DE10104317C2

DE10104317C2 - Linsenanordnung

Info

Publication number: DE10104317C2
Application number: DE10104317A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Tzschoppe
Original assignee: 4D Vision GmbH
Current assignee: Newsight 07745 Jena De GmbH
Priority date: 2001-01-25
Filing date: 2001-01-25
Publication date: 2003-04-30
Anticipated expiration: 2021-01-26
Also published as: DE10104317A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Linsenanordnung, umfassend zwei Zylinderlinsen platten mit in jeweils einer Erstreckungsrichtung parallel zueinander verlaufenden Zy linderlinsen, wobei die beiden Erstreckungsrichtungen einen Winkel α ≠ 0° einschließen und die beiden Zylinderlinsenplatten in ihrem Zusammenwirken ein Array aus einer Vielzahl von abbildenden Elementen definieren.

Eine derartige Linsenanordnung ist beispielsweise aus der EP 0 827 350 A2 bekannt, die eine stereoskopische Anzeigeanordnung offenbart. Die Zylinderlinsenplatten der Linsenanordnung sind dabei zwischen einer teilweise lichtdurchlässigen Maske und einer Bildanzeigeeinrichtung in Form eines LC-Displays angeordnet. Die Brennweite der vertikalen, gleichartigen Zylinderlinsen der ersten Zylinderlinsenplatte ist derart ge wählt, daß sich die Maske in etwa in der Brennebene der Zylinderlinsen der ersten Zy linderlinsenplatte befindet. Diese Zylinderlinsen bilden die Maske in eine Betrach tungsebene ab. Die zweite Zylinderlinsenplatte, deren gleichartige Zylinderlinsen or thogonal zu den Zylinderlinsen der ersten Zylinderlinsenplatte angeordnet sind, dient der Abbildung der Maske in die Ebene der Anzeigeeinrichtung. Die vertikal angeordne ten Zylinderlinsen der ersten Zylinderlinsenplatte sind in Horizontalrichtung optisch wirksam, wohingegen die horizontal angeordneten Zylinderlinsen der zweiten Zylin derlinsenplatte in Vertikalrichtung optisch aktiv sind. Somit bilden die Zylinderlinsen der beiden Zylinderlinsenplatten dasselbe Objekt in sehr unterschiedliche Bildebenen (z. B. Ebene der Bildanzeigeeinrichtung und Betrachterebene) ab.

Für Anordnungen zur dreidimensionalen Darstellung, in der Schichtbilder räumlich hintereinanderliegend dargestellt werden sollen, wie dies beispielsweise in der WO 99/66356 beschrieben ist, sind derartige Linsenanordnungen jedoch ungeeignet, da dort für jeden Objektpunkt eine stigmatische (punktförmige, scharfe) Abbildung in die jeweilige Bildebene notwendig wird. Bei der bekannten Anordnung zur dreidimen sionalen Darstellung wird dazu eine Linsenanordnung verwendet, die ein Array mit einer Vielzahl von in einen ebenen Raster aus Zeilen und Spalten nebeneinander ange ordneten Einzellinsen umfaßt. Die Einzellinsen unterscheiden sich in ihrer Brennweite, wobei für jede Brennweite eine Vielzahl von solchen Linsen vorgesehen sind. Soll bei spielsweise eine Abbildung in vier räumlich voneinander beabstandete Bildebenen er folgen, so resultiert hieraus eine komplizierte Oberflächenstruktur für die Linsenan ordnung, die sich bei einer großen Anzahl von Einzellinsen nur mit einem hohen Ferti gungsaufwand verwirklichen läßt.

Eine Möglichkeit der Herstellung derartiger Arrays aus einer Vielzahl von Einzellinsen, die auf einer Fläche von 100 mm × 100 mm bis zu 1 Million Einzellinsen enthalten können, besteht in der Abformung einer Masterform in einen optischen Kunststoff. Solche Masterformen werden in einem rechnergesteuerten Prozeß aufwendig herge stellt. Bei kleinen Serien bzw. Stückzahlen in der Größenordnung von wenigen Tausend Stück ist jedoch der Aufwand für die Herstellung der Masterform unverhältnismäßig hoch.

Eine weitere Möglichkeit zur Herstellung komplexer Oberflächenstrukturen wird in der DE 43 14 574 A1 beschrieben, bei der eine dreidimensional gekrümmte Oberfläche in einem lithographischen Verfahren unter Einsatz eines Elektronenstrahls oder derglei chen erzeugt wird. Der apparative Aufwand für Resistbeschichtung, serielle Belichtung mit mindestens zwei Dosisverteilungen und die Entwicklung ist jedoch sehr hoch. Das Verfahren eignet sich für die Einzelfertigung, für die Herstellung von Serien ist es je doch wenig geeignet.

In US 5,373,335 sind eine Einrichtung und ein Verfahren zur Darstellung von Bil dern mit einem Linsenarray beschrieben. Hier ist zu entnehmen, daß das Linsen array aus zwei sich kreuzenden, jeweils monofokalen Zylinderlinsen erzeugt wer den kann. Die auf diese Weise geschaffenen Linsen des Arrays haben durchweg quadratischen Grundriß. Eine Variation oder Beeinflussung der Übertragungslän gen der einzelnen Linsen ist mit dieser Anordnung nicht möglich.

