Holographic and hybrid spectacle lenses

Trapp, Jannik Michael GND

Die vorliegende Arbeit behandelt das Design und die Analyse von neuartigen hologra- phischen und holographisch-refraktiven Brillengläsern. Ziel ist es hierbei, das Potential von Hologrammen, wie die Möglichkeit komplizierte optische Funktionen in einer dün- nen Schicht zu realisieren oder die Möglichkeit die Dispersion von refraktiven Linsen zu kompensieren, für verbesserte Designs von Brillengläsern zu nutzen. Eine besondere Schwierigkeit an dieser Aufgabenstellung besteht darin, die Eigenschaften von Hologram- men wie hohe Winkel- und Wellenlängenabhängigkeit der Beugungseffizienz und starke Dispersion so zu kontrollieren, dass sie für das Design von Brillengläsern vorteilhaft oder zumindest nicht nachteilig sind. Eine weitere Schwierigkeit besteht darin, Konzepte aus dem Design herkömmlicher Brillengläser, wie die gleichzeitige Optimierung für verschie- dene Blickrichtungen des Auges, auf Hologramme anzuwenden und diese entsprechend anzupassen. Zu diesem Zweck wurde eine Designmethode neuentwickelt, die es ermög- licht entsprechend für den Einsatz in Brillengläsern geeignete Hologramme zu entwer- fen und zu analysieren. Diese Methode ist geeignet um sowohl holographische als auch holographisch-refraktive Brillengläser zu entwerfen und zu optimieren. Die Brillengläser können dabei einfache Einstärkengläser oder Gleitsichtgläser sein. Das Verständnis dieser Arbeit erfordert Vorkenntnisse aus den Bereichen Holographie und dem Design von Brillengläsern. Da dies eine in der Literatur so bisher noch nicht vorgekommene Kombination ist, werden die Historie und der Stand der Technik von so- wohl Holographie als auch vom Design von Brillengläsern in der Einleitung dieser Arbeit beschrieben. Kapitel II greift die in der Einleitung als Überblick beschriebenen Konzepte auf und erläutert die für das Verständnis der neu entwickelten Designmethode benötig- ten Methodiken und theoretische Hintergründe im Detail. Besonders wichtig ist hierbei, wie im Design von Brillengläsern mit den verschiedenen Blickrichtungen des Auges um- gegangen wird und die Beschreibung von Volumenhologrammen und ihrer Beugungsef- fizienz. Die neu entwickelte Designmethode wird in Kapitel III beschrieben. Nach einer Abschätzung, wie groß die benötigten Winkel- und Wellenlängen für die Beugungseffizi- enz der Hologramme sind, wird mittels der Fourier Modal Methode ein Parameterbereich aus Gitterperiode, Gitterdicke und Modulationsstärke des Brechungsindex identifiziert, in dem die Anforderungen an die Beugungseffizienz der Hologramme erfüllt sind. Ein fes- ter Parameterbereich für die Gitterperiode wirkt sich auf die möglichen Ablenkwinkel zwischen einfallendem und gebeugten Strahl der ersten Beugungsordnung aus und er- laubt es nicht Ablenkwinkel von 0◦ einzustellen. Daher ist es in diesem Fall nicht möglich, dass Licht der ersten Beugungsordnung gerade durch die Linsenmitte eines Brillenglases mit einem Hologramm geht. Diese Limitation wird in der Designmethode dadurch um- gangen, dass ein Tandem aus zwei Hologrammen genutzt wird, deren Dispersion und Ablenkwinkel sich teilweise oder vollständig kompensieren können. Dies ermöglicht ei- ne gerade Durchsicht durch die Linsenmitte sowie eine reduzierte Dispersion des Holo- grammtandems. Die Dispersion des Hologrammtandems kann weiterhin mit der Disper- sion einer refraktiven Linse in einem holographisch-refraktiven Brillenglas kompensiert werden. Um von diesen Erkenntnissen bezüglich Beugungseffizienz und Dispersion zu einem holographischen Brillenglasdesign zu kommen, ist es notwendig, die lokale Varia- tion der Hologramm Parameter, wie der Gitterperiode und der Neigung des Gittervektors im Volumen, zu kontrollieren und für jede Blickrichtung des Auges anzupassen. Im Kapi- tel III wird daher auch detailliert beschrieben, wie eine geschickte Implementierung der Hologramm Parameter in einer Optikdesignsoftware und vorher berechnete Initialwerte der fraglichen Parameter genutzt werden können, um die Leistung von holographischen und holographisch-refraktiven Brillengläsern gezielt zu optimieren. Dabei wird auch be- schrieben, wie komplizierte optische Funktionen wie etwa die einer Gleitsichtbrille mit Hologrammen nachgebildet werden können. Die mit Hilfe der neu entwickelten Designmethode gewonnenen Designs für hologra- phische oder holographisch-refraktive Brillengläser werden in Kapitel IV präsentiert und diskutiert. Für holographisch-refraktive Einstärkengläser wird dabei gezeigt, dass es mög- lich ist, den bei hohen Brechkräften störenden Farbfehler durch die Kompensation von Dispersion deutlich zu reduzieren und dabei auch die Randdicke der Gläser zu redu- zieren. Außerdem ist es teilweise möglich, die durch Asphären mögliche Korrektur der Brechkraft und des Astigmatismus mittels Hologrammen zu ersetzen. Für Gleitsichtglä- ser wird gezeigt, dass es für Additionsbrechkräfte von bis zu zwei Dioptrien möglich ist, die optische Funktion von refraktiven Gleitsichtgläsern mit holographischen Gleitsicht- gläsern nachzubilden. Zum Abschluss wird noch über die Ergebnisse dieser Arbeit hinaus diskutiert, wie die hier vorgestellten Konzepte im Bereich Augmented Reality (AR) oder speziellen Brillen zur Prävention von Myopie genutzt werden können.

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Trapp, Jannik: Holographic and hybrid spectacle lenses. Jena 2019.

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