DE102023106296A1

DE102023106296A1 - Optical system with an adhesive layer with a stiffness gradient

Info

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

Abstract

Die Anmeldung betrifft ein optisches System, das ein erstes Optikelement, ein zweites Optikelement und eine erste Klebstoffschicht umfasst, Die erste Klebstoffschicht ist zwischen dem ersten Optikelement und dem zweiten Optikelement angeordnet und eingerichtet, das erste Optikelement und das zweite Optikelement zu verbinden. Weiter weist die erste Klebstoffschicht einen ersten Steifigkeitsgradienten auf, der von einem Rand des optischen Systems zu einem thermischen Expansionszentrum des optischen Systems zeigt.The application relates to an optical system comprising a first optical element, a second optical element and a first adhesive layer. The first adhesive layer is arranged between the first optical element and the second optical element and is designed to connect the first optical element and the second optical element. Furthermore, the first adhesive layer has a first stiffness gradient that points from an edge of the optical system to a thermal expansion center of the optical system.

Description

TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL AREA

Die Anmeldung bezieht sich auf optische Systeme mit mehreren Optikelementen und genauer auf die Verbindung der mehreren Optikelemente mittels Klebstoffschichten.The application relates to optical systems with multiple optical elements and more specifically to the connection of the multiple optical elements by means of adhesive layers.

HINTERGRUNDBACKGROUND

Klebstoffschichten, die Optikelemente in optischen Systemen miteinander verbinden, können insbesondere in optischen Systemen, die ein großes Verhältnis ihres Durchmessers zu ihrer Dicke aufweisen, eine geringe Steifigkeit aufweisen. Werden die optischen Systeme thermischen Schwankungen ausgesetzt, wie beispielsweise bei einer Verwendung der optischen Systeme in Head Mounted Displays (HMDs) für virtuelle Realitäts-(VR)-Systeme, kann es durch die thermischen Schwankungen in Verbindung mit der geringen Steifigkeit zu Lage- und Formänderungen der Optikelemente kommen. Zudem kann die geringe Steifigkeit der Klebstoffschichten Schwingungen der Optikelemente zueinander ermöglichen, was zu ungewünschten optischen Effekten führen kann. Erhöht man zu Vermeidung dieser Probleme allerdings die Steifigkeit der Klebstoffschichten, kann dies zu einer Beeinträchtigung der optischen Leistung des optischen Systems führen.Adhesive layers that connect optical elements in optical systems can have low rigidity, particularly in optical systems that have a high diameter-to-thickness ratio. If the optical systems are exposed to thermal fluctuations, such as when the optical systems are used in head-mounted displays (HMDs) for virtual reality (VR) systems, the thermal fluctuations combined with the low rigidity can lead to changes in the position and shape of the optical elements. In addition, the low rigidity of the adhesive layers can allow the optical elements to vibrate relative to one another, which can lead to undesirable optical effects. However, if the rigidity of the adhesive layers is increased to avoid these problems, this can impair the optical performance of the optical system.

Vor diesem Hintergrund ist es ein Ziel der vorliegenden Offenbarung, Lage- und Formänderungen sowie Schwingungen von Optikelementen in einem optischen System zu verringern, ohne dabei die optische Leistung des optischen Systems dabei zu beinträchtigen.Against this background, it is an object of the present disclosure to reduce position and shape changes as well as vibrations of optical elements in an optical system without impairing the optical performance of the optical system.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNGSUMMARY OF THE INVENTION

Um dieses Ziel zu erfüllen, stellt die vorliegende Erfindung ein optisches System bereit. Das optische System umfasst ein erstes Optikelement und ein zweites Optikelement und eine erste Klebstoffschicht. Die erste Klebstoffschicht ist zwischen dem ersten Optikelement und dem zweiten Optikelement angeordnet und ist eingerichtet, das erste Optikelement und das zweite Optikelement zu verbinden. Die erste Klebstoffschicht weist weiter einen ersten Steifigkeitsgradienten auf, der von einem Rand des optischen Systems zu einem thermischen Expansionszentrum des optischen Systems zeigt.To achieve this goal, the present invention provides an optical system. The optical system comprises a first optical element and a second optical element and a first adhesive layer. The first adhesive layer is disposed between the first optical element and the second optical element and is configured to bond the first optical element and the second optical element. The first adhesive layer further has a first stiffness gradient pointing from an edge of the optical system to a thermal expansion center of the optical system.

KURZE BESCHREIBUNG DER FIGURENSHORT DESCRIPTION OF THE CHARACTERS

Beispiele der vorliegenden Offenbarung werden nachfolgend mit Bezug zu den angehängten Figuren beschrieben, in denen gleiche Bezugszeichen sich auf gleiche Elemente beziehen.

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

Examples of the present disclosure are described below with reference to the attached figures, in which like reference numerals refer to like elements.

1A and 1B illustrate the general concept of the present disclosure according to examples of the present disclosure.
2A and 2B exemplary optical systems according to examples of the present disclosure.
3 shows a top view of an adhesive layer of the optical system of the 2A and 2B according to examples of the present disclosure.
4A to 4C show exemplary stiffness profiles within adhesive layers of an optical system according to examples of the present disclosure.
5A and 5B show further exemplary stiffness profiles within adhesive layers of an optical system according to examples of the present disclosure.

Es sollte verstanden werden, dass das Bereitstellen dieser Figuren nicht beabsichtigt, die vorliegende Offenbarung auf die in den Figuren gezeigten Aspekte zu beschränken. Vielmehr werden diese Figuren bereitgestellt, um beim Verständnis der vorliegenden Erfindung zu helfen. Der Fachmann wird sogleich verstehen, dass Aspekte der vorliegenden Erfindung, die in einer Figur gezeigt werden, mit Aspekten aus einer anderen Figur kombiniert werden können oder dass in einer Figur gezeigte Aspekte weggelassen werden können, ohne sich vom Gegenstand der vorliegenden Offenbarung zu entfernen.It should be understood that the provision of these figures is not intended to limit the present disclosure to the aspects shown in the figures. Rather, these figures are provided to aid in understanding the present invention. Those skilled in the art will readily understand that aspects of the present invention shown in one figure may be combined with aspects from another figure, or that aspects shown in a figure may be omitted without departing from the subject matter of the present disclosure.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNGDETAILED DESCRIPTION

Im Folgenden wird ein optische System beschrieben, das mindestens ein erstes Optikelement und ein zweites Optikelement sowie eine dazwischen angeordnete Klebeschicht aufweist. Die Klebeschicht weist einen Steifigkeitsgradienten vom Rand des optischen Systems zu einem thermischen Expansionszentrum auf. In anderen Worten steigt die Steifigkeit innerhalb der ersten Klebeschicht vom Rand zum thermischen Expansionszentrum hin an. Der Anstieg der Steifigkeit führt dazu, dass die Klebeschicht am Rand eine niedrige Steifigkeit und im thermischen Expansionszentrum eine hohe Steifigkeit aufweist. Die hohe Steifigkeit im thermischen Expansionszentrum führt dazu, dass es bei einer Temperaturerhöhung nicht zu Lage- und/oder Formveränderungen der Optikelemente kommt. Durch den Steifigkeitsgradienten vom Rand des optischen Systems zum thermischen Expansionszentrum hin bzw. dem Abfall der Steifigkeit vom thermischen Expansionszentrum zum Rand des optischen Systems wird gleichzeitig sichergestellt, dass die hohe Steifigkeit im thermischen Expansionszentrum die optische Leistung des optischen Systems nicht beeinträchtigt.The following describes an optical system which has at least one first optical element and one second optical element as well as an adhesive layer arranged between them. The adhesive layer has a stiffness gradient from the edge of the optical system to a thermal expansion center. In other words, the stiffness within the first adhesive layer increases from the edge to the thermal expansion center. The increase in stiffness means that the adhesive layer has a low stiffness at the edge and a high stiffness in the thermal expansion center. The high stiffness in the thermal expansion center means that there are no changes in the position and/or shape of the optical elements when the temperature increases. The stiffness gradient from the edge of the optical system to the thermal expansion center or the drop in stiffness from the thermal expansion center to the edge of the optical system simultaneously ensures that the high stiffness in the thermal expansion center optical performance of the optical system is not affected.

