DE102019218438A1

DE102019218438A1 - Verfahren zum Erzeugen eines holographischen, optischen Elements

Info

Publication number: DE102019218438A1
Application number: DE102019218438.3A
Authority: DE
Inventors: Reinhold Fiess; Stefanie Hartmann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2019-11-28
Filing date: 2019-11-28
Publication date: 2021-06-02
Also published as: WO2021104828A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen eines holographisch, optischen Elements (13). Hierbei wird zunächst ein lichtdurchlässiges Trägersubstrat (6) und eine, auf einer Oberfläche des Trägersubstrats (6) angeordnete Schicht aus einem holographischen Material (8) bereitgestellt. Darauf folgend wird wenigstens ein Teilbereich (28) der Schicht aus dem holographischen Material (8) mit Lichtstrahlen (20, 21, 22, 23, 24, 25) wenigstens drei unterschiedlicher Wellenlängen derart belichtet, dass in dem wenigstens einen belichteten Teilbereich (28) der Schicht (8) abhängig von der Wellenlänge der Lichtstrahlen (20, 21, 22, 23, 24, 25) Hologrammstrukturen erzeugt werden. Bei dem Belichten des wenigstens einen Teilbereiches (28) der Schicht (8) wird ein Einstrahlwinkel (α1, α2, α3) eines jeweiligen Objektstrahls (20, 21, 22) der Lichtstrahlen (20, 21, 22, 23, 24, 25) unterschiedlicher Wellenlänge größer 50°, insbesondere zwischen 50° und 80°, gewählt. Der Einstrahlwinkel (α1, α2, α3) ist hierbei zwischen einer Flächennormalen (15) der Schicht aus dem holographischen Material (8) und dem Objektstrahl (20, 21, 22) eingeschlossen. Der wenigstens eine Teilbereich (29) der Schicht aus dem holographischen Material (8) wird zeitlich hintereinander mit den Lichtstrahlen (20, 21, 22, 23, 24, 25) unterschiedlicher Wellenlänge belichtet. Hierbei wird mit dem Lichtstrahl (20, 21, 22, 23, 24, 25) begonnen, welcher die größte Wellenlänge aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen eines holographischen, optischen Elements, sowie ein holographisches, optisches Element, welches beispielsweise als Teil eines Brillenglases einer Datenbrille oder als Streuscheibe in einer Anzeigevorrichtung verwendet werden kann.
Stand der Technik
Holographische, optische Elemente (HOE) sind in der Anwendung beispielsweise bei Head-up-Displays bekannt. Hierbei kann das Hologramm, wie beispielsweise in dem Dokument DE 10 2011 075 884 A1 beschrieben, zur Umlenkung des Lichts in der Instrumententafel des Fahrzeugs angeordnet sein. Als Träger des Hologramms kann hierbei beispielsweise ein Glaskörper genutzt werden.
Der Erfindung liegt davon ausgehend die Aufgabe zugrunde, ein holographisch, optisches Element zu entwickeln, welches für Umgebungslicht hochtransparent ausgebildet ist und somit auch für weitere Anwendungen, wie beispielsweise Datenbrillen oder Streuscheiben geeignet sein kann.
Offenbarung der Erfindung
Zur Lösung der Aufgabe wird ein Verfahren zum Erzeugen eines holographischen, optischen Elements vorgeschlagen, wobei das Verfahren die folgenden Verfahrensschritte aufweist. Zunächst wird ein lichtdurchlässiges Trägersubstrat und eine, auf einer äußeren Oberfläche des Trägersubstrats angeordnete Schicht aus einem holographischen Material bereitgestellt. Bei dem lichtdurchlässigen Trägersubstrat handelt es sich beispielsweise um eine Kunststofffolie (z.B. Polyamid oder Polycarbonat) und bei der Schicht aus einem holographischen Material handelt es sich beispielsweise um eine Photopolymerschicht. In einem folgenden Verfahrensschritt wird wenigstens ein Teilbereich der Schicht aus dem holographischen Material mit Lichtstrahlen wenigstens drei unterschiedlicher Wellenlängen derart belichtet, dass in dem wenigstens einen belichteten Teilbereich der Schicht aus dem holographischem Material abhängig von der Wellenlänge der Lichtstrahlen Hologrammstrukturen erzeugt werden. Solche Hologrammstrukturen entstehen durch Interferenz eines Objektsstrahls und eines Referenzstrahls, wobei diese beiden Lichtstrahlen kohärentes Licht gleicher Wellenlänge aufweisen. Somit entstehen in dem dargestellten Verfahren für jeden Lichtstrahl unterschiedlicher Wellenlänge zugeordnete Hologrammstrukturen. Die einbelichteten Interferenzstrukturen entsprechen Brechzahlunterschiede im holografischen Material. Durch Interferenz entstehende Volumenholgramme sind im Prinzip VolumenBragg-Gitter, die wellenlängenselektiv und winkelselektiv einfallendes Licht umlenken können. In dem dargestellten Verfahren wird bei dem Belichten des wenigstens einen Teilbereich der Schicht aus dem holographischen Material ein Einstrahlwinkel eines jeweiligen Objektstrahls der Lichtstrahlen unterschiedlicher Wellenlänge größer 50° gewählt. Insbesondere wird hierbei ein jeweiliger Einstrahlwinkel zwischen 50° und 80° gewählt. Der Einstrahlwinkel ist hierbei zwischen einer Flächennormalen der Schicht aus dem holographischen Material und dem Objektstrahl eingeschlossen. Bei dem dargestellten Verfahren wird der wenigstens eine Teilbereich der Schicht aus dem holographischen Material zeitlich hintereinander mit den Lichtstrahlen unterschiedlicher Wellenlänge belichtet. Hierbei wird mit dem Lichtstrahl begonnen, welcher in Bezug auf die Lichtstrahlen wenigstens drei unterschiedlicher Wellenlänge, die größte Wellenlänge aufweist. Bei der Aufnahme einer Hologrammstruktur entsteht unerwünschtes, kohärentes Störlicht (z.B. Streulicht, Mehrfachreflexionen) in unterschiedlichsten Richtungen an Streuzentren, die sich beispielsweise in dem Trägersubstrat befinden. Zusätzlich sind auch Mehrfachreflexionen an unterschiedlichen Schichtgrenzen möglich. Streulicht und Mehrfachreflexionen führen bei der Aufnahme zur Entstehung von Streulichthologrammen und diese wiederum zur Entstehung weiterer Reflexions- und/oder Transmissionshologramme. Insbesondere Photopolymere bilden während der Belichtung schon die optische Funktion aus, weil sich hier während des Belichtungsprozesses durch Vernetzungsprozesse schon die Brechzahl ändert. Das kohärente Störlicht führt damit zur Ausbildung von Streuhologrammen während des noch nicht abgeschlossenen Belichtungsprozesses. Diese Streuhologramme entstehen auch bei der Belichtung der Schicht aus dem holographischen Material mit zunächst dem Lichtstrahl größter Wellenlänge.
