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技術 光学要素

出願人 トーツ・テクノロジーズ・ゲゼルシャフト・ミット・ベシュレンクテル・ハフツング
発明者 シュスター、カール-ハインツ
出願日 2016年2月3日 (4年10ヶ月経過) 出願番号 2017-540747
公開日 2018年3月8日 (2年9ヶ月経過) 公開番号 2018-506742
状態 特許登録済
技術分野 メガネ その他の光学系・装置、色の干渉・色の制御
主要キーワード 終端要素 最大横寸法 材料境界 バーチャルイメージ デュロプラスチック 保護ゴーグル LCDチップ 平面要素
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2018年3月8日)のものです。
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図面 (9)

課題・解決手段

本発明は、ユーザの頭部に配置することができてイメージを生成することができる表示デバイス(1)の光学要素に関する。光学要素は、正面(18)及び裏面(15)と、入力部(11)及び当該入力部(11)から離間された出力部(13)と、導光チャネル(12)であって、当該導光チャネル(12)は、光学要素(3)の入力部(11)を介して光学要素(3)内に入力される生成イメージのピクセルの光束(9)を、光学要素(3)内において出力部(13)まで導くのに適しており、光ビーム(9)は光学要素(3)から出力される、導光チャネル(12)とを有する。出力部(13)は、出力に向けて光ビーム(9)の偏向を行う光学的有効構造を有する。光学要素は、光学的有効構造を含む第1の材料で作られる第1の部品(19)を有する。光学要素は、第2の材料で作られる第2の部品(22)を有する。2つの部品(19、22)は、第3の材料の接着組成物(31)により互いに接続される。第1の材料は1つ又は複数のシクロオレフィンポリマーを含む。第1の材料と第3の材料は互いに異なる。第2の材料及び第3の材料はそれぞれ少なくとも1つの有機ポリマーを含む。380nm〜800nmのうちの少なくとも1つの波長における、第1の材料と第2の材料との間及び第2の材料と第3の材料との間の屈折率差はそれぞれ、0.02以下である。本発明は、光学要素を備える表示デバイス及び光学要素を製造する方法にも更に関する。

概要

背景

そのような光学要素は、例えば眼鏡レンズとして使用することができる。その場合、撮像光学ユニットが、ユーザがバーチャルイメージとして知覚することができるように、生成イメージ投射する。

当初、光学ガラスは、レンズ系及び眼鏡レンズ材料としてのみ使用されていた。光学的に透明なプラスチックの製造によって生じた進歩に伴い、そのようなプラスチックはますますレンズ系で使用されるとともに、今日では主に眼鏡にも使用されてきている。レンズ材料としてのプラスチックは、光学ガラスと同様の要件、すなわち、良好な光学均質性、高いスペクトル透過率再現可能な屈折率値及び分散、低い応力複屈折、低い内部散乱、低い吸水性終端要素の場合での高い高化学性、並びに、機械加工での高い幾何学的精度、及び成形又は射出成形での高い寸法精度を有する。眼鏡材料の場合での主な要件は、軽量、材料の高い屈折率の結果としての薄い幾何学的形状、UV保護、保護ゴーグルスポーツゴーグル、又は眼鏡としての高い機械耐荷重性、及び基板の硬さ又は硬質保護層の結果としての耐摩耗性である。

例えば、観測者の目へのイメージ情報の入力等の近代ソーシャルメディアの要件に起因して、更なる機能が1つの眼鏡で組み合わせられる場合、1対の眼鏡とレンズ系の要件を含む光学セットアップが得られる。

高い機械的耐荷重性は、例えば、ポリカーボネート又はポリウレタンのプラスチックにより達成することができる。商標の付いた製品の例は、Trivex(登録商標)ポリウレタン、及びNXT(登録商標)ポリウレタンである。Trivex及びNXTという材料の切り欠衝撃強度の基本的なメカニズムは、特に内部に配置される硬質材料粒子に基づく。それにより、形成されるクラックは、そのような粒子のない材料の場合よりも、材料を通してはるかに長い経路カバーする必要があり、それにより、より多くのエネルギー使い果たす。他方、ポリカーボネート及びポリウレタン内のそのような粒子又は微結晶は、幾何学的欠陥が先端部に生じ、それにより光学品質が下がるため、格子又はフレネル構造等の機能構造の形成を妨げる。さらに、サイズに応じて微結晶は可視範囲内で散乱し、それにより迷光の発生が多くなり、比較的大きな光路の場合に妨害効果を有する。

概要

本発明は、ユーザの頭部に配置することができてイメージを生成することができる表示デバイス(1)の光学要素に関する。光学要素は、正面(18)及び裏面(15)と、入力部(11)及び当該入力部(11)から離間された出力部(13)と、導光チャネル(12)であって、当該導光チャネル(12)は、光学要素(3)の入力部(11)を介して光学要素(3)内に入力される生成イメージのピクセルの光束(9)を、光学要素(3)内において出力部(13)まで導くのに適しており、光ビーム(9)は光学要素(3)から出力される、導光チャネル(12)とを有する。出力部(13)は、出力に向けて光ビーム(9)の偏向を行う光学的有効構造を有する。光学要素は、光学的有効構造を含む第1の材料で作られる第1の部品(19)を有する。光学要素は、第2の材料で作られる第2の部品(22)を有する。2つの部品(19、22)は、第3の材料の接着組成物(31)により互いに接続される。第1の材料は1つ又は複数のシクロオレフィンポリマーを含む。第1の材料と第3の材料は互いに異なる。第2の材料及び第3の材料はそれぞれ少なくとも1つの有機ポリマーを含む。380nm〜800nmのうちの少なくとも1つの波長における、第1の材料と第2の材料との間及び第2の材料と第3の材料との間の屈折率差はそれぞれ、0.02以下である。本発明は、光学要素を備える表示デバイス及び光学要素を製造する方法にも更に関する。

目的

本発明の目的は、従来技術の欠点を克服し、高い機械的耐荷重性を有する光学的有効構造を備えると同時に、高い内部光品質及び外部光学品質を有する、光学要素を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

