EP4688429A1 - Beleuchtetes verglasungselement mit diffraktivem holographischem element zur lichteinkopplung - Google Patents

Beleuchtetes verglasungselement mit diffraktivem holographischem element zur lichteinkopplung

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Publication number
EP4688429A1
EP4688429A1 EP24708475.9A EP24708475A EP4688429A1 EP 4688429 A1 EP4688429 A1 EP 4688429A1 EP 24708475 A EP24708475 A EP 24708475A EP 4688429 A1 EP4688429 A1 EP 4688429A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
pane
light
glass
plastic
light source
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP24708475.9A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Semjon MOORAJ
Valentin SCHULZ
Robert Besler
Tobias NIELSEN
Sascha BUTHMANN
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.)
Saint Gobain Sekurit France SAS
Original Assignee
Saint Gobain Sekurit France SAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Saint Gobain Sekurit France SAS filed Critical Saint Gobain Sekurit France SAS
Publication of EP4688429A1 publication Critical patent/EP4688429A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B17/00—Layered products essentially comprising sheet glass, or glass, slag, or like fibres
    • B32B17/06—Layered products essentially comprising sheet glass, or glass, slag, or like fibres comprising glass as the main or only constituent of a layer, next to another layer of a specific material
    • B32B17/10—Layered products essentially comprising sheet glass, or glass, slag, or like fibres comprising glass as the main or only constituent of a layer, next to another layer of a specific material of synthetic resin
    • B32B17/10005—Layered products essentially comprising sheet glass, or glass, slag, or like fibres comprising glass as the main or only constituent of a layer, next to another layer of a specific material of synthetic resin laminated safety glass or glazing
    • B32B17/10165—Functional features of the laminated safety glass or glazing
    • B32B17/10541—Functional features of the laminated safety glass or glazing comprising a light source or a light guide
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
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    • B32B17/10036—Layered products essentially comprising sheet glass, or glass, slag, or like fibres comprising glass as the main or only constituent of a layer, next to another layer of a specific material of synthetic resin laminated safety glass or glazing characterized by the number, the constitution or treatment of glass sheets comprising two outer glass sheets
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60Q—ARRANGEMENT OF SIGNALLING OR LIGHTING DEVICES, THE MOUNTING OR SUPPORTING THEREOF OR CIRCUITS THEREFOR, FOR VEHICLES IN GENERAL
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    • B60Q3/20—Arrangement of lighting devices for vehicle interiors; Lighting devices specially adapted for vehicle interiors for lighting specific fittings of passenger or driving compartments; mounted on specific fittings of passenger or driving compartments
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    • G02B6/0001—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems
    • G02B6/0011—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems the light guides being planar or of plate-like form
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    • G02B27/0101—Head-up displays characterised by optical features
    • G02B27/0103—Head-up displays characterised by optical features comprising holographic elements
    • G02B2027/0105—Holograms with particular structures

Definitions

  • the invention relates to an illuminated glazing element, a method for its production and its use.
  • Illuminated glazing elements are known as such. They are equipped with a light source whose light is coupled into a pane of glass and spreads out as a result of total reflection. The light is often coupled out of the pane of glass again by light-scattering structures, which is how the lighting is realized.
  • the shape of the light-scattering structures can be freely selected, so that illuminated surfaces of any shape, for example as a pattern, can be created.
  • Illuminated glazing elements of this type are known, for example, from W02014/060409A1 or WO2014/167291A1.
  • Such illuminated glazing elements are particularly interesting as roof panes.
  • the glazing element is typically designed as a composite pane, into the inner pane of which the light is coupled.
  • Such illuminated glazing elements can also be used for other vehicle windows or windows in the building and architecture sector or in furnishings.
  • the light-scattering structures create illuminated surfaces that can be used to display aesthetically pleasing shapes and patterns or to display information, for example to display direction arrows, status displays, warnings, price lists or similar.
  • the light source typically a light-emitting diode
  • the light source can be positioned on the side edge so that the light is radiated into the glass pane via the side edge and thus coupled in.
  • Such coupling is often impossible, particularly because the side edge of the glass pane is usually ground to reduce the risk of injury, which makes the side edge cloudy.
  • the light source can be arranged in a recess in the glass pane (for example in a feedthrough) so that the light is radiated into the glass pane via the side edge surface of the recess and is thereby coupled in. Drilling the recess, however, makes the manufacture of such a glazing element considerably more difficult. more complex and is associated with the risk of a comparatively high level of waste due to glass breakage.
  • a reflective structure with a reflective surface is attached to the surface of the glass pane facing away from the light source.
  • the reflective surface has sections that are inclined towards one another.
  • the reflective structure is irradiated by the light source through the glass pane, with the light being reflected at the inclined sections of the reflective surface in such a way that it spreads out on the surfaces in the glass pane as a result of total reflection.
  • the integration of the reflective structure into the glazing element makes the manufacture of such a glazing element considerably more complex.
  • the reflective structure must be integrated into it, which requires a more complex and lengthy lamination process.
  • the object of the present invention is to provide an improved illuminated glazing unit in which the light is coupled in with high efficiency and which is easy to manufacture.
  • the invention is based on the coupling of light using a diffractive holographic element.
  • This has light-diffractive properties that are optimized for the emission wavelength of the light source.
  • the light from the light source is deflected by the light diffraction and coupled into the glazing element in such a way that it spreads out there, in particular by total reflection in the manner of a light guide.
  • the diffractive holographic element enables efficient light coupling with very low light losses. This is the great advantage of the invention.
  • the glazing element can be used as a window pane, for example as a window pane in vehicles, buildings or interior rooms.
  • the glazing element can also be used as a component of furniture or electrical devices, for example as a door pane in a cupboard or shelf or as a pane in an oven door.
  • the glazing element can also be used as a furnishing item, for example as a display board in bars or discos.
  • the illuminated glazing element according to the invention comprises or contains at least one glass pane or plastic pane, a light source and a diffractive holographic element.
  • the glass pane or plastic pane has a first surface (main surface), a second surface (main surface) and a side edge surface running between them.
  • the light source is intended and suitable for generating light.
  • the light source is arranged in the glazing element in such a way that one of the main surfaces of the glass or plastic pane faces the light source.
  • the said main surface is referred to as the second surface of the glass or plastic pane in the sense of the invention.
  • the light source is directed at the second surface and irradiates it with light during operation.
  • the light is irradiated (at least partially) into the glass or plastic pane via the second surface.
  • the glazing element according to the invention is characterized in that it is equipped with the diffractive holographic element.
  • the diffractive holographic element is suitable and configured to deflect the light from the light source in such a way that it is (at least partially) coupled into the glass or plastic pane.
  • the light is coupled in at a coupling angle that is suitable for the coupled light to spread at least partially (at least part of the coupled light) at least in the glass or plastic pane, in particular by total reflection.
  • the glass or plastic pane is only provided with one or more other light-conducting layers on one side, total reflection occurs on one surface of the glass or plastic pane and the surface of the at least one other layer facing away from it. If the glass or plastic pane is provided with one or more additional light-conducting layers on both sides, total reflection occurs on the surfaces of the two additional layers or layer sequences connected to the glass or plastic pane that face away from the glass or plastic pane.
  • the diffractive holographic element is a holographic element, in particular a holographic film, which is suitable for diffracting light so that the propagation direction of light passing through the holographic element is changed.
  • Holography is a method for recording and reconstructing a wave field. While photography only stores the intensity and (in the case of color photography) the frequency of the incident light on a film, holography stores the phase and intensity of the light.
  • a hologram is created by irradiating an object with coherent light, which is reflected and scattered by the object. The wave field thus created (object wave) is superimposed with unscattered light (reference wave) from the same radiation source. It Optical interference occurs between the object wave and the reference wave, creating an interference pattern. The holographic medium is exposed to this interference pattern. The holographic medium only reacts to the intensity of the light, but the relative phase (between the object and reference waves) is recorded through the interference of the wave fronts. The hologram is created by developing the holographic medium.
  • a laser is usually used as a coherent radiation source, and its radiation is expanded using scattering lenses.
  • the holographic element is a holographic medium on which a hologram is recorded.
  • the holographic medium is preferably a holographic film. This is understood to mean a polymer film that consists of a light-sensitive polymer, that contains light-sensitive inclusions or that is provided with a light-sensitive coating. Alternatively, a glass plate with a light-sensitive coating can be used as a holographic medium, or a rigid plastic plate with a light-sensitive coating, with light-sensitive inclusions or made of a light-sensitive polymer.
  • the holographic film comprises a layer of a photopolymer which is arranged on a carrier film or which is arranged between two carrier films.
  • the photopolymer layer preferably has a thickness of 5 pm to 50 pm, particularly preferably 7 pm to 30 pm.
  • the carrier films have a thickness of 50 pm to 200 pm, for example.
  • the holographic film is preferably provided with a peripheral edge seal in order to prevent contaminants from penetrating the photopolymer layer via the side edge.
  • the edge seal can be, for example, a polymer tape or adhesive tape which is arranged peripherally around the side edge of the holographic film.
  • holography can be used to produce optical components (holographic optical components, HOE). This allows conventional optical components such as lenses, mirrors or prisms to be replaced.
  • the diffractive holographic element according to the invention can also be regarded as a holographic optical component.
  • Holographic elements with light-diffractive properties are also known to the person skilled in the art. reference is made to WO01037014A1, EP0467601B1, EP0179717A1, US020100253919A1, US20080002540A1.
  • the interference pattern with which the holographic medium is exposed can produce complex local refractive index changes in the medium, thereby producing a complex diffraction pattern.
  • Particularly suitable as light-sensitive components of the holographic medium are photorefractive materials that change their refractive index depending on the exposure due to the photorefractive effect (for example lithium niobate, barium titanate or gallium arsenide) or photopolymers in which polymerization is caused by exposure, thereby changing the optical properties such as the refractive index.
  • photorefractive materials that change their refractive index depending on the exposure due to the photorefractive effect
  • photopolymers in which polymerization is caused by exposure thereby changing the optical properties such as the refractive index.
  • the wavelength of the radiation source for exposure corresponds in particular to the wavelength of the light source of the illuminated glazing element according to the invention.
  • the diffractive holographic element is exposed to a wavelength that corresponds to the emission wavelength of the light source, or in short: the diffractive holographic element is exposed to the emission wavelength of the light source.
  • the emission wavelength of the light source is understood to mean in particular the maximum of the emission band of the light source.
  • a light beam incident on the diffractive holographic element is diffracted so that the direction of radiation changes.
  • the angle between the incident light vector and the light vector emerging from the holographic element after diffraction is referred to as the diffraction angle in the sense of the invention. If the diffraction angle is between 90° and 180°, the light beam passes through the diffractive holographic element with a changed beam direction.
  • Such a holographic element is referred to as a transmissive-diffractive holographic element in the sense of the invention. If the diffraction angle is between 0° and 90°, the light beam with a changed beam direction is thrown back or reflected by the diffractive holographic element.
  • the diffractive holographic element is a transmissive-diffractive holographic element.
  • the radiation from the light source therefore passes (at least predominantly) through the holographic element, where it is deflected.
  • the diffraction angle is between 90° and 180°.
  • the diffractive holographic element is arranged between the light source and the glass or plastic pane (or the light guide), in particular between the light source and the second surface of the glass or plastic pane (or the light guide) facing the light source, so that the light that has passed through the holographic element and been deflected is coupled into the glass or plastic pane via the second surface.
  • the diffractive holographic element is preferably glued to the second surface of the glass or plastic pane.
  • a layer of optically clear adhesive is particularly preferably used to ensure optimal optical quality of the glazing element.
  • the diffractive holographic element is a reflective-diffractive holographic element.
  • the radiation from the light source is therefore (at least predominantly) reflected by the holographic element and does not pass through it.
  • the diffraction angle is between 0° and 90°.
  • the glass or plastic pane (or the light guide) is arranged between the light source and the diffractive holographic element, so that the first surface of the glass or plastic pane faces the diffractive holographic element.
  • the light reflected and deflected by the holographic element is coupled into the glass or plastic pane via the first surface.
  • the diffractive holographic element is preferably arranged on the first surface of the glass or plastic pane (or the light guide). It can be glued to the first surface, preferably via a layer of an optically clear adhesive. If the glazing element is designed as a composite pane, the holographic element can be inserted between the glass or plastic pane and the thermoplastic intermediate layer and fixed to the first surface by lamination of the composite pane.
  • a collimator can be arranged between the light source and the diffractive holographic element, with the collimator being located in the beam path of the light source. The collimator is preferably arranged between the light source and the second surface of the glass or plastic pane, so that the light is radiated into the glass or plastic pane via the collimator.
  • the collimator generates a light beam from the typically divergent light beam of the light source with a preferably essentially parallel beam path, or at least a less divergent, i.e. more concentrated beam path.
  • the beam cone of the light source is thus narrowed by the collimator.
  • the diffractive holographic element (or the light-diffracting hologram formed in it) can also be adapted to non-collimated light sources.
  • the collimator is a type of converging lens, with the light source preferably arranged at its focal point.
  • the collimator can be made of glass or a transparent plastic, for example, in particular polycarbonate (PC) or polymethyl methacrylate (PMMA).
  • the collimator is preferably attached to the second surface of the glass or plastic pane, for example glued, or to the diffractive holographic element arranged on the second surface.
  • the light source is designed as an arrangement of several light-emitting diodes, a separate collimator can be provided for each light-emitting diode.
  • a common collimator is preferably used for the entire LED arrangement. In the case of a linear LED arrangement, for example, a rod-like collimator can be used, the length of which corresponds at least to the length of the LED arrangement.
  • the glazing element comprises several light sources of different emission colors, i.e. several light sources with different emission wavelengths.
  • the light sources are attached to the glazing element at a distance from one another.
  • the light sources can optionally be arranged in a common housing, which makes it easier to attach and position the light sources on the glazing element.
  • each light source is assigned its own diffractive holographic element.
  • a diffractive holographic element is used whose light-diffractive properties are optimized for the emission wavelength of the light source, in particular has been exposed to radiation of the same wavelength.
  • the glazing element therefore comprises several light sources with different emission wavelengths and the same number of diffractive holographic elements, with each light source being assigned exactly one holographic element and each holographic element being assigned exactly one light source.
  • Each diffractive holographic element is suitable for deflecting the light from the assigned light source in such a way that it is coupled into the glass or plastic pane with a coupling angle that is suitable for the coupled light to spread in the glass or plastic pane, in particular by total reflection.
  • the glazing element therefore comprises a plurality of light sources with different emission wavelengths and a single diffractive holographic element with the same number of differently exposed areas, with each light source being assigned exactly one area and each area being assigned exactly one light source.
  • Each area of the diffractive holographic element is suitable for light of the to deflect the associated light source in such a way that it is coupled into the glass or plastic pane with a coupling angle which is suitable for the coupled light to propagate in the glass or plastic pane, in particular by total reflection.
  • a single diffractive holographic element is assigned to the multiple light sources.
  • the holographic element has a single, similarly exposed area (where the holographic element can be fully exposed, so that the said area encompasses the entire holographic element).
