EP4486566A1 - Wellenleiter zum anzeigen eines bildes sowie holographische anzeige mit einem solchen wellenleiter - Google Patents

Wellenleiter zum anzeigen eines bildes sowie holographische anzeige mit einem solchen wellenleiter

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EP4486566A1
EP4486566A1 EP23702590.3A EP23702590A EP4486566A1 EP 4486566 A1 EP4486566 A1 EP 4486566A1 EP 23702590 A EP23702590 A EP 23702590A EP 4486566 A1 EP4486566 A1 EP 4486566A1
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EP
European Patent Office
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image
layer
hologram
waveguide
base body
Prior art date
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Pending
Application number
EP23702590.3A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Siemen KUEHL
Christoph ERLER
Stefan Schwedat
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Jenoptik AG
Carl Zeiss Jena GmbH
Original Assignee
VEB Carl Zeiss Jena GmbH
Carl Zeiss Jena GmbH
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Filing date
Publication date
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Definitions

  • the present invention relates to a waveguide for displaying an image and a holographic display using such a waveguide.
  • Modern micro-optical processes allow complex tasks such as imaging or the monitoring of the environment to be integrated unobtrusively or almost invisibly, e.g. in large-format glass surfaces, for example using holographic-optical elements (HOE).
  • HOE holographic-optical elements
  • This allows, for example, transparent displays (e.g. in shop windows, refrigeration units, car and truck side or windscreens), lighting applications, such as information and warning signals in any glass surface (e.g. in the field of architecture, in the automotive sector or even in design glazing), light-sensitive detection systems such as interior monitoring (e.g. eye tracking in vehicles and presence status of people in the interior) can be implemented.
  • the disadvantage here is that the light must be guided within the panes at all times by total reflection at the outer boundary surfaces or by very complex microstructures between the outer boundary surfaces.
  • pane formats that can be used are very limited if the surrounding pane substrates are tinted, as is the case with car panes. A tinting of 30% means that less than 1% light can propagate through the pane after a distance of only 30 cm between the in-coupling surface and the out-coupling surface. The rest is lost through absorption within the disk.
  • the invention is defined in independent claims 1 and 12. Advantageous developments are specified in the dependent claims. Since, according to the invention, the coupled bundle of rays is reflected by one or more reflections, in particular by one or more total internal reflections at the interface between the first and second layer, the susceptibility to faults in the light guide can be significantly reduced.
  • the waveguide according to the invention can be designed in such a way that the bundle of rays impinging on the image hologram covers the entire image hologram.
  • the image hologram it is also possible for the image hologram to have a first extent in the first direction, which is greater than the extent of the beam cross section of the coupled beam of rays in the first direction, with the coupled beam of rays propagating in the first direction in such a way that it multiplies impinges on the image hologram at different points that are offset from one another along the first direction, with each impingement being deflected part of the impinging beam of rays to reconstruct the exposed image and the remaining part of the beam of rays propagating further.
  • the image hologram can have an efficiency curve in which the deflection efficiency increases from the first to the last impact of the beam of rays. A more homogeneous reconstructed image can thus be generated.
  • the image hologram can in particular be designed as an image plane hologram in which the reconstructed image can be perceived as an (essentially plane) image in the transparent base body.
  • the image hologram can be designed in such a way that the exposed image contains the image information, which is reconstructed by means of the incident beam of rays, so that the image can be perceived by a viewer.
  • the image hologram can also be designed in such a way that the exposed image is a holographic diffuser or has it, which can generate the image with the image information contained in the impinging beam of rays.
  • the impinging bundle of rays provides the image information which can then be perceived as an image by an observer, for example, in the plane of the image hologram.
  • the waveguide can in particular be designed as laminated glass or as a laminated glass pane.
  • the waveguide can be designed as a plane-parallel plate or curved, with the front side and/or rear side being curved.
  • the waveguide can be a pane of a car or a truck or a part thereof.
  • the image hologram can be designed in such a way that it has a plurality of exposed images which are designed for different wavelengths, so that one of the images of the image hologram can be selectively reconstructed depending on the selected wavelength of the injected radiation.
  • the waveguide as well as the decoupling area can in particular be made transparent.
  • the image hologram can be designed as a reflective hologram or as a transmissive hologram.
  • the image hologram can have one or more decoupling regions spaced apart from one another, each of which deflects at least part of the coupled-in beam of rays in such a way that the deflected part emerges as diffuse or directed radiation. If the image hologram has a plurality of decoupling regions spaced apart from one another, these can each contain a part of the exposed image.
  • the decoupling regions can be formed as separate sub-holograms, so that no part of the image hologram is formed between the sub-holograms.
  • the image hologram includes the sub-holograms that are not coherent over the area.
  • the decoupling regions it is also possible for the decoupling regions to be spaced apart from one another, but all to be part of a single, coherent image hologram; the image hologram therefore has no separate sub-holograms, but is designed as a single hologram with the decoupling regions spaced apart from one another.
  • the plurality of spaced-apart decoupling regions are designed in such a way that the radiation that is coupled out exits as diffuse radiation, the impression of a starry sky can be created, for example.
  • each decoupling area e.g. each sub-hologram
  • each decoupling region e.g each sub-hologram
  • the decoupling areas can be separated from each other spaced but all be part of a single coherent image hologram that generates the starry sky to be generated.
  • the plurality of decoupling regions can be designed in such a way that they have two or more different decoupling efficiencies. This can be used to couple out radiation with different intensities at the individual decoupling areas. Thus, for example, brighter and not so bright appearing stars can be displayed for the desired starry sky.
  • the decoupling regions can also be designed in such a way that they have identical decoupling efficiencies.
  • the at least one decoupling area is designed in such a way that the decoupled radiation emerges as directed radiation, this can be used, for example, to implement a reading lamp or reading lighting.
  • the waveguide can be designed in such a way that all decoupling regions decouple the radiation as diffuse radiation or as directed radiation. It is also possible that one or more of the decoupling areas decouple the radiation as diffuse radiation and one or more of the decoupling areas decouple the radiation as directed radiation.
  • the first layer can in particular be designed as a glass pane with a thickness of more than 2 mm.
  • the first layer is preferably no thicker than 5 mm.
  • the image hologram can be formed on the first side and/or the second side of the first layer.
  • a perceptible image can be generated by the design of the image hologram and/or the arrangement of several decoupling regions of the image hologram (e.g. starry sky) when the image hologram is exposed to the coupled beam of rays.
  • the image information of the generated image is thus preferably contained in the image hologram (preferably completely). In this case one can say that the injected radiation is free of image information.
  • the coupled-in radiation can thus also be referred to as illumination radiation.
  • the first layer can have a coupling-in region protruding from the first side.
  • the coupling area can have a flat or a curved entry surface.
  • the in-coupling area can have a deflection element that deflects at least part of the radiation coming from the light source in such a way that the deflected part of the in-coupled radiation is guided in the inner pane by reflections to the at least one out-coupling area.
  • the deflection element can be formed on the first side or second side of the first layer. If the deflection element is formed on the first side of the first layer, it is preferably in the form of a transmissive deflection element. If the deflection element is formed on the second side of the first layer, it is in particular formed as a reflective deflection element.
  • the deflection element can be designed as a volume or surface grating and thus in particular as a hologram or relief grating.
  • the waveguide may have at least one further layer or disc bonded to the first layer, for example by means of a further adhesive layer.
  • the refractive index of the additional adhesive layer can be selected such that the light is reflected at the interface between the additional pane and the additional adhesive layer and at the interface between the first layer and the additional adhesive layer, each due to total internal reflection.
  • the further pane can be designed in the same way as the first layer, so that the further pane and the first layer can each be referred to as light guides.
  • two or more additional discs with corresponding adhesive layers can be formed as a layer stack on the first layer, it being possible for the additional discs to be formed in the same way as the first layer.
  • two or more light guides can be integrated in the laminated glass pane, so that there are further design options for the desired lighting effects.
  • the image hologram can, for example, have decoupling regions that are essentially punctiform, in order to be able to generate the starry sky described, for example.
  • the at least one decoupling region it is also possible for the at least one decoupling region to have a larger surface area.
  • the waveguide according to the invention can be designed, for example, as a laminated glass pane and in particular as a pane for a vehicle roof, through which a person in the vehicle can, for example, look through.
  • the laminated glass pane according to the invention can also be designed as another pane for a vehicle.
  • the vehicle may be a land vehicle, a water vehicle, and/or an air vehicle.
  • it can be a car or a truck.
  • a hologram can be formed in the in-coupling region of the waveguide.
  • the hologram of the coupling-in area can be designed as a transmissive hologram or as a reflective hologram.
  • the light source can comprise one or more light-emitting diodes.
  • the light-emitting diodes can emit light with different wavelengths.
  • the light source is preferably designed in such a way that it emits radiation from the visible wavelength range.
  • the radiation can be white light and/or colored light (e.g. red, green and/or blue light).
  • the light source can be designed in such a way that it can generate and emit several different colors. This is preferably controllable or adjustable.
  • the light source can include one or more LEDs.
  • the holographic display can include a control unit for controlling the light source or the light-emitting diodes.
  • the holographic display can be designed in such a way that the light from the light source strikes and enters the base body directly without passing through further optical elements.
  • the holographic display it is also possible for the holographic display to have at least one optical element (such as a lens) which is arranged between the light source and the waveguide, so that the light from the light source runs through this optical element and only then strikes the base body .
  • FIG. 1 shows a schematic sectional view of a first embodiment of the holographic display 1 according to the invention with the waveguide 2 according to the invention;
  • FIG. 2 shows a top view of the image hologram 19 of the waveguide 2 from FIG. 1 ;
  • FIG. 3 shows a plan view of the light source 3 from FIG. 1 ,
  • FIG. 5 shows a sectional view of an embodiment of the laminated glass pane 1 according to the invention together with a light source 120;
  • FIG. 6 shows a diagram of the wavelength-dependent refractive index profile of the inner pane 102 and the adhesive layer 104;
  • FIG. 8 shows a sectional view according to FIG. 1 of a further embodiment of the laminated glass pane 1 according to the invention
  • FIG. 9 shows a sectional view according to FIG. 1 of a further embodiment of the laminated glass pane 1 according to the invention
  • FIG. 10 shows a sectional view according to FIG. 1 of a further embodiment of the laminated glass pane 1 according to the invention.
  • FIG. 11 shows a sectional view according to FIG. 1 of a further embodiment of the laminated glass pane 1 according to the invention.
  • FIG. 12 shows a sectional view according to FIG. 1 of a further embodiment of the laminated glass pane 1 according to the invention.
  • FIG. 13 shows a sectional view according to FIG. 1 of a further embodiment of the laminated glass pane 1 according to the invention.
  • FIG. 14 shows a sectional view according to FIG. 1 of a further embodiment of the laminated glass pane 1 according to the invention.
  • FIG. 16 shows an enlarged detailed view of a further embodiment of the laminated glass pane 1 according to the invention.
  • FIG. 17 shows a plan view of the inside 9 of the laminated glass pane 1 according to FIG. 1 ;
  • FIG. 18 shows a view according to FIG. 17 of a further embodiment of the laminated glass pane according to the invention.
  • FIG. 19 shows a further embodiment of the laminated glass pane 1 according to the invention.
  • the holographic display 1 comprises a waveguide 2 according to the invention for displaying an image and a light source 3.
  • the waveguide 2 has a transparent base body 4 with a front side 5 and a back side 6 and is plate-shaped.