1B veranschaulicht die Wirkung des Steifigkeitsgradienten im Vergleich zu 1A. In 1A verformt sich das optische System bei steigender Temperatur aufgrund der niedrigen Steifigkeit k der Klebeschichten, die durch den niedrigen linearen Verlauf in dem Graph der 1A angedeutet ist. In 1B verformt sich das optische System bei steigender Temperatur im Wesentlichen nicht. In anderen Worten führt der Steifigkeitsgradient dazu, dass sich das optische System bei steigender Temperatur nur sehr geringfügig bis nicht verformt. Dies liegt an dem zum thermischen Expansionszentrum hin verlaufenden Steifigkeitsgradienten, der durch den Anstieg der Steifigkeit k hin zum thermischen Expansionszentrum in dem Graph der 1B angedeutet ist. Das thermische Expansionszentrum befindet sich in den Beispielen der 1A und 1B im Mittelpunkt des optischen Systems. Dies ist lediglich beispielhaft. Das thermische Expansionszentrum kann sich an jedem anderen Punkt innerhalb des optischen Systems befinden. 1B illustrates the effect of the stiffness gradient compared to 1A . In 1A the optical system deforms with increasing temperature due to the low stiffness k of the adhesive layers, which is indicated by the low linear progression in the graph of the 1A is indicated. In 1B the optical system essentially does not deform as the temperature increases. In other words, the stiffness gradient causes the optical system to deform only very slightly or not at all as the temperature increases. This is due to the stiffness gradient running towards the thermal expansion center, which is caused by the increase in stiffness k towards the thermal expansion center in the graph of the 1B The thermal expansion center is located in the examples of 1A and 1B at the center of the optical system. This is only an example. The thermal expansion center can be located at any other point within the optical system.

Das eingangs dargestellte generelle Konzept der vorliegenden Offenbarung wird nachfolgend anhand der beispielhaften optischen Systeme der 2A bis 3 und der beispielhaften Steifigkeitsverläufe der 4A bis 5B veranschaulicht werden.The general concept of the present disclosure presented at the beginning is explained below using the exemplary optical systems of 2A to 3 and the exemplary stiffness curves of the 4A to 5B be illustrated.

2A zeigt ein optisches System 100. Das optische System 100 umfasst ein erstes Optikelement 110, eine erste Klebeschicht 120, ein zweites Optikelement 130, eine zweite Klebeschicht 140 und ein drittes Optikelement 150. 2A shows an optical system 100. The optical system 100 comprises a first optical element 110, a first adhesive layer 120, a second optical element 130, a second adhesive layer 140 and a third optical element 150.

Das erste Optikelement 110, das zweite Optikelement 130 und das dritte Optikelement 150 sind eingerichtet, eine jeweilige optische Funktion bereitzustellen. Die optische Funktion kann beispielsweise eine Vergrößerung oder eine Verkleinerung eines durch das jeweilige Optikelement sein. Im Kontext einer HMD kann die optische Funktion beispielsweise eine Vergrößerung des Blickfeldes bezogen auf eine in geringer Distanz vor den Augen eines Benutzers angeordnete Anzeige sein. Die optische Funktion kann auch eine Weiterleitung von Licht sein, wie beispielsweise in einem Wellenleiter. Entsprechend ihrer jeweiligen optischen Funktion weisen das erste Optikelement 110, das zweite Optikelement 130 und das dritte Optikelement 150 jeweils eine erste, eine zweite bzw. eine dritte Brechzahl auf. Folglich kann es sich bei dem ersten optischen Element 110, dem zweiten optischen Element 130 und dem dritten optischen Element 150 beispielsweise jeweils um eine Linse, eine Fresnellinse oder einen Wellenleiter handeln. Um dies zu veranschaulichen, ist in 2A das erste optische Element 110 als konvexe Linse und das dritte optische Element als konkave Linse dargestellt. Es sollte verstanden werden, dass diese Beispiele nicht abschließend sind. Das erste Optikelement 110, das zweite Optikelement 130 und das dritte Optikelement 150 können jede Art von optischem Element sein, die eingerichtet ist, eine optische Funktion bereitzustellen. Weiter kann es sich bei dem ersten Optikelement 110, dem zweiten Optikelement 130 und dem dritten Optikelement 150 um einteilige Optikelemente handeln, wie in 2 A dargestellt, oder um mehrteilige Optikelemente, d.h. um Optikelemente, die aus einzelnen Segmenten zusammengesetzt sind.The first optical element 110, the second optical element 130 and the third optical element 150 are designed to provide a respective optical function. The optical function can be, for example, an enlargement or a reduction of a field of view provided by the respective optical element. In the context of an HMD, the optical function can be, for example, an enlargement of the field of view in relation to a display arranged a short distance in front of the eyes of a user. The optical function can also be a transmission of light, such as in a waveguide. According to their respective optical function, the first optical element 110, the second optical element 130 and the third optical element 150 each have a first, a second and a third refractive index, respectively. Consequently, the first optical element 110, the second optical element 130 and the third optical element 150 can each be, for example, a lens, a Fresnel lens or a waveguide. To illustrate this, in 2A the first optical element 110 is shown as a convex lens and the third optical element as a concave lens. It should be understood that these examples are not exhaustive. The first optical element 110, the second optical element 130 and the third optical element 150 can be any type of optical element that is configured to provide an optical function. Furthermore, the first optical element 110, the second optical element 130 and the third optical element 150 can be one-piece optical elements, as in 2 A or multi-part optical elements, i.e. optical elements that are composed of individual segments.

Da jedes des ersten optischen Elements 110, des zweiten optischen Elements 130 und des dritten optischen Elements 150 eine unterschiedliche optische Funktion bereitstellen kann, kann das optische System 100 eine aus der Kombination dieser optischen Funktionen resultierende optische Funktion bereitstellen.Since each of the first optical element 110, the second optical element 130, and the third optical element 150 can provide a different optical function, the optical system 100 can provide an optical function resulting from the combination of these optical functions.

Es sollte verstanden werden, dass das optische System 100 mehr oder weniger Optikelemente aufweisen kann, als in 2A gezeigt. Da es sich bei dem optischen System 100 um ein optisches System mit mehreren Optikelementen handelt, weist das optische System 100 mindestens zwei Optikelemente auf. Die vorliegende Offenbarung ermöglicht jedoch jede größere Anzahl an Optikelementen, wie beispielsweise das optische System 100 mit drei Optikelementen.It should be understood that the optical system 100 may have more or fewer optical elements than in 2A . Since the optical system 100 is a multiple optical element optical system, the optical system 100 includes at least two optical elements. However, the present disclosure allows for any greater number of optical elements, such as the optical system 100 having three optical elements.

Bei schwankender Temperatur können sich das erste optische Element 110, das zweite optische Element 130 und das dritte optische Element 150 verformen, indem sie sich beispielsweise in ihrer Länge verändern oder anderweitig verformen. Beispielsweise können das erste Optikelement 110, das zweite Optikelement 130 und das dritte Optikelement 150 einen jeweiligen ersten, zweiten und dritten thermischen Längenausdehnungskoeffizienten aufweisen, die voneinander unterschiedlich sind. Die unterschiedlichen Längenausdehnungskoeffizienten der jeweiligen optischen Elemente können Lageänderungen und Verformungen der optischen Elemente untereinander und damit des optischen Systems 100 verursachen. Dies kann die strukturelle Integrität und insbesondere die optische Funktion des optischen Systems 100 beeinträchtigen. Wie nachfolgend beschrieben wird, sind die erste Klebeschicht 120 und die zweite Klebeschicht 140 dazu eingerichtet, diese Verformungen im Wesentlichen zu verhindern bzw. zu kompensieren.When the temperature fluctuates, the first optical element 110, the second optical element 130 and the third optical element 150 can deform, for example by changing their length or deforming in some other way. For example, the first optical element 110, the second optical element 130 and the third optical element 150 can have a respective first, second and third thermal expansion coefficient that are different from one another. The different coefficients of linear expansion of the respective optical elements can cause changes in position and deformations of the optical elements among one another and thus of the optical system 100. This can impair the structural integrity and in particular the optical function of the optical system 100. As described below, the first adhesive layer 120 and the second adhesive layer 140 are designed to substantially prevent or compensate for these deformations.