Weitere Anordnungen sind im Stand der Technik bekannt, die gänzlich monofokale Abbildungseigenschaften für die resultierenden Linsenelemente aufweisen.

Von diesem Stand der Technik ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine flächige Linsenanordnung für Abbildungs- und/oder Beleuchtungsaufgaben anzu geben, mit der eine Abbildung aus einer oder aus mehreren verschiedenen Objektebe nen in eine oder mehrere unterschiedliche Bildebenen erfolgen kann und die sich mit geringem Fertigungsaufwand großformatig herstellen läßt.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Linsenanordnung der eingangs genannten Art vorgeschlagen, bei der für jedes optisch wirksame Element des Arrays die optische Übertragungslänge zwischen einer Objektebene und einer Abbildungsebene für einen Objektpunkt sowohl in der optisch wirksamen Richtung der Zylinderlinsen der ersten Zylinderlinsenplatte quer zu der ersten Erstreckungsrichtung als auch in der optisch wirksamen Richtung der Zylinderlinsen der zweiten Zylinderlinsenplatte quer zu der zweiten Erstreckungsrichtung gleich groß ist und bei der erste optisch wirksame Ele mente mit einer ersten Übertragungslänge und weitere optisch wirksame Elemente mit von der ersten Übertragungslänge verschiedenen Übertragungslängen vorgesehen sind.

Damit wird ein quasi-multifokales Linsenarray geschaffen, das bei einer einfachen Her stellung für jedes einzelne optisch wirksame Element in der jeweiligen optisch wirksa men Richtung der Zylinderlinsen der beiden Zylinderlinsenplatten gleichartige Abbil dungseigenschaften aufweist. Die hierfür verwendeten, mit Zylinderlinsen versehenen Zylinderlinsenplatten lassen sich - weil ausschließlich linear strukturiert - im Unter schied zu Einzellinsenarrays mit verhältnismäßig geringem Aufwand großformatig und insbesondere auch mit einer größeren Anzahl von unterschiedlichen Brennweiten je Zylinderlinsenplatte herstellen.

So kann beispielsweise eine Zylinderlinsenplatte mit zwei, drei, vier, fünf oder auch einer größeren Anzahl von Brennweiten verwendet werden. Dabei ist es nicht notwen dig, daß die Anzahl der Brennweiten für beide Zylinderlinsenplatten gleich groß ist. Vielmehr können auch Zylinderlinsenplatten mit unterschiedlichen Brennweitenanzah len miteinander kombiniert werden, wobei eine der Zylinderlinsenplatten auch als monofokale Zylinderlinsenplatte ausgebildet sein kann.

Jedes optisch wirksame Element der Linsenanordnung, dessen Abbildungseigenschaf ten unter anderem von den Krümmungsradien der einander überlappenden Zylinder linsen, der Dicke sowie den Brechungseigenschaften der optischen Medien abhängt, wirkt gewissermaßen als kleines Linsenelement bzw. als Mikrolinse, wobei von jedem Typ optisch wirksamer Elemente jeweils eine Vielzahl an der Linsenanordnung vorge sehen ist. Je nach Anordnung der optisch wirksamen Elemente lassen sich damit unter schiedliche Abbildungs- und/oder Beleuchtungsaufgaben verwirklichen. So ist es bei spielsweise möglich, Pixel eines in einer Objektebene generierten Bildes in unter schiedliche, räumlich hintereinanderliegende Bildebenen abzubilden. Auch ist es möglich, eine Abbildung aus unterschiedlichen Objektebenen in eine für die gesamte Lin senanordnung gemeinsame Bildebene vorzunehmen. Weiterhin können auch Abbil dungen aus räumlich hintereinanderliegenden Objektebenen in wiederum räumlich voneinander beabstandete Bildebenen realisiert werden.

Durch die Möglichkeit der Kombination unterschiedlich, jedoch stets nur linear struktu rierter Zylinderlinsenplatten ergibt sich zudem eine hohe Fertigungsflexibilität im Hin blick auf die Anzahl verschiedener Typen von optisch wirksamen Elementen an der Linsenanordnung.

Bei einer Kombination von beispielsweise zwei bifokalen Zylinderlinsenplatten, mit de nen eine Linsenanordnung mit vier Bildebenen verwirklicht werden kann, ergeben sich für jedes optisch wirksame Element je nach Betrachtungsrichtung bzw. Schnittebene quer zur ersten oder zweiten Erstreckungsrichtung unterschiedliche Übertragungslän gen, d. h. unterschiedliche Abstände zwischen der Objektebene und der Bildebene.

