DE102019126282A1 - Camouflaged lattice structures - Google Patents
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Abstract
Vorgeschlagen wird ein Wellenleiter (1) mit einem teiltransparenten Einkoppelabschnitt (1E), mit einem vom Einkoppelabschnitt (1E) in seitlicher Richtung räumlich beabstandeten Auskoppelabschnitt (1A), mit einem außerhalb des Einkoppelabschnitts (1E) und außerhalb des Auskoppelabschnitts (1A) im Wesentlichen transparenten Basiskörper (2), wobei der transparente Basiskörper (2) eine Vorderseite (2V) und eine Rückseite (2R) aufweist, wobei der Wellenleiter (1) im Einkoppelabschnitt (1E) eine diffraktive Einkoppelstruktur (3) aufweist, wobei der Wellenleiter (1) im Auskoppelabschnitt (1A) eine Auskoppelstruktur (4) aufweist, wobei die diffraktive Einkoppelstruktur (3) dazu eingerichtet ist, von einem zu detektierenden Objekt (6) kommende und im Einkoppelabschnitt (1E) auf eine Vorderseite (1V) des Wellenleiters (1) treffende Strahlung nur zu einem Teil so zu beugen, dass der gebeugte Teil als eingekoppelte Strahlung (SE) im Basiskörper (2) durch Reflexionen bis zum Auskoppelabschnitt (1A) propagiert, wobei die Auskoppelstruktur (4) von der auf sie treffenden eingekoppelten Strahlung (SE) wenigstens einen Teil so umlenkt, dass der umgelenkte Teil als ausgekoppelte Strahlung (SA) aus dem Basiskörper (2) im Auskoppelabschnitt (1A) über die Vorderseite (2V) oder die Rückseite (2R) des Basiskörper (2) austritt, und wobei die diffraktive Einkoppelstruktur (3) eine wenigstens zu einem Rand des Einkoppelabschnitts (1E) hin stetig abnehmende Beugungseffizienz aufweist.A waveguide (1) is proposed with a partially transparent coupling-in section (1E), with a coupling-out section (1A) spatially spaced apart from the coupling-in section (1E) in the lateral direction, with an essentially transparent coupling section (1E) outside the coupling-in section (1E) and outside the coupling-out section (1A) Base body (2), the transparent base body (2) having a front side (2V) and a rear side (2R), the waveguide (1) in the coupling-in section (1E) having a diffractive coupling-in structure (3), the waveguide (1) has a coupling-out structure (4) in the coupling-out section (1A), the diffractive coupling-in structure (3) being designed to come from an object (6) to be detected and hit a front side (1V) of the waveguide (1) in the coupling-in section (1E) To bend radiation only to a part in such a way that the diffracted part as coupled radiation (SE) in the base body (2) by reflections up to the decoupling section (1A) propagated, wherein the decoupling structure (4) deflects at least part of the coupled radiation (SE) hitting it so that the deflected part as decoupled radiation (SA) from the base body (2) in the decoupling section (1A) via the front side (2V ) or the rear side (2R) of the base body (2) emerges, and wherein the diffractive coupling-in structure (3) has a diffraction efficiency which steadily decreases towards at least one edge of the coupling-in section (1E).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wellenleiter sowie eine Vorrichtung zur Bildwiedergabe.The present invention relates to a waveguide and an apparatus for displaying images.
Bei der Videotelefonie besteht das Problem, dass die jeweiligen Gesprächspartner in der Regel auf das Display schauen, auf welchem der Gesprächspartner angezeigt wird. Die entsprechende Kamera ist üblicher Weise allerdings am Rand des Displays, außerhalb der Bildwiedergabefläche des Displays verbaut. Dies wird von den Gesprächspartnern häufig als fehlender Augenkontakt wahrgenommen. Darüber hinaus besteht ein Bedürfnis auch mobile Vorrichtungen zur Bildwiedergabe für die Videotelefonie nutzen zu können.The problem with video telephony is that the respective interlocutor usually looks at the display on which the interlocutor is shown. However, the corresponding camera is usually installed on the edge of the display, outside the image reproduction area of the display. This is often perceived by the interlocutors as a lack of eye contact. In addition, there is a need to be able to use mobile devices for displaying images for video telephony.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Wellenleiter und eine Vorrichtung zur Bildwiedergabe anzugeben, mit welchem ein natürlicheres und immersiveres Gesprächserlebnis erzielt werden kann.Proceeding from this, the present invention is based on the object of specifying a waveguide and a device for image reproduction with which a more natural and immersive conversation experience can be achieved.
Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand des Hauptanspruchs und des Nebenanspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.This problem is solved with the subject matter of the main claim and the subsidiary claim. Advantageous refinements are given in the subclaims.
Es wird ein Wellenleiter mit einem, insbesondere teiltransparenten, Einkoppelabschnitt, mit einem, insbesondere vom Einkoppelabschnitt in seitlicher Richtung räumlich beabstandeten, Auskoppelabschnitt, mit einem außerhalb des Einkoppelabschnitts und außerhalb des Auskoppelabschnitts im Wesentlichen transparenten Basiskörper vorgeschlagen, wobei der transparente Basiskörper eine Vorderseite und eine Rückseite aufweist, wobei der Wellenleiter im Einkoppelabschnitt eine diffraktive Einkoppelstruktur aufweist, wobei der Wellenleiter im Auskoppelabschnitt eine Auskoppelstruktur aufweist, wobei die diffraktive Einkoppelstruktur dazu eingerichtet ist, von einem zu detektierenden Objekt kommende und im Einkoppelabschnitt auf eine Vorderseite des Wellenleiters treffende Strahlung nur zu einem Teil so zu beugen, dass der gebeugte Teil als eingekoppelte Strahlung im Basiskörper durch Reflexionen, insbesondere Totalreflexionen, bis zum Auskoppelabschnitt propagiert, wobei die Auskoppelstruktur von der auf sie treffenden eingekoppelten Strahlung wenigstens einen Teil so umlenkt, dass der umgelenkte Teil als ausgekoppelte Strahlung aus dem Basiskörpers im Auskoppelabschnitt über die Vorderseite oder die Rückseite des Basiskörpers austritt, und wobei die diffraktive Einkoppelstruktur eine wenigstens zu einem Rand des Einkoppelabschnitts hin stetig abnehmende Beugungseffizienz aufweist.A waveguide is proposed with a, in particular partially transparent, coupling-in section, with a coupling-out section spatially spaced apart from the coupling-in section in the lateral direction, with a base body which is essentially transparent outside the coupling-in section and outside the coupling-out section, the transparent base body having a front side and a rear side wherein the waveguide in the coupling-in section has a diffractive coupling-in structure, the waveguide having a coupling-out structure in the coupling-out section, the diffractive coupling-in structure being set up to only partially absorb radiation coming from an object to be detected and hitting a front side of the waveguide in the coupling-in section to bend that the diffracted part propagates as coupled radiation in the base body through reflections, in particular total reflections, up to the coupling-out section, the coupling-out structure of of the coupled radiation hitting it deflects at least a part in such a way that the deflected part emerges as coupled radiation from the base body in the coupling section via the front side or the rear side of the base body, and wherein the diffractive coupling structure has a diffraction efficiency which decreases steadily at least towards one edge of the coupling section having.
