DE102022122789A1

DE102022122789A1 - Funktionalisierter Wellenleiter

Info

Publication number: DE102022122789A1
Application number: DE102022122789.8A
Authority: DE
Inventors: Viktor Schütz; Petr Vojtisek; Yi Zhong
Original assignee: Carl Zeiss Jena GmbH
Current assignee: Jenoptik AG
Priority date: 2022-09-08
Filing date: 2022-09-08
Publication date: 2024-03-14
Also published as: WO2024052536A1

Abstract

Es wird ein funktionalisierter Wellenleiter bereitgestellt,wobei der Wellenleiter (1) einen transparenten Basiskörper (6) mit einer Vorderseite (7) und einer Rückseite (8) aufweist,wobei der Basiskörper (6) einen Einkoppelbereich (4) und einen davon in einer ersten Richtung beabstandeten Auskoppelbereich (5) aufweist,wobei der Einkoppelbereich (4) eine diffraktive Struktur (12) umfasst, die von einem Objekt (9) kommende und auf sie treffende Strahlung (L1) mindestens einen Teil so umlenkt, dass der umgelenkte Teil als eingekoppelte Strahlung im Basiskörper (6) durch Reflexionen bis zum Auskoppelbereich (5) propagiert und auf den Auskoppelbereich (5) trifft,wobei an der Vorderseite (7) und/oder Rückseite (8) eine Antireflexionsschicht (13, 14) ausgebildet ist, die Störstrahlung, die erst nach eine Reflexion an der Vorderseite (7) und/oder Rückseite (8) auf die diffraktive Struktur (12) treffen würde, an der Vorderseite (7) und/oder Rückseite (8) transmittiert und somit die Reflexion an der Vorderseite (7) und/oder Rückseite (8) unterdrückt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen funktionalisierten Wellenleiter, der beispielsweise in einem Detektorsystem oder einem Bildschirm einsetzbar ist.
Transparente Oberflächen aus Glas oder Kunststoff wie beispielsweise Fenster oder Windschutzscheiben in Autos weisen einen transparenten Basiskörper auf und dienen in der Regel lediglich dem Schutz von Personen oder Gegenständen vor Umwelteinflüssen wie Wind, Temperatur, Partikeln oder Strahlung.
Es besteht zunehmend ein Interesse daran, einen solchen transparenten Basiskörper zur Verfügung zu stellen, der eine zusätzliche optische Funktionalität bereitstellt.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen transparenten Basiskörper mit einer zusätzlichen optischen Funktionalität bereitzustellen.
Die Erfindung ist in den unabhängigen Ansprüchen definiert. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Bei dem erfindungsgemäßen funktionalisierten Wellenleiter ist an der Vorderseite und/oder Rückseite eine Antireflexionsschicht ausgebildet ist, die eine Reflexion der Störstrahlung an der Vorderseite und/oder Rückseite insbesondere dadurch unterdrückt, dass die Störstrahlung an der Vorderseite und/oder Rückseite transmittiert wird. Dadurch können z.B. unerwünschte Geisterbilder oder sonstige unerwünschte Effekte der Störstrahlung mittels des funktionalisierten Wellenleiters verhindert oder zumindest deutlich verringert werden. Bevorzugt wird 100% oder mindestens 90% oder mehr als 90%, 91%, 92%, 93%, 94%, 95%, 96%, 97%, 98% oder 99% der Störstrahlung an der Vorderseite und/oder Rückseite transmittiert, wodurch die gewünschte Unterdrückung der Reflexion der Störstrahlung an der Vorderseite und/oder Rückseite erreicht wird.
Im transparenten Basiskörper kann ein (z.B. teiltransparenter) Einkoppelbereich und ein davon in einer ersten Richtung beabstandeter Auskoppelbereich vorgesehen bzw. ausgebildet sein.
Der Einkoppelbereich kann eine diffraktive Struktur aufweisen, mit der die Transparenz des Einkoppelbereiches bei normaler Durchsicht in einem großen Winkel- und Wellenlängenbereich erhalten bleibt. Es kann somit von der auf eine Vorderseite des transparenten Basiskörpers treffenden Strahlung mittels des transparenten Einkoppelbereiches nur ein Teil so umgelenkt werden, dass der umgelenkte Teil als eingekoppelte Strahlung im Basiskörper durch Reflexion bis zum Auskoppelbereich propagiert und auf den Auskoppelbereich trifft.
Die Reflexionen können insbesondere interne Totalreflexionen an der Vorder- und/oder Rückseite des transparenten Basiskörpers sein. Es ist jedoch auch möglich, dass reflektive Schichten bzw. Beschichtungen oder teilreflektive Schichten oder Beschichtungen dafür vorgesehen sind.
Die Vorder- und Rückseite des transparenten Basiskörpers können als plane Flächen ausgebildet sein. So kann der transparente Basiskörper beispielsweise als planparallele Platte ausgebildet sein.
Es ist jedoch auch möglich, dass die Vorderseite und/oder die Rückseite gekrümmt ausgebildet sind.