ユーザの頭部に配置されてイメージを生成することができる表示デバイス(1)の光学要素であって、正面(18)及び裏面(15)と、入力部(11)及び該入力部(11)から離間された出力部(13)と、導光チャネル(12)であって、該導光チャネル(12)は、前記光学要素(3)の前記入力部(11)を介して前記光学要素(3)内に入力される前記生成されたイメージのピクセルの光束(9)を、前記光学要素(3)内において前記出力部(13)まで導くのに適しており、前記光束(9)は前記光学要素(3)から出力される、導光チャネル(12)とを有しており、前記出力部(13)は、出力に向けて前記光束(9)を偏向させる光学的有効構造を有し、前記光学要素は、前記光学的有効構造を含む第1の材料の第1の部品(19)を有し、前記光学要素は、第3の材料の第2の部品(22)を有し、前記2つの部品(19、22)は、第2の材料の接着組成物(31)を用いて互いに接続され、前記第1の材料は1つ又は複数のシクロオレフィンポリマーを含み、前記第1の材料及び前記第3の材料は互いに異なり、前記第2の材料及び前記第3の材料はそれぞれ少なくとも1つの有機ポリマーを含み、前記第1の材料と前記第2の材料との間及び前記第2の材料と前記第3の材料との間における、380nm〜800nmのうちの少なくとも1つの波長での屈折率の差はそれぞれ、0.02以下である、光学要素。

請求項2

前記第1の材料の総重量に基づく前記1つ又は複数のシクロオレフィンポリマーの割合は、少なくとも95重量%であることを特徴とする、請求項1に記載の光学要素。

請求項3

前記第1の材料は、互いに異なる少なくとも2つのシクロオレフィンポリマーの混合物を含むことを特徴とする、請求項1又は2に記載の光学要素。

請求項4

380nm〜800nmのうちの少なくとも1つの波長における、前記第1の材料と前記第2の材料との間及び前記第2の材料と前記第3の材料との間の屈折率の差はそれぞれ、0.005以下であることを特徴とする、請求項1〜3のいずれか一項に記載の光学要素。

請求項5

380nm〜800nmのうちの少なくとも1つの波長における、前記第1の材料と前記第3の材料との間の屈折率の差は、0.005以下であることを特徴とする、請求項1〜4のいずれか一項に記載の光学要素。

請求項6

前記第3の材料の前記有機ポリマーは、ポリウレタンであることを特徴とする、請求項1〜5のいずれか一項に記載の光学要素。

請求項7

前記シクロオレフィンポリマーはZeonex(登録商標)であることを特徴とする、請求項1〜6のいずれか一項に記載の光学要素。

請求項8

前記光学的有効構造は前記第1の部品に窪みを形成し、該窪みは前記接着組成物(31)によって完全に充填されることを特徴とする、請求項1〜7のいずれか一項に記載の光学要素。

請求項9

前記第1の部品(19)及び前記第2の部品(22)はそれぞれ、シェルであることを特徴とする、請求項1〜8のいずれか一項に記載の光学要素。

請求項10

前記光学的有効構造は、互いから離間された反射面要素を有することを特徴とする、請求項1〜9のいずれか一項に記載の光学要素。

請求項11

ユーザの頭部に配置することができる保持デバイス(2)と、前記保持デバイス(2)に締め付けられて、イメージを生成するイメージ生成モジュール(5)と、前記保持デバイス(2)に締め付けられて、請求項1〜10のいずれか一項に記載の光学要素(3)を有し、前記保持デバイス(2)が前記ユーザの頭部に配置された状態において、前記ユーザがバーチャルイメージとして知覚することができるように、前記生成されたイメージを投射する撮像光学ユニット(7)とを有する、表示デバイス。

請求項12

光学的有効構造が組み込まれる光学要素を製造する方法であって、a)上面に構造部を有する部品を提供するステップと、b)所定の波長範囲で光学的に有効なコーティングを前記構造部に塗布して、前記光学的有効構造を形成するステップと、c)前記上面の形態と相補的な形態を有する下面を有する部品を提供するステップと、d)前記第1の部品の上面、及び/又は、前記第2の部品の下面に、接着化合物を塗布するステップと、e)前記接着組成物によって、前記第1の部品の上面を前記第2の部品の下面に接続するステップであって、それにより、前記光学的有効構造が埋め込まれた光学要素が製造される、ステップとを含む、光学的有効構造が組み込まれる光学要素を製造する方法。

技術分野

0001

本発明は、ユーザの頭部に配置してイメージを生成することができる表示デバイスにおける、光学的有効構造が組み込まれた光学要素に関する。本発明は、光学要素を備える表示デバイス及び光学要素を製造する方法にも関する。

背景技術

0002

そのような光学要素は、例えば眼鏡レンズとして使用することができる。その場合、撮像光学ユニットが、ユーザがバーチャルイメージとして知覚することができるように、生成イメージを投射する。

0003

当初、光学ガラスは、レンズ系及び眼鏡レンズ材料としてのみ使用されていた。光学的に透明なプラスチックの製造によって生じた進歩に伴い、そのようなプラスチックはますますレンズ系で使用されるとともに、今日では主に眼鏡にも使用されてきている。レンズ材料としてのプラスチックは、光学ガラスと同様の要件、すなわち、良好な光学均質性、高いスペクトル透過率再現可能な屈折率値及び分散、低い応力複屈折、低い内部散乱、低い吸水性終端要素の場合での高い高化学性、並びに、機械加工での高い幾何学的精度、及び成形又は射出成形での高い寸法精度を有する。眼鏡材料の場合での主な要件は、軽量、材料の高い屈折率の結果としての薄い幾何学的形状、UV保護、保護ゴーグルスポーツゴーグル、又は眼鏡としての高い機械耐荷重性、及び基板の硬さ又は硬質保護層の結果としての耐摩耗性である。

0004

例えば、観測者の目へのイメージ情報の入力等の近代ソーシャルメディアの要件に起因して、更なる機能が1つの眼鏡で組み合わせられる場合、1対の眼鏡とレンズ系の要件を含む光学セットアップが得られる。