Der Wellenleiter kann eine im Wesentlichen plattenförmige Form aufweisen. Die Begriffe Vorderseite und Rückseite können die beiden Flächen des plattenförmigen Wellenleiters bezeichnen, welche den größten Flächeninhalt aufweisen. Seitlich kann eine Richtung im Wesentlichen senkrecht zur Vorderseite und/oder Rückseite bezeichnen. Ein Betrachter wird im Wesentlichen senkrecht auf die Vorderseite des Wellenleiters schauen. Die von einem zu detektierenden Objekt auf die Vorderseite des Wellenleiters treffende Strahlung, zum Beispiel die von einem Betrachter kommende Strahlung, wird nur zu einem Teil so gebeugt, dass der gebeugte Teil als eingekoppelte Strahlung im Basiskörper durch Reflexionen bis zum Auskoppelabschnitt propagiert. Umgekehrt wirkt die diffraktive Einkoppelstruktur im Einkoppelabschnitt auch für Strahlung, welche auf die Rückseite des Wellenleiters in Richtung zum Betrachter hin gerichtet ist. Für den auf den Wellenleiter blickenden Betrachter erscheint der Einkoppelabschnitt gegenüber dem Rest der Vorderseite des im Wesentlichen transparenten Basiskörpers somit abgeschattet. Wie nachstehend noch erläutert wird, kann es in Ausgestaltungen vorgesehen sein, dass die diffraktive Einkoppelstruktur eine zum Rand des Einkoppelabschnitts hin stetig abnehmende Beugungseffizienz aufweist. Mit dieser Maßnahme kann der Übergang von dem abgeschatteten Bereich zu dem restlichen Bereich des Wellenleiters weicher gestaltet werden, sodass die Abschattung für den Betrachter weniger sichtbar ist. Eine stetig abnehmende Beugungseffizienz bezeichnet dabei einen Beugungseffizienzverlauf ohne sichtbare Sprünge, die von einem Betrachter als störend wahrgenommen werden können. Beugungseffizienz bezeichnet das Verhältnis zwischen der durch Beugung eingekoppelten Strahlung und der vom zu detektierenden Objekt kommenden und im Einkoppelabschnitt auf die Vorderseite des Wellenleiters treffenden Strahlung.The waveguide can have a substantially plate-like shape. The terms front and rear can denote the two surfaces of the plate-shaped waveguide which have the largest surface area. Lateral can denote a direction essentially perpendicular to the front side and / or the rear side. A viewer will look essentially perpendicularly at the front of the waveguide. The radiation striking the front of the waveguide from an object to be detected, for example the radiation coming from an observer, is only partially diffracted so that the diffracted part propagates as coupled radiation in the base body through reflections to the coupling-out section. Conversely, the diffractive coupling-in structure in the coupling-in section also acts for radiation which is directed onto the rear side of the waveguide in the direction of the viewer. For the viewer looking at the waveguide, the coupling-in section thus appears to be shaded from the rest of the front side of the essentially transparent base body. As will be explained below, it can be provided in embodiments that the diffractive coupling-in structure has a diffraction efficiency that steadily decreases towards the edge of the coupling-in section. With this measure, the transition from the shadowed area to the remaining area of the waveguide can be made softer, so that the shadowing is less visible to the observer. A steadily decreasing diffraction efficiency denotes a diffraction efficiency curve without visible jumps which can be perceived as annoying by a viewer. Diffraction efficiency denotes the ratio between the radiation coupled in by diffraction and the radiation coming from the object to be detected and striking the front side of the waveguide in the coupling section.
In einer ersten Ausgestaltung kann die diffraktive Einkoppelstruktur eine abbildende Wirkung haben. Die abbildende Wirkung kann darin bestehen, dass vom zu detektierendem Objekt kommende und im Einkoppelabschnitt auf die Vorderseite des Wellenleiters treffende Strahlung als Planwelle in den Wellenleiter eingekoppelt wird. Die abbildende Wirkung kann insbesondere eine sammelnde Wirkung sein. Die diffraktive Einkoppelstruktur kann dabei insbesondere in einer Schnittebene, welche senkrecht zur Vorderseite des Wellenleiters angeordnet ist und sich durch die Mitte des Einkoppelabschnitts sowie die Mitte des Auskoppelabschnitts erstreckt, eine sammelnde Wirkung haben. Die abbildende Wirkung kann beispielsweise mit einer Brennweite f‘E beschrieben werden. Die abbildende Wirkung kann insbesondere der sammelnden Wirkung einer zylindrischen Linse entsprechen. Die Einkoppelstruktur kann auch in mehr als einer Ebene eine sammelnde Wirkung haben. Die Brennweite f'E kann beispielsweise zwischen 200 mm und 1000 mm, insbesondere zwischen 300 mm und 800 mm liegen, um Strahlung von einem Objekt, welches sich im Abstand von ca. 200 mm bis 1000 mm von der Vorderseite des Wellenleiters entfernt befindet, als Planwelle in den Wellenleiter einzukoppeln.In a first embodiment, the diffractive coupling structure can have an imaging effect. The imaging effect can consist in the fact that radiation coming from the object to be detected and hitting the front side of the waveguide in the coupling section is coupled into the waveguide as a plane wave. The imaging effect can in particular be a collecting effect. The diffractive coupling-in structure can have a collecting effect in particular in a sectional plane which is arranged perpendicular to the front side of the waveguide and extends through the center of the coupling-in section and the center of the coupling-out section. The imaging effect can be described, for example, with a focal length f ' E. The imaging effect can in particular correspond to the collecting effect of a cylindrical lens. The coupling structure can also have a collecting effect in more than one level. The focal length f ' E can for example be between 200 mm and 1000 mm, in particular between 300 mm and 800 mm, in order to avoid radiation from an object which is at a distance of approx mm to 1000 mm away from the front of the waveguide, to be coupled into the waveguide as a plane wave.
