JP6691920B2 - 光学要素 - Google Patents

Description

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

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

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

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

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

欧州特許第０ ８７２ ５０６ Ｂ１

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

この目的は、ユーザの頭部に配置されてイメージを生成することができる表示デバイスの光学要素によって、本発明に従って達成される。本光学要素は、正面及び裏面と、入力部及び当該入力部から離間された出力部と、導光チャネル（１２）であって、当該導光チャネル（１２）は、光学要素（３）の入力部（１１）を介して光学要素（３）内に入力される生成イメージのピクセルの光束（９）を、光学要素（３）内において出力部（１３）まで導くのに適しており、光束は光学要素から出力される、導光チャネルとを有している。出力部は、出力に向けて光束を偏向させる光学的有効構造を有する。光学要素は、光学的有効構造を含む第１の材料の第１の部品を有する。光学要素は、第３の材料の第２の部品を有する。上記２つの部品は、第２の材料の接着組成物を用いて互いに接続される。第１の材料は１つ又は複数のシクロオレフィンポリマーを含む。第１の材料と第３の材料は互いと異なる。第２の材料及び第３の材料はそれぞれ少なくとも１つの有機ポリマーを含む。第１の材料と第２の材料との間及び第２の材料と第３の材料との間における、３８０ｎｍ〜８００ｎｍのうちの少なくとも１つの波長での屈折率の差はそれぞれ、０．０２以下である。

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

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

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

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

収差を回避するために、上述した３つの材料の屈折率は、屈折率の差が可能な限り小さくなるように、互いに調整される。好ましくは、３８０ｎｍ〜８００ｎｍのうちの少なくとも１つの波長における、第１の材料と第２の材料との間の屈折率の差は０．０１以下であり、第２の材料と第３の材料との間の屈折率の差は０．０１以下であり、特にそれぞれの場合で０．００５以下であり、特に好ましくはそれぞれ０．００１以下である。３８０ｎｍ〜８００ｎｍのうちの少なくとも１つの波長における第１の材料と第２の材料との間の屈折率の差は、好ましくは０．０２以下であり、特に０．０１以下であり、特に好ましくは０．００５以下であり、より好ましくは０．００１以下である。特に好ましい実施形態では、３つ全ての材料間の屈折率の差、すなわち、第１の材料と第２の材料との間、第１の材料と第３の材料との間、及び第２の材料と第３の材料との間の屈折率の差は、それぞれ０．０２以下であり、特に０．０１以下であり、特に好ましくは０．００５以下であり、より好ましくは０．００１以下である。加えて、指定された屈折率差が３８０ｎｍ〜８００ｎｍのうちの同じ波長、特に５８９．３ｎｍにあることが好ましい。これらの小さな屈折率差を用いる場合、材料間の境界面はいわば所定の波長範囲で光学的に消失し、その結果、光学性質は特に高い。

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

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

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

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

第３の材料はポリマーを含み、シクロオレフィンポリマーではない。第３の材料は、好ましくは、熱硬化性樹脂（デュロプラスチック）である。好ましくは、第３の材料のポリマーはポリウレタンである。好ましい実施形態では、ポリウレタンは、好ましくは直径３０ｎｍ〜５０ｎｍを有する粒子、特にポリウレタンの粒子、例えば、窒素富化ポリウレタン又は窒化物のナノドメインを含む。直径３０ｎｍ〜５０ｎｍを有するハードアイランド（hard island）とも呼ばれるポリウレタン内の粒子は、可視光に対して有効ではなく、すなわち、生成される迷光は殆どない。ポリウレタンは、好ましくは、眼鏡レンズに適するポリウレタンである。眼鏡レンズに通常使用されるような高切り欠き衝撃強度を有するポリウレタンが好ましい。Ｔｒｉｖｅｘ（登録商標）及びＮＸＴ（登録商標）ポリウレタンが、第３の材料のポリウレタンとして最も好ましい。材料Ｔｒｉｖｅｘ（登録商標）及びＮＸＴ（登録商標）ポリウレタンは、非常に軽量（約１．１ｇ／ｃｍ^３）であり、切り欠き衝撃に対する耐性が極めて高く、可視波長範囲を透過し、ＵＶ吸収性であり、金型シェルで成形される場合、続けて受ける応力は比較的小さい。