0005

高い機械的耐荷重性は、例えば、ポリカーボネート又はポリウレタンのプラスチックにより達成することができる。商標の付いた製品の例は、Trivex(登録商標)ポリウレタン、及びNXT(登録商標)ポリウレタンである。Trivex及びNXTという材料の切り欠衝撃強度の基本的なメカニズムは、特に内部に配置される硬質材料粒子に基づく。それにより、形成されるクラックは、そのような粒子のない材料の場合よりも、材料を通してはるかに長い経路カバーする必要があり、それにより、より多くのエネルギー使い果たす。他方、ポリカーボネート及びポリウレタン内のそのような粒子又は微結晶は、幾何学的欠陥が先端部に生じ、それにより光学品質が下がるため、格子又はフレネル構造等の機能構造の形成を妨げる。さらに、サイズに応じて微結晶は可視範囲内で散乱し、それにより迷光の発生が多くなり、比較的大きな光路の場合に妨害効果を有する。

先行技術

0006

欧州特許第0 872 506 B1

発明が解決しようとする課題

0007

したがって、本発明の目的は、従来技術の欠点を克服し、高い機械的耐荷重性を有する光学的有効構造を備えると同時に、高い内部光品質及び外部光学品質を有する、光学要素を提供することである。

課題を解決するための手段

0008

この目的は、ユーザの頭部に配置されてイメージを生成することができる表示デバイスの光学要素によって、本発明に従って達成される。本光学要素は、正面及び裏面と、入力部及び当該入力部から離間された出力部と、導光チャネル(12)であって、当該導光チャネル(12)は、光学要素(3)の入力部(11)を介して光学要素(3)内に入力される生成イメージのピクセルの光束(9)を、光学要素(3)内において出力部(13)まで導くのに適しており、光束は光学要素から出力される、導光チャネルとを有している。出力部は、出力に向けて光束を偏向させる光学的有効構造を有する。光学要素は、光学的有効構造を含む第1の材料の第1の部品を有する。光学要素は、第3の材料の第2の部品を有する。上記2つの部品は、第2の材料の接着組成物を用いて互いに接続される。第1の材料は1つ又は複数のシクロオレフィンポリマーを含む。第1の材料と第3の材料は互いと異なる。第2の材料及び第3の材料はそれぞれ少なくとも1つの有機ポリマーを含む。第1の材料と第2の材料との間及び第2の材料と第3の材料との間における、380nm〜800nmのうちの少なくとも1つの波長での屈折率の差はそれぞれ、0.02以下である。

0009

驚くべきことに、この光学要素を用いて、優れた内部光学品質及び外部光学品質、同時に高い機械的耐荷重性を達成することができ、したがって、本光学要素は、例えば、情報を導入する一体型光学ユニットを有する眼鏡レンズに非常に適する。

0010

目的は、ユーザの頭部に配置することができる保持デバイスと、保持デバイスに締め付けられて、イメージを生成するイメージ生成モジュールと、保持デバイスに締め付けられて、本発明による光学要素を有し、保持デバイスがユーザの頭部に配置された状態において、ユーザがバーチャルイメージとして知覚することができるように、生成されたイメージを投射する撮像光学ユニットとを有する、表示デバイスによっても達成される。

0011

目的は、光学的有効構造が組み込まれる光学要素を製造する方法によっても達成される。この方法は、
a)上面に構造部を有する部品を提供するステップと、
b)所定の波長範囲で光学的に有効なコーティングを構造部に塗布して、光学的有効構造を形成するステップと、
c)上面の形態と相補的な形態を有する下面を有する部品を提供するステップと、
d)第1の部品の上面、及び/又は、第2の部品の下面に、接着化合物を塗布するステップと、
e)接着化合物によって、第1の部品の上面を第2の部品の下面に接続するステップであって、それにより、光学的有効構造が埋め込まれた光学要素が製造される、接続するステップと
を含む。

0012

1つ又は複数のシクロオレフィンポリマーの第1の材料を使用することの利点は特に、この材料を用いて、複雑な光学構造、特に光学構造の微細輪郭を非常に正確に再現できることである。さらに、シクロオレフィンポリマーは、高い流動性も有し、特に費用効率的に射出成形を可能にする。そして、特にスマート眼鏡で重要な本発明による光学要素の安定性は、第1の部品に接着剤接合されて異なる材料からなる第2の部品によって達成される。

0013

収差を回避するために、上述した3つの材料の屈折率は、屈折率の差が可能な限り小さくなるように、互いに調整される。好ましくは、380nm〜800nmのうちの少なくとも1つの波長における、第1の材料と第2の材料との間の屈折率の差は0.01以下であり、第2の材料と第3の材料との間の屈折率の差は0.01以下であり、特にそれぞれの場合で0.005以下であり、特に好ましくはそれぞれ0.001以下である。380nm〜800nmのうちの少なくとも1つの波長における第1の材料と第2の材料との間の屈折率の差は、好ましくは0.02以下であり、特に0.01以下であり、特に好ましくは0.005以下であり、より好ましくは0.001以下である。特に好ましい実施形態では、3つ全ての材料間の屈折率の差、すなわち、第1の材料と第2の材料との間、第1の材料と第3の材料との間、及び第2の材料と第3の材料との間の屈折率の差は、それぞれ0.02以下であり、特に0.01以下であり、特に好ましくは0.005以下であり、より好ましくは0.001以下である。加えて、指定された屈折率差が380nm〜800nmのうちの同じ波長、特に589.3nmにあることが好ましい。これらの小さな屈折率差を用いる場合、材料間の境界面はいわば所定の波長範囲で光学的に消失し、その結果、光学性質は特に高い。

0014

更に好ましい実施形態では、第1の材料は、互いに異なる少なくとも2つのシクロオレフィンポリマーの混合物を含む。そのような異なるシクロオレフィンポリマーは、一般に異なる屈折率を有し、第2の材料、及び/又は、第3の材料への屈折率の特に厳密な適合は、2つ以上の異なるシクロオレフィンポリマーの混合物により可能である。