Jedoch können anschließend eingebrachte Lichtstrahlen mit kleinerer Wellenlänge an solchen Streuhologrammen entsprechend der Bragg-Gleichung $2 \times d \times c o s α - m \times λ$
schlechter bei großen Einfallswinkeln a abgelenkt werden und dann selbst wieder unerwünschte Hologramme bilden. In der dargestellten Formel entspricht d dem zuvor eingebrachten Gitterabstand im Interferenzgitter in der Schicht aus holographischen Material, α dem Einfallswinkel eines einfallenden Lichtstrahls und λ der Wellenlänge des einfallenden Lichts. Lichtstrahlen kleinerer Wellenlänge bräuchten entsprechend große Einfallswinkel, um an einem zuvor eingebrachten Streuhologramm abgelenkt zu werden (cosinus weist von 0° bis 90° fallende Werte auf). Somit wird die Anzahl von unerwünscht eingebrachten Hologrammen reduziert. Dies wiederum führt dazu, dass der Haze-Wert der Schicht aus dem holographischen Material reduziert wird, was wiederum dazu führt, dass die erzeugte Hologrammstruktur eine hohe Transparenz gegenüber Umgebungslicht aufweist. Bei Anwendungen des fertig erstellten holographischen optischen Elements, bei denen ein Laserbeam mit unterschiedlichen Farbspektren auf die erzeugten Hologrammstrukturen einfällt und nach dem Einfallen als paralleler Strahl mit gleichem Ausfallswinkel weiterlaufen soll, wird beim Erzeugen der Hologrammstrukturen der wenigstens eine Teilbereich mit unterschiedlichen Einfallswinkeln der jeweiligen Lichtstrahlen unterschiedlicher Wellenlänge belichtet.
Vorzugsweise wird die Schicht aus dem holographischen Material mit Lichtstrahlen roter, grüner und blauer Wellenlänge belichtet. Hierbei wird die Schicht zunächst mit rot, dann mit grün und zuletzt mit blauem Licht belichtet. Solch ein Farbspektrum im Sehbereich eines Menschen wird beispielsweise in der Anwendung von Datenbrillen und/oder Streuscheiben verwendet. Diese Reihenfolge von Belichtung führt bei großen Einfallswinkeln entsprechend der zuvor beschriebenen Beziehung zu einer Minimierung von unerwünscht in die Schicht aus holographischem Material eingebrachten Hologrammen.
Bevorzugt wird eine Einstrahlleistung der Lichtstrahlen unterschiedlicher Wellenlänge abhängig von einer Größe der Wellenlänge der Lichtstrahlen gewählt. Die Schicht aus dem holographischen Material weist für Licht unterschiedlicher Wellenlänge eine unterschiedliche Empfindlichkeit auf. So benötigt beispielsweise blaues Licht bei einem Photopolymer als Schicht aus dem holographischen Material eine wesentlich höhere Einstrahlleistung, um in der Schicht Hologramme mit derselben Effizienz zu erzeugen, wie rotes Licht. Insbesondere wird in diesem Zusammenhang eine viermal so hohe Einstrahlleistung bei blauem Licht und bei grünem Licht eine doppelt so hohe Einstrahlleistung, wie gegenüber dem roten Licht gewählt.
Vorzugsweise wird eine zeitliche Dauer der Belichtung der Schicht aus dem holographischen Material mittels der Lichtstrahlen unterschiedlicher Wellenlänge abhängig von einer Größe der Wellenlänge der einfallenden Lichtstrahlen gewählt. Auch hier spielt die unterschiedliche Empfindlichkeit der Schicht aus dem holographischen Material auf Licht unterschiedlicher Wellenlänge eine Rolle. Beispielsweise benötigt eine Photopolymerschicht eine kürzere Belichtungsdauer mit rotem Licht gegenüber einer Belichtungsdauer mit grünem Licht, um eine vergleichbare Effizienz der Photopolymerschicht zu erhalten.