  • the base body 4 is constructed in several layers and comprises a first layer 7, on the front side 8, a second layer 9 and on the back side 10, a third layer 11 is applied, so that the first layer 7 between the second and third layer 9, 1 1 is positioned.
  • the first layer 7 has a first refractive index that is greater than a second refractive index of the second layer 9 and also greater than a third refractive index of the third layer 1 1 .
  • a first glass layer 12 is formed on the side of the second layer 9 pointing away from the first layer 7 and a second glass layer 13 is formed on the side of the third layer 11 pointing away from the first layer 7 .
  • the side of the first glass layer 12 pointing away from the first layer 7 can form the front side 5 of the base body 4, for example.
  • the side of the second glass layer 13 pointing away from the first layer 7 can be the rear side
  • the transparent base body can thus also be referred to as a laminated glass pane.
  • the base body 4 can be designed, for example, as a pane of a vehicle, such as the windshield or a side window of a car or truck.
  • the waveguide 2 comprises a coupling-in region 14 and a coupling-out region 15 spaced apart from the coupling-in region 14 in a first direction (here the y-direction).
  • the light source 3 emits radiation 16, which enters the transparent base body 4 via the rear side 6 and onto a coupling element 17 of the coupling region 14 arranged between the first layer 7 and the second layer 9 hits, which deflects the radiation 16 in the direction of the decoupling region 15 in such a way that it is coupled in as a bundle of rays 18 due to internal total reflections at the interface between the first layer 7 and the second layer 9 and at the interface between the first layer 7 and the third layer 1 1 is performed in the first layer 7 up to the decoupling region 15 .
  • the decoupling region 15 is between the first layer
  • the radiation 16 has an extension in the first direction, e.g.
  • the strips can also be referred to as footprints of the coupled beam 18 .
  • strip-shaped illumination of the image hologram 19 with the coupled beam 18 is shown schematically by the five strips S1, S2, S3, S4 and S5, with the dashed lines representing the main rays indicate every deflection and reconstruction.
  • strip S1 is the first impingement of the bundle of rays 18 on the image hologram 19
  • strip S2 is the second impingement, etc.
  • the adjacent illumination strips S1-S5 abut one another.
  • the image hologram 19 may include two holograms (one for each color) placed one on top of the other. However, it is also possible for the image hologram 19 to be present as a multiplex structure in which a number of gratings are written in a hologram film.
  • the coupling element 17 can also be designed as a hologram. If several colors are used, the coupling element 17 can be designed as a stack of holograms (one hologram for each color) or as a multiplex structure.
  • the holographic display 1 can be designed in such a way that the radiation 16 from the light source 3 enters the base body 4 via the rear side 6 without passing through further optical components and, after passing through the second glass layer 13, the third layer 11 and the first layer 7, onto the Coupling element 17 meets.
  • the coupling element 17 can be designed in such a way that it only deflects the radiation 16 .
  • the coupling element 17 additionally provides, for example, an optical imaging function, such as a lens function.
  • the radiation 16 can also be coupled into the transparent base body 4 via the front side 5 or via the lower end face 21 .
  • the in-coupling element 17 cannot only be designed to be reflective, as is shown in FIG. 1 . It is also possible for the in-coupling element 17 to be transmissive, as is shown schematically in FIG. 4 .
  • the image hologram 19 cannot only be designed to be transmissive, as is shown in FIG. It is also possible for the image hologram 19 to be reflective (FIG. 4). Furthermore, the embodiment according to FIG. 1 can also be modified in such a way that the image hologram 19 is designed as a reflection hologram. The light would then first pass through the hologram material of the image hologram 16, then be totally reflected at the interface between the hologram material and the second layer 9 and then be diffracted in reflection in the hologram material of the image hologram 19
  • the image hologram 19 is designed in particular so that it is essentially transparent, so that a user B can look through the transparent base body 4 when viewing the image hologram 19 when the light source 3 is switched off.
  • a cylindrical lens 22 is shown schematically in FIG.
  • the described cylindrical lens 22 is used instead, which collimates the light from the light-emitting diodes in the y-direction (in the vertical direction) and does not shape the light in the horizontal direction (x-direction). As a result, a wide illumination can be achieved in the horizontal direction, although at the same time only a few light-emitting diodes are necessary.
  • the cylindrical lens 22 also has the advantage that only one optical element is required to shape the light of all the light-emitting diodes L1-L4. This minimizes the adjustment effort compared to an embodiment in which a lens would be necessary for each light-emitting diode L1-L4.
  • the coupling hologram 17 also contains a cylinder function, which not only deflects the radiation 16 but also collimates it in the horizontal direction (x-direction), so that it can propagate in the first layer 7 with total reflection.
  • the combination of cylindrical lens and lens function of the in-coupling hologram 17 enables a geometric, broadly expanded plane wave (ie flat in two dimensions, so that the smallest possible angular spectrum is present), which can be used to reconstruct the image hologram 19 .
  • the transparent base body 4 is designed as a plane-parallel plate.
  • the front side 5 and/or the back side 6 can be curved.
  • a deflection hologram 25 (dashed representation in Fig. 1) can optionally be integrated along the propagation path between the in-coupling element 17 and the image hologram 19, which ensures that the angular spectrum of the in-coupled beam of rays 18 is retained and not distorted by the curvature of the Base body 4 is affected.
  • several deflection holograms 25 can also be integrated along the propagation path. As a result, the homogeneity of the illumination of the image hologram 19 can be improved.
  • the first glass layer 12 can be tinted, for example, or have an additional tinted layer which, however, does not guide the coupled beam of rays 18 negatively impacted. For example, a shading of 30% would mean that after a distance of 30 cm between the in-coupling element 17 and the image hologram 19, less than 1% of the in-coupled radiation 16 can propagate through the waveguide.
  • the refractive index of the first layer 7 is preferably at least 0.005 greater than the refractive index of the second layer 9 and preferably at least 0.005 greater than the refractive index of the third layer 11 .
  • PVB polyvinyl butyral
  • PC polycarbonate
  • EVA ethylene vinyl acetate copolymer
  • PET polyethylene terephthalate
  • the coupled beam 18 (depending on the precise selection of the refractive index for the second and third layers 9, 11) can then be guided in the first layer 7 at an angle of greater than 61° to 71°.
  • the first layer 7 and the second and third layers 9, 11 preferably have an extinction coefficient which is less than 0.001 in each case. It is also advantageous if the three layers 7, 9, 11 have a very small scattering behavior.
  • the haze values should be less than 2 in order to keep the loss of light through scattering - analogous to the loss of light through absorption - as low as possible (detailed information on the haze value can be found, for example, in DIN EN ISO 13803:2015-02, DIN EN 2155-9: 1989-11, DIN EN 62805-1:20018-06, DIN EN 1096-5:2016-06 and DIN ISO 15082:2018-02).
  • an amorphous material for the first layer 7 in order to avoid disruptive influences on the light transmission, for example due to stress birefringence in the first layer 7.
  • examples of such an amorphous material are float glass and highly transparent thermoplastics such as PMMA, PC, PVC, COC, PET, etc. It is important that special attention must be paid to the manufacturing conditions, especially when using semi-crystalline plastics such as PMMA and PET, so that the Degree of crystallinity and thus the stress birefringence of the end product is as small as possible.
  • transparent materials that are obtained directly through polymerisation (e.g. duroplastics and epoxy resins or 2-component acrylate systems)
  • the manufacturing conditions also have an enormous influence on the stress birefringence of the end product.
  • Float glass and highly transparent thermoplastics such as PMMA, PC, PVC, COC, PET, etc. can also be used here. It is important here that, particularly when using semi-crystalline plastics such as PMMA and PET, particular attention must be paid to the manufacturing conditions so that the degree of crystallinity and thus the stress birefringence of the end product is as small as possible. In the case of transparent materials that are obtained directly through polymerisation (e.g. thermosets), the manufacturing conditions also have an enormous influence on the stress birefringence of the end product.
  • the first layer 7 can have a layer thickness in the range from 50 ⁇ m to 2 mm (preferably up to 1 mm). Furthermore, for example, the first layer can have a thickness of 70 to 500 ⁇ m if it is formed as a PC layer.
  • the second and third layers 9, 11 can each have a thickness of 100 to 2000 ⁇ m, for example, if they are designed as a PVB layer or as an EVA layer.
  • the waveguide 1 according to the invention is designed as a laminated glass pane 1 for a vehicle with an inner pane 102 and an outer pane 103, which is connected to the inner pane 102 via an adhesive layer 104. educated.
  • the inner pane 102 thus corresponds to the first layer 7 described so far
  • the outer pane 103 thus corresponds to the second layer 9 described so far.
  • the laminated glass pane 1 shown schematically and not true to scale in FIG. 5 can be configured in particular as a pane for a vehicle roof through which a person in the vehicle can look.
  • the outer pane 103 can be tinted. However, it can also be completely transparent.
  • the inner pane 102 is preferably completely transparent. The same applies to the adhesive layer 104.
  • the first side 105 of the inner pane 102 faces the interior of the vehicle and can therefore also be referred to as the inner side 109 of the laminated glass pane 1 .
  • the fourth side 108 of the outer pane 103 points away from the interior of the vehicle and can therefore be referred to as the outside 110 of the laminated glass pane 1 .
  • the light source 120 emits radiation 122 (e.g. white light) which impinges on the in-coupling region 115 with the transmission grating 116 .
  • the transmission grating 116 deflects the radiation 122 in such a way that it propagates as coupled-in radiation 123 through reflections on the first and second side 105, 106 of the inner pane 102 to the coupling-out regions 117 to 119.
  • the reflections at the first and second sides 105, 106 are preferably total internal reflections.
  • the refractive indices of the adhesive layer 104 and the inner pane 102 are selected accordingly for this purpose.
  • the refractive index of the adhesive layer 104 is therefore lower than the refractive index of the material of the inner pane 102.
  • the wavelength ⁇ is plotted in nm along the abscissa and the critical angle ⁇ G in° is plotted along the ordinate (curve K3). This means that at angles of incidence greater than this critical angle on the second side 106 , the coupled-in radiation 123 is totally reflected at the interface between the second side 106 and the adhesive layer 104 .
  • the decoupling regions 1 17 to 1 19 can be designed such that they have different decoupling efficiencies, so that the decoupled light intensities at the individual decoupling regions 1 17, 1 18 and 1 19 are different. This allows brighter and dimmer stars to be displayed.
  • the propagation direction of the radiation 122 coming from the light source 120 is such that it strikes the first side 105 perpendicularly.
  • the propagation direction of the radiation 122 it is also possible for the propagation direction of the radiation 122 to have an angle that is not equal to 90° to the first side 105, as illustrated in FIG.
  • the grating 116 is always designed as a transmission grating.
  • the grating 116 can be designed as a reflection grating.
  • the preferred location of the grating 116 is on the second side 106. This is shown in Figs. 9 and 10 for normal incidence of radiation 122 on the first side 105 (Fig. 9) and for an angle of incidence of the radiation on the Page 105 of not equal to 90° (Fig. 10).
  • FIG. 11 shows a modification of the laminated glass pane 1 of FIG. 9, in which the decoupling regions 117-119 are designed in such a way that the radiation that is coupled out is emitted as directed radiation. In this way, for example, a reading lamp or reading lighting for a person inside the vehicle can be implemented.
  • FIG. 12 a modification of the laminated glass pane of FIG. 10 is shown.
  • the second decoupling region 118 is designed in such a way that it decouples the radiation 123 as directed radiation, as a result of which a reading lamp can in turn be implemented.