Der transparente Basiskörper kann aus Glas und/oder Kunststoff hergestellt sein. Er kann einstückig sein oder einen mehrschichtigen Aufbau aufweisen.
Insbesondere kann der transparente Basiskörper für Strahlung bzw. Licht aus dem sichtbaren Wellenlängenbereich transparent sein. Ferner kann eine Transparenz für das nahe Infrarot und/oder den Infrarotbereich vorliegen.
Der Auskoppelbereich des transparenten Basiskörpers kann von der auf ihn treffenden eingekoppelten Strahlung mindestens einen Teil so umlenken, dass der umgelenkte Teil aus dem Basiskörper austritt. Bevorzugt erfolgt dies über die Vorderseite oder Rückseite des transparenten Basiskörpers.
Der Einkoppelbereich und der Auskoppelbereich können so ausgebildet sein, dass sie neben der Umlenkung keine optische abbildende Funktion bewirken. Es ist jedoch auch möglich, dass der Einkoppelbereich und/oder der Auskoppelbereich zusätzlich zur Umlenkung eine optische Abbildungsfunktion bereitstellen und somit eine optische Abbildung bewirken. So kann die optische Abbildungsfunktion beispielsweise die Funktion einer Sammellinse oder Zerstreuungslinse, eines konkaven oder konvexen Spiegels verwirklichen, wobei die gekrümmten Flächen (zentriert oder dezentriert) sphärisch gekrümmt, asphärisch gekrümmte Flächen oder Freiformflächen sein können.
Die diffraktive Struktur des Einkoppelbereiches kann als vergrabene diffraktive Struktur, als diffraktive Struktur zwischen zwei Substraten oder als auf der Vorder- oder Rückseite ausgebildete diffraktive Struktur verwirklicht sein.
Ferner kann der Auskoppelbereich eine diffraktive Struktur aufweisen. Die diffraktive Struktur des Auskoppelbereiches kann als vergrabene diffraktive Struktur oder als diffraktive Struktur auf der Vorderseite oder Rückseite ausgebildet sein.
Als diffraktive Struktur des Einkoppelbereiches bzw. des Auskoppelbereiches kann ein reflektives oder transmissives Volumenhologramm vorgesehen sein. Ferner ist es möglich, dass die diffraktive Struktur des Auskoppel- bzw. Einkoppelbereiches ein transmissives oder reflektives Reliefgitter ist.
Wenn der Einkoppelbereich als (reflektives oder transmissives) Volumenhologramm ausgebildet ist, kann die Antireflexionsschicht direkt auf dem Volumenhologramm ausgebildet sein. Insbesondere kann das Volumenhologramm als Stapel mehrerer einzelner Volumenhologramme ausgebildet sein, wobei jedes einzelne Volumenhologramm für eine vorbestimmte Wellenlänge optimiert ist. So können zum Beispiel drei einzelne Volumenhologramme für Wellenlängen aus dem roten, grünen bzw. blauen Wellenlängenbereich optimiert sein. Bei der Ausbildung des Volumenhologramms als Stapel mehrerer einzelner Volumenhologramme ist die Antireflexionsschicht bevorzugt als erste oder letzte Schicht eines solchen Stapels ausgebildet.
Die Antireflexionsschicht kann bevorzugt so ausgebildet sein, dass sie für die vorbestimmten Wellenlängen, für die das Volumenhologramm des Einkoppelbereiches ausgelegt ist, transmissiv ist. So kann die Antireflexionsschicht eine auf die Akzeptanzcharakteristik der diffraktiven Struktur des Einkoppelbereiches (oder des bzw. der Volumenhologramme) ausgelegte Transmissivität aufweisen. Unter der Akzeptanzcharakteristik wird hier insbesondere verstanden, dass für gewisse Richtung bzw. Einfallswinkel es gewisse Wellenlängenspektren gibt, die an der diffraktiven Struktur gebeugt werden.
Ferner ist es möglich, dass die Antireflexionsschicht als Breitband-Antireflexionsschicht ausgelegt ist, die im gesamten vorbestimmten Einfallswinkelbereich für alle benutzten Wellenlängen transmissiv ist.
Die Antireflexionsschicht kann als eine einzelne Schicht oder als Mehrschichtsystem (beispielsweise als Multischichtsystem, als Interferenzschichtsystem und/oder als Mottenauge-Antireflexionsschicht) ausgebildet sein.
Die Antireflexionsschicht kann für einen Einfallswinkelbereich von beispielweise 80°-100° ausgelegt sein.
Die Antireflexionsschicht bzw. die Antireflexionsschichten können in einer breiten Variantenvielfalt realisiert werden. Zum einen kann die Antireflexionsschicht in der einfachsten Form aus einer einzelnen Schicht, z.B. aus MgF₂ (beispielsweise bei auf Brillengläsern), und in komplexeren Ausführungen aus mehreren 10 bis 100 Schichten gebildet sein oder bestehen, z.B. wie bei Hochleistungsentspiegelungen auf Optiken in ultrakurz-gepulsten Lasern. Beispielmaterialien sind TiO₂ und SiO₂. Die Antireflexionsschicht kann planar ausgeführt und/ oder auch auf zusätzlich strukturierten Oberflächen realisiert sein. Beispiele hierfür sich sogenannte Mottenaugen-Strukturen und/ oder auch pyramidale Oberflächen, wie sie z.B. auf monokristallinen Siliziumsolarzellen realisiert werden. Typischerweise können angepasste Antireflexionsschicht mit für den Fachmann bekannten Softwarelösungen ausgelegt und optimiert werden.