Diese Diskrepanz wird für jedes der optischen Elemente separat ausgeglichen, so daß diese in den beiden optisch wirksamen Richtungen der Zylinderlinsen die gleiche Über tragungslänge besitzen. Dieser Ausgleich kann beispielsweise durch eine Variation der Dicke und/oder der Brechzahl an einem oder auch an beiden Zylinderlinsenplatten er folgen. Alternativ oder ergänzend kann für diesen Ausgleich wenigstens eine zu den Flächen der Zylinderlinsenplatten parallel angeordnete Planplatte vorgesehen werden, die zu wenigstens einer der Erstreckungsrichtungen parallele lineare Strukturen auf weist, welche in ihrer Dicke und/oder ihrer Brechzahl variieren.

Beispielsweise kann dazu eine Planplatte vorgesehen werden, die als lineare Strukturen beidseits jeweils stufenförmige Rippen aufweist. Dabei sind dann die stufenförmigen Rippen an der einen Seite parallel zu der ersten Erstreckungsrichtung und die stufen förmigen Rippen auf der gegenüberliegenden Seite parallel zu der zweiten Erstrec kungsrichtung. Eine solche Planplatte ist einfacher herstellbar, als eine Zylinderlinsen platte mit gekrümmten Oberflächenabschnitten und variierender Dicke der Zylinderlin sen. Alternativ zu einer einzelnen Planplatte können die entsprechenden linearen Strukturen auch an zwei separaten Planplatten ausgebildet werden, die jeweils eine ebene Flächenseite aufweisen. Neben dem hieraus resultierenden Fertigungsvorteil ergibt sich weiterhin eine größere Anordnungsflexibilität der beiden Planplatten in be zug auf die beiden jeweils mit Zylinderlinsen versehenen Zylinderlinsenplatten. Dabei kann jeweils eine lineare Struktur genau einer Zylinderlinse zugeordnet werden, wobei die jeweilige lineare Struktur und die zugehörige Zylinderlinse dann vorzugsweise die gleiche Breite aufweisen.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind an jeder Zylinderlinsenplatte Zylinderlinsen mit zwei verschiedenen Brennweiten vorgesehen. Damit lassen sich ins gesamt vier verschiedene optisch wirksame Elemente an einer Linsenanordnung ver wirklichen, die insbesondere für den Einsatz in der oben bereits genannten Anordnung zur dreidimensionalen Darstellung, wie in der WO 99/66356 offenbart, geeignet sind.

Die einzelnen Zylinderlinsen besitzen beispielsweise eine im Querschnitt sphärische Krümmung, sind jedoch vorzugsweise asphärisch ausgebildet. Weiterhin ist es mög lich, die Zylinderlinsen als Fresnelzylinderlinsen, insbesondere auch als asphärische Fresnelzylinderlinsen auszubilden.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Linsenanordnung, die sich insbesondere zur Verwendung in Anzeigeanordnungen mit LC-Displays oder ähnlich gerasterten Anzei ge- bzw. Aufnahmeeinrichtungen eignet, kreuzen die erste und zweite Erstreckungs richtung einander unter einen Winkel von 90°. Hieraus resultiert für die optisch wirk samen Elemente eine in der Normalenebene zu der Lichtdurchtrittsrichtung rechteckige Umrißform, die an dem Raster der Pixel eines LC-Displays orientiert werden kann. Wer den alle Zylinderlinsen mit der gleichen Breite ausgebildet, so ergeben sich quadrati sche optisch wirksame Elemente.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Zylinderlinsen je weils als streifenförmige Plankonvexlinsen ausgebildet. Zum Ausgleich der oben be reits erläuterten Diskrepanz der Übertragungslängen können die Zylinderlinsen an mindestens einer Zylinderlinsenplatte für jede Brennweite eine unterschiedliche Dicke aufweisen. Eine Fertigungserleichterung läßt sich in diesem Fall dadurch erzielen, daß die gekrümmten Flächen der Zylinderlinsen alle auf der gleichen Seite eines Trägerab schnittes ("Substrates") liegen, wobei die Täler zwischen den gekrümmten Flächen in einer gemeinsamen Ebene liegen.

Weiterhin können sämtliche Planflächen der Zylinderlinsen einer Zylinderlinsenplatte in einer gemeinsamen Ebene liegen. Die gegebenenfalls erforderliche Strukturierung zum Ausgleich der Übertragungslängendiskrepanz kann dann beispielsweise durch eine unmittelbar an die flache Seite der Zylinderlinsenplatte anliegende, strukturierte Plan platte ausgeglichen werden. Es ist jedoch auch möglich, die gekrümmten Flächen der Zylinderlinsen derart anzuordnen, daß diese abwechselnd nach der einen und der an deren Seite der Zylinderlinsenplatte weisen.

Nachfolgend wird nun die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten Aus führungsbeispielen näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in:

Fig. 1 eine räumliche Teilansicht eines ersten Ausführungsbeispieles einer Linsenan ordnung nach der Erfindung,

Fig. 2 eine Seitenansicht einer Zylinderlinsen aufweisenden Zylinderlinsenplatte der Linsenanordnung aus Fig. 1 bei Betrachtung in Richtung auf die YZ-Ebene,

Fig. 3 eine Seitenansicht der Linsenanordnung aus Fig. 1 bei Betrachtung in der YZ- Ebene zur Veranschaulichung der Abstände der Baugruppen in bezug auf eine Objektebene und zwei parallele Bildebenen, und in

Fig. 4 eine räumliche Teilansicht eines zweiten Ausführungsbeispieles einer Linsen anordnung nach der Erfindung.

