DE102022101316A1

DE102022101316A1 - Haptisches Hologramm

Info

Publication number: DE102022101316A1
Application number: DE102022101316.2A
Authority: DE
Inventors: Martin Thom; Marc Junghans; Viktor Schütz; Siemen Kühl; Petr Vojtisek; Roman Kleindienst
Original assignee: Carl Zeiss Jena GmbH
Current assignee: Jenoptik AG
Priority date: 2022-01-20
Filing date: 2022-01-20
Publication date: 2023-07-20
Also published as: WO2023139205A1

Abstract

In einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung ein System zur Erzeugung einer haptischen Wahrnehmung und einer holographischen Abbildung. Das System umfasst eine Lichtquelle zur Emission von Licht sowie einen Grundkörper umfassend ein Substrat und mindestens ein holographisch-optisches Element. Die Lichtquelle und der Grundkörper umfassend das holographisch-optische Element sind dafür ausgelegt, eine holographische Abbildung in einem Interaktionsbereich zu erzeugen. Gleichzeitig umfasst das System einen oder mehrere Schallwandler für eine Emission von Schallwellen in Richtung des Interaktionsbereiches, sodass Druckschwankungen innerhalb des Interaktionsbereiches haptisch spürbar sind.Das System ist dadurch gekennzeichnet, dass sich das Substrat zwischen dem einen oder mehreren Schallwandlern und dem Interaktionsbereich befindet und Schallkanäle aufweist, welche als Öffnungen ausgebildet sind, durch die der Schall sich ausbreiten kann.In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung die Verwendung des erfindungsgemäßen Systems zur Erzeugung einer holographischen Abbildung und einer haptischen Wahrnehmung.

Description

In einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung ein System zur Erzeugung einer haptischen Wahrnehmung und einer holographischen Abbildung. Das System umfasst eine Lichtquelle zur Emission von Licht sowie einen Grundkörper umfassend ein Substrat und mindestens ein holographisch-optisches Element. Die Lichtquelle und der Grundkörper umfassend das holographisch-optische Element sind dafür ausgelegt, eine holographische Abbildung in einem Interaktionsbereich zu erzeugen. Gleichzeitig umfasst das System einen oder mehrere Schallwandler für eine Emission von Schallwellen in Richtung des Interaktionsbereiches, sodass Druckschwankungen innerhalb des Interaktionsbereiches haptisch spürbar sind.
Das System ist dadurch gekennzeichnet, dass sich das Substrat zwischen dem einen oder mehreren Schallwandlern und dem Interaktionsbereich befindet und Schallkanäle aufweist, welche als Öffnungen ausgebildet sind, durch die der Schall sich ausbreiten kann.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung die Verwendung des erfindungsgemäßen Systems zur Erzeugung einer holographischen Abbildung und einer haptischen Wahrnehmung.
Hintergrund und Stand der Technik
Die Holographie ist ein Teilgebiet der Optik, das sich mit der Herstellung und Konstruktion dreidimensionaler, reeller Bilder beschäftigt und als Erweiterung der Fotographie aufgefasst werden kann. Während eine fotographische Abbildung lediglich eine zweidimensionale Darstellung eines Objekts ist, führt die Holographie zu dreidimensionalen Aufnahmen. Hierbei kommt eine andersartige Aufnahme des Objektes zum Tragen. In der Fotographie zeigt ein Film beispielsweise eine Intensität des Lichts, das ihn an jedem Punkt erreicht. In der Holographie werden hingegen zusätzliche optische Informationen eines Objektes anhand der von dem Objekt ausgehenden Wellenfronten berücksichtigt, insbesondere durch die Amplitude und Phase. Weitere Informationen, welche in einer holographischen Aufnahme festgehalten werden können, betreffen das Farbspektrum und die Polarisation, wodurch sich die Vielfalt der gestalterischen Möglichkeit erhöht. Üblicherweise wird das aufgenommene Abbild als Hologramm bezeichnet, während eine auf Basis des Hologramms unter entsprechender Rekonstruktion erzeugte Abbildung als holographische Abbildung bezeichnet wird.
Eine technologische Erweiterung der Holographie sieht es vor, holographische Abbildungen frei im Raum zu erzeugen und darzustellen. Dabei werden meist holographisch erzeugte Mikrostrukturen verwendet, um das Licht eines bestimmten Wellenlängenspektrums oder bestimmter Einfallswinkel abzulenken. Für einen Betrachter können reale Objekte oder Animationen frei im Raum erscheinen. Man spricht dabei von reellen Abbildungen, die in einer holographischen Eyebox sichtbar sind. Im Vergleich zu einer zweidimensionalen Abbildung auf einem Display ist eine solche Darstellung vorteilhaft von verschiedenen Seiten sichtbar - der Betrachter kann also die holographische Abbildung aus unterschiedlichen Perspektiven betrachten, so dass ein wirklichkeitsgetreues Bild entsteht.
Es wäre vorteilhaft, wenn man derartige holographische Abbildungen zusätzlich im Raum haptisch ertasten, also „spüren“ könnte. Insbesondere im Rahmen von Bedienkonzepten (HMI) hätte dies den Vorteil, dass gleichzeitig mit der optischen Wahrnehmung ein taktiles Feedback ermöglicht würde. Denkbar wären beispielsweise holographische Bedienelemente (Tasten, Knöpfe etc.), welche nicht nur optisch dargestellt werden könnten, sondern gleichzeitig von einem Nutzer erspürt würden.
Im Stand der Technik ist es bekannt, zur Bereitstellung eines haptischen Feedbacks Ultraschallemitter einzusetzen, die mithilfe von Ultraschall spürbare Rückmeldungen an den Anwender ausgeben können. Hierzu können beispielsweise die Ultraschallsignale durch eine niedrige Frequenz amplitudenmoduliert werden und die Haut eines Anwenders treffen. Die Ultraschallsignale wirken als Druckschwankungen auf der Haut und sind haptisch wahrnehmbar.
Beispielsweise wird in der US 9,612,658 B2 eine Vorrichtung offenbart, um ein Schallfeld für taktile Empfindungen zu erzeugen. Dazu kann eine Hand eines Nutzers über einen Bildschirm gebracht werden, die eine taktiles Signal spüren soll. Unter dem Bildschirm wird ein Array von Ultraschallwandlern positioniert, welches das Schallfeld oberhalb des Bildschirms erzeugen soll. Mithilfe eines Handtrackers kann die Bewegung der Hand verfolgt werden, um an unterschiedlichen Bereichen ein entsprechendes Druckempfinden zu ermöglichen.
In der WO 2014/181084 A1 wird ebenfalls eine Vorrichtung offenbart, um ein Schallfeld durch ein Array von Ultraschallwandlern zu erzeugen. Dazu wird ein Verfahren vorgeschlagen, um Punkte in einem Schallfeld zu erzeugen, die eine feste räumliche Beziehung zueinander oder zum Array haben.
Zur Kombination von holographischen Abbildungen mit haptischen Rückmeldungen gibt es im Stand der Technik bisher nur vereinzelte Ansätze, insbesondere im Zusammenhang mit der Bereitstellung von Bedienelementen in Fahrzeugen.
Beispielsweise offenbart die DE 10 2016 214 478 A1 holographische Anzeige, die an einem Lenkrad eines Fahrzeuges angebracht ist. Eine haptische Rückmeldung für den Fall einer Bedienung der holographischen Anzeige kann mittels eines Ultraschallpulses erfolgen. Wird der Ultraschallpuls auf die durch den Anwender bediente Position innerhalb der holographischen Anzeige fokussiert, kann hierdurch eine haptische Rückmeldung an den Anwender erfolgen, welche das Vorhandensein einer realen Taste simulieren kann. Das Ultraschall-Array zur Erzeugung des Ultraschallpulses kann bspw. in der Lenksäule und/oder im Bereich des Armaturenbrettes angeordnet sein.
In der DE 2016210213 A1 wird ein Verfahren zur Interaktion von einem Insassen und Bedienelementen eines Fahrzeuges beschrieben. Dazu werden mittels einer Vielzahl von Ultraschallwandlern, welche in Form eines Arrays angeordnet sein können, haptisch erfahrbare Ultraschallpulse erzeugt, deren modulierte Einzelsignale sich auf einer Oberfläche eines virtuellen Gegenstandes konstruktiv überlagern. Der virtuelle Gegenstand kann beispielsweise eine Bedieneinrichtung darstellen. Auf diese Weise sollen im hochautomatisierten Fahrbetrieb Bediengesten für den Anwender frei im Raum ausgeführt und mit einer haptischen Wahrnehmung verbunden werden.
Die DE 102017211378 A1 offenbart eine Anwenderschnittstelle für ein Fahrzeug umfassend eine Anzeigenvorrichtung, die eine Holographie-Vorrichtung aufweist. Mit der Holographie-Vorrichtung wird eine Darstellung frei im Raum erzeugt, die als Hologramm bezeichnet wird. Die Anwenderschnittstelle kann eine Ultraschalllautsprecheranordnung aufweisen, um haptisch erfahrbare Ultraschallpulse auf der Haut des Anwenders zu erzeugen. Damit kann ein Anwender eine spürbare Anregung durch den Ultraschall bemerken, sodass bei Berührung des Hologramms ein haptisches Feedback resultiert. Der Anwender soll eine geringere Ablenkung erfahren, da er eine unmittelbare Rückmeldung durch die Interaktion mit dem Hologramm erhält.
Die bekannten Vorrichtungen und Verfahren des derzeitigen Standes der Technik zur haptischen Wahrnehmung einer holographischen Abbildung sind jedoch mit einigen Nachteilen verbunden.
Insbesondere ist die Integration der notwendigen Komponenten zur Bereitstellung einer taktilen Empfindung wie einer holographischen Abbildung in die jeweiligen Fahrzeugsysteme komplex, was sich nachteilig auf die Herstellungsaufwand wie die Steuerung auswirkt.
Weiterhin bestehen bei den bekannten Systeme Einschränkungen in der Nutzungsmöglichkeit, welche daraus resultieren, dass bestimmten Interaktionsgesten eine gleichzeitige haptische Empfindung und holographische Darstellung verhindern.
Aufgabe der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, ein System zur haptischen Wahrnehmung einer holographischen Abbildung bereitzustellen, welches die Nachteile des Standes der Technik beseitigt. Insbesondere ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein System zur haptischen Wahrnehmung von holographischen Abbildungen bereitzustellen, welches sich durch einen kompakten Aufbau, eine effiziente Erzeugung holographischer Abbildungen und haptischer Wahrnehmung mit vielfältigen Interaktionsmöglichkeiten mittels vorzugsweise einfachen und kostengünstigen Mitteln auszeichnet.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
In einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung ein System zur Erzeugung einer haptischen Wahrnehmung und einer holographischen Abbildung in einem Interaktionsbereich umfassend

a. eine Lichtquelle zur Emission von Licht
b. einen Grundkörper umfassend ein Substrat und mindestens ein holographisch-optisches Element, wobei die Lichtquelle und der Grundkörper dafür ausgelegt sind, eine holographische Abbildung in dem Interaktionsbereich zu erzeugen sowie
c. einen oder mehrere Schallwandler für eine Emission von Schallwellen in Richtung des Interaktionsbereiches, sodass Druckschwankungen innerhalb des Interaktionsbereiches haptisch spürbar sind,

Durch die Anordnung der Komponenten, insbesondere einer Platzierung des Substrates zwischen den Schallwandlern und dem Interaktionsbereich, wird ein besonders kompakter Aufbau des Systems ermöglicht. Beispielsweise können die Schallwandler unmittelbar hinter dem Grundkörper umfassend das holographisch-optische Element angeordnet vorliegen. Eine separate Integration der Komponenten in unterschiedliche Bereiche eines Anwendungssystems, wie beispielsweise in einem Fahrzeug, ist nicht notwendig.
Durch die Positionierung der Komponenten zur Erzeugung der holographischen Abbildung und haptischen Wahrnehmung auf einer optischen und akustischen Achse können zudem nachteilige Verschattungseffekte vermieden werden, bei denen beispielsweise während der Ausführung einer Bediengeste in dem Interaktionsbereich die Erzeugung der holographischen Abbildung oder haptischen Wahrnehmung beeinträchtigt wird. Stattdessen erfolgt sowohl die Lichtausbreitung zur Erzeugung einer holographischen Abbildung als auch die Schallausbreitung zur Erzeugung einer haptischen Wahrnehmung im Interaktionsbereich ausgehend von dem Substrat bzw. Grundkörper.
Ein Zugriff auf den Interaktionsbereich ist vorteilhaft aus jeder Richtung vor dem Grundkörper bzw. Substrat möglich, ohne dass es zu etwaigen Beeinträchtigungen der Qualität der holographischen Abbildung oder haptischen Wahrnehmung kommt.
Die Bereitstellung der Schallwandler aus Sicht des Interaktionsbereiches hinter dem Grundkörper bzw. Substrat führt hierbei zu keiner Schwächung der haptischen Erfahrung. Vielmehr wird durch die erfindungsgemäßen Schallkanäle sichergestellt, dass die Schallwellen, welche von einem oder mehreren Schallwandlern emittiert werden, weitestgehend ohne Verzerrung oder Abschwächung sich in Richtung der holographischen Abbildung ausbreiten, sodass eine optimale haptische Erfassung dieser ermöglicht wird. Insbesondere werden vorteilhaft die Schallwellen besonders effizient genutzt, da eine Behinderung der Ausbreitung der Schallwellen durch die Schallkanäle verhindert wird.
In Bezug auf das Substrat besteht durch die Bereitstellung der Schallwellen zudem eine hohe gestalterische Freiheit. Insbesondere können Materialien, wie optische Gläser oder Kunststoff zum Einsatz kommen, welche für eine Lichtleitung zur Erzeugung holographischer Abbildungen optimiert sind, aber eine Schallausbreitung verhindern können. Auch kann für das Substrat ein durchaus beliebig robuster Aufbau gewählt werden, ohne dass es zu empfindlichen Druck- und/oder Intensitätsverlusten der Schallwellen und mithin einer Verminderung einer haptischen Wahrnehmung kommt. Stattdessen kann es bevorzugt sein, entsprechende Schallkanäle in Substrate je nach optischen Anforderungen optimierter Geometrie und/oder Dimensionierung einzulassen, ohne Qualitätsverluste in Bezug auf eine gleichzeitige haptische Erfahrung hinnehmen zu müssen.
Weiterhin ist es von Vorteil, dass mittels des erfindungsgemäßen Systems besonders gezielt und präzise Druckmaxima und Druckminima im Interaktionsbereich erzeugt werden können. So kann bevorzugt mithilfe einer entsprechenden Positionierung der Schallkanäle durch Interferenzen ein gewünschter Druck an bestimmten Arealen des Interaktionsbereiches gewährleistet werden. Die Anordnung der Schallkanäle selbst kann mithin zur gewünschten Ausbildung von konstruktiven und destruktiven Interferenzen genutzt werden, um Druckschwankungen für eine haptische Wahrnehmbarkeit einer holographischen Abbildung zu erzeugen.
Das erfindungsgemäße System hat sich als besonders vorteilhaft im Bereich der Mensch-Maschinen-Interaktion (englisch: human machine interaction, kurz HMI) erwiesen. So werden durch Schallwellen, die sich bevorzugt in Richtung der holographischen Abbildung ausbreiten, besonders effektiv Informationen in Form einer haptischen Rückmeldung übermittelt. Die Kombination mit einer holographischen Abbildung erlaubt hierbei eine Vielzahl an Informationen bereitzustellen. Vorteilhaft kann durch das haptische Feedback die Bedienung sicher und effizienter ausgestaltet werden. Beispielsweise kann eine Bedienung mindestens teilweise ohne Blickkontakt erfolgen, da Nutzer ein Feedback über die Bedienung und/oder das Bedienelement durch den Tastsinn erfährt. Dies erhöht insbesondere die Sicherheit, beispielsweise bei der Nutzung eines Fortbewegungsmittels, wie z. B. ein Auto.