In einer zweiten Ausgestaltung weist die diffraktive Einkoppelstruktur in einem Zentralabschnitt des Einkoppelabschnitts eine Beugungseffizienz von mehr als 0,1 (mehr als 10 %) auf. Dies kann ausreichend sein, um die im Auskoppelabschnitt austretende ausgekoppelte Strahlung detektieren zu können. Vorzugsweise beträgt die Beugungseffizienz der diffraktiven Einkoppelstruktur im Zentralabschnitt mehr als 0,2 (mehr als 20 %). Insbesondere bei schlechten Lichtverhältnissen, zum Beispiel Dämmerung, kann sich eine Beugungseffizienz im Zentralabschnitt von mehr als 0,4 (mehr als 40 %) als vorteilhaft erweisen, um eine ausreichende Lichtmenge von einem zu detektierenden Objekt zum Auskoppelabschnitt zu leiten.In a second embodiment, the diffractive coupling structure in a central section of the coupling section has a diffraction efficiency of more than 0.1 (more than 10%). This can be sufficient to be able to detect the decoupled radiation exiting in the decoupling section. The diffraction efficiency of the diffractive coupling structure in the central section is preferably more than 0.2 (more than 20%). Particularly in poor light conditions, for example twilight, a diffraction efficiency in the central section of more than 0.4 (more than 40%) can prove to be advantageous in order to guide a sufficient amount of light from an object to be detected to the coupling-out section.
In einer weiteren Ausgestaltung weist die diffraktive Einkoppelstruktur in einem oder dem Zentralabschnitt des Einkoppelabschnitts eine Beugungseffizienz von weniger als 0,6 (weniger als 60 %) auf. Dies kann es ermöglichen, den vorbeschriebenen Abschattungseffekt zu minimieren und eine ausreichende Transmission von auf die Rückseite des Wellenleiters in Richtung zum Betrachter hin gerichteter Strahlung zu gewährleisten.In a further embodiment, the diffractive coupling structure in one or the central section of the coupling section has a diffraction efficiency of less than 0.6 (less than 60%). This can make it possible to minimize the shadowing effect described above and to ensure sufficient transmission of radiation directed onto the rear side of the waveguide in the direction of the viewer.
Die Beugungseffizienz der diffraktiven Einkoppelstruktur an einem Rand des Einkoppelabschnitts kann insbesondere nahe Null (0) sein. Dies kann die Bemerkbarkeit des Übergangs vom Einkoppelabschnitt zum restlichen Bereich des Wellenleiters weiter verringern.The diffraction efficiency of the diffractive coupling-in structure at an edge of the coupling-in section can in particular be close to zero (0). This can further reduce the noticeability of the transition from the coupling-in section to the remaining region of the waveguide.
Ferner sieht eine Ausgestaltung des Wellenleiters vor, dass die Beugungseffizienz einen gaußförmigen oder einen supergaußförmigen Verlauf aufweist. Unter einem gaußförmigen Verlauf wird dabei ein Verlauf verstanden, der der folgenden Formel genügt:
Unter einem supergaußförmigen Verlauf wird ein Verlauf der Beugungseffizienz verstanden, welcher der folgenden Formel genügt:
Dabei gibt η(x) die Beugungseffizienz η als Funktion des Orts x an.Here, η (x) indicates the diffraction efficiency η as a function of the location x.
Die Verwendung eines supergaußförmigen Verlaufs kann sicherstellen, dass in einem weiten Bereich des Einkoppelabschnitts eine möglichst gleiche, hohe Beugungseffizienz vorliegt, wobei gleichzeitig die Beugungseffizienz zum Rand des Einkoppelabschnitts hin gleichmäßig abnimmt.The use of a supergaussian course can ensure that the same, high diffraction efficiency is present in a wide area of the coupling-in section, with the diffraction efficiency decreasing evenly towards the edge of the coupling-in section at the same time.
In einer weiteren Ausgestaltung ist die diffraktive Einkoppelstruktur als Reliefgitter ausgestaltet. Reliefgitter lassen sich besonders einfach fertigen, wodurch die Herstellung des Wellenleiters günstiger sein kann. In ähnlicher Form kann auch die Auskoppelstruktur als Reliefgitter ausgestaltet sein. Die Einkoppelstruktur und die Auskoppelstruktur können in diesem Fall auch als Einkoppelreliefgitter bzw. Auskoppelreliefgitter bezeichnet werden.In a further embodiment, the diffractive coupling structure is designed as a relief grating. Relief gratings can be manufactured particularly easily, which means that the manufacture of the waveguide can be cheaper. In a similar form, the coupling-out structure can also be designed as a relief grating. The coupling-in structure and the coupling-out structure can in this case also be referred to as coupling-in relief grating or coupling-out relief grating.
Zur Realisierung der abbildenden Wirkung der diffraktiven Einkoppelstruktur kann die Gitterperiode über den Einkoppelabschnitt geringfügig, aber stetig variieren.To realize the imaging effect of the diffractive coupling structure, the grating period can vary slightly but continuously over the coupling section.
In einem Ausführungsbeispiel führt eine zum Rand hin abnehmende Profiltiefe des Einkoppelgitters zu der zum Rand hin abnehmenden Beugungseffizienz. Die Profiltiefe des Einkoppelreliefgitters kann während der Herstellung des Reliefgitters einfach beeinflusst werden.In one embodiment, a profile depth of the coupling-in grating that decreases towards the edge leads to the diffraction efficiency that decreases towards the edge. The profile depth of the coupling relief grating can be easily influenced during the production of the relief grating.