Bevorzugt wird zur Erzeugung der Hologrammstrukturen in dem wenigstens einen Teilbereich, die Schicht aus dem holographischen Material von einer ersten Seite, insbesondere von einer Rückseite, mittels eines Objektstrahls und von einer zweiten Seite, insbesondere einer Vorderseite, mittels eines Referenzstrahls belichtet. Somit werden Reflexionshologramme in der Schicht erzeugt, welche in der Anwendung beispielsweise bei Datenbrillen oder reflektive Streuscheiben verwendet werden.
Vorzugsweise wird die Schicht aus dem holographischen Material zur Erzeugung von Hologrammen vollständig entlang einer Längsachse der Schicht aus holographischen Material mittels der Lichtstrahlen unterschiedlicher Wellenlängen belichtet. Somit können Hologrammstrukturen vollständig entlang der Längsachse der Schicht aus dem holographischen Material entstehen und das holographische optische Element die optische Funktion vollständig entlang dieser Längsachse erfüllen.
Bevorzugt wird die Schicht aus holographischen Material entlang der Längsachse der Schicht aus holographischen Materials mittels eines Laserscanners belichtet. Mittels eines Laserscanners lässt sich einfach die Einstrahlleistung der Lichtstrahlen und/oder die zeitliche Dauer der Einstrahlung steuern. Zusätzlich lassen sich mittels eines Laserscanners unterschiedliche Einfallswinkel der Lichtstrahlen unterschiedlicher Wellenlänge bei der Belichtung der Schicht aus dem holographischen Material einfach steuern und erzeugen.
Vorzugsweise wird zeitlich vor der Erzeugung der Hologrammstrukturen in der Schicht aus dem holographischen Material, diese Schicht mit inkohärentem Licht vorbelichtet. Somit können beispielsweise Photopolymere unempfindlicher gemacht werden und der Belichtungsschwellwert, bei der sich Hologramme ausbilden, erhöht werden. Damit bilden sich auch weniger Streuhologramme und störende weitere Mehrfachreflexions-Hologramme aus. Eine solche inkohärente Vorbelichtung wird insbesondere mittels einer Weißlichtquelle (z.B. Spektrum einer phosphor-konvertierten LED) durchgeführt. Hierbei ist darauf zu achten, dass ausreichend Wellenlängenanteile im sichtbaren Spektralbereich vorhanden sind. Diese Maßnahme kann dazu führen, dass eine Ausgangseffizienz der Hologrammstrukturen gesenkt wird. Ein entsprechender Kompromiss zwischen Unterdrückung von Störungen und erreichbarer Effizienz ist somit nötig. Effizienz (pro Wellenlänge bzw. pro Hologrammstruktur) beschreibt hier den an der Hologrammstruktur gebeugten Anteil des pro Wellenlänge eingestrahlten Lichts des Laserscanners bzw. der Rekonstruktionswellen. Für viele Anwendungen, insbesondere bei einer Datenbrille und/oder einer Streuscheibe sind jedoch Effizienzen von unter 40% ausreichend.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein holographisches optisches Element (HOE), welches insbesondere mittels des zuvor beschriebenen Verfahrens hergestellt ist. Das holographische optische Element weist hierbei wenigstens ein lichtdurchlässiges Trägersubstrat und eine, auf einer äußeren Oberfläche des Trägersubstrats angeordnete Schicht aus einem holographischen Material auf. In wenigstens einem Teilbereich der Schicht aus dem holographischem Material ist eine Mehrzahl, insbesondere wenigstens drei voneinander unterschiedliche, Hologrammstrukturen ausgebildet. Das holographische optische Element weist entlang einer Längsachse des holographischen optischen Elements einen Haze-Wert von kleiner 1,5% auf. Das bedeutet, dass das holographische optische Element entlang der Längsachse keinen Bereich aufweist, in der der Haze-Wert 1,5% oder größer ist. Dieser auch als Großwinkelstreuung bezeichnete Haze-Wert beschreibt, inwieweit Lichtstrahlen, welche aus der Umgebung in ein transparentes Medium einfallen, nach dem Durchgang in alle Richtungen gleichmäßig gestreut werden. ASTM D1003 definiert Haze als die Lichtmenge in Prozent, die im Mittel um mehr als 2,5° vom einfallenden Lichtstrahl abweicht. Je kleiner der Haze-Wert ist, desto transparenter und klarer wirkt die Oberfläche des Mediums für den Betrachter. Anders herum führt ein hoher Haze-Wert für den Betrachter zu einem milchigtrüben Erscheinungsbild der Oberfläche des Mediums. Ein hier festgestellter Haze-Wert von kleiner 1,5% führt zu einem hochtransparenten holographischen optischen Element für Umgebungslicht.
Vorzugsweise weist das lichtdurchlässige Trägersubstrat entlang einer Längsachse des lichtdurchlässigen Trägersubstrats einen Haze-Wert von kleiner 1% auf. Das Trägersubstrat kann in diesem Zusammenhang beispielsweise aus Dünnglas oder Polyamid ausgebildet sein. Ein Haze-Wert von kleiner 1% weist den Vorteil auf, dass bei der Aufnahme der Hologrammstrukturen Streulicht stark reduziert wird und der Haze-Wert von kleiner 1,5% des holographisch optischen Elements somit einfacher zu realisieren ist.