Vorteilhaft ist das erfindungsgemäße System zudem besonders einfach, kompakt und kostengünstig bereitzustellen.
Im Sinne der Erfindung bezeichnet eine holographische Abbildung bevorzugt eine optische Abbildung, welche mit Hilfe eines holographisch-optischen Elements erzeugt wird. Hierbei kann es sich um beliebige Inhalte handeln, beispielsweise Informationen, Animationen oder eine Projektion eines Objektes oder Bedienelementes. In bevorzugten Ausführungsformen kann die holographische Abbildung eine dreidimensionale Projektion eines Objektes sein, die sich frei im Raum, insbesondere im Interaktionsbereich, befindet. Die holographische Abbildung kann statisch oder dynamisch ein Objekt darstellen. In weiteren Ausführungsformen kann die holographische Abbildung an einer Projektionsfläche erzeugt werden, wobei die Projektionsfläche eine transparente, eine teiltransparente oder eine nicht-transparente Oberfläche sein kann. Die holographische Abbildung kann beispielsweise ein Bedienfeld, einen Steuerknüppel, eine Tastatur und/oder einen Trackball darstellen, ohne auf diese Beispiele beschränkt zu sein.
Im Allgemeinen bezeichnet eine haptische Wahrnehmung bevorzugt das aktive Erfassen der Größe, Kontur, Textur, Temperatur und/oder Masse eines Objekts mit Hilfe der Oberflächensensibilität der Haut, während eine taktile Wahrnehmung eine passive Wahrnehmung mechanischer Reize betrifft. Die Oberflächensensibilität der Haut bezeichnet vorzugsweise die durch Rezeptoren vermittelte Sensibilität der Haut gegenüber äußeren Reizen. Sie umfasst insbesondere das Berührungsempfinden, das unter anderem durch Mechanorezeptoren bereitgestellt wird. In bevorzugten Ausführungsformen kann die haptische Wahrnehmung ein Ertasten einer reellen holographischen Abbildung, beispielsweise deren Konturen, umfassen. Es kann aber ebenso bevorzugt sein, dass lediglich in räumlicher Nähe zur wahrnehmbaren holographischen Abbildung lokale Druckschwankungen für eine haptische/taktile Wahrnehmung erzeugt werden. Beispielsweise kann es bevorzugt sein, eine holographische Abbildung auf einem Schirm zu projizieren und oberhalb des Schirmes haptische Wahrnehmungen zu erzeugen, welche mit den auf dem Schirm projizierten optischen Inhalten korrespondieren (beispielsweise mit Bedienfeldern).
Die Formulierungen „haptische Wahrnehmung“, „taktile Wahrnehmung“ „haptisches Feedback“, „haptische Empfindung“, „haptisches Signal“ und/oder „Haptik“ können im Kontext der Erfindung synonym verwendet werden und bezeichnen insbesondere die Wahrnehmungen, welche durch (Ultraschall-)Druckschwankungen in der Luft vermittelt werden können.
Vorzugsweise bezeichnet der Interaktionsbereich einen räumlichen Bereich, in dem eine holographische Abbildung von einem Nutzer optisch wahrgenommen und gleichzeitig eine haptische/taktile Wahrnehmung ermöglicht wird. Vorzugsweise kann der Interaktionsbereich erweitert oder verkleinert werden durch jeweilige Anordnungen von Komponenten des Systems und/oder vorgenommenen Einstellungen. Beispielsweise ist es bekannt, dass die Intensität des Schalls mit dem Quadrat des Abstandes abnimmt. So kann beispielsweise die Erhöhung der Intensität der Schallwandler den Interaktionsbereich vergrößern. Auch bestimmte Anordnungen der Schallkanäle können den Interaktionsbereich erweitern. Entsprechend kann durch eine Umkehrung der Interaktionsbereich verkleinert werden. Auch kann durch eine Positionierung der Lichtquelle und/oder der holographisch-optischen Elemente der Interaktionsbereich vergrößert oder verkleinert werden.
In weiteren bevorzugten Ausführungsformen kann der Interaktionsbereich eine Eyebox umfassen. Bevorzugt bezeichnet die Eyebox eine Ebene oder einen Raumbereich, in welchem die holographische Abbildung für einen Betrachter oder Anwender als virtuelles Bild wahrnehmbar ist. Die virtuelle Bildebene, also die Ebene, auf der das virtuelle Bild erzeugt wird, kann auf oder hinter einer Projektionsoberfläche angeordnet sein.
Eine Lichtquelle umfasst alle Arten von Leuchtmitteln, mit der elektrische Energie in Licht umgewandelt wird. Die Lichtquelle ist bevorzugt dazu konfiguriert, Licht in Richtung des Grundkörpers zu emittieren. Der Grundkörper und die Lichtquelle sind insbesondere dazu ausgelegt, die holographische Abbildung zu erzeugen. Bevorzugt erfolgt die Bereitstellung der holographischen Abbildung durch mindestens ein holographisch-optisches Element.
So kann das Licht ausgehend von der Lichtquelle einen Lichteintrittsbereich treffen. Der Lichteintrittsbereich bezeichnet bevorzugt einen Bereich am Substrat, in dem das Licht in das Substrat eintritt. Zur Erzeugung der holographischen Abbildung tritt das Licht an einem Lichtaustrittsbereich wieder heraus. Analog zum Lichteintrittsbereich bezeichnet der Lichtaustrittsbereich einen Bereich des Substrats, aus dem das Licht zur Erzeugung einer holographischen Abbildung austritt.
Im Sinne der Erfindung bezeichnet ein holographisch-optisches Element (abgekürzt mit HOE) bevorzugt eine Komponente, die durch Methoden der Holographie bereitgestellt wurde und eine optische Funktion erfüllt. In bevorzugten Ausführungsformen ist das mindestens eine holographisch-optische Element ein Hologramm, das eine bestimmte optische Funktion realisiert. Durch das mindestens eine holographisch-optische Element wird somit der Strahlengang des auf das Grundkörper eintreffende Licht beeinflusst. Eine optische Funktion kann beispielsweise eine Transmission, Reflexion, Beugung, Streuung und/oder Ablenkung von Licht sein. Vorteilhaft sind holographisch-optische Elemente kostengünstig in der Produktion. Zudem sind holographisch-optische Elemente robust, weisen eine geringe Anfälligkeit für Störungen auf und sind langzeitstabil. Weiterhin zeichnet sich das mindestens eine holographisch-optische Element dadurch aus, dass sie besonders flach ausgestaltet werden kann und somit äußerst wenig Platz beansprucht.
Das mindestens eine holographisch-optische Element ist bevorzugt zur Erfüllung einer optischen Funktion für eine Mehrzahl an Wellenlängen ausgelegt. Hierzu können beispielsweise mehrere Hologramme, die z. B. jeweils Licht einer Wellenlänge beugen und/oder Multiplex-Hologramme, die Licht mehrerer Wellenlängen beugen, als Hologramm-Stacks angeordnet sein.
Vorzugsweise wird die holographische Abbildung vor dem Grundkörper erzeugt. Die Formulierung „vor“ meint bevorzugt ein Bereich umfassend den Interaktionsbereich. Bevorzugt liegen hinter dem Substrat die Schallwandler vor. Die Formulierung „hinter“ meint bevorzugt eine Positionierung in einem Bereich, in dem sich die Schallwandler befinden. Diese Bereiche können auch durch die Begriffe „Vorderbereich“ und „Hinterbereich“ im erfindungsgemäßen Kontext beschrieben werden. Insbesondere befindet sich der Interaktionsbereich vor dem Substrat. Der Vorder- und Hinterbereich werden vorzugsweise durch den Grundkörper voneinander getrennt.
In bevorzugten Ausführungsformen kann sich die Lichtquelle vor dem Substrat befinden, sodass das Licht ausgehend von dem Vorderbereich auf oder in den Grundkörper gelangt. Befindet sich die Lichtquelle vor dem Substrat, kann es bevorzugt sein, dass das mindestens eine holographisch-optische Element ein Reflexionshologramm umfasst, welches von vorne einfallende Lichtstrahlen zur Erzeugung einer holographischen Abbildung in einen vorderen Bereich reflektiert. Ebenso kann es bevorzugt sein, dass das mindestens eine holographisch-optische Element ein Transmissionshologramm umfasst, wobei Lichtstrahlen aus einer Raumrichtung von vorne zunächst ungebeugt durch das Transmissionshologramm transmittieren. Die Lichtstrahlen können vorzugsweise im Substrat oder an einem weiteren Reflexionshologramm reflektiert werden und im Anschluss von hinten auf das Transmissionshologramm treffen. Verschiedene Kombinationen von Reflexions- und/oder Transmissionshologrammen sind denkbar und können in dem erfindungsgemäßen Aufbau zum Einsatz kommen.
In bevorzugten Ausführungsformen kann sich die Lichtquelle hinter dem Substrat befinden, sodass das Licht ausgehend von dem Hinterbereich auf oder in den Grundkörper gelangt. Ist die Lichtquelle hinter dem Grundsubstrat positioniert ist, kann es bevorzugt sein, dass das mindestens eine holographisch-optische Element ein Transmissionshologramm umfasst, welches von hinten einfallende Lichtstrahlen zur Erzeugung einer holographischen Abbildung in einen vorderen Bereich transmittiert. Ebenso kann es bevorzugt sein, dass das mindestens eine holographisch-optische Element ein Reflexionshologramm umfasst, wobei vorzugsweise Lichtstrahlen aus einer Raumrichtung von hinten zunächst ungebeugt durch das Reflexionshologramm transmittieren. Das Licht kann im Substrat oder von einem weiteren Reflexionshologram zurückreflektiert und anschließend aus einer Richtung von vorne auf das Reflexionshologramm geführt werden. Verschiedene Kombination von Reflexions- und/oder Transmissionshologrammen sind denkbar und können in dem erfindungsgemäßen Aufbau zum Einsatz kommen.
Weiterhin kann es bevorzugt sein, dass die Lichtquelle derart angeordnet ist, dass Lichtstrahlen auf eine Kante des Grundsubstrats emittiert, was einer Edgelit-Konfiguration entspricht. Auch im Falle einer Edgelit-Konfiguration kann es bevorzugt sein, dass Transmissionshologramme, Reflexionshologramme oder eine Kombination von Transmissions- und Reflexionshologrammen zum Einsatz kommen.
Weiterhin kann das mindestens ein holographisch-optisches Element an einer Oberfläche des Substrats verbunden sein. Die Verbindung kann beispielsweise durch eine Beklebung und/oder eine Laminierung ermöglicht werden. Darüber hinaus ist es bevorzugt, dass das mindestens eine holographisch-optische Element als Folie mit dem Substrat verbunden wird. Die Folie kann beispielsweise auch nur im Bereich eines Lichteintrittsbereiches und/oder Lichtaustrittsbereiches mit dem Substrat verbunden werden. In alternativen Ausführungsformen kann eine im Wesentlichen ganzflächige Verbindung zwischen dem mindestens einen holographisch-optischen Element in Form mindestens einer Folie und dem Substrat vorliegen.
Insbesondere ist mindestens ein holographisch-optisches Element dazu eingerichtet, den Strahlengang des Lichtes zu verändern, beispielsweise durch Beugung, Reflexion, Transmission und/oder Brechung. In bevorzugten Ausführungsformen umfasst das mindestens eine holographisch-optische Element ein Hologramm. Statt durch die geometrische Form eines transmittierenden oder reflektierenden Objektes, wie z. B. bei Linsen oder Spiegeln, verändert das mindestens eine holographisch-optische Elemente das Licht im Strahlengang bevorzugt durch die im Hologramm gespeicherte Information, beispielsweise als Veränderung des Brechungsindex. Die verwendeten Hologramme für das mindestens eine holographisch-optische Element sind bevorzugt dabei nicht als Abbildungen von realen Objekten produziert, sondern vorzugsweise als Überlagerung verschiedener ebener oder sphärischer Lichtwellen, deren Interferenzmuster einen gewünschten optischen Effekt bewirkt.
Vorzugsweise umfasst das mindestens eine holographisch-optische Element ein oder eine Mehrzahl an Hologrammen. Dabei ist bevorzugt jedes Hologramm mit mindestens einer festgelegten Wellenlänge aufgenommen. Ein holographisch-optisches Element kann zum Beispiel mehrere Hologramme umfassen, welche als Stapel aufeinander angeordnet sein können. Beispielsweise kann ein holographisch-optisches Element eine Anzahl, vorzugsweise eine Mehrzahl, monochromatischer Hologramme aufweisen. Alternativ dazu kann ein holographisch-optisches Element mindestens ein Hologramm umfassen, welches mit mindestens zwei festgelegten Wellenlängen aufgenommen ist. Vorzugsweise ist ein solches Hologramm mit drei unterschiedlichen Wellenlängen eines festgelegten Farbraums aufgenommen, beispielsweise als RGB-Hologramm oder CMY-Hologramm oder als aus einer Anzahl an einzelnen Wellenlängen eines anderen Farbraums gebildetes Hologramm ausgestaltet. In den genannten Beispielen steht R für Rot, G für Gelb, B für Blau, C für Cyan, M für Magenta und Y für Yellow bzw. Gelb.
Vorzugsweise umfasst das mindestens eine holographisch-optische Element ein Material ausgewählt aus einer Gruppe umfassend fotosensitive Gläser, Dichromat-Gelatinen, Fotopolymere, Polycarbonat und/oder Triacetat. Insbesondere können diese Materialien auf eine Folie angebracht werden und/oder von der Folie selbst gebildet oder bereitgestellt werden.
Der Grundkörper umfasst bevorzugt das Substrat und das mindestens eine holographisch-optische Element. Das Substrat kann beispielsweise eine kreisrunde oder quadratische Scheibe sein, die einer Dicke im Zentimeter, Millimeter oder Submillimeter-Bereich aufweisen kann. Das mindestens eine holographisch-optische Element ist bevorzugt an einer Oberfläche des Substrats, d. h. auf einer Vorder- und/oder Rückseite verbunden oder innerhalb des Substrats eingebettet. Die Vorder- und Rückseite des Grundkörpers können als plane Flächen ausgebildet sein. So kann der Grundkörper beispielsweise als planparallele Platte oder Scheibe ausgebildet sein. Es ist jedoch auch möglich, dass die Vorderseite und/oder die Rückseite gekrümmt ausgebildet sind. Der Grundkörper kann Glas und/oder Kunststoff umfassen. Weiterhin kann der Grundkörper einstückig sein oder einen mehrschichtigen Aufbau aufweisen. Ebenfalls kann der Grundkörper transparent oder teiltransparent sein. Insbesondere kann das Substrat ebenfalls transparent oder teiltransparent ausgebildet sein. Bevorzugt kann der transparente oder teiltransparente Grundkörper und/oder Substrat für Licht der Lichtquelle durchlässig sein.
Im Sinne der Erfindung bezeichnet ein Schallwandler bevorzugt eine Vorrichtung, die insbesondere ein elektrisches Signal in akustische Signale umwandelt. Ein akustisches Signal bezeichnet insbesondere die kontrollierte Emission von Schallwellen. Somit dient der Schallwandler im erfindungsgemäßen Kontext als Schallquelle.