Alternativ oder ergänzend kann auch eine zum Rand hin sich ändernde Profilform des Einkoppelreliefgitters zu der zum Rand hin abnehmenden Beugungseffizienz führen. Mit einer sich ändernden Profilform kann ggf. die Beugung von Strahlung, die vom zu detektierenden Objekt kommt, allerdings nichts senkrecht auf die Vorderseite des Basiskörpers trifft, günstig beeinflusst werden.Alternatively or in addition, a profile shape of the coupling relief grating that changes towards the edge can also lead to the diffraction efficiency decreasing towards the edge. With a changing profile shape, the diffraction of radiation that comes from the object to be detected, but which does not strike the front of the base body perpendicularly, can be favorably influenced.
Das Einkoppelreliefgitter kann insbesondere ein Blazegitter umfassen. In dem Fall kann eine sich zum Rand hin verändernde Steigung des Blazegitters zu der zum Rand hin abnehmenden Beugungseffizienz führen.The coupling-in relief grating can in particular comprise a blaze grating. In this case, a gradient of the blaze grating that changes towards the edge can lead to the diffraction efficiency decreasing towards the edge.
Grundsätzlich denkbar ist es ebenfalls, die diffraktive Einkoppelstruktur als reflektives oder transmissives Volumenhologramm auszubilden. Eine zum Rand hin abnehmende Beugungseffizienz kann dann durch eine zum Rand hin abnehmende Modulation der Brechzahl erzielt werden. Alternativ oder ergänzend könnte in dem Fall auch eine Schichtdicke des Volumenhologramms variiert werden. Die Verwendung eines Materials für das transmissive Volumenhologramm, welches eine ähnlich hohe Brechzahl wie der Wellenleiter aufweist, kann dabei zu einem hohen Anteil des gebeugten Teils, der als eingekoppelte Strahlung im Basiskörper propagiert, führen.In principle, it is also conceivable to design the diffractive coupling structure as a reflective or transmissive volume hologram. A diffraction efficiency that decreases towards the edge can then be achieved by modulation of the refractive index that decreases towards the edge. As an alternative or in addition, a layer thickness of the volume hologram could also be varied in this case. The use of a material for the transmissive volume hologram which has a similarly high refractive index as the waveguide can lead to a high proportion of the diffracted part, which propagates as coupled radiation in the base body.
Die diffraktive Einkoppelstruktur und/oder die Auskoppelstruktur können als im Basiskörper vergrabene diffraktive Einkoppelstruktur bzw. Auskoppelstruktur ausgebildet sein. Als fertigungstechnisch besonders günstig erweist sich die Ausbildung der diffraktiven Einkoppelstruktur und/oder der Auskoppelstruktur an bzw. in einer Oberfläche des Basiskörpers. Vorteilhafterweise kann die diffraktive Einkoppelstruktur als Einkoppelreliefgitter an der Rückseite des Basiskörpers ausgebildet sein und/oder die Auskuppelstruktur als Auskoppelreliefgitter an der Vorderseite des Basiskörpers. Bevorzugt ist das Einkoppelreliefgitter und/oder das Auskoppelreliefgitter direkt im hochbrechenden Material des Basiskörpers eingebracht und nicht als gesonderte auf dem Basiskörper aufgebrachte Polymerschicht, in welche das Reliefgitter abgeformt ist. Dies kann die Anzahl der für die Herstellung des Wellenleiters notwendigen Prozessschritte verringern helfen. Darüber hinaus können an Grenzflächen zwischen verschiedenen Materialien fast unvermeidlich entstehende Strahlungsverluste vermieden werden.The diffractive coupling-in structure and / or the coupling-out structure can be designed as a diffractive coupling-in structure or coupling-out structure buried in the base body. The formation of the diffractive coupling-in structure and / or the coupling-out structure on or in a surface of the base body has proven to be particularly advantageous in terms of production technology. The diffractive coupling-in structure can advantageously be designed as a coupling-in relief grating on the rear side of the base body and / or the coupling-out structure as a coupling-out relief grating on the front side of the base body. The coupling-in relief grating and / or the coupling-out relief grating is preferably incorporated directly in the high-index material of the base body and not as a separate polymer layer applied to the base body, in which the relief grating is molded. This can help reduce the number of process steps required to manufacture the waveguide. In addition, almost inevitable radiation losses can be avoided at interfaces between different materials.
Der Basiskörper kann auf seiner Rückseite wenigstens im Einkoppelabschnitt mit einer Einkoppelbeschichtung versehen sein, deren Material eine Brechzahl aufweist, die höher ist als die Brechzahl des Materials, aus dem der Basiskörper gefertigt ist. In dem Fall kann die Einkoppelbeschichtung insbesondere an einer Oberfläche des Einkoppelreliefgitters vorgesehen sein. Die Einkoppelbeschichtung kann die Beugungseffizienz weiter erhöhen. Als Material für die Einkoppelbeschichtung kommt insbesondere Titandioxid in Betracht. Dieses Material kann besonders einfach auf einen Basiskörper aufgebracht werden und weist eine hohe Brechzahl auf.The base body can be provided with a coupling-in coating on its rear side, at least in the coupling-in section, the material of which has a refractive index that is higher than the refractive index of the material from which the base body is made. In that case, the coupling-in coating can be provided in particular on a surface of the coupling-in relief grating. The coupling coating can further increase the diffraction efficiency. Titanium dioxide, in particular, comes into consideration as the material for the coupling-in coating. This material can be applied particularly easily to a base body and has a high refractive index.
Im Einkoppelabschnitt kann die Schichtdicke der Einkoppelbeschichtung variieren, um zu der zum Rand des Einkoppelabschnitts hin abnehmenden Beugungseffizienz zu führen. In Bereichen mit dünnerer Beschichtung kann die Beugungseffizienz abnehmen.In the coupling-in section, the layer thickness of the coupling-in coating can vary in order to lead to the diffraction efficiency decreasing towards the edge of the coupling-in section. Diffraction efficiency may decrease in areas with a thinner coating.
