first region and the second region.

In der FIG. 1 zeigt sich schematisch ein kopftragbares optisches System 100 mit einem Wellenleiter 110, einer ersten Linse 120 und einer zweiten Linse 130. Der Wellenleiter transportiert das von einem (nicht dargestellten) Display eingekoppelte Licht 140 des einzublendenden AR-Bildes in eine Anzeigeregion des Wellenleiters 110, wo es ausgekoppelt wird. Hierzu kann beispielsweise ein (nicht dargestelltes) Auskoppelelement verwendet werden. Bei dem Auskoppelelement kann es sich um ein reflektives, diffraktives oder holographisches Auskoppelelement handeln. FIG. 1 shows a schematic view of a head-mounted optical system 100 with a waveguide 110, a first lens 120 and a second lens 130. The waveguide transports the light 140 of the AR image to be displayed, coupled in from a display (not shown), into a display region of the waveguide 110, where it is coupled out. For this purpose, for example, a coupling-out element (not shown) can be used. The coupling-out element can be a reflective, diffractive or holographic coupling-out element.

Regelmäßig wird für den Transport des AR-Bildes, welches auch als augmentiertes Bild bezeichnet wird, im Wellenleiter kollimiertes Licht mit einer Fokusebene im Unendlichen verwendet. Typically, collimated light with a focal plane at infinity is used to transport the AR image, which is also called an augmented image.

Für den Betrachter des AR-Bildes, der durch das Auge 160 und die Nullblickrichtung 161 angedeutet ist, kann es eher anstrengend sein, wenn dessen Fokusebene im Unendlichen liegt. Daher wird regelmäßig eine erste Linse wie die erste Linse 120 verwendet, mit welcher die Fokusebene des AR-Bildes verschoben wird. Die erste Linse 120 kann dabei insbesondere dazu dienen die Fokusebene in den Nahbereich zu ziehen. Die erste Linse 120 wird daher auch als "Pull"-Linse bezeichnet. For the viewer of the AR image, indicated by the eye 160 and the zero viewing direction 161, it can be rather strenuous if their focal plane is at infinity. Therefore, a first lens such as the first lens 120 is regularly used, with which the focal plane of the AR image is shifted. The first lens 120 can be used in particular to pull the focal plane into the close range. The first lens 120 is therefore also referred to as a "pull" lens.

Für die Betrachtung der Umgebung wird der Einfluss der "Pull"-Linse durch die zweite Linse 130 kompensiert, die auch als "Push"-Linse bezeichnet wird. Die von der Umgebung kommenden Lichtstrahlen 150 sollen folglich möglichst nicht beeinflusst werden. For viewing the surroundings, the influence of the "pull" lens is compensated by the second lens 130, which is also called a "push" lens. The light rays 150 coming from the surroundings should therefore not be influenced as much as possible.

Neben der Anpassung der Fokusebene des AR-Bildes kann die erste Linse 120 auch zur individuellen Refraktionskorrektur für den Benutzer verwendet werden. In addition to adjusting the focal plane of the AR image, the first lens 120 can also be used for individual refraction correction for the user.

Das kopftragbare optische System 100 kann Teil einer AR-Brille sein. Im Vergleich zu herkömmlichen Brillen zur Korrektur von Fehlsichtigkeit wie beispielweise Kurzsichtigkeit, Weitsichtigkeit oder Stabsichtigkeit, wird bei AR-Brillen noch stärker Wert auf eine möglichst geringe Dicke und ein möglichst geringes Gewicht gelegt. Zu diesem Zweck kann, wie in der FIG. 2 dargestellt ist, als erste Linse 220 des kopftragbaren optischen Systems 200 eine Fresnellinse 220 verwendet werden. Die auf der der Fresnellinse 220 gegenüberliegenden Seite des Wellenleiters 210 angeordnete zweite Linse 230, die Push-Linse, kann weiter als Volumenlinse ausgestaltet sein. The head-mounted optical system 100 can be part of AR glasses. Compared to conventional glasses for correcting visual impairments such as myopia, hyperopia or astigmatism, AR glasses place even greater emphasis on being as thin and light as possible. For this purpose, as shown in FIG. 2, a Fresnel lens 220 can be used as the first lens 220 of the head-mounted optical system 200. The second lens 230, the push lens, arranged on the side of the waveguide 210 opposite the Fresnel lens 220 can also be designed as a volume lens.

Mit einer AR-Bril le soll einem Betrachter sowohl die Wahrnehmung der Umgebung als auch des eingeblendeten AR-Bildes ermöglichen. Die vom Betrachter wahrnehmbare Auflösung hängt dabei von der Position des einfallenden Lichtes auf der Retina des Auges des Betrachters ab, die durch den Winkel bestimmt wird, in dem das einfallende Licht durch die Augenpupille trifft. Mit anderen Worten hängt die wahrnehmbare Auflösung von der Blickrichtung in Bezug auf das ruhende Auge ab. AR glasses are designed to allow a viewer to perceive both the environment and the displayed AR image. The resolution perceived by the viewer depends on the position of the incident light on the retina of the viewer's eye, which is determined by the angle at which the incident light hits the pupil. In other words, the perceivable resolution depends on the direction of gaze in relation to the resting eye.