Ein Schallkanal bezeichnet im Sinne der Erfindung insbesondere eine Öffnung im Substrat, sodass sich Schall in Richtung der holographischen Abbildung im Interaktionsbereich ausbreiten kann. Der Schallkanal bzw. die Öffnung erstreckt sich vorzugsweise von einer Rückseite bis zu einer Vorderseite vollständig oder bevorzugt mindestens über eine Länge von mehr 50%, 60 %, 70%, 80%, 90% oder mehr der Dicke des Substrates. Die Öffnung ist durch die Abwesenheit des Substratmaterials gekennzeichnet. Die Öffnung kann im Wesentlichen luftgefüllt sein. Ebenso kann es auch bevorzugt sein, ein anderes - vorzugsweise schallleitendes - Medium - in die Öffnung zur Ausbildung des Schallkanals zu geben.
Vorteilhafterweise ist ein Schalldruck, insbesondere Schwankungen hinsichtlich des Schalldruckes, im Interaktionsbereich ertastbar, sodass vorteilhaft die holographische Abbildung haptisch wahrnehmbar ist. Durch die Anordnung, die Anzahl, die Form und/oder die Größe der Öffnungen kann je nach Anwendungsfall die haptische Wahrnehmung der holographischen Abbildung angepasst werden.
Vorteilhafterweise kann die Schallausbreitung zur Erzeugung der haptischen Wahrnehmung und die Lichtausbreitung zur Erzeugung der holographischen Abbildung entlang einer optischen bzw. akustischen Achse erfolgen.
Im Stand der Technik ist eine solche Anordnung nicht bekannt, da optische Komponenten eine ungünstige Durchlässigkeit hinsichtlich Schall, insbesondere Ultraschall, aufweisen. Beispielsweise ist Glas und/oder Kunststoff als Material für das Substrat im Wesentlichen intransparent für Schallwellen, wodurch eine kompakte Anordnung der Schallwandler hinter einem Substrat auf der optischen Achse nicht ohne nachteilige Auswirkungen auf die haptische Wahrnehmung umsetzbar schien.
Hingegen wurde von den Erfindern erkannt, dass durch eine Bereitstellung von Schallkanälen im Substrat der Schall, bevorzugt Ultraschall, vorteilhaft unverzerrt durch denselben (optischen) Substrat zur Erzeugung einer holographischen Abbildung geleitet werden kann.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das System dadurch gekennzeichnet, dass das System dazu ausgelegt ist, die holographische Abbildung durch ein Transmissionshologramm und/oder ein Reflexionshologramm zu erzeugen.
Bevorzugt umfasst dazu das mindestens eine holographisch-optische Element ein Reflexions- und/oder Transmissionshologramm. Vorzugsweise erfüllt das mindestens eine holographisch-optische Element eine optische Funktion, beispielsweise eine Transmission und/oder eine Reflexion. Vorteilhaft kann somit eine Vielzahl von geometrischen Anordnungen der Komponenten Lichtquelle, Grundkörper und Schallwandler ermöglicht werden, um die holographische Abbildung und insbesondere auch die haptische Wahrnehmung in dem Interaktionsbereich zu erzeugen. Vorteilhaft kann somit auch der Interaktionsbereich reguliert und je nach Anwendungsfall und Bebauungsraum optimiert werden. So kann sich vorteilhafterweise ein Nutzer sich an einer Mehrzahl von Positionen befinden und gleichzeitig die holographische Abbildung optisch und haptisch erfassen.
Die Bezeichnung der Hologrammart, die das mindestens eine holographisch-optische Element umfasst, gibt vorzugsweise Hinweis auf die optische Funktion, die erfüllt wird und auf die Anordnung der Systemkomponenten zur Rekonstruktion der Hologramme.
Reflexionshologramme sind reflektive Hologramme, welche das von der Lichtquelle eintreffende Licht reflektieren und somit wie ein Spiegel wirken. Die Lichtquelle kann sich im Falle eines Reflexionshologramms vor oder hinter dem Substrat befinden. Beispielsweise kann es bevorzugt sein, dass sich die Lichtquelle vor dem Substrat befindet und aus dieser Raumrichtung von vorne auf das Reflexionshologramm emittiert. Bei dem Einsatz eines Reflexionshologramms können mithin der Lichteintrittsbereich und der Lichtaustrittsbereich identisch sein, d. h. die Lichtstrahlen treffen durch den Lichteintrittsbereich auf das Reflexionshologramm, werden von diesem reflektiert und treten durch denselben Bereich aus, um die holographische Abbildung darzustellen. Ebenso kann es bevorzugt sein, dass sich die Lichtquelle hinter dem Substrat befindet und aus dieser Raumrichtung zunächst durch das Reflexionshologramm ungebeugt transmittiert. Das Licht kann vorzugsweise im Substrat oder an einem weiteren Reflexionshologramm reflektiert werden und anschließend aus einer Richtung von vorne auf das Reflexionshologramm auftreffen.
Vorteilhaft akzeptiert das Reflexionshologram für eine definierte Wellenlänge ein breiteres Winkelspektrum mit einer hohen Effizienz und einer höheren Wellenlängenselektivität. Dadurch können die Farben trotz eines breiten Einfallswinkelspektrums voneinander getrennt werden. Insbesondere kann vorteilhaft ein großes Sichtfeld für die holographische Abbildung bei gleichzeitig hoher Einstrahleffizienz realisiert werden.
In einigen Ausführungsformen kann es bevorzugt sein, zwei Reflexionshologramme hintereinander im Strahlengang anzuordnen, wobei die Lichtquelle vorzugsweise sich hinter dem Substrat befindet. Das erste Reflexionshologramm lässt die Lichtwellen der Lichtquelle im Wesentlichen ungebeugt auf ein dahinterliegendes zweites Reflexionshologramme hindurch. Vom zweiten Reflexionshologramm werden die Lichtstrahlen zum ersten Reflexionshologramm zurück reflektiert bzw. beugt. Vom ersten Reflexionshologramm erfolgt eine Reflexion bzw. Beugung zur Erzeugung einer holographischen Abbildung vor dem Substrat. Derart angeordnete Reflexionshologramme erlauben mithin einen analogen Aufbau zu einem Transmissionshologramm, wobei jedoch obig beschriebene Vorteile von Reflexionshologrammen ausgenutzt werden können.
Im Falle eines Transmissionshologramms wird das Licht von der Lichtquelle durchgelassen. Beim Einsatz eines Transmissionshologramms ist es bevorzugt, dass sich die Lichtquelle vor oder hinter dem Substrat befindet. Beispielsweise kann es bevorzugt sein, dass sich die Lichtquelle hinter dem Substrat befindet und aus dieser Raumrichtung von hinten auf das Transmissionshologramm emittiert, welches die Lichtstrahlen beugt. In dem Fall befinden sich insbesondere der Lichteintrittsbereich und der Lichtaustrittsbereich auf unterschiedlichen Seiten des Substrates. Ebenso kann es bevorzugt sein, dass sich die Lichtquelle vor dem Substrat befindet und aus dieser Raumrichtung zunächst ungebeugt durch das Transmissionshologramm transmittiert. Das Licht kann vorzugsweise im Substrat reflektiert werden und anschließend aus einer Richtung von hinten auf das Transmissionshologram auftreffen und von diesem gebeugt werden, sodass in einem vorderen Bereich eine holographische Abbildung erzeugt wird. Transmissionshologramme können bevorzugt sein, um Farbverzerrungen zu vermeiden. Zudem weist die holographische Abbildung mittels eines Transmissionshologramms vorteilhaft eine hohe Tiefenschärfe auf, d. h. einen besonders aufgeweiteten Bereich, der scharf von einem Betrachter erkannt werden kann.
In weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist das System dazu ausgelegt, die holographische Abbildung durch eine Edgelit-Konfiguration zu erzeugen. Eine Edgelit-Konfiguration bezeichnet bevorzugt das Einstrahlen des Lichts auf eine Kante oder Randbereich des Substrats und eine Emission des Lichtes zur Erzeugung einer holographischen Abbildung in einem Vorderbereich. Das mindestens eine holographisch-optische Element kann zu diesem Zweck im Falle einer Edgelit-Konfiguration bevorzugt auf das Substrat oder innerhalb des Substrats eingebettet sein. Weiterhin kann auch im Falle einer Edgelit-Konfiguration das mindestens eine holographisch-optische Element eine Reflexionshologramm und/oder Transmissionshologramm sein. Vorzugsweise ist das Substrat beim Einsatz einer Edgelit-Konfiguration als ein Lichtleiter ausgestaltet. Hierdurch kann durch die Beleuchtung der Lichtquelle das Licht durch Reflexionen, vorzugsweise Totalreflexionen, innerhalb oder durch das Substrat propagieren und die holographische Abbildung in dem Interaktionsbereich dargestellt werden.
Besonders vorteilhaft ist der Umstand, dass beim Einsatz einer Edgelit-Konfiguration die Lichtquelle in den Grundkörper und/oder das Substrat selbst integriert werden kann, wodurch eine besonders kompakte und sorgfältig ausgerichtete Darstellung der holographischen Abbildung gewährleistet ist. Insbesondere kann die holographische Abbildung besonders klar in Erscheinung treten, sodass ein Betrachter eine besonders realistische Abbildung eines Objektes erfährt. Zu diesem Zweck kann es bevorzugt sein Reflexionshologramme zu verwenden, mit denen Helligkeit und Konturschärfe in besonderem Maße für eine realistische Darstellung optimiert werden können.
Eine Kante des Substrats bezeichnet vorzugsweise einen seitlichen Bereich des Substrates, der eine Dicke aufweist, die deutlich geringer ist als die Länge und/oder Breite des Substrats. So kann die Dicke der Kante ca. 0,2 mm, ca. 0,5 mm, ca. 1 mm, 5 mm, 10 mm oder 50 mm betragen. Dabei ist es bevorzugt, dass ein Verhältnis der Dicke der Kante zur Länge und/oder Breite des Substrates von mehr als 1:10, mehr als 1:50 oder mehr als 1:100 gegeben ist. Im erfindungsgemäßen Kontext können die Begriffe Rand und Kante des Substrates synonym verwendet werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das System dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat einen Einkoppelbereich und einen Auskoppelbereich aufweist, welche sich an unterschiedlichen Positionen auf dem Substrat befinden und das Licht innerhalb des Substrats zwischen dem Einkoppelbereich und dem Auskoppelbereich durch Reflexionen, vorzugsweise Totalreflexionen, propagiert.
Vorteilhaft kann somit das Substrat auch als Lichtleiter fungieren, innerhalb der das Licht sich ausbreiten kann, um die holographische Abbildung im Interaktionsbereich bereitzustellen. Hierbei sollen die Begriffe „Einkoppelbereich“ und „Auskoppelbereich“ einen Eintrittsabschnitt und einen Austrittsabschnitt des Substrats beschreiben, falls das Substrat selbst als Lichtleiter ausgebildet ist.
Dabei bezeichnet der Einkoppelbereich bevorzugt einen Bereich des Substrats, der das Licht innerhalb des Substrats eindringen lässt, sodass das Licht innerhalb des Substrats eingekoppelt wird. Vorzugsweise kann der Einkoppelbereich ein holographisch-optisches Element aufweisen, mit das Licht in das Substrat eingekoppelt wird.
In einigen Ausführungsformen kann der Einkoppelbereich auch transparent oder teiltransparent ausgestaltet sein. Im Falle einer gewünschten Transparenz kann die Strahlungseinkopplung durch z. B. eine diffraktive Struktur gerade so effizient sein, dass eine ausreichende Strahlungsleistung auf den Auskoppelbereich trifft. Der teiltransparente Einkoppelbereich kann so ausgebildet sein, dass die Einkoppeleffizienz z. B. 2%, 5%, 10%, 15%, 20%, 25%, 30%, 35%, 40%, 45% oder 50% oder mehr beträgt. Hierbei bezeichnet die Einkoppeleffizienz den Anteil an Licht, der transmittiert und damit in das Substrat eingelassen werden kann.
Die Einkopplung des Lichts innerhalb des Substrats bezeichnet insbesondere den Eintritt und die Propagation des Lichts darin. Die Propagation des Lichts innerhalb des Substrats erfolgt bevorzugt durch Reflexionen, besonders bevorzugt durch Totalreflexionen. Durch die Totalreflexionen wird insbesondere das Licht nicht unkontrolliert aus dem Bereich ausgelassen, sondern gezielt in Richtung des Auskoppelbereiches gelenkt werden, um im oder aus dem Bereich des Auskoppelbereiches die holographische Abbildung darzustellen.
Das Prinzip der Totalreflexion kann durch das Auftreffen von Licht an eine Grenzfläche beim Übergang in zwei Medien illustriert werden. Tritt ein Lichtstrahl von einem Medium in ein zweites Medium mit einer unterschiedlichen optischen Dichte, so können an der Grenzfläche zwei Phänomene auftreten, nämlich, dass ein Teil des Lichtes gebrochen und in das zweite Medium eintritt oder ein Teil des Lichtes reflektiert und im ersten Medium bleibt. Sofern das erste Medium optisch dichter ist, als das zweite Medium verläuft ab einem bestimmten Einfallswinkel der gebrochene Strahl parallel zur Grenzfläche. Bei einer weiteren Erhöhung des Einfallswinkels dringt kein Licht mehr in das zweite Medium und der Lichtstrahl wird vollständig reflektiert. Letzteres wird als Totalreflexion bezeichnet. Der Ausdruck „interne Totalreflexion“ meint im erfindungsgemäßen Kontext, dass die Totalreflexionen innerhalb des Substrates erfolgen, wobei das Substrat bevorzugt als Lichtleiter wirkt.
Die internen Totalreflexionen können an der Vorderseite, der Rückseite und innerhalb des Substrats erfolgen. Es ist auch möglich, dass reflektive Schichten bzw. Beschichtungen oder teilreflektive Schichten oder Beschichtungen für die Propagation des Lichtes innerhalb des Substrats durch Reflexionen, bevorzugt Totalreflexionen, vorgesehen sind.
Die Propagation des Lichts entlang oder innerhalb des Substrats kann vorzugsweise auch mithilfe einer Edgelit-Konfiguration erfolgen. Vorzugsweise wird hierbei das Licht an einer Kante des Substrats eingelassen und propagiert innerhalb des Substrats, bevorzugt zu dem mindestens einen holographisch-optische Element, welches beispielsweise ein Reflexionshologramm sein kann. Durch die Wirkung des HOE tritt das Licht bevorzugt am Auskoppelbereich aus, um vorzugsweise innerhalb des Interaktionsbereichs die holographische Abbildung darzustellen.
Der Auskoppelbereich bezeichnet bevorzugt den Bereich des Substrats als Lichtleiter, aus der das Licht ausgekoppelt wird, um die holographische Abbildung in dem Interaktionsbereich abzubilden. Vorzugsweise kann der Auskoppelbereich ein holographisch-optisches Element aufweisen, mit das Licht aus dem Substrat ausgekoppelt wird.
Der Auskoppelbereich kann analog zum Einkoppelbereich in einigen Ausführungsformen transparent oder teiltransparent ausgebildet werden. Insbesondere kann die Auskoppeleffizienz des Auskoppelbereiches z. B. 2%, 5%, 10%, 15%, 20%, 25%, 30%, 35%, 40%, 45% oder 50% oder betragen. Hierbei bezeichnet die Auskoppeleffizienz den prozentualen Anteil an Licht, der transmittiert und damit aus dem Substrat ausgelassen werden kann.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das System dadurch gekennzeichnet, dass der Einkoppelbereich sich an einem Rand des Substrats befindet und/oder der Einkoppelbereich ein erstes holographisch-optisches Element aufweist, wobei durch das erste holographisch-optische Element das Licht in das Substrat einkoppelbar und gezielt innerhalb des Substrats ablenkbar ist.