Bei der Einkoppelbeschichtung kann es sich insbesondere um eine aufgedampfte Schicht handeln.The coupling-in coating can in particular be a vapor-deposited layer.
In einer weiteren Ausgestaltung ist der Basiskörper auf seiner Vorderseite wenigstens im Auskoppelbereich mit einer Auskoppelbeschichtung versehen. Die Auskoppelbeschichtung kann es ermöglichen, dass fast die gesamte eingekoppelte Strahlung ausgekoppelt wird. Die Auskoppelbeschichtung kann insbesondere eine Metallbeschichtung, vorzugsweise eine Aluminiumbeschichtung sein. Um die mechanische und chemische Beständigkeit der Metallbeschichtung zu erhöhen, kann die Metallbeschichtung auf der dem Basiskörper abgewandten Seite noch mit einer dielektrischen Schutzschicht versehen sein.In a further embodiment, the base body is provided with a coupling-out coating on its front side, at least in the coupling-out area. The coupling-out coating can make it possible for almost all of the coupled-in radiation to be coupled out. The coupling-out coating can in particular be a metal coating, preferably an aluminum coating. In order to increase the mechanical and chemical resistance of the metal coating, the metal coating can also be provided with a dielectric protective layer on the side facing away from the base body.
In einer anderen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Basiskörper aus einem Polymer mit einer Brechzahl größer oder gleich 1,50, insbesondere größer oder gleich 1,60, insbesondere größer oder gleich 1,74 gefertigt ist. Die Brechzahlen beziehen sich dabei auf eine Wellenlänge von 546,07 nm (e-Linie). Bei anderen Wellenlängen können sich leicht andere Brechzahlen ergeben.Another embodiment provides that the base body is made from a polymer with a refractive index greater than or equal to 1.50, in particular greater than or equal to 1.60, in particular greater than or equal to 1.74. The refractive indices relate to a wavelength of 546.07 nm (e-line). At other wavelengths, different refractive indices may arise.
Solche Polymere sind auch unter dem Begriff High-Refractive-Index-Polymer (HRIP) bekannt. Der Basiskörper kann insbesondere aus einem Episulfidharz hergestellt sein. Beispielsweise kann der Basiskörper aus einem Material hergestellt sein, welches von dem Unternehmen Mitsui Chemicals, Inc. mit der Bezeichnung MR-174® vertrieben wird.Such polymers are also known under the term high refractive index polymer (HRIP). The base body can in particular be made from an episulfide resin. For example, the base body can be made from a material sold by Mitsui Chemicals, Inc. under the designation MR-174®.
Im Unterschied zu der Verwendung von Glas für den Basiskörper erlaubt es die Wahl eines Polymers, einen leichteren Basiskörper bereitzustellen. Dieser eignet sich folglich auch besser für die Verwendung in einer mobilen Vorrichtung zur Bildwiedergabe.In contrast to the use of glass for the base body, the choice of a polymer makes it possible to provide a lighter base body. This is consequently also better suited for use in a mobile device for displaying images.
Grundsätzlich wünschenswert ist weiter ein möglichst großer Winkelbereich, in welchem Totalreflexionsbedingungen im Basiskörper erfüllt sind, um mittels der Einkoppelstruktur vom Objekt kommende Strahlung in einem großen Winkelbereich einkoppeln zu können. Die Verwendung eines Polymers mit einer Brechzahl größer 1,6 für den Basiskörper, kann es erlauben, vor und hinter dem Basiskörper, sich an den Basiskörper anschließend ein nicht gasförmiges Material zu wählen, ohne dass die Totalreflexionsbedingungen zerstört werden. Dies kann den strukturellen Aufbau des Wellenleiters weiter vereinfachen.In principle, it is also desirable to have the largest possible angular range in which total reflection conditions are met in the base body in order to be able to couple radiation coming from the object in a large angular range by means of the coupling structure. The use of a polymer with a refractive index greater than 1.6 for the base body can make it possible to choose a non-gaseous material in front of and behind the base body, following the base body, without the total reflection conditions being destroyed. This can further simplify the structural design of the waveguide.
Bei der Verwendung eines Polymer mit einer Brechzahl größer 1,74 für den Basiskörper kann auch bei einem sich an den Basiskörper anschließenden nicht gasförmigen Material ein Winkelbereich für Totalreflexion erzielt werden, der fast demjenigen der Materialfolge Luft-Glas-Luft entspricht. Typischerweise kann in mobilen Vorrichtungen zur Bildwiedergabe nur schlecht ein Luftspalt vor dem Basiskörper realisiert werden, da vor dem Wellenleiter regelmäßig noch ein Berührungssensor, z.B. ein Touchpad, angeordnet ist. Beim Berühren des Berührungssensors wird eine Kraft auf den Berührungssensor ausgeübt, die vom Luftspalt nicht abgeleitet werden kann. Dementsprechend muss der Berührungssensor sehr robust und somit schwer gestaltet werden, sodass auftretende Kräfte über Ränder des Berührungssensors abgeleitet werden können. Der voran stehendbeschriebene Wellenleiter erlaubt somit die Herstellung einer leichteren mobilen Vorrichtung zur Bildwiedergabe, die einen Berührungssensor umfasst.When using a polymer with a refractive index greater than 1.74 for the base body, even with a non-gaseous material adjoining the base body, an angular range for total reflection can be achieved which almost corresponds to that of the material sequence air-glass-air. Typically, an air gap in front of the base body is difficult to implement in mobile devices for image reproduction, since a touch sensor, e.g. a touchpad, is regularly arranged in front of the waveguide. When the touch sensor is touched, a force is exerted on the touch sensor that cannot be derived from the air gap. Accordingly, the touch sensor must be designed to be very robust and therefore heavy, so that forces that occur can be diverted via the edges of the touch sensor. The above-described waveguide thus allows the manufacture of a lighter mobile device for image display that includes a touch sensor.