Durch Bewegung der Augen oder des Kopfes kann der Betrachter die Blickrichtung in Bezug auf das ruhende Auge in Grenzen so wählen, dass die wahrnehmbare Auflösung der gewünschten wahrnehmbaren Auflösung entspricht. Eine Bewegung des Kopfes kann allerdings nicht die Position des eingeblendeten AR-Bildes in Bezug auf die Augenposition bzw. -ausrichtung ändern. By moving the eyes or head, the viewer can, within limits, choose the direction of view in relation to the resting eye so that the perceptible resolution corresponds to the desired perceptible resolution. However, moving the head cannot change the position of the displayed AR image in relation to the eye position or orientation.

Typischerweise beträgt die Auflösung des menschlichen Auges in einem Bereich ca. +- 1 ° der Blickrichtung um die Mittelachse (Nullblickrichtung) ca. 1 arcmin - dieser Bereich wird oftmals als zentrales Gesichtsfeld bezeichnet. Das zentrale Gesichtsfeld wird dabei durch Rollen des Auges auf ca. +/-15° um die Nullblickrichtung erweitert. Eine Texterkennung ist (ohne Rollen) normalerweise im Bereich von ca. +-10° um die Nullblickrichtung möglich, wobei hier die Auflösung regelmäßig besser als ca. 4 arcmin ist. Für größere Winkel bis hin zum Bereich des peripheren Sehens nimmt das Auflösungsvermögen ab. Typically, the resolution of the human eye is about 1 arcmin in an area of about +/- 1° of the viewing direction around the central axis (zero viewing direction) - this area is often referred to as the central field of vision. The central field of vision is expanded by rolling the eye to about +/-15° around the zero viewing direction. Text recognition (without rolling) is normally possible in the range of about +/-10° around the zero viewing direction, whereby the resolution here is usually better than about 4 arcmin. For larger angles up to the area of peripheral vision, the resolution decreases.

Eine Auslenkung (Rollen) des Auges von ca. +- 15° vertikal und/oder horizontal von der Ruhelage wird von einem Betrachter im Regelfall als nicht anstrengend empfunden. Ist für die Betrachtung eines Objektes mit der notwendigen Auflösung eine größere Auslenkung des Auges erforderlich, bewegt der Betrachter üblicherweise den Kopf. Die maximale Auslenkung des Auges beträgt bei den meisten Betrachter ca. 40° nach oben, ca. 20° nach unten und ca. +-35° horizontal. A deflection (rolling) of the eye of approx. +- 15° vertically and/or horizontally from the resting position is usually not perceived as strenuous by the observer. If a larger deflection of the eye is required to view an object with the necessary resolution, the observer moves usually the head. The maximum deflection of the eye for most viewers is about 40° upwards, about 20° downwards and about +-35° horizontally.

Im Auslenkungsbereich des Auges ist eine Wahrnehmung der Umgebung oder eingeblendeter AR-Bilder mit angemessener Auflösung grundsätzlich möglich, wobei zu beachten ist, dass mit einer Drehung des Kopfes die Position eines mittels der AR-Brille eingeblendeten AR-Bildes nicht veränderlich ist. In the deflection range of the eye, it is generally possible to perceive the environment or displayed AR images with an appropriate resolution, although it should be noted that the position of an AR image displayed using the AR glasses cannot be changed by turning the head.

Im Hinblick auf das Auflösungsvermögen des Auges selbst und bei nicht anstrengender Auslenkung des Auges ergibt sich, dass in einem Bereich von ca. +- 15° in Bezug auf die Ruhelage des Auges bzw. die Nullblickrichtung die wahrnehmbare Auflösung von ca. 1 arcmin (dieser Blickwinkelbereich wird hierin als zentrales Gesichtsfeld bezeichnet) und in einem Bereich von ca. +- 25° mit einer Auflösung von ca. 4 arcmin beträgt (dieser Blickwinkelbereich wird hierin als peripheres Gesichtsfeld bezeichnet). With regard to the resolving power of the eye itself and when the eye is not deflected strenuously, it can be seen that in a range of approx. +- 15° in relation to the resting position of the eye or the zero viewing direction, the perceptible resolution is approx. 1 arcmin (this viewing angle range is referred to herein as the central visual field) and in a range of approx. +- 25° with a resolution of approx. 4 arcmin (this viewing angle range is referred to herein as the peripheral visual field).

Diese Werte werden folglich üblicherweise dem Design von Brillen zugrunde gelegt, die zur Korrektur von Fehlsichtigkeit dienen. Bei AR-Brillen können die Anforderungen jedoch abweichen. These values are therefore usually used as the basis for the design of glasses that are used to correct vision problems. However, the requirements for AR glasses may differ.