Bevorzugt überdeckt die Antireflexionsschicht die diffraktive Struktur des Einkoppelbereiches vollständig. Dazu kann die Antireflexionsschicht die gleiche Größe wie die diffraktive Struktur aufweisen oder größer sein (beispielsweise 5-10% größer).
Der Auskoppelbereich kann ferner 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.
Ferner wird ein Detektorsystem mit einem erfindungsgemäßen funktionalisierten Wellenleiter (einschließlich aller Weiterbildungen) bereitgestellt. Das Detektorsystem kann einen Detektor aufweisen, auf den der vom Auskoppelbereich umgelenkte Teil der Strahlung trifft. Der Detektor kann mit der Vorder- oder der Rückseite des Basiskörpers verbunden sein. Insbesondere kann eine direkte Verbindung vorliegen.
Das Detektorsystem kann insbesondere als Kamera ausgebildet sein, so dass eine Aufnahme (z.B. ein einzelnes Bild, mehrere Bilder oder ein Video) des Objektes durchgeführt werden kann.
Ferner kann das Detektorsystem so ausgebildet sein, dass im Bereich zwischen dem Detektor und der Vorder- bzw. Rückseite mindestens ein optisch abbildendes Element angeordnet ist. Es ist auch möglich, dass der Bereich zwischen dem Detektor und der Vorder- bzw. Rückseite frei von abbildenden optischen Elementen ist. In anderen Worten trifft somit die vom Auskoppelbereich ausgekoppelte Strahlung auf den Detektor, ohne durch weitere optisch abbildende Elemente gelaufen zu sein. In diesem Fall ist es vorteilhaft, wenn der Auskoppelbereich zusätzlich zur Umlenkung eine optisch abbildende Eigenschaft aufweist.
Der funktionalisierte Wellenleiter kann so ausgebildet sein, dass er eine unendlich-unendlich-Abbildung durchführt. Es ist jedoch auch möglich, dass er eine endlich-unendlich-Abbildung, eine unendlich-endlich-Abbildung oder eine endlich-endlich-Abbildung durchführt.
Das Detektorsystem kann natürlich auch so ausgebildet sein, dass zwischen dem Detektor und der Vorder- bzw. Rückseite noch mindestens ein optisch abbildendes Element angeordnet ist.
Ferner wird ein Projektionssystem oder ein Bildschirm mit einem erfindungsgemäßen funktionalisierten Wellenleiter (einschließlich aller Weiterbildungen) bereitgestellt. Insbesondere kann der erfindungsgemäße funktionalisierten Wellenleiter z.B. mit der Rückseite des transparenten Basiskörpers auf einer Vorderseite eines Bildschirms angeordnet (z.B. mit dieser verbunden) sein, so dass vom Bildschirm über seine Vorderseite abzugebendes Licht zur Darstellung eines vorbestimmten Bildes über die Rückseite des Basiskörpers in diesen eintritt, bis zur Vorderseite des Basiskörpers läuft und über die Vorderseite des Basiskörpers austritt. Durch die Antireflexionsschicht wird z.B. der Teil des Lichts des Bildschirms, der auf die Antireflexionsschicht trifft, von dieser transmittiert, wodurch unerwünschtes Störlicht verhindert werden kann.
Das so gebildete System aus Wellenleiter und Bildschirm kann z.B. als ein Stand-alone Bildschirm (z.B. ein Bildschirm für einen Computer), als ein Laptop-Bildschirm, als ein Mobiltelefon, als ein Tablet, etc. ausgebildet sein.
Der Bildschirm kann so weitergebildet werden, dass das beschriebene Detektorsystem (insbesondere mit der beschriebenen Kamera-Funktionalität) vorgesehen ist. Damit kann das Objekt (z.B. eine auf den Bildschirm blickende Person) aufgenommen werden. Dies kann beispielsweise so realisiert werden, das eine auf den Bildschirm blickende Person so aufgenommen wird, das sie während z.B. einer Videotelefonie (oder Videokonferenz) der auf dem Bildschirm dargestellten Person, mit der die Videotelefonie durchgeführt wird, in die Augen blickt, sodass ein natürlicher Eindruck bei der Videotelefonie entsteht. Wesentlich dafür ist, dass die Aufnahmerichtung der Kamera z.B. senkrecht zur Vorderseite des Bildschirms ist, was mit dem erfindungsgemäßen Bildschirm aufgrund des funktionalisierten Wellenleiters möglich ist. Dies ist vorteilhaft zu bekannten Lösungen, bei denen die Kamera am Rand des Bildschirms oder im Bildschirmrahmen angeordnet ist, wodurch eine auf den Bildschirm blickende Person schräg von oben, von unten oder von der Seite aufgenommen wird. Dadurch tritt der bekannte Effekt auf, dass die aufgenommene Person scheinbar an einem vorbeiblickt.