Das Einkoppelreliefgitter und/oder das Auskoppelreliefgitter können durch ein Umformen des Basiskörpers im Basiskörper hergestellt sein. Beispielsweise können das Einkoppelreliefgitter und/oder das Auskoppelreliefgitter durch Heißprägen in den Basiskörpers eingebracht sein. Dies kann sehr einfach mittels eines Stempels, der eine zum Einkoppelreliefgitter bzw. Auskoppelreliefgitter komplementäre Oberflächenstruktur aufweist, bewerkstelligt werden. Als Ausgangsmaterial kann in dem Fall ein plattenförmiger Basiskörper aus einem hochbrechenden Polymer verwendet werden, der einfach und in hoher Qualität mit einer gleichmäßig vorliegenden hohen Transparenz gefertigt werden kann. Im Unterschied zu einem aus Glas hergestellten Basiskörper kann in einen aus einem hochbrechenden Polymer gefertigten Basiskörper leicht ein Einkoppelreliefgitter eingeprägt werden.The coupling relief grating and / or the decoupling relief grating can be formed by reshaping the Base body be made in the base body. For example, the coupling-in relief grating and / or the coupling-out relief grating can be introduced into the base body by hot stamping. This can be accomplished very easily by means of a stamp which has a surface structure that is complementary to the coupling-in relief grating or the coupling-out relief grating. In this case, a plate-shaped base body made of a high-index polymer can be used as the starting material, which can be manufactured simply and in high quality with a uniformly high transparency. In contrast to a base body made of glass, a coupling relief grating can easily be embossed into a base body made of a high-index polymer.
Ebenso ist es vorstellbar das Einkoppelreliefgitter und/oder das Auskoppelreliefgitter durch wenigstens einen Ätzprozess in den Basiskörper einzubringen. Hierzu kann zuerst eine Maske auf dem Basiskörper aufgebracht werden, anschließend über einen, insbesondere gerichteten, Ätzprozess (z.B. Sputtern) Material des Basiskörpers zur Herstellung des Einkoppelreliefgitters bzw. Auskoppelreliefgitters entfernt werden und abschließend die Ätzmaske entfernt werden.It is also conceivable to introduce the coupling-in relief grating and / or the coupling-out relief grating into the base body by at least one etching process. For this purpose, a mask can first be applied to the base body, then via an in particular directed etching process (e.g. sputtering), material of the base body for producing the coupling relief grating or decoupling relief grating can be removed and finally the etching mask can be removed.
Zur Verfügung gestellt werden muss in dem Fall nur ein plattenförmiges Material für den Basiskörper.In this case, only a plate-shaped material has to be made available for the base body.
Alternativ kann der Basiskörper zusammen mit dem Einkoppelreliefgitter und/oder mit dem Auskoppelreliefgitter durch Umformen hergestellt sein. Beispielsweise kann der Basiskörper mit dem Einkoppelreliefgitter und/oder mit dem Auskoppelreliefgitter durch Spritzguss hergestellt sein. Das Einkoppelreliefgitter oder das Auskoppelreliefgitter können dabei durch einen Einsatz der Form ausgebildet werden, der eine zum Einkoppelreliefgitter bzw. Auskoppelreliefgitter komplementäre Oberflächenstruktur aufweist.Alternatively, the base body can be produced together with the coupling-in relief grating and / or with the coupling-out relief grating by reshaping. For example, the base body with the coupling-in relief grating and / or with the coupling-out relief grating can be produced by injection molding. The coupling-in relief grating or the coupling-out relief grating can be formed by an insert of the shape which has a surface structure that is complementary to the coupling-in relief grating or the coupling-out relief grating.
Es ist auch denkbar, beispielsweise das Auskoppelreliefgitter beim Urformen des Basiskörpers auszubilden und das Einkoppelreliefgitter anschließend durch Umformen des Basiskörpers. Ebenso kann beim Urformen des Basiskörpers zunächst das Einkoppelreliefgitter hergestellt werden und anschließend der vorgefertigte Basiskörper durch Umformen mit dem Auskoppelgitter versehen werden.It is also conceivable, for example, to form the decoupling relief grating when the base body is originally formed and the coupling relief grating then by reshaping the base body. Likewise, when the base body is originally formed, the coupling-in relief grating can first be produced and then the prefabricated base body can be provided with the coupling-out grating by reshaping.
Nach einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass auf der Rückseite des Basiskörpers und/oder der Einkoppelbeschichtung ein Rückseitenklebeschichtverbund mit wenigstens einer ersten Rückseitenklebeschicht angeordnet ist, und dass die erste Rückseitenklebeschicht auf der dem Basiskörpers zugewandten Seite des Rückseitenklebeschichtverbunds angeordnet ist. Der Rückseitenklebeschichtverbund kann dabei auch nur aus der ersten Rückseitenklebeschicht bestehen.According to a further embodiment it is provided that a rear side adhesive layer composite with at least one first rear side adhesive layer is arranged on the rear side of the base body and / or the coupling coating, and that the first rear side adhesive layer is arranged on the side of the rear side adhesive layer composite facing the base body. The rear side adhesive layer composite can also consist only of the first rear side adhesive layer.
Die erste Rückseitenklebeschicht kann aus einem Material mit einer Brechzahl kleiner oder gleich 1,329, insbesondere kleiner oder gleich 1,324, bevorzugt kleiner oder gleich 1,319 hergestellt sein, um die der eingekoppelten Strahlung im Basiskörper zu verbessern.The first adhesive backing layer can be made from a material with a refractive index less than or equal to 1.329, in particular less than or equal to 1.324, preferably less than or equal to 1.319, in order to improve that of the radiation coupled into the base body.
Weiter kann der Rückseitenklebeschichtverbund eine zweite Rückseitenklebeschicht aufweisen, wobei die zweite Rückseitenklebeschicht auf der dem Basiskörper abgewandten Seite der ersten Rückseitenklebeschicht angeordnet ist, und wobei die zweite Rückseitenklebeschicht aus einem Material mit einer Brechzahl hergestellt ist, die größer ist als die Brechzahl des Materials, aus dem die erste Rückseitenklebeschicht hergestellt ist.Furthermore, the rear side adhesive layer composite can have a second rear side adhesive layer, wherein the second rear side adhesive layer is arranged on the side of the first rear side adhesive layer facing away from the base body, and wherein the second rear side adhesive layer is made of a material with a refractive index that is greater than the refractive index of the material from which the first adhesive backing layer is made.