Einige AR-Brillen sehen beispielsweise die Einblendung von AR-Bildern vor, welche eine größere Auslenkung des Auges als +- 15° erfordern. Vgl. TAB. 1 : Szenario 1 . Hier kann in einer ersten Region der Fresnellinse - die an das zentrale Gesichtsfeld angepasst ist - beispielsweise eine hohe optische Auflösung des AR-Bilds unterstützt werden, in einer zweiten Region der Fresnellinse, die sich an die erste Region nach Außen hin anschließt, nur eine geringere Auflösung, die der optischen Auflösung des menschlichen Auges im peripheren Gesichtsfeld entspricht. Some AR glasses, for example, allow AR images to be displayed that require the eye to be deflected by more than +/- 15°. See TABLE 1: Scenario 1. Here, in a first region of the Fresnel lens - which is adapted to the central field of vision - a high optical resolution of the AR image can be supported, for example, while in a second region of the Fresnel lens, which adjoins the first region towards the outside, only a lower resolution that corresponds to the optical resolution of the human eye in the peripheral field of vision can be supported.

Wenn bei einer AR-Brille nur AR-Bilder einer Größe eingeblendet werden sollen (d.h. die Anzeigeregion ist entsprechend klein dimensioniert), die eine Auslenkung des Auges von maximal +- 15° oder weniger erfordern (vgl. TAB. 1 : Szenario 3B), kann die optische Auflösung der Fresnellinse außerhalb dieses Bereiches entsprechend geringer gewählt werden und es lassen sich größere Gewichtseinsparungen erzielen. Es wäre aber auch möglich, für Blickwinkel außerhalb des AR-Bilds eine hohe optische Auflösung zu unterstützen (vgl. TAB. 1 : Szenario 3A). If AR glasses are only intended to display AR images of one size (i.e. the display region is dimensioned accordingly small) that require a maximum deflection of the eye of +- 15° or less (cf. TAB. 1 : Scenario 3B), the optical resolution of the Fresnel lens can be chosen to be correspondingly lower outside this range and greater weight savings can be achieved. However, it would also be possible to support a high optical resolution for viewing angles outside the AR image (see TAB. 1 : Scenario 3A).

Einige AR-Brillen sehen vor, dass in einem zentralen Bereich der Anzeigeregion Teile des AR-Bilds mit hoher Auflösung und in peripheren Bereichen der Anzeigeregion Teile des AR-Bilds mit niedriger Auflösung eingeblendet werden sollen. In einem solchen Szenario kann die Fresnellinse in einer zentralen ersten Region eine hohe optische Auflösung und in einer peripheren zweiten Region eine niedrigere optische Auflösung aufweisen, um den Auflösungsanforderungen bei gleichzeitig möglichst geringem Gewicht gerecht werden zu können. Vgl. TAB. 1 : Szenario 4). Some AR glasses provide for parts of the AR image to be displayed with high resolution in a central area of the display region and parts of the AR image to be displayed with low resolution in peripheral areas of the display region. In such a scenario, the Fresnel lens can have a high optical resolution in a central first region and a lower optical resolution in a peripheral second region in order to meet the resolution requirements while keeping the weight as low as possible. See TABLE 1: Scenario 4).

Sofern eine Auflösung des eingeblendeten AR-Bildes geringer ist als die wahrnehmbare Auflösung des menschlichen Auges, kann auch das Auflösungsvermögen der Fresnellinse entsprechend geringer gewählt werden, so dass weitere Gewichtseinsparungen möglich sind. If the resolution of the displayed AR image is lower than the perceptible resolution of the human eye, the resolution of the Fresnel lens can also be selected to be correspondingly lower, so that further weight savings are possible.

Neben anderen Parametern kann die optische Leistung einer Fresnellinse insbesondere auf folgende Art und Weise eingestellt werden. Among other parameters, the optical performance of a Fresnel lens can be adjusted in the following way.

Jede Fresnelzone kann als Unterapertur angesehen werden, welche der erreichbaren Winkelauflösung entspricht. In guter Näherung ermöglicht eine Fresnelzone mit der Breite w eine Winkelauflösung Aa von Each Fresnel zone can be considered as a sub-aperture, which corresponds to the achievable angular resolution. As a good approximation, a Fresnel zone with the width w enables an angular resolution Aa of

A Acr = — nw wobei n dem Brechungsindex in Luft entspricht. Für die jeweilige Blickrichtung entsprechen die Fresnelzonen, die zum wahrgenommenen AR-Bild beitragen, der Region der Fresnellinse, die durch die Pupille gesehen wird. Der kleinste Wert von Ac gibt ein Maximum für die erreichbare Auflösung an. A Acr = — nw where n is the refractive index in air. For each viewing direction, the Fresnel zones that contribute to the perceived AR image correspond to the Region of the Fresnel lens seen through the pupil. The smallest value of Ac indicates a maximum for the achievable resolution.

Wie in der FIG. 3 angedeutet ist, sollten für den zentralen Bereich 301 des Gesichtsfelds, in welchem normalerweise eine hohe Auflösung benötigt wird, möglichst wenige, am besten keine Fresnelzonengrenzen vorhanden sein. Im zentralen Bereich 301 des Gesichtsfelds, in dem eine hohe Auflösung gewünscht ist, passieren die vom Auge wahrgenommen Lichtstrahlen somit im Wesentlichen nur eine einzelne Fresnelzone 302 mit einer kontinuierlichen Oberfläche wie bei einer Volumenlinse. As indicated in FIG. 3, for the central region 301 of the field of view, in which high resolution is normally required, there should be as few Fresnel zone boundaries as possible, and ideally none at all. In the central region 301 of the field of view, in which high resolution is desired, the light rays perceived by the eye thus essentially only pass through a single Fresnel zone 302 with a continuous surface, as in a volume lens.