Im Bereich des Auskoppelbereiches bzw -abschnitts kann der Bildschirm z.B. keine LCD-Elemente (oder sonstigen bilderzeugenden Elemente) aufweisen oder ist beispielsweise transparent ausgebildet. Insbesondere kann der Auskoppelbereich bzw -abschnitt in einem Bereich liegen, in dem keine Bildinformation durch den Bildschirm erzeugt wird. Auch ist es möglich, dass im Bereich Auskoppelbereiches bzw -abschnitts kein Teil des Bildschirms ausgebildet ist. Dadurch kann z.B. sichergestellt werden, dass der vom Auskoppelbereich umgelenkte Teil der eingekoppelten Strahlung auf den Detektor trifft.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, die ebenfalls erfindungswesentliche Merkmale offenbaren, noch näher erläutert. Diese Ausführungsbeispiele dienen lediglich der Veranschaulichung und sind nicht als einschränkend auszulegen. Beispielsweise ist eine Beschreibung eines Ausführungsbeispiels mit einer Vielzahl von Elementen oder Komponenten nicht dahingehend auszulegen, dass alle diese Elemente oder Komponenten zur Implementierung notwendig sind. Vielmehr können andere Ausführungsbeispiele auch alternative Elemente und Komponenten, weniger Elemente oder Komponenten oder zusätzliche Elemente oder Komponenten enthalten. Elemente oder Komponenten verschiedener Ausführungsbeispiele können miteinander kombiniert werden, sofern nichts anderes angegeben ist. Modifikationen und Abwandlungen, welche für eines der Ausführungsbeispiele beschrieben werden, können auch auf andere Ausführungsbeispiele anwendbar sein. Zur Vermeidung von Wiederholungen werden gleiche oder einander entsprechende Elemente in verschiedenen Figuren mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet und nicht mehrmals erläutert. Von den Figuren zeigen:

1 eine Seitenansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Detektorsystems;
2 eine Draufsicht des Wellenleiters 1 von 1 ;
3 eine schematische Darstellung der spektral aufgelösten, winkelabhängigen Ablenkeffizienz des transmissiven Volumenhologramms des Einkoppelbereiches 4;
4 eine schematische Darstellung der Ablenkeffizienz für drei unterschiedliche Einfallswinkel in Abhängigkeit der Wellenlänge;
5 eine Seitenansicht eines Detektorsystems mit einem Wellenleiter ohne Antireflexionsschicht;
6 eine schematisch vergrößerte Darstellung des Einkoppelbereiches der Seitenansicht von 5;
7 eine Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Detektorsystems;
8 eine Seitenansicht eines Detektorsystems mit einem Wellenleiter ohne Antireflexionsschicht;
9 eine Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Detektorsystems, und
10 eine Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Detektorsystems.

Die Ansichten gemäß 1 und 2 zeigen eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wellenleiters 1 zusammen mit einem Detektorsystem 2, um eine Kamera 3 zu realisieren.
Der Wellenleiter 1 umfasst dazu einen Einkoppelbereich 4 sowie einen davon in einer ersten Richtung (hier entlang der y-Achse) beabstandeten Auskoppelbereich 5 und kann als planparallelen Platte 6 mit einer planen Vorderseite 7 und einer planen Rückseite 8 ausgebildet sein. Die planparallele Platte 6, die auch als Basiskörper 6 bezeichnet werden kann, ist aus einem transparenten Material, wie zum Beispiel Glas oder Kunststoff, gebildet.
Das Detektorsystem 2 und der untere Teil der Platte 6 mit dem Auskoppelbereich 5 können in einem nur in 1 schematisch dargestellten Gehäuse G angeordnet sein, so dass für einen Benutzer auf den ersten Blick nicht erkennbar ist, dass es sich um eine Kamera 3 handelt. Im Gehäuse kann eine Steuereinheit S vorgesehen sein, die die Durchführung einer Aufnahme steuern kann, und beispielsweise einen Prozessor P und einen Speicher M aufweist.
Mit der Kamera 3 kann ein Objekt 9 in der Art und Weise abgebildet werden, dass vom Objekt 9 ausgehende Lichtbündel (es ist stellvertretend ein Lichtstrahl L1 eingezeichnet) über die Vorderseite 7 in die Platte 6 eintreten und vom Einkoppelbereich 4 so umgelenkt werden, dass sie unter einem solchen Winkel auf die Rückseite 8 treffen, dass interne Totalreflexion stattfindet. Somit werden die Lichtbündel L1 durch interne Totalreflexion an der Vorderseite 7 und Rückseite 8 bis zum Auskoppelbereich 5 geführt, der eine Umlenkung in Richtung zur Rückseite 8 bewirkt, so dass die Lichtbündel L1 über die Rückseite 8 aus der Platte 6 austreten. Natürlich ist es auch möglich, die Vorder- und Rückseite 7, 8 mit einer reflektiven oder teilreflektiven Beschichtung (in 1 und 2 nicht gezeigt) zu beschichten, so dass die Führung der Lichtbündel in der Platte 6 vom Ein- zum Auskoppelbereich 4, 5 durch Reflexionen an der reflektiven oder teilreflektiven Beschichtung erfolgt.