0015

第1の材料は、1つ又は複数のシクロオレフィンポリマーを含む。好ましい実施形態では、第1の材料の総重量に基づく1つ又は複数のシクロオレフィンポリマーの割合は、少なくとも95重量%、特に少なくとも98重量%である。シクロオレフィンポリマーは、慣習的な添加剤、例えば、可塑剤、安定剤、及び酸化防止剤を含むことができる。

0016

例えば、(特許文献1)に記載されているもの等の当業者既知のシクロオレフィンポリマーを、シクロオレフィンポリマー(COP)として使用することができる。これらは単環又は多環オレフィンポリマーであり、それぞれ1つ又は複数の二重結合、例えば、シクロペンテンシクロヘキセンシクロヘプテンノルボルネン、及びそれらの誘導体、特にアルキル誘導体シクロペンタジエン、特にジクペンタジエンのC5留分であることができる。ポリマーは、任意選択的に、直鎖又は分岐オレフィンを有するコポリマー、例えば、エチレンプロピレン、1−ブテンイソブチレン、1−ペンテン1−ヘキセン1−オクテン、又は3−メチル−1−ブテンの形態をとることができる。特に好ましいシクロオレフィンポリマーは、商標が付いた製品であるZeonex(登録商標)及びZeonor(登録商標)、特にZeonex(登録商標)である。

0017

第3の材料では、他の材料への屈折率の特に厳密な適合を可能にするために、2つ以上のポリマーを含むことが同様に好ましい。第1の材料の場合と同様に、第3の材料の1つ又は複数のポリマーは、好ましくは、第3の材料の総重量に基づいて、少なくとも95重量%、特に少なくとも98重量%を占める。

0018

第3の材料はポリマーを含み、シクロオレフィンポリマーではない。第3の材料は、好ましくは、熱硬化性樹脂デュロプラスチック)である。好ましくは、第3の材料のポリマーはポリウレタンである。好ましい実施形態では、ポリウレタンは、好ましくは直径30nm〜50nmを有する粒子、特にポリウレタンの粒子、例えば、窒素富化ポリウレタン又は窒化物ナノドメインを含む。直径30nm〜50nmを有するハードアイランド(hard island)とも呼ばれるポリウレタン内の粒子は、可視光に対して有効ではなく、すなわち、生成される迷光は殆どない。ポリウレタンは、好ましくは、眼鏡レンズに適するポリウレタンである。眼鏡レンズに通常使用されるような高切り欠き衝撃強度を有するポリウレタンが好ましい。Trivex(登録商標)及びNXT(登録商標)ポリウレタンが、第3の材料のポリウレタンとして最も好ましい。材料Trivex(登録商標)及びNXT(登録商標)ポリウレタンは、非常に軽量(約1.1g/cm3)であり、切り欠き衝撃に対する耐性が極めて高く、可視波長範囲を透過し、UV吸収性であり、金型シェルで成形される場合、続けて受ける応力は比較的小さい。

0019

第1の材料、第2の材料、及び/又は第3の材料は、好ましくは、所定の波長範囲で透明である。所定の波長範囲は、好ましくは、波長範囲380nm〜800nm、特に380nm〜780nmである。

0020

第1の部品と第2の部品との光学的接合は、接着組成物によって提供される。これも同様に、接着組成物の成分又はそれらのラジカルが、硬化状態で所望の屈折率に調整されるという点で、接合される2つの部品に合うように屈折率が調整される。これは、導入されたビーム全内反射を回避するとともに、望ましくないフレネル反射も防止する。光学構成要素のそのような接着剤は、セメントとも呼ばれる。

0021

光学的に透明であり、屈折率が、第1の材料及び第3の材料との屈折率の差についての本発明による条件を満たす、一般に使用されている全ての材料が、接着組成物、すなわち、第2の材料に適する。特に、接着性又は接合性が、活性化、例えばUV活性化により生み出される接着組成物であることができる。適する接着組成物は、例えば、アルコール若しくはチオール硬化するエポキシ樹脂に基づく接着組成物又はジイソシアネート若しくはポリイソシアネート及びアルコールに基づくポリウレタン接着剤である。

0022

好ましい実施形態では、光学的有効構造は光学要素内に完全に組み込まれることができ、それにより、光学要素のいかなる外側境界面にも及ばない。光学的有効構造の寸法は、好ましくは、光学要素のサイズよりも小さい。これは、光学的有効構造が、光学要素の部分のみに形成されることを意味する。組み込まれる光学有効構造は、光学要素の最大横寸法未満の最大横寸法を有することができる。特に、光学要素の横寸法の50%未満又は光学要素の横寸法の40%未満、30%未満、若しくは20%未満であることができる。好ましくは、光学有効構造は、第1の部品に窪みを形成し、窪みは接着組成物で完全に充填される。

0023

光学的有効構造は、例えば、反射構造及び/又は回折構造として形成することができる。特に、光学的有効構造は、部分的に反射構造及び/又は波長依存反射構造として形成することができる。反射面要素は、一緒に偏向効果を提供することができ、任意選択的に撮像効果も加えて提供することができる。光学的有効構造は、好ましくは、互いから離間された反射面要素を有する。

0024

特に、シェル形の第1の部品及び第2の部品の場合、本発明による光学要素における第1の部品及び第2の部品の材料のシーケンスは、第1の材料(シクロオレフィンポリマー)が内部(第1の部品)に存在し、第3の材料(特にポリウレタン)が外部に存在するようなものであり、光学的有効構造は、第1の材料内、すなわち、内部に存在する。代替的には、第3の材料(第2の部品、特にポリウレタン)は内部に存在し、第1の材料(シクロオレフィンポリマー)は外部に存在し、ここでも光学的有効構造は、第1の材料(シクロオレフィンポリマー)内に存在する。

0025

好ましい実施形態では、第1の部品(19)及び第2の部品(22)は、それぞれシェルである。第1のシェル及び/又は第2のシェルの厚さは、好ましくは、500μm以上、特に1mm以上である。さらに、正面は、第1のシェルの反対側に面する第2のシェルの面により形成することができ、裏面は、第2のシェルの反対側に面する第1のシェルの面により形成することができる。互いに面する2つの部品の面は、接着組成物を用いて互いに接続、好ましくは接着剤で接合することができる。