Bevorzugt weist die Schicht aus dem holographischen Material eine Schichtdicke in einem Bereich von 8-25 µm, insbesondere in einem Bereich von 15-17 µm, aufweist. Solche Schichtdicken haben sich insbesondere für die Anwendungen als zumindest Teil eines Brillenglases einer Datenbrille oder als reflektive Streuscheibe in einer Anzeigevorrichtung als vorteilhaft erwiesen. Zusätzlich hat diese gewählte Schichtdicke den Vorteil, dass hohe Effizienzen in roten, grünen und blauen Farbspektren erreicht werden können. Durch die erreichbare Winkel- und Wellenlängenselektivität, welche abhängig von der Schichtdicke ist, kann die Anzahl der Streuhologramme reduziert werden.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein wie zuvor beschriebenes holographisches optisches Element zur Verwendung als zumindest Teil eines Brillenglases einer Datenbrille. Das holographische optische Element ist hierzu beispielsweise auf das Brillenglas geklebt und ermöglicht es, mittels eines Mikro-Laserscanners erzeugte und auf das holographische optische Element einfallende Lichtstrahlen auf die Netzhaut des Brillenträgers zu projizieren.
Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung eine Verwendung des zuvor beschriebenen holographischen optischen Elements als Streuscheibe in einer Anzeigevorrichtung. In diesem Zusammenhang dient das holographische optische Element (HOE) als transparentes Streuelement, welches das Licht gezielt und effizient in eine definierte Richtung lenkt.
Figurenliste

1 zeigt ein Verfahren zum Erzeugen eines holographisch, optischen Elements.
2 zeigt die Erzeugung eines holographischen, optischen Elements.
3 zeigt eine Veränderung des Belichtungsschwellwerts bei einer inkohärenten Vorbelichtung einer Schicht aus einem holographischen Material
4 zeigt die unterschiedliche Empfindlichkeit eines Photopolymers auf Lichtstrahlen unterschiedlicher Wellenlänge.
5 zeigt die Verwendung eines holographischen optischen Elements in einer Datenbrille.
6a und 6b zeigen die Verwendung eines holographischen optischen Elements als Streuscheibe einer Anzeigevorrichtung eines Fahrzeugs.

Ausführungsbeispiele der Erfindung
1 zeigt ein Verfahren zum Erzeugen eines holographischen, optischen Elements in Form eines Flussdiagramms. Hierbei wird zunächst in einem Verfahrensschritt 2 ein lichtdurchlässiges Trägersubstrat und eine auf einer äußeren Oberfläche des Trägersubstrats angeordneten Schicht aus einem holographischen Material bereitgestellt. Bei der Schicht aus dem holographischen Material handelt es sich beispielsweise um eine Photopolymerschicht und bei dem lichtdurchlässigen Trägersubstrat handelt es sich beispielsweise um ein Dünnglas oder einen Kunststoff, wie Polyamid.
In einem auf den Verfahrensschritt 2 folgenden Verfahrensschritt 4 wird wenigstens ein Teilbereich der Schicht aus dem holographischen Material mit Lichtstrahlen wenigstens drei unterschiedlicher Wellenlängen derart belichtet, dass in dem wenigstens einen belichteten Teilbereich der Schicht aus dem holographischem Material abhängig von der Wellenlänge der Lichtstrahlen Hologrammstrukturen erzeugt werden. Hierbei wird bei dem Belichten des wenigstens einen Teilbereiches der Schicht aus dem holographischen Material ein Einstrahlwinkel eines jeweiligen Objektstrahls der Lichtstrahlen unterschiedlicher Wellenlänge größer 50°, insbesondere zwischen 50° und 80°, gewählt. Der Einstrahlwinkel ist hierbei zwischen einer Flächennormalen der Schicht aus dem holographischen Material und dem Objektstrahl eingeschlossen. Die Belichtung des wenigstens einen Teilbereiches der Schicht aus dem holographischen Material mittels der Lichtstrahlen unterschiedlicher Wellenlänge erfolgt sequentiell zeitlich hintereinander. In der Reihenfolge wird hierbei mit dem Lichtstrahl größter Wellenlänge begonnen.
Optional wird in Verfahrensschritt 2 der wenigstens eine Teilbereich der Schicht aus dem holographischen Material mit Lichtstrahlen roter, grüner und blauer Wellenlänge belichtet. Hierbei wird der wenigstens eine Teilbereich der Schicht zunächst mit Lichtstrahlen roter Wellenlänge, dann mit Lichtstrahlen grüner Wellenlänge und anschließend mit Lichtstrahlen blauer Wellenlänge belichtet.
Weiterhin optional wird in Verfahrensschritt 2 eine Einstrahlleistung der Lichtstrahlen unterschiedlicher Wellenlänge abhängig von einer Größe der Wellenlänge der Lichtstrahlen gewählt. Somit wird auf die unterschiedliche Sensibilität der Schicht aus dem holographischen Material auf Licht unterschiedlicher Wellenlänge reagiert. Insbesondere wird bei dem zuvor beschriebenen optionalen Verfahrensschritt viermal so hohe Einstrahlleistung bei blauem Licht und bei grünem Licht eine doppelt so hohe Einstrahlleistung, wie gegenüber dem roten Licht gewählt.