Mittels eines Objektives 10 des Detektorsystems 2 werden die Lichtbündel L1 dann auf einen Detektor 11 des Detektorsystems 2 fokussiert, so dass mittels des Detektors 11 das gewünschte Bild des Objektes 9 aufgenommen werden kann. In 1 ist die Darstellung bezüglich der Abbildungseigenschaften des Objektives 10 rein schematisch. Das Detektorsystem 2 kann auch so ausgebildet sein, dass kein Objektiv 10 benötigt wird. Es ist beispielsweise möglich, dass der Auskoppelbereich 5 eine gewünschte abbildende Funktion (zusätzlich zur Strahlumlenkung) bereitstellt.
Der Einkoppelbereich 4 kann z.B. ein transmissives Volumenhologramm 12 aufweisen, das eine einfallswinkelabhängige Wellenlängenselektivität aufweist, so dass es für einen großen Winkel- und Wellenlängenbereich eine hohe Transparenz besitzt. Das bedeutet, dass nur ein Teil der vom Objekt 9 ausgehenden und auf den Einkoppelbereich 4 (bzw. auf das transmissive Volumenhologramm 12) treffenden Lichtbündel L1 in der beschriebenen Art und Weise umgelenkt werden. Andere Lichtbündel vom Objekt 9 propagieren durch den Einkoppelbereich 4 (bzw. durch das transmissive Volumenhologramm 12) und treten über die Rückseite 8 aus der Platte 6 aus. Somit kann der Einkoppelbereich 4 als teiltransparent bezeichnet werden.
In 3 ist schematisch die spektral aufgelöste, winkelabhängige Ablenkeffizienz für das transmissive Volumenhologramm 12 des Einkoppelbereiches 4 in Abhängigkeit des Einfallswinkels (in der y-z-Ebene) des entsprechenden Lichtbündels dargestellt, wobei entlang der x-Achse die Wellenlänge in µm und entlang der y-Achse der Einfallswinkel in ° aufgetragen ist. In 4 ist die Ablenkeffizienz für die Einfallswinkel + 20°,0° und - 20° dargestellt, wobei die Wellenlänge in nm entlang der x-Achse und die Effizienz entlang der y-Achse aufgetragen ist.
Aus 3 und 4 kann entnommen werden, dass das transmissive Volumenhologramm 12 des Einkoppelbereiches 4 für einen Einfallswinkel von -20° Strahlung aus dem Spektralbereich von 392 nm bis 398 nm (λ_zentral = 395 nm ± 3 nm) mit hoher Effizienz ablenkt und somit in die planparallele Platte 6 einkoppelt. Für Einfallswinkel von 0° liegt die hohe Effizienz für den Spektralbereich von 528 nm bis 536 nm (λ_zentral = 532 nm ± 4 nm) vor und für den Einfallswinkel von +20° liegt eine hohe Einkoppeleffizienz für den Spektralbereich von 600 nm bis 610 nm (λ_zentral = 605 nm ± 5 nm).
Der Einkoppelbereich 4 weist zusätzlich eine Antireflexionschicht 13 (1 und 2) auf, die so ausgelegt ist, dass sie Lichtbündel (es ist stellvertretend ein Lichtstrahl L2 eingezeichnet), die z.B. vom Objekt 9 stammen und zu einem unerwünschten Geisterbild am Detektor 11 führen würden, transmittiert, so dass sie über die Rückseite 8 aus der Platte 6 austreten und daher nicht auf den Detektor 11 treffen können. Ohne die Antireflexionschicht 13 würde ein Teil der Lichtbündel L2 an der Grenzfläche Rückseite 8 - Luft in Richtung zur Vorderseite 7 zurückreflektiert werden, wie schematisch in 5 dargestellt ist. Zur Vereinfachung der Darstellung ist in 5 der zurückreflektierte Teil der Lichtbündel in y-Richtung versetzt eingezeichnet.
Von diesem zurückreflektierten Teil der Lichtbündel L2, der bei der Ausbildung des Wellenleiters in 5 auf das Volumenhologramm 12 trifft, wird ein gewisser Anteil an der Grenzfläche Luft-Vorderseite 7 reflektiert und vom Volumenhologramm 12 umgelenkt, wie in 6 schematisch eingezeichnet ist. Dieser umgelenkte Teil der Lichtbündel L2 wird dann in gleicher Weise wie der umgelenkte Teil der Lichtbündel L1 bis zum Auskoppelabschnitt 5 geführt und ausgekoppelt, so dass ein unerwünschtes Geisterbild erzeugt wird.