Vorteilhaft kann der Strahlenverlauf des Lichtes innerhalb des Substrats durch das erste holographisch-optische Element mit entsprechender optischer Funktion präzise eingestellt werden, um das Licht innerhalb des Substrates propagieren zu lassen. Das erste holographisch-optische Element kann auf einer Vorderseite, Rückseite, Kante und/oder innerhalb des Substrats eingebettet vorliegen.
Bevorzugt ist das erste holographisch-optische Element als Reflexions- oder Transmissionshologramm ausgebildet. Ebenfalls ist es bevorzugt, dass das erste holographisch-optische Element ein Reflexions- oder Transmissionshologramm ist, falls eine Einkopplung des Lichts über eine Edgelit-Konfiguration erfolgt.
In weiteren Ausführungsformen kann der Einkoppelbereich eine diffraktive Struktur aufweisen, die auf einer Vorder- und/oder Rückseite des Substrats ausgebildet ist. Die diffraktive Struktur des Einkoppelbereiches kann beispielsweise als vergrabene diffraktive Struktur oder als diffraktive Struktur auf der Vorderseite oder Rückseite des Substrats ausgebildet sein. Ebenso ist es möglich, dass die diffraktive Struktur des Einkoppelbereiches ein transmissives oder reflektives Reliefgitter umfasst.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das System dadurch gekennzeichnet, dass der Auskoppelbereich ein zweites holographisch-optisches Element aufweist und über den Auskoppelbereich Licht zur Erzeugung der holographischen Abbildung in dem Interaktionsbereich austritt.
Vorteilhaft wird durch das zweite holographisch-optische Element das Licht gezielt ausgekoppelt, sodass an gewünschten Positionen innerhalb des Interaktionsbereiches die holographische Abbildung erzeugt werden kann. In weiteren Ausführungsformen kann das zweite holographisch-optische Element als Reflexions- oder Transmissionshologramm ausgebildet sein. Vorteilhaft wird das Licht derart in den Interaktionsbereich reflektiert oder transmittiert, sodass die holographische Abbildung innerhalb des Interaktionsbereiches in Erscheinung tritt.
In weiteren Ausführungsformen weist der Auskoppelbereich eine diffraktive Struktur auf. Die diffraktive Struktur des Auskoppelbereiches kann als vergrabene diffraktive Struktur oder als diffraktive Struktur auf der Vorderseite oder Rückseite des Substrats ausgebildet sein. Insbesondere kann als diffraktive Struktur ein Reflexions- oder Transmissionshologramm vorgesehen sein. Ferner ist es möglich, dass die diffraktive Struktur des Auskoppelbereiches ein transmissives oder reflektives Reliefgitter ist. Der Auskoppelbereich kann ebenfalls eine Spiegelfläche, ein Prisma und/oder eine reflektive oder transmissive Fresnel-Struktur aufweisen. Diese Varianten können alternativ zur diffraktiven Struktur oder zusätzlich zur diffraktiven Struktur des Auskoppelbereiches vorgesehen sein.
Eine diffraktive Struktur bezeichnet bevorzugt ein optisches Element zur Formung des von der Lichtquelle ausgehenden Lichtstrahls. Bevorzugt weist die diffraktive Struktur Mikrostrukturen auf, die beispielsweise durch Fotolithografie aufgebracht sind. In den Mikrostrukturen kommt es durch unterschiedliche optische Weglängen der Teilstrahlen zu Phasenmodulationen, wodurch Interferenzmuster entstehen. Zusätzlich wird durch konstruktive und destruktive Interferenz die Amplitude moduliert. So lassen sich durch geschickte Auslegung die Intensitätsmuster und/oder der Strahlenverlauf zur Erzeugung der holographischen Abbildung manipulieren.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das System dadurch gekennzeichnet, dass das System 2, 3, 5, 10, 20, 50, 100 oder mehr Schallwandler aufweist, wobei die Schallwandler bevorzugt als Array angeordnet sind.
Die Schallwandler sind bevorzugt dazu eingerichtet, Schallwellen in Richtung der holographischen Abbildung zu emittieren. Insbesondere befinden sich die Schallwandler dabei „hinter dem Substrat“, d. h. das Substrat ist zwischen dem Interaktionsbereich und den Schallwandlern angeordnet. Vorteilhaft kann durch eine Mehrzahl an Schallwandlern, insbesondere durch ein Array, innerhalb des Interaktionsbereiches ein akustisches Feld erzeugt werden. Das akustische Feld zeichnet sich dabei durch eine Druck- und/oder Intensitätsverteilung aus, um bevorzugt für verschiedene Bereiche der holographischen Abbildung eine andere haptische Wahrnehmung auf der menschlichen Haut bereitstellen zu können. Insbesondere wirkt eine unterschiedliche Kraft auf der Haut, welche die Form und/oder Struktur eines Gegenstandes haptisch wiedergibt, der durch die holographische Abbildung visualisiert wird. So kann beispielsweise ein Steuerknüppel und/oder eine Tastatur eines Autos als holographische Abbildung dargestellt werden. Der Bereich des Steuerknüppels, der berührt wird und/oder die Tasten der Tastatur können ein anderes Druck- und/oder Kraftempfinden als andere Abschnitte dieser Gegenstände aufweisen.
Bevorzugt ist ein Schallwandler oder eine Mehrzahl von Schallwandlern mit einer oder mehreren Phasensteuerungskomponenten verbunden. Vorteilhaft kann durch die Phasensteuerungskomponente die Phase der Schallwellen, die von den Schallwandlern emittiert werden, gesteuert und/oder geregelt werden. Besonders vorteilhaft ist hierbei, dass die Phase so eingestellt werden kann, dass der Druck an bestimmten Bereichen der holographischen Abbildung und/oder des Interaktionsbereiches maximiert und/oder minimiert wird, sodass eine besonders realistische haptische Wahrnehmung der holographischen Abbildung erzeugt wird.
In weiteren Ausführungsformen der Erfindung erzeugen die Schallwandler eine vorbestimmte Verteilung an Druckmustern, sodass in einem Abschnitt des Interaktionsbereich eine erste haptische Empfindung der holographischen Abbildung und einem weiteren Abschnitt des Interaktionsbereiches eine zweite haptische Wahrnehmung der holographischen Abbildung bereitgestellt wird.
Durch die Bereitstellung verschiedener haptischer Empfindungen ermöglicht das erfindungsgemäße System dem Benutzer, beispielsweise seine Hand genau in die richtige Position zu bringen, um Formen, Strukturen und/oder Eingaben zu erkennen und/oder vorzunehmen. Weiterhin kann das System so eingerichtet werden, dass es eine haptische Rückmeldung an den Benutzer gibt, wenn sich beispielsweise die Hände des Benutzers in der richtigen Position für die Interaktion mit der holographischen Abbildung befinden. Zum Beispiel, wenn sich der Finger des Benutzers im Bereich einer Wiedergabe- und/oder Pausensteuerung oder Lautstärkeregelung einer Tastatur als holographische Abbildung befindet, kann eine Vibration übertragen werden. Alternativ kann auch die wahrgenommene Stärke oder Intensität der Rückmeldung erhöht werden. Ebenfalls kann eine haptische Rückmeldung erfolgen, wenn beispielsweise Steuergesten abgeschlossen sind. Insbesondere kann das System derart konfiguriert sein, dass Gesten und/oder Steuerungen eines Nutzers auf, in und/oder entlang der holographischen Abbildung registriert werden können.
Bevorzugt sind die Schallwandler als Array angeordnet. Im Sinne der Erfindung bezeichnet ein Array eine geometrische Ausgestaltung hinsichtlich der Anordnung, d. h. der Positionierung der Schallwandler. Beispielsweise können die Schallwandler eindimensional, zweidimensional oder dreidimensional angeordnet werden. Bevorzugt sind die Schallwandler als Gitter angeordnet und/oder weisen einen festen Abstand zueinander auf. So können die Schallwandler beispielsweise einen Abstand zueinander von bis zu ca. 250 mm, ca. 200 mm, ca. 150 mm, ca. 100 mm, ca. 50 mm, ca. 20 mm, ca. 10 mm, ca. 5 mm, ca. 2 mm, ca. 1 mm aufweisen.
In weiteren Ausführungsformen kann es bevorzugt sein, die Technologie des Beamformings für die Schallausbreitung einzusetzen. Hierdurch können Schallwellen durch Regelung der Phasensteuerungskomponente über Interferenzen gerichtet emittiert werden, um an bestimmten Bereichen beispielsweise eine besondere Druckerhöhung zu erzielen.
Bevorzugt weist das erfindungsgemäße System eine Steuerungseinheit auf, die dazu konfiguriert ist, die Phase, die Intensität, die Intensitätsverteilung, den Druck und/oder die Frequenz der Schallwandler zu regulieren. Vorteilhaft können die Schallwandler über einen Winkelbereich entlang einer Ebene von bis zu 180°, bevorzugt bis zu 120°, besonders bevorzugt bis zu 80°, ganz besonders bevorzugt bis zu 50°, noch stärker bevorzugt bis zu 30°, sehr stark bevorzugt bis zu 10° emittieren, sodass die Schallwellen besonders fokussiert emittiert werden können.
Vorteilhaft können die Schallwellen weitestgehend verzerrungsfrei das Substrat durch die Schallkanäle durchdringen, sodass ein Nutzer eine besonders realistische haptische Wahrnehmung der holographischen Abbildung erfährt. Beispielsweise kann ein gewünschter Druck von. 10 - 50 Pa (Pascal) in einem Abstand von ca. 10 - 40 cm in einem Winkelbereich von ca. 40 - 70° ermöglicht werden. Die Einstellung von Parametern des Schalls kann vorzugsweise durch die Steuerungseinheit eingestellt und/oder reguliert werden.
Das System umfasst vorzugsweise zudem eine Steuereinheit für die Steuerung der Komponenten des Systems, beispielsweise der Ultraschallwandler oder der Lichtquelle.
Im Sinne der Erfindung bezeichnet eine Steuerungseinheit bevorzugt eine Recheneinheit, wie beispielsweise einen Prozessor, einen Prozessorchip, einen Mikroprozessor und/oder einen Mikrocontroller zur automatischen Steuerung der Komponenten des Systems z.B. den Ultraschallwandlern durch Vorgabe von Parametern der Schallwellen (z. B. Phase, Intensität, Druck, Frequenz etc.). In weiteren bevorzugten Ausführungsformen kann die Steuerungseinheit eine Rechenmaschine wie z. B. ein Computer, ein Computergerät oder ein Computersystem sein. Die Komponenten der Steuereinheit können konventionell oder individuell für die jeweilige Implementierung konfiguriert sein. Vorzugsweise umfasst die Steuereinheit einen Prozessor, einen Speicher und einen Computercode (Software/Firmware) zur Steuerung der Komponenten der Vorrichtung.
Die Steuerungseinheit kann bevorzugt auch eine programmierbare Leiterplatte, ein Mikrocontroller oder andere Komponente zum Empfangen und Verarbeiten von Datensignalen von den Komponenten des Systems, insbesondere der Schallwandler oder der Lichtquelle. Die Steuerungseinheit umfasst vorzugsweise ferner ein computerverwendbares oder computerlesbares Medium, wie z. B. eine Festplatte, einen Direktzugriffsspeicher (RAM), einen Festwertspeicher (ROM), einen Flash--Speicher usw., auf dem bevorzugt eine Computersoftware oder ein Code installiert ist. Der Computercode oder die Software für die Steuerung der Komponenten des erfindungsgemäßen System kann in jeder beliebigen Programmiersprache oder modellbasierten Entwicklungsumgebung geschrieben werden, wie z. B C/C++, C#, Objective-C, Java, Basic/VisualBasic, MATLAB, Simulink, StateFlow, Lab View oder Assembler.
Die Formulierung die Steuereinheit ist konfiguriert, um einen bestimmten Arbeitsschritt auszuführen, wie z.B. eine Regulation der Phase, der Intensitätsverteilung, des Drucks und/oder die Frequenz der Schallwandler, kann eine kundenspezifische oder standardmäßige Software umfassen, die auf der Steuereinheit installiert ist und diese Betriebsschritte initiiert und regelt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das System dadurch gekennzeichnet, dass die Schallwandler Ultraschallwandler sind, welche konfiguriert sind für eine Schallemission in einem Frequenzbereich von 20 kHz bis 100 kHz, bevorzugt 30 kHz bis 60 kHz.
Durch die Verwendung von Ultraschallwandlern kann vorteilhafterweise eine besonders effiziente haptische Wahrnehmung resultieren. Weiterhin haben sich Ultraschallwandler bewährt im technischen Gebiet der haptischen oder taktilen Empfindungsprojektion, um optimal und einfach ein haptisches Feedback zu erzeugen. Hierbei bezeichnet ein Ultraschallwandler einen Schallwandler, der Ultraschall, insbesondere in den entsprechenden Frequenzbereichen, emittiert.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das System dadurch gekennzeichnet, dass die Druckschwankungen durch akustische Schallwellen mit einer Trägerfrequenz und einer Modulationsfrequenz erzeugt werden, wobei bevorzugt die Trägerfrequenz zwischen 20 kHz (Kilohertz) und 100 kHz beträgt und/oder die Modulationsfrequenz in einem Bereich zwischen 0,1 Hz (Herz) und 500 Hz, besonders bevorzugt einem Bereich zwischen 150 Hz und 250 Hz, liegt. Bevorzugt kann dies durch eine Steuerungseinheit reguliert werden.
Die Modulation der akustischen Wellen mit einer Frequenz zwischen 0,1 Hz und 500 Hz führt vorteilhafterweise dazu, dass ein Anwender die holographische Abbildung besonders gut haptisch wahrnehmen kann. Dies liegt insbesondere daran, dass die Mechanorezeptoren der menschlichen Haut für diese Frequenzen besonders sensibel sind. Vorteilhaft kann somit die holographische Abbildung mit einer besonders wirklichkeitsgetreuen haptischen Wahrnehmung kombiniert werden.
In weiteren Ausführungsformen können die Schallwandler derart Schall emittieren, dass Kontrollpunkte innerhalb des Interaktionsbereiches definiert werden. Ein Kontrollpunkt bezeichnet bevorzugt eine Markierung an einem bestimmten Ort des Interaktionsbereiches. Kontrollpunkte können sich durch Bereiche auszeichnen, welchen eine bestimmte Amplitude und/oder eine bestimme Phase zugewiesen wird. So kann ein Kontrollpunkt auch so modelliert werden, dass ein Schallwandler sich direkt unter dem Kontrollpunkt befindet. Vorzugsweise liegen die Kontrollpunkte in einem derartigen Abstand voneinander vor, dass dieser im Wesentlichen einer Wellenlänge des Schalls entspricht. Bevorzugt ist eine Steuerungseinheit dazu konfiguriert, solche Kontrollpunkte innerhalb des Interaktionsbereiches festzulegen. Vorteilhafterweise können durch Kontrollpunkte Formen und/oder Abschnitte der holographischen Abbildung definiert werden. So kann beispielsweise ein Volumen umfassend eine Vielzahl von Rändern und/oder Eckpunkten durch die Kontrollpunkte modelliert werden, sodass die Kontrollpunkte an den Rändern und/oder Eckpunkten vorliegen und dadurch ein festgelegter Druck wahrgenommen wird. Ebenfalls können die Kontrollpunkte eine Form definieren, die von einem Benutzer als Teil eines haptischen Feedbacksystems gefühlt werden können. Bevorzugt kann der Benutzer in dem fühlbaren Bereich eine Interaktion ausüben.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das System dadurch gekennzeichnet, dass sich die Lichtquelle innerhalb oder außerhalb des Substrats befindet, wobei bevorzugt die Lichtquelle ein Laser und/oder eine LED ist.