Die erste Klebeschicht 120 ist zwischen dem ersten Optikelement 110 und dem zweiten Optikelement 130 angeordnet und eingerichtet, das erste Optikelement 110 und das zweite Optikelement 130 zu verbinden. Analog dazu ist die zweite Klebstoffschicht 140 zwischen dem zweiten Optikelement 130 und dem dritten Optikelement 150 angeordnet und eingerichtet, das zweite Optikelement 130 und das dritte Optikelement 150 zu verbinden. Wie bereits ausgeführt, weist das optische System 100 mindestens zwei Optikelemente auf und kann jede Anzahl an Optikelementen aufweisen, die jeweils mit einer weiteren Klebeschicht in das optische System 100 aufgenommen werden. Somit weist das optische System mindestens eine Klebeschicht auf und kann mehr als eine Klebeschicht beinhalten entsprechend der Anzahl an optischen Elementen.The first adhesive layer 120 is arranged between the first optical element 110 and the second optical element 130 and is designed to connect the first optical element 110 and the second optical element 130. Similarly, the second adhesive layer 140 is arranged between the second optical element 130 and the third optical element 150 and is designed to connect the second optical element 130 and the third optical element 150. As already explained, the optical system 100 has at least two optical elements and can have any number of optical elements, each of which is incorporated into the optical system 100 with a further adhesive layer. The optical system therefore has at least one adhesive layer and can include more than one adhesive layer according to the number of optical elements.

Die erste Klebstoffschicht 120 weist ein ersten Steifigkeitsgradienten auf, der von einem Rand des optischen Systems 100 zu einem thermischen Expansionszentrum des optischen Systems 100 zeigt. Die erste Klebstoffschicht 120 bzw. das gesamte optische System 100 kann zudem eine Scheibe mit einem Radius R sein, wie beispielsweise in 3 gezeigt.The first adhesive layer 120 has a first stiffness gradient that points from an edge of the optical system 100 to a thermal expansion center of the optical system 100. The first adhesive layer 120 or the entire optical system 100 can also be a disk with a radius R, as shown for example in 3 shown.

Steifigkeit k im Kontext dieser Offenbarung bezeichnet den Widerstand der Klebstoffschicht 120 hinsichtlich einer Verformung des ersten Optikelements 110 und des zweiten Optikelements 130. Vereinfacht kann die Steifigkeit k als ortsabhängige Steifigkeit k(r) anhand eines ortsabhängigen Elastizitätsmoduls E(r) und einer ortsabhängigen Geometriefunktion F_G(r) der Klebstoffschicht 120, wie in Gleichung (1) gezeigt, angenähert werden: $k (r) = E (r) * F_{G} (r)$

Stiffness k in the context of this disclosure refers to the resistance of the adhesive layer 120 with respect to a deformation of the first optical element 110 and the second optical element 130. In simplified terms, the stiffness k can be approximated as a location-dependent stiffness k(r) based on a location-dependent elastic modulus E(r) and a location-dependent geometry function F _G (r) of the adhesive layer 120, as shown in equation (1):

k (r) = E (r) * F_{G} (r)

Die ortsabhängige Geometriefunktion F_G(r) beschreibt dabei in Gleichung (1) die Geometrie der Klebstoffschicht 120. Die Ortsabhängigkeit der Steifigkeit k(r), des Elastizitätsmoduls E(r) und der Geometriefunktion F_G(r) ergibt sich aus der Abhängigkeit dieser Werte bzw. dieser Funktion von dem radialen Position innerhalb des optischen Systems, wie beispielsweise am unteren Rand in 2A und 2B oder mittig in 3 dargestellt. Es sollte verstanden werden, dass Gleichung (1) eine vereinfachte Annäherung der ortsabhängigen Steifigkeit k(r) darstellt. Die ortsabhängige Steifigkeit k(r) kann auch auf andere Weise jeweils in Abhängigkeit von einem ortsabhängigen Elastizitätsmoduls E(r) und einer ortsabhängige Geometriefunktion F_G(r) der Klebstoffschicht 120 angegeben werden, je nachdem welche Form der Steifigkeit, beispielsweise Dehnsteifigkeit oder Biegesteifigkeit, oder Kombination von Formen der Steifigkeit betrachtet wird. Ausgehend von Gleichung (1) kann der Steifigkeitsgradient $\frac{d k (r)}{d r}$

wie in Gleichung (2) gezeigt angenähert werden:

\frac{d k (r)}{d r} = \frac{d E (r)}{d r} * \frac{d F_{G} (r)}{d r}

The location-dependent geometry function F _G (r) describes the geometry of the adhesive layer 120 in equation (1). The location dependence of the stiffness k(r), the elastic modulus E(r) and the geometry function F _G (r) results from the dependence of these values or this function on the radial position within the optical system, such as at the lower edge in 2A and 2B or in the middle 3 It should be understood that equation (1) represents a simplified approximation of the location-dependent stiffness k(r). The location-dependent stiffness k(r) can also be specified in other ways, each as a function of a location-dependent elastic modulus E(r) and a location-dependent geometry function F _G (r) of the adhesive layer 120, depending on which form of stiffness, for example tensile stiffness or flexural stiffness, or combination of forms of stiffness is considered. Based on equation (1), the stiffness gradient

\frac{d k (r)}{d r}

can be approximated as shown in equation (2):

\frac{d k (r)}{d r} = \frac{d E (r)}{d r} * \frac{d F_{G} (r)}{d r}

Folglich ist der Steifigkeitsgradient von der Ableitung des ortsabhängigen Elastizitätsmoduls E(r) und der entsprechenden Ableitung der Geometriefunktion F_G(r) der Klebstoffschicht 120 abhängig. Analog zu Gleichung (1) gilt auch für Gleichung (2), dass diese nur eine vereinfachte Annäherung darstellen soll, um den Kern des Begriffs Steifigkeitsgradient als Ableitung einer auf einem ortsabhängigen Elastizitätsmodul basierenden Steifigkeit zu definieren. Je nach konkret betrachteter Form der Steifigkeit bzw. Kombinationen von Formen der Steifigkeit kann die tatsächliche Berechnung des Steifigkeitsgradienten weitere oder andere Terme berücksichtigen. Beispielhafte weitere Terme, die in Gleichung (1) und damit in Gleichung (2) berücksichtigt werden können, sind eine relative Dehnbarkeit und eine Kompressibilität bzw. Querkontraktion der Klebstoffschicht 120 sowie eine Ausbildung von Polymerzonen in der Klebstoffschicht 120, wie beispielsweise eine Adhäsionszone am Rand oder eine Kohäsionszone in der Mitte.Consequently, the stiffness gradient depends on the derivative of the location-dependent elastic modulus E(r) and the corresponding derivative of the geometry function F _G (r) of the adhesive layer 120. Analogous to equation (1), equation (2) is also intended to represent only a simplified approximation in order to define the core of the term stiffness gradient as the derivative of a stiffness based on a location-dependent elastic modulus. Depending on the specific form of stiffness or combinations of forms of stiffness considered, the actual calculation of the stiffness gradient can take into account further or other terms. Examples of further terms that can be taken into account in equation (1) and thus in equation (2) are a relative extensibility and a compressibility or transverse contraction of the adhesive layer 120 as well as a formation of polymer zones in the adhesive layer 120, such as an adhesion zone at the edge or a cohesion zone in the middle.

Beispielhafte Elastizitätswerte für das ortsabhängige Elastizitätsmodul E(r) am Rand des optischen Systems liegen in einem Bereich von 10 kPa bis 10 MPa. Beispielhafte Elastizitätswerte für das ortsabhängige Elastizitätsmodul E(r) im thermischen Expansionszentrum des optischen Systems liegen in einem Bereich von 1 MPa bis 5 GPa.Example elasticity values for the location-dependent elastic modulus E(r) at the edge of the optical system are in a range from 10 kPa to 10 MPa. Example elasticity values for the location-dependent elastic modulus E(r) in the thermal expansion center of the optical system are in a range from 1 MPa to 5 GPa.

Das thermische Expansionszentrum im Kontext dieser Anmeldung bezeichnet den Bereich des optischen Systems 100, in dem das optische System 100 aufgrund der zuvor besprochenen thermisch bedingten Verformung der optischen Elemente des optischen Systems 100 ihr Minimum aufweist. In anderen Worten bezeichnet das thermische Expansionszentrum den Bereich des optischen Systems, von dem aus eine radiale thermische Verformung des optischen Systems 100 ausgeht, ohne sich selbst im Wesentlichen zu verformen. Dieser Bereich kann, wie in den 4A bis 4C gezeigt, mit einer Symmetrieachse des optischen Systems 100 zusammenfallen, beispielsweise wenn alle Elemente des optischen Systems 100 axialsymmetrisch sind. Dieser Bereich kann sich allerdings auch an einer anderen Stelle als dem geometrischen Zentrum des optischen Systems 100 befinden.The thermal expansion center in the context of this application refers to the region of the optical system 100 in which the optical system 100 has its minimum due to the previously discussed thermally induced deformation of the optical elements of the optical system 100. In other words, the thermal expansion center refers to the region of the optical system from which a radial thermal deformation of the optical system 100 emanates without substantially deforming itself. This region can, as in the 4A to 4C shown, coincide with an axis of symmetry of the optical system 100, for example if all elements of the optical system 100 are axially symmetric. However, this region can also be located at a location other than the geometric center of the optical system 100.

