DE102023106296A1

DE102023106296A1 - Optisches System mit einer Klebstoffschicht mit einem Steifigkeitsgradienten

Info

Publication number: DE102023106296A1
Application number: DE102023106296.4A
Authority: DE
Inventors: Jan Kaster
Original assignee: Carl Zeiss AG
Current assignee: Tooz Technologies GmbH
Priority date: 2023-03-14
Filing date: 2023-03-14
Publication date: 2024-09-19
Also published as: CN120898153A; WO2024189117A1; EP4681003A1

Abstract

Die Anmeldung betrifft ein optisches System, das ein erstes Optikelement, ein zweites Optikelement und eine erste Klebstoffschicht umfasst, Die erste Klebstoffschicht ist zwischen dem ersten Optikelement und dem zweiten Optikelement angeordnet und eingerichtet, das erste Optikelement und das zweite Optikelement zu verbinden. Weiter weist die erste Klebstoffschicht einen ersten Steifigkeitsgradienten auf, der von einem Rand des optischen Systems zu einem thermischen Expansionszentrum des optischen Systems zeigt.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Anmeldung bezieht sich auf optische Systeme mit mehreren Optikelementen und genauer auf die Verbindung der mehreren Optikelemente mittels Klebstoffschichten.
HINTERGRUND
Klebstoffschichten, die Optikelemente in optischen Systemen miteinander verbinden, können insbesondere in optischen Systemen, die ein großes Verhältnis ihres Durchmessers zu ihrer Dicke aufweisen, eine geringe Steifigkeit aufweisen. Werden die optischen Systeme thermischen Schwankungen ausgesetzt, wie beispielsweise bei einer Verwendung der optischen Systeme in Head Mounted Displays (HMDs) für virtuelle Realitäts-(VR)-Systeme, kann es durch die thermischen Schwankungen in Verbindung mit der geringen Steifigkeit zu Lage- und Formänderungen der Optikelemente kommen. Zudem kann die geringe Steifigkeit der Klebstoffschichten Schwingungen der Optikelemente zueinander ermöglichen, was zu ungewünschten optischen Effekten führen kann. Erhöht man zu Vermeidung dieser Probleme allerdings die Steifigkeit der Klebstoffschichten, kann dies zu einer Beeinträchtigung der optischen Leistung des optischen Systems führen.
Vor diesem Hintergrund ist es ein Ziel der vorliegenden Offenbarung, Lage- und Formänderungen sowie Schwingungen von Optikelementen in einem optischen System zu verringern, ohne dabei die optische Leistung des optischen Systems dabei zu beinträchtigen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Um dieses Ziel zu erfüllen, stellt die vorliegende Erfindung ein optisches System bereit. Das optische System umfasst ein erstes Optikelement und ein zweites Optikelement und eine erste Klebstoffschicht. Die erste Klebstoffschicht ist zwischen dem ersten Optikelement und dem zweiten Optikelement angeordnet und ist eingerichtet, das erste Optikelement und das zweite Optikelement zu verbinden. Die erste Klebstoffschicht weist weiter einen ersten Steifigkeitsgradienten auf, der von einem Rand des optischen Systems zu einem thermischen Expansionszentrum des optischen Systems zeigt.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
Beispiele der vorliegenden Offenbarung werden nachfolgend mit Bezug zu den angehängten Figuren beschrieben, in denen gleiche Bezugszeichen sich auf gleiche Elemente beziehen.

1A und 1B veranschaulichen das generelle Konzept der vorliegenden Offenbarung gemäß Beispielen der vorliegenden Offenbarung.
2A und 2B beispielhafte optische Systeme gemäß Beispielen der vorliegenden Offenbarung.
3 zeigt eine Draufsicht auf eine Klebeschicht des optischen Systems der 2A und 2B gemäß Beispielen der vorliegenden Offenbarung.
4A bis 4C zeigen beispielhafte Steifigkeitsverläufe innerhalb von Klebeschichten eines optischen Systems gemäß Beispielen der vorliegenden Offenbarung.
5A und 5B zeigen weitere beispielhafte Steifigkeitsverläufe innerhalb von Klebeschichten eines optischen Systems gemäß Beispielen der vorliegenden Offenbarung.

Es sollte verstanden werden, dass das Bereitstellen dieser Figuren nicht beabsichtigt, die vorliegende Offenbarung auf die in den Figuren gezeigten Aspekte zu beschränken. Vielmehr werden diese Figuren bereitgestellt, um beim Verständnis der vorliegenden Erfindung zu helfen. Der Fachmann wird sogleich verstehen, dass Aspekte der vorliegenden Erfindung, die in einer Figur gezeigt werden, mit Aspekten aus einer anderen Figur kombiniert werden können oder dass in einer Figur gezeigte Aspekte weggelassen werden können, ohne sich vom Gegenstand der vorliegenden Offenbarung zu entfernen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Im Folgenden wird ein optische System beschrieben, das mindestens ein erstes Optikelement und ein zweites Optikelement sowie eine dazwischen angeordnete Klebeschicht aufweist. Die Klebeschicht weist einen Steifigkeitsgradienten vom Rand des optischen Systems zu einem thermischen Expansionszentrum auf. In anderen Worten steigt die Steifigkeit innerhalb der ersten Klebeschicht vom Rand zum thermischen Expansionszentrum hin an. Der Anstieg der Steifigkeit führt dazu, dass die Klebeschicht am Rand eine niedrige Steifigkeit und im thermischen Expansionszentrum eine hohe Steifigkeit aufweist. Die hohe Steifigkeit im thermischen Expansionszentrum führt dazu, dass es bei einer Temperaturerhöhung nicht zu Lage- und/oder Formveränderungen der Optikelemente kommt. Durch den Steifigkeitsgradienten vom Rand des optischen Systems zum thermischen Expansionszentrum hin bzw. dem Abfall der Steifigkeit vom thermischen Expansionszentrum zum Rand des optischen Systems wird gleichzeitig sichergestellt, dass die hohe Steifigkeit im thermischen Expansionszentrum die optische Leistung des optischen Systems nicht beeinträchtigt.