Insbesondere führt die Anbringung einer Lichtquelle innerhalb des Substrats vorteilhaft dazu, dass das erfindungsgemäße System besonders kompakt ausgestaltet wird. Durch eine kompakte Ausgestaltung kann das erfindungsgemäße System in eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten integriert werden. Eine Anbringung der Lichtquelle außerhalb des Substrats ist dahingehend vorteilhaft, dass mehr Variabilität und Flexibilität hinsichtlich der Art der Lichtquelle sowie der Ein- und/oder Bestrahlung des Grundkörpers und/oder Substrats erreicht wird. So kann sind die Anforderung an eine kompakte Dimensionierung der Lichtquelle geringer und zudem kann diese an unterschiedlichen Positionen angebracht werden, falls ein angepasster Einstrahlwinkel in Richtung des Grundkörpers und/oder Substrates erwünscht ist.
Ebenfalls ist es bevorzugt, dass das mindestens eine holographisch-optische Element als Volumenhologramm auf einer Vorderseite, Rückseite und/oder innerhalb des Substrats eingebracht ist. Ein Volumenhologramm bezeichnet bevorzugt ein Hologramm, das in einer lichtempfindlichen, verhältnismäßig dicken Schicht eingeschrieben wurde. Dies kann vorzugsweise durch eine Transmissions- oder Reflexionstechnik erfolgen. Durch Interferenz von Objekt- und Referenzstrahl innerhalb des Hologrammvolumens entsteht vorzugsweise eine Folge von Bragg-Ebenen. Ein Volumenhologramm kann daher auch als ein holographisches Gitter aufgefasst werden, d. h. als ein optisches Gitter hergestellt durch Methoden der Holographie. Ein Volumenhologramm weist mithin bevorzugt eine nicht zu vernachlässigende Ausdehnung in der Ausbreitungsrichtung der Lichtstrahlen auf, wobei bei der Rekonstruktion an einem Volumenhologramm die Bragg-Bedingung gilt.
Aus diesem Grunde weisen Volumenhologramme eine Wellenlängen- und/oder Winkelselektivität auf. Die Fähigkeit von Volumenhologrammen, mehrere Bilder gleichzeitig zu speichern, ermöglicht u.a. die Herstellung farbiger Hologramme. Für die Aufnahme der Hologramme können Lichtquellen eingesetzt werden, welche die drei Grundfarben blau, grün und rot aussenden. Im Volumenhologramm sind nach der Belichtung gleichzeitig drei Hologramme gespeichert. Zur Reproduktion des Farbhologramms kann ausgenutzt werden, dass jedes Teilhologramm sich allein durch die Farbe zu rekonstruieren lässt, mit der es aufgenommen wurde. Mithin überlagern sich die drei rekonstruierten Farbauszüge sich zum farbigen, originalgetreuen Bild, sofern die Farbanteile richtig gewichtet sind.
Zudem können mittels Volumenhologramme besonders vielfältige Lichtstrahlen vorteilhaft besonders präzise in Richtung eines Austritts- oder Auskoppelbereiches innerhalb des Interaktionsbereiches abgelenkt werden und/oder in Ausführungsformen, in denen das Substrat als Lichtleiter fungiert, auch innerhalb des Substrats.
In bevorzugten Ausführungsformen ist die Lichtquelle kohärent, besonders bevorzugt teilweise kohärent. Eine kohärente Lichtquelle zeichnet sich durch die Emission kohärenter Lichtstrahlen aus. Kohärenz bezeichnet bevorzugt die Eigenschaft von optischen Wellen, wonach es zwischen zwei Wellenzügen eine feste Phasenbeziehung gibt. Als Folge der festen Phasenbeziehung zwischen den beiden Wellenzügen können räumlich stabile Interferenzmuster entstehen.
Hinsichtlich der Kohärenz kann zwischen einer zeitlichen und räumlichen Kohärenz unterschieden werden. Eine räumliche Kohärenz stellt bevorzugt ein Maß für eine feste Phasenbeziehung zwischen Wellenzügen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung dar und ist beispielsweise für parallele Lichtstrahlen gegeben. Eine zeitliche Kohärenz stellt bevorzugt eine feste Phasenbeziehung zwischen Wellenzügen entlang der Ausbreitungsrichtung dar und ist insbesondere für schmalbandige, vorzugsweise monochromatische Lichtstrahlen gegeben.
Die Kohärenzlänge bezeichnet bevorzugt einen maximalen Weglängen- oder Laufzeitunterschied, den zwei Lichtstrahlen von einem Ausgangspunkt aufweisen, damit bei ihrer Überlagerung noch ein (räumlich und zeitlich) stabiles Interferenzmuster entsteht. Die Kohärenzzeit bezeichnet bevorzugt die Zeit, die das Licht benötigt, um eine Kohärenzlänge zurückzulegen.
In bevorzugten Ausführungsformen ist die Lichtquelle ein Laser. Besonders bevorzugt handelt es sich um einen schmalbandigen, vorzugsweise monochromatischen Laser mit einer bevorzugten Wellenlänge im sichtbaren Bereich (vorzugsweise 400 nm bis 780 nm). Nicht abschließende Beispiele umfassen Festkörperlaser, vorzugsweise Halbleiterlaser bzw. Laserdioden, Gaslaser oder Farbstofflaser.
Auch andere Lichtquellen, vorzugsweise kohärente Lichtquellen, können bevorzugt Verwendung finden. Bevorzugt sind schmalbandige Lichtquellen, vorzugsweise monochromatische Lichtquellen, wozu beispielsweise Leuchtdioden (LEDs), optional in Kombination mit Monochromatoren gehören.
Insbesondere der Einsatz von LEDs ist dahingehend vorteilhaft, dass sie besonders kompakt und kostengünstig sowie besonders einfach in das erfindungsgemäße System zu integrieren sind.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das System dadurch gekennzeichnet, dass einer oder die mehrere Schallkanäle als Öffnungen innerhalb des Substrats ausgebildet sind.
Vorteilhaft kann das Licht in oder durch das Substrat zielgerichtet transportiert werden, um die holographische Abbildung im Interaktionsbereich zu erzeugen und ebenfalls Schall über die Öffnungen durch das Substrat hindurchzulassen. Insbesondere kann besonders effizient die holographische Abbildung haptisch wahrnehmbar ausgestaltet werden. Somit können perforierte Substrate eingesetzt werden, um holographische Abbildungen zu erzeugen und in Kombination mit Schallwandlern gebracht werden, um ein haptisches Feedback zu erhalten.
Hierbei muss hinsichtlich des Abstandes der Schallwandler und der holographischen Abbildung berücksichtigt werden, dass die Schallintensität mit dem Quadrat des Abstandes abnimmt. Daher werden die Schallwandler bevorzugt derart angeordnet, dass für die menschliche Haut spürbare Druckschwankungen durch die Öffnungen zum Interaktionsbereich gelangen. Dabei kann es bevorzugt sein, dass die Schallkanäle direkt neben und/oder um den zweiten holographisch-optischen Element angeordnet sind.
Durch eine angepasste Positionierung der Schallkanäle, insbesondere in Form von Öffnungen am Substrat, können vorteilhaft Schalldruckmuster erzeugt werden, um als haptisches Signal wahrgenommen zu werden. Das Schalldruckmuster kann sich durch Abschnitte innerhalb des Interaktionsbereiches mit Druckmaxima und/oder Druckminima auszeichnen, die sich insbesondere entlang der holographischen Abbildung befinden. Insbesondere können durch konstruktive und/oder destruktive Interferenz die Druckschwankungen an gewünschten Stellen wirksam werden und weiterlaufende Wellenfronten der Schallwellen sich gegenseitig auslöschen. So kann es bevorzugt sein, dass die auslaufenden Wellenfronten in einem Fernbereich destruktiv und in einem Nahbereich, insbesondere innerhalb des Interaktionsbereiches, konstruktiv interferieren.
Vorteilhafterweise können insbesondere je nach Leistung der Schallwandler definierte Druckfelderhöhungen für das Druckmuster im Interaktionsbereich erzielt werden. So können insbesondere unterschiedliche Schalldrücke stark lokalisiert und tauglich für eine Wahrnehmung als haptisches Signal erzeugt werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das System dadurch gekennzeichnet, dass die einen oder mehrere Schallkanäle einen ellipsenförmigen und/oder einen viereckigen Querschnitt aufweisen.
Vorteilhaft kann durch die geometrische Ausgestaltung der Schallkanäle Einfluss auf die Ausbreitung der Schallwellen und/oder des Lichts ausgeübt werden.
So ist ein ellipsenförmiger Querschnitt der Schallkanäle dahingehend vorteilhaft, dass auf die Moden des Schalls nur ein geringer Einfluss genommen wird. Insbesondere wird das Modenspektrum des Schalls nicht oder nur sehr geringfügig verändert. Bevorzugt können durch Schallkanäle, die einen ellipsenförmigen Querschnitt aufweisen, der Durchgang des Schalls besonders gut und einfach kontrolliert werden. Dabei wurde erkannt, dass je runder der Querschnitt eines Schallkanals ist, desto größer das erhaltene Modenspektrum. Insbesondere umfasst ein ellipsenförmiger Querschnitt auch eine Kreisform des Schallkanals. Somit sind ellipsenförmige Querschnitte der Schallkanäle besonders vorteilhaft für die Ausbreitung des Schalls durch das Substrat.
Ein ellipsenförmiger Querschnitt der Schallkanäle kann jedoch in Bezug auf die Lichtstrahlen, welche diese passieren, dazu führen, dass die Lichtstrahlen gebrochen werden. Insbesondere kann es sein, dass die Lichtstrahlen nach außen gestreut werden, wobei nach außen bevorzugt einen Strahlenweg von der Mitte des Lichtbündels weg bezeichnet. So kann es sein, dass ein ellipsenförmiger Querschnitt der Schallkanäle wie eine Zerstreuungslinse in Bezug auf Licht wirkt, welches im Substrat den Schallkanal passiert.
Um die Wirkung des Schallkanales zu kompensieren, kann es bevorzugt sein, eine Linse und/oder ein holographisch-optisches Element mit entsprechender optischer Funktion, z. B. Linsenfunktion einzubringen, die vorteilhaft das nach außen zerstreute Licht wieder bündeln können, sodass das Licht zur Erzeugung der holographischen Abbildung gezielt ausgerichtet wird. In bevorzugten Ausführungsformen wird ein holographisch-optisches Element mit einer Funktion einer Sammellinse zur Kompensation von Schallkanälen mit einem ellipsenförmigen Querschnitt verwandt. Dabei kann die Linse oder das holographisch-optische Element mit der Funktion einer Sammellinse eine inverse optische Funktion zu den gekrümmten Schallkanälen aufweisen. Vorteilhafterweise kann das Licht über eine Vielzahl von Einstrahlwinkeln durchgelassen und/oder Farben korrekt zusammengeführt werden.
Ein viereckiger Querschnitt für die Schallkanäle hat sich hingegen als besonders vorteilhaft für den Verlauf der Lichtstrahlen im Substrat erwiesen, da das Licht an den Flächen des Vierecks - bei entsprechender Ausrichtung - nicht oder nur kaum gebrochen wird. Besonders bevorzugt wird ein Spalt als Schallkanal verwendet. Ein Spalt meint bevorzugt einen rechteckigen Querschnitt mit einer deutlich geringeren Breite in Richtung der Lichtausbreitung als in einer orthogonalen Richtung (Länge) dazu. Ein Spalt kann beispielsweise um einen Faktor von 3, 5, 10 oder mehr schmaler als lang sein. Ein viereckiger Querschnitt umfasst insbesondere ein Rechteck, ein Quadrat, ein Trapez, ein Parallelogramm und/oder eine Raute. In weiteren Ausführungsformen kann der Querschnitt auch eine Zweiecks-, Drecks-, Fünfecks-, Sechsecks-, Siebenecks, Achtecksform oder eine andere polygone Form. haben. Eine Einschränkung der geometrischen Form der Schallkanäle, insbesondere als Öffnungen am Substrat, erfolgt nicht. Ein eckiger Querschnitt ist dahingehend vorteilhaft, dass einfacher eine im Wesentlichen orthogonale Grenzfläche bereitgestellt werden kann, auf die das Licht im Wesentlichen senkrecht auftreffen kann, wodurch vorteilhaft Abbildungsfehler minimiert werden können.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das System dadurch gekennzeichnet, dass die einen oder mehrere Schallkanäle im Substrat einen Neigungswinkel aufweisen, sodass eine Fokussierung der Schallwellen auf die holographische Abbildung ermöglicht wird.
Ein Schallkanal weist bevorzugt einen Neigungswinkel auf, wenn eine an einem Punkt eines Randes des Schallkanals angelegte Gerade einen anderen Verlauf als der der Längs- und/oder Querachse des Substrats hat. Im erfindungsgemäßen Kontext kann dies auch als Verkippung bezeichnet werden. Vorteilhafterweise führt eine Verkippung der Schallkanäle dazu, dass ein erhöhter Schalldruck innerhalb des Interaktionsbereiches erzielt werden kann. Insbesondere kann die holographische Abbildung mit erhöhter Intensität haptisch wahrgenommen werden. Besonders bevorzugt ist es, wenn auch die Schallwandler verkippt vorliegen. In dem Fall kann der Schalldruck und damit die Intensität in besonders hohem Maße intensiviert werden und die haptische Wahrnehmung besonders detailtreu erzeugt werden. Es ist besonders bevorzugt, wenn die Schallwandler im Wesentlichen den gleichen Neigungswinkel wie die verkippten Schallkanäle aufweisen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das System dadurch gekennzeichnet, dass die einen oder mehrere Schallkanäle einen Lichtaustrittsbereich oder einen Auskoppelbereich teilweise oder vollständig innerhalb des Substrats umgeben. Umgeben meint bevorzugt, dass die einen oder mehrere Schallkanäle auf einer Kontur angeordnet sind, welche den Lichtaustrittsbereich oder einen Auskoppelbereich einschließt, wobei einen oder mehrere Schallkanäle nicht im Lichtaustrittsbereich bzw. Auskoppelbereich selbst angeordnet sind.
Vorteilhaft kann durch eine Positionierung der Schallkanäle entlang einer äußeren Kontur des Lichtaustrittsbereiches oder Auskoppelbereiches zu einer besonders effizienten Bereitstellung von Druckschwankungen innerhalb des Interaktionsbereiches kommen, um ein haptisches Signal zu erzeugen. Insbesondere können vorteilhafterweise Schallwellen besonders fokussiert in Richtung der holographischen Abbildung emittiert werden, sodass besonders feine Druckschwankungen und damit eine realistische haptische Wahrnehmung erzeugt wird. Vorteilhaft kann die holographische Abbildung beispielsweise auch besonders wirklichkeitsgetreu hinsichtlich Form, Konturen, Größen etc. mit Druckschwankungen in Relation gesetzt werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das System dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere Schallkanäle als Öffnungen innerhalb des Substrats mit einem Material, vorzugsweise einem Fluid, besonders bevorzugt Wasser, Glycerin, einem Öl, bevorzugt einem Silikonöl, befüllt sind, wobei das Material einen vorzugsweise einen optischen Brechungsindex aufweist, der im Wesentlichen einem Brechungsindex des Substrats entspricht.
Begriffe wie im Wesentlichen, ungefähr, etwa, ca. etc. beschreiben bevorzugt einen Toleranzbereich von weniger als ± 20%, bevorzugt weniger als ± 10%, besonders bevorzugt weniger als ± 5 %, und insbesondere weniger als ± 1 % und umfassen stets den exakten Wert. Ähnlich beschreibt bevorzugt Größen, die ungefähr gleich sind. Teilweise beschreibt bevorzugt zu mindestens 5 %, besonders bevorzugt zu mindestens 10 %, und insbesondere zu mindestens 20 % oder zu mindestens 40 %.