  • the first and third decoupling regions 117 and 119 are designed in such a way that the radiation 123 is emitted as diffuse radiation.
  • the grating 116 in FIGS. 5 and 8 to 12 can be designed, for example, as a volume hologram or as a relief grating.
  • FIG. 13 A modification is shown in FIG. 13 in which the inner pane 102 has a section 130 protruding from the first side 105 with a planar entry surface 131 .
  • the inner pane 102 has a greater thickness in the area of the protruding section 130 than, for example, in the area in which the decoupling areas 117-119 are located. Due to the protruding section 130, the inner pane 102 has a cross-sectional expansion in this area in comparison, for example, to the area in which the decoupling areas 117-119 are located.
  • the inclination of the planar entry surface 131 to the first side 105 is preferably chosen such that radiation 122 entering perpendicularly via the planar entry surface 131 has such an angle relative to the second side 106 that the desired total internal reflection takes place on the second side 106.
  • FIG. 15 shows a modification of the laminated glass pane 1 from FIG. 13, an enlarged detailed view being shown.
  • the inwardly projecting portion 130 is formed as an inverted collector such that the radiation 122 from the light source 120 is formed as a substantially parallel bundle of rays 123 striking the second face 106 at the necessary angle of incidence to reflect by total internal reflection to become.
  • a parabolic light converging lens can be used upside down as collimation optics (Compound Parabolic Collimator).
  • collimation optics are preferably reflective and non-imaging. It comprises at least one rotationally symmetrical parabolic surface which collects or collects the light from a light source with a defined angle spectrum.
  • FIG. 17 shows a schematic view of the inside 109 of the laminated glass pane 1 from FIG. 5 .
  • the decoupling areas are indicated by "x".
  • the decoupling regions 117 to 119 are designed in such a way that when the light source 120 does not emit any radiation 122, they are not visible but are transparent.
  • the grating 116 is also preferably designed in such a way that it is transparent to an observer.
  • FIG. 18 shows a modification of the laminated glass pane 1 according to FIG. 17 or of the lighting system 121 in the same way as in FIG.
  • a further light source 140 a further in-coupling grating 141 and further out-coupling regions 142, 143 and 144 are provided.
  • more than two light sources can also be provided. It is also possible that the light from a further light source does not run from left to right in the inner pane 102 as seen in FIG. 18 but rather from bottom to top or from top to bottom in the inner pane 102 .
  • FIG. 19 describes a modification of the described embodiments in that a further pane 150 is connected to the inner pane 102 by means of a further adhesive layer 151 .
  • This can be used to guide the light from a further light source 152, which is coupled into the further pane 150 via a coupling element 153, and to emit it via corresponding coupling-out regions 155, 156 and 157 as directed or non-directed radiation.
  • the rest of the structure of the additional pane 150 and the corresponding coupling-in area 153 and the additional decoupling areas 155-157 can be as described in connection with the inner pane 102 .
  • the Inner pane 102 and the other pane 150 can thus also be referred to as the first and second light guide.
  • the different light guides can also be used to guide and emit light of different wavelengths.
  • the light sources 120 and 152 are designed accordingly for this purpose.
  • different decoupling structures or different decoupling areas can be present on the light guides.
  • different luminous signatures or e.g. images can be realized. In particular, these can be switched on and off individually
  • decoupling areas In the previously described decoupling areas, essentially punctiform decoupling areas 117-119, 141-143 and 155-157 or decoupling areas 117-119, 141-143 and 155-157 with a small lateral extension compared to the distance between the decoupling areas 117-119 , 141-143 and 155-157 went out among themselves.
  • the laminated glass pane 1 is shown with a flat outside 100 and a flat inside 109 .
  • the laminated glass pane 1 can be curved.
  • the outside 100 and/or the inside 109 can be curved.
  • the two panes 102, 103 can each have two curved sides 105-108, with the second and third sides 106 and 107 of the inner pane 102 and the outer pane 103 facing each other preferably having complementary curvatures, so that the thinnest possible laminated glass pane 1 can be made.
  • the thickness of the inner pane 102 and the outer pane 103 can in particular be in the range of more than 2 mm up to 5 mm.

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Abstract

Es wird ein Wellenleiter zum Anzeigen eines Bildes bereitgestellt, wobei der Wellenleiter (2) einen transparenten Basiskörper (4) mit einer Vorderseite (5) und einer Rückseite (6) aufweist, wobei der Basiskörper (4) einen Einkoppelbereich (14) und einen davon in einer ersten Richtung beabstandeten Auskoppelbereich (15), der ein Bild-Hologramm (19) mit einem einbelichteten Bild aufweist, umfasst, wobei der Einkoppelbereich (14) von von einer Lichtquelle (3) kommenden Strahlung (16) mindestens einen Teil so umgelenkt, dass der umgelenkte Teil als eingekoppeltes Strahlenbündel (18) im Basiskörper (4) durch Reflexion bis zum Auskoppelbereich (15) propagiert und auf das Bild-Hologramm (19) trifft, wobei das Bild-Hologramm (19) von dem auftreffenden Strahlenbündel (18) zur Rekonstruktion des einbelichteten Bildes mindestens einen Teil so umlenkt, dass der umgelenkte Teil aus dem Basiskörper (4) über die Vorderseite (5) oder Rückseite (6) austritt, so dass für einen Betrachter (B) das einbelichtete Bild wahrnehmbar ist, wobei der Basiskörper (4) mehrlagig ausgebildet ist und mindestens eine erste Schicht (7) mit einer ersten Brechzahl und eine darauf gebildete zweite Schicht (9) mit einer zweiten Brechzahl, die kleiner ist als die erste Brechzahl, aufweist, und wobei das eingekoppelte Strahlenbündel (18) in der ersten Schicht (7) aufgrund innerer Totalreflexion an der Grenzfläche zur zweiten Schicht (9) propagiert.

Description

Wellenleiter zum Anzeigen eines Bildes sowie holographische Anzeige mit einem solchen Wellenleiter
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wellenleiter zum Anzeigen eines Bildes sowie eine holographische Anzeige mit einem solchen Wellenleiter.
Moderne mikrooptische Verfahren erlauben es, komplexe Aufgaben wie Bildgebung oder die Überwachung der Umgebung beispielsweise mittels holographisch-optischer Elemente (HOE) unauffällig oder quasi unsichtbar z.B. in großformatigen Glasflächen zu integrieren. Damit können beispielsweise transparente Displays (z.B. in Schaufenstern, Kühlmöbeln, PKW- und LKW-Seiten- bzw. Frontscheiben), Beleuchtungsanwendungen, wie beispielsweise Hinweis- und Warnsignale in jeglicher Glasfläche (beispielsweise im Bereich der Architektur, im Automotivbereich oder auch bei Designverglasungen), lichtempfindliche Detektionssysteme wie beispielsweise Innenraumüberwachung (z.B. eye tracking in Fahrzeugen und Anwesenheitsstatus von Personen im Innenraum) realisiert werden. Nachteilig dabei ist, dass die Lichtleitung innerhalb der Scheiben jederzeit durch die Totalreflexion an den äußeren Grenzflächen oder durch sehr aufwendige Mikrostrukturen zwischen den äußeren Grenzflächen erfolgen muss. Solche Mikrostrukturen sind insbesondere bei großformatigen Anwendungen sehr teuer in der Herstellung (Kosten steigen quadratisch mit der Größe der Fläche). Eine Lichtleitung an den äußeren Grenzflächen durch Totalreflexion ist nachteiliger Weise sehr störanfällig, da beispielsweise Schmutz oder Wasser auf den äußeren Grenzflächen die Lichtleitung hemmen. Zudem sind die nutzbaren Scheibenformate sehr eingeschränkt, wenn die umgebenden Scheibensubstrate, wie im Fall von PKW-Scheiben, getönt sind. Eine Tönung von 30% bewirkt, dass bereits nach 30 cm Abstand zwischen Einkoppelfläche und Auskoppelfläche weniger als 1% Licht durch die Scheibe propagieren kann. Der Rest geht durch Absorption innerhalb der Scheibe verloren.
Ausgehend hiervon ist es daher Aufgabe der Erfindung, einen Wellenleiter zum Anzeigen eines Bildes bereitzustellen, mit dem die eingangs genannten Schwierigkeiten möglichst vollständig überwunden werden können. Ferner soll eine holographische Anzeige mit einem solchen Wellenleiter bereitgestellt werden.
Die Erfindung ist in den unabhängigen Ansprüchen 1 und 12 definiert. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Da erfindungsgemäß das eingekoppelte Strahlenbündel durch eine oder mehrere Reflexionen, insbesondere durch eine oder mehrere innere Totalreflexionen an der Grenzfläche zwischen der ersten und zweiten Schicht reflektiert wird, kann die Störanfälligkeit bei der Lichtleitung deutlich verringert werden.
Der erfindungsgemäße Wellenleiter kann so ausgebildet sein, dass das auf das Bild- Hologramm treffende Strahlenbündel das komplette Bild-Hologramm abdeckt. Es ist jedoch auch möglich, dass das Bild-Hologramm in der ersten Richtung eine erste Ausdehnung aufweist, die größer ist als die Ausdehnung des Strahlquerschnittes des eingekoppelten Strahlenbündels in der ersten Richtung, wobei das eingekoppelte Strahlenbündel so in der ersten Richtung propagiert, dass es mehrfach an verschiedenen Stellen, die entlang der ersten Richtung zueinander versetzt sind, auf das Bild-Hologramm trifft, wobei bei jedem Auftreffen ein Teil des auftreffenden Strahlenbündels zur Rekonstruktion des einbelichteten Bildes umgelenkt wird und der restliche Teil des Strahlenbündels weiter propagiert.
Damit ist es möglich, auch sehr große Ausdehnungen des Bild-Hologramms entlang der ersten Richtung zu beleuchten und somit das gewünschte Bild des Bild-Hologramms zu rekonstruieren.
Insbesondere kann das Bild-Hologramm einen Effizienzverlauf aufweisen, bei dem die Umlenkeffizienz vom ersten bis zum letzten Auftreffen des Strahlenbündels zunimmt. Damit kann ein homogeneres rekonstruiertes Bild erzeugt werden.
Das Bild-Hologramm kann insbesondere als Bildebenen-Hologramm ausgebildet sein, bei dem das rekonstruierte Bild als (im Wesentlichen ebenes) Bild im transparenten Basiskörper wahrnehmbar ist.
Das Bild-Hologramm kann so ausgebildet sein, dass das einbelichtete Bild die Bildinformation enthält, welche mittels des auftreffenden Strahlenbündels rekonstruiert wird, so dass das Bild für einen Betrachter wahrnehmbar ist.
Das Bild-Hologramm kann ferner so ausgebildet sein, dass das einbelichtete Bild ein holographischer Diffusor ist oder diesen aufweist, welcher mit im auftreffenden Strahlenbündel enthaltenen Bildinformationen das Bild erzeugen kann. Somit stellt bei dieser Ausbildung das auftreffende Strahlenbündel die Bildinformation bereit, die dann z.B. in der Ebene des Bild- Hologramms für einen Betrachter als Bild wahrnehmbar ist. Der Wellenleiter kann insbesondere als Verbundglas bzw. als Verbundglasscheibe ausgebildet sein. Dabei kann der Wellenleiter als planparallele Platte oder auch gekrümmt ausgebildet sein, wobei die Vorderseite und/oder Rückseite gekrümmt sein kann. Der Wellenleiter kann insbesondere eine Scheibe eines PKW’s oder eines LKW’s oder ein Teil davon sein.