1B veranschaulicht die Wirkung des Steifigkeitsgradienten im Vergleich zu 1A. In 1A verformt sich das optische System bei steigender Temperatur aufgrund der niedrigen Steifigkeit k der Klebeschichten, die durch den niedrigen linearen Verlauf in dem Graph der 1A angedeutet ist. In 1B verformt sich das optische System bei steigender Temperatur im Wesentlichen nicht. In anderen Worten führt der Steifigkeitsgradient dazu, dass sich das optische System bei steigender Temperatur nur sehr geringfügig bis nicht verformt. Dies liegt an dem zum thermischen Expansionszentrum hin verlaufenden Steifigkeitsgradienten, der durch den Anstieg der Steifigkeit k hin zum thermischen Expansionszentrum in dem Graph der 1B angedeutet ist. Das thermische Expansionszentrum befindet sich in den Beispielen der 1A und 1B im Mittelpunkt des optischen Systems. Dies ist lediglich beispielhaft. Das thermische Expansionszentrum kann sich an jedem anderen Punkt innerhalb des optischen Systems befinden.
Das eingangs dargestellte generelle Konzept der vorliegenden Offenbarung wird nachfolgend anhand der beispielhaften optischen Systeme der 2A bis 3 und der beispielhaften Steifigkeitsverläufe der 4A bis 5B veranschaulicht werden.
2A zeigt ein optisches System 100. Das optische System 100 umfasst ein erstes Optikelement 110, eine erste Klebeschicht 120, ein zweites Optikelement 130, eine zweite Klebeschicht 140 und ein drittes Optikelement 150.
Das erste Optikelement 110, das zweite Optikelement 130 und das dritte Optikelement 150 sind eingerichtet, eine jeweilige optische Funktion bereitzustellen. Die optische Funktion kann beispielsweise eine Vergrößerung oder eine Verkleinerung eines durch das jeweilige Optikelement sein. Im Kontext einer HMD kann die optische Funktion beispielsweise eine Vergrößerung des Blickfeldes bezogen auf eine in geringer Distanz vor den Augen eines Benutzers angeordnete Anzeige sein. Die optische Funktion kann auch eine Weiterleitung von Licht sein, wie beispielsweise in einem Wellenleiter. Entsprechend ihrer jeweiligen optischen Funktion weisen das erste Optikelement 110, das zweite Optikelement 130 und das dritte Optikelement 150 jeweils eine erste, eine zweite bzw. eine dritte Brechzahl auf. Folglich kann es sich bei dem ersten optischen Element 110, dem zweiten optischen Element 130 und dem dritten optischen Element 150 beispielsweise jeweils um eine Linse, eine Fresnellinse oder einen Wellenleiter handeln. Um dies zu veranschaulichen, ist in 2A das erste optische Element 110 als konvexe Linse und das dritte optische Element als konkave Linse dargestellt. Es sollte verstanden werden, dass diese Beispiele nicht abschließend sind. Das erste Optikelement 110, das zweite Optikelement 130 und das dritte Optikelement 150 können jede Art von optischem Element sein, die eingerichtet ist, eine optische Funktion bereitzustellen. Weiter kann es sich bei dem ersten Optikelement 110, dem zweiten Optikelement 130 und dem dritten Optikelement 150 um einteilige Optikelemente handeln, wie in 2 A dargestellt, oder um mehrteilige Optikelemente, d.h. um Optikelemente, die aus einzelnen Segmenten zusammengesetzt sind.
Da jedes des ersten optischen Elements 110, des zweiten optischen Elements 130 und des dritten optischen Elements 150 eine unterschiedliche optische Funktion bereitstellen kann, kann das optische System 100 eine aus der Kombination dieser optischen Funktionen resultierende optische Funktion bereitstellen.
Es sollte verstanden werden, dass das optische System 100 mehr oder weniger Optikelemente aufweisen kann, als in 2A gezeigt. Da es sich bei dem optischen System 100 um ein optisches System mit mehreren Optikelementen handelt, weist das optische System 100 mindestens zwei Optikelemente auf. Die vorliegende Offenbarung ermöglicht jedoch jede größere Anzahl an Optikelementen, wie beispielsweise das optische System 100 mit drei Optikelementen.
Bei schwankender Temperatur können sich das erste optische Element 110, das zweite optische Element 130 und das dritte optische Element 150 verformen, indem sie sich beispielsweise in ihrer Länge verändern oder anderweitig verformen. Beispielsweise können das erste Optikelement 110, das zweite Optikelement 130 und das dritte Optikelement 150 einen jeweiligen ersten, zweiten und dritten thermischen Längenausdehnungskoeffizienten aufweisen, die voneinander unterschiedlich sind. Die unterschiedlichen Längenausdehnungskoeffizienten der jeweiligen optischen Elemente können Lageänderungen und Verformungen der optischen Elemente untereinander und damit des optischen Systems 100 verursachen. Dies kann die strukturelle Integrität und insbesondere die optische Funktion des optischen Systems 100 beeinträchtigen. Wie nachfolgend beschrieben wird, sind die erste Klebeschicht 120 und die zweite Klebeschicht 140 dazu eingerichtet, diese Verformungen im Wesentlichen zu verhindern bzw. zu kompensieren.