Vorteilhafterweise führt ein in den Schallkanälen befülltes Material, das einen ähnlichen Brechungsindex wie das Substratmaterial aufweist, dazu, dass die Lichtstrahlen eine geringere Brechung erfahren. Entweder wird hierdurch keine anschließende Kompensation oder Kollimation benötigt oder aber diese wird vereinfacht. Je kleiner der Unterschied zwischen den Brechzahlen des in den Schallkanälen aufgefüllten Materials und dem Substratmaterial, desto geringer sind Winkeländerungen, die der Lichtstrahl erfährt, sodass eine etwaige Kollimation fehlerfrei erfolgen kann. Vorteilhaft kann somit das Licht abberationsfrei in Richtung des Lichtaustritts- oder Lichtauskoppelbereiches gelenkt werden, um die holographische Abbildung darzustellen.
Als besonders bevorzugtes Material zur Befüllung der Schallkanäle hat sich Öl erwiesen, vorzugsweise optisches Öl. In bevorzugten Ausführungsformen umfasst das Substrat Glas, insbesondere ein optisches Glas oder optischen Kunststoff mit einem Brechungsindex zwischen 1,4 und 1,6, vorzugsweise ca. 1,5. Vorteilhaft können Öle, insbesondere optische Öle, mit einem ähnlichen Brechungsindex zwischen ca. 1,4 und ca. 1,6, vorzugsweise ca. 1,5 gewählt werden, sodass unerwünschte Brechungseffekte minimiert werden können. Bevorzugt zeichnen sich Öle zudem durch eine gute Schallleitung aus, sodass sich auch durch einen mit Öl befüllten Schallkanal die Schallwellen weitestgehend ohne Verzerrung oder Abschwächung in Richtung der holographischen Abbildung ausbreiten.
In bevorzugten Ausführungsformen ist das Material zur Befüllung des einen oder der mehreren Schallkanäle ein Fluid mit einer erhöhten Oberflächenspannung, vorzugweise mit einer Oberflächenspannung bei Raumtemperatur (20° C) von mindestens 20 mN/m (Milli-Newton pro Meter), vorzugsweise mindestens 30 mN/m, 40, mN/m, 50 mN/m, 60 mN/m oder mehr. Durch die erhöhte Oberflächenspannung des fluiden Materials wird das Risiko minimiert, dass das Material aus einem oder mehreren Schallkanälen herausfließt. Der Fachmann kann Materialien mit bevorzugten Oberflächenspannungen zur Befüllung des einen oder der mehreren Schallkanäle in Abhängigkeit der geometrischen Ausgestaltung der Schallkanäle (insbesondere eines Querschnittes der Schallkanäle) anhand bekannter physikalischer Gesetzmäßigkeiten wählen, um ein sicheres Verbleiben des Fluides in den Schallkanälen zu gewährleisten.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das System dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Schallkanäle als Öffnungen innerhalb des Substrats mit einem Material, vorzugsweise einem Fluid, befüllt sind, wobei eine Membran oder eine Folie auf dem Substrat mindestens über den Bereich des einen oder der mehreren befüllen Schallkanäle aufgebracht vorliegt.
Bevorzugt wird die Folie oder die Membran beidseitig an den Oberflächen des Substrats angebracht, um den einen oder die mehreren befüllten Schallkanäle beidseitig zu verschließen. Hiermit wird vorzugsweise ein besonders zuverlässiger Verschluss eines fluiden Materials unabhängig von der Oberflächenspannung oder geometrischen Ausgestaltung der Schallkanäle ermöglicht.
Vorzugsweise ist die Folie oder die Membran transparent für das Licht der Lichtquelle. Weiterhin ist es bevorzugt, dass die Folie oder die Membran einen ähnlichen Brechungsindex wie das Material des Substrats und/oder das Material zur Befüllung des Schallkanals aufweist. Die Membran oder Folie ist vorzugsweise undurchlässig für das eingeschlossene fluide Material. In bevorzugten Ausführungsformen ist die Schichtdicke der Folie oder Membran weniger als 1 mm, bevorzugt weniger als 500 µm, 400 µm, 300 µm, 200 µm oder weniger. Die Membran oder die Folie ist bevorzugt schwingfähig.
Die Membran kann beispielsweise eine Silikonmembran und die Folie beispielsweise eine transparente Kunststoff-Folie, z.B. eine PMMA-Folie (Polymethylmethacrylat-Folie) sein. Die Membran oder Folie kann bevorzugt zumindest im Bereich der Schallkanäle mit einem optischen Kleber oder einer zusätzlichen OCA-Folie (OCA ist die Abkürzung für den englischen Ausdruck optical clear adhesive) auf der Substratoberfläche angebracht vorliegen. Eine optischer Kleber oder eine OCA-Folie weisen bevorzugt einen ähnlichen Brechungsindex wie die Membran, die Folie oder das Material des Substrats auf, um einen glatten optischen Verbund zu gewährleisten. Vorzugsweise schließt die Membran oder Folie das Fluid möglichst blasenfrei in dem einen oder den mehreren Schallkanälen ein. Damit liegen bevorzugt keine Lufteinschlüsse im Schallkanal vor, um vorteilhaft einen im Wesentlichen abberationsfreien Durchtritt des Lichtes durch den befüllten Schallkanal zu gewährleisten.
In bevorzugten Ausführungsformen liegt auf Membran oder Folie eine Foliendeckel aufgebracht vor. Der Foliendeckel zeichnet sich bevorzugt durch eine höhere mechanische Stabilität als die Folie oder die Membran auf. Beispielsweise kann es bevorzugt sein, dass der Foliendeckel eine um einen Faktor 2, 3, 4, 5, 10 oder mehr höhere Schichtdicke als die Folie oder die Membran aufweist. Vorzugsweise dient der Foliendeckel zur Abdeckung und Schutz der Membran oder Folie. Im Bereich der Schallkanäle weist der Foliendeckel vorzugsweise Öffnungen bzw. Löcher auf, deren Zahl, Form und Größe bevorzugt der Zahl, Form und Größe der Schallkanäle entspricht. Der Foliendeckel kann bevorzugt das gleiche Material wie das Substrat aufweisen, z.B. einen optischen Kunststoff (z.B. PMMA) oder einen optisches Glas.
In bevorzugten Ausführungsformen weist eine Anzahl oder eine Mehrzahl an Schallkanälen das Material auf, das einen ähnlichen Brechungsindex wie das Substratmaterial besitzt. In weiteren bevorzugten Ausführungsformen sind alle Schallkanäle mit dem Material befüllt. In besonders bevorzugten Ausführungsformen sind die Schallkanäle mit dem Material befüllt, die entlang bzw. um einen Lichtaustritts- oder Auskoppelbereiches angeordnet sind. Es kann auch bevorzugt sein, lediglich die Schallkanäle mit einem Material, vorzugsweise einem Fluid, besonders bevorzugt Wasser, Glycerin, einem Öl, bevorzugt einem Silikonöl zu befüllen, welche sich im Strahlengang des Lichtes befinden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das System dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat einen oder mehrere holographisch-optische Elemente vor und/oder hinter einem oder mehreren Schallkanälen aufweist, welche für eine Kompensation, eine Umlenkung und/oder eine Aufweitung des Lichtes eingerichtet sind, welche das Licht aufgrund einer Propagation durch den einen oder mehrere Schallkanäle erfährt. Vor oder hinter meint in diesem Kontext bevorzugt strahlauf- oder abwärts in Bezug auf die Lichtausbreitungsrichtung im Substrat.
Vorteilhafterweise können somit Lichtstrahlen gezielt in Richtung des Lichtaustrittsbereiches oder Auskoppelbereiches gelenkt werden, um die holographische Abbildung in dem Interaktionsbereich zu erzeugen und/oder der Strahlenverlauf besonders einfach ausgestaltet werden. In bevorzugten Ausführungsformen befindet sich am Lichtaustrittsbereich oder am Auskoppelbereich das zweite holographisch-optische Element. Daher kann es bevorzugt sein, dass das Licht in Richtung des zweiten holographisch-optischen Elements gelenkt wird, bevor das Licht in den Interaktionsbereich zur Erzeugung der holographischen Abbildung emittiert wird.
Durch ein holographisch-optisches Element zur Kompensation von Lichtstrahlen können bevorzugt unerwünschte Brechungseffekte der Schallkanäle auf die Lichtstrahlen kompensiert werden. Beispielsweise kann ein Kompensations-HOE dazu eingerichtet sein, eine divergierende Wirkung eines Schallkanals zu kompensieren, in dem die Lichtstrahlen wieder kollimiert werden. Auch eine Korrektion chromatischer Effekte kann bevorzugt sein, indem durch holographisch-optische Elemente zur Kompensation Farben korrekt zusammengeführt werden. Dabei können holographisch-optische Elemente zur Kompensation von Licht, auch Kompensations-HOEs genannt, vor einem Schallkanal, hinter einem Schallkanal, insbesondere auf einer Vorder- und/oder Rückseite und/oder auch innerhalb des Substrats eingebettet sein. Ein Kompensations-HOEs weist bevorzugt eine optische inverse Funktion zu den Schallkanälen auf, welche die Ausbreitung der Lichtstrahlen im Substrate beeinflussen und dienen bevorzugt zur Verringerung von Abbildungsfehlern.
Im Falle eines ellipsenförmigen Schallkanals kann die Kompensationsfunktion beispielsweise in Form einer Kollimation bestehen, sodass eine Wirkung des Schallkanals kompensiert, d. h. ausgeglichen wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann das System auch einen oder mehrere holographisch-optischer Elemente aufweisen, welche dazu eingerichtet sind, das Licht derart umzulenken, dass die Lichtstrahlen im Wesentlichen um die Schallkanäle herum vorbeigelenkt werden. Diese HOEs werden im Kontext der Erfindung als Umlenkungs-HOEs bezeichnet. Vorteilhaft kommen durch eine entsprechende Umlenkung Lichtstrahlen und die Schallkanäle nicht in Kontakt miteinander. Insbesondere kommt es dann zu keiner Streuung und/oder Brechung durch den Schallkanal, sodass vorteilhaft eine besonders unverfälschte und originalgetreue holographische Abbildung erzeugt wird.
In weiteren bevorzugten Ausführungsformen kann das Licht auch derart umgelenkt werden, dass es aufgefächert wird und kollimiert in Richtung des Lichtaustrittsbereiches oder Auskoppelbereiches gelenkt wird. Im Sinne der Erfindung ist mit einer Aufweitung von Licht bevorzugt eine Vergrößerung des optischen Strahldurchmessers gemeint, d. h. die Größe eines Lichtstrahls. Insbesondere bezieht sich der Strahldurchmesser auf den Durchmesser jeder Linie, die senkrecht zur Strahlachse verläuft und diese schneidet. Vorteilhafterweise kann durch eine Aufweitung der Lichtstrahlen eine vergrößerte holographische Abbildung erzeugt werden. Die Aufweitung der Lichtstrahlen kann beispielsweise durch ein holographisch-optisches Element erfolgen, das eine Wirkung einer Zerstreuungslinse hat, d. h. Licht breitflächig emittiert und insbesondere in Richtung des Lichtaustritts- oder Auskoppelbereiches ablenkt.
In weiteren Ausführungsformen können mehrere holographisch-optische Elemente zur Aufweitung des Lichts eingesetzt werden. Im erfindungsgemäßen Kontext kann dies als Pupillenexpansion beschrieben werden. Der Ausdruck lehnt sich an eine Pupillenexpansion beim Menschen an, wenn beispielsweise bei Dunkelheit eine erhöhte Lichtmenge in die Iris des Auges treffen soll, um Objekte zu erkennen. Im erfindungsgemäßen Kontext ist mit der Pupillenexpansion eine Erhöhung der Ausmaße gemeint, mit der Licht in den Lichtautrittsbereich oder Auskoppelbereich gelenkt wird.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das System dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat einen Einkoppelbereich und einen Auskoppelbereich aufweist, wobei die einen oder mehreren Schallkanäle den Auskoppelbereich mindestens teilweise umgeben und das Licht zum Auskoppelbereich des Substrats durch ein oder mehrere holographisch-optische Elemente an den Schallkanälen vorbeigelenkt wird und/oder das Licht zum Auskoppelbereich des Substrats durch einen Lichtkanal an Schallkanälen vorbei geleitet wird, wobei bevorzugt nach den Schallkanälen ein oder mehrere holographisch-optische Elemente vorliegen, welche das Licht aufweiten und kollimiert auf den Auskoppelbereich lenken.
Die genannten Möglichkeiten zur Anbringung von holographischen-optischen Elementen zur Kompensation, Umlenkung und/oder Aufweitung von Licht können insbesondere auch eingesetzt werden, wenn das Substrat als Lichtleiter fungiert. Im erfindungsgemäßen Kontext können die holographisch-optischen Elemente, die für die beschriebenen optischen Funktionen dienen, als Kompensations-HOE, Umlenkungs-HOE oder Aufweitungs-HOE bezeichnet werden. Insbesondere kann es bevorzugt sein, mehrere solcher holographisch-optischer Elemente am und/oder in dem Substrat anzuordnen. In bevorzugten Ausführungsformen sind das Kompensations-HOE, Umlenkungs-HOE oder Aufweitungs-HOE ausgewählt aus einer Gruppe umfassend ein oder mehrere Reflexion- und/oder Transmissionshologramme.
Weiterhin ist es bevorzugt, dass das Substrat mit einem Lichtkanal verbunden ist und die Lichtquelle den Lichtkanal bestrahlt und über den Lichtkanal das Licht in das Substrat eingelassen wird. Insbesondere kann daraufhin das Licht gezielt so abgelenkt werden, dass es sich nicht durch die Schallkanäle ausbreiten muss, sondern um die Schallkanäle herum. Licht wird vorzugsweise so in den Lichtkanal eingekoppelt, dass es stets an der Grenzfläche zwischen einem optisch dichteren Material (höherer Brechungsindex) des Lichtkanals und einem optisch dünneren Material (niedrigerer Brechungsindex) der Umgebung des Lichtkanals total reflektiert wird.
Vorteilhafterweise liefert das erfindungsgemäße System eine Vielzahl von Möglichkeiten, um das Licht insbesondere an die Schallkanäle vorbei zu lenken und in den Austritts- oder Auskoppelbereich propagieren zu lassen, um die holographische Abbildung darzustellen. Insbesondere kann dabei ohne zusätzlichen Aufwand (oder Kompensations-HOEs) zuverlässig verhindert werden, dass die holographische Abbildung durch die geometrische Ausgestaltung der Schallkanäle Abbildungsfehler erfährt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das System dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat ein Material umfasst, welches ein optischer Kunststoff ist, vorzugsweise ausgewählt ist aus einer Gruppe umfassend Polymethylmethacrylat (PMMA), Polycarbonat (PC), Cycloolefin-Polymere (COP), Cycloolefin-Copolymere (COC) und/oder ein optisches Glas ist, vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe umfassend, Borosilikatglas, B270, N-BK7, N-SF2, P-SF68, P-SK57Q1, P-SK58A und/oder P-BK7.
Diese Materialien zeichnen sich durch gute optische Eigenschaften für die Holographie aus und eignen sich zudem gut für Fertigungen im industriellen Maßstab. So zeichnen sie sich vorteilhaft durch eine kosteneffiziente Serienfertigung aus bei gleichbleibender, höchster optischer Qualität. Weiterhin können vielfältige geometrische und komplexe Geometrien ermöglicht werden, beispielsweise durch weitere Verarbeitungen.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung eine Verwendung des erfindungsgemäßen Systems zur Erzeugung einer haptischen Wahrnehmung und einer holographischen Abbildung in einem Interaktionsbereich. So kann vorteilhaft die holographische Abbildung besonders effizient und optimal haptisch wahrgenommen werden. Insbesondere können Druckunterschiede mit der geometrischen Ausgestaltung des Gegenstandes, den die holographische Abbildung darstellen soll, korrespondieren, sodass für einen Nutzer ein besonders realistischer Eindruck entsteht.