Ferner kann das Bild-Hologramm so ausgebildet sein, dass es mehrere einbelichtete Bilder aufweist, die für unterschiedliche Wellenlängen ausgelegt sind, so dass je nach gewählter Wellenlänge der eingekoppelten Strahlung selektiv eines der Bilder des Bild-Hologramms rekonstruiert werden kann.
Der Wellenleiter sowie der Auskoppelbereich können insbesondere transparent ausgebildet sein.
Das Bild-Hologramm kann als reflektives Hologramm oder als transmissives Hologramm ausgebildet sein.
Insbesondere kann das Bild-Hologramm einen oder mehrere voneinander beabstandete Auskoppelbereiche aufweisen, die jeweils mindestens einen Teil des eingekoppelten Strahlenbündels so umlenken, dass der umgelenkte Teil als diffuse oder gerichtete Strahlung austritt. Wenn das Bild-Hologramm mehrere voneinander beabstandete Auskoppelbereiche aufweist, können diese jeweils einen Teil des einbelichteten Bildes enthalten.
Die Auskoppelbereiche können dabei als separate Sub-Hologramme ausgebildet sein, so dass zwischen den Sub-Hologrammen kein Teil des Bild-Hologramms ausgebildet ist. In diesem Fall umfasst das Bild-Hologramm die flächig nicht zusammenhängenden Sub-Hologramme. Es ist aber auch möglich, dass die Auskoppelbereiche zwar voneinander beabstandet sind, aber alle Teil eines einzigen flächig zusammenhängenden Bild-Hologramms sind; somit weist das Bild- Hologramm keine separaten Sub-Hologramme auf, sondern ist als einziges Hologramm mit den voneinander beabstandeten Auskoppelbereichen ausgebildet.
Wenn die mehreren voneinander beabstandeten Auskoppelbereiche so ausgebildet sind, dass die ausgekoppelte Strahlung jeweils als diffuse Strahlung austritt, kann damit beispielsweise der Eindruck eines Sternenhimmels erzeugt werden.
So kann beispielsweise jeder Auskoppelbereich (z.B. jedes Sub-Hologramm) genau einen Stern des zu erzeugenden Sternenhimmels erzeugen. Es ist aber auch möglich, dass mindestens ein Auskoppelbereich (z.B. jedes Sub-Hologramm) zwei oder mehr des zu erzeugenden Sternenhimmels Sterne erzeugt. Ferner können die Auskoppelbereiche zwar voneinander beabstandet aber alle Teil eines einzigen flächig zusammenhängenden Bild-Hologramms sein, das den zu erzeugenden Sternenhimmel erzeugt.
Insbesondere ist es möglich, dass die mehreren Auskoppelbereiche so ausgebildet sind, dass sie zwei oder mehr unterschiedliche Auskoppeleffizienzen aufweisen. Dies kann dazu genutzt werden, dass an den einzelnen Auskopppelbereichen Strahlung mit unterschiedlicher Intensität ausgekoppelt wird. Somit können beispielsweise hellere und nicht so hell erscheinende Sterne für den gewünschten Sternenhimmel dargestellt werden.
Natürlich können die Auskoppelbereiche auch so ausgebildet sein, dass sie identische Auskoppeleffizienzen aufweisen.
Wenn der mindestens eine Auskoppelbereich so ausgebildet ist, dass die ausgekoppelte Strahlung als gerichtete Strahlung austritt, kann dies z.B. zur Realisierung einer Leseleuchte bzw. einer Lesebeleuchtung genutzt werden.
Der Wellenleiter kann so ausgebildet werden, dass alle Auskoppelbereiche die Strahlung als diffuse Strahlung oder als gerichtete Strahlung auskoppeln. Es ist auch möglich, dass einer oder mehrere der Auskoppelbereiche die Strahlung als diffuse Strahlung und einer oder mehrere der Auskoppelbereiche die Strahlung als gerichtete Strahlung auskoppeln.
Die erste Schicht kann insbesondere als Glasscheibe mit einer Dicke von größer als 2 mm ausgebildet sein. Bevorzugt ist die erste Schicht nicht dicker als 5 mm.
Das Bild-Hologramm kann an der ersten Seite und/oder der zweiten Seite der ersten Schicht ausgebildet sein.
Durch die Ausbildung des Bild-Hologramms und/oder die Anordnung von mehreren Auskoppelbereichen des Bild-Hologramms (z.B. Sternenhimmel) kann ein wahrnehmbares Bild erzeugt werden, wenn das Bild-Hologramm mit dem eingekoppelten Strahlenbündel beaufschlagt wird. Bevorzugt sind somit die Bildinformationen des erzeugten Bildes im Bild- Hologramms (bevorzug vollständig) enthalten. In diesem Fall kann man sagen, dass die eingekoppelte Strahlung frei von Bildinformationen ist. Die eingekoppelte Strahlung kann somit auch als Beleuchtungsstrahlung bezeichnet werden.
Die erste Schicht kann einen von der ersten Seite vorstehenden Einkoppelbereich aufweisen. Der Einkoppelbereich kann eine plane oder eine gekrümmte Eintrittsfläche aufweisen. Ferner kann der Einkoppelbereich ein Umlenkelement aufweisen, das mindestens einen Teil der von der Lichtquelle kommenden Strahlung so umlenkt, dass der umgelenkte Teil der eingekoppelten Strahlung in der inneren Scheibe durch Reflexionen bis zum mindestens einen Auskoppelbereich geführt wird.
Das Umlenkelement kann auf der ersten Seite oder zweiten Seite der ersten Schicht ausgebildet sein. Wenn das Umlenkelement auf der ersten Seite der ersten Schicht ausgebildet ist, ist es bevorzugt als transmissives Umlenkelement ausgebildet. Wenn das Umlenkelement auf der zweiten Seite der ersten Schicht ausgebildet ist, ist es insbesondere als reflektives Umlenkelement ausgebildet.
Das Umlenkelement kann als Volumen- oder Oberflächengitter und somit insbesondere als Hologramm- oder als Reliefgitter ausgebildet sein.
Der Wellenleiter kann mindestens eine weitere Schicht oder Scheibe, die mit der ersten Schicht z.B. mittels einer weiteren Klebeschicht verbunden ist, aufweisen. Die Brechzahl der weiteren Klebeschicht kann so gewählt sein, dass das Licht an der Grenzfläche der weiteren Scheibe zur weiteren Klebeschicht sowie an der Grenzfläche der ersten Schicht zur weiteren Klebeschicht jeweils aufgrund innerer Totalreflexion reflektiert wird. Die weitere Scheibe kann in gleicher Weise wie die erste Schicht ausgebildet sein, so dass die weitere Scheibe und die erste Schicht jeweils als Lichtleiter bezeichnet werden können.
Ferner können auf der ersten Schicht zwei oder mehrere weiteren Scheiben mit entsprechenden Klebeschichten als Schichtstapel ausgebildet sein, wobei die weiteren Scheiben in gleicher Weise wie die erste Schicht ausgebildet sein können.
Somit können zwei oder mehr Lichtleiter in der Verbundglasscheibe integriert sein, so dass weitere Gestaltungsräume für die gewünschten Beleuchtungseffekte vorliegen.
Das Bild-Hologramm kann beispielsweise im Wesentlichen punktförmig ausgebildete Auskoppelbereiche aufweisen, um den beispielsweise beschriebenen Sternenhimmel erzeugen zu können. Es ist jedoch auch möglich, dass der mindestens eine Auskoppelbereich eine größere flächige Ausdehnung aufweist.
Der erfindungsgemäße Wellenleiter kann z.B. als Verbundglasscheibe und insbesondere als Scheibe für ein Fahrzeugdach ausgebildet sein, durch das eine sich im Fahrzeug befindende Person z.B. hindurchblicken kann. Die erfindungsgemäße Verbundglasscheibe kann ferner als sonstige Scheibe für ein Fahrzeug ausgebildet sein.
Bei dem Fahrzeug kann es sich um ein Fahrzeug auf Land, im Wasser und/oder in der Luft handeln.
Insbesondere kann es sich um einen PKW oder einen LKW handeln.
Ferner kann im Einkoppelbereich des Wellenleiters ein Hologramm ausgebildet sein. Das Hologramm des Einkoppelbereiches kann als transmissives Hologramm oder als reflektives Hologramm ausgebildet sein.
Bei der erfindungsgemäßen holographischen Anzeige kann die Lichtquelle eine oder mehrere Leuchtdioden umfassen. Insbesondere können die Leuchtdioden Licht mit unterschiedlicher Wellenlänge abstrahlen.
Die Lichtquelle ist bevorzugt so ausgebildet, dass sie Strahlung aus dem sichtbaren Wellenlängenbereich abgibt. Insbesondere kann die Strahlung weißes Licht und/oder farbiges Licht (wie z.B. rotes, grünes und/oder blaues Licht) sein. Ferner kann die Lichtquelle so ausgebildet sein, dass sie mehrere unterschiedliche Farben erzeugen und abgeben kann. Dies ist bevorzugt steuerbar bzw. einstellbar. Die Lichtquelle kann eine oder mehrere LEDs umfassen.
Ferner kann die holographische Anzeige eine Steuereinheit zur Ansteuerung der Lichtquelle bzw. der Leuchtdioden umfassen.
Die holographische Anzeige kann so ausgebildet sein, dass das Licht der Lichtquelle ohne Durchlaufen weiterer optischer Elemente direkt auf den Basiskörper trifft und in diesen eintritt. Es ist jedoch auch möglich, dass die holographische Anzeige mindestens ein optisches Element (wie z.B. eine Linse) aufweist, die zwischen der Lichtquelle und dem Wellenleiter angeordnet ist, so dass das Licht der Lichtquelle durch dieses optische Element läuft und erst dann auf den Basiskörper 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:
Fig. 1 eine schematische Schnittansicht einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen holographischen Anzeige 1 mit dem erfindungsgemäßen Wellenleiter 2;
Fig. 2 eine Draufsicht auf das Bild-Hologramm 19 des Wellenleiters 2 von Fig. 1 ;
Fig. 3 eine Draufsicht auf die Lichtquelle 3 von Fig. 1 ,
Fig. 4 eine Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform der holographischen Anzeige 1 ;
Fig. 5 eine Schnittansicht einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verbundglasscheibe 1 zusammen mit einer Lichtquelle 120;
Fig. 6 ein Diagramm des wellenlängenabhängigen Brechzahlverlaufs der inneren Scheibe 102 und der Klebeschicht 104;
Fig. 7 ein Diagramm zur Wellenlängenanhängigkeit des Grenzwinkels für innere Totalreflexion an der Grenze zwischen innerer Scheibe 102 und Klebeschicht 104;
Fig. 8 eine Schnittansicht gemäß Fig. 1 einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verbundglasscheibe 1 ; Fig. 9 eine Schnittansicht gemäß Fig. 1 einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verbundglasscheibe 1 ;
Fig. 10 eine Schnittansicht gemäß Fig. 1 einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verbundglasscheibe 1 ;
Fig. 11 eine Schnittansicht gemäß Fig. 1 einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verbundglasscheibe 1 ;
Fig. 12 eine Schnittansicht gemäß Fig. 1 einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verbundglasscheibe 1 ;
Fig. 13 eine Schnittansicht gemäß Fig. 1 einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verbundglasscheibe 1 ;
Fig. 14 eine Schnittansicht gemäß Fig. 1 einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verbundglasscheibe 1 ;
Fig. 15 eine vergrößerte Detailansicht einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verbundglasscheibe 1 ;
Fig. 16 eine vergrößerte Detailansicht einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verbundglasscheibe 1 ;
Fig. 17 eine Draufsicht auf die Innenseite 9 der Verbundglasscheibe 1 gemäß Fig. 1 ;
Fig. 18 eine Ansicht gemäß Fig. 17 einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verbundglasscheibe, und
Fig. 19 eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verbundglasscheibe 1 .
Bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform umfasst die holgraphische Anzeige 1 einen erfindungsgemäßen Wellenleiter 2 zum Anzeigen eines Bildes sowie eine Lichtquelle 3.
Der Wellenleiter 2 weist einen transparenten Basiskörper 4 mit einer Vorderseite 5 und einer Rückseite 6 auf und ist plattenförmig ausgebildet. Der Basiskörper 4 ist mehrlagig aufgebaut und umfasst eine erste Schicht 7, auf deren Vorderseite 8 eine zweite Schicht 9 und auf deren Rückseite 10 eine dritte Schicht 11 aufgebracht ist, so dass die erste Schicht 7 zwischen der zweiten und dritten Schicht 9, 1 1 positioniert ist. Die erste Schicht 7 weist eine erste Brechzahl auf, die größer ist als eine zweite Brechzahl der zweiten Schicht 9 und ferner größer ist als eine dritte Brechzahl der dritten Schicht 1 1 .
Auf der von der ersten Schicht 7 wegweisenden Seite der zweiten Schicht 9 ist eine erste Glasschicht 12 und auf der von der ersten Schicht 7 wegweisenden Seite der dritten Schicht 1 1 ist eine zweite Glasschicht 13 ausgebildet. Die von der ersten Schicht 7 wegweisende Seite der ersten Glasschicht 12 kann beispielsweise die Vorderseite 5 des Basiskörpers 4 bilden. Ferner kann die von der ersten Schicht 7 wegweisende Seite der zweiten Glasschicht 13 die Rückseite
6 des Basiskörpers 4 bilden. Der transparente Basiskörper kann somit auch als Verbundglasscheibe bezeichnet werden. Der Basiskörper 4 kann beispielsweise als Scheibe eines Fahrzeugs, wie z.B. die Windschutzscheibe oder eine Seitenscheibe eines PKW’s oder LKW’s ausgebildet sein.
Ferner umfasst der Wellenleiter 2 einen Einkoppelbereich 14 und einen vom Einkoppelbereich 14 in einer ersten Richtung (hier die y-Richtung) beabstandeten Auskoppelbereich 15.
Wie der schematischen Darstellung in Fig. 1 entnommen werden kann, gibt die Lichtquelle 3 Strahlung 16 ab, die über die Rückseite 6 in den transparenten Basiskörper 4 eintritt und auf ein zwischen der ersten Schicht 7 und der zweiten Schicht 9 angeordnetes Einkoppelelement 17 des Einkoppelbereiches 14 trifft, das die Strahlung 16 in Richtung zum Auskoppelbereich 15 so umlenkt, dass sie als eingekoppeltes Strahlenbündel 18 aufgrund von inneren Totalreflexionen an der Grenzfläche zwischen der ersten Schicht 7 und der zweiten Schicht 9 sowie an der Grenzfläche zwischen der ersten Schicht 7 und der dritten Schicht 1 1 in der ersten Schicht 7 bis zum Auskoppelbereich 15 geführt wird. Im Auskoppelbereich 15 ist zwischen der ersten Schicht
7 und der zweiten Schicht 9 ein Bild-Hologramm 19 mit einem einbelichteten Bild ausgebildet, auf das das geführte Strahlenbündel 18 trifft. Dabei wird das Strahlenbündel 18 zur Rekonstruktion des einbelichteten Bildes mindestens zum Teil so umgelenkt, dass der umgelenkte Teil aus dem Basiskörper 4 über die Vorderseite 5 austritt. Dadurch ist das einbelichtete Bild für einen Betrachter B wahrnehmbar.
Bei der hier beschriebenen Ausführungsform ist das Bild-Hologramm als Bildebenen- Hologramm ausgebildet, so dass für den Betrachter das rekonstruierte Bild als Bild im transparenten Basiskörper 4 wahrnehmbar ist.
Wie in Fig. 1 ferner schematisch dargestellt ist, trifft das eingekoppelte Strahlenbündel 18 mehrfach auf das Bild-Hologramm 19. Dazu ist das Bild-Hologramm 19 so ausgebildet, dass nur ein Teil des jeweils auftreffenden Strahlenbündels 18 zur Rekonstruktion vom Bild- Hologramm 19 umgelenkt wird. Der restliche Teil wird nach innerer Totalreflexion an der Grenzfläche zwischen erster Schicht 7 und zweiter Schicht 9 und nachfolgender innerer Totalreflexion an der Grenzfläche zwischen der ersten Schicht 7 und der dritten Schicht 11 erneut aber in einer y-Richtung versetzten Position auf das Bild-Hologramm 19 treffen, wobei wiederum davon nur ein Teil vom Bild-Hologramm 19 zur Rekonstruktion umgelenkt und über die Vorderseite 5 des transparenten Basiskörpers 4 ausgekoppelt wird. In dieser Art und Weise kann somit das Bild-Hologramm 19 mittels des eingekoppelten Strahlenbündels 18 streifenweise beleuchtet werden, wobei die Streifen entlang der ersten Richtung bevorzugt aneinandergesetzt oder teilweise überlappend auf das Bild-Hologramm 19 treffen.
Bei der Darstellung in Fig. 1 ist in schematischer Art und Weise nur ein Hauptstrahl für die Strahlung 16 sowie für das eingekoppelte Strahlenbündel 18 dargestellt. Natürlich weist die Strahlung 16 eine z.B. durch die Lichtquelle 3 vorgegebene Ausdehnung in der ersten Richtung auf, wodurch auch die Streifenhöhe festgelegt ist. Die Streifen können auch als Footprints des eingekoppelten Strahlenbündels 18 bezeichnet werden.
In der schematischen Draufsicht auf das Bild-Hologramm 19 in Fig. 2 ist die streifenförmige Beleuchtung des Bild-Hologramms 19 mit dem eingekoppelten Strahlenbündel 18 durch die fünf Streifen S1 , S2, S3, S4 und S5 schematisch dargestellt, wobei die gestrichelten Linien die Hauptstrahlen jeder Umlenkung und Rekonstruktion andeuten. Dabei ist der Streifen S1 das erste Auftreffen des Strahlenbündels 18 auf das Bild-Hologramm 19, der Streifen S2 ist das zweite Auftreffen, usw. Bei der hier beschriebenen Ausführungsform stoßen die benachbarten Beleuchtungsstreifen S1 -S5 aneinander.
Da mit jedem Auftreffen des Strahlenbündels 18 auf das Bild-Hologramm 19 Licht ausgekoppelt wird (Streifen S1 -S5), nimmt die Intensität der Rekonstruktionswelle (die vom Bild-Hologramm 19 umgelenkte Strahlung) ab. Dadurch kann das so rekonstruierte Bild für einen Betrachter einen wahrnehmbaren Helligkeitsabfall aufweisen. Um diesem entgegen zu wirken, kann das Bild-Hologramm 19 mit einem Effizienzverlauf versehen werden, der so ausgestaltet ist, dass die Umlenkeffizienz mit jedem weiteren Auftreffen zunimmt. Das bedeutet somit, dass die Umlenkeffizienz für das erste Auftreffen S1 kleiner ist als für das zweite Auftreffen S2, dass die Umlenkeffizienz für das zweite Auftreffen S2 kleiner ist als für das dritte Auftreffen S3, usw. Damit kann eine homogenere Helligkeit im rekonstruieren Hologrammbild erreicht werden.
Als Lichtquelle 3 kann eine Leuchtdiode oder können mehrere Leuchtdioden zum Einsatz kommen. Wenn mehrere Leuchtdioden zum Einsatz kommen, können diese z.B. in einer Richtung quer zur ersten Richtung (hier entlang der x-Richtung (Fig.3)) nebeneinander angeordnet sein. Dabei können die Leuchtdioden L1 , L2, L3 und L4 beispielsweise Licht gleicher Farbe oder Licht unterschiedlicher Farben abgeben. Bevorzugt sind die Leuchtdioden L1 -L4 alle in einer Ebene angeordnet. Bei der hier beschriebenen Ausführungsform geben die Leuchtdioden L1 und L3 rotes Licht und die Leuchtdioden L2 und L4 grünes Licht ab. Dazu ist das Bild-Hologramm 19 so ausgebildet, dass es ein einbelichtetes erstes Bild für die Strahlung Leuchtdioden L1 , L3 abgeben, und ein einbelichtetes zweites Bild für die grüne Strahlung, die die Leuchtdioden L2 und L4 abgeben, aufweist. Bevorzugt wird die Lichtquelle 3 mittels einer Steuereinheit 20, die Teil der holographischen Anzeige 1 sein kann aber nicht sein muss, so angesteuert, dass keine der Leuchtdioden L1 -L4 Licht abgibt, nur die Leuchtdioden L1 und L3 Licht abgeben oder nur die Leuchtdioden L2 und L4 Licht abgeben. Damit kann selektiv das erste Bild oder das zweite Bild im transparenten Basiskörper 4 für einen Benutzer erzeugt oder eingeschaltet werden.
Bei der beschriebenen Verwendung mit mehreren Farben kann das Bild-Hologramm 19 zwei aufeinander angeordnete Hologramme (jeweils eins für die entsprechende Farbe) aufweisen. Es ist jedoch auch möglich, dass das Bild-Hologramm 19 als Multiplexstruktur vorliegt, bei der mehrere Gitter in eine Hologrammfolie geschrieben sind.
Auch das Einkoppelelement 17 kann als Hologramm ausgebildet sein. Bei der Verwendung von mehreren Farben kann das Einkoppelelement 17 als Stapel von Hologrammen (ein Hologramm für jede Farbe) oder als Multiplexstruktur ausgebildet sein.
Die holographische Anzeige 1 kann so ausgebildet sein, dass die Strahlung 16 der Lichtquelle 3 ohne Durchlaufen weiterer optischer Komponenten über die Rückseite 6 in den Basiskörper 4 eintritt und nach Durchlaufen der zweiten Glasschicht 13, der dritten Schicht 1 1 und der ersten Schicht 7 auf das Einkoppelelement 17 trifft. Dabei kann das Einkoppelelement 17 so ausgebildet sein, dass es die Strahlung 16 nur umlenkt. Es ist jedoch möglich, dass das Einkoppelelement 17 zusätzlich z.B. eine optisch abbildende Funktion, wie z.B. eine Linsenfunktion, bereitstellt.
Natürlich kann die Strahlung 16 auch über die Vorderseite 5 oder über die untere Stirnseite 21 in den transparenten Basiskörper 4 eingekoppelt werden. Des Weiteren kann das Einkoppelelement 17 nicht nur reflektiv ausgebildet sein, wie es in Fig. 1 dargestellt ist. Es ist auch möglich, dass das Einkoppelelement 17 transmissiv ist, wie in Fig. 4 schematisch dargestellt ist.