Ausgerichtet am zentralen Bereich 301 des Gesichtsfelds ist also eine erste Region 91 . In der ersten Region 91 ist nur eine vergleichsweise geringe Anzahl von Fresnelzonen - im dargestellten Beispiel der FIG. 3 nur eine einzige Fresnelzone 302, wobei aber auch mehr als nur eine einzige Fresnelzone verwendet werden können - angeordnet. Allgemeiner formuliert ist in der ersten Region 91 die Fresnelzonendichte geringer als in der umgebenden zweiten Region 92. Die zweite Region 92 umgibt im Beispiel der FIG. 3 die erste Region 91 ringförmig, erstreckt sich also radial nach außen ausgehend von der ersten Region 91 . Beide Regionen 91 , 92 sind an der optischen Achse (gepunktete Linie) - definiert durch die Ruhestellung der Pupille - zentriert. A first region 91 is therefore aligned with the central area 301 of the field of view. In the first region 91, only a comparatively small number of Fresnel zones are arranged - in the example shown in FIG. 3, only a single Fresnel zone 302, although more than just a single Fresnel zone can also be used. In more general terms, the Fresnel zone density in the first region 91 is lower than in the surrounding second region 92. In the example in FIG. 3, the second region 92 surrounds the first region 91 in a ring shape, i.e. extends radially outwards from the first region 91. Both regions 91, 92 are centered on the optical axis (dotted line) - defined by the resting position of the pupil.

Zumindest die erste Region 91 ist im Bereich der Anzeigeregion des Wellenleiters (in FIG. 3 nicht dargestellt) angeordnet. Es wäre aber auch denkbar, dass die Anzeigeregion eine solch große laterale Ausdehnung aufweist, dass sie in den Bereich der zweiten Region 92 hineinragt (d.h. die erste Region 91 weist eine laterale Ausdehnung auf, die kleiner ist, als die laterale Ausdehnung der Anzeigeregion). At least the first region 91 is arranged in the area of the display region of the waveguide (not shown in FIG. 3). However, it would also be conceivable for the display region to have such a large lateral extent that it extends into the area of the second region 92 (i.e. the first region 91 has a lateral extent that is smaller than the lateral extent of the display region).

Als allgemeine Regel sollten die Fresnelzonengrenzen in den verschiedenen Bereichen möglichst nicht wahrnehmbar sein. Dies kann beispielsweise durch eine Orientierung der Fresnelzonengrenzflächen (in FIG. 3 ist eine Fresnelzonengrenze 303 hervorgehoben) zum Drehpunkt des Auges hin oder zur Augenpupille hin erreicht werden, so dass sie einen besonders kleinen Fußabdruck bilden. Weiter sollte die Höhe der Fresnelzonen (bzw. Fresnelzonengrenzen oder „draft facets“), d.h. die Stufenhöhe an der Fresnelzonengrenze, klein genug sein, um das wahrgenommene Bild möglichst wenig zu beeinflussen. As a general rule, the Fresnel zone boundaries should be as imperceptible as possible in the different areas. This can be done, for example, by orienting the Fresnel zone boundaries (in FIG. 3 a Fresnel zone boundary 303 is highlighted) towards the pivot point of the eye or towards the pupil of the eye. so that they form a particularly small footprint. Furthermore, the height of the Fresnel zones (or Fresnel zone boundaries or "draft facets"), ie the step height at the Fresnel zone boundary, should be small enough to influence the perceived image as little as possible.

Gleichwohl nimmt die Auflösung für größere Blickwinkel etwas ab, da wie in der FIG. 4 angedeutet ist, die Auflösung der entsprechenden Lichtstrahlen 402 durch die Unterapertur 403 begrenzt ist (im Unterschied zu den zentralen Lichtstrahlen 401 ), da sie nur durch einen kleineren Bereich 403 der Linsenoberfläche beeinflusst werden, so dass sie nach dem Passieren der Pupille 404, und der Augenlinse 405 von der Retina 406 des Betrachters wahrgenommen werden. Zudem können die Diskontinuitäten an den Fresnelzonengrenzen als störend empfunden werden. Nevertheless, the resolution decreases somewhat for larger viewing angles because, as indicated in FIG. 4, the resolution of the corresponding light rays 402 is limited by the sub-aperture 403 (in contrast to the central light rays 401 ), since they are only influenced by a smaller area 403 of the lens surface, so that they are perceived by the retina 406 of the observer after passing through the pupil 404 and the eye lens 405. In addition, the discontinuities at the Fresnel zone boundaries can be perceived as disturbing.

Bei einer Stufenhöhe von 0,5 mm, bei senkrechten Fresnelzonengrenzen, bei einer Strahlhöhe von 5 mm, einem Abstand der Fresnellinse vom Drehpunkt des Auges von 25 mm und einem Blickwinkel von ca. 11 ° entspricht der Fußabdruck der Fresnelzonengrenze ca. 100 um. With a step height of 0.5 mm, with vertical Fresnel zone boundaries, with a beam height of 5 mm, a distance of the Fresnel lens from the pivot point of the eye of 25 mm and a viewing angle of approximately 11 °, the footprint of the Fresnel zone boundary corresponds to approximately 100 µm.