Der durchschnittliche Fachmann erkennt, dass technische Merkmale, Definitionen und Vorteile bevorzugter Ausführungsformen, welche für das erfindungsgemäßen System zur Erzeugung einer haptischen Wahrnehmung und einer holographischen Abbildung beschrieben wurden, gleichermaßen für die Verwendung des Systems zur Erzeugung einer haptischen Wahrnehmung und einer holographischen Abbildung gelten und umgekehrt.
Insbesondere kann das erfindungsgemäße System mit bei einer Vielzahl von Anwendungsbereichen, insbesondere in vielen modernen technologischen Anwendungen eingesetzt werden.
Vorteilhaft kann das erfindungsgemäße System beispielsweise im Zusammenhang mit Bedienflächen, beispielsweise holographischen Knöpfen eingesetzt werden. Ein holographischer Knopf bezeichnet im Sinne der Erfindung eine holographische Abbildung, die erzeugt wird und mit einem Nutzer interagieren kann. Das Interagieren des Benutzers kann insbesondere eine Berührung betreffen. Beispielsweise kann eine Berührung dazu führen, dass eine bestimmte Funktion erfüllt wird. So kann es denkbar sein, dass durch das erfindungsgemäße System eine Tastatur und/oder ein Steuerknüppel als holographische Abbildung dargestellt wird. Ein Nutzer kann dabei beispielsweise über die holographische Abbildung die Tastatur und/oder den Steuerknüppel bedienen, ohne dabei die eigentliche Tastatur und/oder den Steuerknüppel berühren zu müssen. Dies trifft auf jegliche Objekte zu, die durch holographische Abbildung visualisiert werden können. Dies wirkt sich besonders vorteilhaft auf die Hygiene aus, da die Gegenstände selbst nicht berührt werden müssen. Insbesondere bei Vorrichtungen, die üblicherweise von vielen Benutzern verwendet werden, wie beispielsweise ein Gangwahlhebel eines Autos und/oder eine Tastatur beispielsweise eine Fahrstuhles, ist dies relevant.
Das erfindungsgemäße System soll im Folgenden anhand von Beispielen näher erläutert werden, ohne auf diese Beispiele beschränkt zu sein.
FIGUREN
Figurenliste

1 a-b Darstellung einer Einkopplung von Licht durch Edgelit und über ein erstes holographisch-optisches Element
2 Schematische Darstellung des Schallfeldes
3 a-b Darstellung von Schallkanälen um ein zweites holographisch-optisches Element in Drauf- und Seitenansicht
4 Darstellung von umlaufenden Schallkanälen um ein zweites holographisch-optisches Element in Draufsicht
5 Darstellung des erfindungsgemäßen Systems in Draufsicht
6 a-b Darstellung einer Wirkung unterschiedlicher Querschnitte der Schallkanäle auf den Strahlenverlauf von Licht
7a-b Darstellung einer Wirkung eines Kompensations-HOE
8 a-b Darstellung einer Anordnung von Kompensations-HOEs
9 a-b Darstellung eines Schallkanals als Spalt in Drauf- und Seitenansicht
10 a-b Darstellung einer Anordnung gekippter Schallkanäle und gekippter Schallwandler
11 Darstellung eines Strahlenverlaufs durch gekippte Schallkanäle
12 Darstellung des erfindungsgemäßen Systems mit einem Lichtkanal und einem Aufweitungs-HOE
13 Darstellung des erfindungsgemäßen Systems in Kombination mit einem Aufweitungs-HOE über eine Pupillenexpansion
14 Darstellung einer möglichen Anordnung von Umlenkungs-HOEs
15 a-b Darstellung von mit einem Material befüllten Schallkanälen
16 Darstellung von mehreren Kompensations-HOEs

Detaillierte Beschreibung der Figuren
1 zeigt eine schematische Darstellung von verschiedenen Möglichkeiten, um Licht in ein Substrat 5 einzustrahlen und/oder einzukoppeln.
1a stellt eine Ausführungsform dar, in der das Licht durch ein Edgelit in das Substrat eingelassen wird. Dabei wird Licht von einer Lichtquelle 7 in Richtung eines Substrats 5 emittiert. Die Lichtquelle 7 kann beispielsweise eine LED sein. Insbesondere kann das Licht das Substrat 5 seitlich treffen und über eine Seite eingekoppelt werden, d. h. über eine Kante in das Substrats eingelassen werden. Das Licht kann innerhalb des Substrats in Richtung eines zweiten holographisch-optischen Elements 15 propagieren, durch das eine holographische in einem Interaktionsbereich erzeugt wird, d.h. dass ein Nutzer eine holographische optisch (durch Sehen) und haptisch oder taktil wahrnehmen kann. Insbesondere kann das zweite holographisch-optische Element 15 als Auskoppelhologramm ausgestaltet sein, sodass die holographische als freischwebend im Interaktionsbereich in Erscheinung tritt.
1b stellt eine Ausführungsform dar, in der das Licht durch ein erstes holographisch-optisches Element 13 in das Substrat 5 eingelassen wird. Das Licht kann durch das erste holographisch-optische Element 13 mit einer bestimmten Wellenlänge (und damit einer bestimmten Farbe) und einem bestimmten Einfallswinkel in das Substrat 5 eingekoppelt und entsprechend der erhaltenen Funktion gerichtet abgelenkt werden. Insbesondere kann das Licht gezielt in Richtung des zweiten holographisch-optischen Elements 15 gelenkt werden, um die holographische in dem Interaktionsbereich zu erzeugen.
2 zeigt eine schematische Darstellung des Schallfeldes, das durch eine Emission von Schallwellen durch Schallwandler (nicht abgebildet) erzeugt werden kann. Je nach Anordnung von Schallkanälen (nicht abgebildet) können durch Interferenzphänomene Schalldrücke und/oder ein Schalldruckmuster entstehen, um eine haptische Wahrnehmung zu erhalten. Insbesondere in einem Nahbereich durch konstruktive Interferenz kann ein besonders intensives haptisches Signal wahrgenommen werden, während in einem Fernbereich die auslaufenden Schallwellen destruktiv interferieren und das haptische Signal schwächer wird und beim Verlassen des Interaktionsbereiches für einen Nutzer nicht mehr spürbar ist. Bevorzugt können definierte Druckfelderhöhungen erzeugt werden, was von der Leistung der Schallwandler, der Anordnung der Schallkanäle und/oder deren geometrischen Ausgestaltung abhängig ist. Beispielsweise können Druckfelderhöhungen mit einem Faktor von bis zu ca. 3 erzielt werden zwischen verschiedenen räumlichen Abschnitten innerhalb des Interaktionsbereiches.
Durch die Ausgestaltung verschiedener Druckschwankungen innerhalb des Interaktionsbereiches kann eine besonders realistische haptische Wahrnehmung der holographischen erzeugt werden. So ist es beispielsweise möglich, dass die holographische ein Objekt, wie einen Steuerknüppel darstellt. Der Bereich des Steuerknüppels, der angefasst werden würde, kann durch das erfindungsgemäße System 1 einen höheren Druck aufweisen als einen Bereich, der die Konturen abbildet. Durch die haptische Wahrnehmung kann dem Nutzer der Eindruck vermittelt werden, dass er den Gegenstand, beispielsweise den Steuerknüppel, selbst in die Hand nimmt. Bevorzugt können die Schallwandler ein Beamforming der Schallwellen einsetzen, um Schallwellen besonders gerichtet und fokussiert und damit auch intensiv an bestimmten Bereichen des Interaktionsbereiches zu emittieren.
3 zeigt eine Anordnung von Schallkanälen, welche einen Auskoppelbereich umfassend ein zweites holographisch-optisches Element 15 umgeben in Drauf- und Seitenansicht.
3a zeigt eine Draufsicht einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen System 1. Hierbei umgeben die Schallkanäle 11 teilweise einen Auskoppelbereich umfassend ein zweites holographisch-optische Element 15. In einem Bereich, aus dem die Lichtstrahlen oder Lichtbündel ausgehend von der Lichtquelle 7 in Richtung des zweiten holographisch-optischen Elements 15 propagieren (dargestellt durch den Pfeil in der Figur), sind keine Schallkanäle 11 angeordnet. Hierdurch erfährt das Licht keine unerwünschte Ablenkung, beispielsweise durch eine Linsenwirkung, die durch die Schallkanäle 11 resultieren könnte. Stattdessen kann das Licht sich vorteilhaft ungebrochen in Richtung des holographisch-optischen Elements 15 ausbreiten, um die holographische in dem Interaktionsbereich zu erzeugen. Die Schallkanäle 11 sind als Öffnungen innerhalb des Substrats 5 ausgebildet.
3b zeigt eine Seitenansicht dieser Ausführungsform. Wie aus der Seitenansicht ersichtlich, befindet sich das Substrat 5 zwischen den Schallwandlern 9 und dem Interaktionsbereich. Die Schallwellen breiten sich durch die Schallkanäle 11 in Richtung der holographischen aus, um durch Druckschwankungen zusätzlich ein haptisches Signal für einen Benutzer innerhalb des Interaktionsbereiches zu erzeugen.
4 zeigt eine Darstellung in Draufsicht von Schallkanälen 11, welche vollständig einen Auskoppelbereich umfassend das zweite holographisch-optische Element 15 umgeben. In dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems 1 sind die Schallkanäle 11 als Öffnungen durchgängig umlaufend entlang des zweiten holographisch-optischen Elements 15 angeordnet, sodass die Schallwellen durch diese hindurchgelangen und ein besonders fokussiertes und/oder breitflächiges haptisches Signal erzeugen können.
5 zeigt eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems 1 in Draufsicht. Die Lichtquelle 7 emittiert das Licht in Richtung des Substrats 5. Die Figur zeigt, dass das Licht während der Propagation durch den Schallkanal 11 eine Ablenkung erfährt. Dies ist darin begründet, dass Substratmaterial und ein Medium, welches sich innerhalb des Schallkanals 11 befindet, unterschiedliche Brechungsindizes aufweisen können. Die Schallwandler 9 befinden sich hinter dem Substrat 5, wobei die emittierten Schallwellen (angedeutet durch einen Kreis um den Schallwandler 9) die Schallkanäle 11 passieren.
Insbesondere können von den Schallwandlern Ultraschallwellen emittiert werden. Beim Einsatz von Ultraschall wird die taktile oder haptische Empfindung für einen Nutzer durch Schalldruckschwankungen im Interaktionsbereich ausgelöst. Dabei hat sich Ultraschall als besonders vorteilhaft erwiesen, um eine besonders realistische haptische Wahrnehmung beim Benutzer zu generieren.
Das Licht breitet sich in Richtung des zweiten holographisch-optischen Elements 15 aus, sodass vor einem Austritts- oder Auskoppelbereich des Substrates 5 die holographische erscheinen kann. Somit wird es durch das erfindungsgemäße System 1 ermöglicht, sowohl eine holographische als auch eine haptische Wahrnehmung zu erzeugen, ohne dass das Substrat 5 den Schall blockiert oder hemmt.
6 illustriert die Wirkung unterschiedlich geometrisch geformter Querschnitte der Schallkanäle auf die Ausbreitung von Licht im Substrat 5 dar.
6a illustriert die Wirkung von eckigen Querschnitten auf die Lichtausbreitung. Es ist zu erkennen, dass es mit einem Schallkanal mit einem eckigen Querschnitt, insbesondere einem viereckigen Querschnitt ermöglicht wird, dass Lichtstrahlen keine oder nur eine geringe Ablenkung erfahren. Hierzu wird werden die Grenzflächen des Schallkanals 11 vorzugsweise orthogonal zum Ausbreitungsrichtung der Lichtstrahlen orientiert. Dies ist vorteilhaft für die Auslegung der Optik des erfindungsgemäßen Systems 1, da der Verlauf des Lichts besonders einfach kontrolliert werden kann, beispielsweise durch Anbringen von optischen Komponenten und/oder holographisch-optischen Elementen. Somit eignen sich eckige Querschnitte, insbesondere viereckige Querschnitte der Schallkanäle 11, besonders gut, um einen effektiven und einfachen Strahlenverlauf zu erhalten.
6b illustriert die Wirkung von Schallkanälen 11 mit einem ellipsenförmigen Querschnitt auf die Lichtausbreitung. Ein ellipsenförmiger Querschnitt der Schallkanäle 11 ist vorteilhaft für die Propagation von Schallwellen, da das Modenspektrum bei einer ellipsenförmigen Form wenig oder gar nicht verändert wird.
Beim Passieren eines Schallkanals 11 mit einem ellipsenförmigen (gezeigt ist ein kreisförmiger) Querschnitt kann ein Lichtstrahl jedoch seine Kollimation verlieren und nach außen gebrochen werden. Somit kann ein ellipsenförmiger Querschnitt eine ähnliche Wirkung wie eine Zerstreuungslinse haben. Wie im Folgenden detaillierter ausgeführt können verschiedene Möglichkeiten zur Kompensation vorgesehen sein, um die Lichtstrahlen wieder zu kollimieren.
7 illustriert die Wirkung eines Kompensations-HOE 17 in bevorzugten Ausführungsformen.
In 7a liegt ein Kompensation-HOE 17 derart angeordnet vor, dass das Licht dieses passiert, nach dem es einen Schallkanal 11 durchquert. Hierdurch kann das Licht kollimiert werden, sofern der Schallkanal beispielsweise die Wirkung einer Zerstreuungslinse aufweist.
7b zeigt eine weitere Möglichkeit, um etwaige unerwünschte Wirkungen des Schallkanal 11 auf die Lichtausbreitung zu kompensieren. In der gezeigten Ausführungsform ist Kompensations-HOE 17 derart angeordnet, dass das Licht dieses zuerst passiert, bevor es den Schallkanal 11 durchquert hat. Das Kompensations-HOE 17 kann ist dafür eingerichtet die Brechungswirkung des Schallkanals vor zu kompensieren, beispielsweise in dem das Kompensations-HOE 17 die optische Funktion aufweist. Das Kompensations-HOE 17 ist bevorzugt derart ausgelegt, dass es unterschiedliche Einstrahlwinkel akzeptiert und unterschiedliche Wellenlängen korrekt zusammenfügt, sodass chromatische Aberrationen in der Lichtausbreitung im Substrat vermieden werden.
8 illustriert weitere mögliche Anordnungen von Kompensations-HOEs 17. In 8a ist das Kompensation-HOE 17 in das Substrat 5 eingebettet, während in 8b das Substrat auf einer Oberfläche des Substrats 5 liegt. Das Kompensation-HOE 17 kann beispielsweise durch Laminieren und/oder Kleben mit dem Substrat 5 verbunden werden, beispielsweise in Form einer Folie.
Die illustrierten Verbindungsmöglichkeiten mit dem Substrat 5 gelten im Übrigen analog für alle gezeigten holographisch-optischen Elemente. Bevorzugt können die holographisch-optischen Elemente auf und/oder in das Substrat 5 angebracht werden.
9 zeigt eine Darstellung eines Schallkanals 11 als Spalt in Drauf- und Seitenansicht. Insbesondere ein eckiger, vor allem ein viereckiger Querschnitt, der Schallkanäle 11 hat sich als vorteilhaft für den Strahlenverlauf erwiesen, da die Komplexität des Strahlenverlaufs verringert wird.
9a zeigt eine Darstellung in Draufsicht, in der mehrere Schallkanäle 11 derart angeordnet sind, dass diese einen Auskoppelbereich umfassend das zweite holographisch-optische Element 15 umgeben, wobei einen Schallkanal 11 als ein Spalt ausgebildet ist. Der als Spalt ausgebildete Schallkanal 11 ist derart angeordnet, dass das Licht zunächst den Spalt passiert, bevor zum zweiten holographischen-Element 15 propagiert, um die holographische zu erzeugen.