  • This area is assigned to the entirety of the light sources and is exposed to the emission wavelengths of all light sources. This means that the said area is completely (fully exposed) to every wavelength.
  • the holographic element therefore has a multi-colored hologram (for example an RGB hologram).
  • a common diffractive holographic element is therefore used for the entirety of the light sources, the light-diffractive properties of which are optimized for the emission wavelength of all light sources, in particular has been exposed to radiation of the wavelengths of all light sources.
  • the second and third embodiments with the common holographic element are preferred over the first embodiment because it is easier to attach a single holographic element to the glazing element than several separate holographic elements.
  • the third embodiment with the similarly illuminated area is in turn preferred over the second embodiment.
  • care must be taken to ensure that they are correctly positioned in relation to the area assigned to them, which is more complex than the third embodiment, in which each light source can be positioned anywhere in the common area.
  • the glazing element can have several sets of light sources of different wavelengths in order to increase the coupled light source. The above statements then apply to each set.
  • Each set is preferably provided with a holographic element which either has differently exposed areas for each light source or a multi-colored exposed area for all light sources.
  • a light source with a green emission colour preferably with an emission wavelength in the range from 500 nm to 560 nm, particularly preferably from 510 nm to 550 nm, very particularly preferably from 510 nm to 530 nm (in particular with an emission wavelength of about 520 nm) and
  • RGB light sources
  • the light from the light source is coupled into the glass or plastic pane and then spreads out in the glazing element.
  • the light is reflected back and forth between two boundary surfaces of the glazing element as a result of total reflection.
  • the glass or plastic pane (and any adjacent layers that are part of the said light guide) is preferably transparent in order to ensure optimal propagation of the light.
  • the light transmission of the glass or plastic pane is particularly preferably at least 70%, in particular at least 80%, in the entire visible spectral range.
  • the first surface of the glass or plastic pane (or the light guide) faces away from the light source
  • the second surface faces the light source.
  • the light source irradiates the glass or plastic pane (or the light guide), with the light entering the glass or plastic pane (or the light guide) via the second surface. If a transmissive-diffractive holographic element is used, the light is coupled into the glass or plastic pane (or the light guide) via the second surface and spreads out by total reflection.
  • the light-diffractive properties, in particular the diffraction angle, of the diffractive holographic element are suitably selected to ensure efficient light coupling and propagation by total reflection.
  • the coupling takes place via the second surface of the glass or plastic pane or the light guide (in the case of a transmissive-diffractive holographic element) or via the first surface (in the case of a reflective-diffractive holographic element).
  • the said surface represents the entrance surface.
  • the diffraction angle of the holographic element is in particular set such that the light (at least partially) hits the surface opposite the entrance surface at an angle (angle of incidence) that is greater than the critical angle of total reflection. The light beam is totally reflected on the said opposite surface with an angle of reflection that corresponds to the angle of incidence.
  • the medium adjacent to the first surface of the glass or plastic pane differs from the medium adjacent to the second surface.
  • This is the case, for example, with This is the case with composite panes, where one of the surfaces of the glass or plastic pane is connected to another of the glass or plastic panes via a thermoplastic intermediate layer. Then one of the surfaces of the glass or plastic pane borders on the surrounding atmosphere and the other surface borders on the thermoplastic intermediate layer. Therefore, different critical angles of total reflection occur on the two surfaces.
  • the diffraction angle of the holographic element is designed in such a way that the light, after refraction on the entrance surface, hits the opposite surface at an angle (angle of incidence) which is greater than the larger critical angle of total reflection.
  • the light spreads in the glass or plastic pane (or the light guide) until it either hits the side edge surface of the glass or plastic pane (or the light guide) and is coupled out there, or it hits a light-scattering structure on one of the two surfaces of the glass or plastic pane (or the light guide), which interrupts the total reflection by scattering light, whereby the light is coupled out of the glass or plastic pane (or the light guide) via the surface in question.
  • the glazing element is provided with a light source which is suitable for coupling light into the glass pane.
  • the light source emits visible light, i.e. electromagnetic radiation in the visible spectral range, in particular in the range from 380 nm to 780 nm.
  • the light source can have one or more emission bands which are arranged in the visible spectral range and cover part of it. However, the light source can also have a broad emission band which covers the entire visible spectral range.
  • the emission band(s) - and thus the color of the emitted light - can be freely selected according to the requirements of the specific application.
  • the light source preferably comprises or is preferably designed as at least one light-emitting diode (LED).
  • the light source can be a single light-emitting diode, but it is preferably an arrangement of several light-emitting diodes.
  • the said The arrangement is preferably installed in a common housing, for example as a linear arrangement in which the light-emitting diodes are arranged along a line.
  • the electroluminescent material of the light-emitting diode can be, for example, an inorganic semiconductor or an organic semiconductor. In the latter case, it is also referred to as an organic light-emitting diode (OLED).
  • the light source can be arranged in a housing which is attached to the glazing element, in particular to the second surface of the glass or plastic pane or to the surface facing away from the glass or plastic pane of a further layer of the glazing element connected to the second surface of the glass or plastic pane. If several light sources with different emission colors are used, they are preferably arranged in a common housing, by which the relative positioning of the individual light sources to one another is determined.
  • the housing can, for example, be glued to the glazing element.
  • the light source can alternatively be attached to the glazing element via a transparent component made of glass or plastic, in particular to the second surface of the glass or plastic pane or to the surface facing away from the glass or plastic pane of a further layer of the glazing element connected to the second surface of the glass or plastic pane, or to any transmissive-diffractive holographic element on said surface.
  • the beam path from the light source to the glazing element then runs through the transparent component, which can also act as a lens or collimator, for example.
  • the light source can, for example, be glued, screwed or snapped onto the component.
  • the light beam can be irradiated into the glazing element or the glass or plastic pane at any angle of incidence.
  • the angle of incidence is determined as the angle to the surface normal on the entrance surface.
  • a great advantage of the invention is that the hologram can be adapted very flexibly to the requirements in individual cases.
  • the optimal coupling angle (angle at which the light penetrates the glass or plastic pane after diffraction at the diffractive holographic element) can be determined by simulations depending on the light guide used.
  • the glass or plastic pane is provided with at least one light-scattering structure that is suitable for coupling the light out of the glass or plastic pane via the first surface and/or via the second surface.
  • the light-scattering structure is arranged on the first or second surface or is in contact with said surface. If the light propagating in the glass or plastic pane hits the light-scattering structure, it is scattered, thereby preventing total reflection, so that the scattered light is coupled out and leaves the glazing element.
  • the light-scattering structure appears as a luminous surface of the glazing element. This can be used, for example, to illuminate an interior or to display symbols or patterns that serve to convey information or may be intended for purely aesthetic reasons.
  • the light-scattering structure can be present in a single, connected area of the glazing element or in several separate areas. The light-scattering structure allows any shape or pattern to be realized.
  • the light-scattering structure can be applied directly to the first or second surface of the glass or plastic pane or formed there.
  • the light-scattering structure can be provided, for example, on a carrier film which is attached to the first or second surface of the glass or plastic pane, for example by gluing.
  • the glazing element according to the invention is a composite pane
  • the light-scattering structure can be applied to the surface of a thermoplastic intermediate layer which is in contact with the glass or plastic pane.
  • the light-scattering structure (for example applied to a carrier film) can be inserted between the glass or plastic pane and the intermediate layer.
  • the light-scattering structure is designed as a print, in particular as a print on one of the surfaces of the glass or plastic pane or - in the case of a composite pane - on the surface of the adjacent intermediate layer facing the glass or plastic pane.
  • a print on this is preferably designed as a light-scattering enamel.
  • This enamel can be printed on using a screen printing process, for example. It preferably contains glass frits which are burned into the surface of the glass layer, creating a roughened and therefore light-scattering surface.
  • a print on a polymer layer can be realized by printing a surface of the polymer layer with a light-scattering printing paste, for example using a screen printing process.
  • the light-scattering structure is transparent, so that it does not significantly restrict the view through the glazing element.
  • the print (the enamel or printing paste) therefore preferably contains no pigment.
  • opaque or semi-transparent light-scattering structures with pigments are also conceivable, for example white structures.
  • Light-scattering structures can also be formed by roughening the relevant surface of the glass or plastic pane. This roughening can be done mechanically (for example using grinding techniques) or by laser processing. Laser processing has the advantage, particularly in the case of a composite pane, that the light-scattering structure can also be introduced into the finished laminated composite pane, even if it is to be located inside the composite pane, since the laser radiation can also be focused on a plane inside the composite pane. Laser processing also makes it possible to form the light-scattering structure inside the glass or plastic pane rather than on a surface.
  • the light-scattering structure is not absolutely necessary within the scope of the present invention. Applications are also conceivable in which the light is to be coupled out via the side edge surface of the glass or plastic pane (or the light guide), whereby no light-scattering structures are necessary on the first or second surface. Such lighting can be desirable for aesthetic reasons, for example as a type of ambient light function.
  • the glazing element can be a monolithic pane, in particular a single pane of glass. Structurally, the glazing element is formed exclusively by the glass or plastic pane according to the invention, in particular a glass pane.
  • the glass or plastic pane serves as a light guide, with the total reflection of the propagating light taking place on the first and second surfaces of the glass or plastic pane.
  • the glass or plastic pane according to the invention is the inner pane and the further glass or plastic pane is the outer pane of the composite pane.
  • the second surface of the glass or plastic pane according to the invention is preferably its interior-side surface, which faces away from the intermediate layer and the outer pane, and the light source is attached to it.
  • the first surface of the glass or plastic pane according to the invention is then connected to the outer pane via the thermoplastic intermediate layer.
  • the transmissive-diffractive holographic element is arranged between the glass or plastic pane (inner pane) and the light source, preferably on the interior surface of the glass or plastic pane facing away from the intermediate layer.
  • the reflective-diffractive holographic element is preferably arranged between the outer pane and the inner pane, particularly preferably on the outside surface of the glass or plastic pane (inner pane) facing the intermediate layer.
  • a transmissive-diffractive holographic element is particularly preferred because it does not have to be integrated into the composite pane during manufacture, but can be attached later. The manufacture of the composite pane is therefore not made more technically and time-consuming by the integration of the holographic element.
  • the reflective-diffractive holographic element is preferably arranged on the surface of said at least one layer facing away from the glass or plastic pane.
  • the thickness of the outer pane and the inner pane is preferably, independently of one another, from 0.5 mm to 10 mm, particularly preferably from 1 mm to 5 mm.
  • the outer pane is preferably made of soda-lime glass.
  • the intermediate layer has a thickness of, for example, 0.3 mm to 1.0 mm. It is preferably made of at least one thermoplastic film, for example based on polyvinyl butyral (PVB), ethylene vinyl acetate (EVA) or polyurethane (PU). In the sense of the invention, this means that the film consists predominantly of the said material, i.e. the proportion of the material is more than 50% by weight, preferably more than 60% by weight.
  • the film can contain other components, for example plasticizers, stabilizers, UV or IR blockers.
  • the glass or plastic pane according to the invention forms a thin light guide which is embedded in the intermediate layer of a composite pane.
  • the glass or plastic pane is arranged between two panes (in particular an outer pane and an inner pane) and is connected to the first pane (outer pane) via at least one thermoplastic layer and to the second pane (inner pane) via at least one thermoplastic layer.
  • the adjacent thermoplastic layers can have a lower refractive index than the glass or plastic pane, so that it can be seen as a result of total reflection.
  • Light guide can act.
  • the surfaces of the glass or plastic pane can be provided with a coating with a lower refractive index.
  • Such a composite pane can also be realized with a transmissive-diffractive holographic element or with a reflective-diffractive holographic element.
  • the transmissive-diffractive holographic element can be arranged on the surface of the light-conducting glass or plastic pane facing the light source.
  • the transmissive-diffractive holographic element can be arranged on the surface of the pane facing the light source (in particular the inner pane).
  • the reflective-diffractive holographic element can be arranged on the surface of the light-conducting glass or plastic pane facing away from the light source.
  • the holographic element preferably comprises at least one carrier film and one photopolymer layer. If the holographic element is attached to an exposed surface of the glazing element (for example the surface of a monolithic pane or the interior surface of the inner pane of a composite pane), it may be preferred that the holographic element has only a single carrier film and the photopolymer layer, wherein the carrier film faces away from said exposed surface and the photopolymer layer is attached to said surface, for example via an optically clear adhesive.
  • the photopolymer layer can also be arranged between two carrier films, wherein one of the carrier films is attached to said surface, for example via an optically clear adhesive. If, on the other hand, the holographic element is arranged inside a composite pane, it preferably comprises a photopolymer layer between two carrier films.
  • the composite pane preferably has an opaque masking area through which no view is possible.
  • This masking area is preferably enclosed all the way around in a Edge area of the composite pane and surrounds a central transparent see-through area like a frame. This is particularly common for vehicle windows.
  • the masking area is formed in particular by an opaque element, for example by an opal cover print or an opaque section of the intermediate layer.
  • the light source is arranged in the masking area and the light is coupled in via the diffractive holographic element in the masking area.
  • the masking area is particularly preferably formed by an opaque cover print on the interior surface of the other glass or plastic pane (outer pane).
  • Such a cover print is typically formed by an enamel which contains glass frits and a black pigment and which is printed on using a screen printing process and then burned into the surface.
  • the glass or plastic pane according to the invention is a glass pane, it is preferably made of soda-lime glass, as is usual for window panes. Alternatively, the glass pane can also be made of other types of glass, for example borosilicate glass, aluminosilicate glass or quartz glass. If the glass or plastic pane according to the invention is a plastic pane, it is preferably made of a clear, rigid plastic, particularly preferably polycarbonate (PC) or polymethyl methacrylate (PMMA).
  • PC polycarbonate
  • PMMA polymethyl methacrylate
  • the glass or plastic pane according to the invention is preferably clear and has no significant tints or colorings in order to make the light propagation efficient.
  • the additional glass or plastic pane and the intermediate layer can also be clear or tinted or colored.
  • the glazing element can be flat or curved in one or more directions of the room.
  • the invention also includes a method for producing an illuminated glass element according to the invention, wherein
  • the glass pane or plastic pane is provided with the first surface and the second surface
  • the light source is mounted so that the second surface of the glass or plastic pane faces the light source, the diffractive holographic element is attached so that it is irradiated by the light source.
  • the light source can be attached before or after the diffractive holographic element is attached.
  • the diffractive holographic element is preferably produced by holographically exposing a light-sensitive polymer film so that a light-diffracting hologram is produced.
  • light of the same wavelength (or wavelengths) is used which is also emitted by the light source (or light sources).
  • Light with the emission wavelength of the light source is therefore used as the reference wave during exposure.
  • the glazing element is designed as a composite pane
  • known lamination processes can be used to manufacture it, for example autoclave processes, vacuum bag processes, vacuum ring processes, calender processes, vacuum laminators or combinations thereof.
  • the connection between the outer pane and the inner pane is usually carried out under the influence of heat, vacuum and/or pressure.
  • the invention also includes the use of a glazing element according to the invention as a window pane of a vehicle.