0026

本発明によって光学要素を製造する方法は、
a)上面に構造部を有する部品を提供するステップと、
b)所定の波長範囲で光学的に有効なコーティングを構造部に塗布して、光学的有効構造を形成するステップと、
c)上面の形態と相補的な形態を有する下面を有する部品を提供するステップと、
d)第1の部品の上面、及び/又は、第2の部品の下面に、接着化合物を塗布するステップと、
e)接着化合物によって第1の部品の上面を第2の部品の下面に接続するステップであって、それにより、光学的有効構造が埋め込まれた光学要素が製造される、接続するステップと
を含む。

0027

上述したように、第1の部品及び第2の部品は、好ましくは、シェルの形態をとる。シェルは、好ましくは、一体である。この背景と突き合わせて、所定の波長範囲を透過して光学的有効構造が組み込まれる、本発明による光学要素を製造する好ましい方法は、以下のステップを有する。
a)所定の波長範囲を透過すると共に一体形成されて、構造部を上面に有する第1のシェルを提供するステップと、
b)所定の波長範囲で光学的に有効なコーティングを構造部に塗布して、光学的有効構造を形成するステップと、
c)所定の波長範囲を透過すると共に一体形成されて、上面の形態に相補的な形態を有する平滑な下面を有する第2のシェルを提供するステップと、
d)所定の波長範囲を透過する接着組成物を第1のシェルの上面、及び/又は、第2のシェルの下面に、塗布するステップと、
e)第1のシェルの上面を第2のシェルの下面に接着組成物によって接続するステップであって、それにより、光学的有効構造が埋め込まれた2シェル光学要素が製造される、接続するステップと
を有する。

0028

本発明による方法を用いる場合、光学要素は、2つのみのシェル(特に精密に2つのシェル)を用いて、光学要素を所望の精度で大量に製造することができる。しかしながら、光学要素は、接着接合されるか、又は接着組成物を用いて互いに接続される3つ以上のシェルを有することもできるとともに、2つ以上のシェルを有することもできる。

0029

特に、第1のシェル及び第2のシェルは、それぞれ寸法的に安定したシェル(dimensionally stable shell)としてステップa)及びc)において提供することができる。寸法的に安定したシェルとは、特に重力以外の力が作用してない場合、その形態を保持するシェルを意味するものとして理解される。

0030

さらに、第1のシェル及び第2のシェルは、上面及び下面が湾曲して形成されるように、ステップa)及びc)において提供することができる。さらに、第1のシェル及び第2のシェルは、各面が上面の反対側に面し、下面が湾曲して形成されるように提供することができる。この場合、曲率は、球面曲率、非球面曲率、及び何らかの他の曲率である。

0031

第1のシェルは、上面が、構造部を除き平滑な表面として形成されるように、ステップa)において提供することができる。

0032

さらに、ステップb)後、構造部によって形成される少なくとも1つの窪みは、上面まで材料で充填することができる。第1のシェルが形成される材料と同じ材料が、好ましくは、このために使用される。さらに、充填には接着組成物を使用することができる。

0033

充填は、1ステップ又は幾つかの充填ステップで実行することができる。特に、充填は、平滑な連続上面があるように実行される。したがって、充填された構造部は、残りの上面と連続面を形成する。

0034

本発明による方法では、ステップd)において、接着組成物は、第1のシェルの上面全体、及び/又は、第2のシェルの下面全体に、接着層として塗布することができる。特に、接着層を用いて構造部を提供することもできる(好ましくは、上面まで材料で充填される場合)。

0035

本発明による方法では、ステップb)の後かつステップd)の前、熱硬化性材料の保護層を成形によって光学的有効コーティングに塗布することができる。特に、RIM法(注入射出成形方法)をこのために使用することができる。この場合、例えば、金型射出する前、2つの構成要素を直接混合することができ、それにより、構成要素は互いと反応し、所望の化学的架橋されたポリマーを形成することができる。第1のシェルは、この場合、好ましくは、対応する金型に位置決めされ、それにより、所望の保護層を形成することができる。

0036

第1のシェル及び/又は第2のシェルの形成は、それぞれ、特に、少なくとも2つの連続サブステップで実行することができる。これは、第1のシェル及び第2のシェルの製造における収縮の低減に繋がる。

0037

所定の波長範囲は、可視波長範囲、近赤外線範囲、赤外線範囲、及び/又はUV範囲である。

0038

主な形成プロセス(例えば、射出成形、射出圧縮成形、RIM、又は鋳造等)、形成プロセス(例えば、熱形成又は熱エンボス加工等)、除去及び/又は分離プロセス(例えば、ダイアモンド加工、イオン爆射又はエッチング等)が、それぞれの場合で、ステップa)による第1のシェルの提供及びステップc)による第2のシェルの提供に使用することができる。当然ながら、これらのプロセスを互いと組み合わせて、第1のシェル又は第2のシェルを提供することも可能である。

0039

第1のシェル及び第2のシェルは、それぞれ、特に、寸法的に安定した半完成品として形成され、接着層により互いに接続される。

0040

特に、第1のシェルは、2mm〜5mmの範囲(例えば、3.5mm)の平均厚を有することができ、第2のシェルは、0.15mm〜2mmの範囲又は0.15mm〜0.25mmの範囲(例えば、0.17mm)の平均厚を有することができる。第1のシェルの平均厚と第2のシェルの平均厚との比率は、5〜40、10〜35、15〜25、又は18〜22の範囲内(例えば、20、20.5、又は21)とすることができる。

0041

第1のシェルは、辺縁部(又は辺縁領域)において、第1のシェルの平均厚よりも大きな厚さを有する領域を有することができる。辺縁領域は、好ましくは、第1のシェルの平均厚の特定に考慮されない。さらに、辺縁領域は、第1のシェルと一体形成されてもよく、又は第1のシェルに接続される別個の要素であってもよい。例えば、辺縁領域は、第1のシェルに接着接合又はセメント接合することができる。辺縁領域は、少なくとも1つの更なる光学機能を提供するように形成することができる。これは特に、回折光学機能及び/又は反射光学機能であることができる。特に、辺縁領域を有する第1のシェルは、L字形であるように形成することができる。