Die erste Klebeschicht 120 ist zwischen dem ersten Optikelement 110 und dem zweiten Optikelement 130 angeordnet und eingerichtet, das erste Optikelement 110 und das zweite Optikelement 130 zu verbinden. Analog dazu ist die zweite Klebstoffschicht 140 zwischen dem zweiten Optikelement 130 und dem dritten Optikelement 150 angeordnet und eingerichtet, das zweite Optikelement 130 und das dritte Optikelement 150 zu verbinden. Wie bereits ausgeführt, weist das optische System 100 mindestens zwei Optikelemente auf und kann jede Anzahl an Optikelementen aufweisen, die jeweils mit einer weiteren Klebeschicht in das optische System 100 aufgenommen werden. Somit weist das optische System mindestens eine Klebeschicht auf und kann mehr als eine Klebeschicht beinhalten entsprechend der Anzahl an optischen Elementen.
Die erste Klebstoffschicht 120 weist ein ersten Steifigkeitsgradienten auf, der von einem Rand des optischen Systems 100 zu einem thermischen Expansionszentrum des optischen Systems 100 zeigt. Die erste Klebstoffschicht 120 bzw. das gesamte optische System 100 kann zudem eine Scheibe mit einem Radius R sein, wie beispielsweise in 3 gezeigt.
Steifigkeit k im Kontext dieser Offenbarung bezeichnet den Widerstand der Klebstoffschicht 120 hinsichtlich einer Verformung des ersten Optikelements 110 und des zweiten Optikelements 130. Vereinfacht kann die Steifigkeit k als ortsabhängige Steifigkeit k(r) anhand eines ortsabhängigen Elastizitätsmoduls E(r) und einer ortsabhängigen Geometriefunktion F_G(r) der Klebstoffschicht 120, wie in Gleichung (1) gezeigt, angenähert werden: $k (r) = E (r) * F_{G} (r)$
Die ortsabhängige Geometriefunktion F_G(r) beschreibt dabei in Gleichung (1) die Geometrie der Klebstoffschicht 120. Die Ortsabhängigkeit der Steifigkeit k(r), des Elastizitätsmoduls E(r) und der Geometriefunktion F_G(r) ergibt sich aus der Abhängigkeit dieser Werte bzw. dieser Funktion von dem radialen Position innerhalb des optischen Systems, wie beispielsweise am unteren Rand in 2A und 2B oder mittig in 3 dargestellt. Es sollte verstanden werden, dass Gleichung (1) eine vereinfachte Annäherung der ortsabhängigen Steifigkeit k(r) darstellt. Die ortsabhängige Steifigkeit k(r) kann auch auf andere Weise jeweils in Abhängigkeit von einem ortsabhängigen Elastizitätsmoduls E(r) und einer ortsabhängige Geometriefunktion F_G(r) der Klebstoffschicht 120 angegeben werden, je nachdem welche Form der Steifigkeit, beispielsweise Dehnsteifigkeit oder Biegesteifigkeit, oder Kombination von Formen der Steifigkeit betrachtet wird. Ausgehend von Gleichung (1) kann der Steifigkeitsgradient $\frac{d k (r)}{d r}$
wie in Gleichung (2) gezeigt angenähert werden: $\frac{d k (r)}{d r} = \frac{d E (r)}{d r} * \frac{d F_{G} (r)}{d r}$
Folglich ist der Steifigkeitsgradient von der Ableitung des ortsabhängigen Elastizitätsmoduls E(r) und der entsprechenden Ableitung der Geometriefunktion F_G(r) der Klebstoffschicht 120 abhängig. Analog zu Gleichung (1) gilt auch für Gleichung (2), dass diese nur eine vereinfachte Annäherung darstellen soll, um den Kern des Begriffs Steifigkeitsgradient als Ableitung einer auf einem ortsabhängigen Elastizitätsmodul basierenden Steifigkeit zu definieren. Je nach konkret betrachteter Form der Steifigkeit bzw. Kombinationen von Formen der Steifigkeit kann die tatsächliche Berechnung des Steifigkeitsgradienten weitere oder andere Terme berücksichtigen. Beispielhafte weitere Terme, die in Gleichung (1) und damit in Gleichung (2) berücksichtigt werden können, sind eine relative Dehnbarkeit und eine Kompressibilität bzw. Querkontraktion der Klebstoffschicht 120 sowie eine Ausbildung von Polymerzonen in der Klebstoffschicht 120, wie beispielsweise eine Adhäsionszone am Rand oder eine Kohäsionszone in der Mitte.
Beispielhafte Elastizitätswerte für das ortsabhängige Elastizitätsmodul E(r) am Rand des optischen Systems liegen in einem Bereich von 10 kPa bis 10 MPa. Beispielhafte Elastizitätswerte für das ortsabhängige Elastizitätsmodul E(r) im thermischen Expansionszentrum des optischen Systems liegen in einem Bereich von 1 MPa bis 5 GPa.
Das thermische Expansionszentrum im Kontext dieser Anmeldung bezeichnet den Bereich des optischen Systems 100, in dem das optische System 100 aufgrund der zuvor besprochenen thermisch bedingten Verformung der optischen Elemente des optischen Systems 100 ihr Minimum aufweist. In anderen Worten bezeichnet das thermische Expansionszentrum den Bereich des optischen Systems, von dem aus eine radiale thermische Verformung des optischen Systems 100 ausgeht, ohne sich selbst im Wesentlichen zu verformen. Dieser Bereich kann, wie in den 4A bis 4C gezeigt, mit einer Symmetrieachse des optischen Systems 100 zusammenfallen, beispielsweise wenn alle Elemente des optischen Systems 100 axialsymmetrisch sind. Dieser Bereich kann sich allerdings auch an einer anderen Stelle als dem geometrischen Zentrum des optischen Systems 100 befinden.