  • a particularly preferred use is a vehicle roof pane, which is used to illuminate the vehicle interior.
  • the vehicle can in principle be any land vehicle, watercraft or aircraft, and is preferably a passenger car, truck or rail vehicle.
  • the glazing element can also be used in buildings, for example as a window pane, glass facade or glass door in the outside or inside area, in particular as a window pane of a building or an interior.
  • the glazing element can also be used as a component of furniture, electrical devices, as a component of furnishings or as a furnishing.
  • Fig. 1 shows a cross section through an embodiment of the glazing element according to the invention
  • Fig. 2 is an enlarged view of section Z from Figure 1 ,
  • Fig. 3 shows a cross section through a further embodiment of the glazing element according to the invention
  • Fig. 4 is an enlarged view of section Y from Figure 3.
  • Figure 1 and Figure 2 each show a detail of a first embodiment of the glazing element according to the invention.
  • Figure 1 shows a cross section of the glazing element.
  • a section Z is marked there, which is shown enlarged in Figure 2.
  • the glazing element is designed as a composite pane.
  • the composite pane is intended, for example, as a roof pane of a vehicle, in particular a passenger car. It is shown flat for the sake of simplicity, although such vehicle roof panes are typically curved.
  • the composite pane is structurally formed from a glass pane 2, which serves as the inner pane, and another glass pane, which serves as the outer pane 1, and a thermoplastic intermediate layer 3, via which the glass pane 2 and the outer pane 1 are connected to one another.
  • the outer pane 1 and the glass pane 2 consist of soda-lime glass and each have a thickness of, for example, 2.1 mm.
  • the intermediate layer 3 is made of a PVB film with a thickness of, for example, 0.76 mm.
  • the glass pane 2 is clear, the outer pane 1 and the intermediate layer 3 are tinted in order to reduce the light transmission of the composite pane (for example to less than 15%), as is usual with vehicle roof panes.
  • the outer pane 1 faces the outside environment of the vehicle in the installed position. It has an outside surface I that faces the outside environment and an inside surface II that faces the vehicle interior.
  • the glass pane 2 (inner pane) faces the vehicle interior in the installed position. It has an outside surface III that faces the outside environment and an interior-side surface IV which faces the vehicle interior.
  • the interior-side surface II of the outer pane 1 and the outer-side surface III of the glass pane 2 are connected to one another via the thermoplastic intermediate layer 3.
  • the composite pane has a surrounding, opaque edge region (masking region) in which a black masking print 9 is applied to the interior surface II of the outer pane 1, which prevents visibility through the composite pane.
  • a diffractive holographic element 4 is attached to the interior surface IV of the glass pane 2, for example by means of a layer of optically clear adhesive (not shown).
  • the diffractive holographic element 4 is intended for coupling the light from a light source 5 into the glass pane 2.
  • the light source 5 is a light-emitting diode (LED), for example with a green emission color and a mean emission wavelength of 550 nm.
  • the light source 5 is connected to the diffractive holographic element 4 via a collimator 7.
  • the collimator 7 is a transparent optical component, for example made of polycarbonate, which acts as a type of converging lens and reduces the beam cone of the light source 5, ideally to a parallel beam path. The light from the light source 5 passes through the collimator 7 and then hits the diffractive holographic element 4.
  • the diffractive holographic element 4 is a holographic film in which a hologram is formed.
  • the hologram was created with the same wavelength as the light source 5, for example by exposure to a laser with a wavelength of 550 nm. This allows the holographic element 4 to exert its effect optimally on the light from the light source 5.
  • the hologram creates a type of diffraction pattern, which results, for example, from complex refractive index changes that were formed in the holographic film during exposure.
  • the diffractive holographic element 4 is suitable and intended to diffract the light from the light source 5 and thereby change its direction of propagation.
  • the diffraction angle a describes the change in the direction of propagation of the light (shown by dashed arrows).
  • the diffraction angle a is the angle between the light vector incident on the diffractive holographic element 4 and the light vector emanating from the diffractive holographic element 4.
  • the diffraction angle a lies between 90° and 180° and is, for example, approximately 102°. It is therefore a transmissive-diffractive holographic element, whereby the light mostly passes through the holographic element 4 with a changed direction of propagation.
  • the surfaces III, IV of the glass pane 2 each represent an interface with a neighboring optically less dense medium.
  • the refractive index of the glass pane 2 is 1.53 (soda-lime glass)
  • the refractive index of the intermediate layer 3 is 1.48 (PVB)
  • the refractive index of air is approximately 1.00.
  • a critical angle of total reflection can be calculated from this: this is approximately 75.3° on the outside surface III (interface with the intermediate layer 3) and approximately 40.8° on the inside surface IV (interface with the air). The critical angle of total reflection is measured to the surface normal.
  • the light from the light source 5 is radiated into the glass pane 2 via the interior surface IV, where it is deflected by the holographic element 4 with a diffraction angle of 102°.
  • the light then passes through the glass pane 2 and hits the exterior surface III at an angle of incidence of 78° (also measured to the surface normal). Since the angle of incidence is greater than the critical angle of total reflection, the light is totally reflected, passes through the glass pane 2 again and hits the interior surface IV at an angle of incidence of 78°.
  • the angle of incidence is greater than the critical angle of total reflection, so that the light is again totally reflected. In this way, the light is reflected back and forth between the surfaces III, IV, so that it spreads out in the glass pane 2.
  • the glass pane 2 functions as a type of flat light guide.
  • light-scattering structures 6 made of transparent enamel are printed on the interior surface IV.
  • the light-scattering structures 6 therefore appear to a viewer as luminous surfaces which can be used for lighting, for example, or which can display symbols or patterns.
  • Light which does not hit the light-scattering structures 6 reaches the side edge surface of the glass pane 2 and is decoupled via this.
  • the light from the light source 5 hits the interior surface IV or the holographic element 4 at an angle of incidence of 0° (measured to the surface normal) before coupling.
  • the collimator 7 is merely optional; it improves the light output in particular.
  • the light source 5 could also be arranged in a housing, for example, which is attached to the interior surface IV of the glass pane 2, or be connected to the holographic element 4 via a transparent component which has no effect on the beam cone, in particular does not act as a collimator.
  • Figure 3 and Figure 4 each show a detail of a second embodiment of the glazing element according to the invention.
  • Figure 3 shows a cross section of the glazing element.
  • a section Y is marked there, which is shown enlarged in Figure 4.
  • the glazing element is designed as a composite pane with the glass pane 2 as the inner pane, the further glass pane as the outer pane 1, the thermoplastic intermediate layer 3, the cover print 9 and the light-scattering structures 6.
  • the second embodiment differs from the first embodiment in the type of light coupling.
  • the light from the light source 5 is again radiated into the glass pane 2 via the interior surface IV with an angle of incidence of 0°, although the angle of incidence may also deviate from 0°.
  • An optional collimator 7 is arranged on the interior surface IV of the glass pane 2, which in this case is designed as a holographic film that acts as a type of converging lens (holographic-optical component).
  • the collimator 7 is, for example, glued to the interior surface IV, in particular via a layer of optically clear adhesive (not shown).
  • the light source can, for example, be arranged in a housing (not shown) that is attached to the interior surface IV of the glass pane 2. The light radiated via the interior surface IV passes through the glass pane
  • a diffractive holographic element 4 is arranged there and is irradiated by the light.
  • the diffractive holographic element 4 can simply be inserted between the intermediate layer 3 and the glass pane 2, whereby it is fixed in place during the lamination of the composite pane.
  • the diffractive holographic element 4 it is also possible for the diffractive holographic element 4 to be attached to the glass pane 2 or the intermediate layer
  • the diffractive holographic element 4 again acts as a light-diffractive element to change the direction of propagation of the light and to couple the light into the glass pane 2.
  • the diffraction angle a in this case is between 0° and 90° and is, for example, approximately 78°. It is therefore a reflective-diffractive holographic element, whereby the light is mostly reflected from the holographic element 4 with a changed direction of propagation.
  • the light is coupled from the holographic element 4 via the outside surface III into the glass pane 2. It passes through the glass pane 2 and hits the interior surface IV with an angle of incidence of 78°. This angle of incidence is greater than the greatest critical angle of total reflection of the glass pane 2, so that the light spreads again in the manner of a light guide in the glass pane 2.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein beleuchtetes Verglasungselement, umfassend - eine Glasscheibe (2) oder Kunststoffscheibe mit einer ersten Oberfläche (III) und einer zweiten Oberfläche (IV), - eine Lichtquelle (5) zur Erzeugung von Licht, wobei die zweite Oberfläche (IV) der Glasscheibe (2) oder Kunststoffscheibe der Lichtquelle (5) zugewandt ist, - ein diffraktives holographisches Element (4), welches von der Lichtquelle (5) bestrahlt wird, wobei das diffraktive holographische Element (4) geeignet ist, das Licht derart abzulenken, dass es in die Glasscheibe (2) oder Kunststoffscheibe eingekoppelt wird und sich zumindest in der Glasscheibe (2) oder Kunststoffscheibe ausbreitet, insbesondere durch Totalreflexion.

Description

Beleuchtetes Verglasungselement mit diffraktivem holographischem Element zur Lichteinkopplung
Die Erfindung betrifft eine beleuchtetes Verglasungselement, ein Verfahren zu seiner Herstellung und seine Verwendung.
Beleuchtete Verglasungselemente sind als solche bekannt. Sie sind mit einer Lichtquelle ausgestattet, deren Licht in eine Glasscheibe eingekoppelt wird und infolge von Totalreflexion ausbreitet. Häufig wird das Licht durch lichtstreuende Strukturen wieder aus der Glasscheibe ausgekoppelt, wodurch die Beleuchtung realisiert wird. Die Form der lichtstreuenden Strukturen ist dabei frei wählbar, so dass beleuchtete Flächen beliebiger Form, beispielsweise als Muster, erzeugt werden können. Beleuchtete Verglasungselemente dieser Art sind beispielsweise aus W02014/060409A1 oder WO2014/167291A1 bekannt.
Im Fahrzeugbereich sind solche beleuchteten Verglasungselemente insbesondere als Dachscheiben interessant. Das Verglasungselement ist dabei typischerweise als Verbundscheibe ausgebildet, in deren Innenscheibe das Licht eingekoppelt wird. Aber auch für andere Fahrzeugscheiben oder auch Scheiben im Gebäude- und Architekturbereich oder in Einrichtungsgegenständen können solche beleuchteten Verglasungselemente Verwendung finden. Durch die lichtstreuenden Strukturen werden beleuchtete Flächen realisiert, die zur Darstellung ästhetisch ansprechender Formen und Muster oder auch zur Darstellung von Informationen verwendet werden können, beispielweise zur Darstellung von Richtungspfeilen, Statusanzeigen, Warnhinweisen, Preistafeln oder ähnlichem.
Es sind verschiedene Möglichkeiten bekannt, das Licht der Lichtquelle in die Glasscheibe einzukoppeln. Die Lichtquelle (typischerweise eine Leuchtdiode) kann an der Seitenkante angeordnet werden, so dass das Licht über die Seitenkante in die Glasscheibe eingestrahlt und dadurch eingekoppelt wird. Eine solche Einkopplung ist aber häufig ausgeschlossen, insbesondere weil die Seitenkante der Glasscheibe meist geschliffen wird, um das Verletzungsrisiko zu reduzieren, wodurch die Seitenkante trüb ausgebildet wird.
Alternativ kann die Lichtquelle in einer Ausnehmung der Glasscheibe (beispielsweise in einer Durchführung) angeordnet werden, so dass das Licht über die Seitenkantenfläche der Ausnehmung in die Glasscheibe eingestrahlt und dadurch eingekoppelt wird. Das Bohren der Ausnehmung gestaltet die Herstellung eines solchen Verglasungselements aber erheblich aufwändiger und geht mit der Gefahr eines vergleichsweise hohen Ausschusses infolge von Glasbruch einher.
In der nachveröffentlichten internationalen Anmeldung WO2023144282A1 ist vorgeschlagen worden, dass Licht über eine Hauptfläche der Glasscheibe einzukoppeln. Dazu ist an der von der Lichtquelle abgewandten Oberfläche der Glasscheibe eine reflektierende Struktur mit einer reflektierenden Oberfläche angebracht, insbesondere ein Mikroprismenfilm. Die reflektierende Oberfläche weist zueinander geneigte Abschnitte auf. Die reflektierende Struktur wird von der Lichtquelle durch die Glasscheibe hindurch bestrahlt, wobei das Licht an den geneigten Abschnitten der reflektierenden Oberfläche derart reflektiert wird, dass es sich infolge von Totalreflexion an den Oberflächen in der Glasscheibe ausbreitet. Die Integration der reflektierenden Struktur in das Verglasungselement gestaltet die Herstellung eines solchen Verglasungselements aber erheblich aufwändiger. Insbesondere muss die reflektierende Struktur im Falle einer Verbundscheibe in diese integriert werden, wofür ein aufwändigerer und langwierigerer Laminationsprozess nötig ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte beleuchtete Verglasungseinheit bereitzustellen, bei der das Licht mit hoher Effizienz eingekoppelt wird und die einfach herzustellen ist.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird gelöst durch ein beleuchtetes Verglasungselement gemäß Anspruch 1. Bevorzugte Ausgestaltungen gehen aus den Unteransprüchen hervor.
Die Erfindung beruht auf der Einkopplung von Licht mittels eines diffraktiven holographischen Elements. Dieses weist lichtbeugende Eigenschaften auf, die auf die Emissionswellenlänge der Lichtquelle optimiert sind. Das Licht der Lichtquelle wird durch die Lichtbeugung abgelenkt und derart in das Verglasungselement eingekoppelt, dass es sich dort ausbreitet, insbesondere durch Totalreflexion nach Art eines Lichtleiters. Durch das diffraktive holographische Element kann eine effiziente Lichteinkopplung mit sehr geringen Lichtverlusten realisiert werden. Das ist der große Vorteil der Erfindung.
Das beleuchtete Verglasungselement ist im Sinne der Erfindung ein scheiben- oder plattenartiger Gegenstand, der mindestens eine Glas- oder Kunststoffscheibe (bevorzugt Glasscheibe) umfasst und insbesondere strukturell aus mindestens einer Glas- oder Kunststoffscheibe ausgebildet ist. Das Verglasungselement kann eine Einzelscheibe sein und dabei strukturell nur aus der besagten Glas- oder Kunststoffscheibe bestehen. Das Verglasungselement kann alternativ eine Verbundscheibe oder Isolierverglasung sein, welche die besagte Glas- oder Kunststoffscheibe enthält. Bei einer Verbundscheibe ist die Glas- oder Kunststoffscheibe über eine thermoplastische Zwischenschicht mit einer weiteren Scheibe verbunden. Alternativ kann die Glas- oder Kunststoffscheibe als dünner Lichtleiter in die Zwischenschicht einer Verbundscheibe eingelagert sein. Bei einer Isolierverglasung ist die Glas- oder Kunststoffscheibe über einen umlaufenden Abstandshalter im Randbereich mit einer weiteren Scheibe verbunden, wodurch ein typischerweise Inertgas-gefüllter oder evakuierter Scheibenzwischenraum ausgebildet wird. Das Verglasungselement kann als Fensterscheibe eingesetzt werden, beispielsweise als Fensterscheibe von Fahrzeugen, Gebäuden oder Innenräumen. Das Verglasungselement kann aber auch als Bestandteil von Möbeln oder elektrischen Geräten verwendet werden, beispielsweise als Türscheibe eines Schranks oder Regals oder als Scheibe einer Ofentür. Das Verglasungselement kann auch als solches als Einrichtungsgegenstand verwendet werden, beispielsweise als Anzeigetafel in Bars oder Diskotheken.
