WO2025099316A1 - High-resolution holocam by way of free-form exposure - Google Patents
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- G02B27/42—Diffraction optics, i.e. systems including a diffractive element being designed for providing a diffractive effect
- G02B27/4272—Diffraction optics, i.e. systems including a diffractive element being designed for providing a diffractive effect having plural diffractive elements positioned sequentially along the optical path
Definitions
- the present invention relates to imaging systems, e.g., for holocams, in particular RGB holocams.
- imaging systems based on a diffraction-based input coupling element (EE) for coupling light incident on the EE into the imaging system for redirection to a corresponding diffraction-based output coupling element (AE), e.g., via total internal reflection within a waveguide.
- EE diffraction-based input coupling element
- AE diffraction-based output coupling element
- Diffraction-based optical elements such as gratings or holograms, are primarily used to redirect light incident on the optical elements. This allows, for example, customized imaging systems to be created.
- diffraction-based EE and AE which may include, for example, holographic optical elements
- AE holographic optical elements
- DE 10 2013 223 964 B3 relates to an imaging optics for a display device that can be placed on the head of a user and generates an image, comprising an optical element that has an entrance surface and a spectacle lens that has a coupling-out section, wherein the imaging optics is suitable for guiding the generated image, which is fed to the optical element via the entrance surface, in the optical element, coupling it from there into the spectacle lens, in which it is guided to the coupling-out section and via the coupling-out section to generate a virtual image is coupled out, characterized in that the optical element has, in addition to the entrance surface, at least one reflective surface on which the generated image is reflected for guidance in the optical element, and in that the optical element (8) and the spectacle lens are formed together as a one-piece optical part.
- the DE 102015 114833 Ai relates to a spectacle lens for imaging optics for generating a virtual image.
- the spectacle lens has an inner surface and an outer surface.
- the spectacle lens contains an input coupling section for coupling in an imaging beam path and an output coupling structure for outputting the imaging beam path.
- the input coupling section is arranged such that an imaging beam path is guided to the output coupling structure by reflections between the inner surface and the outer surface.
- An edge adjustment is present between the input coupling section and the output coupling structure, which is realized by a corresponding shaping of the inner surface.
- the curvature of the inner surface in the area through which the eye looks when viewing straight ahead is so closely approximated to the curvature of a conventional spectacle lens inner surface that it does not induce any perceptible optical aberrations when viewing straight ahead.
- the inner surface In the area of the edge adjustment, the inner surface has a shape that deviates significantly from the curvature of the usual inner surface, allowing the imaging beam path coupled into the lens to be guided to the outcoupling structure via reflections.
- the entire inner surface is described by a single freeform surface.
- DE 102019 102604 Ai relates to a functionalized waveguide for a detector system, wherein the waveguide has a transparent base body with a front side and a back side, wherein the base body has a partially transparent coupling-in region and a coupling-out region spaced therefrom in a first direction, wherein the coupling-in region comprises a diffractive structure which deflects only a part of the radiation coming from an object to be detected and striking the front side in such a way that the deflected part propagates as coupled-in radiation in the base body by reflections to the coupling-out region and strikes the coupling-out region, wherein the coupling-out region deflects at least a part of the coupled-in radiation striking it in such a way that the deflected part exits the base body via the front or back to strike the detector system, wherein the extent of the coupling-in region in a second direction transverse to the first direction is greater than the extent of the coupling-out region in the second direction.
- US 2010/0214659 Ai relates to a diffractive beam expander comprising a substantially planar waveguide substrate, an input grating for generating an input beam propagating in the substrate, and an output grating for generating an output beam.
- the expander further comprises four or more further grating sections to increase the height of the input beam.
- a portion of the input light is diffracted by a first deflection grating section to generate a first deflected beam.
- a portion of the input light is refracted by a second deflection grating section to generate a second deflected beam.
- the first deflected beam propagates downwardly, and the second deflected beam propagates upwardly with respect to the input beam.
- the first deflected beam impinges on a first direction-restoring grating section, and the second deflected beam impinges on a second direction-restoring grating section.
- the first direction-restoring grating section provides a first restored beam
- the second direction-restoring grating section provides a second restored beam, both of which have the same direction as the input beam.
- the output coupling provides an output beam that is parallel to the input beam and has a larger vertical dimension than the input beam.
- the present invention is therefore based on the object of at least partially improving corresponding imaging systems.
- An imaging system comprises a diffraction-based input coupling element (EE) and a diffraction-based output coupling element (AE).
- the EE is configured to at least partially redirect light incident on the EE from a field of view of the EE to the AE to redirect.
- the AE is configured to at least partially decouple the redirected light, with the redirected light from different areas of the EE's field of view traveling different optical path lengths through the imaging system.
- the imaging system also has at least one non-rotationally symmetric optical element configured to manipulate light non-rotationally symmetrically to reduce a path-length-dependent aberration error.
- the quality of the image can be improved and/or the size of the field of view can be increased with acceptable aberration error.
- the aberration error described herein can, in particular, include path-length effects (e.g., described herein). Reducing the aberration error can, for example, be understood as meaning that an aberration error is reduced (even) for rays of the same wavelength that traverse different optical path lengths through the imaging system, e.g., because they impinge on the EE at different angles or from different areas of the EE's field of view.
- Fig. 1a schematically shows a view of the imaging system 10 with the EE 20 and an output coupling element, AE, 40 in the x-z plane.
- the imaging system 10 further comprises a waveguide 30 with a cross-section in the x-z plane in the shape of a rectangle elongated in the z direction and a detection system 50, which may include, for example, a sensor and/or a lens.
- the EE 20 is located at the upper end of the waveguide 30 on the left side of the waveguide 30, and the AE 40 is located at the lower end of the waveguide 30 on the right side of the waveguide 30.
- the EE 20 and AE 40 may, in certain exemplary embodiments, comprise holographic optical elements.
- Such EE 20 and/or AE 40 are However, this is to be understood purely as an example: They can still differ in their (relative) positioning from the embodiment shown. Alternatively, they can be placed on the same side of the waveguide 30 (e.g. along the x-axis: to the left or right of the waveguide 30, e.g. along the y-axis in the middle or offset therefrom, e.g. at the edge of the waveguide 30 and e.g. along the z-axis: at the top, center or bottom of the waveguide 30). They can be configured to redirect light into reflection, as shown by way of example in Fig.
- the EE 20 and/or the AE 40 could, with the same, similar or different placement, be configured to redirect light into transmission and for this purpose have a reflective side, so that light can enter the EE 20 and/or the AE 40 from a front side and pass through it, be reflected at the back of the latter and be redirected into transmission when it exits the front side.
- the EE 20 and/or the AE 40 can be configured, e.g., in a geometry analogous to Fig. 1a, to redirect light in transmission.
- the EE 20 and/or the AE 40 can be mounted, e.g., on the respective opposite side of the waveguide 30 (in the example shown, the EE 20 is on the right and the AE 40 is on the left of the waveguide 30). If the EE 20 and/or the AE 40 is mounted on the opposite side (in the example shown, the EE 20 on the right and the AE 40 on the left) of the waveguide 30 (compared to the position shown in Fig.
- the EE 20 and/or the AE 40 can be configured to redirect light as follows:
- the EE 20 and/or the AE 40 can, for example, have a reflective side for this purpose, so that light can enter the EE 20 and/or the AE 40 from a front side and pass through it, be reflected at its rear side and be redirected in reflection upon impact on the front side.
- the EE 20 and the AE can redirect light in the same or a similar way (e.g., reflection or transmission) or in different ways.
- the EE 20 has a vertical field of view, v-FOV.
- the light incident from the v-FOV is deflected by the EE 20 into the waveguide 30, as schematically shown by the black arrows.
- the deflected light reaches the AE 40 via total internal reflection.
- the light can, for example, reach the AE 40 with more, fewer, or even no reflections within the waveguide 30.
- the reflection within the waveguide 30 shown in Fig. 1a is It is shown in a highly simplified manner and serves only to illustrate the basic concept of internal reflection in Fig. 1a.
- Figs. 2a - 2c show a more complete representation of the light path in waveguide 30.
- the EE 20, the waveguide 30 and the AE 40 are coordinated in their respective shape, extent, relative position and/or relative orientation such that the deflected light from the EE 20 reaches the AE 40 as efficiently as possible, from where the deflected light is at least partially coupled out to the detection system 50, as schematically shown by the black arrows.
- the deflection of light by the EE 20 and the AE 40 can depend on the angle of incidence of the incoming light, e.g. in that the deflection angle and/or the spectral distribution of the deflected light depends on the angle of incidence and/or only a part of the light reaches the AE 40.
- Fig. 1b schematically shows a cross-sectional view of the imaging system 10 from Fig. 1a in the x-y plane, so that in particular the horizontal field of view, h-FOV, of the EE 10 can be represented.
- Fig. 1b shows the horizontal coupling to the EE 20 and the horizontal coupling from the AE 40 to the detection system 50, while Fig. 1a best illustrates the vertical components.
- Fig. 1c schematically shows a cross-sectional view of the imaging system 10 from Figs. 1a and 1b in the yz-plane.
- the EE 20 is elongated in one direction, in this example along the y-axis, and has a shorter length in the direction perpendicular thereto, in this example along the z-axis, in the plane of the waveguide 30.
- the EE cross-section in the form of an elongated rectangle defines the region in which light incident on the EE 20 is at least partially deflected within the waveguide 30.
- Imaging systems as described in Figs. 1a to 1c are sometimes modified in the prior art by using multiple parallel holograms as EE and/or by using RGB holograms as EE and/or AE instead of simple monochromatic holograms. These exhibit the following problem, which is related to how light travels from the EE to the AE depending on its angle of incidence:
- Figs. 2a - 2c show the same imaging system 10 as Figs. 1a - 1c (in the same view as Fig. 1a, in the xz plane).
- the comparison of the three Figs. 2a - 2c exemplifies the problem existing in the prior art and at least partially solved by this invention:
- the light is incident on the EE 20 at a positive angle a v ,i and is then redirected into the waveguide 30 such that it reaches the AE 40 via two reflections at the side surfaces of the waveguide 30.
- the path of the redirected light in the direction of the redirected light after the first redirection by the EE 20 is extrapolated to show the entire distance traveled by the light within the waveguide 30.
- This distance corresponds to the optical path length through the imaging system for the corresponding region of the field of view of the EE or the associated direction of incidence and ends in the illustrative representation at the location of the equivalent AE 40a.
- This additional illustration does not represent an actual light path or actual elements, but merely serves to illustrate the overall path that the light travels within the waveguide 30.
- the path of the redirected light in the direction of the redirected light after the first redirection by the EE 20 is extrapolated to show the entire distance traveled by the light within the waveguide 30.
- This distance corresponds to the optical path length through the imaging system for the corresponding region of the field of view of the EE or the associated direction of incidence and ends in the illustrative representation at the location of the equivalent AE 40b.
- This additional representation again does not represent an actual light path or actual elements, but merely serves to illustrate the overall path that the light travels within the waveguide 30.
- the light is incident on the EE 20 at a negative angle a v , 3 and is then redirected into the waveguide 30 so that it reaches the AE 40 through six reflections at the side surfaces of the waveguide 30.
- the path of the redirected light in the direction of the redirected light after the first redirection by the EE 20 is extrapolated to show the entire distance traveled by the light within the waveguide 30.
- This distance corresponds to the optical path length through the imaging system for the corresponding region of the field of view of the EE or the associated direction of incidence and ends in the illustrative representation at the location of the equivalent AE 40c.
- This additional representation again does not represent an actual light path or actual elements, but merely serves to illustrate the overall path that the light travels within the waveguide 30.
- FIG. 2a - 2c illustrate, in comparison to each other, that different angles of incidence of the light from the field of view of the EE or the imaging system 10 result in different equivalent distances of the AE 40 or different optical path lengths through the imaging system, as shown at the positions of the equivalent AE 40a, 40b, 40c.
- the resulting optical path length difference scales in the example of Fig. 2a - 2c with the thickness of the Waveguide 30 and can be applied analogously to imaging systems in which the waveguide 30 is in the form of a cavity delimited on at least two sides, e.g. by planar elements (not shown).
- 2a - 2c are, for example, so-called deflection holograms that diffract or deflect light but have no refractive properties, i.e. they do not focus or scatter the light.
- deflection holograms that diffract or deflect light but have no refractive properties, i.e. they do not focus or scatter the light.
- path length-dependent aberration errors therefore inevitably occur:
- Such an exemplary objective (or any other suitable optics) can only correctly focus and/or image light from one angle. If such an objective is correctly adjusted for one angle of incidence, blurring and/or imaging errors occur at other angles.
- Fig. 3a shows the imaging system 10 from Fig. 1a for the light that strikes the input coupling element 20 at a positive angle a v ,i and the input coupling element 20 and the output coupling element 40 additionally have the function of spherical lenses.
- Fig. 3c shows the imaging system 10 from Fig. 3a for the light that strikes the input coupling element 20 at a negative angle a v>3 .
- Figs. 3a - 3c represent the same imaging system as Figs. 2a - 2c, but with the difference that the EE 20 and the AE 40 comprise a spherical lens function, so that the image of a point of the object 60 to be imaged, depending on the angle of incidence a v ,i, c v ,2, a v , 3, is collimated by the EE 20 and deflected within the waveguide as in Figs. 2a - 2c via internal reflection to the AE 40.
- the AE 40 then generates an image of the object 6o', which can be recorded by the detection system 50.
- aberration errors also occur in this constellation and the focal length is too short in Fig. 3a and too long in Fig. 3c. Therefore, path length-dependent Aberration errors and the image quality deteriorates increasingly towards the edges of the field of view of the imaging system 10.
- the image of object 6o' is shown in Fig. 3a - 3c at the same "target" position.
- the points in Fig. 3a and 3c at which the image is created would therefore lie in the "target plane.”
- the distances Ax a (in Fig. 3a) result, where the focus of the deflected light is closer to the AE 40 than the "target” plane
- Ax c (in Fig. 3c) result, where the "target" plane is closer to the AE 40 than the focus of the deflected light. Therefore, it can be schematically seen from Fig. 3a - 3c that different degrees of aberration errors can occur in the various regions of the field of view.
- the inventors of the present invention have come to the realization that path-length-dependent aberration errors are so difficult to compensate for, among other reasons, because, in contrast to conventional lenses, for example, the system described is a so-called "off-axis" system: light from different angles of incidence or different areas of the EE's field of view takes different optical path lengths through the system. Based on this new understanding, the inventors have recognized that it is generally necessary to use non-rotationally symmetric optical elements rather than simple lenses to reduce this path-length-dependent aberration error. This can, for example, improve the image quality and sharpness.
- the non-rotationally symmetrical optical element can have diffractive (e.g., if the non-rotationally symmetrical optical element comprises a hologram) and/or refractive (e.g., if the non-rotationally symmetrical optical element comprises a freeform lens) properties.
- the manipulation of the light across its entire beam cross-section can include redirecting and/or focusing and/or scattering, wherein the focusing and/or scattering occurs non-rotationally symmetrically.
- the imaging system can, for example, comprise exactly one (e.g., spatially coherent) non-rotationally symmetrical optical element.
- Exactly one non-rotationally symmetric optical element or the plurality of non-rotationally symmetric optical elements can be configured to manipulate the light deflected to the AE (essentially) completely, e.g. over its entire beam cross-section, in a non-rotationally symmetric manner.
- dispersion-related aberrations rather than path-length-dependent aberrations.
- these can involve different problems or effects:
- the path-length-dependent aberration is due to the fact that light from different areas of the EE's field of view travels different optical path lengths through the imaging system.
- Dispersion effects result from the fact that different wavelengths from the same area of the EE's field of view are deflected differently by the EE.
- the reduction of the aberration error by the non-rotationally symmetric optical element can, for example, comprise a first adjustment of a first focal length for a first outcoupling direction associated with a first region of the field of view of the EE (with a first optical path length through the imaging system). It can also comprise a second adjustment of a second focal length for a second outcoupling direction associated with a second region of the field of view of the EE (with a second optical path length).
- the first adjustment and the second adjustment and/or the first focal length and the second focal length can be different and/or adjusted to the corresponding first and/or second optical path length through the imaging system.
- the EE and/or the AE may comprise the at least one non-rotationally symmetric optical element.
- this represents an advantageous, space- and material-saving possibility to carry out not only the diffraction of light but also the refraction of light by the EE and/or AE This can reduce the space requirements, costs and/or labor required to manufacture the imaging system, etc.
- diffraction or redirection of light involves a change in the direction of light, as can be achieved, for example, by holograms illuminated with two plane waves.
- Non-rotationally symmetric optical manipulation of light can be essentially independent of this and involve focusing and/or scattering light. This manipulation can be performed by the same or a separate hologram.
- the EE and/or the AE comprises a holographic optical element:
- the non-rotationally symmetric optical properties (for non-rotationally symmetric manipulation of light in order to reduce a path-length-dependent aberration error) in addition to the diffraction properties can in principle be inscribed into the EE and/or the AE by exposure to a plane wave and a point wave using conventional methods for exposing holograms.
- the plane and/or the point wave can comprise a freeform exposure, e.g. as described herein.
- holographic) AE can comprise a holographic element and the non-rotationally symmetric optical element.
- the diffraction properties of the diffraction-based EE and/or AE and the non-rotationally symmetric properties of the non-rotationally symmetric optical element can be equally inscribed in the (e.g., holographic) EE and/or the (e.g., holographic) AE, e.g., in an identical hologram of the holographic EE and/or the holographic AE.
- the EE and/or the AE itself can be transmissive or reflective.
- a non-rotationally symmetric optical function can be configured to be transmissive or reflective. For example, one can write a freeform lens function (transmission) and/or a freeform mirror function (reflection) into the EE and/or the AE.
- the statements herein regarding the fabrication and properties of the EE and/or AE can also be transferred to the non-rotationally symmetric optical element, which can be manufactured analogously (e.g., as a hologram).
- the imaging system may be configured such that the EE and/or the AE comprises a three- or multi-color holographic optical element, preferably an RGB holographic optical element.
- RGB holograms in particular, have proven advantageous for this purpose, as they cover the visible spectral range effectively and can redirect light of different wavelengths in the desired direction.
- the EE and/or the AE can be produced by means of at least one freeform exposure.
- Freeform exposure can be controlled as described herein, e.g., using diffractive optically transparent components, refractive and/or diffractive hybrid optics and lenses, and/or spatial light modulators.
- optical elements such as aspherical lenses, integrated lens systems, diffractive optics, Fresnel lenses, off-axis parabolic mirrors, cylindrical lenses, gradient index lenses (GRISM), total internal reflection lenses (TIR), prisms, reflective optics, mirrors, cube optics, lens arrays, moth-eye optics, optical combiners, freeform optics, collimating lenses, and/or grating structures can be used to adjust the freeform exposure as desired and thus to control the non-rotationally symmetric to determine the optical properties of the non-rotationally symmetric optical element.