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

特に、第１のシェルは、２ｍｍ〜５ｍｍの範囲（例えば、３．５ｍｍ）の平均厚を有することができ、第２のシェルは、０．１５ｍｍ〜２ｍｍの範囲又は０．１５ｍｍ〜０．２５ｍｍの範囲（例えば、０．１７ｍｍ）の平均厚を有することができる。第１のシェルの平均厚と第２のシェルの平均厚との比率は、５〜４０、１０〜３５、１５〜２５、又は１８〜２２の範囲内（例えば、２０、２０．５、又は２１）とすることができる。

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

本明細書に記載される実施形態の場合、外側シェル１９の２面２０、２１は球面湾曲し、外側シェル１９の第１の面２０は曲率半径９４ｍｍを有し、外側シェル１９の第２の面２１は曲率半径９２ｍｍを有する。したがって、外側シェルの厚さは２ｍｍである。しかしながら、外側シェル１９はより小さな厚さで形成することもできる。例えば、外側シェル１９の厚さは、０．１５ｍｍ〜２ｍｍ未満の範囲内とすることができる。特に、外側シェル１９は寸法安定膜（dimensionally stable film）として形成することができる。本明細書において、寸法安定（dimensionally stable）とは、特に膜が少なくとも重力に耐え、したがって、他の力が作用しない場合、その形態を維持することを意味するものとして理解される。

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

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

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

本発明による光学要素は、以下のように製造することができる。

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

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

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

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

図８には、微細構造２６及び光学的有効層２７を有する第１の半完成品２５が、拡大断面表現で示されている。微細構造２６の上述した１ステップでの充填との違いとして、図８による変形例の場合、これは２ステップで実行される。このようにして、充填層２８_１、２８_２の材料の硬化中（充填層２８_１、そして次に充填層２８_２）に生じる望ましくない収縮を低減することができる。当然ながら、充填は３つ以上のステップ、例えば３ステップ、４ステップ、５ステップ、又は６ステップで実行することも可能である。

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

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

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

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

以下の例は、本発明を説明する。

例：
ＮＸＴ（登録商標）のポリウレタンを第３の材料に使用し、Ｚｅｏｎｅｘ（登録商標）を第１の材料に使用する場合、以下の屈折率が製造実験で得られた：
ＮＸＴ社からの４つのポリウレタン標本は、２２℃で以下の４つの屈折率ｎ_Ｄ（５８９．３ｎｍ）を示した。
標本１：１．５２６９
標本２：１．５２７２
標本３：１．５２７７
標本４：１．５２７７

商標名Ｚｅｏｎｅｘ（登録商標）を用いたシクロオレフィンポリマーの場合、以下の屈折率ｎ_Ｄ（５８９．３ｎｍ）が、２２℃で２つの製品４８０Ｒ及びＥ４８Ｒに関して測定された。
標本Ａ：１．５２５４（４８０Ｒ）
標本Ｂ：１．５３１４（Ｅ４８Ｒ）

標本ＡとＢとを混合して（６５／１００体積部）、屈折率ｎ_Ｄ１．５２７５を生み出し、これは標本２〜４に上手く適合した。

Claims (12)