Das erfindungsgemäße beleuchtete Verglasungselement umfasst beziehungsweise enthält zumindest eine Glasscheibe oder Kunststoffscheibe, eine Lichtquelle und ein diffraktives holographisches Element.
Die Glasscheibe oder Kunststoffscheibe weist eine erste Oberfläche (Hauptfläche), eine zweite Oberfläche (Hauptfläche) und eine dazwischen verlaufenden Seitenkantenfläche auf.
Die Lichtquelle ist zur Erzeugung von Licht vorgesehen und geeignet. Die Lichtquelle ist derart im Verglasungselement angeordnet, dass eine der Hauptfläche der Glas- oder Kunststoffscheibe der Lichtquelle zugewandt wird. Die besagte Hauptfläche wird im Sinne der Erfindung als die zweite Oberfläche der Glas- oder Kunststoffscheibe bezeichnet. Die Lichtquelle ist auf die zweite Oberfläche gerichtet und bestrahlt diese im Betrieb mit Licht. Das Licht wird (zumindest teilweise) über die zweite Oberfläche in die Glas- oder Kunststoffscheibe eingestrahlt.
Das erfindungsgemäße Verglasungselement ist dadurch gekennzeichnet, dass es mit dem diffraktiven holographischen Element ausgestattet ist. Das diffraktive holographische Element ist geeignet und entsprechend konfiguriert, das Licht der Lichtquelle derart abzulenken, dass es (zumindest teilweise) in die Glas- oder Kunststoffscheibe eingekoppelt wird. Das Licht wird dabei mit einem Einkopplungswinkel eingekoppelt, der dazu geeignet ist, dass sich das eingekoppelte Licht zumindest teilweise (zumindest ein Teil des eingekoppelten Lichts) zumindest in der Glas- oder Kunststoffscheibe ausbreitet, insbesondere durch Totalreflexion.
Das eingekoppelte Licht breitet sich nach Art eines Lichtleiters im Verglasungselement aus, wobei es zwischen zwei Grenzflächen zu einem angrenzenden optisch weniger dichten Medium durch Totalreflexion gleichsam hin und her reflektiert wird. Das Licht kann sich ausschließlich in der Glas- oder Kunststoffscheibe ausbreiten, wobei die Totalreflexion an der ersten und der zweiten Oberfläche der Glas- oder Kunststoffscheibe erfolgt. In diesem Fall bildet die Glas- oder Kunststoffscheibe allein den besagten Lichtleiter. Es ist aber auch möglich, dass der besagte Lichtleiter außer der Glas- oder Kunststoffscheibe eine oder mehrere weitere mit ihr verbundene Schichten mit dem gleichen oder einem ähnlichen Brechungsindex umfasst, so dass sich das Licht in der Glas- oder Kunststoffscheibe und in mindestens einer angrenzenden Schicht ausbreitet. Wenn die Glas- oder Kunststoffscheibe nur einseitig mit einer oder mehreren weiteren lichtleitenden Schichten versehen ist, so erfolgt die Totalreflexion an einer Oberfläche der Glas- oder Kunststoffscheibe und der von ihr abgewandten Oberfläche der mindestens einen weiteren Schicht. Wenn die Glas- oder Kunststoffscheibe beidseitig mit einer oder mehreren weiteren lichtleitenden Schichten versehen ist, so erfolgt die Totalreflexion an den von der Glas- oder Kunststoffscheibe abgewandten Oberflächen der beiden mit der Glas- oder Kunststoffscheibe verbundenen weiteren Schichten oder Schichtenfolgen.
Das diffraktive holographische Element ist ein holographisches Element, insbesondere ein holographischer Film, welches zur Lichtbeugung geeignet ist, so dass die Ausbreitungsrichtung von durch das holographische Element durchtretendem Licht geändert wird.
Holographie ist eine Methode zur Aufzeichnung und Rekonstruktion eines Wellenfeldes. Während bei der Photographie lediglich die Intensität und (im Falle der Farbphotographie) die Frequenz des einfallenden Lichtes auf einem Film gespeichert werden, werden bei der Holographie die Phase und die Intensität des Lichts gespeichert. Ein Hologramm wird erzeugt, indem ein Aufnahmeobjekt mit kohärentem Licht bestrahlt wird, welches an dem Aufnahmeobjekt reflektiert und gestreut wird. Das dadurch erzeugte Wellenfeld (Objektwelle) wird mit ungestreutem Licht (Referenzwelle) derselben Strahlungsquelle überlagert. Es kommt zur optischen Interferenz zwischen Objektwelle und Referenzwelle, wodurch ein Interferenzmuster entsteht. Das holographische Medium wird mit diesem Interferenzmuster belichtet. Das holographische Medium reagiert nur auf die Intensität des Lichtes, durch die Interferenz der Wellenfronten wird aber die relative Phase (zwischen Objekt- und Referenzwelle) aufgezeichnet. Durch Entwicklung des holographischen Mediums entsteht das Hologramm. Als kohärente Strahlungsquelle wird meist ein Laser verwendet, dessen Strahlung mittels Streulinsen aufgeweitet wird.
Das holographische Element ist als ein holographisches Medium, auf dem ein Hologramm aufgezeichnet ist. Das holographische Medium ist bevorzugt ein holographischer Film. Darunter wird eine polymere Folie verstanden, die aus einem lichtempfindlichen Polymer besteht, die lichtempfindliche Einlagerungen enthält oder die mit einer lichtempfindlichen Beschichtung versehen ist. Alternativ kann aber auch eine Glasplatte mit einer lichtempfindlichen Beschichtung als holographisches Medium verwendet werden oder eine starre Kunststoffplatte mit einer lichtempfindlichen Beschichtung, mit lichtempfindlichen Einlagerungen oder aus einem lichtempfindlichen Polymer.
In einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst der holographische Film eine Schicht eines Photopolymers, welche auf einer Trägerfolie angeordnet ist oder welche zwischen zwei Trägerfolien angeordnet ist. Die Photopolymer-Schicht weist bevorzugt eine Dicke von 5 pm bis 50 pm auf, besonders bevorzugt von 7 pm bis 30 pm. Die Trägerfolien weisen beispielsweise eine Dicke von 50 pm bis 200 pm auf. Der holographische Film ist dabei bevorzugt mit einer umlaufenden Randversiegelung versehen, um das Eindringen von Verunreinigungen über die Seitenkante in die Photopolymer-Schicht zu vermeiden. Die Randversiegelung kann beispielsweise ein polymeres Band oder Klebeband sein, welches umlaufend um die Seitenkante des holographischen Films angeordnet ist.
Es ist allgemein bekannt, dass Holographie eingesetzt werden kann, um optische Bauelemente zu erzeugen (holografisch-optische Bauelemente, HOE). Dadurch lassen sich herkömmliche optische Bauelemente wie Linsen, Spiegel oder Prismen ersetzten. Auch das erfindungsgemäße diffraktive holographische Element kann als holographisch-optisches Bauteil aufgefasst werden.
Dem Fachmann sind auch holographische Elemente mit lichtbeugenden Eigenschaften (diffraktive holographische Elemente) und Methoden zu ihrer Erzeugung bekannt. Beispielhaft sei verwiesen auf WO01037014A1 , EP0467601B1, EP0179717A1, US020100253919A1 , US20080002540A1. So können beispielsweise durch das Interferenzmuster, mit dem das holographische Medium belichtet wird, komplexe lokale Brechungsindexänderungen in diesem erzeugt werden, wodurch ein komplexes Beugungsmuster erzeugt wird. Als lichtempfindliche Bestandteile des holographischen Mediums eignen sich dabei besonders photorefraktive Materialien, die ihren Brechungsindex in Abhängigkeit von der Belichtung aufgrund des photorefraktiven Effekts ändern (beispielsweise Lithiumniobat, Bariumtitanat oder Galliumarsenid) oder Photopolymere, bei denen die Polymerisation durch Belichtung hervorgerufen wird, wodurch die optischen Eigenschaften wie der Brechungsindex verändert werden.
Die Wellenlänge der Strahlungsquelle zur Belichtung (also die Wellenlänge von Referenz- und Objektwelle) entspricht insbesondere der Wellenlänge der Lichtquelle des erfindungsgemäßen beleuchteten Verglasungselements. Mit anderen Worten: das diffraktive holographische Element ist einer Wellenlänge belichtet, die der Emissionswellenlänge der Lichtquelle entspricht, oder kurz: das diffraktive holographische Element ist der Emissionswellenlänge der Lichtquelle belichtet. Dadurch kann der bei der Belichtung erzeugte lichtbeugende Effekt (insbesondere das Beugungsmuster infolge von komplexen Brechungsindexänderungen) optimal auf die Strahlung der Lichtquelle wirken. Unter der Emissionswellenlänge der Lichtquelle wird insbesondere das Maximum der Emissionsbande der Lichtquelle verstanden.
Ein auf das diffraktive holographische Element einfallender Lichtstrahl wird gebeugt, so dass sich die Strahlungsrichtung ändert. Der Winkel zwischen dem einfallenden Lichtvektor und dem nach Beugung vom holographischen Element ausgehenden Lichtvektor wird im Sinne der Erfindung als Beugungswinkel bezeichnet. Beträgt der Beugungswinkel zwischen 90 ° und 180°, so tritt der Lichtstrahl mit geänderter Strahlrichtung durch das diffraktive holographische Element hindurch. Ein solches holographisches Element wird im Sinne der Erfindung als transmissiv-diffraktives holographisches Element bezeichnet. Beträgt der Beugungswinkel zwischen 0° und 90°, so wird der der Lichtstrahl mit geänderter Strahlrichtung vom diffraktiven holographischen Element zurückgeworfen beziehungsweise reflektiert. Ein solches holographisches Element wird im Sinne der Erfindung als reflektiv- diffraktives holographisches Element bezeichnet. In einer ersten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen beleuchteten Verglasungselements ist das diffraktive holographische Element ein transmissiv-diffraktives holographisches Element. Die Strahlung der Lichtquelle tritt also (zumindest überwiegend) durch das holographische Element hindurch, wobei sie abgelenkt wird. Der Beugungswinkel liegt zwischen 90° und 180°. Das diffraktive holographische Element ist zwischen der Lichtquelle und der Glas- oder Kunststoffscheibe (beziehungsweise dem Lichtleiter), insbesondere zwischen der Lichtquelle und der zur Lichtquelle hingewandten zweiten Oberfläche der Glas- oder Kunststoffscheibe (beziehungsweise des Lichtleiters) angeordnet, so dass das durch das holographische Element hindurchgetretene und abgelenkte Licht über die zweite Oberfläche in die Glas- oder Kunststoffscheibe eingekoppelt wird.
Das diffraktive holographische Element ist dabei bevorzugt an der zweiten Oberfläche der Glas- oder Kunststoffscheibe angeklebt. Besonders bevorzugt wird dazu eine Schicht eines optisch klaren Klebstoffs verwendet, um eine optimale optische Qualität des Verglasungselements zu gewährleisten.
In einer zweiten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen beleuchteten Verglasungselements ist das diffraktive holographische Element ein reflektiv-diffraktives holographisches Element. Die Strahlung der Lichtquelle wird also (zumindest überwiegend) vom holographischen Element zurückgeworfen und tritt nicht durch dieses hindurch. Der Beugungswinkel liegt zwischen 0° und 90°. Die Glas- oder Kunststoffscheibe (beziehungsweise der Lichtleiter) ist zwischen der Lichtquelle und dem diffraktiven holographischen Element angeordnet, so dass die erste Oberfläche der Glas- oder Kunststoffscheibe dem diffraktiven holographischen Element zugewandt ist. Das vom holographischen Element zurückgeworfene und abgelenkte Licht wird die erste Oberfläche in die Glas- oder Kunststoffscheibe eingekoppelt.
Das diffraktive holographische Element ist dabei bevorzugt auf der ersten Oberfläche der Glas- oder Kunststoffscheibe (beziehungsweise des Lichtleiters) angeordnet. Es kann an der ersten Oberfläche angeklebt sein, bevorzugt übereine Schicht eines optisch klaren Klebstoffs. Falls des Verglasungselement als Verbundscheibe ausgebildet ist, so kann das holographische Element auf zwischen die Glas- oder Kunststoffscheibe und die thermoplastische Zwischenschicht eingelegt werden und durch die Lamination der Verbundscheibe an der ersten Oberfläche fixiert werden. Optional kann ein Kollimator zwischen der Lichtquelle und dem diffraktiven holographischen Element angeordnet sein, wobei der Kollimator im Strahlengang der Lichtquelle befindlich ist. Der Kollimator ist dabei bevorzugt zwischen der Lichtquelle und der zweiten Oberfläche der Glas- oder Kunststoffscheibe angeordnet, so dass das Licht über den Kollimator in die Glasoder Kunststoffscheibe eingestrahlt wird. Der Kollimator erzeugt aus dem typischerweise divergenten Lichtstrahl der Lichtquelle einen Lichtstrahl mit bevorzugt im Wesentlichen parallelem Strahlengang, zumindest aber weniger divergentem, also konzentrierterem Strahlengang. Der Strahlkegel der Lichtquelle wird durch den Kollimator also verengt. Das hat den Vorteil, dass der gesamte Lichtstrahl mit dem gleichen Einstrahlwinkel in das Verglasungselement eingestrahlt wird, insbesondere mit einem solcher Einstrahlwinkel, der in Verbindung mit den lichtbeugenden Eigenschaften des holographischen Elements dafür sorgt, dass ein möglichst großer Anteil des Lichts derart in die Glas- oder Kunststoffscheibe eingekoppelt wird, das Totalreflexion erfolgt. Dadurch wird die Lichtausbeute optimiert.
Auf einen Kollimator kann aber verzichtet werden. Es ist ein großer Vorteil der Erfindung, dass die Eigenschaften des Hologramms sehr flexibel eingestellt werden können. Das diffraktive holographische Element (beziehungsweise das darin ausgebildete lichtbeugende Hologramm) kann auch an nicht-kollimierte Lichtquellen angepasst werden.