Die zweite Rückseitenklebeschicht kann insbesondere zur Verbindung des Wellenleiters mit einem weiteren Element dienen und dabei Spannungen aufgrund eines unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der ersten Rückseitenklebeschicht und des weiteren Elements ausgleichen.The second rear side adhesive layer can in particular serve to connect the waveguide to a further element and thereby compensate for stresses due to a different coefficient of thermal expansion of the first rear side adhesive layer and the further element.
Die erste Rückseitenklebeschicht kann aus einem flüssig mit dem Basiskörper und/oder der Einkoppelbeschichtung in Kontakt gekommenen Klebstoff gefertigt sein. Beispielsweise kann der Klebstoff einfach auf den vorgefertigten Basiskörper aufgetragen werden und anschließend beispielsweise durch UV-Strahlung oder Wärme ausgehärtet werden. Dies kann insbesondere geschehen, nachdem der Wellenleiter mit dem noch flüssigen Klebstoff mit dem weiteren Element verbunden worden ist. Alternativ kann auch ein flüssiger Klebstoff vorgesehen sein, der nach einer gewissen Zeit selbst aushärtet. Solche Klebstoffe können beispielsweise ZweiKomponenten-Klebstoffe umfassen.The first adhesive backing layer can be made from an adhesive that has come into liquid contact with the base body and / or the coupling coating. For example, the adhesive can simply be applied to the prefabricated base body and then cured, for example by UV radiation or heat. This can happen in particular after the waveguide has been connected to the further element with the still liquid adhesive. Alternatively, a liquid adhesive can also be provided which hardens itself after a certain time. Such adhesives can include, for example, two-part adhesives.
In einer anderen Ausgestaltung kann auch auf der Vorderseite des Basiskörpers ein Vorderseitenklebeschichtverbund angeordnet sein. Der Vorderseitenklebeschichtverbund kann ebenfalls eine erste Vorderseitenklebeschicht und/oder eine zweite Vorderseitenklebeschicht aufweisen. Insbesondere kann die erste Vorderseitenklebeschicht aus dem gleichen Material wie die erste Rückseitenklebeschicht und die zweite Vorderseitenklebeschicht aus dem gleichen Material wie die zweite Rückseitenklebeschicht gefertigt sein. Die erste Vorderseitenklebeschicht ist typischerweise ebenfalls an der dem Basiskörpers zugewandten Seite des Vorderseitenklebeschichtverbunds angeordnet. Der Vorderseitenklebeschichtverbund kann auch nur aus der ersten Vorderseitenklebeschicht bestehen.In another embodiment, a front side adhesive layer composite can also be arranged on the front side of the base body. The front-side adhesive layer composite can likewise have a first front-side adhesive layer and / or a second front-side adhesive layer. In particular, the first front-side adhesive layer can be made from the same material as the first rear-side adhesive layer and the second front-side adhesive layer can be made from the same material as the second rear-side adhesive layer. The first front-side adhesive layer is typically also arranged on the side of the front-side adhesive layer composite facing the base body. The front-side adhesive layer composite can also consist only of the first front-side adhesive layer.
Die erste Rückseitenklebeschicht und/oder die zweite Rückseitenklebeschicht kann insbesondere aus einem Polymer hergestellt sein, dass aus 1 bis 15 Gewichts-% aliphatischem Urethan-Acrylat und 85 bis 99 Gewichts-% Acryl-Monomer besteht. Beispiele für solche Polymere sind die unter der Bezeichnung Norland Optical Adhesive 1315 (Trade code: NOA 1315), Norland Optical Adhesive 132 (Trade code: NOA 132) und Norland Optical Adhesive 1327 (Trade code: NOA 1327) von der Firma Norland Products Inc. erhältlich.The first adhesive backing layer and / or the second adhesive backing layer can in particular be produced from a polymer that consists of 1 to 15% by weight of aliphatic urethane acrylate and 85 to 99% by weight of acrylic monomer. Examples of such polymers are those under the name Norland Optical Adhesive 1315 (trade code: NOA 1315), Norland Optical Adhesive 132 (trade code: NOA 132) and Norland Optical Adhesive 1327 (trade code: NOA 1327) from Norland Products Inc. available.
Weiter wird eine Vorrichtung zur Bildwiedergabe mit einem oben beschriebenen Wellenleiter vorgeschlagen, wobei die Vorrichtung ein Display mit einer Bildwiedergabefläche umfasst, wobei das Display mittels des Rückseitenklebeschichtverbunds mit dem Display verbunden ist, wobei der Auskoppelabschnitt außerhalb der Wiedergabefläche des Displays angeordnet ist, und wobei der Einkoppelabschnitt innerhalb der Bildwiedergabefläche des Displays angeordnet ist.A device for image reproduction with a waveguide as described above is also proposed, the device comprising a display with an image reproduction surface, the display being connected to the display by means of the rear adhesive layer composite, the coupling-out section being arranged outside the reproduction surface of the display, and the coupling-in section is arranged within the image reproduction area of the display.
Das Display kann insbesondere ein transmassives oder ein reflektives Display sein. Beispiele für die hier genannten in Betracht kommenden Displays sind LCD-Displays oder OLED-Displays.The display can in particular be a transmassive or a reflective display. Examples of the suitable displays mentioned here are LCD displays or OLED displays.
In einer Ausgestaltung der Vorrichtung zur Bildwiedergabe umfasst die Vorrichtung zur Bildwiedergabe eine außerhalb der Bildwiedergabefläche angeordnete Kamera, wobei die Kamera mindestens einen Sensor zum Erfassen der ausgekoppelten Strahlung aufweist. Beispielsweise kann die Kamera neben dem Display auf der Rückseite des Wellenleiters angebracht sein.In one embodiment of the device for image reproduction, the device for image reproduction comprises a camera arranged outside the image reproduction surface, the camera having at least one sensor for detecting the coupled-out radiation. For example, the camera can be attached next to the display on the back of the waveguide.