In gleicher Weise kann das Bild-Hologramm 19 nicht nur transmissiv ausgebildet sein, wie in Fig. 1 dargestellt ist. Es ist auch möglich, dass das Bild-Hologramm 19 reflektiv ausgebildet ist (Fig. 4). Ferner kann die Ausführungsform gemäß Fig. 1 auch so abgewandelt werden, dass das Bild- Hologramm 19 als Reflexionshologramm ausgebildet ist. Das Licht würde dann zunächst das Hologrammmaterial des Bild-Hologramms 16 durchlaufen, dann an der Grenzfläche vom Hologrammmaterial zur zweiten Schicht 9 totalreflektiert und anschließend im Hologrammmaterial des Bild-Hologramms 19 in Reflexion gebeugt werden
Das Bild-Hologramm 19 ist insbesondere so ausgebildet, dass es im Wesentlichen transparent ist, so dass ein Benutzer B bei Betrachtung des Bild-Holgramms 19, wenn die Lichtquelle 3 ausgeschaltet ist, durch den transparenten Basiskörper 4 hindurchblicken kann.
Ferner ist es möglich, zwischen der Lichtquelle 3 und dem transparenten Basiskörper 4 eine oder mehrere optische Komponenten, wie z.B. eine oder mehrere Linsen, zwischen zu schalten. In Fig. 1 ist schematisch eine Zylinderlinse 22 eingezeichnet.
Da das Bild-Hologramm 19 bei der hier beschriebenen Ausführungsform eine relativ große Ausdehnung in der x-Richtung aufweist, wären sehr viele nebeneinander angeordnete Kanäle mit Leuchtdioden und rotationssymmetrischen Kollimationslinsen notwendig, um das ganze Bild-Hologramm 19 in der x-Richtung auszuleuchten. Erfindungsgemäß wird stattdessen die beschriebene Zylinderlinse 22 verwendet, die das Licht der Leuchtdioden in der y-Richtung (in vertikaler Richtung) kollim iert und in horizontaler Richtung (x-Richtung) keine Lichtformung durchführt. Dadurch kann in horizontaler Richtung eine breite Ausleuchtung erreicht werden, obwohl gleichzeitig nur wenige Leuchtdioden notwendig sind.
Die Zylinderlinse 22 hat weiterhin den Vorteil, dass nur ein optisches Element notwendig ist, um die Lichtformung aller Leuchtdioden L1 -L4 zu bewerkstelligen. Dadurch minimiert sich der Justageaufwand im Vergleich einer Ausgestaltung, bei der für jede Leuchtdiode L1 -L4 eine Linse notwendig wäre.
In einer vorteilhaften Weiterbildung beinhaltet das Einkoppelhologramm 17 ebenfalls eine Zylinderfunktion, welche die Strahlung 16 nicht nur umlenkt, sondern auch in horizontaler Richtung (x-Richtung) kollimiert, so dass es unter Totalreflexion in der ersten Schicht 7 propagieren kann. Die Kombination von Zylinderlinse und Linsenfunktion des Einkoppelhologramms 17 ermöglicht eine geometrische breit ausgedehnte ebene Welle (d.h. in zwei Dimensionen eben, so dass ein möglichst kleines Winkelspektrum vorliegt), welche zur Rekonstruktion des Bild-Hologramms 19 verwendet werden kann. Das Einkoppelhologramm 17 ist in x-Richtung besonders gut für die Kollimation geeignet, da es sich über die gesamte Ausdehnung des Basiskörpers 4 erstrecken kann, während in y-Richtung aufgrund der Divergenz des Lichtes der Lichtquelle die Zylinderlinse 22 besser geeignet ist und so eine besonders einfache Anordnung zur Kollimation in allen Richtungen bereitgestellt werden kann.
Bei der beschriebenen Ausführungsform ist der transparente Basiskörper 4 als planparallele Platte ausgebildet. Natürlich ist es auch möglich, dass Vorderseite 5 und/oder Rückseite 6 gekrümmt ausgebildet sind. In diesem Fall kann optional ein Umlenkhologramm 25 (gestrichelte Darstellung in Fig. 1 ) entlang der Propagationsstrecke zwischen Einkoppelelement 17 und Bild- Hologramm 19 integriert sein, das dafür sorgt, dass das Winkelspektrum des eingekoppelten Strahlenbündels 18 erhalten bleibt und dieses nicht durch die Krümmung des Basiskörpers 4 beeinflusst wird. Natürlich können auch mehrere Umlenkhologramme 25 entlang der Propagationsstrecke integriert sein. Dadurch kann die Homogenität der Ausleuchtung des Bild- Hologramms 19 verbessert werden.
Da die Lichtführung des eingekoppelten Strahlenbündels 18 in der ersten Schicht 7 mittels interner Totalreflexion aufgrund der niedrigbrechenderen zweiten und dritten Schicht 9 und 11 erfolgt, kann die erste Glasschicht 12 z.B. getönt ausgebildet sein oder eine zusätzliche Tönungsschicht aufweisen, die jedoch nicht die Führung des eingekoppelten Strahlenbündels 18 negativ beeinflusst. So würde eine Tönung von 30% z.B. schon bewirken, dass nach 30 cm Abstand zwischen dem Einkoppelelement 17 und dem Bild-Hologramm 19 weniger als 1 % der eingekoppelten Strahlung 16 durch den Wellenleiter propagieren kann.
Der Brechungsindex der ersten Schicht 7 ist bevorzugt mindestens um 0,005 größer als der Brechungsindex der zweiten Schicht 9 sowie bevorzugt mindestens um 0,005 größer als der Brechungsindex der dritten Schicht 11 .
So kann beispielsweise für die zweite und dritte Schicht 9, 11 , die insbesondere als Klebeschichten ausgebildet sind, jeweils PVB (Polyvinylbutyral) mit einer Brechzahl im Bereich von 1 ,37 bis 1 ,47 und für die erste Schicht PC (Polycarbonat) mit einer Brechzahl von 1 ,58 verwendet werden. Alternativ ist es beispielsweise möglich, für die zweite und dritte Schicht 9, 11 jeweils EVA (Ethylen-Vinyl-Acetat-Copolymer) mit einer Brechzahl im Bereich von 1 ,37 bis 1 ,47 und für die erste Schicht 7 PET (Polyethylenterephthalat) mit einer Brechzahl von 1 ,56 zu verwenden. Bei diesen Beispielen kann dann das eingekoppelte Strahlenbündel 18 (je nach genauer Wahl der Brechzahl für die zweite und dritte Schicht 9, 11 ) unter einem Winkel von größer als 61 ° bis 71 ° in der ersten Schicht 7 geführt werden. Die erste Schicht 7 sowie die zweite und dritte Schicht 9, 1 1 weisen bevorzugt einen Extinktionskoeffizienten auf, der jeweils kleiner als 0,001 ist. Auch ist es von Vorteil, wenn die drei Schichten 7, 9, 1 1 ein sehr kleines Streuverhalten aufweisen. Die Haze-Werte sollten weniger als 2 betragen, um den Lichtverlust durch Streuung - analog zum Lichtverlust durch Absorption - möglichst gering zu halten (detaillierte Angaben zum Haze-Wert sind z.B. DIN EN ISO 13803:2015-02, DIN EN 2155-9:1989-1 1 , DIN EN 62805-1 :20018-06, DIN EN 1096-5:2016- 06 und DIN ISO 15082:2018-02 zu entnehmen).
Es ist vorteilhaft, für die erste Schicht 7 ein amorphes Material zu verwenden, um Störeinflüsse bei der Lichtleitung durch z.B. Spannungsdoppelbrechung in der ersten Schicht 7 zu vermeiden. Beispiele für ein solches amorphes Material sind Floatglas sowie hochtransparente thermoplastische Kunststoffe wie PMMA, PC, PVC, COC, PET, etc. Wichtig dabei ist, dass insbesondere bei Verwendung teilkristalliner Kunststoffe wie PMMA und PET besondere Aufmerksamkeit auf die Herstellungsbedingungen gelegt werden muss, damit der Kristallinitätsgrad und damit die Spannungsdoppelbrechung des Endproduktes möglichst klein ist. Bei transparenten Materialien, die direkt durch Polymerisation gewonnen werden (z.B. Duroplaste sowie Epoxidharze oder 2K-Acrylatsysteme), haben ebenfalls die Herstellungsbedingungen einen enormen Einfluss auf die Spannungsdoppelbrechung des Endproduktes. Ferner ist es vorteilhaft, für die erste Schicht 7 ein möglichst schlierenfreies Material zu verwenden, um die unerwünschte Linsenwirkung der Schlieren zu vermeiden, um somit die Lichtleitung nicht zu beeinflussen. Auch hier können Floatglas sowie hochtransparente thermoplastische Kunststoffe wie PMMA, PC, PVC, COC, PET, etc. verwendet werden. Wichtig dabei ist, dass insbesondere bei Verwendung teilkristalliner Kunststoffe wie PMMA und PET besondere Aufmerksamkeit auf die Herstellungsbedingungen gelegt werden muss, damit der Kristallinitätsgrad und damit die Spannungsdoppelbrechung des Endproduktes möglichst klein ist. Bei transparenten Materialien, die direkt durch Polymerisation gewonnen werden (z.B. Duroplaste), haben ebenfalls die Herstellungsbedingungen einen enormen Einfluss auf die Spannungsdoppelbrechung des Endproduktes.
Die erste Schicht 7 kann eine Schichtdicke im Bereich von 50 pm bis 2 mm (bevorzugt bis zu 1 mm) aufweisen. Ferner kann z.B. die erste Schicht eine Dicke von 70 bis 500 pm aufweisen, wenn sie als PC-Schicht ausgebildet ist. Die zweite und dritte Schicht 9, 1 1 können beispielsweise jeweils eine Dicke von 100 bis 2000 pm aufweisen, wenn sie als PVB-Schicht oder als EVA-Schicht ausgebildet sind.
Bei der in Fig. 5 gezeigten Ausführungsform ist der erfindungsgemäße Wellenleiter 1 als Verbundglasscheibe 1 für ein Fahrzeug mit einer inneren Scheibe 102 sowie einer äußeren Scheibe 103, die über eine Klebeschicht 104 mit der inneren Scheibe 102 verbunden ist, ausgebildet. Die innere Scheibe 102 entspricht somit der bisher beschriebenen ersten Schicht 7 und die äußere Scheibe 103 entspricht somit der bisher beschriebenen zweiten Schicht 9.
Obwohl diese sowie die weiteren folgenden Ausführungsformen jeweils eine Verbundglasscheibe 1 für ein Fahrzeug beschreiben, ist dies nur beispielhaft für den erfindungsgemäßen Wellenleiter, der als Verbundglasscheibe für ein Fahrzeug ausgebildet sein kann aber nicht als Verbundglasscheibe für ein Fahrzeug ausgebildet sein muss.
Die in Fig. 5 schematisch und nicht maßstabsgetreu gezeigte Verbundglasscheibe 1 kann insbesondere als Scheibe für ein Fahrzeugdach ausgebildet sein, durch das eine sich im Fahrzeug befindende Person hindurchblicken kann. Die äußere Scheibe 103 kann getönt ausgebildet sein. Sie kann jedoch auch vollkommen transparent sein.
Die innere Scheibe 102 ist bevorzugt vollständig transparent. Gleiches gilt für die Klebeschicht 104.
Die innere Scheibe 102 weist eine von der äußeren Scheibe 103 wegweisende erste Seite 105 (bzw. eine von der äußeren Scheibe 103 abgewandte erste Seite 105) sowie eine zur äußeren Scheibe 103 hinweisende zweite Seite 106 (bzw. eine der äußeren Scheibe 103 zugewandte zweite Seite 106) auf. Die äußere Scheibe 103 weist eine zur inneren Scheibe 102 hinweisende dritte Seite 107 sowie eine von der inneren Scheibe 102 wegweisende vierte Seite 108 auf. Die Verbindung der beiden Scheiben 102, 103 erfolgt über die einander zugewandten Seiten 106, 107 mittels der Klebeschicht 104.