Wie zuvor ausgeführt, zeigt der Steifigkeitsgradient von einem Rand des optischen Systems 100 zu einem thermischen Expansionszentrum des optischen Systems 100. Der durch diesen Steifigkeitsgradienten bedingte Steifigkeitsverlauf verhindert im Wesentlichen eine Verformung des optischen Systems ohne die optische Funktion des optischen Systems 100 zu beinträchtigen. Der Steifigkeitsverlauf verringert bzw. vermeidet im Wesentlichen eine Beeinträchtigung der optischen Funktion durch die Minimierung der Verformung des optischen Elements 110 und des optischen Elements 130. Durch die sich zum Rand des optischen Systems 100 hin verringernde Steifigkeit wird eine Beeinträchtigung der optischen Funktion vermieden, die sich andernfalls aus einer hohen Steifigkeit ergeben würde. Es sollte dabei verstanden werden, dass zwar die optische Funktion sich durch den Steifigkeitsverlauf in einem Bereich des optischen Systems 100 in manchen Beispielen der vorliegenden Offenbarung teilweise verschlechtern könnte. Diese Verschlechterung in einem Bereich könnte aber auf das gesamte optische System 100 bezogen minimal sein. Gleichzeitig kann durch den Steifigkeitsverlauf eine Verformung des optischen Systems 100 und eine Lageverschiebung des ersten optischen Elements 110 zu dem zweiten optischen Element 130 aufgrund von Temperaturschwankungen kompensiert bzw. vermieden werden.
Zusammenfassend führt der Steifigkeitsgradient der Klebstoffschicht 120 dazu, dass Temperaturschwankungen nicht zu Deformationen des optischen Systems 100 führen. Gleichzeitig beeinträchtigt die Klebeschicht 120 aufgrund des Steifigkeitsgradienten die optische Funktion im Wesentlichen nicht.
Genauer kann in einigen Beispielen der vorliegenden Offenbarung die erste Klebstoffschicht 120 in dem thermischen Expansionszentrum ein Steifigkeitsmaximum aufweisen. Das Steifigkeitsmaximum kann eingerichtet sein, die Verbindung zwischen dem ersten Optikelement 110 und dem zweiten Optikelement 130 zu sichern. Zudem kann der erste Steifigkeitsgradient eine optische Funktion des optischen Systems 100 gewährleisten, d.h. sicherstellen, dass die optische Funktion des optischen Systems 100 nicht durch die Steifigkeit der ersten Klebeschicht 120 beeinträchtigt wird.
Beispielhafte Steifigkeitsverläufe, die durch den Steifigkeitsgradienten bedingt sind, werden nachfolgend mit Bezug zu den 4A bis 5B besprochen.
4A bis 4C zeigen Steifigkeitsverläufe der Steifigkeit k der ersten Klebstoffschicht 120, die den Steifigkeitsgradienten aufweisen. In den beispielhaften Steifigkeitsverläufen befindet sich das thermische Expansionszentrum im geometrischen Zentrum des optischen Systems 100. Es ist zu beachten, dass die Darstellung des thermischen Expansionszentrums im geometrischen Zentrum des optischen Systems lediglich beispielhaft ist. Das thermische Expansionszentrum kann auch in anderen Bereichen des optischen Systems liegen.
4A zeigt ein Beispiel eines diskreten Steifigkeitsverlaufs. Dementsprechend ist in dem Beispiel der 4A der Steifigkeitsgradient ebenfalls diskret. In dem Beispiel der 4A ist die Steifigkeit abschnittsweise konstant und damit der Steifigkeitsgradient abschnittsweise null und nur an bestimmten Übergängen nicht null. Diese Übergänge stellen Übergänge zwischen Klebstoffzonen dar, die in 2A sowie in 3 dargestellt sind. In anderen Worten kann die Klebstoffschicht 120 eine Vielzahl von Klebstoffzonen, wie beispielsweise drei Klebstoffzonen 120₁, 120₂ und 120₃ umfassen, die lateral aneinander angrenzend angeordnet sind. Es sollte verstanden werden, dass die Anzahl an Klebstoffzonen variiert werden kann und die drei Klebstoffzonen 120₁, 120₂ und 120₃ nur als Beispiel dienen. Die Vielzahl von Klebstoffzonen kann jede Anzahl an Klebstoffzonen beinhalten, die zur Erzeugung eines Steifigkeitsverlaufs mit einem Steifigkeitsgradienten im Sinne dieser Offenbarung basierend auf einer Vielzahl von Klebstoffen mit unterschiedlichen Steifigkeiten benötigt werden.
Zusätzlich zum Erzeugen eines diskreten Steifigkeitsverlaufs können Klebstoffzonen, die jeweils auf beiden Seiten an weitere Klebstoffzonen angrenzend angeordnet sind, eingerichtet sein, eine innere Spannung in der ersten Klebstoffschicht 120 in Kompression umzuwandeln. Durch die Umwandlung der inneren Spannung in Kompression kann vermieden werden, dass die erste Klebstoffschicht 120 selbst wesentlich zu einer Deformierung des optischen Systems 100 beiträgt. Zu diesem Zweck kann die erste Klebstoffschicht eine Querkontraktionszahl von weniger als 0,45 aufweisen.
4B zeigt ein Beispiel eines abschnittsweise kontinuierlichen Steifigkeitsverlaufs. Im Beispiel der 4B steigt die Steifigkeit abschnittsweise unterschiedlich stark und konstant vom Rand des optischen Systems 100 aus zum thermischen Expansionszentrum hin. Damit ist der Steifigkeitsgradient abschnittsweise konstant und jeweils nicht null und springt jeweils an den Übergängen auf den Steifigkeitsgradientenwert des nächsten Abschnitts. Wie im Beispiel der 4A kann ein solcher diskreten Steifigkeitsverlauf mit der Vielzahl an Klebstoffzonen erzeugt werden, wie beispielsweise die drei Klebstoffzonen 120₁, 120₂ und 120₃. In diesem Fall weisen die Klebstoffe der jeweiligen Klebstoffzonen jeweils eine konstant zum thermischen Expansionszentrum hin ansteigende Steifigkeit auf.