0042

ステップb)による光学的有効コーティングの塗布は、例えば、蒸着スパッタリングCVD(化学蒸着)、液状塗料等によって実行することができる。コーティングは単層であることができる。しかしながら、幾つかの層を塗布することも可能である。特に、干渉層システムを塗布することもできる。さらに、接着促進用の少なくとも1つの層、機械的補償用の1つの層、及び1つの保護層(拡散/移動、熱保護、化学保護、UV保護等)を更に塗布することもできる。光学的有効コーティングは、特別な波長又はスペクトル範囲に向けて設計することができる。さらに、追加又は代替として、その機能を入射角偏光、及び/又は更なる光学特性に依存させることもできる。光学的有効構造は、反射性、特に高反射性(例えば、ミラー様)、部分的透過/部分的ミラー性であることができ、及び/又はフィルタリング効果を提供することができる。さらに、光学的有効コーティングは、回折光学要素であることができる。

0043

光学的有効コーティングは、構造部のみに塗布することができる。代替的には、光学的有効コーティングを全表面エリアにわたって塗布し、次に、光学的有効コーティングの必要ない表面の部分から、光学的有効コーティングを除去することも可能である。化学エッチング又はイオンエッチングは、例えば、そのような除去に使用することができる。

0044

少なくとも1つの材料、少なくとも1つの金属酸化物、及び少なくとも1つの金属窒化物を、光学的有効コーティングに使用することができる。有機材料及び/又はポリマー材料を使用することもできる。さらに、例えば、有機無機ハイブリッド系又は有機修飾されたシランポリシロキサン等のいわゆるハイブリッド材料使用可能である。

0045

本発明による方法では、ステップa)〜e)は、光学的有効構造が透明本体内に完全に組み込まれるように実行することができる。その結果、光学的有効構造は、透明本体のいかなる材料境界層にも延在しない。

0046

さらに、ステップa)〜e)は、光学的有効構造が所望の光学機能を提供する、互いから離間された表面要素を有するように実行することもできる。

0047

表面要素は、例えば、反射面要素であることができる。反射面要素は、完全な反射(略100%)又は部分反射のみ(部分反射面要素)を生じさせることができる。特に、反射面要素は共通面にある。反射面要素は、互いに平行してオフセットすることができる。

0048

表面要素は、それら自体がそれぞれ平面要素又は湾曲して形成される表面要素として形成することができる。

0049

本発明による方法では、光学要素は、ステップe)を実行した後、完成する。しかしながら、例えば、第1のシェルの反対側に面する第2のシェルの境界面から離れて機械加工又は加工するために、少なくとも1つの材料除去機械加工ステップを実行することも可能である。同じことが、第2のシェルの反対側に面する第1のシェルの境界面に対しても該当する。

0050

当然ながら、例えば、反射防止コーティング硬質層等の塗布等の少なくとも1つの表面仕上げ方法ステップを実行することもできる。特に、眼鏡レンズの製造から既知の仕上げ動作を実行することができる。

0051

本発明による方法を用いる場合、その結果として、仕上げられた光学要素を提供することができる。しかしながら、意図される目的で使用することができるように光学要素を完成させるために、更なる方法ステップが必要なこともある。

0052

ユーザの頭部に配置することができる保持デバイスと、保持デバイスに締め付けられて、イメージを生成するイメージ生成モジュールと、保持デバイスに締め付けられて、本発明による光学要素を有し、保持デバイスがユーザの頭部に配置された状態において、ユーザがバーチャルイメージとして知覚することができるように、生成されたイメージを投射する撮像光学ユニットとを有する表示デバイスも提供される。

0053

撮像光学ユニットは、単一の光学要素として、光学要素を有することができる。しかしながら、撮像光学ユニットは、光学要素と共に、少なくとも1つの更なる光学要素も有することも可能である。

0054

表示デバイスは、イメージ生成モジュールをアクティブ化する制御ユニットを有することができる。

0055

イメージ生成モジュールは特に、2次元イメージ生成器、例えば、LCDモジュール、LCoSモジュール、OLEDモジュール、又は傾斜ミラーマトリックスを有することができる。

0056

イメージ生成器は複数のピクセルを有することができ、複数のピクセルは、例えば、行及び列に配置することができる。イメージ生成器は、自己照明型又は非自己照明型であることができる。

0057

イメージ生成モジュールは特に、モノクロイメージ又はマルチカラーイメージを生成するように形成することができる。

0058

本発明による表示デバイスは、動作に必要な当業者に既知の更なる要素を有することができる。

0059

さらに、記載される表示デバイスを製造する方法が提供される。この場合、本発明による光学要素は、本発明による製造方法によって製造され、そうして製造される本発明による光学要素は、本発明(展開を含む)による表示デバイスが製造されるように、表示デバイスの他の要素と組み合わせられる。

0060

上記特徴及び以下にこれから説明される特徴は、本発明の範囲から逸脱せずに、それぞれの場合で指定される組合せのみならず、他の組合せでも、又はそれら自体でも使用可能なことは言うまでもない。

0061

本発明について、例えば、本発明にとって重要な特徴を開示する添付図面に基づいて以下により詳細に説明する。例示をより明確にするために、図は少なくとも部分的に、一定の縮尺及び割合である表現を示さず、陰影を使用しない。

図面の簡単な説明

0062

本発明による表示デバイスの実施形態を示す。
イメージ生成モジュールの概略表現を含む、本発明による光学要素1の拡大部分断面図を示す。
本発明による光学要素の製造を説明する部分断面図を示す。
本発明による光学要素の製造を説明する部分断面図を示す。
本発明による光学要素の製造を説明する部分断面図を示す。
本発明による光学要素の製造を説明する部分断面図を示す。
本発明による光学要素の製造を説明する部分断面図を示す。
本発明による光学要素の代替のタイプの製造を説明する部分断面図を示す。