Weiterhin optional wird in Verfahrensschritt 2 eine zeitliche Dauer der Belichtung der Schicht aus dem holographischen Material mittels der Lichtstrahlen unterschiedlicher Wellenlänge abhängig von einer Größe der Wellenlänge der Lichtstrahlen gewählt. Auch hiermit wird auf die unterschiedliche Sensibilität der Schicht aus dem holographischen Material auf Licht unterschiedlicher Wellenlänge reagiert. Beispielsweise benötigt eine Photopolymerschicht eine kürzere Belichtungsdauer mit rotem Licht gegenüber einer Belichtungsdauer mit grünem Licht, um eine vergleichbare Effizienz der Photopolymerschicht zu erhalten.
Weiterhin optional wird zur Erzeugung der Hologrammstrukturen in dem wenigstens einen Teilbereich die Schicht aus dem holographischen Material von einer ersten Seite, insbesondere von einer Rückseite, mittels eines Objektstrahls und von einer zweiten Seite, insbesondere einer Vorderseite, mittels eines Referenzstrahls belichtet. So entstehen Reflexionshologramme als Hologrammstrukturen. Alternativ können Objektstrahlen und Referenzstrahlen auch von derselben Seite auf den wenigstens einen Teilbereich der Schicht aus dem holographischen Material einstrahlen und dort interferieren. So entstehen Transmissionshologramme als Hologrammstrukturen.
Weiterhin optional wird in Verfahrensschritt 2 zur Erzeugung der Hologrammstrukturen in der Schicht aus dem holographischen Material, die Schicht aus holographischen Material entlang deren Längsachse mittels eines Laserscanners belichtet.
In einem weiteren, auf den Verfahrensschritt 4 folgenden optionalen Verfahrensschritt 5 wird die Schicht aus dem holographischen Material zur Erzeugung von Hologrammstrukturen nicht nur in wenigstens einem Teilbereich, sondern vollständig entlang einer Längsachse der Schicht aus holographischen Material mittels der Lichtstrahlen unterschiedlicher Wellenlängen belichtet. Somit kann die optische Funktion des entstehenden holographischen, optischen Elements vollständig entlang der Längsachse der Schicht aus holographischen Material erfüllt werden.
In einem weiteren, auf den Verfahrensschritt 2 folgenden optionalen Verfahrensschritt 3 wird die Schicht aus dem holographischen Material zunächst mit inkohärentem Licht, insbesondere einer Weißlichtquelle, vorbelichtet.
2 zeigt schematisch die Erzeugung eines holographischen, optischen Elements 13. Die bereitgestellte Schicht aus einem holographischen Material 8 ist hierbei auf einer äußeren Oberfläche eines lichtdurchlässigen Trägersubstrats 6 angeordnet. Zur Fixierung ist das lichtdurchlässige Trägersubstrat 6 hierbei wiederum auf einer entspiegelten Glasplatte 7 angeordnet. Ein Teilbereich 28 der Schicht aus dem holographischen Material 8 wird in dieser Darstellung mit Lichtstrahlen roter Wellenlänge derart belichtet, dass in dem belichteten Teilbereich 28 der Schicht aus dem holographischem Material 8 Hologrammstrukturen für den roten Spektralbereich erzeugt werden. Hierzu werden in diesem Ausführungsbeispiel Lichtstrahlen roter Wellenlänge mittels eines Laserscanners 26 erzeugt und durch hier nicht dargestellte optische Elemente in einen Referenzstrahl 29b und einen Objektstrahl 29a aufgeteilt. Der Objektstrahl 29a fällt in unterschiedlichen Einfallswinkeln α₁, α₂ und α₃ auf eine Rückseite 18b der Schicht aus dem holographischen Material 8 ein und interferiert dort mit den zugehörigen Referenzstrahlen 23, 24 und 25, welche auf eine Vorderseite 18a der Schicht aus dem holographischen Material 8 einstrahlen. In diesem Ausführungsbeispiel interferiert der Objektstrahl 22 mit dem Einfallswinkel α₁ mit dem Referenzstrahl 23 in der Schicht aus dem holographischen Material 8 und erzeugt dort eine Hologrammstruktur. Außerdem interferiert der Objektstrahl 21 mit dem zugehörigen Einfallswinkel α₂ mit dem Referenzstrahl 24 und der Objektstrahl 20 mit dem zugehörigen Einfallswinkel α₃ interferiert mit dem zugehörigen Referenzstrahl 25. Somit werden in diesem Ausführungsbeispiel Reflexionshologramme als Hologrammstrukturen in die Schicht aus dem holographischen Material 8 eingebracht. Die Einfallswinkel α₁ bis α₃ sind hierbei zwischen einer Flächennormalen 15 der Schicht aus dem holographischen Material 8 und dem Objektstrahl 20, 21 und 23 eingeschlossen und sind in einem Bereich zwischen 50° und 80° gewählt. Bei der Aufnahme einer Hologrammstruktur entsteht unerwünschtes, kohärentes Störlicht 10, 11 und 12 in unterschiedlichsten Richtungen an Streuzentren, die sich beispielsweise in dem Trägersubstrat 8, entspiegelten Glasplatte 7 oder der Schicht aus dem holographischen Material 8 befinden. Dieses kohärente Störlicht 10, 11 und 12 aus Streulicht und Mehrfachreflexionen führt bei der Aufnahme der Hologrammstrukturen zur Entstehung von Streulichthologrammen und diese wiederum zur Entstehung weiterer Reflexions- und/oder Transmissionshologramme. Insbesondere die Schicht aus dem holographischen Material 8, beispielsweise eine Photopolymerschicht, bildet während der Belichtung schon die optische Funktion aus, da sich hier während des Belichtungsprozesses durch Vernetzungsprozesse schon die Brechzahl ändert. Das kohärente Störlicht 10, 11 und 12 führt damit zur Ausbildung von Streuhologrammen während des noch nicht abgeschlossenen Belichtungsprozesses. Diese Streuhologramme entstehen auch bei dem hier dargestellten Fall einer beginnenden Belichtung mit Lichtstrahlen roter Wellenlänge. Jedoch können anschließend eingebrachte Lichtstrahlen mit kleinerer Wellenlänge (beispielsweise grüne Lichtstrahlen zur Erzeugung von Hologrammstrukturen für den grünen Spektralbereich oder blaue Lichtstrahlen zur Erzeugung von Hologrammstrukturen für den blauen Spektralbereich) an solchen Streuhologrammen entsprechend der Bragg-Gleichung $2 \times d \times cos α= m \times λ$
schlechter bei großen Einfallswinkeln α abgelenkt werden und dann selbst wieder unerwünschte Hologramme bilden. Lichtstrahlen kleinerer Wellenlänge bräuchten entsprechend große Einfallswinkel, um an einem zuvor eingebrachten Streuhologramm abgelenkt zu werden (cosinus weist von 0° bis 90° fallende Werte auf). Somit führt eine beispielhafte Belichtungsreihenfolge von zunächst Lichtstrahlen roter Wellenlänge, dann Lichtstrahlen blauer Wellenläge und anschließend Lichtwellen grüner Wellenlänge zu einer Reduzierung von unerwünscht eingebrachten Hologrammen.