4C zeigt ein Beispiel eines kontinuierlichen Steifigkeitsverlaufs. Folglich ist in dem Beispiel der 4C der Steifigkeitsgradient kontinuierlich. In anderen Worten steigt die Steifigkeit vom Rand des optischen Elements 100 zum thermischen Expansionszentrum hin ohne wesentliche Unstetigkeiten an. Der Steifigkeitsgradient ist dementsprechend ebenfalls stetig. In diesem Beispiel kann die Klebstoffschicht 120 die Vielzahl an Klebstoffzonen nicht beinhalten, wie beispielsweise in 2B veranschaulicht. Es sei hierbei angemerkt, das mit der Ausnahme der Vielzahl an Klebstoffzonen das optische System 100 der 2B dem optischen System 100 der 2A entspricht.
Ein kontinuierlicher Steifigkeitsverlauf und somit ein kontinuierlicher Steifigkeitsgradient kann beispielsweise erzeugt werden, indem dem Klebstoff der Klebstoffschicht 120 im flüssigen Zustand Glaspartikel beigemischt werden. Die Glaspartikel können beispielsweise ein Glaspartikelpulver mit einer durchschnittlichen Kugelgröße im Bereich von wenigen Nanometern bis wenige Mikrometer sein. Die Beimischung erfolgt so, dass eine inhomogene Glaspartikeldichte in der Klebstoffschicht 120 beim Aushärten erreicht wird. Dadurch weist die Klebstoffschicht 120 im ausgehärteten Zustand einen kontinuierlichen Steifigkeitsverlauf bzw. einen kontinuierlicher Steifigkeitsgradient wie in 4C dargestellt auf. Die Glaspartikel bzw. das Glaspartikelpulver weist dabei eine Brechzahl auf, die in etwa der Brechzahl der ersten Klebstoffschicht 120 entspricht. Der gleiche Ansatz kann beispielsweise auch für das Beispiel der 4B verwendet werden, um in den Klebstoffzonen jeweils einen kontinuierlichen Anstieg der Steifigkeit zu erreichen.
5A und 5B zeigen zwei weitere beispielhafte diskrete Steifigkeitsverläufe. In beiden Beispielen liegt das thermische Expansionszentrum im geometrischen Zentrum des optischen Systems 100.
In 5A steigt die Steifigkeit vom Rand aus gesehen abschnittsweise, d.h. beispielsweise pro Klebstoffzone, an, fällt wieder ab und erreicht ein Maximum im thermischen Expansionszentrum. Das Beispiel der 5A zeigt, dass Steifigkeitsverläufe vom Rand zum thermischen Expansionszentrum hin nicht kontinuierlich steigen müssen sondern steigen und fallen können, bis sie ein globales Steifigkeitsmaximum erreichen. In anderen Worten kann der Steifigkeitsgradient der ersten Klebstoffschicht 120 vom Rand des optischen Systems 100 zum globalen Steifigkeitsmaximum zeigen.
In 5B weist das optische System 100 ein radiales Steifigkeitsmaximum im Bereich der zweiten Klebstoffzone 120₂ auf. Aufgrund der Kreisform des optischen Systems 100 und der Zentrierung des Verlaufs auf das geometrische Zentrum erscheint das Steifigkeitsmaximum im Bereich der zweiten Klebstoffzone 120₂ zweimal im Steifigkeitsverlauf der 5B. In anderen Worten weist das optische System 100 des Beispiels der 5B einen ringförmigen Steifigkeitsmaximumsbereich um das thermische Expansionszentrum herum auf. Mit diesem Steifigkeitsmaximumsbereich kann eine temperaturabhängige Deformation des ersten Optikelements 110 und des zweiten Optikelements 130 kompensiert werden.
Durch den ersten radialen Steifigkeitsgradienten kann in einigen Beispielen der vorliegenden Offenbarung die erste Klebstoffschicht 120 weiter eingerichtet sein, eine Deformation des ersten Optikelements 110 und des zweiten Optikelements 130 auszugleichen, so dass die Deformation quasi-isotrop oder entlang einer Vorzugsrichtung erfolgt. Anders ausgedrückt kann die erste Klebstoffschicht 120 aufgrund des ersten Steifigkeitsgradienten eingerichtet sein, eine Biegedeformation zu kompensieren, indem sie durch eine gezielte differenzielle radiale Steifigkeit und Wärmeausdehnung die Deformation des ersten Optikelements 110 und des zweiten Optikelements 130 im Wesentlichen verhindert bzw. ihr entgegenwirkt.
Durch den ersten Steifigkeitsgradienten kann in einigen Beispielen der vorliegenden Offenbarung die erste Klebstoffschicht 120 weiter eingerichtet sein, ein Biegemoment zu erzeugen, das eingerichtet ist, einem Biegemoment entgegenzuwirken, das durch die Wärmeausdehnung des ersten Optikelements 110 und des zweiten Optikelements 130 erzeugt wird. Aufgrund des Steifigkeitsmaximums kann die erste Klebeschicht 120 eingerichtet sein, eine Festigkeit der Klebeverbindung zu gewährleisten. Das durch die Klebeschicht 120 erzeugte, radial variierende Biegemoment führt in der Summe mit dem Biegemoment des ersten Optikelements 110 und dem des zweiten Optikelements 130 zu einem effektiv biegedeformationsfreien Zustand des optischen Systems 100. Damit kann die erste Klebstoffschicht 120 eine Deformation des optischen Systems 100 kompensieren bzw. gezielt einstellen.
Die erste Klebstoffschicht 120 kann weiter eine erste Brechzahl aufweisen. Die erste Brechzahl kann eingerichtet sein, einer Brechzahl von mindestens einem von dem ersten Optikelement 110 und dem zweiten Optikelement 130 zu entsprechen. Dies kann die optische Funktion des ersten Optikelements 110 bzw. des zweiten Optikelements 130 sicherstellen, da durch eine Entsprechung der Brechzahlen beispielsweise eine Totalreflexion an der Grenzfläche zwischen der ersten Klebstoffschicht 120 und dem ersten Optikelement 110 bzw. dem zweiten Optikelement 130 vermieden werden kann. Unter Entsprechung der Brechzahlen ist im Kontext dieser Anmeldung eine Abweichung von bis zu 2.5% zu verstehen. Die erste Brechzahl kann auch niedriger sein als eine Brechzahl des zweiten Optikelements 130, wenn das zweite Optikelement 130 ein Wellenleiter ist. Dadurch kann eine Totalreflexion sichergestellt werden, beispielsweise dass der Grenzwinkel der Totalreflexion in der ersten Klebstoffschicht 120 unter 60°, beispielsweise unter 55° oder unter 50° liegt.