Das erste Ausführungsbeispiel in Fig. 1 zeigt eine quasi-multifokale Linsenanordnung mit einer Vielzahl von feldartig angeordneten optisch wirksamen Elementen, die eine Abbildungs- und/oder Beleuchtungsaufgabe mit einer Abbildung in unterschiedliche Bildebenen O'₁, O'₂, O'₃ bzw. O'₄ mit den Bildern B₁, B₂, B₃ bzw. B₄ aus einer gemeinsa men Objektebene O ermöglichen. Dabei entspricht jedes der optisch wirksamen Ele mente einer Mikrolinse, deren optische Übertragungslänge in wenigstens zwei optisch wirksamen Richtungen X und Y senkrecht zu der Lichtdurchtrittsrichtung Z der Linsen anordnung gleich groß ist.

In diesem ersten Ausführungsbeispiel werden die optischen Elemente durch einander orthogonal überkreuzende Zylinderlinsen 1, 2, 3 und 4 definiert, wobei die optischen Eigenschaften in einem Überkreuzungsbereich weiterhin beeinflußt werden durch die Dicke, die Lage und Materialeigenschaften, insbesondere die Brechungszahl, der in diesem Bereich angeordneten optischen Medien. Die Zylinderlinsen 1, 2, 3 und 4 sind an zwei parallelen Zylinderlinsenplatten 5 und 6 ausgebildet, die jeweils senkrecht zu der Lichtdurchtrittsrichtung Z hintereinanderliegen. Die erste Zylinderlinsenplatte 5 weist eine Vielzahl von streifenförmigen Zylinderlinsen 1 und 2 auf, die in einer ersten Erstreckungsrichtung Y parallel zueinander verlaufen. Die unterschiedliche Brennweiten aufweisenden Zylinderlinsen 1 und 2 sind dabei alternierend angeordnet, so daß auf eine Zylinderlinse 1 der ersten Brennweite eine Zylinderlinse 2 der zweiten Brennweite und daraufhin wieder eine Zylinderlinse 1 der ersten Brennweite folgt, usw.

Jede der Zylinderlinsen ist als eine Plankonvexlinse ausgebildet, wobei die gekrümmte Fläche hier in Richtung Z des Lichtdurchtritts weist. Sämtliche ebenen Flächen der Zy linderlinsen 1 und 2 liegen in einer gemeinsamen Ebene und bilden damit eine durch gehend glatte Fläche 7 senkrecht zu der Richtung Z. Aus Gründen einer einfachen Fer tigung liegen alle jeweils zwischen zwei benachbarten Linsen 1 und 2 verlaufenden Täler in einer gemeinsamen Ebene E₅, die parallel zu der glatten Fläche 7 ist.

Die zweite Zylinderlinsenplatte 6 weist eine Vielzahl von parallel zueinander verlaufen den, ebenfalls als Plankonvexlinsen ausgebildeten Zylinderlinsen 3 und 4 auf. Die Plankonvexlinsen weisen mit ihrer jeweils gekrümmten Fläche zu den gekrümmten Flächen der Zylinderlinsen 1 und 2 der ersten Zylinderlinsenplatte 5 und erstrecken sich in einer zweiten Erstreckungsrichtung X unter einem Winkel von 90° zu der ersten Erstreckungsrichtung Y. Auch die zweite Zylinderlinsenplatte 6 ist bifokal ausgebildet, so daß auf eine Zylinderlinse 3 mit einer dritten Brennweite eine Zylinderlinse 4 mit einer vierten Brennweite folgt, usw. Die zwischen den Zylinderlinsen 3 und 4 verlau fenden Täler liegen wiederum in einer gemeinsamen Ebene E₆ senkrecht zu der Licht durchtrittsrichtung Z. Diese entspricht in Lichtdurchtrittsrichtung der ersten Planfläche der Zylinderlinsenplatte 6.

Da sämtliche Zylinderlinsen die gleiche Breite aufweisen, ergibt sich für die optisch wirksamen Elemente bei Betrachtung in Richtung Z ein quadratischer Umriß.