Wie zuvor ausgeführt, zeigt der Steifigkeitsgradient von einem Rand des optischen Systems 100 zu einem thermischen Expansionszentrum des optischen Systems 100. Der durch diesen Steifigkeitsgradienten bedingte Steifigkeitsverlauf verhindert im Wesentlichen eine Verformung des optischen Systems ohne die optische Funktion des optischen Systems 100 zu beinträchtigen. Der Steifigkeitsverlauf verringert bzw. vermeidet im Wesentlichen eine Beeinträchtigung der optischen Funktion durch die Minimierung der Verformung des optischen Elements 110 und des optischen Elements 130. Durch die sich zum Rand des optischen Systems 100 hin verringernde Steifigkeit wird eine Beeinträchtigung der optischen Funktion vermieden, die sich andernfalls aus einer hohen Steifigkeit ergeben würde. Es sollte dabei verstanden werden, dass zwar die optische Funktion sich durch den Steifigkeitsverlauf in einem Bereich des optischen Systems 100 in manchen Beispielen der vorliegenden Offenbarung teilweise verschlechtern könnte. Diese Verschlechterung in einem Bereich könnte aber auf das gesamte optische System 100 bezogen minimal sein. Gleichzeitig kann durch den Steifigkeitsverlauf eine Verformung des optischen Systems 100 und eine Lageverschiebung des ersten optischen Elements 110 zu dem zweiten optischen Element 130 aufgrund von Temperaturschwankungen kompensiert bzw. vermieden werden.As previously stated, the stiffness gradient extends from an edge of the optical system 100 to a thermal expansion center of the optical system 100. The stiffness gradient caused by this stiffness gradient essentially prevents deformation of the optical system without impairing the optical function of the optical system 100. The stiffness gradient essentially reduces or avoids impairment of the optical function by minimizing the deformation of the optical element. ments 110 and the optical element 130. The stiffness decreasing towards the edge of the optical system 100 avoids an impairment of the optical function that would otherwise result from a high stiffness. It should be understood that the optical function could deteriorate partially due to the stiffness profile in one area of the optical system 100 in some examples of the present disclosure. However, this deterioration in one area could be minimal in relation to the entire optical system 100. At the same time, the stiffness profile can compensate for or avoid a deformation of the optical system 100 and a shift in position of the first optical element 110 relative to the second optical element 130 due to temperature fluctuations.

Zusammenfassend führt der Steifigkeitsgradient der Klebstoffschicht 120 dazu, dass Temperaturschwankungen nicht zu Deformationen des optischen Systems 100 führen. Gleichzeitig beeinträchtigt die Klebeschicht 120 aufgrund des Steifigkeitsgradienten die optische Funktion im Wesentlichen nicht.In summary, the stiffness gradient of the adhesive layer 120 ensures that temperature fluctuations do not lead to deformations of the optical system 100. At the same time, due to the stiffness gradient, the adhesive layer 120 essentially does not impair the optical function.

Genauer kann in einigen Beispielen der vorliegenden Offenbarung die erste Klebstoffschicht 120 in dem thermischen Expansionszentrum ein Steifigkeitsmaximum aufweisen. Das Steifigkeitsmaximum kann eingerichtet sein, die Verbindung zwischen dem ersten Optikelement 110 und dem zweiten Optikelement 130 zu sichern. Zudem kann der erste Steifigkeitsgradient eine optische Funktion des optischen Systems 100 gewährleisten, d.h. sicherstellen, dass die optische Funktion des optischen Systems 100 nicht durch die Steifigkeit der ersten Klebeschicht 120 beeinträchtigt wird.More specifically, in some examples of the present disclosure, the first adhesive layer 120 may have a stiffness maximum in the thermal expansion center. The stiffness maximum may be configured to secure the connection between the first optical element 110 and the second optical element 130. In addition, the first stiffness gradient may ensure an optical function of the optical system 100, i.e. ensure that the optical function of the optical system 100 is not impaired by the stiffness of the first adhesive layer 120.

Beispielhafte Steifigkeitsverläufe, die durch den Steifigkeitsgradienten bedingt sind, werden nachfolgend mit Bezug zu den 4A bis 5B besprochen. Exemplary stiffness curves, which are caused by the stiffness gradient, are described below with reference to the 4A to 5B discussed.

4A bis 4C zeigen Steifigkeitsverläufe der Steifigkeit k der ersten Klebstoffschicht 120, die den Steifigkeitsgradienten aufweisen. In den beispielhaften Steifigkeitsverläufen befindet sich das thermische Expansionszentrum im geometrischen Zentrum des optischen Systems 100. Es ist zu beachten, dass die Darstellung des thermischen Expansionszentrums im geometrischen Zentrum des optischen Systems lediglich beispielhaft ist. Das thermische Expansionszentrum kann auch in anderen Bereichen des optischen Systems liegen. 4A to 4C show stiffness curves of the stiffness k of the first adhesive layer 120, which have the stiffness gradient. In the example stiffness curves, the thermal expansion center is located in the geometric center of the optical system 100. It should be noted that the representation of the thermal expansion center in the geometric center of the optical system is merely an example. The thermal expansion center can also be located in other areas of the optical system.

4A zeigt ein Beispiel eines diskreten Steifigkeitsverlaufs. Dementsprechend ist in dem Beispiel der 4A der Steifigkeitsgradient ebenfalls diskret. In dem Beispiel der 4A ist die Steifigkeit abschnittsweise konstant und damit der Steifigkeitsgradient abschnittsweise null und nur an bestimmten Übergängen nicht null. Diese Übergänge stellen Übergänge zwischen Klebstoffzonen dar, die in 2A sowie in 3 dargestellt sind. In anderen Worten kann die Klebstoffschicht 120 eine Vielzahl von Klebstoffzonen, wie beispielsweise drei Klebstoffzonen 120₁, 120₂ und 120₃ umfassen, die lateral aneinander angrenzend angeordnet sind. Es sollte verstanden werden, dass die Anzahl an Klebstoffzonen variiert werden kann und die drei Klebstoffzonen 120₁, 120₂ und 120₃ nur als Beispiel dienen. Die Vielzahl von Klebstoffzonen kann jede Anzahl an Klebstoffzonen beinhalten, die zur Erzeugung eines Steifigkeitsverlaufs mit einem Steifigkeitsgradienten im Sinne dieser Offenbarung basierend auf einer Vielzahl von Klebstoffen mit unterschiedlichen Steifigkeiten benötigt werden. 4A shows an example of a discrete stiffness curve. Accordingly, in the example the 4A the stiffness gradient is also discrete. In the example of 4A the stiffness is constant in sections and thus the stiffness gradient is zero in sections and only at certain transitions is it not zero. These transitions represent transitions between adhesive zones that are in 2A as well as in 3 In other words, the adhesive layer 120 may include a plurality of adhesive zones, such as three adhesive zones 120 ₁ , 120 ₂ and 120 ₃ arranged laterally adjacent to one another. It should be understood that the number of adhesive zones may be varied and the three adhesive zones 120 ₁ , 120 ₂ and 120 ₃ are only an example. The plurality of adhesive zones may include any number of adhesive zones needed to create a stiffness gradient within the meaning of this disclosure based on a plurality of adhesives having different stiffnesses.

Zusätzlich zum Erzeugen eines diskreten Steifigkeitsverlaufs können Klebstoffzonen, die jeweils auf beiden Seiten an weitere Klebstoffzonen angrenzend angeordnet sind, eingerichtet sein, eine innere Spannung in der ersten Klebstoffschicht 120 in Kompression umzuwandeln. Durch die Umwandlung der inneren Spannung in Kompression kann vermieden werden, dass die erste Klebstoffschicht 120 selbst wesentlich zu einer Deformierung des optischen Systems 100 beiträgt. Zu diesem Zweck kann die erste Klebstoffschicht eine Querkontraktionszahl von weniger als 0,45 aufweisen.In addition to generating a discrete stiffness profile, adhesive zones, each arranged on both sides adjacent to further adhesive zones, can be configured to convert an internal stress in the first adhesive layer 120 into compression. By converting the internal stress into compression, the first adhesive layer 120 itself can be prevented from contributing significantly to a deformation of the optical system 100. For this purpose, the first adhesive layer can have a Poisson's ratio of less than 0.45.