1. ユーザの頭部に配置されてイメージを生成することができる表示デバイス（１）の光学要素であって、
   正面（１８）及び裏面（１５）と、
   入力部（１１）及び該入力部（１１）から離間された出力部（１３）と、
   導光チャネル（１２）であって、該導光チャネル（１２）は、前記光学要素（３）の前記入力部（１１）を介して前記光学要素（３）内に入力される前記生成されたイメージのピクセルの光束（９）を、前記光学要素（３）内において前記出力部（１３）まで導くのに適しており、前記光束（９）は前記光学要素（３）から出力される、導光チャネル（１２）と
   を有しており、
   前記出力部（１３）は、出力に向けて前記光束（９）を偏向させる光学的有効構造を有し、
   前記光学要素は、前記光学的有効構造を含む第１の材料の第１の部品（１９）を有し、
   前記光学要素は、第３の材料の第２の部品（２２）を有し、
   前記２つの部品（１９、２２）は、第２の材料の接着組成物（３１）を用いて互いに接続され、
   前記第１の材料は１つ又は複数のシクロオレフィンポリマーを含み、
   前記１つ又は複数のシクロオレフィンポリマーの割合は、前記第１の材料の総重量に基づいて、少なくとも９５重量％であり、前記第１の材料及び前記第３の材料は互いに異なり、
   前記第２の材料及び前記第３の材料はそれぞれ少なくとも１つの有機ポリマーを含み
   、
   前記第１の材料と前記第２の材料との間及び前記第２の材料と前記第３の材料との間における、３８０ｎｍ〜８００ｎｍのうちの少なくとも１つの波長での屈折率の差は、はそれぞれ、０．０２以下であり、
   前記第３の材料は、シクロオレフィンポリマーではなく、
   前記第３の材料の前記少なくとも１つの有機ポリマーは、前記第３の材料の重量の少なくとも９５重量％を占める、光学要素。
2. 前記第１の材料の総重量に基づく前記１つ又は複数のシクロオレフィンポリマーの割合は、少なくとも９５重量％であることを特徴とする、請求項１に記載の光学要素。
3. 前記第１の材料は、互いに異なる少なくとも２つのシクロオレフィンポリマーの混合物を含むことを特徴とする、請求項１又は２に記載の光学要素。
4. ３８０ｎｍ〜８００ｎｍのうちの少なくとも１つの波長における、前記第１の材料と前記第２の材料との間及び前記第２の材料と前記第３の材料との間の屈折率の差はそれぞれ、０．００５以下であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の光学要素。
5. ３８０ｎｍ〜８００ｎｍのうちの少なくとも１つの波長における、前記第１の材料と前記第３の材料との間の屈折率の差は、０．００５以下であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の光学要素。
6. 前記第３の材料の前記有機ポリマーは、ポリウレタンであることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の光学要素。
7. 前記シクロオレフィンポリマーは、シクロペンテン、シクロヘキセン、シクロヘプテン、ノルボルネン、及びそれらの誘導体から作られることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の光学要素。
8. 前記光学的有効構造は前記第１の部品に窪みを形成し、該窪みは前記接着組成物（３１）によって完全に充填されることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載の光学要素。
9. 前記第１の部品（１９）及び前記第２の部品（２２）はそれぞれ、湾曲して形成された、少なくとも１つの面を有するシェルであることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載の光学要素。
10. 前記光学的有効構造は、互いから離間された反射面要素を有することを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一項に記載の光学要素。
11. ユーザの頭部に配置することができる保持デバイス（２）と、
    前記保持デバイス（２）に締め付けられて、イメージを生成するイメージ生成モジュール（５）と、
    前記保持デバイス（２）に締め付けられて、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の光学要素（３）を有し、前記保持デバイス（２）が前記ユーザの頭部に配置された状態において、前記ユーザがバーチャルイメージとして知覚することができるように、前記生成されたイメージを投射する撮像光学ユニット（７）と
    を有する、表示デバイス。
12. 光学的有効構造が組み込まれる、請求項１に記載の光学要素を製造する方法であって、
    ａ）上面に構造部を有する部品を提供するステップと、
    ｂ）所定の波長範囲で光学的に有効なコーティングを前記構造部に塗布して、前記光学的有効構造を形成するステップと、
    ｃ）前記上面の形態と相補的な形態を有する下面を有する部品を提供するステップと、
    ｄ）前記第１の部品の上面、及び／又は、前記第２の部品の下面に、接着化合物を塗布するステップと、
    ｅ）前記接着組成物によって、前記第１の部品の上面を前記第２の部品の下面に接続するステップであって、それにより、前記光学的有効構造が埋め込まれた光学要素が製造される、ステップと
    を含む、光学的有効構造が組み込まれる光学要素を製造する方法。

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