9b zeigt die gleiche Anordnung wie die die 9a in Seitenansicht.
10 illustriert eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems 1 dar, in der die Schallkanäle 11 und/oder die Schallwandler 9 geneigt vorliegen.
In 10a wird gezeigt, dass die Schallkanäle 11 verkippt sind. Dadurch erfahren die Schallwellen, die durch die Schallkanäle 11 propagieren, ein andere Beugungsverhalten auf, als wenn die Schallkanäle 11 nicht verkippt wären. Dabei zeichnet sich ein verkippter Schallkanal 11 durch das Aufweisen eines Neigungswinkels aus. Vorteilhafterweise lässt sich hierdurch der Schalldruck an bestimmten Positionen des Interaktionsbereich erhöhen, sodass ein ausgeprägteres haptisches Signal erzeugt werden kann.
10b zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems 1, in dem die Schallkanäle 11 und die Schallwandler 9 verkippt vorliegen. Hierbei zeigte sich vorteilhaft, dass der Schalldruck und die haptisch wahrnehmbaren Druckschwankungen in besonderem Maße erhöht werden konnte.
In 11 wird der Strahlenverlauf und eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems 1 gezeigt, in dem die Schallkanäle 11 verkippt sind.
In 11a wird der Strahlengang eines Lichtstrahls dargestellt, der sich durch einen verkippten Schallkanal ausbreitet. Dabei ist zu erkennen, dass das Licht am Schallkanal 11 gebrochen wird, da das Substratmaterial und das Material, das sich innerhalb des Schallkanals 11 befindet, unterschiedliche Brechungsindizes aufweisen. Daher ist das erfindungsgemäße System 1 ist vorzugsweise derart auszulegen, dass die Brechungswirkung des Schallkanals kompensiert wird oder aber das Licht an den Schallkanälen vorbeigeführt wird.
11 b zeigt eine Ausführungsform, in der nicht alle, aber einige Schallkanäle 11 verkippt sind, sodass weiterhin ein erhöhter Schalldruck im Interaktionsbereich erzielt werden kann. Vorteilhafterweise führt dies zu einer intensiven haptischen Wahrnehmung der holographischen .
In 12 wird eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems 1 illustriert, in dem ein Aufweitungs-HOE 21 angeordnet ist. Weiterhin weist das erfindungsgemäße System 1 einen Lichtkanal 23 auf. Die Lichtquelle emittiert Licht in Richtung des Lichtkanals 23. Vorteilhaft ist hierbei der Lichtkanal 23 derart mit dem Substrat 5 verbunden, dass das Licht gezielt an den Schallkanälen 11 vorbeigelenkt wird. Dadurch erfährt vorteilhaft das Licht keine Brechung, sodass keine Kompensation selbiger notwendig wird. Der Lichtkanal 23 leitet das Licht stattdessen weiter zu einem Aufweitungs-HOE 21. Durch das Aufweitungs-HOE 21 wird das Licht aufgeweitet, insbesondere in Bezug auf die Ausbreitungsfläche. Dadurch wird das Licht großflächig vorzugsweise kollimiert in Richtung des zweiten holographische-optischen Elements 15 gelenkt, um die holographische darzustellen.
13 illustriert eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems 1 dar, welche ein Aufweitungs-HOE 21 aufweist. Dabei werden mehrere holographisch-optische Elemente nebeneinander angeordnet, um eine Pupillenexpansion zu erhalten. Das Licht von der Lichtquelle 7 wird sehr schmal in das Substrat 5 eingekoppelt und derart abgelenkt, dass es an die Schallkanäle 11 herum propagiert und durch das Aufweitungs-HOE 21 in Form von mehreren holographisch-optischen Elementen eine Pupillenexpansion erfährt. Dabei wird Licht ebenfalls aufgeweitet, wobei das Licht von mehreren holographisch-optischen Elementen vorzugsweise aufgeweitet und kollimiert zum zweiten holographisch-optischen Element gelenkt wird.
14 zeigt eine weitere Möglichkeit, um das Licht gezielt an die Schallkanäle 11 vorbei zu lenken. Dies ist besonders vorteilhaft für Ausführungsformen, in denen die Schallkanäle einen ellipsenförmigen Querschnitt aufweisen, da dabei Licht nach außen brechen könnte. Dabei werden zusätzliche Umlenkungs-HOEs 19 eingesetzt, um das Licht gezielt an den Schallkanäle 11 vorbei zu lenken, insbesondere durch Totalreflexionen. Anschließend gelangt das Licht zum zweiten holographisch-optischen Element 15, um die holographische zu erzeugen. Die Umlenkungs-HOEs 19 können dabei als Transmissions- und/oder Reflexionshologramme ausgebildet sein. Insbesondere ist es auch möglich, dass mehrere Lichtquellen 7, insbesondere zwei Lichtquellen 7, eingesetzt werden.
15a zeigt eine Ausführungsform, bei der einige Schallkanäle 11 mit einem Material befüllt sind. Vorzugsweise weist das Material einen ähnlichen Brechungsindex wie das Substratmaterial auf. Je geringer der Unterschied der Brechungsindizes zwischen Substratmaterial und dem Material, das in die Schallkanäle 11 befüllt wird, desto geringer sind vorteilhaft Brechungseffekt bzw. Winkeländerungen, die das Licht auf dem Weg zum zweiten holographisch-optischen Element 15 erfährt, um schließlich die holographische zu erzeugen. Als besonders vorteilhaft hat sich Öl als Füllmaterial der Schallkanäle 11 erwiesen, da sich Öl, bevorzugt optisches Öl, mit einem Brechungsindex wählen lässt, welcher sich besonders nahe an bevorzugte optische Gläser oder Kunststoffe anpassen lässt und gleichzeitig eine gute Schalltransmission verzeichnet. Auch Materialien wie Glycerin, Wasser und/oder Silikonöl können vorteilhaft für die Befüllung der Schallkanäle 11 eingesetzt werden.
15b illustriert schematisch eine Querschnittsansicht eines Ausschnitt (dargestellt durch die gestrichelte Linie) des Substrats 5, das einen Schallkanal 11 aufweist, der mit einem Material vorzugsweise einem Fluid befüllt ist. Zum Einschluss des Materials (dargestellt durch die schwarze Befüllung) wird eine Folie oder Membran 25 entlang des Schallkanals 11 aufgebracht. Bevorzugt wird die Folie oder die Membran 25 beidseitig an den Oberflächen des Substrats 5 angebracht, um den befüllten Schallkanäle 11 zu verschließen. Vorzugsweise ist die Folie oder die Membran 25 transparent für das Licht der Lichtquelle und undurchlässig für das eingeschlossene Material, vorzugsweise des Fluides. Die Membran kann beispielsweise eine Silikonmembran und die Folie beispielsweise eine transparente Kunststoff-Folie, z.B. eine PMMA-Folie (Polymethylmethacrylat-Folie) sein und im Bereich der Schallkanäle mit einem optischen Kleber oder einer OCA-Folie (nicht gezeigt) auf der Substratoberfläche angebracht vorliegen. Zur Abdeckung sowie zum Schutze der Folie bzw. Membran 25 kann es bevorzugt sein, einen Foliendeckel 27 auf die Folie oder Membran 25 aufzubringen. Der Foliendeckel 27 weist in dem Bereich des Schallkanals 11 eine Öffnung 29 auf, welche in Form und Größe der Form und Größe des (Querschnitts des) Schallkanals 11 entspricht. Der Foliendeckel 27 kann vorzugsweise aus dem gleichen Material wie das Substrat 5 bestehen.
16 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems, in der mehrere Kompensations-HOEs 17 angeordnet sind. Hierbei befindet sich jeweils ein Kompensations-HOE 17 vor und hinter einem kreisförmigen Schallkanal 11. Hierdurch kann vorteilhaft dies Kompensation des Lichts vereinfacht werden, indem durch ein Kompensations-HOE 17 vor dem Schallkanal 11 das Licht derart fokussiert wird, dass die Lichtstrahlen beim Eintritt und Austritt aus dem Schallkanälen orthogonal auf die Grenzflächen treffen. Unerwünschte Brechungseffekte und Abbildungsfehler können auf diese Weise besonders effizient vermieden werden.
Bezugszeichenliste

1: System
2: Einkoppelbereich
3: Holographische Abbildung
4: Auskoppelbereich
5: Substrat
7: Lichtquelle
9: Schallwandler
11: Schallkanal
13: Erstes holographisch-optisches Element
15: Zweites holographisch-optisches Element
17: Kompensations-HOE
19: Umlenkungs-HOE
21: Aufweitungs-HOE
23: Lichtkanal
25: Folie oder Membran
27: Foliendeckel
29: Öffnung im Foliendeckel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 9612658 B2 [0008]
WO 2014181084 A1 [0009]
DE 102016214478 A1 [0011]
DE 2016210213 A1 [0012]
DE 102017211378 A1 [0013]

Claims

System (1) zur Erzeugung einer haptischen Wahrnehmung und einer holographischen Abbildung (3) in einem Interaktionsbereich umfassend a. eine Lichtquelle (7) zur Emission von Licht, b. einen Grundkörper umfassend ein Substrat (5) und mindestens ein holographisch-optisches Element (13, 15, 17, 19, 21, 23), wobei die Lichtquelle (7) und der Grundkörper dafür ausgelegt sind, eine holographische Abbildung (3) in dem Interaktionsbereich zu erzeugen sowie c. einen oder mehrere Schallwandler (9) für eine Emission von Schallwellen in Richtung des Interaktionsbereiches, sodass Druckschwankungen innerhalb des Interaktionsbereiches (3) haptisch spürbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Substrat (5) zwischen dem einen oder den mehreren Schallwandlern (9) und dem Interaktionsbereich befindet und das Substrat (5) einen oder mehrere Schallkanäle (11) aufweist, wobei sich die Schallwellen mindestens teilweise durch die einen oder mehrere Schallkanäle (9) in Richtung der holographischen Abbildung (3) ausbreiten.
System (1) nach dem vorherigen Anspruch dadurch gekennzeichnet, dass das System (1) dazu ausgelegt ist, die holographische Abbildung (3) durch ein Transmissionshologramm und/oder ein Reflexionshologramm zu erzeugen.
System (1) nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat einen Einkoppelbereich (2) und einen Auskoppelbereich (4) aufweist, welche sich an unterschiedlichen Positionen auf dem Substrat befinden und das Licht innerhalb des Substrats (5) zwischen dem Einkoppelbereich (2) und dem Auskoppelbereich (4) durch Reflexionen, vorzugsweise Totalreflexionen, propagiert.
System (1) nach dem vorherigen Anspruch dadurch gekennzeichnet, dass der Einkoppelbereich (2) sich an einem Rand des Substrats (5) befindet und/oder der Einkoppelbereich (2) ein erstes holographisch-optisches Element (13) aufweist, wobei durch das erste holographisch-optische Element (13) das Licht in das Substrat (5) einkoppelbar und innerhalb des Substrats (5) ablenkbar ist.
System (1) nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche 3 und/oder 4 dadurch gekennzeichnet, dass der Auskoppelbereich (4) ein zweites holographisch-optisches Element (15) aufweist und über den Auskoppelbereich (4) Licht zur Erzeugung der holographischen Abbildung (3) in dem Interaktionsbereich austritt.
System (1) nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das System 2, 3, 5, 10, 20, 50, 100 oder mehr Schallwandler (9) aufweist, wobei die Schallwandler (9) bevorzugt als Array angeordnet sind.
System (1) nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Schallwandler (9) Ultraschallwandler sind, welche konfiguriert sind für eine Schallemission in einem Frequenzbereich von 20 kHz bis 100 kHz, bevorzugt 30 kHz bis 60 kHz.
System (1) nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Druckschwankungen durch akustische Schallwellen mit einer Trägerfrequenz und einer Modulationsfrequenz erzeugt werden, wobei bevorzugt die Trägerfrequenz zwischen 20 und 100 kHz beträgt und/oder die Modulationsfrequenz in einem Bereich zwischen 0,1 Hz und 500 Hz, besonders bevorzugt einem Bereich zwischen 150 Hz und 250 Hz, liegt.
System (1) nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass sich die Lichtquelle (7) innerhalb oder außerhalb des Substrats (5) befindet, wobei bevorzugt die Lichtquelle (7) ein Laser und/oder eine LED ist.
System (1) nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die einen oder mehrere Schallkanäle (11) als Öffnungen innerhalb des Substrats (5) ausgebildet sind.
System (1) nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die einen oder mehrere Schallkanäle (11) einen ellipsenförmigen und/oder einen viereckigen Querschnitt aufweisen.
System (1) nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die einen oder mehrere Schallkanäle (11) im Substrat einen Neigungswinkel aufweisen, sodass eine Fokussierung der Schallwellen auf die holographische Abbildung (3) ermöglicht wird.
System (1) nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die einen oder mehrere Schallkanäle (11) einen Austrittsbereich oder Auskoppelbereich (4) teilweise oder vollständig innerhalb des Substrats (5) umgeben.
System (1) nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere Schallkanäle (11) als Öffnungen innerhalb des Substrats (5) mit einem Material, vorzugsweise einem Fluid, besonders bevorzugt Wasser, Glycerin, einem Öl, bevorzugt einem Silikonöl, befüllt sind, wobei das Material einen Brechungsindex aufweist, der im Wesentlichen einem Brechungsindex des Substrats entspricht.
System (1) nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Schallkanäle (11) als Öffnungen innerhalb des Substrats (5) mit einem Material, vorzugsweise einem Fluid, befüllt sind, wobei eine Membran oder eine Folie (25) auf dem Substrat (5) mindestens über den Bereich des einen oder der mehreren befüllten Schallkanäle (11) aufgebracht vorliegt.
System (1) nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (5) einen oder mehrere holographisch-optische Elemente vor und/oder hinter einem oder mehreren Schallkanälen (11) aufweist, welche für eine Kompensation (17), einer Umlenkung (19) und/oder einer Aufweitung (21) des Lichtes eingerichtet sind, welche das Licht aufgrund einer Propagation durch den einen oder mehrere Schallkanäle (11) erfährt.
System (1) nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (5) einen Einkoppelbereich (2) und einen Auskoppelbereich (4) aufweist wobei die einen oder mehrere Schallkanäle (11) den Auskoppelbereich (4) mindestens teilweise umgeben und das Licht zum Auskoppelbereich (4) des Substrats (5) durch einen oder mehrere holographisch-optische Elemente (19) an den Schallkanälen vorbeigelenkt wird und/oder das Licht zum Auskoppelbereich (4) des Substrats (5) durch einen Lichtkanal (23) an Schallkanälen (11) vorbei geleitet wird, wobei bevorzugt nach den Schallkanälen ein oder mehrere holographisch-optische Elemente (21) vorliegen, welche das Licht aufweiten und kollimiert auf den Auskoppelbereich lenken.
System (1) nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (5) ein Material umfasst, welches ein optischer Kunststoff ist, vorzugsweise ausgewählt ist aus einer Gruppe umfassend Polymethylmethacrylat (PMMA), Polycarbonat (PC), Cycloolefin-Polymere (COP), Cycloolefin-Copolymere (COC) und/oder ein optisches Glas ist, vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe umfassend, Borosilikatglas, B270, N-BK7, N-SF2, P-SF68, P-SK57Q1, P-SK58A und/oder P-BK7.
Verwendung des Systems (1) nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche zur Erzeugung einer haptischen Wahrnehmung und einer holographischen Abbildung (3) in einem Interaktionsbereich.