Varianten für die Gestaltung der Fresnelzonenbreiten und die Position der Fresnelzonengrenzen werden nunmehr für ein vorgegebenes Oberflächenprofil, welches einer sphärischen Linse mit einer Brechkraft von -6 Dioptrien entspricht, in TAB. 2 erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die benötigte Brechkraft die Breite der Fresnelzonen und die Position der Fresnelzonengrenzen beeinflusst. Bei der Betrachtung wurde die Mittendicke vernachlässigt, um den Einfluss der Aufteilung in Fresnelzonen zu verdeutlichen.

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Variants for the design of the Fresnel zone widths and the position of the Fresnel zone boundaries are now explained in TAB. 2 for a given surface profile, which corresponds to a spherical lens with a refractive power of -6 diopters. It should be noted that the required refractive power influences the width of the Fresnel zones and the position of the Fresnel zone boundaries. The center thickness was neglected in the analysis in order to illustrate the influence of the division into Fresnel zones.
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TAB. 2: Verschiedene Varianten für die die Dimensionierung der ersten und zweiten Region der Fresnellinse TAB. 2: Different variants for the dimensioning of the first and second region of the Fresnel lens

Eine lokal größere Höhe der Fresnelzonen führt dabei üblicherweise zu einer breiteren Fresnelzone. Grundsätzlich kann die Höhe der Fresnelzonengrenzen für jede Region oder jede Fresnelzone der Fresnellinse individuell gewählt werden. A locally larger height of the Fresnel zones usually leads to a wider Fresnel zone. In principle, the height of the Fresnel zone boundaries can be selected individually for each region or each Fresnel zone of the Fresnel lens.

Eine weitere Variante, die Breite der Fresnelzonen und die Position der Frenselzonengrenzen zu beeinflussen ist in der FIG. 9 dargestellt. Ein Teil der Brechkraft der Fresnellinse 900 kann von der Rückseite 901 , d.h. der nicht strukturierten Seite, der Fresnellinse 900 erzeugt werden. Dies ermöglicht es die Krümmung auf der Vorderseite 902 der Fresnellinse 900 zu verringern, so dass der Abstand zwischen den Fresnelzonen vergrößert werden kann. Another variant for influencing the width of the Fresnel zones and the position of the Fresnel zone boundaries is shown in FIG. 9. Part of the refractive power of the Fresnel lens 900 can be generated from the back side 901, i.e. the non-structured side, of the Fresnel lens 900. This makes it possible to reduce the curvature on the front side 902 of the Fresnel lens 900, so that the distance between the Fresnel zones can be increased.

Sattelflächen einer solchen Linsengeometrie können für eine Zylinder-Korrektur verwendet werden. Saddle surfaces of such a lens geometry can be used for cylinder correction.

Während in FIG. 9 ein Szenario dargestellt ist, in dem die Rückseite 901 der Fresnellinse 900 nicht fresneliert ist, wäre es denkbar, dass sowohl auf der Vorderseite 902, wie auch auf der Rückseite 901 Fresnelzonen ausgebildet sind. While FIG. 9 shows a scenario in which the rear side 901 of the Fresnel lens 900 is not Fresnel-coated, it would be conceivable that Fresnel zones are formed on both the front side 902 and the rear side 901.

Ebenso ist es denkbar die Fresnellinse mit einer Keilstruktur auf der Rückseite zu versehen, um bei einer dezentralen Anzeigeregion, das einzublendende AR-Bild in die Pupille des Betrachters zu lenken. Grundsätzlich auch vorstellbar ist es, eine Keilstruktur auf der Vorderseite vorzusehen, um die zentrale Fresnelzone zu verschieben. It is also conceivable to provide the Fresnel lens with a wedge structure on the back in order to direct the AR image to be displayed into the viewer's pupil in a decentralized display region. In principle, it is also conceivable to use a Wedge structure on the front to shift the central Fresnel zone.

In der FIG. 10 ist eine Fresnellinse 220 dargestellt, bei welcher die Flanken 1011 der Fresnelzonen in Bezug auf den Drehpunkt des Auges 1020 des Betrachters (vgl. Nullblickrichtung 161 ) ausgerichtet sind, so dass dieser die Zonengrenzen weniger wahrnimmt. FIG. 10 shows a Fresnel lens 220 in which the flanks 1011 of the Fresnel zones are aligned with respect to the pivot point of the observer's eye 1020 (cf. zero viewing direction 161), so that the observer perceives the zone boundaries less.

Bei der Fresnellinse, die in der FIG. 11 abgebildet ist, weisen die Fresnelzonen in der zweiten Region 92 eine konstante Höhe 1198 auf. Die Fresnelzonen in der ersten Region 91 weisen eine variable Höhe 1199 auf; die mittlere Höhe in der ersten Region 91 ist größer als in der zweiten Region 92. In the Fresnel lens shown in FIG. 11, the Fresnel zones in the second region 92 have a constant height 1198. The Fresnel zones in the first region 91 have a variable height 1199; the average height in the first region 91 is greater than in the second region 92.