4B zeigt ein Beispiel eines abschnittsweise kontinuierlichen Steifigkeitsverlaufs. Im Beispiel der 4B steigt die Steifigkeit abschnittsweise unterschiedlich stark und konstant vom Rand des optischen Systems 100 aus zum thermischen Expansionszentrum hin. Damit ist der Steifigkeitsgradient abschnittsweise konstant und jeweils nicht null und springt jeweils an den Übergängen auf den Steifigkeitsgradientenwert des nächsten Abschnitts. Wie im Beispiel der 4A kann ein solcher diskreten Steifigkeitsverlauf mit der Vielzahl an Klebstoffzonen erzeugt werden, wie beispielsweise die drei Klebstoffzonen 120₁, 120₂ und 120₃. In diesem Fall weisen die Klebstoffe der jeweiligen Klebstoffzonen jeweils eine konstant zum thermischen Expansionszentrum hin ansteigende Steifigkeit auf. 4B shows an example of a sectionally continuous stiffness curve. In the example of 4B the stiffness increases in sections to varying degrees and constantly from the edge of the optical system 100 to the thermal expansion center. The stiffness gradient is thus constant in sections and not zero in each case and jumps at the transitions to the stiffness gradient value of the next section. As in the example of the 4A Such a discrete stiffness curve can be generated with the large number of adhesive zones, such as the three adhesive zones 120 ₁ , 120 ₂ and 120 ₃ . In this case, the adhesives of the respective adhesive zones each have a stiffness that constantly increases towards the thermal expansion center.

4C zeigt ein Beispiel eines kontinuierlichen Steifigkeitsverlaufs. Folglich ist in dem Beispiel der 4C der Steifigkeitsgradient kontinuierlich. In anderen Worten steigt die Steifigkeit vom Rand des optischen Elements 100 zum thermischen Expansionszentrum hin ohne wesentliche Unstetigkeiten an. Der Steifigkeitsgradient ist dementsprechend ebenfalls stetig. In diesem Beispiel kann die Klebstoffschicht 120 die Vielzahl an Klebstoffzonen nicht beinhalten, wie beispielsweise in 2B veranschaulicht. Es sei hierbei angemerkt, das mit der Ausnahme der Vielzahl an Klebstoffzonen das optische System 100 der 2B dem optischen System 100 der 2A entspricht. 4C shows an example of a continuous stiffness curve. Consequently, in the example the 4C the stiffness gradient is continuous. In other words, the stiffness increases from the edge of the optical element 100 to the thermal expansion center without significant discontinuities. The stiffness gradient is accordingly also continuous. In this example, the adhesive layer 120 may not include the plurality of adhesive zones, as for example in 2B organize It should be noted that with the exception of the large number of adhesive zones, the optical system 100 of the 2B the optical system 100 of the 2A corresponds.

Ein kontinuierlicher Steifigkeitsverlauf und somit ein kontinuierlicher Steifigkeitsgradient kann beispielsweise erzeugt werden, indem dem Klebstoff der Klebstoffschicht 120 im flüssigen Zustand Glaspartikel beigemischt werden. Die Glaspartikel können beispielsweise ein Glaspartikelpulver mit einer durchschnittlichen Kugelgröße im Bereich von wenigen Nanometern bis wenige Mikrometer sein. Die Beimischung erfolgt so, dass eine inhomogene Glaspartikeldichte in der Klebstoffschicht 120 beim Aushärten erreicht wird. Dadurch weist die Klebstoffschicht 120 im ausgehärteten Zustand einen kontinuierlichen Steifigkeitsverlauf bzw. einen kontinuierlicher Steifigkeitsgradient wie in 4C dargestellt auf. Die Glaspartikel bzw. das Glaspartikelpulver weist dabei eine Brechzahl auf, die in etwa der Brechzahl der ersten Klebstoffschicht 120 entspricht. Der gleiche Ansatz kann beispielsweise auch für das Beispiel der 4B verwendet werden, um in den Klebstoffzonen jeweils einen kontinuierlichen Anstieg der Steifigkeit zu erreichen.A continuous stiffness profile and thus a continuous stiffness gradient can be created, for example, by adding glass particles to the adhesive of the adhesive layer 120 in the liquid state. The glass particles can be, for example, a glass particle powder with an average sphere size in the range of a few nanometers to a few micrometers. The addition is carried out in such a way that an inhomogeneous glass particle density is achieved in the adhesive layer 120 during curing. As a result, the adhesive layer 120 in the cured state has a continuous stiffness profile or a continuous stiffness gradient as in 4C The glass particles or the glass particle powder have a refractive index that corresponds approximately to the refractive index of the first adhesive layer 120. The same approach can also be used for the example of the 4B to achieve a continuous increase in stiffness in each adhesive zone.

5A und 5B zeigen zwei weitere beispielhafte diskrete Steifigkeitsverläufe. In beiden Beispielen liegt das thermische Expansionszentrum im geometrischen Zentrum des optischen Systems 100. 5A and 5B show two further exemplary discrete stiffness curves. In both examples, the thermal expansion center is located in the geometric center of the optical system 100.

In 5A steigt die Steifigkeit vom Rand aus gesehen abschnittsweise, d.h. beispielsweise pro Klebstoffzone, an, fällt wieder ab und erreicht ein Maximum im thermischen Expansionszentrum. Das Beispiel der 5A zeigt, dass Steifigkeitsverläufe vom Rand zum thermischen Expansionszentrum hin nicht kontinuierlich steigen müssen sondern steigen und fallen können, bis sie ein globales Steifigkeitsmaximum erreichen. In anderen Worten kann der Steifigkeitsgradient der ersten Klebstoffschicht 120 vom Rand des optischen Systems 100 zum globalen Steifigkeitsmaximum zeigen.In 5A the stiffness increases from the edge in sections, e.g. per adhesive zone, then decreases again and reaches a maximum in the thermal expansion center. The example of the 5A shows that stiffness gradients from the edge to the thermal expansion center do not have to increase continuously but can rise and fall until they reach a global stiffness maximum. In other words, the stiffness gradient of the first adhesive layer 120 can point from the edge of the optical system 100 to the global stiffness maximum.

In 5B weist das optische System 100 ein radiales Steifigkeitsmaximum im Bereich der zweiten Klebstoffzone 120₂ auf. Aufgrund der Kreisform des optischen Systems 100 und der Zentrierung des Verlaufs auf das geometrische Zentrum erscheint das Steifigkeitsmaximum im Bereich der zweiten Klebstoffzone 120₂ zweimal im Steifigkeitsverlauf der 5B. In anderen Worten weist das optische System 100 des Beispiels der 5B einen ringförmigen Steifigkeitsmaximumsbereich um das thermische Expansionszentrum herum auf. Mit diesem Steifigkeitsmaximumsbereich kann eine temperaturabhängige Deformation des ersten Optikelements 110 und des zweiten Optikelements 130 kompensiert werden.In 5B the optical system 100 has a radial stiffness maximum in the area of the second adhesive zone 120 _2. Due to the circular shape of the optical system 100 and the centering of the curve on the geometric center, the stiffness maximum in the area of the second adhesive zone 120 ₂ appears twice in the stiffness curve of the 5B . In other words, the optical system 100 of the example of 5B an annular stiffness maximum region around the thermal expansion center. This stiffness maximum region can be used to compensate for a temperature-dependent deformation of the first optical element 110 and the second optical element 130.

Durch den ersten radialen Steifigkeitsgradienten kann in einigen Beispielen der vorliegenden Offenbarung die erste Klebstoffschicht 120 weiter eingerichtet sein, eine Deformation des ersten Optikelements 110 und des zweiten Optikelements 130 auszugleichen, so dass die Deformation quasi-isotrop oder entlang einer Vorzugsrichtung erfolgt. Anders ausgedrückt kann die erste Klebstoffschicht 120 aufgrund des ersten Steifigkeitsgradienten eingerichtet sein, eine Biegedeformation zu kompensieren, indem sie durch eine gezielte differenzielle radiale Steifigkeit und Wärmeausdehnung die Deformation des ersten Optikelements 110 und des zweiten Optikelements 130 im Wesentlichen verhindert bzw. ihr entgegenwirkt.Due to the first radial stiffness gradient, in some examples of the present disclosure, the first adhesive layer 120 can be further configured to compensate for a deformation of the first optical element 110 and the second optical element 130, so that the deformation occurs quasi-isotropically or along a preferred direction. In other words, due to the first stiffness gradient, the first adhesive layer 120 can be configured to compensate for a bending deformation by essentially preventing or counteracting the deformation of the first optical element 110 and the second optical element 130 through a targeted differential radial stiffness and thermal expansion.