Fig. 3 zeigt unter anderem beispielhaft für die Erstreckungsrichtungen Y und X die Übertragungslängen OyO'y und OxO'x für ein erstes optisch wirksames Element, d. h. den Abstand zwischen der Objektebene O (Oy = Ox) und der zu diesem optisch wirksa men Element gehörigen Bildebene O'y = O'x. Da die für dieses optisch wirksame Ele ment relevanten Zylinderlinsen 1 und 3 unterschiedliche Brennweiten und Objektweiten aufweisen, ergibt sich eine Diskrepanz der Übertragungslängen in Richtung Z. Diese Diskrepanz wird für eine stigmatische (punktförmige, scharfe) Abbildung in den op tisch wirksamen Richtungen der Zylinderlinsen 1 und 3 mittels eines weiteren opti schen Mediums ausgeglichen, nämlich hier mittels einer Planplatte 9, die dazu ledig lich lineare Strukturen 10 bzw. 11 (vgl. auch Fig. 1) aufweisen muß. Die Planplatte 9 ist zwischen der ersten Zylinderlinsenplatte 5 und einem in der Objektebene O liegenden Bildgeber 8, beispielsweise einem LC-Display, angeordnet. Die linearen Strukturen sind in Entsprechung zu den Zylinderlinsen 1, 2, 3 bzw. 4 streifenförmig ausgebildet und verlaufen dementsprechend entweder in der ersten oder in der zweiten Erstreckungs richtung Y bzw. X. Beispielsweise ist es möglich, die Diskrepanz der beiden Übertra gungslängen der Zylinderlinsen 1 und 3 durch eine Stufung der geometrischen Dicke, durch eine Stufung der Brechzahl oder auch durch eine Kombination aus beidem zu kompensieren.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel weist die flächenparallel zu den Zylinderlinsenplatten 5 und 6 angeordnete Planplatte 9 an ihren beiden einander ge genüberliegenden Seiten als lineare Strukturen 10 bzw. 11 jeweils stufenförmige Rip pen mit einem im YZ-Schnitt bzw. im YZ-Schnitt rechteckigen Querschnittsprofil auf. Diese Rippen erheben sich jeweils über eine glattflächige Seitenwand der Planplatte 9, wobei die stufenförmigen Rippen bzw. linearen Strukturen 10 bzw. 11 an einer Seite parallel zu der zweiten Erstreckungsrichtung X und auf der gegenüberliegenden Seite parallel zu der ersten Erstreckungsrichtung Y verlaufen. Die stufenförmigen Rippen sind jeweils ausgewählten Zylinderlinsen zugeordnet und in ihrer Breite auf die zuge hörigen Zylinderlinsen abgestimmt. Beispielsweise sind bei dem ersten Ausführungs beispiel die horizontal verlaufenden stufenförmigen Rippen bzw. linearen Struktu ren 10 der Planplatte 9 den Zylinderlinsen 4 der zweiten Zylinderlinsenplatte 6 zuge ordnet, wohingegen die vertikal verlaufenden stufenförmigen Rippen bzw. linearen Strukturen 11 den Zylinderlinsen 2 der ersten Zylinderlinsenplatte 5 zugeordnet sind.

Ein weiterer Kompensationseffekt wird durch die Variation der Dicke der Zylinderlin sen 3 und 4 der zweiten Zylinderlinsenplatte 6 bewirkt. Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt einer Seitenansicht in der YZ-Ebene der zweiten Zylinderlinsenplatte 6. Diese zweite Zylinderlinsenplatte 6 umfaßt Linsenabschnitte 12 der Zylinderlinsen 3 und 4, der an einen in Lichtdurchtrittsrichtung Z nachfolgenden Tragabschnitt 13 anschließt. Dieser Tragabschnitt 13 ist hier integral mit dem Linsenabschnitt 12 ausgebildet. Es ist je doch auch möglich, den Tragabschnitt 13 als separate Planplatte herzustellen. Wie Fig. 2 entnommen werden kann, bildet der Tragabschnitt 13 ein gestuftes Profil mit auf einer Seite vorstehenden Rippen 14 und dazwischenliegenden Vertiefungen 15, die jeweils in der zweiten Erstreckungsrichtung X verlaufen und in einer gemeinsamen Ebene E₆ auf der gegenüberliegenden Seite, auf der sich die Täler der Linsenabschnit te 12 befinden, liegen. Die im Querschnitt rechteckigen Rippen 14 und rechteckigen Vertiefungen 15 weisen die gleiche Breite auf wie die auf der gegenüberliegenden Seite der zweiten Zylinderlinsenplatte 6 vorgesehenen Zylinderlinsen 3 und 4. Dabei ist je weils eine Rippe 14 einer Zylinderlinse 3 der dritten Brennweite und jeweils eine Vertie fung 15 einer Zylinderlinse 4 der vierten Brennweite zugeordnet.