FIG. 12 illustriert die laterale Ausdehnung der Anzeigeregion 180 in Bezug auf die erste Region 91 und die zweite Region 92. Die erste Region 91 erstreckt sich entlang der Anzeigeregion 180. In diesem Beispiel deckt die erste Region 91 die gesamte Anzeigeregion 180 ab (vgl. TAB. 1 , Szenario 1 und Szenario 3B). Es wären auch andere Varianten denkbar, d.h. die erste Region 91 könnte eine kleinere oder größere laterale Ausdehnung als die Anzeigeregion 180 aufweisen. Dies kann beispielsweise dann erstrebenswert sein, wenn die optische Auflösung der Anzeigeregion 180 variiert oder wenn die Anzeigeregion eine so große Ausdehnung aufweist, dass auch der periphere Bereich des Gesichtsfelds für das AR-Bild benutzt wird. Beispielhafte Szenarien wurden in TAB. 1 diskutiert. FIG. 12 illustrates the lateral extent of the display region 180 in relation to the first region 91 and the second region 92. The first region 91 extends along the display region 180. In this example, the first region 91 covers the entire display region 180 (cf. TAB. 1 , Scenario 1 and Scenario 3B). Other variants would also be conceivable, i.e. the first region 91 could have a smaller or larger lateral extent than the display region 180. This can be desirable, for example, if the optical resolution of the display region 180 varies or if the display region has such a large extent that the peripheral area of the field of view is also used for the AR image. Example scenarios were discussed in TAB. 1.

Aus einem Vergleich der FIG. 13 mit FIG. 14 ist ersichtlich, wie basierend auf dem Hornhautscheitelabstand 82 (Abstand zwischen der Glasseite des Brillenglases zur Hornhaut; variiert zwischen FIG. 13 und FIG. 14) und dem Blickwinkelbereich 81 um die Nullblickrichtung 161 (der Blickwinkelbereich 81 ist gleich für FIG. 13 und FIG. 14) eine bestimmte laterale Ausdehnung der ersten Region 91 bestimmt werden kann. Im Beispiel der FIG. 14 ist die erste Region 91 kleiner als in FIG. 13 (vgl. TAB. 1 : Szenario 3A). Ferner könnte auch ein Inklinationswinkel des kopftragbaren optischen Systems, einen Fassungsscheibenwinkel des kopftragbaren optischen Systems und/oder die Eyebox berücksichtigt werden. Zusammenfassend wurden voranstehend verschiedene Aspekte im Zusammenhang mit dem geometrischen Design von Fresnellinsen für einen ein HMD für AR-Anwendungen offenbart. Diese Techniken wurden insbesondere im Zusammenhang mit einer Pull-Linse beschrieben. Alternativ oder zusätzlich können solche Techniken auch für eine Push-Linse verwendet werden. From a comparison of FIG. 13 with FIG. 14 it is clear how a specific lateral extent of the first region 91 can be determined based on the corneal vertex distance 82 (distance between the glass side of the spectacle lens and the cornea; varies between FIG. 13 and FIG. 14) and the viewing angle range 81 around the zero viewing direction 161 (the viewing angle range 81 is the same for FIG. 13 and FIG. 14). In the example of FIG. 14, the first region 91 is smaller than in FIG. 13 (cf. TABLE 1: Scenario 3A). Furthermore, an inclination angle of the head-mounted optical system, a mounting disc angle of the head-mounted optical system and/or the eyebox could also be taken into account. In summary, various aspects related to the geometric design of Fresnel lenses for an HMD for AR applications were disclosed above. These techniques were described in particular in connection with a pull lens. Alternatively or additionally, such techniques can also be used for a push lens.