Durch den ersten Steifigkeitsgradienten kann in einigen Beispielen der vorliegenden Offenbarung die erste Klebstoffschicht 120 weiter eingerichtet sein, ein Biegemoment zu erzeugen, das eingerichtet ist, einem Biegemoment entgegenzuwirken, das durch die Wärmeausdehnung des ersten Optikelements 110 und des zweiten Optikelements 130 erzeugt wird. Aufgrund des Steifigkeitsmaximums kann die erste Klebeschicht 120 eingerichtet sein, eine Festigkeit der Klebeverbindung zu gewährleisten. Das durch die Klebeschicht 120 erzeugte, radial variierende Biegemoment führt in der Summe mit dem Biegemoment des ersten Optikelements 110 und dem des zweiten Optikelements 130 zu einem effektiv biegedeformationsfreien Zustand des optischen Systems 100. Damit kann die erste Klebstoffschicht 120 eine Deformation des optischen Systems 100 kompensieren bzw. gezielt einstellen.Due to the first stiffness gradient, in some examples of the present disclosure, the first adhesive layer 120 can be further configured to generate a bending moment that is configured to counteract a bending moment that is generated by the thermal expansion of the first optical element 110 and the second optical element 130. Due to the stiffness maximum, the first adhesive layer 120 can be configured to ensure a strength of the adhesive connection. The radially varying bending moment generated by the adhesive layer 120, in sum with the bending moment of the first optical element 110 and that of the second optical element 130, leads to an effectively bending deformation-free state of the optical system 100. The first adhesive layer 120 can thus compensate for or specifically adjust a deformation of the optical system 100.

Die erste Klebstoffschicht 120 kann weiter eine erste Brechzahl aufweisen. Die erste Brechzahl kann eingerichtet sein, einer Brechzahl von mindestens einem von dem ersten Optikelement 110 und dem zweiten Optikelement 130 zu entsprechen. Dies kann die optische Funktion des ersten Optikelements 110 bzw. des zweiten Optikelements 130 sicherstellen, da durch eine Entsprechung der Brechzahlen beispielsweise eine Totalreflexion an der Grenzfläche zwischen der ersten Klebstoffschicht 120 und dem ersten Optikelement 110 bzw. dem zweiten Optikelement 130 vermieden werden kann. Unter Entsprechung der Brechzahlen ist im Kontext dieser Anmeldung eine Abweichung von bis zu 2.5% zu verstehen. Die erste Brechzahl kann auch niedriger sein als eine Brechzahl des zweiten Optikelements 130, wenn das zweite Optikelement 130 ein Wellenleiter ist. Dadurch kann eine Totalreflexion sichergestellt werden, beispielsweise dass der Grenzwinkel der Totalreflexion in der ersten Klebstoffschicht 120 unter 60°, beispielsweise unter 55° oder unter 50° liegt.The first adhesive layer 120 can further have a first refractive index. The first refractive index can be set up to correspond to a refractive index of at least one of the first optical element 110 and the second optical element 130. This can ensure the optical function of the first optical element 110 or the second optical element 130, since a correspondence of the refractive indices can, for example, prevent total reflection at the interface between the first adhesive layer 120 and the first optical element 110 or the second optical element 130. In the context of this application, correspondence of the refractive indices means a deviation of up to 2.5%. The first refractive index can also be lower than a refractive index of the second optical element 130 if the second optical element 130 is a waveguide. This can ensure total reflection, for example that the critical angle of total reflection in the first adhesive layer 120 is below 60°, for example below 55° or below 50°.

Die erste Klebstoffschicht 120 kann eine Transmittanz aufweisen, die eingerichtet ist, Licht im sichtbaren Spektralbereich im Wesentlichen nicht zu absorbieren. Durch diese Transmittanz kann sichergestellt werden, dass die erste Klebstoffschicht 120 nicht als optisch dämpfendes oder farblich filterndes Element wirkt. Die erste Klebstoffschicht 120 kann auch für eine farbliche bzw. spektrale Filterung gezielt eingestellt werden, beispielsweise für eine farbneutrale oder farblich gewichtete Filterung für eine Sonnenbrille oder zur Erhöhung des Bildkontrasts in AR-Systemen, um als Farbfilter zu wirken, beispielsweise hinsichtlich gelb, grün oder rot, oder um als spektraler Filter zum Absorbieren von UV- und/oder IR-Strahlung zu wirken.The first adhesive layer 120 may have a transmittance configured to transmit light in the visible spectral range. This transmittance can ensure that the first adhesive layer 120 does not act as an optically dampening or color-filtering element. The first adhesive layer 120 can also be specifically adjusted for color or spectral filtering, for example for color-neutral or color-weighted filtering for sunglasses or to increase the image contrast in AR systems, to act as a color filter, for example with regard to yellow, green or red, or to act as a spectral filter for absorbing UV and/or IR radiation.

In manchen Beispielen des optischen Systems 100 gemäß der vorliegenden Offenbarung, in dem das erste Optikelement 110 eine Linse und das zweite Optikelement 130 ein Wellenleiter ist, kann die erste Klebstoffschicht 120 eingerichtet sein, eine Totalreflexion bereitzustellen, die einer Totalreflexion des Wellenleiters entspricht. In anderen Worten kann die erste Klebstoffschicht 120 eingerichtet sein, eine Totalreflexion für das in dem Wellenleiter geführte Licht bereitzustellen, sodass allerdings ein aus dem Wellenleiter ausgekoppeltes Licht nicht von der ersten Klebstoffschicht 120 absorbiert oder reflektiert wird. Weiter kann, wenn das erste Optikelement 110 eine Linse und das zweite Optikelement 130 ein Wellenleiter ist, die Klebstoffschicht einen ersten Bereich und einen zweiten Bereich aufweisen. Der erste Bereich kann eine erste Bereichsbrechzahl aufzuweisen, die die Totalreflexion in dem ersten Bereich des optischen Systems bereitstellt. Der zweite Bereich kann eine zweite Bereichsbrechzahl aufzuweisen, welche größer oder gleich der ersten Bereichsbrechzahl ist. Mit diesen bereichsweise unterschiedlichen Brechzahlen in der ersten Klebstoffschicht 120 kann zum einen eine Totalreflexion für das in dem Wellenleiter geführte Licht bereitgestellt werden. Zum anderen können ungewünschte Totalreflexionen an weiteren Grenzflächen vermieden werden.In some examples of the optical system 100 according to the present disclosure, in which the first optical element 110 is a lens and the second optical element 130 is a waveguide, the first adhesive layer 120 can be configured to provide total reflection that corresponds to total reflection of the waveguide. In other words, the first adhesive layer 120 can be configured to provide total reflection for the light guided in the waveguide, such that light coupled out of the waveguide is not absorbed or reflected by the first adhesive layer 120. Furthermore, if the first optical element 110 is a lens and the second optical element 130 is a waveguide, the adhesive layer can have a first region and a second region. The first region can have a first region refractive index that provides total reflection in the first region of the optical system. The second region can have a second region refractive index that is greater than or equal to the first region refractive index. With these regionally different refractive indices in the first adhesive layer 120, on the one hand, total reflection can be provided for the light guided in the waveguide. On the other hand, undesirable total reflections at other interfaces can be avoided.