Bei Verwendung der in Fig. 5 gezeigten Verbundglasscheibe 1 in einem Fahrzeugdach weist die erste Seite 105 der inneren Scheibe 102 zum Innenraum des Fahrzeugs und kann daher auch als Innenseite 109 der Verbundglasscheibe 1 bezeichnet werden. Die vierte Seite 108 der äußeren Scheibe 103 weist vom Innenraum des Fahrzeugs weg und kann daher als Außenseite 110 der Verbundglasscheibe 1 bezeichnet werden.
Die innere Scheibe 102 weist ferner eine die erste und zweite Seite 105, 106 verbindende erste Kante 1 1 1 auf, die gekrümmt (bevorzugt konvex) ausgebildet ist. Insbesondere weist die Kante einen sogenannten C-Schliff auf. Unter einem C-Schliff wird hier insbesondere verstanden, dass die Kantenfläche einen runden Schliff aufweist. Im Querschnitt gesehen ist die Kantenfläche somit rund bzw. C-förmig oder weist die Kantenfläche z.B. die Form eines Kreisbogens oder Ellipsenbogens auf. In gleicher Weise weist die äußere Scheibe 103 eine die dritte und vierte Seite 107, 108 verbindende zweite Kante 1 12 auf, die gekrümmt ausgebildet ist. Die zweite Kante 1 12 kann ebenfalls einen C-Schliff aufweisen. Die innere Scheibe 102 umfasst ferner einen Einkoppelbereich 115, an dem ein
T ransmissionsgitter 116 vorgesehen ist. Des Weiteren umfasst die innere Scheibe 102 einen ersten, einen zweiten und einen dritten Auskoppelbereich 117, 118 und 119, die vom Einkoppelbereich 115 beabstandet sowie die untereinander beabstandet sind. Bei der in Fig. 5 gezeigten Ausführungsform sind die Auskoppelbereiche 117 bis 119 an der ersten Seite 105 der inneren Scheibe 102 ausgebildet.
Zusammen mit der in Fig. 5 gezeigten Lichtquelle 120 bildet die Verbundglasscheibe 1 ein Beleuchtungssystem 121 für ein Fahrzeug.
Die Lichtquelle 120 gibt Strahlung 122 (z.B. weißes Licht) ab, die auf den Einkoppelbereich 115 mit dem Transmissionsgitter 116 trifft. Das Transmissionsgitter 116 lenkt die Strahlung 122 so um, dass sie als eingekoppelte Strahlung 123 durch Reflexionen an der ersten und zweiten Seite 105, 106 der inneren Scheibe 102 bis zu den Auskoppelbereichen 117 bis 119 propagiert. Die Reflexionen an der ersten und zweiten Seite 105, 106 sind bevorzugt innere Totalreflexionen. Dazu sind die Brechzahlen der Klebeschicht 104 und der inneren Scheibe 102 entsprechend gewählt. Die Brechzahl der Klebeschicht 104 ist daher kleiner als die Brechzahl des Materials der inneren Scheibe 102. Die Klebeschicht 104 kann beispielsweise als PVB- Schicht (Polyvinylbutyral-Schicht) ausgebildet sein. In diesem Fall liegt der in Fig. 6 mit der durchgezogenen Linie K1 dargestellte Brechzahlverlauf der Klebeschicht 104 bei einem Wellenlängenbereich von 400 bis 1000 nm vor.
In Fig. 6 ist entlang der Abszisse die Wellenlänge A in nm und entlang der Ordinate die Brechzahl aufgetragen. Bei einem typischen Glas für Autoglasscheiben liegt der als gestrichelte Linie (Kurve K2) in Fig. 6 gezeigte Brechzahlverlauf vor. Wie der Darstellung zu entnehmen ist, ist eine Brechzahldifferenz von ungefähr 0,03 (in Abhängigkeit der Wellenlänge) vorhanden. Dies führt zu einem Grenzwinkel für die innere Totalreflexion, der in Fig. 7 für die Wellenlängen von 400 bis 1000 nm dargestellt ist. Dieser Grenzwinkel beträgt etwa 78,7° bis 79,4° (in Abhängigkeit der Wellenlänge).
In Fig. 7 ist entlang der Abszisse die Wellenlänge A in nm und entlang der Ordinate der Grenzwinkel 9G in° aufgetragen (Kurve K3). Das bedeutet, dass bei größeren Einfallswinkeln als dieser Grenzwinkel auf die zweite Seite 106 die eingekoppelte Strahlung 123 an der Grenzfläche zwischen der zweiten Seite 106 und der Klebeschicht 104 totalreflektiert wird.
Das angrenzende Medium an der ersten Seite 105 ist Luft mit einer Brechzahl von ungefähr 1 , so dass der entsprechende Grenzwinkel für die Totalreflexion kleiner ist als der beschriebene für die zweite Seite 106. Wenn somit an der zweiten Seite 106 eine innere Totalreflexion für die eingekoppelte Strahlung stattfindet, trifft dies dann auch für die Reflexion an der ersten Seite 105 zu.
Die so in der inneren Scheibe 102 geführte eingekoppelte Strahlung 123 trifft dann auf die Auskoppelbereiche 1 17, 1 18, 1 19, die hier so ausgebildet sind, dass sie von der auf sie auftreffenden Strahlung mindestens einen Teil als diffuse Strahlung auskoppeln, wie durch die Pfeilbündel 124, 125 und 126 in Fig. 5 angedeutet ist. Für eine sich im Fahrzeug befindende Person, die auf die Innenseite 109 blickt, sind die Auskoppelbereiche 1 17, 1 18 und 1 19 aufleuchtende Punkte. Bei entsprechender Verteilung der Auskoppelbereiche 1 17 bis 1 19 auf der Innenseite 109 kann somit z.B. der Eindruck eines Sternenhimmels erzeugt werden.
Insbesondere können die Auskoppelbereiche 1 17 bis 1 19 so ausgebildet sein, dass sie unterschiedliche Auskoppeleffizienzen aufweisen, so dass die ausgekoppelten Lichtintensitäten an den einzelnen Auskoppelbereichen 1 17, 1 18 und 1 19 unterschiedlich sind. Damit können hellere und dunklere Sterne dargestellt werden.
Natürlich ist es auch möglich, die Auskoppeleffizienzen der Auskoppelbereich 1 17-1 19 so einzustellen, dass die ausgekoppelten Lichtintensitäten an zwei oder mehreren Auskoppelbereichen 1 17-1 19 gleich sind.
Bei dem in Fig. 5 gezeigten Beleuchtungssystem 121 ist die Ausbreitungsrichtung der von der Lichtquelle 120 kommenden Strahlung 122 so, dass sie senkrecht auf die erste Seite 105 trifft. Es ist jedoch auch möglich, dass die Ausbreitungsrichtung der Strahlung 122 einen Winkel von ungleich 90° zur ersten Seite 105 aufweist, wie in Fig. 8 dargestellt ist.
Bei den Ausführungsformen gemäß Fig. 5 und 8 ist das Gitter 1 16 stets als Transmissionsgitter ausgebildet.
Ferner kann das Gitter 1 16 als Reflexionsgitter ausgebildet sein. In diesem Fall ist die bevorzugte Anordnung des Gitters 1 16 an der zweiten Seite 106. Dies ist in Fig. 9 und 10 für einen senkrechten Einfall der Strahlung 122 auf die erste Seite 105 (Fig. 9) sowie für einen Einfallswinkel der Strahlung auf der Seite 105 von ungleich 90° (Fig. 10) gezeigt.
In Fig. 1 1 ist eine Abwandlung der Verbundglasscheibe 1 von Fig. 9 gezeigt, bei der die Auskoppelbereiche 1 17-1 19 so ausgebildet sind, dass die ausgekoppelte Strahlung als gerichtete Strahlung abgegeben wird. Damit kann beispielsweise eine Leseleuchte bzw. eine Lesebeleuchtung für eine Person innerhalb des Fahrzeugs realisiert werden. In Fig. 12 ist eine Abwandlung der Verbundglasscheibe der Fig. 10 gezeigt. Bei dieser Abwandlung ist der zweite Auskoppelbereich 118 so ausgebildet, dass er die Strahlung 123 als gerichtete Strahlung auskoppelt, wodurch wiederum eine Leseleuchte realisiert werden kann. Der erste und dritte Auskoppelbereich 117 und 119 sind so ausgebildet, dass die Strahlung 123 als diffuse Strahlung abgegeben wird.
Das Gitter 116 in Fig. 5 und 8 bis 12 kann beispielsweise als Volumenhologramm oder als Reliefgitter ausgebildet sein.
In Fig. 13 ist eine Abwandlung gezeigt, bei der die innere Scheibe 102 einen von der ersten Seite 105 vorstehenden Abschnitt 130 mit einer planen Eintrittsfläche 131 aufweist. Somit weist die innere Scheibe 102 im Bereich des vorstehenden Abschnitts 130 eine größere Dicke auf als z.B. im Bereich, in dem die Auskoppelbereiche 117-119 liegen. Aufgrund des vorstehenden Abschnitts 130 weist die innere Scheibe 102 in diesem Bereich eine Querschnittsaufweitung im Vergleich z.B. zum Bereich, in dem die Auskoppelbereiche 117-119 liegen, auf. Die Neigung der planen Eintrittsfläche 131 zur ersten Seite 105 ist dabei bevorzugt so gewählt, dass senkrecht über die plane Eintrittsfläche 131 eintretende Strahlung 122 einen solchen Winkel relativ zur zweiten Seite 106 aufweist, dass die gewünschte innere Totalreflexion an der zweiten Seite 106 stattfindet.
In Fig. 14 ist eine Weiterbildung der Ausführungsform gemäß Fig. 13 gezeigt. Bei dieser Weiterbildung ist zwischen der Lichtquelle 120 und der Eintrittsfläche 131 eine Linse 132 angeordnet.
In Fig. 15 ist eine Abwandlung der Verbundglasscheibe 1 von Fig. 13 gezeigt, wobei eine vergrößerte Detailansicht dargestellt ist. Der nach innen vorstehende Abschnitt 130 ist als umgedrehter Kollektor in der Art ausgebildet, dass die von der Lichtquelle 120 kommende Strahlung 122 als im Wesentlichen paralleles Strahlenbündel 123 geformt wird, das mit dem notwendigen Einfallswinkel auf die zweite Seite 106 trifft, um mittels innerer Totalreflexion reflektiert zu werden. So kann z.B. eine parabolische Lichtsammellinse (Compound Parabolic Concentrator) umgedreht als Kollimationsoptik verwendet werden (Compound Parabolic Collimator). Eine solche Kollimationsoptik ist bevorzugt reflektierend sowie nicht-abbildendend. Sie umfasst mindestens eine rotationssymmetrische parabolische Fläche, welche das Licht einer Lichtquelle mit einem definierten Winkelspektrum sammelt bzw. sammeln. Über die Länge der Kollimationsoptik kann eingestellt werden, welches Winkelspektrums der von der Lichtquelle 120 kommenden Strahlung 122 als im Wesentlichen paralleles Strahlenbündel 123 geformt werden kann. In Fig. 16 ist eine Abwandlung der Verbundglasscheibe von Fig. 15 gezeigt, bei der statt der planen Eintrittsfläche 131 eine linsenförmige Eintrittsfläche 135 mit einem ringförmigen Vorsprung 136 ausgebildet ist. Der Teil der Strahlung 122, der durch die Innenseite 137 des ringförmigen Vorsprungs 136 läuft, wird an der Außenseite 138 des ringförmigen Vorsprungs 136 durch innere Totalreflexion reflektiert und so zur zweiten Seite 106 hin umlenkt.