Die Geometrie der Linsenanordnung des ersten Ausführungsbeispieles ist in Fig. 3 im Detail dargestellt, wobei sich für die nachfolgenden Parameter die in der Tabelle 1 an gegebenen Werte für die zu den Bildern B₁, B₂, B₃ und B₄ gehörigen optisch wirksamen Elemente ergeben. Die Parameter in der Tabelle 1 sind wie folgt definiert:
n: Brechzahl der optischen Materialien (hier: PMMA bei λ = 546,1 nm, beidseitig in Luft)
h: Breite der Zylinderlinsen, Breite der linearen Strukturen der Planplatte 9
l: Abstand zwischen der Objektebene O und der Ebene E₅ der ersten Zylinderlin senplatte 5
dl1: Abstand zwischen der Objektebene O und der in Lichtrichtung ersten Planflä che der Planplatte 9
dp: Dicke der Planplatte 9 am Orte der verschiedenen Linsenkombinationen 1-3; 1-4; 2-3; 2-4
dl2: Abstand in Lichtrichtung zwischen der zweiten Planfläche der Planplatte 9 und der Seitenwand 7 der ersten Zylinderlinsenplatte 5 am Orte der verschiedenen Linsenkombinationen 1-3; 1-4; 2-3; 2-4
dsy: Dicke des Tragabschnittes der ersten Zylinderlinsenplatte 5
fy': Brennweite der Zylinderlinsen der ersten Zylinderlinsenplatte 5
dyx: Abstand zwischen der Ebene E₅ der ersten Zylinderlinsenplatte 5 und der Ebe ne E₆ der zweiten Zylinderlinsenplatte 6
fx': Brennweite der Zylinderlinsen der zweiten Zylinderlinsenplatte 6
dsx: Dicke des Tragabschnittes 13 der zweiten Zylinderlinsenplatte 6 am Orte der verschiedenen Linsenkombinationen 1-3; 1-4; 2-3; 2-4
Hy/Bx: Höhe-Breite-Verhältnis eines Objekts für ein quadratisches Bild
dl': Abstand in Lichtrichtung zwischen dem (reellen) Bild und der zweiten Seiten wand der zweiten Zylinderlinsenplatte 6 am Orte der verschiedenen Linsen kombinationen 1-3; 1-4; 2-3; 2-4 (bildseitige Schnittweite)
OyO'y: Übertragungslänge bei der Abbildung durch die erste Zylinderlinsenplatte 5 (Abstand zwischen der Objektebene O und der (reellen) Bildebene O')
OxO'x: Übertragungslänge bei der Abbildung durch die zweite Zylinderlinsenplatte 6 (Abstand zwischen der Objektebene O und der (reellen) Bildebene O')
f': Brennweite eines konventionellen multifokalen (quadrifokalen) Arrays aus dünnen Plankonvexlinsen mit Bildweiten a' = dl' und Objektweite a = -6,0 mm

Ein zweites Ausführungsbeispiel einer Linsenanordnung mit zwei Zylinderlinsenplat ten 5a und 6a ist in Fig. 4 dargestellt. Auch hier ist wieder jede Zylinderlinsenplatte 5a bzw. 6a bifokal mit einer Vielzahl von Zylinderlinsen 1a und 2a bzw. 3a und 4a ausge bildet, um das in einer Objektebene O mittels einer Anzeigeeinrichtung 8 generierte Bild in vier in Lichtdurchtrittsrichtung Z hintereinanderliegende Bildebenen O'_1a, O'_2a, O'_3a bzw. O'_4a mit den Bildern B_1a, B_2a, B_3a bzw. B_4a abzubilden. Dabei sind auch hier wie derum die Übertragungslängen an jedem einzelnen optisch wirksamen Element in den optisch wirksamen Richtungen der jeweiligen Zylinderlinsen gleich groß, so daß eine stigmatische Abbildung in die jeweiligen Bildebenen O'_1a, O'_2a, O'_3a bzw. O'_4a mit den Bildern B_1a, B_2a, B_3a bzw. B_4a erfolgt.

Die aus den unterschiedlichen Brennweiten und Objektweiten der einander überlap penden Zylinderlinsen eines optisch wirksamen Elements resultierende Diskrepanz der Übertragungslängen wird durch eine Variation der Dicke der Plankonvex-Zylinderlinsen ausgeglichen. Wie Fig. 4 entnommen werden kann, sind die gekrümmten Flächen der Plankonvexlinsen an der ersten Zylinderlinsenplatte 5a abwechselnd zu der einen und der anderen Seite ausgerichtet, d. h. es wechseln Plankonvexlinsen mit Konvexplanlin sen ab. Die zweite Zylinderlinsenplatte 6a ist hingegen entsprechend der zweiten Zy linderlinsenplatte 6 des ersten Ausführungsbeispieles ausgebildet. Für die Dimensio nierung der einzelnen optisch wirksamen Elemente zur Abbildung in die Bildebe nen O'_1a, O'_2a, O'_3a bzw. O'_4a mit den Bildern B_1a, B_2a, B_3a bzw. B_4a ergeben sich mit den nachfolgenden Parameterdefinitionen die in der Tabelle 2 angegebenen Werte.