- GRISM gradient index lenses
- TIR total internal reflection lenses
- the non-rotationally symmetric optical element may be configured to at least partially focus and/or disperse light incident on the non-rotationally symmetric optical element.
- the imaging system may comprise at least two non-rotationally symmetric optical, e.g., reflective, elements, wherein the at least two non-rotationally symmetric optical elements may be coordinated with one another and configured to create an image of the field of view.
- the at least two non-rotationally symmetric optical elements may be coordinated with one another and configured to create an image of the field of view.
- the matching can be advantageous in that a first non-rotationally symmetric optical element, for example, to improve the aberration error at the edges of the field of view can lead to a deterioration of the aberration error in the center of the field of view, which, in this example, can be compensated for by a second non-rotationally symmetric optical element.
- the aberration error as described herein, can be kept below an acceptable threshold over the largest possible field of view.
- the imaging system may have a field of view of at least 50° by 25 ° , preferably at least 60° by 50°.
- the at least one non-rotationally symmetric optical element can be configured to reduce the path-length-dependent aberration error such that it is below a predefined value of 10 times the wavelength of the deflected light in the field of view on average (e.g., RMS (root mean square) error), preferably below a predefined value of 6 times the wavelength of the deflected light.
- the aberration here can be defined, for example, as the difference between the actual wavefront and the ideal wavefront. Typically, it is expressed in units of wavelength, and the root mean square over the field of view of the imaging system can representatively express the aberration of the imaging system in one value.
- an aberration expressed in this way by the solution according to the invention lies in a range of 0.3 to 6 times the wavelength of the deflected light. This corresponds to a significant reduction compared to an identical system that does not require a non-rotationally symmetric optical element, by a factor of at least 5, at least 10, or even at least 20.
- the specified maximum values for aberration errors allow for high image quality imaging that meets a user's standard, thus improving user satisfaction and the applicability of conventional image post-processing techniques that may require a minimum level of image quality.
- the imaging system may further comprise a waveguide.
- the waveguide can be arranged in relation to the EE and AE, for example, as shown in Figs. 1a - 3c, and can represent an advantageous way to fix the EE and AE in their relative position in a reliable, space-saving, and cost-effective manner.
- Waveguides can, for example, be made at least partially of glass and/or Plastics, etc. and/or can be tailored to the specific application in terms of their shape, size, surface quality, material composition and/or (spectrally dependent) transparency/light transmittance.
- This application can be, for example, the integration of the imaging system into a screen (where the waveguide can be, for example, part of the screen of a computer, a clock face/screen and/or a mobile phone), in windows (where the waveguide can be, for example, part of the windshield and/or another pane of a vehicle and/or a window of a building and/or a display) and/or in glasses (where the waveguide can be, for example, part of the lens of the glasses).
- a screen where the waveguide can be, for example, part of the screen of a computer, a clock face/screen and/or a mobile phone
- windows where the waveguide can be, for example, part of the windshield and/or another pane of a vehicle and/or a window of a building and/or a display
- glasses where the waveguide can be, for example, part of the lens of the glasses.
- the EE may be configured to at least partially couple light incident on the EE, preferably of at least two wavelengths, wherein the incident light of the two wavelengths preferably strikes the EE from the same direction, from a field of view of the EE into the waveguide.
- the waveguide which defines the stability and basic geometry of the system can be used for light transmission, providing an efficient, space-saving, and cost-saving solution.
- the coupled light can then be redirected, for example, as explained below.
- the EE may be configured to redirect the EE incident light from the field of view to the AE at least partially via internal reflection in the waveguide.
- the angle between the light deflected by the EE and the surfaces of the waveguide can be adjusted, e.g. by illuminating the EE and/or the relative attachment or positioning on the waveguide, so that the deflected light reaches the AE via total internal reflection, which can lead to no, negligible and/or only small losses of light intensity within the waveguide.
- the AE may be configured to at least partially couple deflected light of at least two wavelengths out of the waveguide.
- the AE if it comprises, for example, a holographic optical element, can be illuminated at two wavelengths, preferably from the same direction, to couple out both the light of a first wavelength and the light of a second wavelength in a desired direction. This can enable images with a greater color diversity.
- the light incidence can be selected such that a portion of the light with the first wavelength and a portion of the light with the second wavelength strike the EE and/or AE to be exposed from the same direction.
- three wavelengths red, green and blue (RGB) are often selected in order to write an RGB hologram.
- Imaging systems with such EE and/or AE are then configured, as described herein, to couple light of at least two wavelengths incident on the EE, with the incident light of the two wavelengths preferably striking the EE from the same direction, from a field of view of the EE at least partially into the waveguide and to couple out the deflected light of the first and second wavelengths accordingly in a desired direction.
- RGB EE and/or AE for three-color light or to multi-color EE and/or AE for four- or multi-color light.
- the AE may have a smaller surface area than the EE.
- the size of the EE affects the size of the field of view. This means that the larger the EE, the larger the field of view can be, which is generally preferred.
- the size of the AE determines the beam cross-section of the outcoupled light. Therefore, the smaller the AE, the smaller the aperture of the lens and/or a detection system can be selected for image acquisition, which can generally have a positive effect on image quality.
- the waveguide may have a first and a second surface opposite the first, which may preferably be separated from each other by a substantially constant layer thickness.
- Such waveguides can therefore be particularly well suited to guide the deflected light from the EE to the AE in a controlled manner by total internal reflection and with low losses, which can have a positive effect on the efficiency and image quality of the imaging system.
- EE may be arranged substantially at the first surface of the waveguide and/or AE may be arranged substantially at the second surface of the waveguide.
- the EE and AE are arranged on opposite sides of the waveguide, the redirection of light from the EE to the AE is possible without reflection or by reflection within the waveguide.
- the EE and AE can be positioned and oriented relative to each other in the waveguide plane to optimize the deflection from the EE to the AE.
- the EE and AE can, for example, be attached to an outer surface of the waveguide, integrated into the waveguide, etc.
- Any holograms in examples where the EE and/or the AE comprise holograms can be a transmission or reflection hologram and can also be embedded in the pane or between two panes (e.g., laminated glass).
- the imaging system may further comprise an objective lens, wherein the objective lens may be configured to at least partially influence light coupled out from the AE.
- a lens can compensate for the aberration of the image and thus improve the image quality.
- the function of the lens can also be at least partially integrated into the AE, e.g. by the AE not only redirecting the light in that the direction of the redirected light is changed so that it is coupled out to the sensor, but that the AE also has a focusing and/or dispersing function, so that the AE alone or in combination with a lens applies the light appropriately to the sensor.
- the objective lens may comprise the at least one and/or another non-rotationally symmetric optical element, which may be configured to reduce the path length-dependent aberration error.
- Another non-rotationally symmetric optical element offers additional valuable degrees of freedom to reduce the path length-dependent aberration error and can thus further improve image quality.
- Another aspect relates to a system that may include an imaging system as described herein and a sensor, wherein the AE may be configured to at least partially couple the deflected light to the sensor.
- the sensor can be a suitable component directly integrated with the imaging system, enabling digital recording of the image created by the imaging system. This can enable digital post-processing and/or merging of the light contributions collected and redirected by the various EEs.
- the superposition of identical and/or similar points in the images based on the light coming from different EEs on the sensor can be digitally processed and, if necessary, used to create the final image with post-image corrections. For example, shifts, distortions, different scaling, etc., can be compensated for using this digital processing, creating a coherent combined image.
- Fig. 1a shows a schematic view of an imaging system with an input coupling element and an output coupling element in the x-z plane.
- Fig. ib shows a schematic view of an imaging system with an input coupling element and an output coupling element in the x-y plane.
- Fig. ic shows a schematic view of an imaging system with an input coupling element and an output coupling element in the y-z plane.
- Fig. 2a shows the imaging system of Fig. 1a for the light that hits the coupling element at a positive angle a v ,i.
- Fig. 2c shows the imaging system from Fig. 1a for the light that hits the coupling element at a negative angle a v>3 .
- Fig. 3a shows the imaging system of Fig. 1a for the light which strikes the input coupling element at a positive angle a v ,i and the input coupling element and the output coupling element comprise a rotationally symmetric refractive element.
- Fig. 3c shows the imaging system of Fig. 1a for the light which strikes the input coupling element at a negative angle a v>3 and the input coupling element and the output coupling element comprise a rotationally symmetric refractive element.
- Fig. 4a shows a schematic view of an imaging system with an input coupling element, an output coupling element and a waveguide with a wedge-shaped cross-section in the xz-plane.
- Fig. 4b shows a schematic view of an imaging system with an input coupling element, an output coupling element and a waveguide curved in the x-z plane.
- Fig. 5 shows three possibilities for freeform exposure of holographic optical elements.
- Fig. 6a shows a schematic view of an imaging system with an EE and an AE in the x-z plane, where the EE and the AE each comprise a non-rotationally symmetric optical element so that the aberration error is reduced for four exemplary angles of incidence on the EE.
- Fig. 6b shows the aberration error as a function of position in a large field of view for an imaging system without a non-rotationally symmetric optical element.
- Fig. 6c shows the aberration error as a function of position in a small field of view for an imaging system with a non-rotationally symmetric optical element.
- Fig. 6d shows the aberration error as a function of position in a large field of view for an imaging system with a non-rotationally symmetric optical element.
- Fig. 6e shows the aberration error as a function of position in a large field of view for an imaging system with two non-rotationally symmetric optical elements.
- Fig. 7a shows an example of diffraction or redirection of light in contrast to the refraction in Fig. 7b.
- Fig. 7b shows an example of refraction of light in contrast to the diffraction or deflection in Fig. 7a.
- Fig. 8a shows an exemplary non-rotationally symmetric optical element, which can be comprised, for example, by a coupling element.
- Fig. 8b shows an exemplary non-rotationally symmetric optical element, which can be comprised, for example, by an outcoupling element.
- Fig. 4a shows a view of an imaging system 10 with an EE 20, an AE 40, and a waveguide 30 with a wedge-shaped cross-section in the x-z plane.
- the two side surfaces of the waveguide 30, to which either the EE 20 or the AE 40 is attached, are not parallel to each other.
- the AE 40 couples the deflected light, as described herein, to the detection system 50, which may include, for example, a sensor and/or a lens.
- Fig. 4b schematically shows a view of an imaging system 10 with an EE 20, an AE 40, and a waveguide 30 curved in the xz-plane.
- the exemplary waveguide 30 has a constant thickness and a curvature in the xz-plane. Additionally or alternatively, the waveguide 30 could also have a curvature in the xy- and/or yz-plane. The respective curvature could be uniform or non-uniform on different sections of the waveguide 30, up to and including completely irregular curvatures.
- the AE 40 couples the deflected light, as described herein, to the detection system 50, which may comprise, for example, a sensor and/or a lens.
- Fig. 5 shows three possibilities for freeform exposure of holographic optical elements. This can be applied, for example, in the exposure of an EE 20, an AE 40, and/or a non-rotationally symmetric optical element optionally included in the lens.
- the following exemplary explanation is directed to holographic optical EE 20, AE 40, and/or non-rotationally symmetric optical elements included in the lens.
- Holographic optical elements can comprise, for example, thin layers.
- the hologram can be written, for example, into such a thin layer, e.g., a photoemulsion coated on the surface of a photographic plate, and/or photopolymers (photosensitive polymers containing one or more light-sensitive molecular groups that react to exposure in such a way that a photo-induced rearrangement of functional groups leads, for example, to a change in the optical and/or mechanical properties).
- the thin layer can comprise, for example, a carrier medium such as gelatin with embedded light-sensitive halides such as silver chloride, silver bromide, or silver iodide.
- the impact of photons can lead to a chemical reaction of the halides, forming metallic silver. This reaction may be facilitated by coating the halides with dye molecules.
- exposure of such a film can lead to permanent inscription of the hologram using exposure as described herein.
- holograms can be inscribed into suitable media, e.g., photographic plates, using monochromatic light, as described herein. If, instead of a monochromatic first and second exposure (as described herein), multicolored (coherent) light is used, e.g., a red, a green, and a blue exposure can be superimposed in the first and second exposures to write so-called RGB holograms. For example, using dichroic mirrors, two, three, or more beams of different wavelengths be spatially superimposed. Wavelengths designated as red can, for example, cover the spectral range from 650 nm to 750 nm.
- Wavelengths designated as green can, for example, cover the spectral range from 490 nm to 575 nm.
- Wavelengths designated as blue can, for example, cover the spectral range from 420 nm to 490 nm.
- An exemplary combination can, for example, comprise a first and second exposure at 450 nm, 540 nm and 650 nm respectively.
- exposures in other wavelength ranges e.g. ultraviolet (less than 380 nm), violet (380 nm to 420 nm), yellow (575 nm to 585 nm), orange (585 nm to 650 nm) or infrared (more than 750 nm) can also be used.
- two or more single-color exposed holograms can be combined to form hologram stacks, e.g., with suitable exposure, an RGB stack.
- the direction of the exposure plays a crucial role in the diffraction and refractive properties of the holograms.
- the three exemplary exposures from Fig. 5 include (i) a quasi-planar freeform exposure 601 and a point exposure 602 (left), (ii) a quasi-planar freeform exposure 603 and a quasi-point freeform exposure 604 (center), and (iii) a planar exposure 605 and a quasi-point freeform exposure 606 (right). Since at least one freeform exposure is used in all cases, non-rotationally symmetric optical elements 20, 40 can result from the process.
- Fig. 6a schematically shows a view of an imaging system 10 with a waveguide 30, an EE 20, and an AE 40 in the xz-plane, wherein the EE 20 and the AE 40 each comprise a non-rotationally symmetric optical element, so that the aberration error for four exemplary angles of incidence a v ,i, a v>2 , a v>3 , and a Vj4 is reduced to the EE 20.
- Figs. 6b - 6e explain how the EE 20 and the AE 40 cooperate in the example of Fig. 6a to achieve this:
- Fig. 6b shows the aberration error as a function of position in a large field of view for an imaging system without non-rotationally symmetric optical Element.
- Different areas of the field of view can correspond to different directions of incidence.
- AAT acceptable aberration
- the aberration here can be defined, for example, as the difference between the actual wavefront and the ideal wavefront.
- the root mean square of the aberration should ideally be below 0.07 wavelengths of the redirected light, but acceptable images can also be created for higher values.
- the ATT depends on the sensor pixel size. Normally, it does not have to be at the diffraction limit.
- a v ,i, a v ,3, and a v>4 when light is incident at the exemplary angles of incidence a v ,i, a v ,3, and a v>4 , aberrations above the AAT occur, which must be reduced, e.g., using the inventive solution.
- one is typically limited to FOVs with aperture angles of approximately 20° in order not to exceed acceptable aberration values across the entire FOV.
- the FOV is so small that, for example, a v>4 is not in the FOV of the imaging system, it is possible to keep the aberration below the AAT over the entire FOV with only one non-rotationally symmetric optical element in the imaging system, as shown, for example, in Fig. 6c, where the aberration error is shown as a function of position in a small field of view for an imaging system with one non-rotationally symmetric optical element.
- Fig. 6d shows that this approach with only one non-rotationally symmetric optical element is not sufficient to sufficiently reduce the aberration error as a function of position in a large field of view.
- the one non-rotationally symmetric optical element can indeed reduce the aberration error at the edge of the FOV so much that for the exemplary angle of incidence a v>4 the aberration error is below the AAT.
- this does not reduce the aberration error at the other edge of the FOV as well as in the center of the FOV, e.g., for civ, 2, is increased so much that no acceptable result is achieved.
- a second non-rotationally symmetric optical element can be used, as shown schematically in Fig. 6e:
- Fig. 6e shows the aberration error as a function of position in a large field of view for an imaging system with two non-rotationally symmetric optical elements. Compared to Fig. 6d, it can be seen that the aberration error can be kept below the AAT across the entire FOV by the second non-rotationally symmetric optical element, especially for a v ,2, which was not the case in Fig. 6d.
- Fig. 7a and 7b illustrate how diffraction (see Fig. 7a) and refraction (see Fig. 7b) are distinguished here:
- the diffraction-based EE and the diffraction-based AE diffract light by redirecting it.
- Two exemplary diffractions are shown in Fig. 7a:
- the diffraction-based element 703 redirects the incident light 700a at an angle CIB,1 relative to the direction of the incident light 700a, so that the redirected light 701a is redirected downward.
- a second example is shown in the same figure: In the second example, the diffraction-based element 703 redirects the incident light 700a at an angle CIB,2 relative to the direction of the incident light 700a, so that the redirected light 702a is redirected upward.
- the two examples 701a and 702a differ in that the diffraction-based element 703a must have different diffraction properties in order to redirect or diffract the incident light 700a either in the direction 701a or 702a.
- the EE and the AE of the imaging system from Figs. 2a-2c are purely diffraction-based and not refractive.
- refraction involves the process shown in Fig. 7b: Collimated light 700b, which strikes a refractive element 703b, is focused or scattered by the refractive element 703b.
- Fig. 7b shows two examples of focusing: once the light 701b is focused with a focal length fR,i and once the light 701b is focused with a focal length fR, 2 .
- the focal length in the example of Fig. 7b depends on the refractive properties of the refractive element 703b. This also applies to refractive elements that scatter light (not shown).
- Figs. 8a and 8b show exemplary phase patterns of non-rotationally symmetric optical elements, which can be comprised, for example, by EE 20 and AE 40, respectively.
- the gray-scale coded phase pattern represents the phase shift as a multiple of the wavelength (in Fig. 8a from -0.006 to 0.290 times the wavelength and in Fig. 8b from -0.0028 to 0.173 times the wavelength).
- the EE 20 is significantly longer in the x-direction than the AE 40, which can be the case, for example, in arrangements as best illustrated in Fig. 1c.
- Phase patterns other than those illustrated in Figs. 8a and 8b can also serve the inventive solution.
- the phase patterns are the result of an optimization of a system as illustrated in Figs.
- the exemplary EE 20 from Fig. 8a has a substantially rectangular shape, extending a few hundred mm along the x-axis and slightly more than 10 mm along the y-axis.
- the black and white color coding according to the legend shown in Fig. 8a shows the phase shift that light experiences when passing through and/or reflecting at the respective point of the EE 20.
- the phase profile on the surface of the EE 20 can, for example, vary along both the x- and y-axis, as shown.
- the amplitude of the phase profile decreases along both the x- and y-axis from the center to the edges of the EE 20 (e.g., with varying degrees of slope and/or curvature).
- the exemplary AE 40 from Fig. 8b has a substantially rectangular shape, extending a few tens of mm along the x-axis and slightly more than 10 mm along the y-axis.
- the black and white color coding according to the legend shown in Fig. 8b shows the phase shift that light experiences when passing through and/or reflecting at the respective point of the AE 20.
