DE4318915C2

DE4318915C2 - Verfahren zur Herstellung einer holographischen Reflexionsscheibe

Info

Publication number: DE4318915C2
Application number: DE19934318915
Authority: DE
Inventors: Wilfried Dipl Ing Bullinger; Manfred Dr Griesinger
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 1993-06-07
Filing date: 1993-06-07
Publication date: 1995-04-06
Anticipated expiration: 2013-06-08
Also published as: DE4318915A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer holographischen Reflexionsscheibe nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, wie es beispielsweise aus der EP-OS 0 104 114 als bekannt hervorgeht.

In dieser Schrift wird eine holographische Reflexionsscheibe für ein Head-Up Display (HUD) beschrieben. Die holographische Reflexionsscheibe wird durch Belichten von im blauen/grünen Spektralbereich photosensiblem Material mit zueinander kohä rentem Licht entsprechender Wellenlänge hergestellt. Die ent wickelte photosensible Schicht weist in regelmäßigem Abstand Zonen erhöhter optischer Brechzahl auf. An den Schichten er höhter optischer Brechzahl kommt es zur Diffraktion des einfal lenden Lichts. Dabei ist die Diffraktionsrichtung von der Wel lenlänge des einfallenden Lichtes und dem Abstand der Zonen er höhter optischer Brechzahl durch die sogenannte Bragg-Bedingung vorgegeben. Die Zonen erhöhter optischer Brechzahl in der pho tosensiblen Schicht wird durch Interferenz zweier Lichtstrahlen in der photosensiblen Schicht erzeugt. Die Zonen erhöhter opti scher Brechzahl entsprechen dabei den Bereichen der Interfe renzmaxima. Die Belichtung der photosensiblen Schicht im roten Spektralbereich ist wegen der in diesem Frequenzbereich nicht gegebenen Empfindlichkeit der Gelatine unmöglich.

Eine solche Reflexionsscheibe ist für die Reflexion unter Bragg- Bedingungen nicht geeignet, wenn Licht im roten Wellenlängen bereich unter großem Reflexionswinkel reflektiert werden soll, da die Zonen erhöhter optischer Brechzahl einen zu geringen Ab stand zueinander aufweisen und daher das Licht im roten Wellen längenbereich unter einem zu geringen Winkel reflektiert wird. Insbesonders bei Personenkraftwagen, die eine stark geneigte Windschutzscheibe aufweisen, sollen jedoch beispielsweise Warn zeichen in roten Signalen dargestellt werden um die Aufmerk samkeit des Fahrers auf sich zu ziehen.

Aufgabe der Erfindung ist es, das gattungsgemäß zugrundegelegte Verfahren dahingehend zu verbessern, daß der Diffraktionswinkel von Licht unter Bragg-Bedingungen an einer holographischen Re flexionsscheibe vergrößert wird.

Diese Aufgabe wird bei Zugrundelegung des gattungsgemäßen Ver fahrens erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 gelöst.

Dadurch daß bei der Erzeugung der Ebenen erhöhter optischer Brechzahl, im folgenden Bragg-Ebenen genannt, in der Träger schicht kein Übergang in der optischen Brechzahl zwischen dem Milieu und der Trägerschicht vorhanden ist, wird es ermöglicht die interferierenden Strahlen unter größeren Einfallswinkeln gegenüber der Flächennormalen in die Trägerschicht einzuleiten. Diese Maßnahme vergrößert den Abstand der Interferenzmaxima der beiden Strahlen in der Trägerschicht, die den Abstand der Bragg- Ebenen bestimmt. Durch den größeren Abstand der Bragg-Ebenen wiederum werden größere Diffraktionswinkel ermöglicht. Ein wei terer Vorteil der Erfindung ist, daß durch die Aufnahme in einem Milieu gleicher optischer Brechzahl Reflexionen beim Austritt der Lichtstrahlen aus der Reflexionsscheibe an der Oberfläche der Reflexionsscheibe vermindert werden, wodurch die Qualität des erzeugten Hologramms verbessert wird. In weiteren Ausge staltungen kann die Belichtung der Reflexionsscheibe mit zumin dest einem divergenten oder konvergenten Strahl belichtet wer den, wodurch die Schichten erhöhter optischer Dichte gekrümmt sind und dadurch entsprechende optische Eigenschaften der Re flexionsscheibe erzielt werden. Durch unterschiedliche Einfalls winkel der interferierenden Strahlen kann die Neigung der Bragg- Ebenen gegenüber der Reflexionsscheibe beeinflußt werden und somit der Reflexionswinkel in einem bestimmten Bereich von der Einbaulage (Neigung) der Reflexionsscheibe abgekoppelt werden.

Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung können den Unteran sprüchen entnommen werden; im übrigen ist die Erfindung an Hand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles nachfolgend noch erläutert; dabei zeigt:

Fig. 1 die Verhältnisse bei der Aufnahme einer holographischen Reflexionsscheibe,

Fig. 2 die Verhältnisse bei der Wiedergabe,

Fig. 3 eine Darstellung des Strahlenverlaufes bei dem erfin dungsgemäßen Verfahren und eine Vorrichtung zum Durch führen des Verfahrens,

Fig. 4 eine Darstellung der erzielbaren geometrischen Verhält nisse bei der Wiedergabe.

Die Fig. 1 zeigt die Verhältnisse bei der Aufnahme eines Diffraktionshologramms. Die Reflexionsscheibe 10 wird aus dem durchsichtigen Trägerkörper 16, beispielsweise einer Glasschei be, und der Trägerschicht 11 gebildet. Der Lichtstrahl eines Lasers wird in die beiden zueinander kohärenten Strahlen 13, 14 aufgetrennt. Die Strahlen 13 und 14 interferieren in der Trä gerschicht 11. Der Strahl 13 bzw. 14 fällt dabei unter dem Win kel α bzw. β in die Reflexionsscheibe 10. Dabei sind die Winkel stets zum Einfallslot gemessen und entgegen dem Uhrzeigersinn mit einem positiven Vorzeichen versehen. Beim Eintritt in den Trägerkörper 16 bzw. in die Trägerschicht 11 wird durch Brech ung die Strahlrichtung abgelenkt, so daß der effektive Einfalls winkel durch die Winkel α′ und β′ gegeben ist, wobei

sofern n₁, n der Brechungsindex des Trägerkörpers 16 beziehungs weise der Trägerschicht 11 sind. Auch die Wellenlänge ändert sich mit der Brechzahl des optischen Mediums. Eine zweite Brechung findet an dem Übergang von Trägerkörper zu Träger schicht statt. Die Wellenlänge in der Trägerschicht ist durch die Beziehung

gegeben. Da das Beugungsmaximum erster Ordnung ganz allgemein der Beziehung

τ′ = 2 _* d _* cos α′ (4)

unterliegt, wobei d der Abstand der teilreflektierenden Bragg- Ebenen 12 und α der Einfallswinkel der Lichtstrahlen in die Trägerschicht 11 ist, ergeben sich für den Abstand d der Bragg- Ebenen 12 in der Trägerschicht 11 und den Neigungswinkel Γ der Bragg-Ebenen 12 zur Oberfläche der Trägerschicht 11 folgende Gleichungen:

Bezogen auf die meßbaren Größen in der Luft ergibt sich:

Da während der Entwicklung der photosensiblen Trägerschicht 11 keine wesentliche Veränderung des Abstandes d der Bragg-Ebenen 12 entsteht, gelten die Gleichungen (7), (8) sowohl für die Auf nahme als auch die Rekonstruktion. Durch Elimination des Ebe nenabstandes d aus den Gleichungen für Aufnahme und Rekonstruk tion erhält man eine Beziehung zwischen Aufnahmebedingungen und Wiedergabebedingungen. Die Aufnahmewinkel α, β, sowie die Wellen länge τ des kohärenten Lichtes bei der Aufnahme, bestimmen die Bedingungen bei der Wiedergabe, durch die Beziehung:

wobei mit α′′ der Einfallswinkel des zu diffraktierenden Licht strahles zur Flächennormalen der Reflexionsscheibe 10, mit β′′ der Diffraktionswinkel des diffraktierten Strahles zur Flächen normalen der Reflexionsscheibe und mit τ′′ die Wellenlänge des Lichtes bei der Wiedergabe bezeichnet ist. Die Verhältnisse bei der Wiedergabe sind in der Fig. 2 dargestellt. Ebenso ergeben sich aus den Gleichungen (7) und (8) die Rekonstruktionsverhältnisse einer gegebenen Reflexionsscheibe mit dem Schichtab stand d und dem Neigungswinkel Γ:

Da ab Wellenlängen τ von ungefähr 540 nm die Dichromat-Gelati nen einen Transmissionskoeffizienten von 1 aufweisen, also oberhalb dieser Wellenlänge τ die Trägerschicht 11 nicht mehr photosensibel ist, ergibt sich der maximale Abstand d der Bragg- Ebenen 12 bei der Aufnahme in Luft durch streifenden Lichtein fall (α=90°) in die Trägerschicht 11 bei einer Wellenlänge τ von 514 nm durch die Gleichungen (1), (3) und (4). Der Maximale Abstand d beträgt dann d=229,8 nm. Wird das Belichten erfin dungsgemäß in einem Milieu gleicher Brechungszahl n wie die der Gelatine (n=1,5) durchgeführt, so ergibt sich bei gleicher Wel lenlänge τ des Lichts bei einem Einfallswinkel α′ von 70°, durch die Tatsache, daß keine Brechung des Lichtes bei dem Ein tritt in die Trägerschicht 11 stattfindet aus den Gleichungen (3) und (4) ein Abstand d der Bragg-Ebenen 12 von d′′=501 nm.

Die Fig. 3 zeigt den Strahlenverlauf bei der Aufnahme eines Reflexionsdiagramms und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Die Vorrichtung wird aus einem Flüssigkeitstank 30 gebildet, der zwei zueinander spitzwinklig angeordnete Scheiben 31 aufweist. An der der Schenkelbasis 36 abgewandten Seite der Scheiben 31 ist eine M-förmige Seitenwand 32 angeordnet, die mit den freien Enden der Seitenschenkel 34 an die Scheiben 31 angrenzt. Die gemeinsame Kante der Innenschenkel der M-förmigen Seitenwand 31 liegt der Schenkelbasis 36 gegenüber. Die Refle xionsscheibe 10 ist ungefähr entlang der Verbindungslinie von Schenkelbasis 36 und gemeinsamer Kante der Innenschenkel 35 angeordnet. Sie kann in kleinem Winkel zu der Verbindungslinie verschwenkt sein. Die Seitenwand 31 ist auf ihrer Innenseite mit einer Absorbtionsschicht 33 ausgekleidet. Als Absorbtions schicht kann beispielsweise eine rot gefärbte Plexiglasscheibe verwendet werden. Sie absorbiert einen großen Teil der einfal lenden, im grünen bis blauen Spektralbereich liegenden Licht strahlen 13, 14. Dabei sind die Winkel zwischen den Schenkeln der M-förmigen Seitenwand 32 so gewählt, daß auf die Seitenwand 32 einfallendes Licht danach zumindest zweimal an ihr reflek tiert wird, bevor es die Reflexionsscheibe 10 durchqueren kann. Somit wird in vorteilhafter Weise die Qualität der Diffrak tionsebenen 12 in der Trägerschicht 11 erhöht.