Der Sensor der Kamera kann zum Beispiel ein CMOS-Sensor oder ein CCD-Sensor sein. Weiter kann die Kamera ein Objektiv umfassen.The sensor of the camera can be, for example, a CMOS sensor or a CCD sensor. The camera can also include a lens.
Auf der Vorderseite und/oder der Rückseite des Wellenleiters kann außerhalb der Bildwiedergabefläche zwischen dem Display und dem Auskoppelabschnitt eine Strahlfalle angebracht sein. Die Strahlfalle kann das Risiko, dass Licht vom Display an den Sensor der Kamera gelangt minimieren.A beam trap can be attached to the front and / or the rear of the waveguide outside the image reproduction area between the display and the coupling-out section. The beam trap can minimize the risk of light from the display reaching the camera's sensor.
Die Vorrichtung zur Bildwiedergabe kann insbesondere ein Smartphone, ein Tablet-Computer, ein Desktop-Computer, ein Notebook-Computer, ein Bildtelefon oder ein Endgerät einer Gegensprechanlage sein.The device for displaying images can in particular be a smartphone, a tablet computer, a desktop computer, a notebook computer, a video telephone or a terminal device of an intercom system.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Von den Figuren zeigen:
-
1 und2 eine Seitenansicht einer Ausführungsform der Vorrichtung zur Bildwiedergabe; -
3 einen Transmissionsverlauf und einen Intensitätsverlauf um den Einkoppelabschnitt herum; -
4 Beugungseffizienzverläufe um den Einkoppelabschnitt herum.
-
1 and2 a side view of an embodiment of the device for image reproduction; -
3 a transmission curve and an intensity curve around the coupling section; -
4th Diffraction efficiency curves around the coupling section.
Außerhalb des Einkoppelabschnitts
Die diffraktive Einkoppelstruktur
Der Basiskörper
Weiter weist der Wellenleiter
Die diffraktive Einkoppelstruktur
Die Auskoppelstruktur
Das Weiterleiten eines Teils der vom Objekt
Auf der Rückseite
Der Wellenleiter
Die Verwendung einer ersten Rückseitenklebeschicht aus einem Material mit einer Brechzahl kleiner oder gleich 1,315 erlaubt in Kombination mit der Verwendung eines Materials für den Basiskörper
Weiter weist der Rückseitenklebeschichtverbund
Der Wellenleiter
Die Rückseite der Auskoppelstruktur
Auf der Vorderseite
Im vorliegenden Fall ist vor dem Vorderseitenklebeschichtverbund
Auf der Vorderseite und der Rückseite des Wellenleiters
Vom zu detektierenden Objekt, dem Betrachter
Das Verhältnis der Leistung der eingekoppelten Strahlung
In der
Im Unterschied zur
Die Wirkung der Einkoppelstruktur
Im Unterschied zur üblichen Optimierung eines Blazegitters im Hinblick auf eine maximale Effizienz in Bezug auf die Nutzbeugungsordnung, kann das als Blazegitter ausgestaltete Einkoppelreliefgitter
Das Verhältnis von der Differenz zwischen der vom Display kommenden Strahlung
Je größer der Anteil der eingekoppelten Strahlung
In dem das auf dem Display
In
In der
In der
Schaut der Betrachter
Im Randbereich des Einkoppelabschnitts
In der
Somit kann der Abschattungseffekt durch die diffraktive Einkopplungsstruktur
Im Ergebnis erlaubt es die vorgeschlagene Ausgestaltung der Vorrichtung zur Bildwiedergabe
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- WellenleiterWaveguide
- 1E1E
- EinkoppelabschnittCoupling section
- 1A1A
- AuskoppelabschnittDecoupling section
- 1R1R
- Rückseite des WellenleitersBack of the waveguide
- 1V1V
- Vorderseite des WellenleitersFront of the waveguide
- 22
- BasiskörperBase body
- 2V2V
- Vorderseite des BasiskörpersFront of the base body
- 2R2R
- Rückseite des BasiskörperBack of the base body
- 33
- diffraktive Einkoppelstruktur, Einkoppelreliefgitterdiffractive coupling structure, coupling relief grating
- 44th
- Auskoppelstruktur, AuskoppelreliefgitterOutcoupling structure, outcoupling relief grating
- 55
- EinkoppelbeschichtungCoupling coating
- 66th
- Objekt, BetrachterObject, viewer
- 77th
- AuskoppelbeschichtungOutcoupling coating
- 88th
- RückseitenklebeschichtverbundRear side adhesive layer composite
- 8181
- erste Rückseitenklebeschichtfirst backside adhesive layer
- 8282
- zweite Rückseitenklebeschichtsecond backside adhesive layer
- 99
- VorderseitenklebeschichtverbundFront side adhesive layer composite
- 9191
- erste Vorderseitenklebeschichtfirst front side adhesive layer
- 9292
- zweite Vorderseitenklebeschichtsecond front side adhesive layer
- 1010
- Vorrichtung zur Bildwiedergabe, SmartphoneDevice for displaying images, smartphone
- 1111
- DisplayDisplay
- 1212th
- Kameracamera
- 13,1713.17
- lichtabsorbierende Beschichtunglight absorbing coating
- 14,1514.15
- StrahlfalleRay trap
- 1616
- Berührungssensor Touch sensor
- SESE
- eingekoppelte Strahlungcoupled radiation
- SASA
- ausgekoppelte Strahlungcoupled radiation
- SOSO
-
vom Objekt
6 kommende Strahlungfrom the object6th coming radiation - SDSD
-
vom Display
11 abgestrahlte, vom Betrachter6 außerhalb des Einkoppelabschnitts1E wahrgenommene Strahlungfrom thedisplay 11 radiated from the viewer6th outside thecoupling section 1E perceived radiation - SHSH
-
vom Display
11 abgestrahlte, vom Betrachter6 innerhalb des Einkoppelabschnitts wahrgenommene Strahlungfrom thedisplay 11 radiated from the viewer6th radiation perceived within the coupling section
Claims (14)
Priority Applications (4)
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US17/764,847 US20220326427A1 (en) | 2019-09-30 | 2020-09-29 | Concealed grating structures |
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---|---|---|---|
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Family Applications (1)
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- 2019-09-30 DE DE102019126282.8A patent/DE102019126282A1/en active Pending
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