Man kann auch sagen, dass der Einkoppelbereich 115 eine TIR-Linse (TIR = total internal reflection = innere Totalreflexion) aufweist. Eine TIR-Linse ist ein optisches Bauteil, welches Reflektor und Linse kombiniert. Im Zentrum befindet sich eine Linse, die ringförmig von einem (ggf. freigeformten) Paraboloiden umschlossen ist. Der Übergangsbereich zwischen Linse und Paraboloid ist in der Regel konzentrisch um die Lichtquelle angeordnet. Es kann aber auch eine Abweichung von der konzentrischen Form in Kombination mit einem freigeformten Paraboloiden vorliegen. Die Umlenkung über die parabolischen Mantelflächen erfolgt über Totalreflexion.
In Fig. 17 ist eine schematische Ansicht auf die Innenseite 109 der Verbundglasscheibe 1 von Fig. 5 gezeigt. Die Auskoppelbereiche sind durch „x“ angedeutet. Natürlich sind die Auskoppelbereiche 117 bis 119 so ausgebildet, dass sie, wenn die Lichtquelle 120 keine Strahlung 122 abgibt, nicht sichtbar sondern transparent sind. Auch das Gitter 116 ist bevorzugt so ausgebildet, dass es für einen Betrachter transparent ist.
In Fig. 18 ist eine Abwandlung der Verbundglasscheibe 1 gemäß Fig. 17 bzw. des Beleuchtungssystems 121 in gleicher Weise wie in Fig. 17 dargestellt. Bei dieser Abwandlung gemäß Fig. 18 sind eine weitere Lichtquelle 140, ein weiteres Einkoppelgitter 141 sowie weitere Auskoppelbereiche 142, 143 und 144 vorgesehen. Natürlich können auch mehr als zwei Lichtquellen vorgesehen sein. Auch ist es möglich, dass das Licht einer weiteren Lichtquelle nicht wie in Fig. 18 gesehen, von links nach rechts in der inneren Scheibe 102 sondern von unten nach oben oder von oben nach unten in der inneren Scheibe 102 läuft.
In Fig. 19 ist eine Abwandlung in der Art und Weise von den beschriebenen Ausführungsformen beschrieben, dass auf der inneren Scheibe 102 eine weitere Scheibe 150 mittels einer weiteren Klebeschicht 151 verbunden ist. Dies kann dazu benutzt werden, das Licht einer weiteren Lichtquelle 152, das über ein Einkoppelelement 153 in die weitere Scheibe 150 eingekoppelt wird, zu führen und über entsprechende Auskoppelbereiche 155, 156 und 157 als gerichtete oder ungerichtete Strahlung abzugeben. Der sonstige Aufbau der weiteren Scheibe 150 sowie des entsprechenden Einkoppelbereichs 153 und der weiteren Auskoppelbereiche 155-157 kann so sein, wie dies im Zusammenhang mit der inneren Scheibe 102 beschrieben wurde. Die innere Scheibe 102 sowie die weitere Scheibe 150 können somit auch als erster und zweiter Lichtleiter bezeichnet werden. Die unterschiedlichen Lichtleiter können ferner dazu benutzt werden, dass sie Licht unterschiedlicher Wellenlängen führen und abgeben. Dazu sind die Lichtquellen 120 und 152 entsprechend ausgebildet.
Natürlich können nicht nur zwei Lichtleiter vorgesehen sein. Es können auch drei oder mehr Lichtleiter in gleicher Art und Weise aufeinander als Stapel ausgebildet sein.
Mit den zwei oder mehr Lichtleitern können z.B. unterschiedliche Auskoppelstrukturen bzw. unterschiedliche Auskoppelbereiche auf den Lichtleitern vorhanden sein. So können z.B. verschiedene Leuchtsignaturen oder z.B. Bilder realisiert werden. Insbesondere können diese einzeln an- und ausgeschaltet werden
Bei den bisher beschriebenen Auskoppelbereichen wurde von im Wesentlichen punktförmigen Auskoppelbereichen 117-119, 141 -143 und 155-157 bzw. von Auskoppelbereichen 117-119, 141 -143 und 155-157 mit geringer lateraler Ausdehnung im Vergleich zum Abstand der Auskoppelbereiche 117-119, 141 -143 und 155-157 untereinander ausgegangen. Es ist jedoch auch möglich, einen flächig ausgebildeten Auskoppelbereich oder auch mehrere flächig ausgebildete Auskoppelbereiche vorzusehen.
Wenn der Auskoppelbereich flächig ausgebildet ist, kann er so ausgebildet sein, dass er die eingekoppelte Strahlung diffus oder gerichtet auskoppelt. Insbesondere ist es möglich, dass der flächige Auskoppelbereich als Volumengitter ausgebildet ist, in das eine Bildinformation einbelichtet wurde. Bei Beleuchtung mit der eingekoppelten Strahlung kann dann das Bild rekonstruiert werden, so dass eine sich im Fahrzeug befindende Person das einbelichtete Bild wahrnehmen kann. In diesem Fall kann der Auskoppelbereich als Bild-Hologramm ausgebildet sein. Insbesondere kann das Bild-Hologramm so ausgebildet sein, dass es als Bildebene- Hologramm ausgebildet ist, so dass es für die Person in Fahrzeug als Bild in der inneren Scheibe 102 wahrnehmbar ist.
In den beschriebenen Ausführungsformen ist die Verbundglasscheibe 1 mit planer Außenseite 100 und planer Innenseite 109 dargestellt. Natürlich kann die Verbundglasscheibe 1 gekrümmt ausgebildet sein. In diesem Fall können die Außenseite 100 und/oder die Innenseite 109 gekrümmt ausgebildet sein. Insbesondere können auch die beiden Scheiben 102, 103 jeweils zwei gekrümmte Seiten 105-108 aufweisen, wobei die einander zugewandte zweite und dritte Seite 106 und 107 der inneren Scheibe 102 und der äußeren Scheibe 103 bevorzugt komplementäre Krümmungen aufweisen, so dass eine möglichst dünne Verbundglasscheibe 1 hergestellt werden kann. Die Dicke der inneren Scheibe 102 sowie der äußeren Scheibe 103 kann insbesondere im Bereich von größer als 2 mm bis zu 5 mm liegen.

Claims

Carl Zeiss Jena GmbH Anwaltsakte: PAT 1250/347 Patentansprüche
1 . Wellenleiter zum Anzeigen eines Bildes, wobei der Wellenleiter (2) einen transparenten Basiskörper (4) mit einer Vorderseite (5) und einer Rückseite (6) aufweist, wobei der Basiskörper (4) einen Einkoppelbereich (14) und einen davon in einer ersten Richtung beabstandeten Auskoppelbereich (15), der ein Bild-Hologramm (19) mit einem einbelichteten Bild aufweist, umfasst, wobei der Einkoppelbereich (14) von von einer Lichtquelle (3) kommenden Strahlung (16) mindestens einen Teil so umgelenkt, dass der umgelenkte Teil als eingekoppeltes Strahlenbündel (18) im Basiskörper (4) durch Reflexion bis zum Auskoppelbereich (15) propagiert und auf das Bild-Hologramm (19) trifft, wobei das Bild-Hologramm (19) von dem auftreffenden Strahlenbündel (18) zur Rekonstruktion des einbelichteten Bildes mindestens einen Teil so umlenkt, dass der umgelenkte Teil aus dem Basiskörper (4) über die Vorderseite (5) oder Rückseite (6) austritt, so dass für einen Betrachter (B) das einbelichtete Bild wahrnehmbar ist, wobei der Basiskörper (4) mehrlagig ausgebildet ist und mindestens eine erste Schicht (7) mit einer ersten Brechzahl und eine darauf gebildete zweite Schicht (9) mit einer zweiten Brechzahl, die kleiner ist als die erste Brechzahl, aufweist, und wobei das eingekoppelte Strahlenbündel (18) in der ersten Schicht (7) aufgrund innerer Totalreflexion an der Grenzfläche zur zweiten Schicht (9) propagiert.
2. Wellenleiter nach Anspruch 1 , bei dem eine dritte Schicht (11 ) auf der von der zweiten Schicht (9) wegweisenden Seite der ersten Schicht (7) gebildet ist, wobei die dritte Schicht (11 ) eine dritte Brechzahl aufweist, die kleiner ist als die erste Brechzahl, und wobei das eingekoppelte Strahlenbündel (18) in der ersten Schicht (7) aufgrund innerer Totalreflexion an der Grenzfläche zur dritten Schicht (11 ) propagiert.
3. Wellenleiter nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Bild-Hologramm (19) in der ersten Richtung eine erste Ausdehnung aufweist, die größer ist als die Ausdehnung des Strahlquerschnitts des eingekoppelten Strahlenbündels (18) in der ersten Richtung, wobei das eingekoppelte Strahlenbündel (18) so in der ersten Schicht (7) propagiert, dass es mehrfach an verschiedenen Stellen, die entlang der ersten Richtung zueinander versetzt sind, auf das Bild-Hologramm (19) trifft und wobei bei jedem Auftreffen ein Teil des auftreffenden Strahlenbündels (18) zur Rekonstruktion des einbelichteten Bildes umgelenkt wird.
4. Wellenleiter nach Anspruch 3, bei dem das Bild-Hologramm (19) einen Effizienzverlauf aufweist, bei dem die Umlenkeffizienz vom ersten bis zum letzten Auftreffen des Strahlenbündels (18) zunimmt.
5. Wellenleiter nach einem der obigen Ansprüche, bei dem das Bild-Hologramm (19) als Bildebenen-Hologramm ausgebildet ist, bei dem das rekonstruierte Bild als Bild im transparenten Basiskörper (4) wahrnehmbar ist.
6. Wellenleiter nach einem der obigen Ansprüche, bei dem die erste Schicht (7) aus einem amorphen Material gebildet ist.
7. Wellenleiter nach einem der obigen Ansprüche, bei dem die erste Brechzahl um mindestens 0,005 größer ist als die zweite Brechzahl.
8. Wellenleiter nach einem der obigen Ansprüche, bei dem sowohl der Extinktionskoeffizient der ersten Schicht als auch der Extinktionskoeffizient der zweiten Schicht jeweils kleiner als 0,001 ist.
9. Wellenleiter nach einem der obigen Ansprüche, bei dem der Einkoppelbereich (14) ein Hologramm (17) zur Umlenkung der von der Lichtquelle (3) kommenden Strahlung (16) aufweist.
10. Wellenleiter nach einem der obigen Ansprüche, bei dem das einbelichtet Bild des Bild-Hologramm (19) einen Sternenhimmel darstellt.
11 . Wellenleiter nach Anspruch 10, bei dem das Bild-Hologramm (19) mehrere voneinander beabstandete
Auskoppelbereiche aufweist, die jeweils mindestens einen Teil vom auftreffenden Strahlenbündel (18) so umlenken, dass er als diffuse Strahlung austritt, um einen Sternenhimmel darzustellen.
12. Holographische Anzeige mit einer Lichtquelle (3) und einem Wellenleiter nach einem der obigen Ansprüche.
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