Parameterdefinition für die Tabellen 2

n: Brechzahl der optischen Materialien (PMMA bei λ = 546,1 nm, beidseitig in Luft)
h: Breite der Zylinderlinsen
l: Abstand zwischen der Objektebene O und der in Lichtrichtung zweiten Plan fläche (des Tragabschnittes) der ersten Zylinderlinsenplatte

5

a
dl: Abstand zwischen der Objektebene O und dem in Lichtrichtung ersten Scheitel der Zylinderlinsenplatte

5

a am Orte der verschiedenen Linsenkombinationen

1

a-

3

a;

1

a-

4

a;

2

a-

3

a;

2

a-

4

a
dsy: Dicke des Tragabschnittes der Zylinderlinsenplatte

5

a am Orte der verschie denen Linsenkombinationen

1

a-

3

a;

1

a-

4

a;

2

a-

3

a;

2

a-

4

a
fy': Brennweite der Zylinderlinsen der Zylinderlinsenplatte

5

a
dyx: Abstand zwischen der in Lichtrichtung zweiten Planfläche des ersten Zylinder linsenplatte

5

a und der in Lichtrichtung ersten Planfläche des zweiten Zylin derlinsenplatte

6

a (entspricht der Ebene E₆

aus Beispiel 1)
fx': Brennweite der Zylinderlinsen der zweiten Zylinderlinsenplatte

6

a
dsx: Dicke des Tragabschnittes der zweiten Zylinderlinsenplatte

6

a am Orte der verschiedenen Linsenkombinationen

1

a-

3

a;

1

a-

4

a;

2

a-

3

a;

2

a-

4

a
Hy/Bx: Höhe-Breite-Verhältnis eines Objekts für ein quadratisches Bild
dl': Abstand zwischen dem (reellen) Bild und der in Lichtrichtung zweiten Seiten wand der zweiten Zylinderlinsenplatte

6

a am Orte der verschiedenen Linsen kombinationen

1

a-

3

a;

1

a-

4

a;

2

a-

3

a;

2

a-

4

a (bildseitige Schnittweite)
OyO'y: Übertragungslänge bei der Abbildung durch die erste Zylinderlinsenplatte

5

a (Abstand zwischen der Objektebene O und der (reellen) Bildebene O')
OxO'x: Übertragungslänge bei der Abbildung durch die zweite Zylinderlinsenplatte

6

a (Abstand zwischen der Objektebene O und der (reellen) Bildebene O')
f': Brennweite eines konventionellen multifokalen (quadrifokalen) Arrays aus dünnen Plankonvexlinsen mit Bildweiten a' = dl' und Objektweite a = -6,0 mm

In sämtlichen Fällen wird eine quasi-multifokale Linsenanordnung erhalten, die sich aufgrund der Verwendung von zwei jeweils nur linear mit Zylinderlinsen strukturierten Zylinderlinsenplatten einfach und kostengünstig verwirklichen läßt.

Tabelle 1

Tabelle 2

Bezugszeichenliste

1

,

1

a Zylinderlinse

2

,

2

a Zylinderlinse

3

,

3

a Zylinderlinse

4

,

4

a Zylinderlinse

5

,

5

a erste Zylinderlinsenplatte

6

,

6

a zweite Zylinderlinsenplatte

7

Seitenfläche der ersten Zylinderlinsenplatte

8

LC-Display

9

Planplatte

10

,

11

lineare Struktur

12

Linsenabschnitt

13

Tragabschnitt

14

gestufte Rippe

15

Vertiefung
X, Y Erstreckungsrichtungen der Zylinderlinsen
Z Lichtdurchtrittsrichtung
B₁

, B₂

, B₃

, B₄

, B_1a

. . . Bilder
O Objektebene
O'₁

, O'_1a

, O'₂

, O'_2a

. . . Bildebenen
E₅

, E₆

gemeinsame Ebenen der Täler zwischen den Zylinderlinsen

Claims

1. Linsenanordnung, umfassend
eine erste flächige Zylinderlinsenplatte (5; 5a) mit in einer ersten Erstreckungs richtung (Y) parallel zueinander verlaufenden Zylinderlinsen (1, 2; 1a, 2a) und ei ne zweite flächige Zylinderlinsen platte (6, 6a) mit in einer zweiten Erstreckungs richtung (X) parallel zueinander verlaufenden Zylinderlinsen (3, 4; 3a, 4a), wobei die beiden Erstreckungsrichtungen (X, Y) einen Winkel α ≠ 0 einschließen, die Zy linderlinsen auf mindestens einer der beiden Zylinderlinsenplatten in alter nierender Anordnung verschiedenen Brennweiten aufweisen und die beiden im Strahlengang hintereinander angeordneten Zylinderlinsenplatten (5, 6; 5a, 6a) in ihrem Zusammenwirken ein Array aus einer Vielzahl von abbildenden Ele menten definieren, von denen jedes eine Übertragungslänge (OxO'x) aufweist, die von der Wirkung der Zylinderlinsen (3, 4; 3a, 4a) mit der einen Erstrec kungsrichtung (X) abhängig ist und eine Übertragungslänge (OyO'y) auf weist, die von der Wirkung der Zylinderlinsen (1, 2; 1a, 2a) mit der anderen Erstreckungsrichtung (Y) abhängig ist, und mit denen Objektpunkte von ei ner Objektebene (O) in Abbildungsebenen (O'₁, O₂', O'₃, O'₄) mit den Bildern (B₁, B₂, B₃, B₄) abgebildet werden, und
Mittel zum Ausgleich der Diskrepanz der Übertragungslängen (OxO'x; OyO'y) vorgesehen sind, die aus den unterschiedlichen Brennweiten der sich überdeckenden Zylinderlinsen (1, 2, 3, 4; 1a, 2a, 3a, 4a) resultiert, so daß bei jedem der Elemente die von der Wirkung der Zylinderlinsen mit der einen Erstreckungsrichtung (X) abhängige Übertragungslänge (OyO'y) ebenso groß ist wie die von der Wirkung der Zylinderlinsen mit der anderen Erstrec kungsrichtung (Y) abhängige Übertragungslänge (OxO'x), wobei jedoch eine erste Gruppe von Elementen mit untereinander gleichen Übertragungslängen (OyO'y, OxO'x) und eine weitere Gruppe von Elementen mit ebenfalls untereinander gleichen, jedoch von der ersten Gruppe abweichenden Übertra gungslängen (OyO'y, OxO'x) vorgesehen ist.

2. Linsenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dis krepanz ausgeglichen ist durch eine Variation der Dicke und/oder der Brechzahl an mindestens einer der beiden Zylinderlinsenplatten (5; 6; 5a, 6a).

3. Linsenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dis krepanz ausgeglichen ist durch mindestens eine zu den Zylinderlinsenplatten (5; 6; 5a, 6a) flächenparallel angeordnete Planplatte (9) mit mindestens zu einer der Erstreckungsrichtungen (Y, X) parallelen Strukturen (10, 11), die in ihrer Dicke und/oder ihrer Brechzahl variieren.

4. Linsenanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Planplat te (9) beidseitig Strukturen (10, 11) aufweist, wobei die Strukturen (10) an der ei nen Seite parallel zu der ersten Erstreckungsrichtung (Y) und die Strukturen (11) auf der gegenüberliegenden Seite parallel zu der zweiten Erstreckungsrichtung (X) verlaufen.

5. Linsenanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Planplat ten (9) mit jeweils einer durchgehend ebenen Seite vorgesehen sind, wobei die li nearen Strukturen (10, 11) der einen Planplatte (9) parallel zu der ersten Erstrec kungsrichtung (Y) und die linearen Strukturen (10, 11) der anderen Planplatte (9) parallel zu der zweiten Erstreckungsrichtung (X) verlaufen.

6. Linsenanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils eine Struktur (10, 11) einer Zylinderlinse (1, 2, 3, 4; 1a, 2a, 3a, 4a) zugeordnet ist, wobei die jeweilige Struktur (10, 11) und die zugehörige Zylin derlinse (1, 2, 3, 4; 1a, 2a, 3a, 4a) die gleiche Breite aufweisen.

7. Linsenanordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß auf jeder Zylinderlinsenplatte (5, 6; 5a, 6a) Zylinderlinsen (1, 2, 3, 4; 1a, 2a, 3a, 4a) mit zwei verschiedenen Brennweiten vorgesehen sind.

8. Linsenanordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß alle Zylinderlinsen auf einer der beiden Zylinderlinsenplatten (5, 6; 5a, 6a) die gleiche Brennweite aufweisen.

9. Linsenanordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß wenigstens einzelne der beiden Zylinderlinsen (1, 2, 3, 4; 1a, 2a, 3a, 4a) als Fresnelzylinderlinsen ausgebildet sind.

10. Linsenanordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß die Erstreckungsrichtungen (Y, X) einen Winkel α = 90° einschlie ßen.

11. Linsenanordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß alle Zylinderlinsen (1, 2, 3, 4; 1a, 2a, 3a, 4a) die gleiche Breite auf weisen.

12. Linsenanordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß die Zylinderlinsen (1, 2, 3, 4; 1a, 2a, 3a, 4a) jeweils als streifenför mige Plankonvexlinsen ausgebildet sind, wobei die Zylinderlinsen (1, 2, 3, 4; 1a, 2a, 3a, 4a) bei mindestens einer der Zylinderlinsenplatten (5, 6; 5a, 6a) für jede Brennweite eine andere Dicke aufweisen.

13. Linsenanordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß die Zylinderlinsen (1, 2, 3, 4; 1a, 2a, 3a, 4a) jeweils als streifenför mige Plankonvexlinsen ausgebildet sind, wobei bei mindestens einer der Zylin derlinsenplatten (5, 5a; 6, 6a) die gekrümmten Flächen der Zylinderlinsen (1, 2, 3, 4; 1a, 2a, 3a, 4a) abwechselnd nach der einen und der anderen Seite der Zy linderlinsenplatte (5, 5a; 6, 6a) weisen.

14. Linsenanordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß die in Lichtdurchtrittsrichtung zweiten Planflächen aller Zylinderlin sen (1, 2, 3, 4) einer Zylinderlinsenplatte (5, 5a, 6; 6a) in einer gemeinsamen Ebene liegen.

15. Linsenanordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß die gekrümmten Flächen der Zylinderlinsen (1, 2, 3, 4; 1a, 2a, 3a, 4a) alle auf der gleichen Seite einer Zylinderlinsenplatte (5, 5a, 6; 6a) liegen, wo bei die Täler zwischen den gekrümmten Flächen der Zylinderlinsen in einer ge meinsamen Ebene (E₅, E₆) liegen.