In diesem Ausführungsbeispiel weist das lichtdurchlässige Trägersubstrat 8 entlang einer Längsachse 16 des lichtdurchlässigen Trägersubstrats 8 einen Haze-Wert von kleiner 1% auf. Das Trägersubstrat 8 kann in diesem Zusammenhang beispielsweise aus Dünnglas oder Polyamid ausgebildet sein.
Weiterhin weist die Schicht aus dem holographischen Material 8 in diesem Ausführungsbeispiel eine Schichtdicke 9 von im Wesentlichen 16µm auf.
3 zeigt, wie sich der Belichtungsschwellwert einer Photopolymerschicht durch inkohärente Vorbelichtung verändert. Auf der Y-Achse 33 ist hierbei die Effizienz einer erzeugten Hologrammstruktur und auf der x-Achse 34 die Dosis (Bestrahlungsleistung oder Bestrahlungsenergie) zur Erzeugung von Hologrammstrukturen in der Photopolymerschicht dargestellt. Der Kurvenverlauf 31a zeigt den Fall einer Photopolymerschicht, bei der keine inkohärente Vorbelichtung stattgefunden hat. Hierbei ist lediglich eine geringe Bestrahlungsleistung notwendig, um den zugeordneten Belichtungsschwellwert 35a zu übersteigen und somit die Effizienz der erzeugten Hologrammstruktur zu erhöhen. Schon bei einer geringen kohärenten Vorbelichtung ist anhand des Kurvenverlaufs 31b erkennbar, wie die notwendige Bestrahlungsleistung zur Übersteigung des zweiten Belichtungsschwellenwertes 35b erhöht werden muss. Die stärkste Dosis einer inkohärenten Vorbelichtung ist anhand des Kurvenverlaufs 31c und dessen zugeordnetem Belichtungsschwellenwert 35c erkennbar. Durch inkohärente Vorbelichtung kann somit erreicht werden, dass weniger Streuhologramme und störende weitere Mehrfachreflexions-Hologramme während der Aufnahme der Hologrammstrukturen erzeugt werden. Eine solche inkohärente Vorbelichtung wird insbesondere mittels einer Weißlichtquelle (z.B. Spektrum einer phosphor-konvertierten LED) durchgeführt. Jedoch ist auch die Beziehung 32 zu erkennen, dass je größer die Dosis der inkohärenten Vorbelichtung ist, desto kleiner die zu erreichende Effizienz der Hologrammstrukturen in der Schicht aus dem holographischen Material ist. Ein entsprechender Kompromiss zwischen Unterdrückung von Störungen und erreichbarer Effizienz ist somit nötig. Für viele Anwendungen, insbesondere bei einer Datenbrille und/oder einer Streuscheibe sind jedoch Effizienzen von unter 40% ausreichend.
4 zeigt in einem Kurvenverlauf 40 die unterschiedliche Empfindlichkeit einer Photopolymerschicht auf Lichtstrahlen unterschiedlicher Wellenlänge. Auf der X-Achse 45 ist hierbei die Belichtungswellenlänge und auf der Y-Achse 46 die zu erreichende Effizienz einer erzeugten Hologrammstruktur bei gleicher Bestrahlungsdosis dargestellt. Bei der Photopolymerschicht ist die Empfindlichkeit im Bereich von Lichtstrahlen blauer Wellenlänge 41 deutlich kleiner als im Bereich von Lichtstrahlen grüner Wellenlänge 42. Am höchsten ist die Empfindlichkeit der Photopolymerschicht im Bereich von Lichtstrahlen roter Wellenlänge 43. Außerhalb des roten Bereichs 43 ist die Photopolymerschicht nicht mehr belichtbar. Daraus lässt sich ableiten, dass zur Erreichung derselben Effizienz der erzeugten Hologrammstrukturen die Bestrahlungsleistung und/oder Bestrahlungsdauer mit Lichtstrahlen blauer Wellenlänge deutlicher größer sein muss, als beispielsweise mit Lichtstrahlen roter Wellenlänge.