- the phase profile on the surface of the AE 40 can, for example, vary along both the x- and y-axis, as shown.
- the amplitude of the phase profile increases along the x-axis from the center to the edges of the AE 40 and decreases along the y-axis from the center to the edges of the AE 40.
- the slope and/or curvature can also differ in amplitude for the x- and x-directions.
Landscapes
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Abstract
Description
Hochauflösung Holocam durch Freiform-Belichtung High-resolution holocam through freeform exposure
1. Technisches Gebiet 1. Technical area
Die vorliegende Erfindung betrifft Abbildungssysteme, z.B. für Holocams, insbesondere RGB-Holocams. Beispiele sind Abbildungssysteme, die auf einem beugungsbasierten Einkopplungselement (EE) zur Einkopplung von auf das EE auftreffendem Licht in das Abbildungssystem zur Umlenkung zu einem zugehörigen beugungsbasierten Auskoppelement (AE) basieren, z.B. über interne Totalreflexion innerhalb eines Wellenleiters. The present invention relates to imaging systems, e.g., for holocams, in particular RGB holocams. Examples include imaging systems based on a diffraction-based input coupling element (EE) for coupling light incident on the EE into the imaging system for redirection to a corresponding diffraction-based output coupling element (AE), e.g., via total internal reflection within a waveguide.
2. Stand der Technik 2. State of the art
Beugungsbasierte optische Elemente, wie z.B. Gitter oder Hologramme, werden bevorzugt dazu eingesetzt, auf die optischen Elemente auftreffendes Licht umzulenken. So können z.B. maßgeschneiderte Abbildungssysteme erstellt werden. Diffraction-based optical elements, such as gratings or holograms, are primarily used to redirect light incident on the optical elements. This allows, for example, customized imaging systems to be created.
Die Verwendung von beugungsbasierten EE und AE, die z.B. holographische optische Elemente umfassen können, birgt aber auch einige Herausforderungen: Je größer das Sichtfeld der Abbildungssysteme ist, desto größere Abbildungsfehler treten auf. Die Korrektur solcher Fehler, beispielsweise von Aberrationen, erweist sich als kompliziert: Oft führt z.B. eine Verbesserung der Abbildungsqualität an den Rändern des Sichtfeldes zu einer (unakzeptablen) Verschlechterung der Abbildungsqualität in der Mitte des Sichtfeldes und andersherum. Diese Problematik stellt sich insbesondere bei großen Sichtfeldern. However, the use of diffraction-based EE and AE, which may include, for example, holographic optical elements, also poses several challenges: The larger the field of view of the imaging systems, the greater the imaging errors that occur. Correcting such errors, such as aberrations, proves to be complicated: For example, an improvement in image quality at the edges of the field of view often leads to an (unacceptable) deterioration in image quality in the center of the field of view, and vice versa. This problem is particularly acute with large fields of view.
Die DE 10 2013 223 964 B3 betrifft eine Abbildungsoptik für eine auf den Kopf eines Benutzers aufsetzbare und ein Bild erzeugende Anzeigevorrichtung, mit einem Optikelement, das eine Eintrittsfläche aufweist, und einem Brillenglas, das einen Auskoppelabschnitt aufweist, wobei die Abbildungsoptik dazu geeignet ist, das über die Eintrittsfläche dem Optikelement zugeführte erzeugte Bild im Optikelement zu führen, von diesem in das Brillenglas einzukoppeln, in dem es bis zum Auskoppelabschnitt geführt und über den Auskoppelabschnitt zur Erzeugung eines virtuellen Bildes ausgekoppelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Optikelement neben der Eintrittsfläche mindestens eine reflektierende Fläche, an der das erzeugte Bild zur Führung im Optikelement reflektiert wird, aufweist, und dass das Optikelement (8) und das Brillenglas zusammen als einstückiges Optikteil ausgebildet sind. DE 10 2013 223 964 B3 relates to an imaging optics for a display device that can be placed on the head of a user and generates an image, comprising an optical element that has an entrance surface and a spectacle lens that has a coupling-out section, wherein the imaging optics is suitable for guiding the generated image, which is fed to the optical element via the entrance surface, in the optical element, coupling it from there into the spectacle lens, in which it is guided to the coupling-out section and via the coupling-out section to generate a virtual image is coupled out, characterized in that the optical element has, in addition to the entrance surface, at least one reflective surface on which the generated image is reflected for guidance in the optical element, and in that the optical element (8) and the spectacle lens are formed together as a one-piece optical part.
Die DE 102015 114833 Ai betrifft ein Brillenglas für eine Abbildungsoptik zum Erzeugen eines virtuellen Bildes. Das Brillenglas weist eine Innenfläche und eine Außenfläche auf. Außerdem sind in dem Brillenglas ein Einkopplungsabschnitt zum Einkoppeln eines Abbildungsstrahlengangs sowie eine Auskopplungsstruktur zum Auskoppeln des Abbildungsstrahlengangs vorhanden, wobei der Einkopplungsabschnitt derart angeordnet ist, dass ein Abbildungsstrahlengang durch Reflexionen zwischen der Innenfläche und der Außenfläche zur Auskopplungsstruktur geleitet wird. Zwischen dem Einkopplungsabschnitt und der Auskopplungsstruktur ist eine Randanpassung vorhanden, die durch eine entsprechende Formgebung der Innenfläche realisiert ist. Die Krümmung der Innenfläche in demjenigen Bereich, durch den das Auge bei Geradeaussicht schaut, ist an die Krümmung einer gewöhnlichen Brillenglasinnenfläche so weitgehend angenähert, dass durch sie bei Geradeaussicht keine wahrnehmbaren optischen Abbildungsfehler induziert werden. Im Bereich der Randanpassung weist die Innenfläche eine von der Krümmung der gewöhnlichen Innenfläche stärker abweichende Formgebung auf, die das Leiten eines in das Brillenglas eingekoppelten Abbildungsstrahlengangs durch Reflexionen zur Auskopplungsstruktur ermöglicht. Die gesamte Innenfläche ist durch eine einzige Freiformfläche beschrieben. DE 102015 114833 Ai relates to a spectacle lens for imaging optics for generating a virtual image. The spectacle lens has an inner surface and an outer surface. Furthermore, the spectacle lens contains an input coupling section for coupling in an imaging beam path and an output coupling structure for outputting the imaging beam path. The input coupling section is arranged such that an imaging beam path is guided to the output coupling structure by reflections between the inner surface and the outer surface. An edge adjustment is present between the input coupling section and the output coupling structure, which is realized by a corresponding shaping of the inner surface. The curvature of the inner surface in the area through which the eye looks when viewing straight ahead is so closely approximated to the curvature of a conventional spectacle lens inner surface that it does not induce any perceptible optical aberrations when viewing straight ahead. In the area of the edge adjustment, the inner surface has a shape that deviates significantly from the curvature of the usual inner surface, allowing the imaging beam path coupled into the lens to be guided to the outcoupling structure via reflections. The entire inner surface is described by a single freeform surface.
Die DE 102019 102604 Ai betrifft einen funktionalisierten Wellenleiter für ein Detektorsystem, wobei der Wellenleiter einen transparenten Basiskörper mit einer Vorderseite und einer Rückseite aufweist, wobei der Basiskörper einen teiltransparenten Einkoppelbereich und einen davon in einer ersten Richtung beabstandeten Auskoppelbereich aufweist, wobei der Einkoppelbereich eine diffraktive Struktur umfasst, die von einem zu detektierenden Objekt kommende und auf die Vorderseite treffende Strahlung nur einen Teil so umlenkt, dass der umgelenkte Teil als eingekoppelte Strahlung im Basiskörper durch Reflexionen bis zum Auskoppelbereich propagiert und auf den Auskoppelbereich trifft, wobei der Auskoppelbereich von der auf ihn treffenden eingekoppelten Strahlung mindestens einen Teil so umlenkt, dass der umgelenkte Teil aus dem Basiskörper über die Vorderseite oder Rückseite austritt, um auf das Detektorsystem zu treffen, wobei die Ausdehnung des Einkoppelbereiches in einer zweiten Richtung quer zur ersten Richtung größer ist als die Ausdehnung des Auskoppelbereiches in der zweiten Richtung. DE 102019 102604 Ai relates to a functionalized waveguide for a detector system, wherein the waveguide has a transparent base body with a front side and a back side, wherein the base body has a partially transparent coupling-in region and a coupling-out region spaced therefrom in a first direction, wherein the coupling-in region comprises a diffractive structure which deflects only a part of the radiation coming from an object to be detected and striking the front side in such a way that the deflected part propagates as coupled-in radiation in the base body by reflections to the coupling-out region and strikes the coupling-out region, wherein the coupling-out region deflects at least a part of the coupled-in radiation striking it in such a way that the deflected part exits the base body via the front or back to strike the detector system, wherein the extent of the coupling-in region in a second direction transverse to the first direction is greater than the extent of the coupling-out region in the second direction.
Die US 2010 / o 214659 Ai betrifft einen diffraktiven Strahlexpander, der ein im Wesentlichen planares Wellenleitersubstrat, ein Eingangsgitter zur Erzeugung eines eingekoppelten Strahls, der sich in dem Substrat ausbreitet, und ein Ausgangsgitter zur Erzeugung eines ausgekoppelten Strahls umfasst. Der Expander umfasst außerdem vier oder mehr weitere Gitterabschnitte, um die Höhe des eingekoppelten Strahls zu vergrößern. Ein Teil des eingekoppelten Lichts wird von einem ersten Ablenkgitterabschnitt gebeugt, um einen ersten abgelenkten Strahl zu erzeugen. Ein Teil des eingekoppelten Lichts wird von einem zweiten Ablenkgitterteil gebrochen, um einen zweiten abgelenkten Strahl zu erzeugen. Der erste abgelenkte Strahl breitet sich nach unten aus und der zweite abgelenkte Strahl breitet sich in Bezug auf den eingekoppelten Strahl nach oben aus. Der erste abgelenkte Strahl trifft auf ein erstes richtungswiederherstellendes Gitterteil und der zweite abgelenkte Strahl trifft auf ein zweites richtungswiederherstellendes Gitterteil. Der erste richtungswiederherstellende Gitterabschnitt liefert einen ersten wiederhergestellten Strahl und der zweite richtungswiederherstellende Gitterabschnitt liefert einen zweiten wiederhergestellten Strahl, die beide die gleiche Richtung wie der eingekoppelte Strahl haben. Die Auskopplung liefert einen Ausgangsstrahl, der parallel zum Eingangsstrahl verläuft und eine größere vertikale Abmessung als der Eingangsstrahl hat. US 2010/0214659 Ai relates to a diffractive beam expander comprising a substantially planar waveguide substrate, an input grating for generating an input beam propagating in the substrate, and an output grating for generating an output beam. The expander further comprises four or more further grating sections to increase the height of the input beam. A portion of the input light is diffracted by a first deflection grating section to generate a first deflected beam. A portion of the input light is refracted by a second deflection grating section to generate a second deflected beam. The first deflected beam propagates downwardly, and the second deflected beam propagates upwardly with respect to the input beam. The first deflected beam impinges on a first direction-restoring grating section, and the second deflected beam impinges on a second direction-restoring grating section. The first direction-restoring grating section provides a first restored beam, and the second direction-restoring grating section provides a second restored beam, both of which have the same direction as the input beam. The output coupling provides an output beam that is parallel to the input beam and has a larger vertical dimension than the input beam.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde entsprechende Abbildungssysteme zumindest teilweise zu verbessern. The present invention is therefore based on the object of at least partially improving corresponding imaging systems.
3. Zusammenfassung der Erfindung 3. Summary of the invention
Diese Aufgabe wird durch die hierin beschriebenen Aspekte zumindest teilweise gelöst. This task is at least partially solved by the aspects described herein.
Ein Abbildungssystem umfasst ein beugungsbasiertes Einkopplungselement (EE) und ein beugungsbasiertes Auskopplungselement (AE). Das EE ist dazu eingerichtet, auf das EE auftreffendes Licht aus einem Sichtfeld des EE zumindest teilweise zum AE umzulenken. Das AE ist dazu eingerichtet, das umgelenkte Licht zumindest teilweise auszukoppeln, wobei das umgelenkte Licht aus unterschiedlichen Bereichen des Sichtfelds des EE unterschiedliche optische Weglängen durch das Abbildungssystem zurücklegt. Das Abbildungssystem weist zudem mindestens ein nichtrotationssymmetrisch optisches Element auf, das dazu eingerichtet ist, Licht nichtrotationssymmetrisch zu manipulieren, um einen weglängenabhängigen Aberrationsfehler zu verringern. An imaging system comprises a diffraction-based input coupling element (EE) and a diffraction-based output coupling element (AE). The EE is configured to at least partially redirect light incident on the EE from a field of view of the EE to the AE to redirect. The AE is configured to at least partially decouple the redirected light, with the redirected light from different areas of the EE's field of view traveling different optical path lengths through the imaging system. The imaging system also has at least one non-rotationally symmetric optical element configured to manipulate light non-rotationally symmetrically to reduce a path-length-dependent aberration error.
Durch die Verringerung des weglängenabhängigen Aberrationsfehlers kann die Qualität der Abbildung verbessert und/oder die Größe des Sichtfelds mit akzeptablem Aberrationsfehler vergrößert werden. Der hierin beschriebene Aberrationsfehler kann insbesondere (z.B. hierin beschriebene) Weglängeneffekte umfassen. Die Verringerung des Aberrationsfehlers kann z.B. so verstanden werden, dass (auch) für Strahlen gleicher Wellenlänge, die unterschiedliche optische Weglängen durch das Abbildungssystem durchlaufen, z.B. weil Sie unter unterschiedlichen Winkeln bzw. aus unterschiedlichen Bereichen des Sichtfelds des EE auf das EE auftreffen, ein Aberrationsfehler verringert wird. By reducing the path-length-dependent aberration error, the quality of the image can be improved and/or the size of the field of view can be increased with acceptable aberration error. The aberration error described herein can, in particular, include path-length effects (e.g., described herein). Reducing the aberration error can, for example, be understood as meaning that an aberration error is reduced (even) for rays of the same wavelength that traverse different optical path lengths through the imaging system, e.g., because they impinge on the EE at different angles or from different areas of the EE's field of view.
Die erfindungsgemäße Lösung sowie das Verständnis des zugrunde liegenden Problems werden im Folgenden an den Fig. la - 3c erläutert, die beispielhafte Abbildungssysteme mit Wellenleiter beschrieben, die erläuterten Konzepte gelten jedoch Ebenso für Abbildungssysteme ohne Wellenleiter: The solution according to the invention and the understanding of the underlying problem are explained below using Figs. 1a - 3c, which describe exemplary imaging systems with waveguides, but the concepts explained also apply to imaging systems without waveguides:
Fig. ta zeigt schematisch eine Ansicht des Abbildungssystems 10 mit dem EE 20 und einem Auskopplungselement, AE, 40 in der x-z-Ebene. Das Abbildungssystem 10 umfasst weiterhin einen Wellenleiter 30 mit einem Querschnitt in der x-z-Ebene in Form eines in z-Richtung elongierten Rechtecks und ein Detektionssystem 50, das z.B. einen Sensor und/ oder ein Objektiv umfassen kann. Das EE 20 befindet sich am oberen Ende des Wellenleiters 30 auf der linken Seite des Wellenleiters 30 und das AE 40 befindet sich am unteren Ende des Wellenleiters 30 auf der rechten Seite des Wellenleiters 30. Fig. 1a schematically shows a view of the imaging system 10 with the EE 20 and an output coupling element, AE, 40 in the x-z plane. The imaging system 10 further comprises a waveguide 30 with a cross-section in the x-z plane in the shape of a rectangle elongated in the z direction and a detection system 50, which may include, for example, a sensor and/or a lens. The EE 20 is located at the upper end of the waveguide 30 on the left side of the waveguide 30, and the AE 40 is located at the lower end of the waveguide 30 on the right side of the waveguide 30.
Das EE 20 und AE 40 können in bestimmten beispielhaften Ausführungsformen holographische optische Elemente umfassen. Solche EE 20 und/oder AE 40 sind jedoch rein beispielhaft zu verstehen: Sie können weiterhin in ihrer (relativen) Positionierung von der dargestellten Ausführungsform abweichen. Alternativ können sie z.B. auf der gleichen Seite des Wellenleiters 30 platziert sein (z.B. entlang der x- Achse: jeweils links oder rechts am Wellenleiter 30, z.B. entlang der y- Achse jeweils mittig oder dazu verschoben, z.B. am Rand des Wellenleiters 30 und z.B. entlang der z- Achse: jeweils oben, mittig oder unten am Wellenleiter 30). Sie können dazu eingerichtet sein, Licht, wie beispielhaft in Fig. la dargestellt, in Reflexion umzulenken oder auf andere im Folgenden beschriebene Weise: Das EE 20 und/oder das AE 40 könnte bei gleicher, ähnlicher oder anderer Platzierung dazu eingerichtet sein, Licht in Transmission umzulenken und dazu eine reflektive Seite aufweisen, sodass Licht von einer Vorderseite in das EE 20 und/ oder das AE 40 eintreten und dieses durchlaufen kann, an dessen Rückseite reflektiert werden und beim Wideraustritt aus der Vorderseite in Transmission umgelenkt werden. Ferner kann das EE 20 und/oder das AE 40, z.B. in einer analogen Geometrie zu Fig. la, dazu eingerichtet sein, in Transmission Licht umzulenken. Dazu kann das EE 20 und/oder das AE 40 z.B. an der jeweils gegenüberliegenden Seite (im gezeigten Beispiel also das EE 20 rechts und das AE 40 links des Wellenleiters 30) des Wellenleiters 30 angebracht sein. Ist das EE 20 und/oder das AE 40 an der gegenüberliegenden Seite (im gezeigten Beispiel also das EE 20 rechts und das AE 40 links) des Wellenleiters 30 (im Vergleich zur in Fig. la gezeigten Position) angebracht, so kann die das EE 20 und/oder das AE 40 dazu eingerichtet sein, Licht wie folgt umzulenken: Das EE 20 und/oder das AE 40 können z.B. dazu eine reflektive Seite aufweisen, sodass Licht von einer Vorderseite in das EE 20 und/oder das AE 40 eintreten und dieses durchlaufen kann, an dessen Rückseite reflektiert werden und beim Auftreffen auf die Vorderseite in Reflexion umgelenkt werden. Das EE 20 und das AE können erfindungsgemäß Licht auf gleiche oder ähnliche Weise umlenken (z.B. Reflexion oder Transmission) oder auf unterschiedliche Weise. The EE 20 and AE 40 may, in certain exemplary embodiments, comprise holographic optical elements. Such EE 20 and/or AE 40 are However, this is to be understood purely as an example: They can still differ in their (relative) positioning from the embodiment shown. Alternatively, they can be placed on the same side of the waveguide 30 (e.g. along the x-axis: to the left or right of the waveguide 30, e.g. along the y-axis in the middle or offset therefrom, e.g. at the edge of the waveguide 30 and e.g. along the z-axis: at the top, center or bottom of the waveguide 30). They can be configured to redirect light into reflection, as shown by way of example in Fig. 1a, or in another way as described below: The EE 20 and/or the AE 40 could, with the same, similar or different placement, be configured to redirect light into transmission and for this purpose have a reflective side, so that light can enter the EE 20 and/or the AE 40 from a front side and pass through it, be reflected at the back of the latter and be redirected into transmission when it exits the front side. Furthermore, the EE 20 and/or the AE 40 can be configured, e.g., in a geometry analogous to Fig. 1a, to redirect light in transmission. For this purpose, the EE 20 and/or the AE 40 can be mounted, e.g., on the respective opposite side of the waveguide 30 (in the example shown, the EE 20 is on the right and the AE 40 is on the left of the waveguide 30). If the EE 20 and/or the AE 40 is mounted on the opposite side (in the example shown, the EE 20 on the right and the AE 40 on the left) of the waveguide 30 (compared to the position shown in Fig. 1a), the EE 20 and/or the AE 40 can be configured to redirect light as follows: The EE 20 and/or the AE 40 can, for example, have a reflective side for this purpose, so that light can enter the EE 20 and/or the AE 40 from a front side and pass through it, be reflected at its rear side and be redirected in reflection upon impact on the front side. According to the invention, the EE 20 and the AE can redirect light in the same or a similar way (e.g., reflection or transmission) or in different ways.