Die erste Klebstoffschicht 120 kann eine Transmittanz aufweisen, die eingerichtet ist, Licht im sichtbaren Spektralbereich im Wesentlichen nicht zu absorbieren. Durch diese Transmittanz kann sichergestellt werden, dass die erste Klebstoffschicht 120 nicht als optisch dämpfendes oder farblich filterndes Element wirkt. Die erste Klebstoffschicht 120 kann auch für eine farbliche bzw. spektrale Filterung gezielt eingestellt werden, beispielsweise für eine farbneutrale oder farblich gewichtete Filterung für eine Sonnenbrille oder zur Erhöhung des Bildkontrasts in AR-Systemen, um als Farbfilter zu wirken, beispielsweise hinsichtlich gelb, grün oder rot, oder um als spektraler Filter zum Absorbieren von UV- und/oder IR-Strahlung zu wirken.
In manchen Beispielen des optischen Systems 100 gemäß der vorliegenden Offenbarung, in dem das erste Optikelement 110 eine Linse und das zweite Optikelement 130 ein Wellenleiter ist, kann die erste Klebstoffschicht 120 eingerichtet sein, eine Totalreflexion bereitzustellen, die einer Totalreflexion des Wellenleiters entspricht. In anderen Worten kann die erste Klebstoffschicht 120 eingerichtet sein, eine Totalreflexion für das in dem Wellenleiter geführte Licht bereitzustellen, sodass allerdings ein aus dem Wellenleiter ausgekoppeltes Licht nicht von der ersten Klebstoffschicht 120 absorbiert oder reflektiert wird. Weiter kann, wenn das erste Optikelement 110 eine Linse und das zweite Optikelement 130 ein Wellenleiter ist, die Klebstoffschicht einen ersten Bereich und einen zweiten Bereich aufweisen. Der erste Bereich kann eine erste Bereichsbrechzahl aufzuweisen, die die Totalreflexion in dem ersten Bereich des optischen Systems bereitstellt. Der zweite Bereich kann eine zweite Bereichsbrechzahl aufzuweisen, welche größer oder gleich der ersten Bereichsbrechzahl ist. Mit diesen bereichsweise unterschiedlichen Brechzahlen in der ersten Klebstoffschicht 120 kann zum einen eine Totalreflexion für das in dem Wellenleiter geführte Licht bereitgestellt werden. Zum anderen können ungewünschte Totalreflexionen an weiteren Grenzflächen vermieden werden.
Die zweite Klebstoffschicht 140 ist zwischen dem zweiten Optikelement 130 und dem dritten Optikelement 150 angeordnet und ist eingerichtet, das zweite Optikelement 130 und das dritte Optikelement 150 zu verbinden. Weiter weist die zweite Klebstoffschicht einen zweiten Steifigkeitsgradienten auf, der von einem Rand des optischen Systems 100 zu einem thermischen Expansionszentrum des optischen Systems 100 zeigt. In anderen Worten entspricht die Definition der zweiten Klebstoffschicht 140 der Definition der ersten Klebstoffschicht. Die vorangegangenen Ausführungen zur ersten Klebstoffschicht 120 gelten somit ebenfalls für die zweite Klebstoffschicht 140 bzw. jede weitere Klebstoffschicht des optischen Systems 100.
Dementsprechend kann die zweite Klebstoffschicht 140 eingerichtet sein, analog zu der ersten Klebstoffschicht 120 ein zweites Biegemoment zu erzeugen. Mittels des ersten Biegemoments und des zweiten Biegemoments können die erste Klebstoffschicht 120 und die zweite Klebstoffschicht 140 eingerichtet sein, ein kombiniertes Biegemoment bereitzustellen, dass einem Biegemoment entgegenwirkt, das durch eine Wärmeausdehnung des ersten Optikelements 110, des zweiten Optikelements 130 und des dritten Optikelements 150 erzeugt wird.
Weiter kann die zweite Klebstoffschicht 140 eine zweite Brechzahl aufweisen. Die erste Brechzahl der ersten Klebstoffschicht und die zweite Brechzahl der zweiten Klebstoffschicht 140 können davon ausgehend eine Brechzahldifferenz zueinander aufweisen, die umgekehrt proportional zu einem Öffnungswinkel eines transmittierenden Lichtkegels ist. Andernfalls kann die Brechzahldifferenz zu einer Beeinträchtigung der optischen Funktion des optischen Systems 100 führen.
Das optische System kann in manchen Beispielen der vorliegenden Erfindung weiter eine Antireflexbeschichtung beinhalten. Die Antireflexbeschichtung kann zwischen der ersten Klebeschicht 120 und dem ersten Optikelement 110, zwischen der ersten Klebstoffschicht 120 und dem zweiten Optikelement 130 oder sowohl zwischen der Klebstoffschicht 120 und dem ersten Optikelement 110 sowie zwischen der ersten Klebstoffschicht 120 und dem zweiten Optikelement 130 angeordnet sein. Analog kann eine Antireflexbeschichtung hinsichtlich der zweiten Klebstoffschicht 140 sowie dem zweiten Optikelement 130 und dem drittem Optikelement 150 bzw. hinsichtlich jeder weiteren Klebstoffschicht angeordnet sein.