Der Behälter wird mit einer Flüssigkeit gefüllt, die eine zu mindest annähernd gleiche Brechzahl n wie die Trägerschicht 11 aufweist, gleichzeitig jedoch eine möglichst geringe Wechselwirkung mit dem einfallenden Licht hoher Intensität aufweist. Da die Trägerschicht 11 durch Wasser beschädigt wird, eignen sich nur wasserfreie Flüssigkeiten und Lösungen. Als Flüssig keit gleicher Brechzahl n eignet sich beispielsweise polymeres Dimethyl-, Methyl- oder auch Phenylsiloxan oder eine Mischung daraus. Besonders geeignet ist das eine Brechzahl n=1,498 auf weisende Phenyl-Methyl-Silikonöl, das unter der Bezeichnung AP-38 von der Firma Wacker-Chemie vertrieben wird. Diese Siloxane beeinflussen die optische Eigenschaften der Träger schicht 11 nicht nachteilig, sie setzen sich jedoch als Schicht auf der Trägerschicht 11 ab. Sie verhindern die Entwicklung der Trägerschicht 11, wenn sie nicht vorher abgespült werden. Zur Spülung sollte ein wasserfreies Lösungsmittel verwendet werden, das sich gegenüber der Trägerschicht 11 chemisch neutral verhält. Dazu geeignet ist beispielsweise Tetrachlorethylen.

Die von einem Laser kommenden, zueinander kohärenten, Licht bündel 13, 14 wurden auf die für das Belichten der ganzen Re flexionsscheibe 10 benötigte Breite aufgeweitet. Sie gelangen durch die Scheiben 31 in den Flüssigkeitstank. Bei dem Übergang von der Luft in die Scheiben 31 werden die Lichtstrahlen ge brochen. Beim Übergang der Lichtstrahlen 13, 14 von der Scheibe in die Flüssigkeit 15 erfolgt eine erneute Brechung sofern man nicht den Brechungsindex der Scheiben 31 an den der Flüssigkeit 15 angepaßt hat, wie dies in der Zeichnung dargestellt ist. Durch die Brechung ändert sich die Richtung und die Wellenlänge der Lichtstrahlen 13, 14 gemäß den Gleichungen 1 und 3, wobei diesen Gleichungen die Annahme zugrundeliegt, daß die Brechzahl der Luft n_L=1,0 ist. Die tatsächliche Brechzahl der Luft ist von Nebengrößen wie Luftdruck und Luftfeuchtigkeit abhängig, so daß bei der Aufnahme der Reflexionsscheibe 10 eine der tatsäch lichen Brechzahl der Luft n_L entsprechende Anpassung der Ein fallswinkel in die Scheiben 31 und, soweit möglich, der Wellen länge τ des Lichtes erfolgen sollte. Die eingeleiteten Licht bündel fallen unter dem Winkel α′ bzw. β′ auf die Reflexions scheibe 10. Bei der Reflexionsscheibe 10 ist es besonders wich tig, daß die Brechzahl der Trägerschicht 11 und des Trägerkör pers 16 aneinander angepaßt sind, damit zwischen Trägerschicht 11 und Trägerkörper keine Reflexionen stattfinden. Nach dem Durchqueren der Reflexionsscheibe 10 gelangen die Strahlen 13, 14 an die Absorptionsschicht 33, die den größten Teil des Lichtes absorbiert. Der geringe reflektierte Lichtanteil ver läßt entweder den Flüssigkeitstank 30 durch eine der Scheiben 31 oder er wird erneut unter starkem Intensitätsverlust an der Absorptionsschicht 33 gespiegelt. Ein Teil des zweimal an der Absorptionsschicht 33 gespiegelten Lichtes kann wieder in die Trägerschicht 11 gelangen, die noch vorhandene Intensität ist aber so gering, daß keine wesentliche Beeinflussung der opti schen Qualität der Reflexionsscheibe verursacht wird.