Der Kollimator ist im einfachsten Fall eine Art Sammellinse, wobei die Lichtquelle bevorzugt in deren Brennpunkt angeordnet ist. Der Kollimator kann beispielsweise aus Glas oder einem transparenten Kunststoff ausgebildet sein, insbesondere Polycarbonat (PC) oder Polymethylmethacrylat (PMMA). Der Kollimator ist bevorzugt an der zweiten Oberfläche der Glas- oder Kunststoffscheibe angebracht, beispielsweise angeklebt, beziehungsweise an dem auf der zweiten Oberfläche angeordneten diffraktiven holographischen Element. Ist die Lichtquelle als Anordnung mehrere Leuchtdioden ausgebildet, so kann für jede Leuchtdiode ein separater Kollimator vorgesehen sind. Bevorzugt wird aber ein gemeinsamer Kollimator für die gesamte LED-Anordnung verwendet. Im Falle einer linearen LED-Anordnung kann beispielsweise ein stabartiger Kollimator verwendet werden, dessen Länge mindestens der Länge der LED-Anordnung entspricht.
Grundsätzlich ist es aber auch möglich, ein holografisch-optische Bauelemente als Kollimator zu verwenden, beispielsweise einen als Sammellinse wirkenden holographischen Film. In einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst das Verglasungselement mehrere Lichtquellen unterschiedlicher Emissionsfarbe, also mehrere Lichtquellen mit unterschiedlicher Emissionswellenlänge. Die Lichtquellen sind voneinander beabstandet am Verglasungselement angebracht. Die Lichtquellen können dazu optional in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sein, wodurch das Anbringen und Positionieren der Lichtquellen am Verglasungselement erleichtert wird.
Hinsichtlich der Einkopplung des Lichts der unterschiedlichen Lichtquellen in die Glas- oder Kunststoffscheibe sind insbesondere drei Varianten denkbar:
1. In einer ersten Ausgestaltung ist jeder Lichtquelle ein eigenes diffraktives holographisches Element zugeordnet. Für jede Lichtquelle wird also ein diffraktives holographisches Element verwendet, dessen lichtbeugende Eigenschaften auf die Emissionswellenlänge der Lichtquelle optimiert ist, insbesondere mit Strahlung derselben Wellenlänge belichtet worden ist. Das Verglasungselement umfasst also mehrere Lichtquellen mit unterschiedlicher Emissionswellenlänge und die gleiche Anzahl an diffraktiven holographischen Elementen, wobei jeder Lichtquelle genau ein holographisches Element zugeordnet ist und jedem holographischen Element genau eine Lichtquelle. Jedes diffraktive holographische Element ist geeignet, dass Licht der zugeordneten Lichtquelle derart abzulenken, dass es in die Glas- oder Kunststoffscheibe eingekoppelt wird mit einem Einkopplungswinkel, der dazu geeignet ist, dass sich das eingekoppelte Licht in der Glasoder Kunststoffscheibe ausbreitet, insbesondere durch Totalreflexion.
2. In einerzweiten Ausgestaltung ist den mehreren Lichtquellen ein einzelnes (gemeinsames) diffraktives holographisches Element zugeordnet. Das holographische Element weist unterschiedlich belichtete Bereiche auf. Die Anzahl dieser Bereiche entspricht der Anzahl der Lichtquellen. Jeder Bereich ist einer Lichtquelle zugeordnet und mit der Emissionswellenlänge dieser Lichtquelle belichtet. Für die Gesamtheit der Lichtquellen wird also ein gemeinsames diffraktives holographisches Element verwendet, welches unterschiedliche Bereiche aufweist, wobei für jede Lichtquelle einer dieser Bereiche verwendet wird, dessen lichtbeugende Eigenschaften auf die Emissionswellenlänge der Lichtquelle optimiert ist, insbesondere mit Strahlung derselben Wellenlänge belichtet worden ist. Das Verglasungselement umfasst also mehrere Lichtquellen mit unterschiedlicher Emissionswellenlänge und ein einzelnes diffraktives holographisches Element mit der gleichen Anzahl an unterschiedlich belichteten Bereichen, wobei jeder Lichtquelle genau ein Bereich zugeordnet ist und jedem Bereich genau eine Lichtquelle. Jeder Bereich des diffraktiven holographischen Elements ist geeignet, dass Licht der zugeordneten Lichtquelle derart abzulenken, dass es in die Glas- oder Kunststoffscheibe eingekoppelt wird mit einem Einkopplungswinkel, der dazu geeignet ist, dass sich das eingekoppelte Licht in der Glas- oder Kunststoffscheibe ausbreitet, insbesondere durch Totalreflexion.
3. In einer dritten Ausgestaltung ist den mehreren Lichtquellen ein einzelnes diffraktives holographisches Element zugeordnet. Das holographische Eiement weist einen einzelnen, gleichartig belichteten Bereich auf (wobei das holographische Element vollflächig belichtet sein kann, so dass der besagte Bereich das gesamte holographische Element umfasst). Dieser Bereich ist der Gesamtheit der Lichtquellen zugeordnet und mit den Emissionswellenlängen aller Lichtquelle belichtet. Damit ist gemeint, dass der besagte Bereich vollständig (vollflächig) mit jeder Wellenlänge belichtet ist. Das holographische Element weist also ein mehrfarbiges Hologramm auf (beispielsweise ein RGB- Hologramm). Für die Gesamtheit der Lichtquellen wird also ein gemeinsames diffraktives holographisches Element verwendet, dessen lichtbeugende Eigenschaften auf die Emissionswellenlänge aller Lichtquelle optimiert ist, insbesondere mit Strahlung der Wellenlängen aller Lichtquellen belichtet worden ist. Das Verglasungselement umfasst also mehrere Lichtquellen mit unterschiedlicher Emissionswellenlänge und ein einzelnes diffraktives holographisches Element mit einem einzigen belichteten Bereich, wobei allen Lichtquellen dieser zugeordnet ist und diesem Bereich die Gesamtheit der Lichtquellen. Der besagte Bereich des diffraktiven holographischen Elements ist geeignet, dass Licht aller zugeordneten Lichtquellen derart abzulenken, dass es in die Glas- oder Kunststoffscheibe eingekoppelt wird mit einem Einkopplungswinkel, der dazu geeignet ist, dass sich das eingekoppelte Licht in der Glas- oder Kunststoffscheibe ausbreitet, insbesondere durch Totalreflexion.
Die zweite und die dritte Ausgestaltung mit dem gemeinsamen holographischen Element sind gegenüber der ersten Ausgestaltung bevorzugt, da es einfacher ist, ein einzelnes holographisches Element am Verglasungselement anzubringen als mehrere separate holographische Elemente. Die dritte Ausgestaltung mit dem gleichartig belichteten Bereich ist wiederum gegenüber der zweiten Ausgestaltung bevorzugt. Bei der zweiten Ausgestaltung muss bei der Anbringung der Lichtquellen darauf geachtet werden, dass diese korrekt zum ihr zugeordneten Bereich positioniert ist, was aufwändiger ist im Vergleich zur dritten Ausgestaltung, bei der jede Lichtquelle an einer beliebigen Stelle des gemeinsamen Bereichs positioniert werden kann. Das Verglasungselement kann mehrere Sätze an Lichtquellen unterschiedlicher Wellenlänge aufweisen, um die eingekoppelte Lichtquelle zu erhöhen. Die vorstehenden Ausführungen gelten dann für jeden Satz. Jedem Satz ist bevorzugt ein holographisches Element angeordnet, welches entweder unterschiedlich belichtete Bereiche für jede Lichtquelle aufweist oder einen mehrfarbig belichteten Bereich für alle Lichtquellen. Grundsätzlich ist es auch möglich, dass allen Sätzen nur ein einzelnes holographisches Element zugeordnet ist, entweder mit unterschiedlich belichteten Bereichen für jede einzelne Lichtquelle oder mit verschiedenen mehrfarbig belichteten Bereichen für jeden Satz oder mit einem einzelnen mehrfarbig belichteten Bereich für alle Sätze.
Die besagten Lichtquellen mit unterschiedlicher Emissionswellenlänge umfassen bevorzugt:
- eine Lichtquelle mit roter Emissionsfarbe, bevorzugt mit einer Emissionswellenlänge (Maximum der Emissionbande) im Bereich von 600 nm bis 660 nm, besonders bevorzugt von 610 nm bis 650 nm, ganz besonders bevorzugt von 620 nm bis 640 nm (insbesondere mit einer Emissionswellenlänge von etwa 630 nm),
- eine Lichtquelle mit grüner Emissionsfarbe, bevorzugt mit einer Emissionswellenlänge im Bereich von 500 nm bis 560 nm, besonders bevorzugt von 510 nm bis 550 nm, ganz besonderes bevorzugt von 510 nm bis 530 nm (insbesondere mit einer Emissionswellenlänge von etwa 520 nm) und
- eine Lichtquelle mit blauer Emissionsfarbe, bevorzugt mit einer Emissionswellenlänge im Bereich von 430 nm bis 490 nm, besonders bevorzugt von 440 nm bis 480 nm, ganz besonders bevorzugt von 450 nm bis 470 nm (insbesondere mit einer Emissionswellenlänge von etwa 460 nm).
Das Licht dieser Lichtquellen (RGB) überlagert sich zu weißem Licht, so dass auf diese Weise weißes Licht in die Glas- oder Kunststoffscheibe eingekoppelt werden kann.
Das Licht der Lichtquelle wird in die Glas- oder Kunststoffscheibe eingekoppelt und breitet sich dann im Verglasungselement aus. Dabei wird das Licht zwischen zwei Grenzflächen des Verglasungselements infolge von Totalreflexion gleichsam hin- und her reflektiert. Zumindest ein Teil des Verglasungselements, welcher zumindest die Glas- oder Kunststoffscheibe umfasst, dient also als eine Art Lichtleiter, der das von der Lichtquelle eingestrahlte Licht über die Fläche des Verglasungselement verteilt.
Der besagte Lichtleiter kann ausschließlich durch die Glas- oder Kunststoffscheibe gebildet werden. Das Licht wird dann an der ersten und an der zweiten Oberfläche totalreflektiert und breitet sich dadurch in der Glas- oder Kunststoffscheibe aus. Es ist aber auch möglich, dass der Lichtleiter eine oder mehrere weitere Schichten umfasst, welche mit der Glas- oder Kunststoffscheibe verbunden sind und den gleichen oder einen ähnlichen Brechungsindex aufweisen wie die Glas- oder Kunststoffscheibe. Dies kann insbesondere dann auftreten, wenn das Verglasungselement als Verbundscheibe ausgebildet ist. Es können eine oder mehrere solcher weiterer Schichten mit der ersten Oberfläche und/oder mit der zweiten Oberfläche der Glas- oder Kunststoffscheibe verbunden sein. Die Totalreflexion findet dann an den Oberflächen des Lichtleiters statt, welche jeweils eine Grenzfläche zu einem angrenzenden Medium (die umgebende Luft oder eine Schicht des Verglasungselements) mit einem signifikant niedrigeren Brechungsindex darstellen.
Die Glas- oder Kunststoffscheibe (und etwaige angrenzende Schichten, die Teil des besagten Lichtleiters sind) ist bevorzugt transparent, um eine optimale Ausbreitung des Lichts zu gewährleisten. Das bedeutet im Sinne der Erfindung, dass die Glas- oder Kunststoffscheibe eine Lichttransmission gegenüber dem Licht der Lichtquelle von mindestens 70° aufweist, bevorzugt mindestens 80°, besonders bevorzugt mindestens 90°. Besonders bevorzugt betragt die Lichttransmission der Glas- oder Kunststoffscheibe im gesamten sichtbaren Spektralbereich mindestens 70%, insbesondere mindestens 80%.
Die erste Oberfläche der Glas- oder Kunststoffscheibe (beziehungsweise des Lichtleiters) ist von der Lichtquelle abgewandt, die zweite Oberfläche der Lichtquelle zugewandt. Die Lichtquelle bestrahlt die Glas- oder Kunststoffscheibe (beziehungsweise den Lichtleiter), wobei das Licht über die zweite Oberfläche in die Glas- oder Kunststoffscheibe (beziehungsweise den Lichtleiter) eintritt. Wird ein transmissiv-diffraktives holographisches Element verwendet, so wird das Licht dabei über die zweite Oberfläche in die Glas- oder Kunststoffscheibe (beziehungsweise den Lichtleiter) eingekoppelt und breitet sich durch Totalreflexion aus. Wird ein reflexiv-diffraktives holographisches Element verwendet, so tritt das Licht über die zweite Oberfläche in die Glas- oder Kunststoffscheibe (beziehungsweise den Lichtleiter) ein, tritt durch die Glas- oder Kunststoffscheibe (beziehungsweise den Lichtleiter) hindurch und trifft dann auf das holographische Element (auf der ersten Oberfläche oder hinter der ersten Oberfläche), von dem es abgelenkt zurückgeworfen wird und über die erste Oberfläche in die Glas- oder Kunststoffscheibe (beziehungsweise den Lichtleiter) eingekoppelt wird, um sich dann durch Totalreflexion auszubreiten. Die erste und die zweite Oberfläche der Glas- oder Kunststoffscheibe (beziehungsweise des Lichtleiters) stellen Grenzflächen zu einem angrenzenden Medium dar, entweder zur umgebenden Atmosphäre oder zu einer anderen Schicht beziehungsweise Lage des Verglasungselements. Typischerweise weist das angrenzende Medium einen anderen Brechungsindex auf als die Glas- oder Kunststoffscheibe (beziehungsweise der Lichtleiter). In dem Fall, dass das angrenzende Medium einen geringeren Brechungsindex aufweist als die Glas- oder Kunststoffscheibe (beziehungsweise der Lichtleiter), ergibt sich daraus ein Grenzwinkel der Totalreflexion, der bestimmt wird als aT = arcsin(— ), wobei ni der Brechungsindex der Glas- oder Kunststoffscheibe (beziehungsweise des Lichtleiters) und n2 der Brechungsindex des angrenzenden Mediums ist.
Die lichtbeugenden Eigenschaften, insbesondere der Beugungswinkel, des diffraktiven holographischen Elements sind geeignet gewählt, um eine effiziente Lichteinkopplung und - ausbreitung durch Totalreflexion zu gewährleisten. Die Einkopplung erfolgt über die zweite Oberfläche der Glas- oder Kunststoffscheibe beziehungsweise des Lichtleiters (im Falle eines transmissiv-diffraktiven holographischen Elements) oder über die erste Oberfläche (im Falle eines reflexiv-diffraktiven holographischen Elements). Die besagte Oberfläche stellt die Eintrittsoberfläche dar. Der Beugungswinkel des holographischen Elements ist insbesondere derart eingestellt, dass das Licht (zumindest teilweise) mit einem Winkel (Einfallswinkel) auf die der Eintrittsoberfläche gegenüberliegende Oberfläche trifft, welcher größer ist als der Grenzwinkel der Totalreflexion. Der Lichtstrahl wird an der besagten gegenüberliegenden Oberfläche totalreflektiert mit einem Ausfallswinkel, der dem Einfallswinkel entspricht. Das Licht trifft mit eben diesem Einfallswinkel wieder auf die Eintrittsoberfläche, wo es wiederum totalreflektiert wird. Das Licht tritt nicht in die Umgebung über und breitet sich infolge wiederholter Totalreflexion im Wesentlichen verlustfrei in der Glas- oder Kunststoffscheibe (beziehungsweise dem Lichtleiter) aus, wobei es gleichsam zwischen den beiden Oberflächen hin und her reflektiert wird. Wie in der Strahlenoptik üblich wird mit Einfallswinkel derjenige Winkel bezeichnet, den der auf die Oberfläche einfallende Lichtstrahl zur Flächennormalen der Oberfläche am Ort des Auftreffens aufweist. Der Ausfallswinkel wird analog ebenfalls zur Flächennormalen bestimmt, ebenso wie der Grenzwinkel der Totalreflexion.