5 zeigt ein holographisches optisches Element 59 zur Verwendung als Teil eines Brillenglases 69 einer Datenbrille 50. Hierzu ist an einem Brillenbügel 53 ein Laserprojektor 54 angeordnet, welcher Lichtstrahlen 55a und 55b in Form von Laserstrahlen auf einen Mikrospiegel 60 aussendet. Der Mikrospiegel 61 wiederum ist dazu ausgebildet, um eine Drehachse 61 zu rotieren und die Lichtstrahlen 55a und 55b in unterschiedlichen Winkeln auf das holographische optische Element 59 umzulenken. Das holographische optische Element 59 weist hierbei ein lichtdurchlässiges Trägersubstrat 52 und eine, auf einer Oberfläche des Trägersubstrats 52 angeordnete Schicht aus einem holographischen Material 51 auf. Die Schicht aus dem holographischen Material 51 weist eine Mehrzahl von aufgenommenen Hologrammstrukturen auf, die dazu führen, dass einfallendes Licht 56a und 56b wellenlängenabhängig und winkelabhängig auf eine Retina 63 eines Betrachters projiziert wird. Somit kann dem Betrachter beispielsweise ein virtuelles Bild ins Auge projiziert werden. Das holographische optische Element 59 weist entlang dessen Längsachse 58 einen Haze-Wert von kleiner 1,5% auf. Somit ist das Brillenglas 69 für aus der Umgebung einfallendes Licht 67 hochtransparent und weist somit für den Betrachter eine klare Oberfläche auf.
Das lichtdurchlässige Trägersubstrat 52 weist in diesem Ausführungsbeispiel entlang einer Längsachse des lichtdurchlässigen Trägersubstrats 62 einen Haze-Wert von kleiner 1% auf. Die Schicht aus dem holographischen Material 51 kann in dieser Verwendung als Teil eines Brillenglases 69 eine Schichtdicke in einem Bereich von 8-25 µm, insbesondere in einem Bereich von 15-17 µm, aufweisen.
6b zeigt eine schematische Darstellung einer perspektivischen Ansicht einer Projektionsvorrichtung 81. Die Projektionsvorrichtung 81 kann gemäß 6a in einem Fahrzeug 83 angeordnet sein und weist einen Projektor 88 und eine Streuscheibe 80 als Anzeigefläche auf. Der Projektor 88 kann Lichtstrahlen 87 aussenden. Die Streuscheibe 80, welche auch als Projektionsfläche, Projection Screen bezeichnet werden kann, weist zumindest ein holographisches optisches Element 84 auf.
Das holographische optische Element 84 kann insbesondere holografischoptische Eigenschaften aufweisen zum Umlenken und/oder Streuen der Lichtstrahlen 87 in Abhängigkeit eines Einfallswinkels der Lichtstrahlen 87 auf das holographische optische Element 84. Die Projektionsvorrichtung 81 ist ausgebildet zu einer Anzeige zumindest einer Bilddarstellung für einen Betrachter 82 der Projektionsvorrichtung 81.
Der Projektor 88 und die Anzeigefläche 80 sind in der Art, insbesondere zueinander, angeordnet, dass die von dem Projektor 88 ausgesendeten Lichtstrahlen 87 für eine Bilddarstellung 85, beispielsweise eine reale Bilddarstellung 85, auf die Streuscheibe 80 geleitet werden. Mit anderen Worten werden die von dem Projektor 88 ausgesendeten Lichtstrahlen 87 in Richtung der Streuscheibe 80 geleitet, wodurch auf der Streuscheibe 80, insbesondere durch das holographische optische Element 84 eine Bilddarstellung 85 erzeugt wird. Beispielsweise können die Lichtstrahlen 87 an dem holographischen optischen Element der Streuscheibe 80 gebeugt und/oder umgelenkt und/oder reflektiert werden. Insbesondere können die Lichtstrahlen 87 durch das holographische optische Element 84 gleichzeitig umgelenkt und in einen definierten Winkelbereich gestreut werden. Hierdurch kann insbesondere für einen Betrachter der Streuscheibe 80 ein Bild, zum Beispiel ein reales Bild, auf der Streuscheibe 80 generiert werden.