Durch das geringe Verschwenken der Reflexionsscheibe gegenüber der Verbindungslinie der Schenkelbasis 36 mit der gemeinsamen Kante der Innenschenkel der M-förmigen Seitenwand wird der Ein fallswinkel der beiden Lichtbündel auf die Reflexionsscheibe 10 und somit der Neigungswinkel Γ beeinflußt. Ist der Einfalls winkel beider Lichtbündel 13, 14 der selbe, so verlaufen die Bragg-Ebenen 12 parallel zur Oberfläche der Trägerschicht.

Nach dem Entwicklungsvorgang muß zum Schutz der Trägerschicht 11 vor Feuchtigkeit die Trägerschicht 11 in einem luftabge schlossenen Bauraum eingebracht werden. Dies kann beispiels weise dadurch geschehen, daß die Reflexionsscheibe als eine in einem Bereich applizierte Schicht einer Verbundglasscheibe zwischen zwei Glasschichten verwendet wird.

Eine Möglichkeit zur Vereinfachung des Verfahrens besteht darin, die Flüssigkeit durch entsprechend geformte Prismen zu ersetzten, wobei sich dann die Schwierigkeit ergibt einen ganz flächig bündigen Übergang zwischen Glaskörper und Reflexions scheibe zu gewährleisten. Dies könnte beispielsweise durch eine Kontaktflüssigkeit geschehen. Als Kontaktflüssigkeit ge eignet sind alle Flüssigkeiten, die auch zur Aufnahme in einem Flüssigkeitstank geeignet sind. Entsprechende Nachbehandlungen wären dann ebenfalls erforderlich.

Die Fig. 4 zeigt die geometrischen Verhältnisse die bei der Wiedergabe erreicht werden können. Das aus einer Lichtquelle 20, beispielsweise einer Leuchtdiode oder einer Bildröhre kommende Licht fällt auf die Reflexionsscheibe 10. Nach der Brechung durch den Eintritt in die im Vergleich zur Luft eine höhere Brechzahl aufweisende Trägerschicht 11 erfolgt die Diffraktion an den Bragg-Ebenen 12 entsprechend den Gleichungen 101 und 102. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird erreicht, daß die Reflexionsscheibe Licht der Wellenlänge τ zwischen 514 nm und 780 nm das in einem Einfallswinkel α′′ zwischen 0° und 90° auf die Reflexionsscheibe 10 einfällt mit einem zwischen 0° und 90° liegenden Diffraktionswinkel β′′ beugt.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von holographischen Reflexions scheiben (10) im roten Spektrum für ein Head-Up Displays, wobei in einer Trägerschicht (11) durch Bestrahlung mit kohärentem Licht in regelmäßigen Abständen Ebenen (12) erhöhter optischer Brechzahl geschaffen werden und wobei die Bestrahlung der im roten Spektralbereich unempfindlichen Trägerschicht (11) durch zwei zueinander kohärente einfallende Strahlen (13, 14) des grünen oder blauen Spektrums erfolgt und wobei nach der Bestrahlung eine Entwicklung der Trägerschicht (11) stattfindet,
dadurch gekennzeichnet, daß bei der Bestrahlung der Trägerschicht (11) die Brechzahl der Trägerschicht (11) und die Brechzahl des die Trägerschicht (11) allseitig umgebenden Mediums (15) gleich sind.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlen (13, 14) aus unterschiedlichen Richtungen und mit gleichem oder unterschiedlichen Einfallswinkeln (α, β) in die Trägerschicht (11) einfallen.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerschicht (11) aus einer Di-Chromat-Gelatine gebildet ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerschicht (11) allseitig umgebende Medium (15) eine Flüssig keit ist.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit ein linear polymeres Dimethylsiloxan oder Methyl-Phenyl-Siloxan oder Diphenylsiloxan ist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Belichtung und Entwicklung der Trägerschicht (11) eine Spülung in Tetrachlorethylen erfolgt.