In bestimmten Ausgestaltungen der Erfindung unterscheidet sich das an die erste Oberfläche der der Glas- oder Kunststoffscheibe (beziehungsweise des Lichtleiters) angrenzende Medium von dem an die zweite Oberfläche angrenzenden Medium. Das ist beispielsweise bei Verbundscheiben der Fall, wobei eine der Oberflächen der der Glas- oder Kunststoffscheibe über eine thermoplastische Zwischenschicht mit einer weiteren der Glas- oder Kunststoffscheibe verbunden ist. Dann grenzt eine der Oberflächen der der Glas- oder Kunststoffscheibe an die umgebende Atmosphäre und die andere Oberfläche an die thermoplastische Zwischenschicht. Daher treten an den beiden Oberflächen unterschiedliche Grenzwinkel der Totalreflexion auf. In diesem Fall ist der Beugungswinkel des holographischen Elements derart ausgebildet, dass das Licht nach Brechung an der Eintrittsoberfläche mit einem Winkel (Einfallswinkel) auf die gegenüberliegende Oberfläche trifft, welcher größer ist als der größere Grenzwinkel der Totalreflexion.
Das Licht breitet sich in der Glas- oder Kunststoffscheibe (beziehungsweise dem Lichtleiter) aus, bis es entweder auf die Seitenkantenfläche der Glas- oder Kunststoffscheibe (beziehungsweise des Lichtleiters) trifft und dort ausgekoppelt wird oder auf eine lichtstreuende Struktur auf einer der beiden Oberflächen der Glas- oder Kunststoffscheibe (beziehungsweise des Lichtleiters), welche die Totalreflexion durch Lichtstreuung unterbricht, wodurch das Licht über die betreffende Oberfläche aus der Glas- oder Kunststoffscheibe (beziehungsweise dem Lichtleiter) ausgekoppelt wird.
Das Verglasungselement ist mit einer Lichtquelle versehen, welche geeignet ist, Licht in die Glasscheibe einzukoppeln. Die Lichtquelle sendet im Betrieb sichtbares Licht aus, also elektromagnetische Strahlung im sichtbaren Spektralbereich, insbesondere im Bereich von 380 nm bis 780 nm. Die Lichtquelle kann eine oder mehrere Emissionsbanden aufweisen, welche im sichtbaren Spektralbereich angeordnet ist beziehungsweise sind und einen Teil davon abdeckt beziehungsweise abdecken. Die Lichtquelle kann aber auch eine breite Emissionsbande aufweisen, die den gesamten sichtbaren Spektral be re ich abdeckt. Die Emissionsbande(n) - und damit die Farbe des abgestrahlten Lichts - kann beziehungsweise können den Anforderungen im konkreten Anwendungsfall entsprechend frei gewählt werden.
Das Verglasungselement kann eine einzelne Lichtquelle oder mehrere separate Lichtquellen aufweisen, deren Licht an unterschiedlichen Stellen in die transparente Schicht eingekoppelt wird.
Die Lichtquelle umfasst bevorzugt beziehungsweise ist bevorzugt ausgebildet als mindestens eine Leuchtdiode (LED, light-emitting diode). Die Lichtquelle kann eine einzelne Leuchtdiode sein, bevorzugt ist sie jedoch eine Anordnung mehrerer Leuchtdioden. Die besagte Anordnung ist bevorzugt in einem gemeinsamen Gehäuse verbaut, beispielsweise als lineare Anordnung, bei der die Leuchtdioden entlang einer Linie angeordnet sind. Das elektrolumineszente Material der Leuchtdiode kann beispielsweise ein anorganischer Halbleiter oder ein organischer Halbleiter sein. In letztem Fall spricht man auch von einer organischen Leuchtdiode (OLED, organic light emitting diode).
Die Lichtquelle kann in einem Gehäuse angeordnet sein, welches am Verglasungselement befestigt ist, insbesondere an der zweiten Oberfläche der Glas- oder Kunststoffscheibe oder an der von der Glas- oder Kunststoffscheibe abgewandten Oberfläche einer mit der zweiten Oberfläche der Glas- oder Kunststoffscheibe verbundenen weiteren Schicht des Verglasungselements. Werden mehrere Lichtquellen unterschiedlicher Emissionsfarbe eingesetzt, so sind diese bevorzugt in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet, durch welches die relative Positionierung der einzelnen Lichtquellen zueinander festgelegt wird. Das Gehäuse kann beispielsweise am Verglasungselement angeklebt werden. Die Lichtquelle kann alternativ über ein transparentes Bauteil aus Glas oder Kunststoff am Verglasungselements befestigt sein, insbesondere an der zweiten Oberfläche der Glas- oder Kunststoffscheibe oder an der von der Glas- oder Kunststoffscheibe abgewandten Oberfläche einer mit der zweiten Oberfläche der Glas- oder Kunststoffscheibe verbundenen weiteren Schicht des Verglasungselements, beziehungsweise an dem etwaigen transmissiv- diffraktiven holographischen Element auf der besagten Oberfläche. Der Strahlengang der Lichtquelle zum Verglasungselement läuft dann durch das transparente Bauteil, welches beispielsweise auch als Linse oder Kollimator wirken kann. Die Lichtquelle kann beispielsweise an dem Bauteil angeklebt, angeschraubt oder eingerastet sein.
Der Lichtstrahl kann mit einem beliebigen Einstrahlwinkel in das Verglasungselement beziehungsweise die Glas- oder Kunststoffscheibe eingestrahlt werden. Der Einstrahlwinkel wird als Winkel zur Flächennormalen auf der Eintrittsoberfläche bestimmt. Es ist ein großer Vorteil der Erfindung, dass das Hologramm sehr flexibel an die Erfordernisse im Einzelfall angepasst werden kann. Der optimale Einkopplungswinkel (Winkel, mit dem das Licht nach der Beugung am diffraktiven holographischen Element in die Glas- oder Kunststoffscheibe eindringt) kann durch Simulationen in Abhängigkeit vom verwendeten Lichtleiter bestimmt werden. Das lichtbeugende Hologramm, der Einstrahlwinkel und die Lichtquelle (insbesondere ihr Lichtkegel und ihre Emissionsfarbe) können dann geeignet gewählt werden, so dass ein möglichst großer Anteil des Lichts (bevorzugt im Wesentlichen das gesamte Licht) derart in die Glas- oder Kunststoffscheibe (beziehungsweise den Lichtleiter) eingekoppelt wird, dass Totalreflexion an den Oberflächen Schicht erfolgt und sich das Licht somit ausbreitet. Bei der Auslegung des lichtbeugenden Hologramms wird insbesondere die Art der Lichtquelle und der Einstrahlwinkel berücksichtigt, so dass ein möglichst großer Anteil des Lichts mit dem erwünschten Einkopplungswinkel in die Glas- oder Kunststoffscheibe eintritt, um Totalreflexion zu gewährleisten. Dabei werden auch etwaige Brechungseffekte an Grenzflächen berücksichtigt.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Glas- oder Kunststoffscheibe mit mindestens einer lichtstreuenden Struktur versehen, die geeignet ist, das Licht aus der Glas- oder Kunststoffscheibe über die erste Oberfläche und/oder über die zweite Oberfläche auszukoppeln. Die lichtstreuende Struktur ist auf der ersten oder der zweiten Oberfläche angeordnet oder steht mit der besagten Oberfläche in Kontakt. Trifft das sich in der Glas- oder Kunststoffscheibe ausbreitende Licht auf die lichtstreuende Struktur, so wird es gestreut, wodurch die Totalreflexion verhindert wird, so dass das gestreute Licht ausgekoppelt wird und das Verglasungselement verlässt.
Die lichtstreuende Struktur erscheint als leuchtende Fläche des Verglasungselements. Das kann beispielsweise genutzt werden zur Beleuchtung eines Innenraums oder zur Anzeige von Symbolen oder Mustern, die der Informationsvermittlung dienen oder aus rein ästhetischen Gründen vorgesehen sein können. Die lichtstreuende Struktur kann in einem einzelnen zusammenhängenden Bereich des Verglasungselements vorhanden sein oder auch in mehreren voneinander separierten Bereichen. Durch die lichtstreuende Struktur sind beliebige Formen oder Muster realisierbar.
Die lichtstreuende Struktur kann direkt auf der ersten oder der zweiten Oberfläche der Glasoder Kunststoffscheibe aufgebracht oder dort ausgebildet sein. Alternativ kann die lichtstreuende Struktur beispielsweise auf einer Trägerfolie bereitgestellt werden, welche an der ersten oder der zweiten Oberfläche der Glas- oder Kunststoffscheibe befestigt ist, beispielsweise durch Kleben. Ist das erfindungsgemäße Verglasungselement eine Verbundscheibe, so kann die lichtstreuende Struktur auf der mit der Glas- oder Kunststoffscheibe in Kontakt stehenden Oberfläche einer thermoplastischen Zwischenschicht aufgebracht sein. Alternativ kann die lichtstreuende Struktur (beispielsweise aufgebracht auf einer Trägerfolie) zwischen die der Glas- oder Kunststoffscheibe und der Zwischenschicht eingelegt sein. In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die lichtstreuende Struktur als Aufdruck ausgebildet, insbesondere aus Aufdruck auf einer der Oberflächen der der Glas- oder Kunststoffscheibe oder - im Falle einer Verbundscheibe - auf der der der Glas- oder Kunststoffscheibe zugewandten Oberfläche der angrenzenden Zwischenschicht. Im Falle einer Glasscheibe ist ein Aufdruck auf dieser bevorzugt als lichtstreuende Emaille ausgebildet. Diese Emaille kann beispielsweise im Siebdruckverfahren aufgedruckt werden. Sie enthält bevorzugt Glasfritten, welche in die Oberfläche der Glasschicht eingebrannt werden, wodurch eine aufgeraute und daher lichtstreuende Fläche entsteht. Ein Aufdruck auf einer polymeren Schicht (beispielsweise einer Zwischenschicht oder einer Kunststoffscheibe) kann dadurch realisiert werden, dass eine Oberfläche der polymeren Schicht mit einer lichtstreuenden Druckpaste bedruckt wird, beispielsweise im Siebdruckverfahren. Die lichtstreuende Struktur ist in einer vorteilhaften Ausgestaltung transparent, so dass sie die Durchsicht durch das Verglasungselement nicht wesentlich einschränkt. Der Aufdruck (die Emaille beziehungsweise Druckpaste) enthält daher bevorzugt kein Pigment. Aber es sind auch opake oder semitransparente lichtstreuende Strukturen mit Pigmenten denkbar, beispielsweise weiße Strukturen.
Lichtstreuende Strukturen können aber auch durch Aufrauhung der betreffenden Oberfläche der Glas- oder Kunststoffscheibe ausgebildet werden. Diese Aufrauhung kann mechanisch erfolgen (beispielsweise durch Schleiftechniken) oder auch durch Laserbearbeitung. Die Laserbearbeitung hat insbesondere im Falle einer Verbundscheibe den Vorteil, dass die lichtstreuende Struktur auch in die fertig laminierte Verbundscheibe eingebracht werden kann, selbst dann, wenn sie sich im Innern der Verbundscheibe befinden soll, da die Laserstrahlung auch auf eine Ebene im Innern der Verbundscheibe fokussiert werden kann. Mit der Laserbearbeitung ist es außerdem möglich, die lichtstreuende Struktur nicht auf einer Oberfläche, sondern im Innern der der Glas- oder Kunststoffscheibe auszubilden.
Die lichtstreuende Struktur ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung aber nicht zwingend notwendig. So sind auch Anwendungen denkbar, bei denen die Lichtauskopplung über die Seitenkantenfläche der Glas- oder Kunststoffscheibe (beziehungsweise des Lichtleiters) erfolgen soll, wobei keine lichtstreuenden Strukturen auf der ersten oder zweiten Oberfläche nötig sind. Eine solche Beleuchtung kann aus ästhetischen Gründen erwünscht sein, beispielsweise als eine Art Ambient Light- Funktion. Das Verglasungselement kann eine monolithische Scheibe sein, insbesondere eine Einzelglasscheibe. Strukturell wird das Verglasungselement dabei ausschließlich durch die erfindungsgemäße Glas- oder Kunststoffscheibe gebildet, insbesondere Glasscheibe. Die Glas- oder Kunststoffscheibe dient als Lichtleiter, wobei die Totalreflexion des sich ausbreitenden Lichts an der ersten und der zweiten Oberfläche der Glas- oder Kunststoffscheibe erfolgt. Die Glas- oder Kunststoffscheibe weist beispielsweise eine Dicke von 1 mm bis 10 mm auf. Die monolithische Scheibe ist typischerweise als Fensterscheibe zur Abgrenzung eines Innenraums von einer äußeren Umgebung vorgesehen. Sie weist eine innenraumseitige Oberfläche auf, die in Einbaulage dem Innenraum zugewandt ist, und eine außenseitige Oberfläche, die in Einbaulage der äußeren Umgebung zugewandt ist. Die innenraumseitige Oberfläche ist bevorzugt die zweite Oberfläche im Sinne der Erfindung und die Lichtquelle ist an ihr befestigt. Die außenseitige Oberfläche ist die erste Oberfläche im Sinne der Erfindung.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das erfindungsgemäße Verglasungselement jedoch als Verbundscheibe ausgebildet. Dabei ist die erfindungsgemäße Glas- oder Kunststoffscheibe über eine thermoplastische Zwischenschicht mit einer weiteren Glas- oder Kunststoffscheibe verbunden. Auch die Verbundscheibe ist typischerweise als Fensterscheibe zur Abgrenzung eines Innenraums von einer äußeren Umgebung vorgesehen, wobei die dem Innenraum zugewandte Scheibe als Innenscheibe und die der äußeren Umgebung zugewandte Scheibe als Außenscheibe bezeichnet wird. Außenscheibe und Innenscheibe weisen jeweils eine innenraumseitige Oberfläche auf, die in Einbaulage dem Innenraum zugewandt ist, und eine außenseitige Oberfläche, die in Einbaulage der äußeren Umgebung zugewandt ist.
Bevorzugt ist die erfindungsgemäße Glas- oder Kunststoffscheibe die Innenscheibe und die weitere Glas- oder Kunststoffscheibe die Außenscheibe der Verbundscheibe. Die zweite Oberfläche der erfindungsgemäßen Glas- oder Kunststoffscheibe ist dabei bevorzugt ihre innenraumseitige Oberfläche, die von der Zwischenschicht und der Außenscheibe abgewandt ist, und die Lichtquelle ist an ihr befestigt. Die erste Oberfläche der erfindungsgemäßen Glasoder Kunststoffscheibe ist dann über die thermoplastische Zwischenschicht mit der Außenscheibe verbunden.