実施例

0063

図1に示される実施形態の場合、本発明による表示デバイス1は、ユーザの頭部に配置することができ、例えば、従来の眼鏡フレームのように形成することができる保持デバイス2を備えるとともに、保持デバイス2に締め付けられる第1の眼鏡レンズ3及び第2の眼鏡レンズ4も備える。眼鏡レンズ3、4を有する保持デバイス2は、例えば、スポーツゴーグル又は眼鏡、サングラス、及び/又は異常視覚矯正する眼鏡として形成することができ、以下に説明するように、第1の眼鏡レンズ3を介してバーチャルイメージをユーザの視野に導入することが可能である。

0064

このために、表示デバイス1は、イメージ生成モジュール5を備える。イメージ生成モジュール5は、図1に概略的に表されるように、保持デバイス2の右側眼イヤーピースの領域に配置することができる。イメージ生成モジュール5は、例えば列及び行に配置された複数のピクセルを有する、例えばOLEDチップLCDチップ、LCoSチップ、又は傾斜ミラーマトリックス等の2次元イメージ生成要素6(図2)を有することができる。

0065

眼鏡レンズ3及び4、特に第1の眼鏡レンズ3のみを例として、本発明による表示デバイス1と共に説明する。眼鏡レンズ3、4、又は少なくとも第1の眼鏡レンズ3は、それ自体(それら自体)が、本発明による眼鏡レンズ3、4又は本発明による光学要素として形成される。本発明による光学要素は、本明細書に記載される表示デバイス1と併用される以外の異なる状況で使用することも可能である。したがって、眼鏡レンズとして形成される場合、光学要素は、当然ながら、第2の眼鏡レンズ4として形成することもできる。

0066

図2の拡大概略部分断面図から最もよく分かるように、表示デバイス1は、撮像光学ユニット7を有する。撮像光学ユニット7は、イメージ生成要素6又はイメージ生成器6と第1の眼鏡レンズ3との間に配置される光学要素8を含む。さらに、第1の眼鏡レンズ3は、それ自体が撮像光学ユニット7の一部としても機能する。

0067

光束(pencil of light)9は、イメージ生成器6の各ピクセルから発せられる。制御ユニット10によるイメージ生成器6のピクセルの適宜アクティブ化によって、所望のイメージを生成することができる。制御ユニット10は、イメージ生成モジュール5の一部とすることができる。図2では、光ビーム光線は光束9の表現として示され、したがって、以下、光ビーム9としても参照される。

0068

イメージ生成器6から発せられた光ビーム9は、光学要素8を通り、入力部11(ここでは、第1の眼鏡レンズ3の端面)を介して第1の眼鏡レンズ3に入り、この眼鏡レンズ内で導光チャネル12に沿って出力部13に導かれる。出力部13は、互いの隣に配置される幾つかの反射偏向面14(反射ファセットと呼ばれることもある)を有し、反射偏向面14において、第1の眼鏡レンズ3の裏面15の方向への光ビーム9の反射が行われ、それにより、光ビーム9は、裏面15を介して第1の眼鏡レンズ3から出る。

0069

その結果、本発明による表示デバイス1を意図されるように頭部に装着したユーザは、出力部13を見る場合、イメージ生成器6によって生成されたイメージを、バーチャルイメージとして知覚することができる。本明細書に記載される実施形態の場合、ユーザは、真っ直ぐ前を見た場合の視野方向Gに基づいて、約40°右を見なければならない。図2には、例示のために、ユーザの目の回転中心16が示されるとともに、撮像光学ユニット7のアイボックス17又は射出瞳17も示されている。アイボックス17とは、表示デバイス1によって提供される領域であり、アイボックス17内では、ユーザの目は動くことができ、それでもなお、生成されたイメージを常にバーチャルイメージとして見ることができる。

0070

記載される実施形態の場合では、入力は第1の眼鏡レンズ3の端面を介して行われ、その結果、入力部11は第1の眼鏡レンズ3の端面に形成されるが、第1の眼鏡レンズの裏面15を介して入力を行うことも可能である。

0071

図2の概略表現に示されるように、第1の眼鏡レンズ3の裏面15及び正面18は共に、湾曲して形成されている。

0072

特に図2の表現から分かるように、第1の眼鏡レンズ3は、2つのシェルとして形成され、第1の面20及び第2の面21を有する外側シェル19を備えるとともに、第1の面23及び第2の面24を有する内側シェル22も備える。

0073

外側シェル19の第1の面20は、第1の眼鏡レンズ3の正面18を形成し、内側シェル22の第1の面23は、第1の眼鏡レンズ3の裏面15を形成する。外側シェル19の第2の面21と内側シェル22の第2の面24とは互いに面しており、相補的な曲率を有し、接着層31によって表面積にわたって互いに接続されている。接着層31を形成するために、接着組成物が、2つのシェル19、22を接着剤で接合するための接着剤として使用される。

0074

導光チャネル12は、入力部11から出力部13への光ビーム9の所望の導きが行われるように形成される。これは例えば、正面18(=外側シェル19の第1の面20)及び裏面15(=内側シェル22の第1の面23)での全内反射によって行われる。当然ながら、光ビーム9の所望の反射を生じさせる反射コーティングを、正面18及び/又は裏面15の導光チャネル12の領域に形成することも可能である。反射コーティングの反射性は、例えば、可能な限り大きい(約100%)ものであってもよく、又はそれ未満であってもよい。その結果、反射コーティングは、ミラー層又は部分反射層として形成することができる。

0075

本明細書に記載される実施形態の場合、外側シェル19の2面20、21は球面湾曲し、外側シェル19の第1の面20は曲率半径94mmを有し、外側シェル19の第2の面21は曲率半径92mmを有する。したがって、外側シェルの厚さは2mmである。しかしながら、外側シェル19はより小さな厚さで形成することもできる。例えば、外側シェル19の厚さは、0.15mm〜2mm未満の範囲内とすることができる。特に、外側シェル19は寸法安定膜(dimensionally stable film)として形成することができる。本明細書において、寸法安定(dimensionally stable)とは、特に膜が少なくとも重力に耐え、したがって、他の力が作用しない場合、その形態を維持することを意味するものとして理解される。