Claims

Patentansprüche patent claims 1 . Kopftragbares optisches System (200) für erweiterte Realitätsanwendungen, wobei das kopftragbare optische System (200) umfasst: 1 . Head-mounted optical system (200) for augmented reality applications, the head-mounted optical system (200) comprising: - einen Wellenleiter (210), der zur Erzeugung eines Bildes in einer Anzeigeregion (180) des Wellenleiters (210) für ein auf einer Augenseite des Wellenleiters (210) befindliches Auge eingerichtet ist, - a waveguide (210) arranged to generate an image in a display region (180) of the waveguide (210) for an eye located on one side of the waveguide (210), - eine Fresnellinse (220), wobei die Fresnellinse (220) eine erste Region (91 ) mit einer ersten optischen Auflösung und mindestens eine zweite Region (92) mit einer zweiten optischen Auflösung umfasst, wobei zumindest die erste Region (91 ) angeordnet ist, um die Anzeigeregion (180) zumindest teilweise abzubilden, wobei sich die erste optische Auflösung von der zweiten optischen Auflösung unterscheidet. - a Fresnel lens (220), the Fresnel lens (220) comprising a first region (91) having a first optical resolution and at least a second region (92) having a second optical resolution, at least the first region (91) being arranged to at least partially image the display region (180), the first optical resolution being different from the second optical resolution. 2. Kopftragbares optisches System (200) nach Anspruch 1 , wobei die erste Region (91 ) eine erste Zonengrenzenanzahl von Fresnelzonen (302) aufweist, wobei die zweite Region (92) eine zweite Zonengrenzenanzahl (303) von Fresnelzonen aufweist, wobei die zweite Zonengrenzenanzahl größer als die erste Zonengrenzenanzahl ist. 2. Head-mounted optical system (200) according to claim 1, wherein the first region (91) has a first zone boundary number of Fresnel zones (302), wherein the second region (92) has a second zone boundary number (303) of Fresnel zones, wherein the second zone boundary number is greater than the first zone boundary number. 3. Kopftragbares optisches System (200) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die erste Region (91 ) eine erste Zonengrenzendichte von Fresnelzonen (302) aufweist, wobei die zweite Region (92) eine zweite Zonengrenzendichte von Fresnelzonen aufweist, wobei die zweite Zonengrenzendichte größer als die erste Zonengrenzendichte ist. 3. A head-mounted optical system (200) according to claim 1 or 2, wherein the first region (91) has a first zone boundary density of Fresnel zones (302), wherein the second region (92) has a second zone boundary density of Fresnel zones, wherein the second zone boundary density is greater than the first zone boundary density. 4. Kopftragbares optisches System (200) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei sich ein erster minimaler Abstand von Fresnelzonengrenzen in der ersten Region (91 ) und ein zweiter minimaler Abstand von Fresnelzonengrenzen in der zweiten Region (92) unterscheiden. 4. Head-mounted optical system (200) according to one of the preceding claims, wherein a first minimum distance from Fresnel zone boundaries in the first region (91) and a second minimum distance from Fresnel zone boundaries in the second region (92) differ. 5. Kopftragbares optisches System (200) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die erste Region (91 ) keine Fresnelzonengrenzen aufweist. 5. Head-mounted optical system (200) according to one of the preceding claims, wherein the first region (91) has no Fresnel zone boundaries. 6. Kopftragbares optisches System (200) nach einem der voranstehenden Patentansprüche, wobei sich eine erste mittlere Höhe (1199) von Fresnelzonen in der ersten Region (91 ) von einer zweiten mittleren Höhe (1198) von Fresnelzonen in der zweiten Region (92) unterscheidet. 6. Head-mounted optical system (200) according to one of the preceding claims, wherein a first average height (1199) of Fresnel zones in the first region (91) differs from a second average height (1198) of Fresnel zones in the second region (92). 7. Kopftragbares optisches System (200) nach einem der voranstehenden Patentansprüche, wobei die erste optische Auflösung gleich oder besser ist, als eine optische Auflösung desjenigen Teils des Bilds, der von der ersten Region abgebildet wird. 7. Head-mounted optical system (200) according to one of the preceding claims, wherein the first optical resolution is equal to or better than an optical resolution of that part of the image imaged by the first region. 8. Kopftragbares optisches System (200) nach einem der voranstehenden Patentansprüche, wobei die erste optische Auflösung besser als die zweite optische Auflösung ist. 8. Head-mounted optical system (200) according to one of the preceding claims, wherein the first optical resolution is better than the second optical resolution. 9. Kopftragbares optisches System (200) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die erste optische Auflösung gleich oder besser als 1 arcmin ist. 9. A head-mounted optical system (200) according to any preceding claim, wherein the first optical resolution is equal to or better than 1 arcmin. 10. Kopftragbares optisches System (200) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die erste optische Auflösung schlechter als 1 arcmin ist, optional schlechter als 4 arcmin. 10. Head-mounted optical system (200) according to one of claims 1 to 8, where the first optical resolution is worse than 1 arcmin, optionally worse than 4 arcmin. 11 . Kopftragbares optisches System (200) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die zweite optische Auflösung schlechter als 4 arcmin ist, optional schlechter als 10 arcmin. 11. Head-mounted optical system (200) according to one of the preceding claims, wherein the second optical resolution is worse than 4 arcmin, optionally worse than 10 arcmin. 12. Kopftragbares optisches System (200) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei eine optische Auflösung des Bilds schlechter als 1 arcmin ist, optional schlechter als 4 arcmin ist. 12. Head-mounted optical system (200) according to one of the preceding claims, wherein an optical resolution of the image is worse than 1 arcmin, optionally worse than 4 arcmin. 13. Kopftragbares optisches System (200) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die erste Region (91 ) und die Anzeigeregion (180) im Bereich einer Nullblickrichtung (161 ) angeordnet sind. 13. Head-mounted optical system (200) according to one of the preceding claims, wherein the first region (91) and the display region (180) are arranged in the region of a zero viewing direction (161). 