Eine solche Verbundscheibe kann mit einem transmissiv-diffraktiven holographischen
Element realisiert werden oder mit einem reflektiv-diffraktiven holographischen Element. Das transmissiv-diffraktive holographischen Element ist zwischen der Glas- oder Kunststoffscheibe (Innenscheibe) und der Lichtquelle angeordnet, bevorzugt auf der von der Zwischenschicht abgewandten innenraumseitigen Oberfläche der Glas- oder Kunststoffscheibe. Das reflektiv-diffraktive holographischen Element ist bevorzugt zwischen Außenscheibe und Innenscheibe angeordnet, besonders bevorzugt auf der zur Zwischenschicht hingewandten außenseitigen Oberfläche der Glas- oder Kunststoffscheibe (Innenscheibe). Ein transmissiv-diffraktives holographisches Element ist dabei besonders bevorzugt, weil es nicht bei der Herstellung der Verbundscheibe in diese integriert werden muss, sondern nachträglich angebracht werden. Die Herstellung der Verbundscheibe wird daher nicht durch die Integration des holographischen Elements technisch und zeitlich aufwändiger gestaltet.
Ist mindestens eine an die Glas- oder Kunststoffscheibe (Innenscheibe) angrenzende Lage der Zwischenschicht ebenfalls Teil des Lichtleiters, so ist das reflektiv-diffraktive holographischen Element bevorzugt auf der von der Glas- oder Kunststoffscheibe abgewandten Oberfläche der besagten mindestens einen Lage angeordnet.
Die Dicke der Außenscheibe und der Innenscheibe beträgt bevorzugt unabhängig voneinander von 0,5 mm bis 10 mm, besonders bevorzugt von 1 mm bis 5 mm. Die Außenscheibe ist bevorzugt aus Kalk-Natron-Glas gefertigt. Die Zwischenschicht weist eine Dicke von beispielsweise 0,3 mm bis 1 ,0 mm auf. Sie ist bevorzugt aus mindestens einer thermoplastischen Folie ausgebildet, beispielsweise auf Basis von Polyvinylbutyral (PVB), Ethylenvinylacetat (EVA) oder Polyurethan (PU). Das bedeutet im Sinne der Erfindung, dass die Folie mehrheitlich aus dem besagten Material besteht, der Anteil des Materials also mehr als 50 Gew.-% beträgt, bevorzugt mehr als 60 Gew.-%. Außerdem kann die Folie weitere Bestandteile enthalten, beispielsweise Weichmacher, Stabilisatoren, UV- oder IR-Blocker.
In einer alternativen Ausgestaltung bildet die erfindungsgemäße Glas- oder Kunststoffscheibe einen dünnen Lichtleiter, welcher in die Zwischenschicht einer Verbundscheibe eingelagert ist. Die Glas- oder Kunststoffscheibe ist dabei zwischen zwei Scheiben (insbesondere einer Außenscheibe und einer Innenscheibe) angeordnet und über mindestens eine thermoplastische Schicht mit der ersten Scheibe (Außenscheibe) und über mindestens eine thermoplastische Schicht mit der zweiten Scheibe (Innenscheibe verbunden. Die angrenzenden thermoplastischen Schichten können einen geringeren Brechungsindex aufweisen als die Glas- oder Kunststoffscheibe, so dass diese infolge von Totalreflexion als Lichtleiter wirken kann. Alternativ können die Oberflächen der Glas- oder Kunststoffscheibe mit einer Beschichtung mit geringerem Brechungsindex versehen sein. Die lichtleitende Glasoder Kunststoffscheibe weist bevorzugt eine Dicke von 0,2 mm bis 1 ,5 mm auf, besonders bevorzugt von 0,5 mm bis 1 mm. Die Dicke der Außenscheibe und der Innenscheibe beträgt wiederum bevorzugt unabhängig voneinander von 0,5 mm bis 10 mm, besonders bevorzugt von 1 mm bis 5 mm. Die Außenscheibe und die Innenscheibe sind bevorzugt aus Kalk-Natron- Glas gefertigt. Die thermoplastischen Schichten weisen eine Dicke von beispielsweise 0,3 mm bis 1 ,0 mm auf und sind bevorzugt aus jeweils einer thermoplastischen Folie ausgebildet, beispielsweise auf Basis von Polyvinylbutyral (PVB), Ethylenvinylacetat (EVA) oder Polyurethan (PU).
Auch eine solche Verbundscheibe kann mit einem transmissiv-diffraktiven holographischen Element realisiert werden oder mit einem reflektiv-diffraktiven holographischen Element. Das transmissiv-diffraktive holographischen Element kann auf der der Lichtquelle zugewandten Oberfläche der lichtleitenden Glas- oder Kunststoffscheibe angeordnet sein. Alternativ kann das transmissiv-diffraktive holographischen Element auf der der Lichtquelle zugewandten Oberfläche der der Lichtquelle zugewandten Scheibe (insbesondere Innenscheibe) angeordnet sein. Das reflektiv-diffraktive holographischen Element auf der von der Lichtquelle abgewandten Oberfläche der lichtleitenden Glas- oder Kunststoffscheibe angeordnet sein.
Das holographische Element umfasst bevorzugt mindestens eine Trägerfolie und eine Photopolymerschicht. Ist das holographische Element an einer exponierten Oberfläche des Verglasungselement angebracht (beispielweise der Oberfläche einer monolithischen Scheibe oder der innenraumseitigen Oberfläche der Innenscheibe einer Verbundscheibe) kann es bevorzugt sein, dass das holographische Element nur eine einzelne Trägerfolie und die Photopolymer-Schicht aufweist, wobei die Trägerfolie von der besagten exponierten Oberfläche abgewandt ist und die Photopolymer-Schicht an der besagten Oberfläche angebracht ist, beispielsweise über einen optisch klaren Klebstoff. Die Photopolymer-Schicht kann aber auch zwischen zwei Trägerfolien angeordnet sein, wobei eine der Trägerfolien an der besagten Oberfläche angebracht ist, beispielsweise über einen optisch klaren Klebstoff. Ist das holographische Element dagegen im Innern einer Verbundscheibe angeordnet, so umfasst es bevorzugt eine Photopolymer-Schicht zwischen zwei Trägerfolien.
Die Verbundscheibe weist bevorzugt einen opaken Maskierungsbereich auf, durch den keine Durchsicht möglich ist. Dieser Maskierungsbereich ist bevorzugt umlaufend in einem Randbereich der Verbundscheibe angeordnet und umgibt einen zentralen transparenten Durchsichtsbereich rahmenartig. Dies ist insbesondere für Fahrzeugscheiben gebräuchlich. Der Maskierungsbereich ist insbesondere durch ein opakes Element ausgebildet, beispielsweise durch einen opalen Abdeckdruck oder einen opaken Abschnitt der Zwischenschicht. Die Lichtquelle ist in einer vorteilhaften Ausgestaltung im Maskierungsbereich angeordnet und die Lichteinkopplung über das diffraktive holographische Element erfolgt im Maskierungsbereich. Der Maskierungsbereich ist dabei besonders bevorzugt durch einen opaken Abdeckdruck auf der innenraumseitigen Oberfläche der weiteren Glas- oder Kunststoffscheibe (Außenscheibe) ausgebildet. Ein solche Abdeckdruck wird typischerweise durch eine Emaille ausgebildet, welche Glasfritten und ein Schwarzpigment enthält und welche im Siebdruckverfahren aufgedruckt und anschließend in die Oberfläche eingebrannt wird.
Ist die erfindungsgemäße Glas- oder Kunststoffscheibe eine Glasscheibe, so ist sie bevorzugt aus Kalk-Natron-Glas gefertigt, wie es für Fensterscheiben üblich ist. Die Glasscheibe kann alternativ aber auch aus anderen Glassorten gefertigt sein, beispielsweise Borosilikatglas, Aluminosilikatglas oder Quarzglas. Ist die erfindungsgemäße Glas- oder Kunststoffscheibe eine Kunststoffscheibe, so ist sie bevorzugt aus einem klaren, starren Kunststoff gefertigt, besonders bevorzugt Polycarbonat (PC) oder Polymethylmethacrylat (PMMA).
Die erfindungsgemäße Glas- oder Kunststoffscheibe ist bevorzugt klar und weist keine signifikanten Tönungen oder Färbungen auf, um die Lichtausbreitung effizient zu gestalten. Im Falle einer Verbundscheibe können die weitere Glas- oder Kunststoffscheibe sowie die Zwischenschicht ebenfalls klar sein oder getönt oder gefärbt.
Das Verglasungselement kann plan sein oder in einer oder in mehreren Richtungen des Raumes gebogen.
Die Erfindung umfasst außerdem ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen beleuchteten Glaselements, wobei
- die Glasscheibe oder Kunststoffscheibe mit der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche bereitgestellt wird,
- die Lichtquelle angebracht wird, so dass die zweite Oberfläche der Glasscheibe oder Kunststoffscheibe der Lichtquelle zugewandt ist, das diffraktive holographische Element angebracht wird, so dass es von der Lichtquelle bestrahlt wird.
Das Anbringen der Lichtquelle kann zeitlich vor oder nach dem Anbringen des diffraktiven holographischen Elements erfolgen.
Das diffraktive holographische Element wird bevorzugt erzeugt, indem ein lichtempfindlicher polymerer Film holographisch belichtet wird, so dass ein lichtbeugendes Hologramm erzeugt wird. Dazu wird Licht eben jener Wellenlänge (beziehungsweise Wellenlängen) verwendet, welche auch von der Lichtquelle (beziehungsweise von den Lichtquellen) ausgestrahlt wird. Als Referenzwelle bei der Belichtung wird also Licht mit der Emissionswellenlänge der Lichtquelle verwendet.
Ist das Verglasungselement als Verbundscheibe ausgebildet, so können zu deren Herstellung an sich bekannte Verfahren zur Lamination zum Einsatz kommen, beispielsweise Autoklavverfahren, Vakuumsackverfahren, Vakuumringverfahren, Kalanderverfahren, Vakuumlaminatoren oder Kombinationen davon. Die Verbindung von Außenscheibe und Innenscheibe erfolgt dabei üblicherweise unter Einwirkung von Hitze, Vakuum und/oder Druck.
Die Erfindung umfasst außerdem die Verwendung eines erfindungsgemäßen Verglasungselements als Fensterscheibe eines Fahrzeugs. Eine besonders bevorzugte Verwendung ist dabei eine Fahrzeug-Dachscheibe, welchen zur Beleuchtung des Fahrzeuginnenraums eingesetzt wird. Das Fahrzeug kann grundsätzlich ein beliebiges Landfahrzeug, Wasserfahrzeug oder Luftfahrzeug sein, ist bevorzugt ein Personenkraftwagen, Lastkraftwagen oder Schienenfahrzeug. Das Verglasungselement kann auch in Gebäuden verwendet werden, beispielsweise als Fensterscheibe, Glasfassade oder Glastür im Außen- oder Innenbereich, insbesondere als Fensterscheibe eines Gebäudes oder eines Innenraums. Das Verglasungselement kann auch als Bestandteil von Möbeln, elektrischen Geräten, als Bestandteil von Einrichtungsgegenständen oder als Einrichtungsgegenstand verwendet werden. Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer Zeichnung und Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die Zeichnung ist eine schematische Darstellung und nicht maßstabsgetreu. Die Zeichnung schränkt die Erfindung in keiner Weise ein.
Es zeigen:
Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verglasungselements,
Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung des Ausschnitts Z aus Figur 1 ,
Fig. 3 einen Querschnitt durch eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verglasungselements,
Fig. 4 eine vergrößerte Darstellung des Ausschnitts Y aus Figur 3.
Figur 1 und Figur 2 zeigen je ein Detail einer ersten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verglasungselements. In Figur 1 ist ein Querschnitt des Verglasungselements gezeigt. Dort ist ein Ausschnitt Z gekennzeichnet, der in Figur 2 vergrößert dargestellt ist.
Das Verglasungselement ist als Verbundscheibe ausgebildet. Die Verbundscheibe ist beispielsweise als Dachscheibe eines Fahrzeugs, insbesondere eines Personenkraftwagens vorgesehen. Sie ist der Einfachheit halber plan dargestellt, obwohl solche Fahrzeug- Dachscheiben typischerweise gebogen sind. Die Verbundscheibe ist strukturell gebildet aus einer Glasscheibe 2, welche als Innenscheibe dient, und einer weiteren Glasscheibe, welche als Außenscheibe 1 dient, und einer thermoplastischen Zwischenschicht 3, über welche die Glasscheibe 2 und die Außenscheibe 1 miteinander verbunden sind. Die Außenscheibe 1 und die Glasscheibe 2 bestehen aus Kalk-Natron-Glas und weisen eine Dicke von beispielsweise jeweils 2,1 mm auf. Die Zwischenschicht 3 ist aus einer PVB-Folie mit einer Dicke von beispielsweise 0,76 mm ausgebildet. Die Glasscheibe 2 ist klar, die Außenscheibe 1 und die Zwischenschicht 3 getönt, um die Lichttransmission der Verbundscheibe zu verringern (beispielsweise auf weniger als 15%), wie es bei Fahrzeug-Dachscheiben üblich ist.
Die Außenscheibe 1 ist in Einbaulage der äußeren Umgebung des Fahrzeugs zugewandt. Sie weist eine außenseitige Oberfläche I auf, die der äußeren Umgebung zugewandt ist und eine innenraumseitige Oberfläche II, die dem Fahrzeug-Innenraum zugewandt ist. Die Glasscheibe 2 (Innenscheibe) ist in Einbaulage dem Fahrzeug-Innenraum zugewandt. Sie weist eine außenseitige Oberfläche III auf, die der äußeren Umgebung zugewandt ist und eine innenraumseitige Oberfläche IV, die dem Fahrzeug-Innenraum zugewandt ist. Die innenraumseitige Oberfläche II der Außenscheibe 1 und die außenseitige Oberfläche III der Glasscheibe 2 sind über die thermoplastische Zwischenschicht 3 miteinander verbunden.
Die Verbundscheibe weist einen umlaufenden, opaken Randbereich auf (Maskierungsbereich), indem ein schwarzer Abdeckdruck 9 auf der innenraumseitigen Oberfläche II der Außenscheibe 1 aufgebracht ist, der die Durchsicht durch die Verbundscheibe verhindert. In diesem Randbereich ist ein diffraktives holographisches Element 4 an der innenraumseitigen Oberfläche IV der Glasscheibe 2 angebracht, beispielsweise durch eine nicht dargestellte Schicht eines optisch klaren Klebstoffs. Das diffraktive holographische Element 4 ist zur Einkopplung des Lichts einer Lichtquelle 5 in die Glasscheibe 2 vorgesehen.