In 6 ist schematisch vergrößert für ein Objekt 9' dargestellt, wie es zu dem unerwünschten Geisterbild kommen kann. Lichtstrahlen L2₁ und L2₂ durchlaufen das Volumenhologramm 12 (ohne abgelenkt zu werden), werden an der Grenzfläche Luft-Rückseite 8 reflektiert (es wird ein erstes virtuelle Bild 9'₁ durch die Reflexion an der Grenzfläche Luft-Rückseite 8 erzeugt), durchlaufen erneut das Volumenhologramm 12, werden an der Grenzfläche Luft-Vorderseite 7 reflektiert (es wird ein zweites virtuelle Bild 9'₂ durch die Reflexion an der Grenzfläche Luft-Vorderseite 7 erzeugt) und werden dann vom Volumenhologramm 12 so umgelenkt, dass sie in der Platte 6 zum Auskoppelbereich 5 geführt werden. Diese Lichtstrahlen L2₁ und L2₂ erzeugen somit ein zweites virtuelle Bild 9'₂, das als Geisterbild um den doppelten Abstand d von Vorderseite 7 zu Rückseite 8 vom Objekt 9' versetzt erscheint.
Durch das Vorsehen der Antireflexionschicht 13 gemäß 1 und 2 wird ein solches unerwünschtes Geisterbild stark reduziert, da mittels der Antireflexionsschicht 13 (1) die Lichtstrahlen L2, L2₁ und L2₂ transmittiert und somit nicht mehr an der Grenzfläche Luft-Rückseite 8 reflektiert werden.
In 7 ist eine Abwandlung der Ausführungsform gemäß 1 und 2 gezeigt. Bei der Ausführungsform von 7 ist eine Antireflexionschicht 14 auf der Vorderseite 7 vor dem Volumenhologramm 12 ausgebildet. Damit werden unerwünschte Geisterbilder verhindert, die von Lichtbündeln (es ist stellvertretend ein Lichtstrahl L3 eingezeichnet) stammen können, die über die Rückseite 8 in die Platte 6 eintreten und durch das Volumenhologramm 12 laufen. Ein Teil dieser Lichtbündel würde dann an der Grenzfläche Vorderseite 7 - Luft reflektiert werden (wie in 8 schematisch dargestellt ist) und wiederum auf das Volumenhologramm 12 treffen, das einen Teil davon in der in 8 gezeigten Art umlenken würde, wodurch dieses Licht in der Platte 6 bis zum Auskoppelabschnitt 5 geführt werden und mittels des Auskoppelabschnitt 5 ausgekoppelt werden und zu dem unerwünschten Geisterbild führen würde. Aufgrund der Antireflexionschicht 14 auf der Vorderseite 7 werden die Lichtbündel L3 jedoch transmittiert (7), so dass solche Geisterbilder verhindert werden können.
Bei der in 9 gezeigten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wellenleiters 2 ist dieser auf einem Bildschirm 20 aufgebracht, der in einem Gehäuse 21 sitzt, in dem ebenfalls das Detektorsystem 2 aufgenommen ist. Das so gebildete System kann z.B. als ein Stand-alone Bildschirm (z.B. ein Bildschirm für einen Computer), ein Laptop-Bildschirm, ein Mobiltelefon, ein Tablet, etc. ausgebildet sein. Die Darstellung in 9 ist rein schematisch und insbesondere nicht maßstabstreu.
Die Rückseite 8 des Basiskörpers 6 ist mit einer Vorderseite 22 des Bildschirms 20 verbunden (z.B. verklebt), so dass das vom Bildschirm 20 über seine Vorderseite 22 abgegebene Licht (L3, L4) zur Erzeugung eines vorbestimmten Bildes auf dem Bildschirm 20 durch die Rückseite 8 in den transparenten Basiskörper 6 eintritt, in diesem bis zur Vorderseite 7 läuft und über die Vorderseite 7 austritt, so dass ein Betrachter das vom Bildschirm 20 erzeugte Bild wahrnehmen kann. Dieses vom Bildschirm 20 abgegebene Licht L3, L4 könnte z.B. im Bereich des Einkoppelbereiches 4 zu unerwünschtem Störlicht führen. Da jedoch die Antireflexionsschicht 14 vorgesehen ist, werden die evtl. zur Störlicht führenden Lichtstrahlen L3 transmittiert und treten somit über die Vorderseite 7 aus dem Basiskörper 6 aus. Somit führt das vom Bildschirm 20 abgegebene Licht zu keinem unerwünschten Störlicht und es kommt zu keiner unerwünschten reduzierten Helligkeit im vom Bildschirm 20 erzeugten Bild im Bereich des Einkoppelbereiches 4.
Im Bereich des Auskoppelabschnitts 5 weist der Bildschirm 20 z.B. keine LCD-Elemente auf oder ist beispielsweise transparent, damit die vom Auskoppelabschnitt 5 umgelenkten Lichtbündel L1 vom Objektiv 10 auf den Detektor 11 fokussiert werden können. So kann der Auskoppelabschnitt 5 in einem Bereich liegen, in dem keine Bildinformation durch den Bildschirm 20 erzeugt wird (dazu ist anzumerken, dass die Darstellung in 9 schematisch und nicht maßstabstreu ist).