Das optische System 100 kann eine Dicke von weniger als 250 µm, beispielsweise eine Dicke von 100 µm oder von 50 µm aufweisen. Die einzelnen Klebstoffschichten und Optikelemente können dabei eine Dicke zwischen 10 µm und 100 µm aufweisen.
Die Erfindung wird weiter durch die nachfolgenden Beispiele veranschaulicht.
In einem Beispiel umfasst ein optisches System ein erstes Optikelement und ein zweites Optikelement und eine erste Klebstoffschicht, wobei die erste Klebstoffschicht zwischen dem ersten Optikelement und dem zweiten Optikelement angeordnet ist und eingerichtet ist, das erste Optikelement und das zweite Optikelement zu verbinden, und die erste Klebstoffschicht einen ersten Steifigkeitsgradienten aufweist, der von einem Rand des optischen Systems zu einem thermischen Expansionszentrum des optischen Systems zeigt.
In einem Beispiel kann die erste Klebstoffschicht in dem thermischen Expansionszentrum ein Steifigkeitsmaximum aufweisen, wobei das Steifigkeitsmaximum eingerichtet sein kann, die Verbindung zwischen dem ersten Optikelement und dem zweiten Optikelement zu sichern, und wobei der erste Steifigkeitsgradient eine optische Funktion des optischen Systems gewährleisten kann.
In einem Beispiel kann der erste Steifigkeitsgradient kontinuierlich sein.
In einem Beispiel kann der erste Steifigkeitsgradient diskret sein.
In einem Beispiel kann die erste Klebstoffschicht eine Vielzahl von Klebstoffzonen umfassen, die lateral aneinander angrenzend angeordnet sind.
In einem Beispiel können die Klebstoffzonen der Vielzahl von Klebstoffzonen, die auf beiden Seiten lateral angrenzend an weitere Klebstoffzonen der Vielzahl von Klebstoffzonen angeordnet sind, eingerichtet sein, eine innere Spannung in Kompression umzuwandeln.
In einem Beispiel kann die erste Klebstoffschicht eine Querkontraktionszahl von weniger als 0,45 aufweisen.
In einem Beispiel kann die erste Klebstoffschicht eine erste Brechzahl aufweisen, die eingerichtet ist einer Brechzahl von mindestens einem von dem ersten Optikelement und dem zweiten Optikelement zu entsprechen oder niedriger zu sein als eine Brechzahl des zweiten Optikelements, wobei das zweite Optikelement ein Wellenleiter ist.
In einem Beispiel kann die erste Klebstoffschicht eine Transmittanz aufweisen, die eingerichtet ist, Licht im sichtbaren Spektralbereich im Wesentlichen nicht zu absorbieren.
In einem Beispiel kann die Klebstoffschicht zu einer Deformation eingerichtet sein, wobei die Deformation der ersten Klebstoffschicht eingerichtet sein kann, eine Deformation des ersten Optikelements und des zweiten Optikelements auszugleichen.
In einem Beispiel kann die erste Klebstoffschicht eingerichtet sein, ein Biegemoment zu erzeugen, das eingerichtet ist, einem Biegemoment entgegenzuwirken, das durch eine Wärmeausdehnung des ersten Optikelements und des zweiten Optikelements erzeugt wird.
In einem Beispiel kann das optische System weiter ein drittes Optikelement und eine zweite Klebstoffschicht umfassen, wobei die zweite Klebstoffschicht zwischen dem zweiten Optikelement und dem dritten Optikelement angeordnet sein kann und eingerichtet sein kann, das zweite Optikelement und das dritte Optikelement zu verbinden, wobei die zweite Klebstoffschicht einen zweiten Steifigkeitsgradienten aufweisen kann, der von einem Rand des optischen Systems zu einem thermischen Expansionszentrum des optischen Systems zeigt, und wobei die erste Klebstoffschicht und die zweite Klebstoffschicht eingerichtet sein können, ein kombiniertes Biegemoment zu erzeugen, das eingerichtet ist, einem Biegemoment entgegenzuwirken, das durch eine Wärmeausdehnung des ersten Optikelements des zweiten Optikelements und des dritten Optikelements erzeugt wird.
In einem Beispiel können die erste Klebstoffschicht und die zweite Klebstoffschicht eine Brechzahldifferenz zueinander aufweisen, welche umgekehrt proportional zu einem Öffnungswinkel eines transmittierenden Lichtkegels ist.
In einem Beispiel kann das erste Optikelement einen ersten thermischen Längenausdehnungskoeffizienten aufweisen, kann das zweite optische Element einen zweiten thermischen Längenausdehnungskoeffizienten aufweisen, und können der erste thermische Längenausdehnungskoeffizient und der zweite thermische Längenausdehnungskoeffizient voneinander unterschiedlich sein.
In einem Beispiel können das erste Optikelement und das zweite Optikelement eines sein von einem einteiligen Optikelement und einem mehrteiligen Optikelement.
In einem Beispiel kann das erste Optikelement eine Linse sein, kann das zweite Optikelement ein Wellenleiter sein, und kann die erste Klebstoffschicht eingerichtet sein, eine Totalreflexion bereitzustellen, die einer Totalreflexion des Wellenleiters entspricht.
In einem Beispiel kann die erste Klebstoffschicht einen ersten Bereich und einen zweiten Bereich aufweisen und weiter eingerichtet sein in dem ersten Bereich eine erste Bereichsbrechzahl aufzuweisen, die die Totalreflexion in dem ersten Bereich des optischen Systems bereitstellt, und in dem zweiten Bereich eine zweite Bereichsbrechzahl aufzuweisen, welche größer oder gleich der ersten Bereichsbrechzahl ist.
Die vorangegangene Beschreibung wurde bereitgestellt, um ein optisches System mit einer Klebstoffschicht mit einem Steifigkeitsgradienten zu beschreiben. Es sollte verstanden werden, dass die Beschreibung in keiner Form beabsichtigt ist, den Umfang der Erfindung auf die genauen Ausführungsformen zu beschränken, die in dieser Beschreibung besprochen worden sind. Vielmehr wird der Fachmann erkennen, dass Ausführungsformen kombiniert, modifiziert oder vereinfacht werden können ohne sich vom Umfang der Erfindung, wie er durch die nachfolgenden Ansprüche definiert ist, zu entfernen.