Das EE 20 hat ein vertikales Sichtfeld, v-FOV. Das aus dem v-FOV einfallende Licht wird vom EE 20 in den Wellenleiter 30 umgelenkt, wie durch die schwarzen Pfeile schematisch dargestellt. Innerhalb des Wellenleiters gelangt das umgelenkte Licht über Totalreflexion zum AE 40. In anderen Ausführungsbeispielen kann das Licht z.B. auch in mehr, weniger oder sogar ganz ohne Reflexionen innerhalb des Wellenleiters 30 zum AE 40 gelangen. Die in Fig. la gezeigte Reflexion innerhalb des Wellenleiters 30 ist stark vereinfacht dargestellt und dient in Fig. la lediglich zur Darstellung des grundlegenden Konzepts der internen Reflexion. Die Fig. 2a - 2c zeigen eine vollständigere Darstellung des Lichtwegs im Wellenleiter 30. The EE 20 has a vertical field of view, v-FOV. The light incident from the v-FOV is deflected by the EE 20 into the waveguide 30, as schematically shown by the black arrows. Within the waveguide, the deflected light reaches the AE 40 via total internal reflection. In other embodiments, the light can, for example, reach the AE 40 with more, fewer, or even no reflections within the waveguide 30. The reflection within the waveguide 30 shown in Fig. 1a is It is shown in a highly simplified manner and serves only to illustrate the basic concept of internal reflection in Fig. 1a. Figs. 2a - 2c show a more complete representation of the light path in waveguide 30.
Das EE 20, der Wellenleiter 30 und das AE 40 sind in ihrer jeweiligen Form, Ausdehnung, relativen Position und/oder relativen Orientierung so aufeinander abgestimmt, dass das umgelenkte Licht vom EE 20 möglichst effizient zum AE 40 gelangt, von wo das umgelenkte Licht zum Detektionssystem 50 zumindest teilweise ausgekoppelt wird, wie durch die schwarzen Pfeile schematisch dargestellt. The EE 20, the waveguide 30 and the AE 40 are coordinated in their respective shape, extent, relative position and/or relative orientation such that the deflected light from the EE 20 reaches the AE 40 as efficiently as possible, from where the deflected light is at least partially coupled out to the detection system 50, as schematically shown by the black arrows.
Das v-FOV umfasst einen Öffnungswinkel ctv, wobei ctv = o in dem Beispiel von Fig. la einen Lichteinfall senkrecht zur Oberfläche des Wellenleiters 30 beschreibt. The v-FOV comprises an aperture angle ct v , where ct v = o in the example of Fig. 1a describes a light incidence perpendicular to the surface of the waveguide 30.
Grundsätzlich kann die Umlenkung des Lichts durch das EE 20 und das AE 40 vom Einfallswinkel des ankommenden Lichts z.B. insofern abhängen, als dass der Umlenkwinkel und/oder die spektrale Verteilung des umgelenkten Lichts vom Einfallwinkel abhängt und/oder nur ein Teil des Lichts das AE 40 erreicht. In principle, the deflection of light by the EE 20 and the AE 40 can depend on the angle of incidence of the incoming light, e.g. in that the deflection angle and/or the spectral distribution of the deflected light depends on the angle of incidence and/or only a part of the light reaches the AE 40.
Fig. ib zeigt schematisch eine Querschnittsansicht des Abbildungssystems 10 aus Fig. ta in der x-y-Ebene, sodass insbesondere das horizontale Sichtfeld, h-FOV, des EE 10 dargestellt werden kann. Aus Fig. ib ist die horizontale Einkopplung zum EE 20 und die horizontale Auskopplung vom AE 40 zum Detektionssystem 50 ersichtlich, während Fig. ta die vertikalen Komponenten am besten darstellt. Fig. 1b schematically shows a cross-sectional view of the imaging system 10 from Fig. 1a in the x-y plane, so that in particular the horizontal field of view, h-FOV, of the EE 10 can be represented. Fig. 1b shows the horizontal coupling to the EE 20 and the horizontal coupling from the AE 40 to the detection system 50, while Fig. 1a best illustrates the vertical components.
Fig. ic zeigt schematisch eine Querschnittsansicht des Abbildungssystems 10 aus Fig. la und ib in der y-z-Ebene. Es ist daraus ersichtlich, dass das EE 20 in eine Richtung, in diesem Beispiel entlang der y- Achse, elongiert ist und in die dazu senkrechte Richtung, in diesem Beispiel entlang der z-Achse, in der Ebene des Wellenleiters 30 eine kürzere Länge aufweist. Der EE-Querschnitt in Form eines länglichen Rechtecks definiert den Bereich, in dem auf das EE 20 auftreffendes Licht zumindest teilweise innerhalb des Wellenleiters 30 umgelenkt wird. Da die Fläche des AE 40 in der Ebene des Wellenleiters 30 kleiner ist als die des EE 20, verlaufen alle Wege, entlang denen das Licht vom EE 20 zum AE 40 umgelenkt wird, in der Projektion in der y-z-Ebene innerhalb des hellgrauen trapezförmigen Bereichs zwischen dem EE 20 und dem AE 40. Licht, das zumindest teilweise außerhalb dieses Trapezes verläuft, kommt nicht vom EE 20 und/oder trifft nicht auf das AE 40 und spielt deswegen für die Abbildung des Abbildungssystems 10 keine entscheidende Rolle. Fig. 1c schematically shows a cross-sectional view of the imaging system 10 from Figs. 1a and 1b in the yz-plane. It can be seen that the EE 20 is elongated in one direction, in this example along the y-axis, and has a shorter length in the direction perpendicular thereto, in this example along the z-axis, in the plane of the waveguide 30. The EE cross-section in the form of an elongated rectangle defines the region in which light incident on the EE 20 is at least partially deflected within the waveguide 30. Since the area of the AE 40 in the plane of the waveguide 30 is smaller than that of the EE 20, all paths along which the light is deflected from the EE 20 to the AE 40 run, in the projection in the yz-plane, within the light gray trapezoidal region between the EE 20 and the AE 40. Light that is at least partially outside this trapezoid does not come from the EE 20 and/or does not strike the AE 40 and therefore does not play a decisive role in the imaging of the imaging system 10.
Abbildungssysteme wie in Fig. la bis ic beschrieben werden im Stand der Technik teilweise so modifiziert, dass mehrere parallele Hologramme als EE verwendet werden und/oder indem statt simplen monochromatischen Hologrammen RGB-Hologramme als EE und/oder AE verwendet werden. Diese weisen das im Folgende beschriebene Problem auf, das damit zusammenhängt, wie Licht in Abhängigkeit von seinem Einfallswinkel vom EE zum AE gelangt: Imaging systems as described in Figs. 1a to 1c are sometimes modified in the prior art by using multiple parallel holograms as EE and/or by using RGB holograms as EE and/or AE instead of simple monochromatic holograms. These exhibit the following problem, which is related to how light travels from the EE to the AE depending on its angle of incidence:
Fig. 2a - 2c zeigen das gleiche Abbildungssystem 10 wie die Fig. la - ic (in der gleichen Ansicht wie Fig. la, in der x-z-Ebene). Das Abbildungssystem 10 mit einem EE 20, einem AE 40 und Detektionssystem 50, das z.B. einen Sensor und/oder ein Objektiv umfassen kann, wird für drei verschiedene repräsentative Einfallswinkel ctv des v-FOV gezeigt (Fig. 2a: positiver av,i, Fig. 2b: av,2 = o und Fig. 2c: negativer aVj3). Der Vergleich der drei Figuren 2a - 2c zeigt das im Stand der Technik bestehende und von dieser Erfindung zumindest teilweise gelöste Problem beispielhaft auf: Figs. 2a - 2c show the same imaging system 10 as Figs. 1a - 1c (in the same view as Fig. 1a, in the xz plane). The imaging system 10 with an EE 20, an AE 40, and detection system 50, which may include, for example, a sensor and/or a lens, is shown for three different representative angles of incidence ct v of the v-FOV (Fig. 2a: positive a v ,i, Fig. 2b: a v ,2 = o, and Fig. 2c: negative a Vj3 ). The comparison of the three Figs. 2a - 2c exemplifies the problem existing in the prior art and at least partially solved by this invention:
In Fig. 2a fällt das Licht in einem positiven Winkel av,i auf das EE 20 und wird dann so in den Wellenleiter 30 umgelenkt, dass es durch zwei Reflexionen an den Seitenflächen des Wellenleiters 30 zum AE 40 gelangt. Auf der rechten Seite des Wellenleiters 30 sind weitere aneinandergereihte Blöcke in Größe des Wellenleiters 30 dargestellt. Zudem ist der Pfad des umgelenkten Lichts in Richtung des umgelenkten Lichts nach der ersten Umlenkung durch das EE 20 extrapoliert, um die gesamte vom Licht innerhalb des Wellenleiters 30 zurückgelegte Strecke darzustellen. Diese Strecke entspricht der optischen Weglänge durch das Abbildungssystem für den entsprechenden Bereich des Sichtfelds des EE bzw. die zugehörige Einfallsrichtung und endet in der illustrativen Darstellung am Ort des äquivalenten AE 40a. Diese zusätzliche Darstellung stellt keinen tatsächlichen Lichtweg oder tatsächliche Elemente dar, sondern dient lediglich zur Veranschaulichung des Gesamtwegs, den das Licht innerhalb des Wellenleiters 30 zurücklegt. In Fig. 2b fällt das Licht in einem Winkel av,2 = o auf das EE 20 und wird dann so in den Wellenleiter 30 umgelenkt, dass es durch vier Reflexionen an den Seitenflächen des Wellenleiters 30 zum AE 40 gelangt. Auf der rechten Seite des Wellenleiters 30 sind weitere aneinandergereihte Blöcke in Größe des Wellenleiters 30 dargestellt. Zudem ist der Pfad des umgelenkten Lichts in Richtung des umgelenkten Lichts nach der ersten Umlenkung durch das EE 20 extrapoliert, um die gesamte vom Licht innerhalb des Wellenleiters 30 zurückgelegte Strecke darzustellen. Diese Strecke entspricht der optischen Weglänge durch das Abbildungssystem für den entsprechenden Bereich des Sichtfelds des EE bzw. die zugehörige Einfallsrichtung und endet in der illustrativen Darstellung am Ort des äquivalenten AE 40b. Diese zusätzliche Darstellung stellt wiederum keinen tatsächlichen Lichtweg oder tatsächliche Elemente dar, sondern dient lediglich zur Veranschaulichung des Gesamtwegs, den das Licht innerhalb des Wellenleiters 30 zurücklegt. In Fig. 2a, the light is incident on the EE 20 at a positive angle a v ,i and is then redirected into the waveguide 30 such that it reaches the AE 40 via two reflections at the side surfaces of the waveguide 30. On the right side of the waveguide 30, further blocks the size of the waveguide 30 are shown, arranged in a row. In addition, the path of the redirected light in the direction of the redirected light after the first redirection by the EE 20 is extrapolated to show the entire distance traveled by the light within the waveguide 30. This distance corresponds to the optical path length through the imaging system for the corresponding region of the field of view of the EE or the associated direction of incidence and ends in the illustrative representation at the location of the equivalent AE 40a. This additional illustration does not represent an actual light path or actual elements, but merely serves to illustrate the overall path that the light travels within the waveguide 30. In Fig. 2b, the light is incident on the EE 20 at an angle a v ,2 = o and is then redirected into the waveguide 30 such that it reaches the AE 40 via four reflections on the side surfaces of the waveguide 30. On the right side of the waveguide 30, further blocks the size of the waveguide 30 are shown, arranged in a row. In addition, the path of the redirected light in the direction of the redirected light after the first redirection by the EE 20 is extrapolated to show the entire distance traveled by the light within the waveguide 30. This distance corresponds to the optical path length through the imaging system for the corresponding region of the field of view of the EE or the associated direction of incidence and ends in the illustrative representation at the location of the equivalent AE 40b. This additional representation again does not represent an actual light path or actual elements, but merely serves to illustrate the overall path that the light travels within the waveguide 30.
In Fig. 2c fällt das Licht in einem negativen Winkel av,3 auf das EE 20 und wird dann so in den Wellenleiter 30 umgelenkt, dass es durch sechs Reflexionen an den Seitenflächen des Wellenleiters 30 zum AE 40 gelangt. Auf der rechten Seite des Wellenleiters 30 sind weitere aneinandergereihte Blöcke in Größe des Wellenleiters 30 dargestellt. Zudem ist der Pfad des umgelenkten Lichts in Richtung des umgelenkten Lichts nach der ersten Umlenkung durch das EE 20 extrapoliert, um die gesamte vom Licht innerhalb des Wellenleiters 30 zurückgelegte Strecke darzustellen. Diese Strecke entspricht der optischen Weglänge durch das Abbildungssystem für den entsprechenden Bereich des Sichtfelds des EE bzw. die zugehörige Einfallsrichtung und endet in der illustrativen Darstellung am Ort des äquivalenten AE 40c. Diese zusätzliche Darstellung stellt wiederum keinen tatsächlichen Lichtweg oder tatsächliche Elemente dar, sondern dient lediglich zur Veranschaulichung des Gesamtwegs, den das Licht innerhalb des Wellenleiters 30 zurücklegt. In Fig. 2c, the light is incident on the EE 20 at a negative angle a v , 3 and is then redirected into the waveguide 30 so that it reaches the AE 40 through six reflections at the side surfaces of the waveguide 30. On the right side of the waveguide 30, further blocks the size of the waveguide 30 are shown, arranged in a row. In addition, the path of the redirected light in the direction of the redirected light after the first redirection by the EE 20 is extrapolated to show the entire distance traveled by the light within the waveguide 30. This distance corresponds to the optical path length through the imaging system for the corresponding region of the field of view of the EE or the associated direction of incidence and ends in the illustrative representation at the location of the equivalent AE 40c. This additional representation again does not represent an actual light path or actual elements, but merely serves to illustrate the overall path that the light travels within the waveguide 30.
Die Darstellung der Fig. 2a - 2c illustrieren im Vergleich zueinander, dass unterschiedliche Einfallswinkel des Lichts aus dem Sichtfeld des EE bzw. des Abbildungssystems 10 in unterschiedlichen Äquivalent-Abständen der AE 40 bzw. unterschiedlichen optischen Weglängen durch das Abbildungssystem resultiert, wie an den Positionen der Äquivalent-AE 40a, 40b, 40c gezeigt. Der so resultierende optische Weglängenunterscheid skaliert im Beispiel der Fig. 2a - 2c mit der Dicke des Wellenleiters 30 und lässt sich analog auf Abbildungssysteme übertragen, in denen der Wellenleiter 30 in Form eines auf zumindest zwei Seiten, z.B. von flächigen Elementen, begrenzten Hohlraums vorliegt (nicht gezeigt). Die EE 20 und AE 40 der Beispiele der Fig. 2a - 2c sind z.B. sog. Umlenkhologramme, die Licht beugen bzw. umlenken aber keine refraktiven Eigenschaften haben, also das Licht nicht fokussieren oder streuen. Bei der Erstellung von Abbildungen, z.B. mittels eines im Detektionssystem 50 integrierten Objektivs, kommt es daher zwangsläufig zu weglängenabhängigen Aberrationsfehlern: Ein solches beispielhaftes Objektiv (oder beliebige andere geeignete Optiken) kann nur Licht aus einem Winkel korrekt fokussieren und/ oder abbilden. Ist ein solches Objektiv für einen Einfallswinkel korrekt eingestellt, so kommt es bei anderen Winkeln zu Unschärfe und/oder Abbildungsfehlern. The representations of Fig. 2a - 2c illustrate, in comparison to each other, that different angles of incidence of the light from the field of view of the EE or the imaging system 10 result in different equivalent distances of the AE 40 or different optical path lengths through the imaging system, as shown at the positions of the equivalent AE 40a, 40b, 40c. The resulting optical path length difference scales in the example of Fig. 2a - 2c with the thickness of the Waveguide 30 and can be applied analogously to imaging systems in which the waveguide 30 is in the form of a cavity delimited on at least two sides, e.g. by planar elements (not shown). The EE 20 and AE 40 of the examples in Fig. 2a - 2c are, for example, so-called deflection holograms that diffract or deflect light but have no refractive properties, i.e. they do not focus or scatter the light. When creating images, e.g. using an objective integrated in the detection system 50, path length-dependent aberration errors therefore inevitably occur: Such an exemplary objective (or any other suitable optics) can only correctly focus and/or image light from one angle. If such an objective is correctly adjusted for one angle of incidence, blurring and/or imaging errors occur at other angles.
Ein ähnliches Problem ergibt sich, wenn die refraktiven Eigenschaften zur Abbildung nicht (alleine) von einem Objektiv ausgeführt wird, sondern die EE und/oder AE mit Eigenschaften einer Linse ausgebildet werden, wie an den Fig. 3a - 3c im Folgenden erklärt: A similar problem arises when the refractive properties for imaging are not (solely) implemented by a lens, but the EE and/or AE are formed with properties of a lens, as explained in Fig. 3a - 3c below:
Fig. 3a zeigt das Abbildungssystem 10 aus Fig. la für das Licht, das in einem positiven Winkel av,i auf das Einkopplungselement 20 trifft und das Einkopplungselement 20 und das Auskopplungselement 40 zusätzlich die Funktion sphärischer Linsen aufweisen. Fig. 3b zeigt das Abbildungssystem 10 aus Fig. 3a für das Licht, das in einem Winkel av,2 = o auf das Einkopplungselement 20 trifft. Fig. 3c zeigt das Abbildungssystem 10 aus Fig. 3a für das Licht, das in einem negativen Winkel av>3 auf das Einkopplungselement 20 trifft. Fig. 3a shows the imaging system 10 from Fig. 1a for the light that strikes the input coupling element 20 at a positive angle a v ,i and the input coupling element 20 and the output coupling element 40 additionally have the function of spherical lenses. Fig. 3b shows the imaging system 10 from Fig. 3a for the light that strikes the input coupling element 20 at an angle a v ,2 = 0. Fig. 3c shows the imaging system 10 from Fig. 3a for the light that strikes the input coupling element 20 at a negative angle a v>3 .