In 10 ist eine Abwandlung der Ausführungsform gemäß 1 und 2, bei zusätzlich zur Antireflexionschicht 13 eine Antireflexionschicht 14 gemäß 4 vorgesehen ist, so dass eine Unterdrückung von unerwünschten Geisterbilder aufgrund von Lichtbündeln L2 und L3 verhindert werden kann.
Die in 1, 2, 7, 9 und 10 gezeigten Lichtbündel L2, L3 treffen jeweils senkrecht auf die Vorderseite 7 bzw. Rückseite 8. Natürlich können die Antireflexionsschichten 13, 14 für einen vorbestimmten Einfallswinkelbereich der Lichtbündel L2, L3 ausgelegt sein. Dieser vorbestimmte Einfallswinkelbereich kann beispielsweise 80°-100° betragen. Unter dem Einfallswinkel wird hier insbesondere der Winkel des Lichtbündels L2 zum Lot auf die Vorderseite (also 0° in 1) bzw. der Winkel des Lichtbündels L3 zum Lot auf die Rückseite (also 0° in 7) in der jeweiligen y-z-Ebene verstanden. Der Einfallswinkelbereich in der x-z-Ebene kann gleich groß (dann liegt ein rotationssymmetrischer Einfallswinkelbereich vor) oder größer als der Einfallswinkelbereich in der y-z-Ebene sein, wobei ein Verhältnis von nicht größer als 2:1 oder 3:2 vorliegen kann. Der vorbestimmte Einfallswinkelbereich ist bevorzugt symmetrisch zum jeweiligen Lot, so dass bei einem vorbestimmten Einfallswinkelbereich von z.B. 80° der Bereich von -40° bis 40° abgedeckt ist.
Der Wellenleiter 1 gemäß 1, 2, 7, 9 und 10 kann so ausgebildet sein, dass weder der Einkoppelbereich 4 noch der Auskoppelbereich 5 eine abbildende Funktion aufweist. In diesem Fall liegt eine Unendlich-Unendlich-Konfiguration des Wellenleiters 1 vor. Man kann auch sagen, dass der Wellenleiter 1 eine Unendlich-Unendlich-Abbildung durchführt. Der Detektor 11 kann zum Beispiel ein CCD-Detektor oder ein CMOS-Detektor sein.
Da der Einkoppelbereich 4 das transmissives Volumenhologramm 12 aufweist, führt die Einkopplung mittels des transmissiven Volumenhologramms 12 zu einer Dispersion innerhalb des eingekoppelten Spektralbereiches für jeden Winkel. Wenn der Auskoppelbereich 5 ein in gleicher Weise ausgebildetes transmissives Volumenhologramm wie der Einkoppelbereich 4 aufweist, wird die durch den Einkoppelbereich 4 bedingte Dispersion kompensiert und alle spektralen Anteile werden wieder in den entsprechenden Winkel abgelenkt.
Alternativ zur beschriebenen Unendlich-Unendlich-Konfiguration des Wellenleiters 1 kann der Einkoppelbereich 4 und/oder der Auskoppelbereich 5 zum Beispiel eine abbildende Funktion in Form einer Linsenfunktion oder Hohlspiegelfunktion aufweisen. Dadurch können Endlich-Unendlich-, Unendlich-Endlich- oder Endlich-Endlich-Abbildungskonfigurationen mittels des Wellenleiters 1 realisiert werden. Bei dem Einkoppelbereich 4 kann dies beispielsweise dazu genutzt werden, um ein Objekt 9 aufzunehmen, das so nah an dem Wellenleiter 1 positioniert ist, das optisch nicht mehr von einem unendlich weit entfernten Objekt ausgegangen werden kann. Beim Auskoppelbereich 5 ermöglicht eine Implementierung einer solchen Linsen- oder Hohlspiegelfunktion, das ausgekoppelte Winkelspektrum gleich in eine Ortsverteilung in der Brennebene dieser implementierten Linsen- oder Spiegelfunktion zu überführen. In diesem Fall kann das Objektiv 10 zum Beispiel weggelassen werden. In diesem Fall kann man sagen, dass das Detektorsystem 2 den Detektor 11 sowie die Linsen- und/oder Hohlspiegelfunktion des Auskoppelbereiches 5 aufweist. Da das Objektiv 10 entfallen kann, kann der Detektor 11 beispielsweise direkt auf der Rückseite 8 des Wellenleiters 1 positioniert und/oder befestigt werden, wodurch ein sehr hoher Integrationsgrad, ein minimales Volumen und eine hohe Robustheit realisiert werden kann.