Die holographische optische Element 84 weist insbesondere eine spezifische Abstrahlcharakteristik auf. Hierdurch ist das holographische optische Element 84 beispielsweise für einstrahlende Lichtstrahlen 87, welche von dem Projektor 88 ausgestrahlt werden und somit in einem definierten Winkel, insbesondere einem Einfallswinkel, auf die Streuscheibe 80 auftreffen, wirksam und für Lichtstrahlen welche aus einem anderen Einfallswinkel auf die Streuscheibe 80 als Anzeigefläche auftreffen und beispielsweise aus der Umgebung der Streuscheibe 80 kommen nicht wirksam. Hierdurch werden die Lichtstrahlen 87 des Projektors 88 insbesondere gestreut, reflektiert und/oder gebeugt. Die Streuung auf der Streuscheibe 80 kann dabei in einem definierten Bereich erfolgen, wodurch ein gestreuter Bildpunkt und in Summe eine Bilddarstellung sichtbar dargestellt werden können.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102011075884 A1 [0002]

Claims

Verfahren zum Erzeugen eines holographischen, optischen Elements (13, 59, 84), wobei das Verfahren die folgenden Verfahrensschritte aufweist: - Bereitstellen (2) eines lichtdurchlässigen Trägersubstrats (6, 52) und einer auf einer Oberfläche des Trägersubstrats (6, 52) angeordneten Schicht aus einem holographischen Material (8, 51), insbesondere einer Photopolymerschicht, und - Belichten (4) wenigstens eines Teilbereiches (28) der Schicht aus dem holographischen Material (8, 51) mit Lichtstrahlen (20, 21, 22, 23, 24, 25) wenigstens drei unterschiedlicher Wellenlängen derart, dass in dem wenigstens einen belichteten Teilbereich (28) der Schicht aus dem holographischem Material (8, 51) abhängig von der Wellenlänge der Lichtstrahlen (20, 21, 22, 23, 24, 25) Hologrammstrukturen erzeugt werden, wobei bei dem Belichten (4) des wenigstens einen Teilbereiches (28) der Schicht aus dem holographischen Material (8, 51) ein Einstrahlwinkel (α₁, α₂, α₃) eines jeweiligen Objektstrahls (20, 21, 22) der Lichtstrahlen (20, 21, 22, 23, 24, 25) unterschiedlicher Wellenlänge größer 50°, insbesondere zwischen 50° und 80°, gewählt wird, wobei der Einstrahlwinkel (α₁, α₂, α₃) zwischen einer Flächennormalen (15) der Schicht aus dem holographischen Material (8, 51) und dem Objektstrahl (20, 21, 22) eingeschlossen ist, wobei der wenigstens eine Teilbereich (28) der Schicht aus dem holographischen Material (8, 51) zeitlich hintereinander mit den Lichtstrahlen (20, 21, 22, 23, 24, 25) unterschiedlicher Wellenlänge belichtet wird, wobei mit dem Lichtstrahl (20, 21, 22, 23, 24, 25) begonnen wird, welcher die größte Wellenlänge aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht aus dem holographischen Material (8, 51) mit Lichtstrahlen (20, 21, 22, 23, 24, 25) roter, grüner und blauer Wellenlänge belichtet wird, wobei für die zeitlich hintereinander durchzuführende Belichtung die folgende Reihenfolge gewählt wird: rot, grün und blau.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einstrahlleistung der Lichtstrahlen (20, 21, 22, 23, 24, 25) unterschiedlicher Wellenlänge abhängig von einer Größe der Wellenlänge der Lichtstrahlen (20, 21, 22, 23, 24, 25) gewählt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine zeitliche Dauer der Belichtung (4) der Schicht aus dem holographischen Material (8, 51) mittels der Lichtstrahlen unterschiedlicher Wellenlänge abhängig von einer Größe der Wellenlänge der Lichtstrahlen (20, 21, 22, 23, 24, 25) gewählt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung der Hologrammstrukturen in dem wenigstens einen Teilbereich (28) die Schicht aus dem holographischen Material (8, 51) von einer ersten Seite, insbesondere von einer Rückseite (18b), mittels eines Objektstrahls (20, 21, 22) und von einer zweiten Seite, insbesondere einer Vorderseite (18a), mittels eines Referenzstrahls (23, 24, 25) belichtet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht aus dem holographischen Material (8, 51) zur Erzeugung von Hologrammstrukturen vollständig entlang einer Längsachse (16) der Schicht aus holographischen Material (8, 51) mittels der Lichtstrahlen (20, 21, 22, 23, 24, 25) unterschiedlicher Wellenlängen belichtet wird (5).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht aus dem holographischen Material (8, 51) entlang einer Längsachse (16) der Schicht aus holographischen Materials (8, 51) mittels eines Laserscanners (26) belichtet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zeitlich vor der Erzeugung der Hologrammstrukturen in der Schicht aus dem holographischen Material (8, 51), die Schicht (8, 51) mit inkohärentem Licht, insbesondere einer Weißlichtquelle, vorbelichtet wird (3).
Holographisches optisches Element (13, 59, 84), insbesondere hergestellt mittels eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, aufweisend wenigstens ein lichtdurchlässiges Trägersubstrat (6, 52) und eine, auf einer Oberfläche des Trägersubstrats (6, 52) angeordnete Schicht aus einem holographischen Material (8, 51), wobei in wenigstens einem Teilbereich (28) der Schicht aus dem holographischem Material (8, 51) eine Mehrzahl von Hologrammstrukturen ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass das holographische optische Element (8, 51) entlang einer Längsachse (58) des holographischen optischen Elements (13, 59, 84) einen Haze-Wert von kleiner 1,5% aufweist.
Holographisches optisches Element (13, 59, 84) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das lichtdurchlässige Trägersubstrat (6, 52) entlang einer Längsachse (62) des lichtdurchlässigen Trägersubstrats (6, 52) einen Haze-Wert von kleiner 1% aufweist.
Holographisches optisches Element (13, 59, 84) nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht aus dem holographischen Material (8, 51) eine Schichtdicke (9, 65) in einem Bereich von 8-25 µm, insbesondere in einem Bereich von 15-17 µm, aufweist.
Holographisches optisches Element (13, 59, 84) nach einem der Ansprüche 9 bis 11 zur Verwendung als zumindest Teil eines Brillenglases (69) einer Datenbrille (50).
Holographisches optisches Element (13, 59, 84) nach einem der Ansprüche 9 bis 12 zur Verwendung als Streuscheibe (80) in einer Anzeigevorrichtung.