Im Wesentlichen stellen die Fig. 3a - 3c das gleiche Abbildungssystem wie die Fig. 2a - 2c, jedoch mit dem Unterschied, dass das EE 20 und das AE 40 eine sphärische Linsenfunktion umfassen, sodass das Bild von einem Punkt des abzubildenden Objekts 60, je nach Einfallswinkel av,i, ctv,2, av,3 vom EE 20 kollimiert und in innerhalb des Wellenleiters wie in Fig. 2a - 2c über interne Reflexion zum AE 40 umgelenkt wird. Das AE 40 erzeugt dann ein Bild des Objekts 6o‘, das vom Detektionssystem 50 aufgenommen werden kann. Es ist jedoch zu erkennen, dass es auch in dieser Konstellation zu Aberrationsfehlern kommt und die Fokuslänge in Fig. 3a zu kurz und in Fig. 3c zu lang ist. Daher kommt es auch hier zu weglängenabhängigen Aberrationsfehlern und die Bildqualität verschlechtert sich zunehmend zu den Rändern des Sichtfeldes des Abbildungssystems 10. Essentially, Figs. 3a - 3c represent the same imaging system as Figs. 2a - 2c, but with the difference that the EE 20 and the AE 40 comprise a spherical lens function, so that the image of a point of the object 60 to be imaged, depending on the angle of incidence a v ,i, c v ,2, a v , 3, is collimated by the EE 20 and deflected within the waveguide as in Figs. 2a - 2c via internal reflection to the AE 40. The AE 40 then generates an image of the object 6o', which can be recorded by the detection system 50. However, it can be seen that aberration errors also occur in this constellation and the focal length is too short in Fig. 3a and too long in Fig. 3c. Therefore, path length-dependent Aberration errors and the image quality deteriorates increasingly towards the edges of the field of view of the imaging system 10.
Das Bild des Objekts 6o‘ ist in Fig. 3a - 3c jeweils an der gleichen „Soll“-Position dargestellt. In einer Aberrations-freien Abbildung lägen daher die Punkte in Fig. 3a und 3c, an denen die Abbildung erstellt wird, in der „Soll-Ebene“. Da jedoch nur für den Einfallswinkel aus Fig. 3b Aberrations-frei abgebildet werden kann, ergeben sich die Abstände Axa (in Fig. 3a), wo der Fokus des umgelenkten Lichts näher am AE 40 liegt als die „Soll“-Ebene, und Axc (in Fig. 3c), wo die „Soll“-Ebene näher am AE 40 liegt als der Fokus des umgelenkten Lichts. Daher kann aus den Fig. 3a - 3c schematisch erkannt werden, dass unterschiedlich starke Aberrationsfehler in den verschiedenen Bereichen des Sichtfelds auftreten können. The image of object 6o' is shown in Fig. 3a - 3c at the same "target" position. In an aberration-free image, the points in Fig. 3a and 3c at which the image is created would therefore lie in the "target plane." However, since aberration-free imaging is only possible for the angle of incidence shown in Fig. 3b, the distances Ax a (in Fig. 3a) result, where the focus of the deflected light is closer to the AE 40 than the "target" plane, and Ax c (in Fig. 3c) result, where the "target" plane is closer to the AE 40 than the focus of the deflected light. Therefore, it can be schematically seen from Fig. 3a - 3c that different degrees of aberration errors can occur in the various regions of the field of view.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung sind zu der Erkenntnis gelangt, dass die weglängenabhängigen Aberrationsfehler unter anderem deswegen so schwer zu kompensieren sind, da es sich im Gegensatz z.B. zu herkömmlichen Objektiven beim erläuterten System um einem sog. „off-axis“ System handelt: Licht aus unterschiedlichen Einfallswinkeln bzw. unterschiedlichen Bereichen des Sichtfelds des EE nimmt unterschiedliche optische Weglängen durch das System. Basierend auf diesem neuen Verständnis haben die Erfinder erkannt, dass es im Allgemeinen notwendig ist, keine einfachen Linsen, sondern nicht-rotationssymmetrisch optische Elemente zu verwenden, um diesen weglängenabhängigen Aberrationsfehler zu verringern. Damit kann z.B. die Abbildungsqualität und Bildschärfe verbessert werden. The inventors of the present invention have come to the realization that path-length-dependent aberration errors are so difficult to compensate for, among other reasons, because, in contrast to conventional lenses, for example, the system described is a so-called "off-axis" system: light from different angles of incidence or different areas of the EE's field of view takes different optical path lengths through the system. Based on this new understanding, the inventors have recognized that it is generally necessary to use non-rotationally symmetric optical elements rather than simple lenses to reduce this path-length-dependent aberration error. This can, for example, improve the image quality and sharpness.
Um das Licht nicht-rotationssymmetrisch zu manipulieren, um einen weglängenabhängigen Aberrationsfehler zu verringern, kann das nicht-rotationssymmetrisch optische Element diffraktive (z.B. wenn das nicht-rotationssymmetrisch optische Element ein Hologramm umfasst) und/oder refraktive (z.B. wenn das nichtrotationssymmetrisch optische Element eine Freiform-Linse umfasst) Eigenschaften aufweisen. Dabei kann die Manipulation des Lichts über dessen gesamten Strahlquerschnitt ein Umlenken und/oder ein Fokussieren und/oder Zerstreuen umfassen, wobei das Fokussieren und/oder Zerstreuen nicht-rotationssymmetrisch erfolgt. Das Abbildungssystem kann zum Beispiel genau ein (z.B. räumlich zusammenhängendes) nicht-rotationssymmetrisch optisches Element umfassen. Das genau eine nicht-rotationssymmetrisch optische Element oder die mehreren nichtrotationssymmetrisch optischen Elemente kann/können dazu eingerichtet sein, das zum AE umgelenkte Licht (im Wesentlichen) vollständig, also z.B. über dessen gesamten Strahlquerschnitt, nicht-rotationssymmetrisch manipulieren. In order to manipulate the light non-rotationally symmetrically in order to reduce a path-length-dependent aberration error, the non-rotationally symmetrical optical element can have diffractive (e.g., if the non-rotationally symmetrical optical element comprises a hologram) and/or refractive (e.g., if the non-rotationally symmetrical optical element comprises a freeform lens) properties. The manipulation of the light across its entire beam cross-section can include redirecting and/or focusing and/or scattering, wherein the focusing and/or scattering occurs non-rotationally symmetrically. The imaging system can, for example, comprise exactly one (e.g., spatially coherent) non-rotationally symmetrical optical element. Exactly one non-rotationally symmetric optical element or the plurality of non-rotationally symmetric optical elements can be configured to manipulate the light deflected to the AE (essentially) completely, e.g. over its entire beam cross-section, in a non-rotationally symmetric manner.
In typischen Ansätzen, Abbildungsfehler zu kompensieren, reduzieren und/oder vermeiden, können insbesondere für holographische Abbildungssysteme Lösungen angeboten werden, die nicht weglängenabhängige Aberrationsfehler, sondern dispersionsbezogene Abbildungsfehler adressieren. Dabei kann es sich wie hierin verstanden, um unterschiedliche Probleme bzw. Effekte handeln: Der weglängenabhängige Aberrationsfehler ist darauf zurückzuführen, dass Licht aus unterschiedlichen Bereichen des Sichtfelds des EE unterschiedliche optische Weglängen durch das Abbildungssystem zurücklegt. Dispersionseffekte hingegen resultieren daraus, dass unterschiedliche Wellenlängen aus dem gleichen Bereich des Sichtfelds des EE unterschiedlich vom EE umgelenkt werden. Typical approaches to compensating, reducing, and/or avoiding aberrations, particularly for holographic imaging systems, can offer solutions that address dispersion-related aberrations rather than path-length-dependent aberrations. As understood herein, these can involve different problems or effects: The path-length-dependent aberration is due to the fact that light from different areas of the EE's field of view travels different optical path lengths through the imaging system. Dispersion effects, on the other hand, result from the fact that different wavelengths from the same area of the EE's field of view are deflected differently by the EE.
Die Verringerung des Aberrationsfehlers durch das nicht-rotationssymmetrisch optische Element (im Vergleich zu einem Abbildungssystem ohne nichtrotationssymmetrisches optisches Element) kann zum Beispiel eine erste Anpassung einer ersten Fokuslänge für eine erste Auskopplungsrichtung, die einem ersten Bereichs des Sichtfelds des EE (mit einer ersten optischen Weglänge durch das Abbildungssystem) zugeordnet ist, umfassen. Zudem kann sie eine zweite Anpassung einer zweiten Fokuslänge für eine zweite Auskopplungsrichtung, die einem zweiten Bereichs des Sichtfelds des EE (mit einer zweiten optischen Weglänge) zugeordnet ist, umfassen. Dabei können die erste Anpassung und die zweite Anpassung und/oder die erste Fokuslänge und die zweite Fokuslänge verschieden und/oder auf die entsprechende erste und/oder zweite optische Weglänge durch das Abbildungssystem angepasst sein. The reduction of the aberration error by the non-rotationally symmetric optical element (compared to an imaging system without a non-rotationally symmetric optical element) can, for example, comprise a first adjustment of a first focal length for a first outcoupling direction associated with a first region of the field of view of the EE (with a first optical path length through the imaging system). It can also comprise a second adjustment of a second focal length for a second outcoupling direction associated with a second region of the field of view of the EE (with a second optical path length). The first adjustment and the second adjustment and/or the first focal length and the second focal length can be different and/or adjusted to the corresponding first and/or second optical path length through the imaging system.
In einer beispielhaften Ausführungsform kann das EE und/ oder das AE das mindestens eine nicht-rotationssymmetrisch optische Element umfassen. In an exemplary embodiment, the EE and/or the AE may comprise the at least one non-rotationally symmetric optical element.
Grundsätzlich stellt dies eine vorteilhafte, platz- und materialsparende Möglichkeit dar, neben der Lichtbeugung auch die Refraktion von Licht durch die EE und/oder AE auszuführen. Dies kann die Bauraumanforderung, Kosten und/ oder Arbeitsaufwand zur Herstellung des Abbildungssystems usw. reduzieren. In principle, this represents an advantageous, space- and material-saving possibility to carry out not only the diffraction of light but also the refraction of light by the EE and/or AE This can reduce the space requirements, costs and/or labor required to manufacture the imaging system, etc.
Hierin wird grundsätzlich zwischen Beugung bzw. Umlenkung von Licht und der Refraktion unterschieden: Die reine Beugung bzw. Umlenkung von Licht umfasst eine Richtungsänderung des Lichts, wie z.B. von Hologrammen erreicht werden kann, die mit zwei ebenen Wellen belichtet wurden. Die nicht-rotationssymmetrisch optische Manipulation von Licht kann im Wesentlichen unabhängig davon sein und ein Fokussieren und/oder Streuen von Licht betreffen. Diese Manipulation kann vom gleichen oder einem separaten Hologramm ausgeführt werden. A fundamental distinction is made here between diffraction or redirection of light and refraction: Pure diffraction or redirection of light involves a change in the direction of light, as can be achieved, for example, by holograms illuminated with two plane waves. Non-rotationally symmetric optical manipulation of light can be essentially independent of this and involve focusing and/or scattering light. This manipulation can be performed by the same or a separate hologram.
Dies kann insbesondere dann vorteilhaft sein, wenn in bestimmten Ausführungsformen das EE und/oder das AE ein holographisches optisches Element umfasst: This may be particularly advantageous if, in certain embodiments, the EE and/or the AE comprises a holographic optical element:
Im Beispiel von holographischen EE und/oder AE können die nichtrotationssymmetrisch optischen Eigenschaften (zur nicht-rotationssymmetrischen Manipulation von Licht, um einen weglängenabhängigen Aberrationsfehler zu verringern) neben den Beugungseigenschaften grundsätzlich durch die Belichtung mit einer ebenen und einer Punktwelle in das EE und/oder das AE unter Anwendung herkömmlicher Verfahren zur Belichtung von Hologrammen eingeschrieben werden. Zur konkreten Anwendung in der vorliegenden Erfindung kann z.B. zum Erreichen der nicht-rotationssymmetrisch optischen Eigenschaft des EE und/ oder des AE die ebene und/oder die Punktwelle eine Freiformbelichtung umfassen, z.B. wie hierin beschrieben. In anderen Worten kann das (z.B. holographische) EE und/oder das (z.B. holographische) AE ein holographisches Element umfassen und das nichtrotationssymmetrische optische Element umfassen. Zum Beispiel können die Beugungseigenschaften des beugungsbasierten EE und/oder AE und die nichtrotationssymmetrischen Eigenschaften des nicht-rotationssymmetrischen optischen Elements gleichermaßen in das (z.B. holographische) EE und/oder das (z.B. holographische) AE eingeschrieben sein, z.B. in ein gleiches Hologramm des holographischen EE und/oder des holographischen AE. Das EE und/oder das AE selbst kann transmissiv oder reflektiv sein. Das bedeutet, dass eine nichtrotationssymmetrisch optische Funktion transmissiv oder reflektiv eingerichtet sein kann. Z.B. kann man eine Freiform-Linsen-Funktion (Transmission) und/oder eine Freiform-Spiegel-Funktion (Reflektion) in das EE und/oder das AE einschreiben. In the example of holographic EE and/or AE, the non-rotationally symmetric optical properties (for non-rotationally symmetric manipulation of light in order to reduce a path-length-dependent aberration error) in addition to the diffraction properties can in principle be inscribed into the EE and/or the AE by exposure to a plane wave and a point wave using conventional methods for exposing holograms. For concrete application in the present invention, for example, to achieve the non-rotationally symmetric optical property of the EE and/or the AE, the plane and/or the point wave can comprise a freeform exposure, e.g. as described herein. In other words, the (e.g. holographic) EE and/or the (e.g. holographic) AE can comprise a holographic element and the non-rotationally symmetric optical element. For example, the diffraction properties of the diffraction-based EE and/or AE and the non-rotationally symmetric properties of the non-rotationally symmetric optical element can be equally inscribed in the (e.g., holographic) EE and/or the (e.g., holographic) AE, e.g., in an identical hologram of the holographic EE and/or the holographic AE. The EE and/or the AE itself can be transmissive or reflective. This means that a non-rotationally symmetric optical function can be configured to be transmissive or reflective. For example, one can write a freeform lens function (transmission) and/or a freeform mirror function (reflection) into the EE and/or the AE.
Die Ausführungen hierin zur Herstellung und der Eigenschaften der EE und/oder AE können ebenso auf das nicht-rotationssymmetrisch optische Element übertragen werden, das analog hergestellt werden kann (z.B. als Hologramm). The statements herein regarding the fabrication and properties of the EE and/or AE can also be transferred to the non-rotationally symmetric optical element, which can be manufactured analogously (e.g., as a hologram).
In manchen Ausführungsformen kann das Abbildungssystem so ausgestaltet sein, dass das EE und/oder das AE ein drei- oder mehrfarbiges holographisches optisches Element umfasst, vorzugsweise ein RGB- holographisches optisches Element. In some embodiments, the imaging system may be configured such that the EE and/or the AE comprises a three- or multi-color holographic optical element, preferably an RGB holographic optical element.
Grundsätzlich wird Licht unterschiedlicher Wellenlängen von Hologrammen bzw. holographisch optischen Elementen in unterschiedliche Richtungen umgelenkt. In konkreten Anwendungsfällen kann das bedeuten, dass nur Licht einer Wellenlänge am Zielort angelangt. Werden zwei- oder mehrfarbige Hologramme verwendet, können Abbildungen größerer Farbvielfalt erstellt werden, insbesondere RGB-Hologramme haben sich dazu als vorteilhaft erwiesen, da sie den sichtbaren Spektralbereich auf günstige Weise abdecken bzw. Licht verschiedener Wellenlängen in die erwünschte Richtung umlenken können. Basically, light of different wavelengths is redirected in different directions by holograms or holographic optical elements. In specific applications, this can mean that only light of one wavelength reaches its destination. If two- or multi-color holograms are used, images with a greater variety of colors can be created. RGB holograms, in particular, have proven advantageous for this purpose, as they cover the visible spectral range effectively and can redirect light of different wavelengths in the desired direction.
Zum Beispiel kann das EE und/oder das AE mittels mindestes einer Freiform- Belichtung hergestellt sein. For example, the EE and/or the AE can be produced by means of at least one freeform exposure.
Freiform-Belichtung kann wie hierin beschrieben kontrolliert werden, z.B. unter der Verwendung von diffraktiv wirkenden optisch transparenten Bauteilen, refraktiv und/oder diffraktiv wirkenden Hybridoptiken- und -linsen und/oder räumlicher Modulatoren für Licht. Zusätzlich oder alternativ können z.B. optische Elemente wie asphärische Linsen, integrierte Linsensysteme, diffraktive Optiken, Fresnellinsen, Off- axis Parabolspiegel, zylindrische Linsen, Gradientindexlinsen (GRISM), totale interne Reflektionslinsen (TIR), Prismen, Reflektive Optiken, Spiegel, Würfel Optiken, Linsenarrays, Mottenaugenoptiken, optische Combiner, Freiformoptiken, kollimierende Linsen und/oder Gitterstrukturen eingesetzt werden, um die Freiform- Belichtung wie gewünscht einzustellen und so die nicht-rotationssymmetrisch optischen Eigenschaften des nicht-rotationssymmetrisch optischen Elements zu bestimmen. Freeform exposure can be controlled as described herein, e.g., using diffractive optically transparent components, refractive and/or diffractive hybrid optics and lenses, and/or spatial light modulators. Additionally or alternatively, optical elements such as aspherical lenses, integrated lens systems, diffractive optics, Fresnel lenses, off-axis parabolic mirrors, cylindrical lenses, gradient index lenses (GRISM), total internal reflection lenses (TIR), prisms, reflective optics, mirrors, cube optics, lens arrays, moth-eye optics, optical combiners, freeform optics, collimating lenses, and/or grating structures can be used to adjust the freeform exposure as desired and thus to control the non-rotationally symmetric to determine the optical properties of the non-rotationally symmetric optical element.