Die beschriebenen reflektiven Volumenhologramme für den Einkoppelbereich 4 und den Auskoppelbereich 5 können beispielsweise so hergestellt werden, dass ein fotosensitives volumenholographische Material 12, das in den Wellenleiter 1 integriert ist, mit einer Referenzwelle mit der Wellenlänge von 532 nm, die unter einem Einfallswinkel von 0° auf die Vorderseite 7 einfällt und einer Signalwelle mit der gleichen Wellenlänge, die unter einem Einfallswinkel von 60° auf die Rückseite 8 einfällt, belichtet wird, wobei die Referenzwelle und die Signalwelle vom selben Laser stammen, so dass ein Interferenzfeld bzw. Interferenzvolumen über das fotosensitive volumenholographische Material entsteht und sich dort entsprechende Brechzahlmodifikationen ausbilden können.
Als fotosensitive volumenholographische Materialen können fotosensitive Gläser, Dichromat-Gelatinen oder Fotopolymere verwendet werden. Diese können zum Beispiel auf eine PC-Folie (Polycarbonat-Folie) aufgebracht und dort entsprechend belichtet werden. Die Folie kann dann auf ein Substrat für den Wellenleiter 1 laminiert werden, um den Wellenleiter 1 herzustellen. Dabei kann die Folie beispielsweise nur in dem Bereich des Einkoppelbereiches 4 und des Auskoppelbereiches 5 laminiert werden. Alternativ ist eine vollflächige Lamination über die gesamte Wellenleiterfläche möglich, wobei leidglich in die Ein- und Auskoppelbereiche die entsprechende Ein- und Auskoppelfunktion einbelichtet wird. Zum Schutz der Volumenhologramme ist es sinnvoll, ein weiteres Substrat auf das auflaminierte Volumenhologramm aufzubringen. Somit wird ein Schichtstapel mit folgendem prinzipiellen Aufbau realisiert: transparentes Substrat, Kitt- bzw. Kleberschicht, Volumenhologramm, Kitt- bzw. Kleberschicht, transparentes Substrat.

Claims

Funktionalisierter Wellenleiter, wobei der Wellenleiter (1) einen transparenten Basiskörper (6) mit einer Vorderseite (7) und einer Rückseite (8) aufweist, wobei der Basiskörper (6) einen Einkoppelbereich (4) und einen davon in einer ersten Richtung beabstandeten Auskoppelbereich (5) aufweist, wobei der Einkoppelbereich (4) eine diffraktive Struktur (12) umfasst, die von einem Objekt (9) kommende und auf sie treffende Strahlung (L1) mindestens einen Teil so umlenkt, dass der umgelenkte Teil als eingekoppelte Strahlung im Basiskörper (6) durch Reflexionen bis zum Auskoppelbereich (5) propagiert und auf den Auskoppelbereich (5) trifft, der von der auf ihn treffenden eingekoppelten Strahlung mindestens einen Teil so umlenkt, dass der umgelenkte Teil aus dem Basiskörper (6) austritt, wobei an der Vorderseite (7) und/oder Rückseite (8) eine Antireflexionsschicht (13, 14) ausgebildet ist, die Störstrahlung, die erst nach eine Reflexion an der Vorderseite (7) und/oder Rückseite (8) auf die diffraktive Struktur (12) treffen würde, an der Vorderseite (7) und/oder Rückseite (8) transmittiert und somit die Reflexion an der Vorderseite (7) und/oder Rückseite (8) unterdrückt.
Wellenleiter nach Anspruch 1, wobei eine erste Antireflexionsschicht (13, 14) auf der Vorderseite (7) ausgebildet ist.
Wellenleiter nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine zweite Antireflexionsschicht (13, 14) auf der Rückseite (8) ausgebildet ist.
Wellenleiter nach einem der obigen Ansprüche, wobei die Antireflexionsschicht(en) (13, 14) die diffraktive Struktur (12) vollständig überdeckt/überdecken.
Wellenleiter nach einem der obigen Ansprüche, wobei die erste Antireflexionsschicht (13, 14) und/oder die zweite Antireflexionsschicht (13, 14) so ausgebildet sind/ist, die vom zu detektierenden Objekt (9) kommende Strahlung (L1) zu transmittieren.
Wellenleiter nach einem der obigen Ansprüche, wobei die diffraktive Struktur (12) als transmissives oder reflektives Volumenhologramm ausgebildet ist.
Detektorsystem mit einem funktionalisierten Wellenleiter (1) nach einem der obigen Ansprüche.
Detektorsystem nach Anspruch 7, wobei das Detektorsystem einen Detektor (2) aufweist, auf den der vom Auskoppelbereich (5) umgelenkte Teil der Strahlung trifft.
Detektorsystem nach Anspruch 7 oder 8, wobei das Detektorsystem einen Bildschirm (20) mit einer Vorderseite (22) aufweist, der zur Darstellung eines Bildes Licht (L3, L4) über die Vorderseite (22) abstrahlen kann, wobei der Basiskörper (6) mit seiner Rückseite (8) auf der Vorderseite (22) des Bildschirms angebracht ist, so dass das vom Bildschirm (20) kommende Licht (L3, L4) durch den Basiskörper (6) läuft und über die Vorderseite (7) des Basiskörpers (6) austritt, wobei der Teil (L3) des vom Bildschirm (20) kommenden Lichts (L3, L4), der auf die Antireflexionsschicht (13, 14) trifft, von dieser transmittiert wird.