Die zweite Klebstoffschicht 140 ist zwischen dem zweiten Optikelement 130 und dem dritten Optikelement 150 angeordnet und ist eingerichtet, das zweite Optikelement 130 und das dritte Optikelement 150 zu verbinden. Weiter weist die zweite Klebstoffschicht einen zweiten Steifigkeitsgradienten auf, der von einem Rand des optischen Systems 100 zu einem thermischen Expansionszentrum des optischen Systems 100 zeigt. In anderen Worten entspricht die Definition der zweiten Klebstoffschicht 140 der Definition der ersten Klebstoffschicht. Die vorangegangenen Ausführungen zur ersten Klebstoffschicht 120 gelten somit ebenfalls für die zweite Klebstoffschicht 140 bzw. jede weitere Klebstoffschicht des optischen Systems 100.The second adhesive layer 140 is arranged between the second optical element 130 and the third optical element 150 and is designed to connect the second optical element 130 and the third optical element 150. Furthermore, the second adhesive layer has a second stiffness gradient that points from an edge of the optical system 100 to a thermal expansion center of the optical system 100. In other words, the definition of the second adhesive layer 140 corresponds to the definition of the first adhesive layer. The previous statements on the first adhesive layer 120 therefore also apply to the second adhesive layer 140 or any other adhesive layer of the optical system 100.

Dementsprechend kann die zweite Klebstoffschicht 140 eingerichtet sein, analog zu der ersten Klebstoffschicht 120 ein zweites Biegemoment zu erzeugen. Mittels des ersten Biegemoments und des zweiten Biegemoments können die erste Klebstoffschicht 120 und die zweite Klebstoffschicht 140 eingerichtet sein, ein kombiniertes Biegemoment bereitzustellen, dass einem Biegemoment entgegenwirkt, das durch eine Wärmeausdehnung des ersten Optikelements 110, des zweiten Optikelements 130 und des dritten Optikelements 150 erzeugt wird.Accordingly, the second adhesive layer 140 can be configured to generate a second bending moment analogously to the first adhesive layer 120. By means of the first bending moment and the second bending moment, the first adhesive layer 120 and the second adhesive layer 140 can be configured to provide a combined bending moment that counteracts a bending moment that is generated by thermal expansion of the first optical element 110, the second optical element 130 and the third optical element 150.

Weiter kann die zweite Klebstoffschicht 140 eine zweite Brechzahl aufweisen. Die erste Brechzahl der ersten Klebstoffschicht und die zweite Brechzahl der zweiten Klebstoffschicht 140 können davon ausgehend eine Brechzahldifferenz zueinander aufweisen, die umgekehrt proportional zu einem Öffnungswinkel eines transmittierenden Lichtkegels ist. Andernfalls kann die Brechzahldifferenz zu einer Beeinträchtigung der optischen Funktion des optischen Systems 100 führen.Furthermore, the second adhesive layer 140 can have a second refractive index. The first refractive index of the first adhesive layer and the second refractive index of the second adhesive layer 140 can therefore have a refractive index difference that is inversely proportional to an opening angle of a transmitting light cone. Otherwise, the refractive index difference can lead to an impairment of the optical function of the optical system 100.

Das optische System kann in manchen Beispielen der vorliegenden Erfindung weiter eine Antireflexbeschichtung beinhalten. Die Antireflexbeschichtung kann zwischen der ersten Klebeschicht 120 und dem ersten Optikelement 110, zwischen der ersten Klebstoffschicht 120 und dem zweiten Optikelement 130 oder sowohl zwischen der Klebstoffschicht 120 und dem ersten Optikelement 110 sowie zwischen der ersten Klebstoffschicht 120 und dem zweiten Optikelement 130 angeordnet sein. Analog kann eine Antireflexbeschichtung hinsichtlich der zweiten Klebstoffschicht 140 sowie dem zweiten Optikelement 130 und dem drittem Optikelement 150 bzw. hinsichtlich jeder weiteren Klebstoffschicht angeordnet sein.In some examples of the present invention, the optical system may further include an anti-reflective coating. The anti-reflective coating may be arranged between the first adhesive layer 120 and the first optical element 110, between the first adhesive layer 120 and the second optical element 130, or both between the adhesive layer 120 and the first optical element 110 and between the first adhesive layer 120 and the second optical element 130. Similarly, an anti-reflective coating may be arranged with respect to the second adhesive layer 140 and the second optical element 130 and the third optical element 150, or with respect to each further adhesive layer.

Das optische System 100 kann eine Dicke von weniger als 250 µm, beispielsweise eine Dicke von 100 µm oder von 50 µm aufweisen. Die einzelnen Klebstoffschichten und Optikelemente können dabei eine Dicke zwischen 10 µm und 100 µm aufweisen.The optical system 100 can have a thickness of less than 250 µm, for example a thickness of 100 µm or 50 µm. The individual adhesive layers and optical elements can have a thickness between 10 µm and 100 µm.

Die Erfindung wird weiter durch die nachfolgenden Beispiele veranschaulicht.The invention is further illustrated by the following examples.

In einem Beispiel umfasst ein optisches System ein erstes Optikelement und ein zweites Optikelement und eine erste Klebstoffschicht, wobei die erste Klebstoffschicht zwischen dem ersten Optikelement und dem zweiten Optikelement angeordnet ist und eingerichtet ist, das erste Optikelement und das zweite Optikelement zu verbinden, und die erste Klebstoffschicht einen ersten Steifigkeitsgradienten aufweist, der von einem Rand des optischen Systems zu einem thermischen Expansionszentrum des optischen Systems zeigt.In one example, an optical system comprises a first optical element and a second optical element and a first adhesive layer, wherein the first adhesive layer is disposed between the first optical element and the second optical element and is configured to connect the first optical element and the second optical element, and the first adhesive layer has a first stiffness gradient pointing from an edge of the optical system to a thermal expansion center of the optical system.

In einem Beispiel kann die erste Klebstoffschicht in dem thermischen Expansionszentrum ein Steifigkeitsmaximum aufweisen, wobei das Steifigkeitsmaximum eingerichtet sein kann, die Verbindung zwischen dem ersten Optikelement und dem zweiten Optikelement zu sichern, und wobei der erste Steifigkeitsgradient eine optische Funktion des optischen Systems gewährleisten kann.In one example, the first adhesive layer may have a stiffness maximum in the thermal expansion center, wherein the stiffness maximum may be configured to secure the connection between the first optical element and the second optical element, and wherein the first stiffness gradient may ensure an optical function of the optical system.

In einem Beispiel kann der erste Steifigkeitsgradient kontinuierlich sein.In one example, the first stiffness gradient may be continuous.

In einem Beispiel kann der erste Steifigkeitsgradient diskret sein.In one example, the first stiffness gradient may be discrete.

In einem Beispiel kann die erste Klebstoffschicht eine Vielzahl von Klebstoffzonen umfassen, die lateral aneinander angrenzend angeordnet sind.In one example, the first adhesive layer may comprise a plurality of adhesive zones arranged laterally adjacent to one another.

In einem Beispiel können die Klebstoffzonen der Vielzahl von Klebstoffzonen, die auf beiden Seiten lateral angrenzend an weitere Klebstoffzonen der Vielzahl von Klebstoffzonen angeordnet sind, eingerichtet sein, eine innere Spannung in Kompression umzuwandeln.In one example, the adhesive zones of the plurality of adhesive zones arranged on both sides laterally adjacent to further adhesive zones of the plurality of adhesive zones may be configured to convert internal stress into compression.

In einem Beispiel kann die erste Klebstoffschicht eine Querkontraktionszahl von weniger als 0,45 aufweisen.In one example, the first adhesive layer may have a Poisson's ratio of less than 0.45.

In einem Beispiel kann die erste Klebstoffschicht eine erste Brechzahl aufweisen, die eingerichtet ist einer Brechzahl von mindestens einem von dem ersten Optikelement und dem zweiten Optikelement zu entsprechen oder niedriger zu sein als eine Brechzahl des zweiten Optikelements, wobei das zweite Optikelement ein Wellenleiter ist.In one example, the first adhesive layer may have a first refractive index configured to match a refractive index of at least one of the first optical element and the second optical element or to be lower than a refractive index of the second optical element, wherein the second optical element is a waveguide.

In einem Beispiel kann die erste Klebstoffschicht eine Transmittanz aufweisen, die eingerichtet ist, Licht im sichtbaren Spektralbereich im Wesentlichen nicht zu absorbieren.In one example, the first adhesive layer may have a transmittance configured to substantially not absorb light in the visible spectral range.

In einem Beispiel kann die Klebstoffschicht zu einer Deformation eingerichtet sein, wobei die Deformation der ersten Klebstoffschicht eingerichtet sein kann, eine Deformation des ersten Optikelements und des zweiten Optikelements auszugleichen.In one example, the adhesive layer may be configured to deform, wherein the deformation of the first adhesive layer may be configured to compensate for a deformation of the first optical element and the second optical element.