Zum Beispiel kann das nicht-rotationssymmetrisch optische Element dazu eingerichtet sein, auf das nicht-rotationssymmetrisch optische Element auftreffendes Licht zumindest teilweise zu fokussieren und/oder zu dispergieren. For example, the non-rotationally symmetric optical element may be configured to at least partially focus and/or disperse light incident on the non-rotationally symmetric optical element.
Das hat den Vorteil, dass die gewünschte Abbildung mit reduziertem Aberrationsfehler erfolgen kann und insbesondere die refraktiven Eigenschaften auf die Geometrie des Abbildungssystems abgestimmt werden können. This has the advantage that the desired imaging can be achieved with reduced aberration error and, in particular, the refractive properties can be adapted to the geometry of the imaging system.
In manchen Beispielen kann das Abbildungssystem mindestens zwei nichtrotationssymmetrisch optische, z.B. reflektive, Elemente umfassen, wobei die mindestens zwei nicht-rotationssymmetrisch optischen Elemente aufeinander abgestimmt und dazu eingerichtet sein können, eine Abbildung des Sichtfelds zu erstellen. In some examples, the imaging system may comprise at least two non-rotationally symmetric optical, e.g., reflective, elements, wherein the at least two non-rotationally symmetric optical elements may be coordinated with one another and configured to create an image of the field of view.
Dies kann z.B. in der Form ausgeführt sein, dass das EE und das AE, wie hierin beschrieben, jeweils ein nicht-rotationssymmetrisch optisches Element umfassen. Dabei und in anderen Ausführungsformen kann die Abstimmung aufeinander insofern vorteilhaft sein, als dass ein erstes nicht-rotationssymmetrisch optisches Element z.B. zur Verbesserung des Aberrationsfehlers an den Rändern des Sichtfelds zu einer Verschlechterung des Aberrationsfehlers in der Mitte des Sichtfelds führen kann, welcher in diesem Beispiel durch ein zweites nicht-rotationssymmetrisch optisches Element kompensiert werden kann. So kann der Aberrationsfehler, wie hierin beschrieben, über ein möglichst großes Sichtfeld unterhalb einer akzeptablen Schwelle gehalten werden. This can be implemented, for example, in such a way that the EE and the AE, as described herein, each comprise a non-rotationally symmetric optical element. In this and other embodiments, the matching can be advantageous in that a first non-rotationally symmetric optical element, for example, to improve the aberration error at the edges of the field of view can lead to a deterioration of the aberration error in the center of the field of view, which, in this example, can be compensated for by a second non-rotationally symmetric optical element. Thus, the aberration error, as described herein, can be kept below an acceptable threshold over the largest possible field of view.
In beispielhaften Ausführungsformen kann das Abbildungssystem ein Sichtfeld von mindestens 50° mal 250 aufweisen, vorzugsweise von mindestens 6o° mal 50° aufweisen. In exemplary embodiments, the imaging system may have a field of view of at least 50° by 25 ° , preferably at least 60° by 50°.
Damit können größere Objekte und/oder größere Sichtfelder allgemein abgebildet werden, was die Anwendung des Abbildungssystems in neuen Bereichen ermöglicht, die Mindestanforderungen an Sichtfeldgrößen stellen. Für ein Sichtfeld von 50° mal 250 konnten durch nicht-rotationssymmetrisch optische Elemente die Aberration in ersten Versuchen so stark verbessert werden, dass die Auflösung durchschnittlich um über 50% verbessert wurde, und für Sichtfelder von 6o° mal 50° durchschnittlich um über 35%. This allows larger objects and/or larger fields of view to be imaged in general, enabling the application of the imaging system in new areas, which set minimum requirements for field-of-view sizes. For a field of view of 50° by 25 °, non-rotationally symmetric optical elements were able to improve the aberration in initial experiments to such an extent that the resolution was improved by an average of over 50%, and for fields of view of 60° by 50°, by an average of over 35%.
In manchen Beispielen kann das mindestens eine nicht-rotationssymmetrisch optische Element dazu eingerichtet sein, den weglängenabhängigen Aberrationsfehler derart zu verringern, dass er im Sichtfeld im Schnitt (z.B. RMS (root mean square) Fehler) unter einem vordefinierten Wert von 10 mal der Wellenlänge des umgelenkten Lichts, vorzugsweise unter einem vordefinierten Wert von 6 mal der Wellenlänge des umgelenkten Lichts liegt. Die Aberration hierin kann z.B. als die Differenz zwischen der tatsächlichen Wellenfront und der idealen Wellenfront definiert sein. Typischerweise wird sie in Einheiten der Wellenlänge ausgedrückt und das quadratische Mittel über das Sichtfeld des Abbildungssystems kann die Aberration des Abbildungssystems repräsentativ in einem Wert ausdrücken. Typischerweise liegt eine so ausgedrückte Aberration durch die erfindungsgemäße Lösung in einem Bereich von 0,3 bis 6 mal die Wellenlänge des umgelenkten Lichts. Dies entspricht einer starken Reduktion im Vergleich zu einem identischen System, das ohne nicht-rotationssymmetrische optische Element auskommt, um einen Faktor von mindestens 5, mindestens 10 oder sogar mindestens 20. In some examples, the at least one non-rotationally symmetric optical element can be configured to reduce the path-length-dependent aberration error such that it is below a predefined value of 10 times the wavelength of the deflected light in the field of view on average (e.g., RMS (root mean square) error), preferably below a predefined value of 6 times the wavelength of the deflected light. The aberration here can be defined, for example, as the difference between the actual wavefront and the ideal wavefront. Typically, it is expressed in units of wavelength, and the root mean square over the field of view of the imaging system can representatively express the aberration of the imaging system in one value. Typically, an aberration expressed in this way by the solution according to the invention lies in a range of 0.3 to 6 times the wavelength of the deflected light. This corresponds to a significant reduction compared to an identical system that does not require a non-rotationally symmetric optical element, by a factor of at least 5, at least 10, or even at least 20.
Die angegebenen Maximalwerte für Aberrationsfehler erlauben eine Abbildung mit hoher Bildqualität, die dem Standard eines Nutzers entspricht und verbessert somit die Nutzerzufriedenheit und die Anwendbarkeit herkömmlicher Bildnachbearbeitungsverfahren, die eine Mindestbildqualität erfordern können. The specified maximum values for aberration errors allow for high image quality imaging that meets a user's standard, thus improving user satisfaction and the applicability of conventional image post-processing techniques that may require a minimum level of image quality.
In weiteren Beispielen kann das Abbildungssystem weiterhin einen Wellenleiter umfassen. In further examples, the imaging system may further comprise a waveguide.
Der Wellenleiter kann z.B. wie in den Fig. la - 3c in Relation zu den EE und AE angeordnet sein und kann eine vorteilhafte Möglichkeit darstellen, die EE und AE in ihrer relativen Position zueinander auf zuverlässige, platzsparende und kostengünstige Weise zu fixieren. Wellenleiter können z.B. zumindest teilweise aus Glas und/oder Kunststoffen usw. bestehen und/oder können z.B. in Ihrer Form, Ausdehnung, Oberflächenbeschaffenheit, Materialzusammensetzung und/oder (spektral abhängigen) Transparenz/Lichtdurchlässigkeit auf den konkreten Anwendungsfall abgestimmt sein. Dieser Anwendungsfall kann z.B. die Integration des Abbildungssystems in einen Bildschirm (wobei der Wellenleiter z.B. Teil des Bildschirms eines Computers, eines Ziffernblatts/Bildschirms einer Uhr und/oder Mobiltelefons sein kann), in Fenstern (wobei der Wellenleiter z.B. Teil der Windschutzscheibe und/oder einer anderen Scheibe eines Fahrzeugs sein und/oder eines Fensters eines Gebäudes und/oder einer Anzeige sein kann) und/oder in Brillen (wobei der Wellenleiter z.B. Teil des Brillenglases sein kann). The waveguide can be arranged in relation to the EE and AE, for example, as shown in Figs. 1a - 3c, and can represent an advantageous way to fix the EE and AE in their relative position in a reliable, space-saving, and cost-effective manner. Waveguides can, for example, be made at least partially of glass and/or Plastics, etc. and/or can be tailored to the specific application in terms of their shape, size, surface quality, material composition and/or (spectrally dependent) transparency/light transmittance. This application can be, for example, the integration of the imaging system into a screen (where the waveguide can be, for example, part of the screen of a computer, a clock face/screen and/or a mobile phone), in windows (where the waveguide can be, for example, part of the windshield and/or another pane of a vehicle and/or a window of a building and/or a display) and/or in glasses (where the waveguide can be, for example, part of the lens of the glasses).
In einigen Beispielen kann das EE dazu eingerichtet sein, auf das EE auftreffendes Licht, vorzugsweise mindestes zweier Wellenlängen, wobei das auftreffende Licht der zwei Wellenlängen vorzugsweise aus der gleichen Richtung auf das EE trifft, aus einem Sichtfeld des EE zumindest teilweise in den Wellenleiter einzukoppeln. In some examples, the EE may be configured to at least partially couple light incident on the EE, preferably of at least two wavelengths, wherein the incident light of the two wavelengths preferably strikes the EE from the same direction, from a field of view of the EE into the waveguide.
Die Einkopplung in den Wellenleiter bietet unter anderem den Vorteil, dass das gleiche Element, der Wellenleiter, der die Stabilität und Grundgeometrie des Systems definiert zur Lichtweiterleitung verwendet werden kann, was eine effiziente, platz- und kostensparende Lösung bietet. Das eingekoppelte Licht kann dann z.B. wie im Folgenden erklärt umgelenkt werden. Coupling into the waveguide offers, among other advantages, that the same element—the waveguide—which defines the stability and basic geometry of the system can be used for light transmission, providing an efficient, space-saving, and cost-saving solution. The coupled light can then be redirected, for example, as explained below.
Konkret kann das EE in beispielhaften Ausführungsformen dazu eingerichtet sein, das EE auftreffendes Licht aus dem Sichtfeld zumindest teilweise über interne Reflexion im Wellenleiter zum AE umzulenken. Specifically, in exemplary embodiments, the EE may be configured to redirect the EE incident light from the field of view to the AE at least partially via internal reflection in the waveguide.
Dabei kann der Winkel zwischen dem vom EE umgelenkten Licht und den Oberflächen des Wellenleiters so eingestellt werden, z.B. durch die Belichtung des EE und/oder die relative Anbringung bzw. Positionierung am Wellenleiter, dass das umgelenkte Licht über interne Totalreflexion zum AE gelangt, was zu keinen, vernachlässigbaren und/oder nur geringen Verlusten an Lichtintensität innerhalb des Wellenleiters führen kann. In einigen Beispielen kann das AE dazu eingerichtet sein, umgelenktes Licht zumindest zweier Wellenlängen zumindest teilweise aus dem Wellenleiter auszukoppeln. The angle between the light deflected by the EE and the surfaces of the waveguide can be adjusted, e.g. by illuminating the EE and/or the relative attachment or positioning on the waveguide, so that the deflected light reaches the AE via total internal reflection, which can lead to no, negligible and/or only small losses of light intensity within the waveguide. In some examples, the AE may be configured to at least partially couple deflected light of at least two wavelengths out of the waveguide.
Dazu kann das AE, wenn es z.B. ein holographisches optisches Element umfasst, von zwei Wellenlängen, vorzugsweise aus der gleichen Richtung, belichtet sein, um sowohl das Licht einer ersten Wellenlänge als auch das Licht einer zweiten Wellenlänge in einer gewünschten Richtung auszukoppeln. Das kann ermöglichen, Bilder mit größerer Farbvielfalt abzubilden. For this purpose, the AE, if it comprises, for example, a holographic optical element, can be illuminated at two wavelengths, preferably from the same direction, to couple out both the light of a first wavelength and the light of a second wavelength in a desired direction. This can enable images with a greater color diversity.
Wird zum Beispiel das EE und/ oder das AE von zwei Wellenlängen belichtet, kann der Lichteinfall z.B. so gewählt werden, dass ein Anteil des Lichts mit der ersten Wellenlänge und ein Anteil des Lichts mit der zweiten Wellenlänge aus der gleichen Richtung auf das zu belichtende EE und/ oder AE treffen. In typischen Beispielen werden oft drei Wellenlängen (rot, grün und blau (RGB)) gewählt, um so ein RGB- Hologramm zu schreiben. Abbildungssysteme mit solchen EE und/ oder AE sind dann, wie hierin beschrieben, dazu eingerichtet, auf das EE auftreffendes Licht mindestes zweier Wellenlängen, wobei das auftreffende Licht der zwei Wellenlängen vorzugsweise aus der gleichen Richtung auf das EE trifft, aus einem Sichtfeld des EE zumindest teilweise in den Wellenleiter einzukoppeln und das umgelenkte Licht der ersten und zweiten Wellenlänge in einer gewünschten Richtung entsprechend auszukoppeln.If, for example, the EE and/or the AE is exposed to two wavelengths, the light incidence can be selected such that a portion of the light with the first wavelength and a portion of the light with the second wavelength strike the EE and/or AE to be exposed from the same direction. In typical examples, three wavelengths (red, green and blue (RGB)) are often selected in order to write an RGB hologram. Imaging systems with such EE and/or AE are then configured, as described herein, to couple light of at least two wavelengths incident on the EE, with the incident light of the two wavelengths preferably striking the EE from the same direction, from a field of view of the EE at least partially into the waveguide and to couple out the deflected light of the first and second wavelengths accordingly in a desired direction.
Gleiches lässt sich für RGB EE und/oder AE für dreifarbiges Licht bzw. für mehrfarbige EE und/oder AE auf vier- oder mehrfarbiges Licht übertragen. The same applies to RGB EE and/or AE for three-color light or to multi-color EE and/or AE for four- or multi-color light.
In beispielhaften Ausführungsformen kann das AE eine kleinere Oberfläche aufweisen als das EE. In exemplary embodiments, the AE may have a smaller surface area than the EE.
Ein solches relatives Größenverhältnis ist unter anderem unter den folgenden Gesichtspunkten vorteilhaft: Die Größe des EE wirkt sich auf die Größe des Sichtfeldes aus. D.h., je größer das EE, desto größer kann grundsätzlich dessen Sichtfeld sein, was allgemein bevorzugt ist. Gleichermaßen bestimmt die Größe des AE den Strahl querschnitt des ausgekoppelten Lichts. Je kleiner das AE, desto kleiner kann daher die Apertur des Objektivs und/oder eines Detektionssystems zur Aufnahme des Bildes gewählt werden, was sich grundsätzlich positiv auf die Bildqualität auswirken kann. Generell ist es vorteilhaft einen Kompromiss zwischen Apertur-Größe, Wellenleiter-Dicke, EE und/oder AE-Größe und/oder Sichtfeldgröße zu finden, um das Abbildungssystem z.B. hinsichtlich der geplanten Abbildungen, Bauraumanforderungen usw. zu optimieren. Such a relative size ratio is advantageous from the following perspectives, among others: The size of the EE affects the size of the field of view. This means that the larger the EE, the larger the field of view can be, which is generally preferred. Likewise, the size of the AE determines the beam cross-section of the outcoupled light. Therefore, the smaller the AE, the smaller the aperture of the lens and/or a detection system can be selected for image acquisition, which can generally have a positive effect on image quality. Generally, it is advantageous to find a compromise between aperture size, To find waveguide thickness, EE and/or AE size and/or field of view size in order to optimize the imaging system, e.g. with regard to the planned images, installation space requirements, etc.
In beispielhaften Ausführungsformen kann der Wellenleiter eine erste und eine zweite, der ersten gegenüberliegenden, Oberfläche aufweisen, die vorzugsweise durch eine im Wesentlichen konstante Schichtdicke voneinander getrennt sein kann. In exemplary embodiments, the waveguide may have a first and a second surface opposite the first, which may preferably be separated from each other by a substantially constant layer thickness.
Solche Wellenleiter können daher insbesondere gut dazu geeignet sein, das umgelenkte Licht kontrolliert durch Totalreflexion und mit geringen Verlusten vom EE zum AE zu leiten, was sich positiv auf die Effizienz und Bildqualität des Abbildungssystems auswirken kann. Such waveguides can therefore be particularly well suited to guide the deflected light from the EE to the AE in a controlled manner by total internal reflection and with low losses, which can have a positive effect on the efficiency and image quality of the imaging system.
Zum Beispiel kann EE im Wesentlichen an der ersten Oberfläche des Wellenleiters angeordnet sein und/oder das AE im Wesentlichen an der zweiten Oberfläche des Wellenleiters angeordnet sein. For example, EE may be arranged substantially at the first surface of the waveguide and/or AE may be arranged substantially at the second surface of the waveguide.
Sind die EE und AE auf gegenüberliegenden Seiten des Wellenleiters angeordnet, ist die Umlenkung des Lichts vom EE zum AE ohne Reflexion oder mittels Reflexion innerhalb des Wellenleiters möglich. If the EE and AE are arranged on opposite sides of the waveguide, the redirection of light from the EE to the AE is possible without reflection or by reflection within the waveguide.
Die EE und AE können in solchen beispielhaften Ausführungsformen relativ zueinander in der Wellenleiterebene positioniert und orientiert werden, um die Umlenkung von den EE zu den AE zu optimieren. Die EE und AE können z.B. an einer Außenseite des Wellenleiters angebracht sein, in den Wellenleiter integriert sein usw. Alle Hologramme in Beispielen, in denen die EE und/oder die AE Hologramme umfassen, können ein Transmissions- oder Reflexionshologramm sein und auch in der Scheibe bzw. zwischen zwei Scheiben (z.B. Verbundglas) eingebettet sein. In such exemplary embodiments, the EE and AE can be positioned and oriented relative to each other in the waveguide plane to optimize the deflection from the EE to the AE. The EE and AE can, for example, be attached to an outer surface of the waveguide, integrated into the waveguide, etc. Any holograms in examples where the EE and/or the AE comprise holograms can be a transmission or reflection hologram and can also be embedded in the pane or between two panes (e.g., laminated glass).
In einem Beispiel kann das Abbildungssystem weiterhin ein Objektiv umfassen, wobei das Objektiv dazu eingerichtet sein kann, von dem AE ausgekoppeltes Licht zumindest teilweise zu beeinflussen. Ein Objektiv kann die Aberration der Abbildung kompensieren und so die Bildqualität verbessern. In one example, the imaging system may further comprise an objective lens, wherein the objective lens may be configured to at least partially influence light coupled out from the AE. A lens can compensate for the aberration of the image and thus improve the image quality.
Die Funktion des Objektivs kann auch zumindest teilweise z.B. in das AE integriert sein, z.B. indem das AE das Licht nicht nur umlenkt insofern als dass die Richtung des Umgelenkten Lichts so verändert wird, dass es zum Sensor ausgekoppelt wird, sondern dass das AE z.B. auch eine fokussierende und/oder zerstreuende Funktion hat, sodass das AE alleine oder in Kombination mit einem Objektiv das Licht geeignet auf den Sensor aufbringt. The function of the lens can also be at least partially integrated into the AE, e.g. by the AE not only redirecting the light in that the direction of the redirected light is changed so that it is coupled out to the sensor, but that the AE also has a focusing and/or dispersing function, so that the AE alone or in combination with a lens applies the light appropriately to the sensor.