0076

内側シェル22の第2の面24は球面湾曲し、外側シェル19の第2の面21の半径に対応する曲率半径を有する。したがって、ここでは半径92mmである。内側シェル22の第1の面23は球面湾曲し、ユーザの異常視覚の矯正に必要とされる曲率半径を有する(例えば、内側シェル22の材料としてPMMAを使用する場合、150mm)。当然のことながら、内側シェルの第1の面23も球面湾曲することができる。外側シェル19の材料は、好ましくは、内側シェル22の材料と同じである。内側シェル22の厚さは、内側シェル22の第2の面24の半径と内側シェル22の第1の面23の半径との差に実質的に依存し、ここに記載される例では、約3mmである。

0077

既に述べたように、内側シェル22と外側シェル19の材料は、好ましくは同じであり、それにより、同一の屈折率を有する。内側シェル22と外側シェル19とは、好ましくは、接着層31によって表面積全体にわたって接着接合され、それにより、コンパクトな第1の眼鏡レンズ3が提供される。

0078

本明細書に記載される実施形態の第1の眼鏡レンズ3は、+2ジオプタの矯正を提供する。

0079

本発明による光学要素は、以下のように製造することができる。

0080

第1のステップにおいて、第1の半完成品25が、射出成形によって熱可塑性ポリマーから製造される。図3の拡大部分断面図に示されるように、第1の半完成品25は、第1の面23及び第2の面24を有する。第2の面24には微細構造26が形成され、微細構造26は所望の反射ファセット14の形態を決定付ける。

0081

次に、第1の半完成品25は、破線で表される光学的有効層27によって、微細構造26の領域においてコーティングされる(表現を簡明にするために、図2には層27は示されていない)。例えば、化学蒸着(CVD)又は物理蒸着(DVD)等の既知のコーティングプロセスをこれに使用することができる。光学的有効層27は、図4では破線で表され、記載されている相対ファセット14が提供されるように選ばれる。

0082

第2の面24から半完成品25内へと延在する微細構造26によって生じる窪みは、続くステップにおいて、平滑で連続した第2の面24が得られるように充填される(図5)。半完成品25を製造する材料と同じ材料28又は光学セメント若しくは光学接着剤28が、窪みの充填に使用可能である。本発明による組成物は特に使用可能である。

0083

その後、外側シェル19が、第1の面20及び第2の面21を有するように、第2の半完成品30として射出成形によって熱可塑性ポリマーから製造される。第2の半完成品30は、代替的には、第1の半完成品25の製造前又は第1の半完成品25と同時に製造することができる。次に、第2の半完成品28は、表面積全体にわたって第1の半完成品25に接着接合される。このために、第2の半完成品30の第2の面21、及び/又は、第1の半完成品25の第2の面24は、光学接着剤又は光学セメントによってコーティングされて、接着層31を形成することができる。図6には、第1の半完成品25の第2の面24が、接着層31によってコーティングされる事例が示されている。次に、2つの半完成品は、図6の矢印P1で示されるように、接着層と呼ばれることもある接着層31によって表面21及び24において互いに接触し、接着層31は硬化して、図7に示されるように、本発明による光学要素3が製造される。これは2つのシェルで構成され、2つのシェル19及び22の外面23及び20が、第1の眼鏡レンズ3の裏面15及び正面18を形成する、本発明による光学要素3が製造される。

0084

図8には、微細構造26及び光学的有効層27を有する第1の半完成品25が、拡大断面表現で示されている。微細構造26の上述した1ステップでの充填との違いとして、図8による変形例の場合、これは2ステップで実行される。このようにして、充填層281、282の材料の硬化中(充填層281、そして次に充填層282)に生じる望ましくない収縮を低減することができる。当然ながら、充填は3つ以上のステップ、例えば3ステップ、4ステップ、5ステップ、又は6ステップで実行することも可能である。

0085

本発明による表示デバイス1の場合、ユーザの視野へのバーチャルイメージの導入は、第1の眼鏡レンズ3を介して行われる。当然ながら、第2の眼鏡レンズ4を介して導入することも可能である。さらに、表示デバイス1は、眼鏡レンズ3、4の両方を介して情報又はバーチャルイメージを導入することができるように形成することもできる。この場合、導入は、3次元イメージの印象が生み出されるように行うことができる。しかしながら、これは必須ではない。

0086

眼鏡レンズ3、4は、ゼロの屈折力又はゼロ以外の屈折力(特に異常視覚を矯正する場合)を有することができる。図に示されるように、眼鏡レンズ3の正面11及び裏面12は共に、湾曲して形成される。特に、正面11は球面湾曲することができる。異常視覚を矯正するために、眼鏡レンズがゼロ以外の屈折力を有する場合、裏面15の曲率は一般に、対応する矯正を達成するように適宜選ばれる。裏面15は、球面形態からずれた曲率を有することができる。

0087

保持デバイス2は、眼鏡のような保持デバイスとして形成される必要はない。ユーザの頭部への表示デバイスの配置又は装着を行えるようにする任意の他の種類の保持デバイスも可能である。

0088

記載される例示的な実施形態の場合、眼鏡レンズ3は2つのシェルとして形成される。しかしながら、3つ以上のシェル、例えば、少なくとも3つのシェルを有する眼鏡レンズを製造することも可能である。特に、眼鏡レンズは、2つの部品(必ずしもシェルである必要はない)又は3つ以上の部品から製造することもできる。その場合、シェル又は部品は、好ましくは、接着組成物を用いて接着接合される。

0089

以下の例は、本発明を説明する。

0090

例:
NXT(登録商標)のポリウレタンを第3の材料に使用し、Zeonex(登録商標)を第1の材料に使用する場合、以下の屈折率が製造実験で得られた:
NXT社からの4つのポリウレタン標本は、22℃で以下の4つの屈折率nD(589.3nm)を示した。
標本1:1.5269
標本2:1.5272
標本3:1.5277
標本4:1.5277

0091

商標名Zeonex(登録商標)を用いたシクロオレフィンポリマーの場合、以下の屈折率nD(589.3nm)が、22℃で2つの製品480R及びE48Rに関して測定された。
標本A:1.5254(480R)
標本B:1.5314(E48R)

0092

標本AとBとを混合して(65/100体積部)、屈折率nD1.5275を生み出し、これは標本2〜4に上手く適合した。

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