Claims

Optisches System, umfassend: ein erstes Optikelement und ein zweites Optikelement; und eine erste Klebstoffschicht, wobei die erste Klebstoffschicht: zwischen dem ersten Optikelement und dem zweiten Optikelement angeordnet ist und eingerichtet ist, das erste Optikelement und das zweite Optikelement zu verbinden, und die erste Klebstoffschicht einen ersten Steifigkeitsgradienten aufweist, der von einem Rand des optischen Systems zu einem thermischen Expansionszentrum des optischen Systems zeigt.
Optisches System nach Anspruch 1, wobei: die erste Klebstoffschicht in dem thermischen Expansionszentrum ein Steifigkeitsmaximum aufweist, wobei das Steifigkeitsmaximum eingerichtet ist, die Verbindung zwischen dem ersten Optikelement und dem zweiten Optikelement zu sichern, und der erste Steifigkeitsgradient eine optische Funktion des optischen Systems gewährleistet.
Optisches System nach irgendeinem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der erste Steifigkeitsgradient kontinuierlich ist.
Optisches System nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 2, wobei der erste Steifigkeitsgradient diskret ist.
Optisches System nach irgendeinem der vorangegangenen Ansprüche wobei die erste Klebstoffschicht eine Vielzahl von Klebstoffzonen umfasst, die lateral aneinander angrenzend angeordnet sind.
Optisches System nach Anspruch 5, wobei Klebstoffzonen der Vielzahl von Klebstoffzonen, die auf beiden Seiten lateral angrenzend an weitere Klebstoffzonen der Vielzahl von Klebstoffzonen angeordnet sind, eingerichtet sind, eine innere Spannung in Kompression umzuwandeln.
Optisches System nach Anspruch 6, wobei die erste Klebstoffschicht eine Querkontraktionszahl von weniger als 0,45 aufweist.
Optisches System nach irgendeinem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die erste Klebstoffschicht eine erste Brechzahl aufweist, die eingerichtet ist: einer Brechzahl von mindestens einem von dem ersten Optikelement und dem zweiten Optikelement zu entsprechen; oder niedriger zu sein als eine Brechzahl des zweiten Optikelements, wobei das zweite Optikelement ein Wellenleiter ist.
Optisches System nach irgendeinem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die erste Klebstoffschicht eine Transmittanz aufweist, die eingerichtet ist, Licht im sichtbaren Spektralbereich im Wesentlichen nicht zu absorbieren.
Optisches System nach irgendeinem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Klebstoffschicht zu einer Deformation eingerichtet ist, wobei die Deformation der ersten Klebstoffschicht eingerichtet ist, eine Deformation des ersten Optikelements und des zweiten Optikelements auszugleichen.
Optisches System nach irgendeinem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die erste Klebstoffschicht eingerichtet ist, ein Biegemoment zu erzeugen, das eingerichtet ist, einem Biegemoment entgegenzuwirken, das durch eine Wärmeausdehnung des ersten Optikelements und des zweiten Optikelements erzeugt wird.
Optisches System nach irgendeinem der vorangegangenen Ansprüche, weiter umfassend ein drittes Optikelement und eine zweite Klebstoffschicht, wobei: die zweite Klebstoffschicht zwischen dem zweiten Optikelement und dem dritten Optikelement angeordnet ist und eingerichtet ist, das zweite Optikelement und das dritte Optikelement zu verbinden, die zweite Klebstoffschicht einen zweiten Steifigkeitsgradienten aufweist, der von einem Rand des optischen Systems zu einem thermischen Expansionszentrum des optischen Systems zeigt, und die erste Klebstoffschicht und die zweite Klebstoffschicht eingerichtet sind, ein kombiniertes Biegemoment zu erzeugen, das eingerichtet ist, einem Biegemoment entgegenzuwirken, das durch eine Wärmeausdehnung des ersten Optikelements des zweiten Optikelements und des dritten Optikelements erzeugt wird.
Optisches System nach irgendeinem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die erste Klebstoffschicht und die zweite Klebstoffschicht eine Brechzahldifferenz zueinander aufweisen, welche umgekehrt proportional zu einem Öffnungswinkel eines transmittierenden Lichtkegels ist.
Optisches System nach irgendeinem der vorangegangenen Ansprüche, wobei: das erste Optikelement einen ersten thermischen Längenausdehnungskoeffizienten aufweist, das zweite Optikelement einen zweiten thermischen Längenausdehnungskoeffizienten aufweist, und der erste thermische Längenausdehnungskoeffizient und der zweite thermische Längenausdehnungskoeffizient voneinander unterschiedlich sind.
Optisches System nach irgendeinem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das erste Optikelement und das zweite Optikelement eines sind von einem einteiligen Optikelement und einem mehrteiligen Optikelement.
Optisches System nach irgendeinem der vorangegangenen Ansprüche, wobei: das erste Optikelement eine Linse ist, das zweite Optikelement ein Wellenleiter ist, und die erste Klebstoffschicht eingerichtet ist, eine Totalreflexion bereitzustellen, die einer Totalreflexion des Wellenleiters entspricht.
Optisches System nach Anspruch 16, wobei die erste Klebstoffschicht einen ersten Bereich und einen zweiten Bereich aufweist und weiter eingerichtet ist: in dem ersten Bereich eine erste Bereichsbrechzahl aufzuweisen, die die Totalreflexion in dem ersten Bereich des optischen Systems bereitstellt, und in dem zweiten Bereich eine zweite Bereichsbrechzahl aufzuweisen, welche größer oder gleich der ersten Bereichsbrechzahl ist.