In einem Beispiel kann das Objektiv das zumindest eine und/oder ein weiteres nichtrotationssymmetrisch optisches Element umfassen, das dazu eingerichtet sein kann, den weglängenabhängigen Aberrationsfehler zu verringern. In one example, the objective lens may comprise the at least one and/or another non-rotationally symmetric optical element, which may be configured to reduce the path length-dependent aberration error.
Ein weiteres nicht-rotationssymmetrisch optisches Elementbietet weitere wertvolle Freiheitsgrade zur Verringerung des den weglängenabhängigen Aberrationsfehlers und kann so die Bildqualität weiter verbessern. Another non-rotationally symmetric optical element offers additional valuable degrees of freedom to reduce the path length-dependent aberration error and can thus further improve image quality.
Ein weiterer Aspekt betrifft ein System, das ein Abbildungssystem, wie hierin beschrieben, umfassen kann, sowie einen Sensor, wobei das AE dazu eingerichtet sein kann, das umgelenkte Licht zumindest teilweise zu dem Sensor auszukoppeln. Another aspect relates to a system that may include an imaging system as described herein and a sensor, wherein the AE may be configured to at least partially couple the deflected light to the sensor.
Der Sensor kann eine geeignete direkt auf das Abbildungssystem abgestimmte Komponente darstellen, die eine digitale Aufzeichnung der durch das Abbildungssystem erstellte Abbildung ermöglicht. Dies kann eine digitale Nachbearbeitung und/oder ein Zusammenfügen der Beiträge des Lichts, das von den verschiedenen EE eingesammelt und umgelenkt wird, ermöglichen. The sensor can be a suitable component directly integrated with the imaging system, enabling digital recording of the image created by the imaging system. This can enable digital post-processing and/or merging of the light contributions collected and redirected by the various EEs.
Die Überlagerung gleicher und/ oder ähnlicher Punkte der Abbildungen basierend auf dem Licht kommend von verschiedenen EE auf dem Sensor kann so digital verarbeitet werden und gegebenenfalls unter Vornahme von Bild-Nachkorrekturen zur Erstellung der fertigen Abbildung genutzt werden. Beispielsweise können Verschiebungen, Verzerrungen, unterschiedliche Skalierungen usw. mittels solch digitaler Bearbeitung kompensiert werden, sodass ein stimmiges gemeinsames Bild erzeugt werden kann. 4- Beschreibung der Figuren The superposition of identical and/or similar points in the images based on the light coming from different EEs on the sensor can be digitally processed and, if necessary, used to create the final image with post-image corrections. For example, shifts, distortions, different scaling, etc., can be compensated for using this digital processing, creating a coherent combined image. 4- Description of the characters
Fig. la zeigt schematisch eine Ansicht eines Abbildungssystems mit einem Einkopplungselement und einem Auskopplungselement in der x-z-Ebene. Fig. 1a shows a schematic view of an imaging system with an input coupling element and an output coupling element in the x-z plane.
Fig. ib zeigt schematisch eine Ansicht eines Abbildungssystems mit einem Einkopplungselement und einem Auskopplungselement in der x-y-Ebene. Fig. ib shows a schematic view of an imaging system with an input coupling element and an output coupling element in the x-y plane.
Fig. ic zeigt schematisch eine Ansicht eines Abbildungssystems mit einem Einkopplungselement und einem Auskopplungselement in der y-z-Ebene. Fig. ic shows a schematic view of an imaging system with an input coupling element and an output coupling element in the y-z plane.
Fig. 2a zeigt das Abbildungssystem aus Fig. la für das Licht, das in einem positiven Winkel av,i auf das Einkopplungselement trifft. Fig. 2a shows the imaging system of Fig. 1a for the light that hits the coupling element at a positive angle a v ,i.
Fig. 2b zeigt das Abbildungssystem aus Fig. la für das Licht, das in einem Winkel av,2 = o auf das Einkopplungselement trifft. Fig. 2b shows the imaging system from Fig. 1a for the light that hits the coupling element at an angle a v ,2 = o.
Fig. 2c zeigt das Abbildungssystem aus Fig. la für das Licht, das in einem negativen Winkel av>3 auf das Einkopplungselement trifft. Fig. 2c shows the imaging system from Fig. 1a for the light that hits the coupling element at a negative angle a v>3 .
Fig. 3a zeigt das Abbildungssystem aus Fig. la für das Licht, das in einem positiven Winkel av,i auf das Einkopplungselement trifft und das Einkopplungselement und das Auskopplungselement ein rotationssymmetrisch refraktives Element umfassen. Fig. 3a shows the imaging system of Fig. 1a for the light which strikes the input coupling element at a positive angle a v ,i and the input coupling element and the output coupling element comprise a rotationally symmetric refractive element.
Fig. 3b zeigt das Abbildungssystem aus Fig. la für das Licht, das in einem Winkel av,2 = o auf das Einkopplungselement trifft und das Einkopplungselement und das Auskopplungselement ein rotationssymmetrisch refraktives Element umfassen. Fig. 3b shows the imaging system of Fig. 1a for the light which strikes the input coupling element at an angle a v ,2 = o and the input coupling element and the output coupling element comprise a rotationally symmetric refractive element.
Fig. 3c zeigt das Abbildungssystem aus Fig. la für das Licht, das in einem negativen Winkel av>3 auf das Einkopplungselement trifft und das Einkopplungselement und das Auskopplungselement ein rotationssymmetrisch refraktives Element umfassen. Fig. 4a zeigt schematisch eine Ansicht eines Abbildungssystems mit einem Einkopplungselement, einem Auskopplungselement und einem Wellenleiter mit keilförmigem Querschnitt in der x-z-Ebene. Fig. 3c shows the imaging system of Fig. 1a for the light which strikes the input coupling element at a negative angle a v>3 and the input coupling element and the output coupling element comprise a rotationally symmetric refractive element. Fig. 4a shows a schematic view of an imaging system with an input coupling element, an output coupling element and a waveguide with a wedge-shaped cross-section in the xz-plane.
Fig. 4b zeigt schematisch eine Ansicht eines Abbildungssystems mit einem Einkopplungselement, einem Auskopplungselement und einem in der x-z-Ebene gekrümmten Wellenleiter in der x-z-Ebene. Fig. 4b shows a schematic view of an imaging system with an input coupling element, an output coupling element and a waveguide curved in the x-z plane.
Fig. 5 zeigt drei Möglichkeiten der Freiformbelichtung holographischer optischer Elemente. Fig. 5 shows three possibilities for freeform exposure of holographic optical elements.
Fig. 6a zeigt schematisch eine Ansicht eines Abbildungssystems mit einem EE und einem AE in der x-z-Ebene, wobei das EE und das AE jeweils ein nichtrotationssymmetrisch optisches Element umfassen, sodass der Aberrationsfehler für vier beispielhafte Einfallswinkel auf das EE reduziert wird. Fig. 6a shows a schematic view of an imaging system with an EE and an AE in the x-z plane, where the EE and the AE each comprise a non-rotationally symmetric optical element so that the aberration error is reduced for four exemplary angles of incidence on the EE.
Fig. 6b zeigt den Aberrationsfehler als Funktion einer Position in einem großen Sichtfeld für ein Abbildungssystem ohne nicht-rotationssymmetrisch optischem Element. Fig. 6b shows the aberration error as a function of position in a large field of view for an imaging system without a non-rotationally symmetric optical element.
Fig. 6c zeigt den Aberrationsfehler als Funktion einer Position in einem kleinen Sichtfeld für ein Abbildungssystem mit einem nicht-rotationssymmetrisch optischem Element. Fig. 6c shows the aberration error as a function of position in a small field of view for an imaging system with a non-rotationally symmetric optical element.
Fig. 6d zeigt den Aberrationsfehler als Funktion einer Position in einem großen Sichtfeld für ein Abbildungssystem mit einem nicht-rotationssymmetrisch optischem Element. Fig. 6d shows the aberration error as a function of position in a large field of view for an imaging system with a non-rotationally symmetric optical element.
Fig. 6e zeigt den Aberrationsfehler als Funktion einer Position in einem großen Sichtfeld für ein Abbildungssystem mit zwei nicht-rotationssymmetrisch optischen Elementen. Fig. 6e shows the aberration error as a function of position in a large field of view for an imaging system with two non-rotationally symmetric optical elements.
Fig. 7a zeigt eine beispielhafte Beugung bzw. Umlenkung von Licht in Abgrenzung zur Refraktion in Fig. 7b. Fig. 7b zeigt eine beispielhafte Refraktion von Licht in Abgrenzung zur Beugung bzw. Umlenkung in Fig. 7a. Fig. 7a shows an example of diffraction or redirection of light in contrast to the refraction in Fig. 7b. Fig. 7b shows an example of refraction of light in contrast to the diffraction or deflection in Fig. 7a.
Fig. 8a zeigt ein beispielhaftes nicht-rotationssymmetrisch optisches Element, das z.B. von einem Einkopplungselement umfasst sein kann. Fig. 8a shows an exemplary non-rotationally symmetric optical element, which can be comprised, for example, by a coupling element.
Fig. 8b zeigt ein beispielhaftes nicht-rotationssymmetrisch optisches Element, das z.B. von einem Auskopplungselement umfasst sein kann. Fig. 8b shows an exemplary non-rotationally symmetric optical element, which can be comprised, for example, by an outcoupling element.
5. Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen 5. Detailed description of preferred embodiments
Das hierin beschriebene Konzept lässt sich neben den In Fig. la - 3c dargestellten Abbildungssystemen auch auf solche mit Wellenleitern anderer Formen übertragen, wie z.B. in den Fig. 4a und 4b dargestellt und im Folgenden beschrieben: The concept described herein can be applied not only to the imaging systems shown in Fig. 1a - 3c but also to those with waveguides of other shapes, such as those shown in Fig. 4a and 4b and described below:
Fig. 4a zeigt zum Beispiel eine Ansicht eines Abbildungssystems 10 mit einem EE 20, einem AE 40 und einem Wellenleiter 30 mit keilförmigem Querschnitt in der x-z- Ebene. Dabei sind die beiden Seitenflächen des Wellenleiters 30, an denen jeweils entweder das EE 20 oder das AE 40 angebracht ist, nicht parallel zueinander. Das AE 40 koppelt das umgelenkte Licht wie hierin beschrieben zum Detektionssystem 50, das z.B. einen Sensor und/oder ein Objektiv umfassen kann, aus. For example, Fig. 4a shows a view of an imaging system 10 with an EE 20, an AE 40, and a waveguide 30 with a wedge-shaped cross-section in the x-z plane. The two side surfaces of the waveguide 30, to which either the EE 20 or the AE 40 is attached, are not parallel to each other. The AE 40 couples the deflected light, as described herein, to the detection system 50, which may include, for example, a sensor and/or a lens.
Fig. 4b zeigt schematisch eine Ansicht eines Abbildungssystems 10 mit einem EE 20, einem AE 40 und einem in der x-z-Ebene gekrümmten Wellenleiter 30 in der x-z- Ebene. Der beispielhafte Wellenleiter 30 hat eine konstante Dicke und eine Krümmung in der x-z-Ebene. Zusätzlich oder alternativ könnte der Wellenleiter 30 auch eine Krümmung in der x-y- und/oder y-z-Ebene aufweisen. Die jeweilige Krümmung könnte gleichmäßig oder ungleichmäßig auf verschiedenen Abschnitten des Wellenleiters 30 sein, bis hin zu gänzlich unregelmäßigen Krümmungen. Das AE 40 koppelt das umgelenkte Licht wie hierin beschrieben zum Detektionssystem 50, das z.B. einen Sensor und/oder ein Objektiv umfassen kann, aus. Weder die relative Neigung der beiden Seitenflächen des Wellenleiters 30 aus Fig. 4a noch die Krümmung des Wellenleiters aus Fig. 4b stellen ein Hindernis für die Funktionalität des Abbildungssystems 10 dar. Die hierin beschriebenen Funktionalitäten lassen sich auf das Abbildungssystem 10 aus Fig. 4a und 4b übertragen und die Auskopplung zum jeweiligen Detektionssystem 50 findet wie hierin beschrieben statt. Fig. 4b schematically shows a view of an imaging system 10 with an EE 20, an AE 40, and a waveguide 30 curved in the xz-plane. The exemplary waveguide 30 has a constant thickness and a curvature in the xz-plane. Additionally or alternatively, the waveguide 30 could also have a curvature in the xy- and/or yz-plane. The respective curvature could be uniform or non-uniform on different sections of the waveguide 30, up to and including completely irregular curvatures. The AE 40 couples the deflected light, as described herein, to the detection system 50, which may comprise, for example, a sensor and/or a lens. Neither the relative inclination of the two side surfaces of the waveguide 30 from Fig. 4a nor the curvature of the waveguide from Fig. 4b represent an obstacle to the functionality of the imaging system 10. The functionalities described herein can be transferred to the imaging system 10 from Figs. 4a and 4b and the coupling to the respective detection system 50 takes place as described herein.
Fig. 5 zeigt drei Möglichkeiten der Freiformbelichtung holographischer optischer Elemente. Dies kann z.B. in der Belichtung von einem EE 20, einem AE 40 und/oder einem optional im Objektiv enthaltenen nicht-rotationssymmetrisch optischem Element angewandt werden: Die folgende beispielhafte Erklärung ist auf holographische optische EE 20, AE 40 und/oder im Objektiv enthaltenen nichtrotationssymmetrisch optische Elemente gerichtet. Holographisch optische Elemente können hierin z.B. dünne Schichten umfassen. Das Hologramm kann z.B. in eine solche dünne Schicht, z.B. eine Fotoemulsion, mit der die Oberfläche einer Fotoplatte überzogen ist, und/oder Fotopolymere (fotosensitive Polymere, die eine oder mehrere lichtempfindliche Molekülgruppen enthalten, die insofern auf Belichtung reagieren, als dass eine fotoinduzierte Umlagerung von funktionellen Gruppen z.B. zu einer Änderung der optischen und/oder mechanischen Eigenschaften führen) geschrieben werden. Dabei kann die dünne Schicht z.B. ein Trägermedium wie Gelatine mit eingebetteten lichtempfindlichen Halogeniden wie z.B. Silberchlorid, Silberbromid oder Silberiodid umfassen. Das Auftreffen von Photonen kann zu einer chemischen Reaktion der Halogenide führen, bei der metallisches Silber entsteht. Gegebenenfalls wird diese Reaktion durch Ummantelung der Halogenide mit Farbstoffmolekülen begünstigt. Somit kann die Belichtung eines solchen Films zu einem permanenten Einschreiben des Hologramms mittels wie hierin beschriebener Belichtung führen. Fig. 5 shows three possibilities for freeform exposure of holographic optical elements. This can be applied, for example, in the exposure of an EE 20, an AE 40, and/or a non-rotationally symmetric optical element optionally included in the lens. The following exemplary explanation is directed to holographic optical EE 20, AE 40, and/or non-rotationally symmetric optical elements included in the lens. Holographic optical elements can comprise, for example, thin layers. The hologram can be written, for example, into such a thin layer, e.g., a photoemulsion coated on the surface of a photographic plate, and/or photopolymers (photosensitive polymers containing one or more light-sensitive molecular groups that react to exposure in such a way that a photo-induced rearrangement of functional groups leads, for example, to a change in the optical and/or mechanical properties). The thin layer can comprise, for example, a carrier medium such as gelatin with embedded light-sensitive halides such as silver chloride, silver bromide, or silver iodide. The impact of photons can lead to a chemical reaction of the halides, forming metallic silver. This reaction may be facilitated by coating the halides with dye molecules. Thus, exposure of such a film can lead to permanent inscription of the hologram using exposure as described herein.
Diese Hologramme können wie hierin beschrieben, z.B. mittels monochromatischen Lichts in geeignete Medien, z.B. Fotoplatten, eingeschrieben werden. Wird statt einer monochromatischen ersten und zweiten Belichtung (wie hierin beschrieben) jeweils mehrfarbiges (kohärentes) Licht eingesetzt, z.B. können eine rote, eine grüne und eine blaue Belichtung jeweils in der ersten und der zweiten Belichtung überlagert werden, um sogenannte RGB-Hologramme zu schreiben. Dabei können z.B. unter Verwendung dichromatischer Spiegel, zwei, drei oder mehr Strahlen unterschiedlicher Wellenlängen räumlich überlagert werden. Als rot bezeichnete Wellenlängen können z.B. den Spektralbereich von 650 nm bis 750 nm umfassen. Als grün bezeichnete Wellenlängen können z.B. den Spektralbereich von 490 nm bis 575 nm umfassen. Als blau bezeichnete Wellenlängen können z.B. den Spektralbereich von 420 nm bis 490 nm umfassen. Eine beispielhafte Kombination kann z.B. eine erste und zweite Belichtung mit jeweils 450 nm, 540 nm und 650 nm umfassen. Alternativ oder zusätzlich können auch Belichtungen in anderen Wellenlängenbereichen, z.B. ultraviolett (weniger als 380 nm), violett (380 nm bis 420 nm), gelb (575 nm bis 585 nm), orange (585 nm bis 650 nm) oder infrarot (mehr als 750 nm) verwendet werden. Anstatt der mehrfarbigen Belichtung können beispielsweise auch zwei oder mehr einfarbig belichtete Hologramme zu Hologramm-Stapeln kombiniert werden, z.B., bei geeigneter Belichtung, zu einem RGB-Stapel. These holograms can be inscribed into suitable media, e.g., photographic plates, using monochromatic light, as described herein. If, instead of a monochromatic first and second exposure (as described herein), multicolored (coherent) light is used, e.g., a red, a green, and a blue exposure can be superimposed in the first and second exposures to write so-called RGB holograms. For example, using dichroic mirrors, two, three, or more beams of different wavelengths be spatially superimposed. Wavelengths designated as red can, for example, cover the spectral range from 650 nm to 750 nm. Wavelengths designated as green can, for example, cover the spectral range from 490 nm to 575 nm. Wavelengths designated as blue can, for example, cover the spectral range from 420 nm to 490 nm. An exemplary combination can, for example, comprise a first and second exposure at 450 nm, 540 nm and 650 nm respectively. Alternatively or additionally, exposures in other wavelength ranges, e.g. ultraviolet (less than 380 nm), violet (380 nm to 420 nm), yellow (575 nm to 585 nm), orange (585 nm to 650 nm) or infrared (more than 750 nm) can also be used. Instead of multi-color exposure, two or more single-color exposed holograms can be combined to form hologram stacks, e.g., with suitable exposure, an RGB stack.