14. Kopftragbares optisches System (200) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die erste Region (91 ) eine laterale Ausdehnung aufweist, die Blickwinkeln im Bereich von +/-1 ° bis +/-15° um eine Nullblickrichtung (161 ) entspricht, oder wobei die erste Region eine laterale Ausdehnung aufweist, die Blickwinkeln von mehr als +/-15° um die Nullblickrichtung (161 ) entspricht. 14. Head-mounted optical system (200) according to one of the preceding claims, wherein the first region (91) has a lateral extent corresponding to viewing angles in the range of +/-1° to +/-15° around a zero viewing direction (161), or wherein the first region has a lateral extent corresponding to viewing angles of more than +/-15° around the zero viewing direction (161). 15. Kopftragbares optisches System (200) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die Fresnellinse (220) dazu eingerichtet ist, eine Fokusebene des Bildes in einen vordefinierten Abstand zum Wellenleiter (210) zu verschieben, insbesondere heranzuziehen. 15. Head-mounted optical system (200) according to one of the preceding claims, wherein the Fresnel lens (220) is configured to shift, in particular to draw, a focal plane of the image to a predefined distance from the waveguide (210). 16. Kopftragbares optisches System nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die Fresnellinse (220) dazu eingerichtet ist, eine Fehlsichtigkeit eines Trägers des kopftragbaren Systems zu korrigieren. 16. Head-mounted optical system according to one of the preceding claims, wherein the Fresnel lens (220) is adapted to correct a visual impairment of a wearer of the head-mounted system. 17. Kopftragbares optisches System nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei eine laterale Ausdehnung der ersten Region (91 ) und eine Position der ersten Region (91 ) an einen Inklinationswinkel des kopftragbaren optischen Systems, einen Fassungsscheibenwinkel des kopftragbaren optischen Systems, einen Hornhautscheitelabstand und/oder eine Eyebox des kopftragbaren optischen Systems angepasst sind. 17. Head-mounted optical system according to one of the preceding claims, wherein a lateral extent of the first region (91) and a position of the first region (91) are adapted to an inclination angle of the head-mounted optical system, a frame disc angle of the head-mounted optical system, a corneal vertex distance and/or an eyebox of the head-mounted optical system. 18. Kopftragbares optisches System (200) nach einem der voranstehenden Patentansprüche, wobei Fresnelzonen auf der dem Wellenleiter zugewandten Seite der Fresnellinse (220) ausgebildet sind. 18. Head-mounted optical system (200) according to one of the preceding claims, wherein Fresnel zones are formed on the side of the Fresnel lens (220) facing the waveguide. 19. Kopftragbares optisches System (200) nach einem der voranstehenden Patentansprüche, wobei Fresnelzonen auf der dem Wellenleiter abgewandten Seite der Fresnellinse (220) ausgebildet sind. 19. Head-mounted optical system (200) according to one of the preceding claims, wherein Fresnel zones are formed on the side of the Fresnel lens (220) facing away from the waveguide. 20. Kopftragbares optisches System (200) nach einem der voranstehenden Patentansprüche, wobei die Fresnellinse (220) ein Keilprofil, insbesondere auf der dem Wellenleiter (210) zugewandten und/oder auf der dem Wellenleiter (210) abgewandten Seite der Fresnellinse (220), aufweist. 20. Head-mounted optical system (200) according to one of the preceding claims, wherein the Fresnel lens (220) has a wedge profile, in particular on the side of the Fresnel lens (220) facing the waveguide (210) and/or on the side facing away from the waveguide (210). 21 . Kopftragbares optisches System (200) nach einem der voranstehenden Patentansprüche, wobei die Fresnelzonen gegenüberliegende Seite der Fresnellinse (220) eine weitere Fläche mit optischer Wirkung hat. 21. Head-mounted optical system (200) according to one of the preceding claims, wherein the side of the Fresnel lens (220) opposite the Fresnel zone has a further surface with optical effect. 22. Kopftragbares optisches System (200) nach einem der voranstehenden Ansprüche, das weiterhin umfasst: 22. Head-mounted optical system (200) according to one of the preceding claims, further comprising: - eine zweite Linse, die auf einer der Fresnellinse gegenüberliegenden Seite des Wellenleiters angeordnet ist, und wobei die zweite Linse eine Verschiebung der Fokuslage durch die Fresnellinse neutralisiert oder reduziert. - a second lens arranged on a side of the waveguide opposite the Fresnel lens, and wherein the second lens neutralizes or reduces a shift in the focus position caused by the Fresnel lens. 23. Kopftragbares optisches System (200) nach Anspruch 22, wobei die Fresnellinse (220) und die zweite Linse als Push-Pull- Linsensystem ausgebildet sind. 23. Head-mounted optical system (200) according to claim 22, wherein the Fresnel lens (220) and the second lens are designed as a push-pull lens system. 24. Kopftragbares optisches System (200) für erweiterte Realitätsanwendungen, wobei das kopftragbare optische System (200) umfasst: 24. Head-mounted optical system (200) for augmented reality applications, the head-mounted optical system (200) comprising: - einen Wellenleiter (210), der zur Erzeugung eines Bildes in einer Anzeigeregion (180) des Wellenleiters (210) für ein auf einer Augenseite des Wellenleiters (210) befindliches Auge eingerichtet ist, - a waveguide (210) arranged to generate an image in a display region (180) of the waveguide (210) for an eye located on one side of the waveguide (210), - eine Fresnellinse, die an einer der Augenseite gegenüberliegenden Seite des Wellenleiters (210) angeordnet ist und die eine erste Region (91 ) mit einer ersten optischen Auflösung und mindestens eine zweite Region (92) mit einer zweiten optischen Auflösung umfasst, wobei sich die erste optische Auflösung von der zweiten optischen Auflösung unterscheidet. - a Fresnel lens arranged on a side of the waveguide (210) opposite the eye side and comprising a first region (91) with a first optical resolution and at least one second region (92) with a second optical resolution, wherein the first optical resolution differs from the second optical resolution.
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