In einem Beispiel kann die erste Klebstoffschicht eingerichtet sein, ein Biegemoment zu erzeugen, das eingerichtet ist, einem Biegemoment entgegenzuwirken, das durch eine Wärmeausdehnung des ersten Optikelements und des zweiten Optikelements erzeugt wird.In one example, the first adhesive layer may be configured to generate a bending moment configured to counteract a bending moment generated by thermal expansion of the first optical element and the second optical element.

In einem Beispiel kann das optische System weiter ein drittes Optikelement und eine zweite Klebstoffschicht umfassen, wobei die zweite Klebstoffschicht zwischen dem zweiten Optikelement und dem dritten Optikelement angeordnet sein kann und eingerichtet sein kann, das zweite Optikelement und das dritte Optikelement zu verbinden, wobei die zweite Klebstoffschicht einen zweiten Steifigkeitsgradienten aufweisen kann, der von einem Rand des optischen Systems zu einem thermischen Expansionszentrum des optischen Systems zeigt, und wobei die erste Klebstoffschicht und die zweite Klebstoffschicht eingerichtet sein können, ein kombiniertes Biegemoment zu erzeugen, das eingerichtet ist, einem Biegemoment entgegenzuwirken, das durch eine Wärmeausdehnung des ersten Optikelements des zweiten Optikelements und des dritten Optikelements erzeugt wird.In an example, the optical system may further comprise a third optical element and a second adhesive layer, wherein the second adhesive layer may be arranged between the second optical element and the third optical element and may be configured to connect the second optical element and the third optical element, wherein the second adhesive layer may have a second stiffness gradient pointing from an edge of the optical system to a thermal expansion center of the optical system, and wherein the first adhesive layer and the second adhesive layer may be configured to generate a combined bending moment configured to counteract a bending moment generated by thermal expansion of the first optical element, the second optical element, and the third optical element.

In einem Beispiel können die erste Klebstoffschicht und die zweite Klebstoffschicht eine Brechzahldifferenz zueinander aufweisen, welche umgekehrt proportional zu einem Öffnungswinkel eines transmittierenden Lichtkegels ist.In one example, the first adhesive layer and the second adhesive layer may have a refractive index difference from each other that is inversely proportional to an opening angle of a transmitting light cone.

In einem Beispiel kann das erste Optikelement einen ersten thermischen Längenausdehnungskoeffizienten aufweisen, kann das zweite optische Element einen zweiten thermischen Längenausdehnungskoeffizienten aufweisen, und können der erste thermische Längenausdehnungskoeffizient und der zweite thermische Längenausdehnungskoeffizient voneinander unterschiedlich sein.In one example, the first optical element may have a first coefficient of thermal expansion, the second optical element may have a second coefficient of thermal expansion, and the first coefficient of thermal expansion and the second coefficient of thermal expansion may be different from each other.

In einem Beispiel können das erste Optikelement und das zweite Optikelement eines sein von einem einteiligen Optikelement und einem mehrteiligen Optikelement.In one example, the first optical element and the second optical element may be one of a single-piece optical element and a multi-piece optical element.

In einem Beispiel kann das erste Optikelement eine Linse sein, kann das zweite Optikelement ein Wellenleiter sein, und kann die erste Klebstoffschicht eingerichtet sein, eine Totalreflexion bereitzustellen, die einer Totalreflexion des Wellenleiters entspricht.In one example, the first optical element may be a lens, the second optical element may be a waveguide, and the first adhesive layer may be configured to provide total internal reflection corresponding to total internal reflection of the waveguide.

In einem Beispiel kann die erste Klebstoffschicht einen ersten Bereich und einen zweiten Bereich aufweisen und weiter eingerichtet sein in dem ersten Bereich eine erste Bereichsbrechzahl aufzuweisen, die die Totalreflexion in dem ersten Bereich des optischen Systems bereitstellt, und in dem zweiten Bereich eine zweite Bereichsbrechzahl aufzuweisen, welche größer oder gleich der ersten Bereichsbrechzahl ist.In one example, the first adhesive layer may have a first region and a second region and may be further configured to have a first range refractive index in the first region that provides total reflection in the first region of the optical system and to have a second range refractive index in the second region that is greater than or equal to the first range refractive index.

Die vorangegangene Beschreibung wurde bereitgestellt, um ein optisches System mit einer Klebstoffschicht mit einem Steifigkeitsgradienten zu beschreiben. Es sollte verstanden werden, dass die Beschreibung in keiner Form beabsichtigt ist, den Umfang der Erfindung auf die genauen Ausführungsformen zu beschränken, die in dieser Beschreibung besprochen worden sind. Vielmehr wird der Fachmann erkennen, dass Ausführungsformen kombiniert, modifiziert oder vereinfacht werden können ohne sich vom Umfang der Erfindung, wie er durch die nachfolgenden Ansprüche definiert ist, zu entfernen.The foregoing description has been provided to describe an optical system having an adhesive layer with a stiffness gradient. It should be understood that the description is in no way intended to limit the scope of the invention to the precise embodiments forms discussed in this description. Rather, those skilled in the art will recognize that embodiments can be combined, modified, or simplified without departing from the scope of the invention as defined by the following claims.

Claims

An optical system comprising: a first optical element and a second optical element; and a first adhesive layer, wherein the first adhesive layer: is disposed between the first optical element and the second optical element and is configured to bond the first optical element and the second optical element, and the first adhesive layer has a first stiffness gradient pointing from an edge of the optical system to a thermal expansion center of the optical system.

Optical system according to Claim 1 , wherein: the first adhesive layer has a stiffness maximum in the thermal expansion center, wherein the stiffness maximum is configured to secure the connection between the first optical element and the second optical element, and the first stiffness gradient ensures an optical function of the optical system.

An optical system according to any preceding claim, wherein the first stiffness gradient is continuous.

Optical system according to any of the Claims 1 until 2 , where the first stiffness gradient is discrete.

An optical system according to any one of the preceding claims, wherein the first adhesive layer comprises a plurality of adhesive zones arranged laterally adjacent to one another.

Optical system according to Claim 5 , wherein adhesive zones of the plurality of adhesive zones arranged on both sides laterally adjacent to further adhesive zones of the plurality of adhesive zones are configured to convert an internal stress into compression.

Optical system according to Claim 6 , wherein the first adhesive layer has a Poisson's ratio of less than 0.45.

An optical system according to any one of the preceding claims, wherein the first adhesive layer has a first refractive index arranged: to correspond to a refractive index of at least one of the first optical element and the second optical element; or to be lower than a refractive index of the second optical element, wherein the second optical element is a waveguide.

An optical system according to any one of the preceding claims, wherein the first adhesive layer has a transmittance arranged to substantially not absorb light in the visible spectral range.

Optical system according to any one of the preceding claims, wherein the adhesive layer is adapted to deform, wherein the deformation of the first adhesive layer is adapted to compensate for a deformation of the first optical element and the second optical element.

An optical system according to any one of the preceding claims, wherein the first adhesive layer is configured to generate a bending moment configured to counteract a bending moment generated by thermal expansion of the first optical element and the second optical element.

An optical system according to any one of the preceding claims, further comprising a third optical element and a second adhesive layer, wherein: the second adhesive layer is arranged between the second optical element and the third optical element and is configured to connect the second optical element and the third optical element, the second adhesive layer has a second stiffness gradient pointing from an edge of the optical system to a thermal expansion center of the optical system, and the first adhesive layer and the second adhesive layer are configured to generate a combined bending moment configured to counteract a bending moment generated by thermal expansion of the first optical element, the second optical element and the third optical element.

An optical system according to any one of the preceding claims, wherein the first adhesive layer and the second adhesive layer have a refractive index difference between them which is inversely proportional to an opening angle of a transmitting light cone.

An optical system according to any one of the preceding claims, wherein: the first optical element has a first coefficient of thermal expansion, the second optical element has a second coefficient of thermal expansion, and the first coefficient of thermal expansion and the second coefficient of thermal expansion are different from one another.

An optical system according to any one of the preceding claims, wherein the first optical element and the second optical element are one of a single-piece optical element and a multi-piece optical element.

An optical system according to any one of the preceding claims, wherein: the first optical element is a lens, the second optical element is a waveguide, and the first adhesive layer is configured to provide a total internal reflection corresponding to a total internal reflection of the waveguide.

Optical system according to Claim 16 , wherein the first adhesive layer has a first region and a second region and is further configured to have a first range refractive index in the first region that provides total reflection in the first region of the optical system, and to have a second range refractive index in the second region that is greater than or equal to the first range refractive index.