Neben der Farbe der Belichtung spielt insbesondere die Richtung der Belichtung eine entscheidende Rolle für die Beugungseigenschaften und refraktiven Eigenschaften der Hologramme. In addition to the color of the exposure, the direction of the exposure plays a crucial role in the diffraction and refractive properties of the holograms.
Die drei beispielhaften Belichtungen aus Fig. 5 umfassen (i) eine quasi-ebene Freiformbelichtung 601 und eine Punkt-Belichtung 602 (links), (ii) eine quasi-ebene Freiformbelichtung 603 und eine quasi-Punkt-Freiformbelichtung 604 (Mitte), und (iii) eine ebene Belichtung 605 und eine quasi-Punkt-Freiformbelichtung 606 (rechts). Da in allen Fällen mindestens eine Freiformbelichtung eingesetzt wird, können sich aus dem Prozess nicht-rotationssymmetrisch optische Elemente 20, 40 ergeben. The three exemplary exposures from Fig. 5 include (i) a quasi-planar freeform exposure 601 and a point exposure 602 (left), (ii) a quasi-planar freeform exposure 603 and a quasi-point freeform exposure 604 (center), and (iii) a planar exposure 605 and a quasi-point freeform exposure 606 (right). Since at least one freeform exposure is used in all cases, non-rotationally symmetric optical elements 20, 40 can result from the process.
Fig. 6a zeigt schematisch eine Ansicht eines Abbildungssystems 10 mit einem Wellenleiter 30, einem EE 20 und einem AE 40 in der x-z-Ebene, wobei das EE 20 und das AE 40 jeweils ein nicht-rotationssymmetrisch optisches Element umfassen, sodass der Aberrationsfehler für vier beispielhafte Einfallswinkel av,i, av>2, av>3 und aVj4 auf das EE 20 reduziert wird. Eine solche Reduktion des Aberrationsfehlers ist jedoch nicht selbstverständlich, anhand der Fig. 6b - 6e wird erklärt, inwiefern das EE 20 und das AE 40 im Beispiel von Fig. 6a Zusammenwirken, um dies zu erreichen: Fig. 6a schematically shows a view of an imaging system 10 with a waveguide 30, an EE 20, and an AE 40 in the xz-plane, wherein the EE 20 and the AE 40 each comprise a non-rotationally symmetric optical element, so that the aberration error for four exemplary angles of incidence a v ,i, a v>2 , a v>3 , and a Vj4 is reduced to the EE 20. However, such a reduction of the aberration error is not self-evident; Figs. 6b - 6e explain how the EE 20 and the AE 40 cooperate in the example of Fig. 6a to achieve this:
Fig. 6b zeigt den Aberrationsfehler als Funktion einer Position in einem großen Sichtfeld für ein Abbildungssystem ohne nicht-rotationssymmetrisch optischem Element. Unterschiedliche Bereiche des Sichtfelds können unterschiedlichen Einfallsrichtungen entsprechen. Das entsprechende Abbildungssystem weist stattdessen lediglich rotationssymmetrisch refraktive Elemente auf. Das führt dazu, dass nur entlang einer Einfallsrichtung des Sichtfelds (x = y = o) kein Aberrationsfehler auftritt. Von dort nimmt der Aberrationsfehler entlang der x- sowie y- Achse mit zunehmendem Abstand von (x,y) = (o,o) zu und überschreitet an den Rändern des Sichtfelds (FOV) eine akzeptable Aberration (AAT). Die Aberration hierin kann z.B. als die Differenz zwischen der tatsächlichen Wellenfront und der idealen Wellenfront definiert sein. Typischerweise wird sie in Einheiten der Wellenlänge ausgedrückt und nach dem sogenannten Marechal-Kriterium sollte das quadratische Mittel der Aberration idealerweise unter 0.07 Wellenlängen des umgelenkten Lichts liegen, jedoch können auch für höhere Werte akzeptable Abbildungen erstellt werden. Für das Abbildungssystem mit einem Sensor ist die ATT abhängig von der Sensor-Pixel-Größe. Normalerweise muss es nicht zu Beugungsgrenze sein. Im Beispiel von Fig. 6b kommt es bei Lichteinfall unter den beispielhaft ausgewählten Einfallswinkeln av,i, av,3 und av>4 zu Aberrationen oberhalb der AAT, die es zu reduzieren gilt, z.B. mittels der erfindungsgemäßen Lösung. Ohne die erfindungsgemäße Lösung ist man typischerweise auf FOVs mit Öffnungswinkeln von ca. 20° beschränkt, um akzeptable Aberrationswerte im gesamten FOV nicht zu überschreiten. Fig. 6b shows the aberration error as a function of position in a large field of view for an imaging system without non-rotationally symmetric optical Element. Different areas of the field of view can correspond to different directions of incidence. The corresponding imaging system instead only has rotationally symmetric refractive elements. This means that no aberration error occurs only along one direction of incidence of the field of view (x = y = o). From there, the aberration error increases along the x and y axes with increasing distance from (x,y) = (o,o) and exceeds an acceptable aberration (AAT) at the edges of the field of view (FOV). The aberration here can be defined, for example, as the difference between the actual wavefront and the ideal wavefront. Typically, it is expressed in units of wavelength, and according to the so-called Marechal criterion, the root mean square of the aberration should ideally be below 0.07 wavelengths of the redirected light, but acceptable images can also be created for higher values. For the imaging system with a single sensor, the ATT depends on the sensor pixel size. Normally, it does not have to be at the diffraction limit. In the example of Fig. 6b, when light is incident at the exemplary angles of incidence a v ,i, a v ,3, and a v>4 , aberrations above the AAT occur, which must be reduced, e.g., using the inventive solution. Without the inventive solution, one is typically limited to FOVs with aperture angles of approximately 20° in order not to exceed acceptable aberration values across the entire FOV.
Ist das FOV so klein, dass z.B. av>4 nicht im FOV des Abbildungssystems liegt, kann es mit nur einem nicht-rotationssymmetrisch optischen Element im Abbildungssystem, die Aberration über das gesamte FOV unterhalb der AAT zu halten, wie z.B. in Fig. 6c gezeigt, wo der Aberrationsfehler als Funktion einer Position in einem kleinen Sichtfeld für ein Abbildungssystem mit einem nicht-rotationssymmetrisch optischem Element dargestellt ist. If the FOV is so small that, for example, a v>4 is not in the FOV of the imaging system, it is possible to keep the aberration below the AAT over the entire FOV with only one non-rotationally symmetric optical element in the imaging system, as shown, for example, in Fig. 6c, where the aberration error is shown as a function of position in a small field of view for an imaging system with one non-rotationally symmetric optical element.
Fig. 6d zeigt im Gegensatz dazu, dass dieses Vorgehen mit nur einem nichtrotationssymmetrisch optischem Element nicht genügt, den Aberrationsfehler als Funktion einer Position in einem großen Sichtfeld ausreichend zu reduzieren. Im Beispiel von Fig. 6d kann das eine nicht-rotationssymmetrisch optische Element zwar den Aberrationsfehler am Rand des FOV so stark reduzieren, dass für den beispielhaften Einfallswinkel av>4 der Aberrationsfehler unter der AAT liegt. Allerdings wird dadurch der Aberrationsfehler am anderen Rand des FOV sowie im Zentrum des FOV, z.B. für civ, 2 so stark erhöht, dass kein akzeptables Ergebnis erzielt wird. Um dies zu beheben kann z.B. ein zweites nicht-rotationssymmetrisch optisches Element wie in Fig. 6e schematisch dargestellt eingesetzt werden: In contrast, Fig. 6d shows that this approach with only one non-rotationally symmetric optical element is not sufficient to sufficiently reduce the aberration error as a function of position in a large field of view. In the example of Fig. 6d, the one non-rotationally symmetric optical element can indeed reduce the aberration error at the edge of the FOV so much that for the exemplary angle of incidence a v>4 the aberration error is below the AAT. However, this does not reduce the aberration error at the other edge of the FOV as well as in the center of the FOV, e.g., for civ, 2, is increased so much that no acceptable result is achieved. To remedy this, a second non-rotationally symmetric optical element can be used, as shown schematically in Fig. 6e:
Fig. 6e zeigt den Aberrationsfehler als Funktion einer Position in einem großen Sichtfeld für ein Abbildungssystem mit zwei nicht-rotationssymmetrisch optischen Elementen. Im Vergleich zu Fig. 6d zeigt sich, dass der Aberrationsfehler durch das zweite nicht-rotationssymmetrisch optische Element über das gesamte FOV unterhalb der AAT gehalten werden kann, insbesondere auch für av,2, was noch in Fig. 6d nicht der Fall war. Fig. 6e shows the aberration error as a function of position in a large field of view for an imaging system with two non-rotationally symmetric optical elements. Compared to Fig. 6d, it can be seen that the aberration error can be kept below the AAT across the entire FOV by the second non-rotationally symmetric optical element, especially for a v ,2, which was not the case in Fig. 6d.
Fig 7a und 7b illustrieren, inwiefern Beugung (siehe Fig. 7a) und Refraktion (siehe Fig. 7b) hierin unterschieden werden: Fig. 7a and 7b illustrate how diffraction (see Fig. 7a) and refraction (see Fig. 7b) are distinguished here:
Z.B. das beugungsbasierte EE und das beugungsbasierte AE beugen Licht, indem sie es umlenken. In Fig. 7a sind zwei beispielhafte Beugungen dargestellt: Das beugungsbasierte Element 703 lenkt das einfallende Licht 700a in einem ersten Beispiel im Winkel CIB,I relativ zur Richtung des einfallenden Lichts 700a um, sodass das umgelenkte Licht 701a nach unten umgelenkt wird. Alternativ ist in der gleichen Figur ein zweites Beispiel dargestellt: Das beugungsbasierte Element 703 lenkt das einfallende Licht 700a im zweiten Beispiel im Winkel CIB,2 relativ zur Richtung des einfallenden Lichts 700a um, sodass das umgelenkte Licht 702a nach oben umgelenkt wird. Somit unterscheiden sich die beiden Beispiele 701a und 702a darin, dass das beugungsbasierte Element 703a unterschiedliche Beugungseigenschaften haben muss, um das einfallende Licht 700a entweder in Richtung 701a oder 702a umzulenken bzw. zu beugen. In diesem Sinne sind z.B. das EE und das AE des Abbildungssystems aus Fig. 2a - 2c rein beugungsbasiert und nicht refraktiv. For example, the diffraction-based EE and the diffraction-based AE diffract light by redirecting it. Two exemplary diffractions are shown in Fig. 7a: In a first example, the diffraction-based element 703 redirects the incident light 700a at an angle CIB,1 relative to the direction of the incident light 700a, so that the redirected light 701a is redirected downward. Alternatively, a second example is shown in the same figure: In the second example, the diffraction-based element 703 redirects the incident light 700a at an angle CIB,2 relative to the direction of the incident light 700a, so that the redirected light 702a is redirected upward. Thus, the two examples 701a and 702a differ in that the diffraction-based element 703a must have different diffraction properties in order to redirect or diffract the incident light 700a either in the direction 701a or 702a. In this sense, for example, the EE and the AE of the imaging system from Figs. 2a-2c are purely diffraction-based and not refractive.
Im Gegensatz zur Beugung bzw. Umlenkung betrifft die Refraktion den in Fig. 7b dargestellten Prozess: Kollimiertes Licht 700b, das auf ein refraktives Element 703b trifft, wird durch das refraktive Element 703b fokussiert oder gestreut. Fig. 7b zeigt zwei Beispiele für Fokussierung einmal wird das Licht 701b mit einer Fokuslänge fR,i fokussiert und einmal wird das Licht 701b mit einer Fokuslänge fR,2 fokussiert. Die Fokuslänge hängt im Beispiel von Fig. 7b von den refraktiven Eigenschaften des refraktiven Elements 703b ab. Dies gilt ebenso für refraktive Elemente, die Licht streuen (nicht gezeigt). In contrast to diffraction or deflection, refraction involves the process shown in Fig. 7b: Collimated light 700b, which strikes a refractive element 703b, is focused or scattered by the refractive element 703b. Fig. 7b shows two examples of focusing: once the light 701b is focused with a focal length fR,i and once the light 701b is focused with a focal length fR, 2 . The focal length in the example of Fig. 7b depends on the refractive properties of the refractive element 703b. This also applies to refractive elements that scatter light (not shown).
Die Fig. 8a und 8b zeigen beispielhafte Phasenmuster nicht-rotationssymmetrisch optischer Elemente, die z.B. von EE 20 bzw. AE 40 umfasst sein können. Das Grauwert-kodierte Phasenmuster stellt die Phasenverschiebung als ein Vielfaches der Wellenlänge dar (in Fig. 8a von -0.006 bis 0.290 mal die Wellenlänge und in Fig. 8b von -0.0028 bis 0.173 mal die Wellenlänge). Grundsätzlich ist das EE 20 deutlich länger in x- Richtung als das AE 40, was beispielsweise in Anordnungen, wie in Fig. ic am besten dargestellt, der Fall sein kann. Andere als die in Fig. 8a und 8b dargestellten Phasenmuster können ebenso zur erfindungsgemäßen Lösung dienen. Die Phasenmuster sind das Ergebnis einer Optimierung eines wie in Fig. 6a-c dargestellten Systems, die den Fehler im Abbildungssystem 50 durch lauflängenbedingte Aberration minimiert. Wie hierin beschrieben konnten erste Versuche der Erfinder zeigen, dass ohne nicht-rotationssymmetrisch optischen Elementen Aberrationswerte zwischen 1,6 und 160 mal der Wellenlänge erreicht werden, mit nicht-rotationssymmetrisch optischen Elementen kann diese stark reduziert werden auf Werte zwischen 0,3 - 6 mal der Wellenlänge des umgelenkten Lichts. Figs. 8a and 8b show exemplary phase patterns of non-rotationally symmetric optical elements, which can be comprised, for example, by EE 20 and AE 40, respectively. The gray-scale coded phase pattern represents the phase shift as a multiple of the wavelength (in Fig. 8a from -0.006 to 0.290 times the wavelength and in Fig. 8b from -0.0028 to 0.173 times the wavelength). In principle, the EE 20 is significantly longer in the x-direction than the AE 40, which can be the case, for example, in arrangements as best illustrated in Fig. 1c. Phase patterns other than those illustrated in Figs. 8a and 8b can also serve the inventive solution. The phase patterns are the result of an optimization of a system as illustrated in Figs. 6a-c, which minimizes the error in the imaging system 50 due to run-length-related aberration. As described herein, initial experiments by the inventors have shown that without non-rotationally symmetric optical elements, aberration values between 1.6 and 160 times the wavelength can be achieved; with non-rotationally symmetric optical elements, this can be greatly reduced to values between 0.3 - 6 times the wavelength of the deflected light.
Das beispielhafte EE 20 aus Fig. 8a weist eine im wesentlichen rechteckige Form auf, welche sich einige hundert mm entlang der x-Achse erstreckt und etwas mehr als 10 mm entlang der y- Achse. Auf der Fläche des EE 20 ist durch die schwarz-weiß Farbcodierung gemäß der in Fig. 8a dargestellten Legende die Phasenverschiebung dargestellt, die Licht beim Durchlaufen und/oder bei Reflexion an der jeweiligen Stelle des EE 20 erfährt. Das EE 20 ist dazu eingerichtet, dass Licht, dass auf die Enden entlang der x-Achse trifft, die größte Phasenverschiebung erfährt, während diese im Zentrum (bei und um (x,y) = (0,0)) des EE 20 vergleichsweise gering ist. Der Phasenprofilverlauf auf der Fläche des EE 20 kann z.B., wie dargestellt sowohl entlang der x- als auch der y-Achse variieren. Im Beispiel von Fig. 8a nimmt die Amplitude des Phasenprofils sowohl entlang der x- als auch entlang der y-Achse von der Mitte zu den Rändern des EE 20 (z.B. mit unterschiedlich starker Steigung und/oder Krümmung) ab. Das beispielhafte AE 40 aus Fig. 8b weist eine im wesentlichen rechteckige Form auf, welche sich einige zehn mm entlang der x-Achse erstreckt und etwas mehr als 10 mm entlang der y- Achse. Auf der Fläche des AE 40 ist durch die schwarz-weiß Farbcodierung gemäß der in Fig. 8b dargestellten Legende die Phasenverschiebung dargestellt, die Licht beim Durchlaufen und/oder bei Reflexion an der jeweiligen Stelle des AE 20 erfährt. Das AE 20 ist dazu eingerichtet, dass Licht, dass auf die Enden entlang der x-Achse trifft, die größte Phasenverschiebung erfährt, während diese im Zentrum (bei und um (x,y) = (0,0)) des AE 40 vergleichsweise gering ist. Der Phasenprofilverlauf auf der Fläche des AE 40 kann z.B., wie dargestellt sowohl entlang der x- als auch der y- Achse variieren. Im Beispiel von Fig. 8b nimmt die Amplitude des Phasenprofils entlang der x-Achse von der Mitte zu den Rändern des AE 40 zu und nimmt entlang der y-Achse von der Mitte zu den Rändern des AE 40 ab. Dabei können sich Steigung und/oder Krümmung neben dem Vorzeichen auch in der Amplitude für x- und x- Richtung unterscheiden. The exemplary EE 20 from Fig. 8a has a substantially rectangular shape, extending a few hundred mm along the x-axis and slightly more than 10 mm along the y-axis. On the surface of the EE 20, the black and white color coding according to the legend shown in Fig. 8a shows the phase shift that light experiences when passing through and/or reflecting at the respective point of the EE 20. The EE 20 is configured so that light striking the ends along the x-axis experiences the greatest phase shift, while this is comparatively small in the center (at and around (x,y) = (0,0)) of the EE 20. The phase profile on the surface of the EE 20 can, for example, vary along both the x- and y-axis, as shown. In the example of Fig. 8a, the amplitude of the phase profile decreases along both the x- and y-axis from the center to the edges of the EE 20 (e.g., with varying degrees of slope and/or curvature). The exemplary AE 40 from Fig. 8b has a substantially rectangular shape, extending a few tens of mm along the x-axis and slightly more than 10 mm along the y-axis. On the surface of the AE 40, the black and white color coding according to the legend shown in Fig. 8b shows the phase shift that light experiences when passing through and/or reflecting at the respective point of the AE 20. The AE 20 is configured so that light striking the ends along the x-axis experiences the greatest phase shift, while this is comparatively small in the center (at and around (x,y) = (0,0)) of the AE 40. The phase profile on the surface of the AE 40 can, for example, vary along both the x- and y-axis, as shown. In the example of Fig. 8b, the amplitude of the phase profile increases along the x-axis from the center to the edges of the AE 40 and decreases along the y-axis from the center to the edges of the AE 40. In addition to the sign, the slope and/or curvature can also differ in amplitude for the x- and x-directions.
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