Die Lichtquelle 5 ist eine Leuchtdiode (LED), beispielsweise mit einer grünen Emissionsfarbe und einer mittleren Emissionswellenlänge von 550 nm. Die Lichtquelle 5 ist über einen Kollimator 7 mit dem diffraktiven holographischen Element 4 verbunden. Der Kollimator 7 ist ein transparentes optisches Bauteil, beispielsweise aus Polycarbonat, welches als eine Art Sammellinse wirkt und den Strahlkegel der Lichtquelle 5 verringert, im Idealfall zu einem parallelen Strahlengang. Der Licht der Lichtquelle 5 durchläuft den Kollimator 7 und trifft dann auf das diffraktive holographische Element 4.
Das diffraktive holographische Element 4 ist ein holographischer Film, in welchem ein Hologramm ausgebildet ist. Das Hologramm wurde mit derselben Wellenlänge der Lichtquelle 5 erzeugt, beispielsweise durch Belichtung mit einem Laser der Wellenlänge 550 nm. Dadurch kann das holographische Element 4 seine Wirkung optimal auf das Licht der Lichtquelle 5 ausüben. Durch das Hologramm wird eine Art Beugungsmuster realisiert, welches sich beispielsweise durch komplexe Brechungsindexänderungen ergibt, welche bei der Belichtung im holographischen Film ausgebildet worden sind. Das diffraktive holographische Element 4 ist geeignet und dafür vorgesehen, das Licht der Lichtquelle 5 zu beugen und dadurch seine Ausbreitungsrichtung zu ändern.
Der Beugungswinkel a beschreibt die Änderung der Ausbreitungsrichtung des Lichts (dargestellt durch gestrichelte Pfeile). Der Beugungswinkel a ist der Winkel zwischen dem auf das diffraktive holographische Element 4 einfallenden Lichtvektor und dem vom diffraktiven holographischen Element 4 ausgehenden Lichtvektor. Der Beugungswinkel a liegt zwischen 90° und 180° und beträgt beispielsweise etwa 102°. Es handelt sich also um ein transmissiv- diffraktives holographisches Element, wobei das Licht größtenteils mit geänderter Ausbreitungsrichtung durch das holographische Element 4 hindurchtritt.
Die Oberflächen III, IV der Glasscheibe 2 stellen jeweils eine Grenzfläche zu einem benachbarten optische weniger dichten Medium dar. Bei der Wellenlänge der Lichtquelle 5 von 550 nm beträgt der Brechungsindex der Glasscheibe 2 1 ,53 (Kalk-Natron-Glas), der Brechungsindex der Zwischenschicht 3 1 ,48 (PVB) und der Brechungsindex von Luft etwa 1 ,00. Für beide Oberflächen III, IV lässt sich daraus ein Grenzwinkel der Totalreflexion berechnen: dieser beträgt an der außenseitigen Oberfläche III (Grenzfläche zur Zwischenschicht 3) etwa 75,3° und an der innenraumseitigen Oberfläche IV (Grenzfläche zur Luft) etwa 40,8°. Der Grenzwinkel der Totalreflexion wird dabei zur Flächennormalen gemessen.
Das Licht der Lichtquelle 5 wird über die innenraumseitige Oberfläche IV der Glasscheibe 2 in diese eingestrahlt, wobei es durch das holographische Element 4 abgelenkt wird mit einem Beugungswinkel von 102°. Das Licht durchläuft dann die Glasscheibe 2 und trifft mit einem Einfallswinkel von 78° auf die außenseitige Oberfläche III (ebenfalls gemessen zur Flächennormalen). Da der Einfallswinkel größer ist als der Grenzwinkel der Totalreflexion wird das Licht totalreflektiert, durchläuft abermals die Glasscheibe 2 und trifft mit einem Einfallswinkel vom ebenfalls 78° auf die innenraumseitigen Oberfläche IV. Auch hier ist der Einfallswinkel größer als der Grenzwinkel der Totalreflexion, so dass das Licht wieder totalreflektiert wird. Auf diese Weise wird das Licht zwischen den Oberflächen III, IV gleichsam hin und her reflektiert, so dass es sich in der Glasscheibe 2 ausbreitet. Die Glasscheibe 2 fungiert als eine Art flächiger Lichtleiter.
Um das Licht wieder aus der Glasscheibe 2 auszukoppeln und dadurch eine Beleuchtung zu realisieren, sind auf der innenraumseitigen Oberfläche IV lichtstreuende Strukturen 6 aus einer transparenten Emaille aufgedruckt. Wenn das Licht auf diese lichtstreuenden Strukturen 6 trifft, wird es gestreut und dadurch aus der Glasscheibe 2 ausgekoppelt. Die lichtstreuenden Strukturen 6 erscheinen einem Betrachter dadurch als leuchtende Flächen, welche beispielsweise zur Beleuchtung eingesetzt werden können oder Symbole oder Muster anzeigen können. Licht, welches nicht auf die lichtstreuenden Strukturen 6 trifft, erreicht die Seitenkantenfläche der Glasscheibe 2 und wird über diese ausgekoppelt. In der dargestellten Ausgestaltung trifft das Licht der Lichtquelle 5 vor der Einkopplung mit einem Einstrahlwinkel von 0° (gemessen zur Flächennormalen) auf die innenraumseitige Oberfläche IV beziehungsweise das holographische Element 4. Es ist jedoch auch möglich, das Licht nicht senkrecht, sondern mit einem Einstrahlwinkel ungleich 0° einzustrahlen. Durch die Wahl des Einstrahlwinkels und des Beugungswinkels a kann die Totalreflexion in Abhängigkeit vom Grenzwinkel der Totalreflexion sichergestellt werden. Das Licht muss mit einem Winkel auf die Oberflächen III, IV treffen, welcher größer ist als der größte auftretende Grenzwinkel der Totalreflexion.
Der Kollimator 7 ist lediglich optional, er verbessert insbesondere die Lichtausbeute. Alternativ könnte die Lichtquelle 5 beispielsweise auch in einem Gehäuse angeordnet sein, welches an der innenraumseitigen Oberfläche IV der Glasscheibe 2 angebracht ist, oder über ein transparentes Bauteil mit dem holographischen Element 4 verbunden sein, welches keine Auswirkungen auf den Strahlkegel hat, insbesondere nicht als Kollimator wirkt.
Figur 3 und Figur 4 zeigen je ein Detail einer zweiten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verglasungselements. In Figur 3 ist ein Querschnitt des Verglasungselements gezeigt. Dort ist ein Ausschnitt Y gekennzeichnet, der in Figur 4 vergrößert dargestellt ist.
Das Verglasungselement ist ebenso wie in der ersten Ausgestaltung der Figur 1 als Verbundscheibe ausgebildet mit der Glasscheibe 2 als Innenscheibe, der weiteren Glasscheibe als Außenscheibe 1 , der thermoplastischen Zwischenschicht 3, dem Abdeckdruck 9 sowie den lichtstreuenden Strukturen 6. Die zweite Ausgestaltung unterschiedet sich von der ersten Ausgestaltung durch die Art der Lichteinkopplung.
Das Licht der Lichtquelle 5 wird wieder über die innenraumseitige Oberfläche IV in die Glasscheibe 2 eingestrahlt mit einem Einstrahlwinkel von 0°, wobei der Einstrahlwinkel aber auch von 0° abweichen kann. Auf der innenraumseitigen Oberfläche IV der Glasscheibe 2 ist ein optionaler Kollimator 7 angeordnet, welcher in diesem Fall als holographischer Film ausgebildet ist, der als eine Art Sammellinse wirkt (holografisch-optisches Bauelement). Der Kollimator 7 ist beispielsweise an der innenraumseitigen Oberfläche IV angeklebt, insbesondere über eine nicht dargestellte Schicht eines optisch klaren Klebstoffs. Die Lichtquelle kann beispielsweise in einem nicht dargestellten Gehäuse angeordnet sein, welches an der innenraumseitigen Oberfläche IV der Glasscheibe 2 befestigt ist. Das über die innenraumseitige Oberfläche IV eingestrahlte Licht durchläuft die Glasscheibe
2 und trifft auf die außenseitige Oberfläche III. Dort ist ein diffraktives holographisches Element 4 angeordnet und wird von dem Licht bestrahlt. Das diffraktive holographische Element 4 kann einfach zwischen die Zwischenschicht 3 und die Glasscheibe 2 eingelegt sein, wobei es bei der Lamination der Verbundscheibe ortsfest fixiert wird. Es ist aber auch möglich, dass das diffraktive holographische Element 4 an der Glasscheibe 2 oder der Zwischenschicht
3 angeklebt ist, insbesondere mittels optisch klaren Klebstoffs.
Das diffraktive holographische Element 4 wirkt wieder als lichtbeugendes Element, um die Ausbreitungsrichtung des Lichts zu ändern und das Licht in die Glasscheibe 2 einzukoppeln. Der Beugungswinkel a liegt in diesem Fall zwischen 0° und 90° und beträgt beispielsweise etwa 78°. Es handelt sich also um ein reflektiv-diffraktives holographisches Element, wobei das Licht größtenteils mit geänderter Ausbreitungsrichtung vom holographischen Element 4 reflektiert wird.
Das Licht wird vom holographischen Element 4 über die außenseitige Oberfläche III in die Glasscheibe 2 eingekoppelt. Es durchläuft die Glasscheibe 2 und trifft mit einem Einfallswinkel von 78° auf die innenraumseitige Oberfläche IV. Dieser Einfallswinkel ist größer als der größte Grenzwinkel der Totalreflexion der Glasscheibe 2, so dass das Licht sich wieder nach Art eines Lichtleiters in der Glasscheibe 2 ausbreitet.
Bezugszeichenliste:
(1) Außenscheibe
(2) Glasscheibe
(3) thermoplastische Zwischenschicht
(4) diffraktives holographisches Element
(5) Lichtquelle
(6) lichtstreuende Struktur
(7) Kollimator
(9) Abdeckdruck
(I) erste/außenseitige Oberfläche der Außenscheibe 1
(II) zweite/innenraumseitige Oberfläche der Außenscheibe 1
(III) erste/außenseitige Oberfläche der Innenscheibe 2
(IV) zweite/innenraumseitige Oberfläche der Innenscheibe 2
(a) Beugungswinkel
Z vergrößerter Ausschnitt
Y vergrößerter Ausschnitt

Claims

Patentansprüche
1. Beleuchtetes Verglasungselement, umfassend
- eine Glasscheibe (2) oder Kunststoffscheibe mit einer ersten Oberfläche (III) und einer zweiten Oberfläche (IV),
- eine Lichtquelle (5) zur Erzeugung von Licht, wobei die zweite Oberfläche (IV) der Glasscheibe (2) oder Kunststoffscheibe der Lichtquelle (5) zugewandt ist,
- ein diffraktives holographisches Element (4), welches von der Lichtquelle (5) bestrahlt wird, wobei das diffraktive holographische Element (4) geeignet ist, das Licht derart abzulenken, dass es in die Glasscheibe (2) oder Kunststoffscheibe eingekoppelt wird und sich zumindest in der Glasscheibe (2) oder Kunststoffscheibe ausbreitet, insbesondere durch Totalreflexion.
2. Beleuchtetes Verglasungselement nach Anspruch 1 , wobei das diffraktive holographische Element (4) ein transmissiv-diffraktives holographisches Element ist, welches zwischen der Lichtquelle (5) und der zweiten Oberfläche (IV) der Glasscheibe (2) oder Kunststoffscheibe angeordnet ist.
3. Beleuchtetes Verglasungselement nach Anspruch 2, wobei das diffraktive holographische Element (4) an der zweiten Oberfläche (IV) der Glasscheibe (2) oder Kunststoffscheibe angeklebt ist, bevorzugt über eine Schicht eines optisch klaren Klebstoffs.
4. Beleuchtetes Verglasungselement nach Anspruch 1 , wobei das diffraktive holographische Element (4) ein reflektiv-diffraktives holographisches Element ist und wobei die Glasscheibe (2) oder Kunststoffscheibe zwischen der Lichtquelle (5) und dem diffraktiven holographischen Element (4) angeordnet ist.
5. Beleuchtetes Verglasungselement nach Anspruch 4, wobei das diffraktive holographische Element (4) auf der ersten Oberfläche (III) der Glasscheibe (2) oder Kunststoffscheibe angeordnet ist.
6. Beleuchtetes Verglasungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Glasscheibe (2) oder Kunststoffscheibe und optional daran angrenzende Schichten des Verglasungselements einen Lichtleiter bilden zwischen einer ersten und einer zweiten Grenzfläche zu einem optisch weniger dichten Medium und wobei das Licht derart über eine der Grenzflächen eingekoppelt wird, dass es mit einem Einfallswinkel auf die gegenüberliegende Grenzfläche trifft, welcher größer ist als der größte Grenzwinkel der Totalreflexion des Lichtleiters.
7. Beleuchtetes Verglasungselement nach Anspruch 6, wobei der Lichtleiter ausschließlich durch die Glasscheibe (2) oder Kunststoffscheibe gebildet wird und wobei die erste Oberfläche (III) und die zweite Oberfläche (IV) der Glasscheibe (2) oder Kunststoffscheibe die besagten Grenzflächen sind.
8. Beleuchtetes Verglasungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Lichtquelle (5) mindestens eine Leuchtdiode (LED) umfasst.
9. Beleuchtetes Verglasungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, welches einen Satz mehrerer Lichtquellen (5) mit unterschiedlicher Emissionswellenlänge umfasst, wobei den mehreren Lichtquellen (5) ein gemeinsames diffraktives holographisches Element (4) zugeordnet ist, wobei
- das holographische Element (4) mehrere Bereiche aufweist und jeder Bereich einer Lichtquelle (5) zugeordnet ist und mit der Emissionswellenlänge dieser Lichtquelle (5) belichtet ist, oder
- das holographische Element (4) einen einzelnen Bereich aufweist, der allen Lichtquellen (5) zugeordnet ist und mit den Emissionswellenlängen aller Lichtquellen (5) belichtet ist.
10. Beleuchtetes Verglasungselement nach Anspruch 9, wobei mehrere Lichtquellen (5) umfassen:
- eine Lichtquelle (5) mit einer Emissionswellenlänge im Bereich von 600 nm bis 660 nm, bevorzugt von 610 nm bis 650 nm, besonders bevorzugt von 620 nm bis 640 nm,
- eine Lichtquelle (5) mit einer Emissionswellenlänge im Bereich von 500 nm bis 560 nm, bevorzugt von 510 nm bis 550 nm, besonders bevorzugt 510 nm bis 530 nm,
- eine Lichtquelle (5) mit einer Emissionswellenlänge im Bereich von 430 nm bis 490 nm, bevorzugt von 440 nm bis 480 nm, besonders besonders 450 nm bis 470 nm.
11. Beleuchtetes Verglasungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Glasscheibe (2) oder Kunststoffscheibe mit mindestens einer lichtstreuenden Struktur (6) versehen, die geeignet ist, das Licht aus der Glasscheibe (2) oder Kunststoffscheibe über die erste Oberfläche (III) und/oder über die zweite Oberfläche (IV) auszukoppeln.
12. Beleuchtetes Verglasungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , welches als Verbundscheibe ausgebildet ist, umfassend eine Außenscheibe (1) und die Glasscheibe (2) oder Kunststoffscheibe, wobei die erste Oberfläche (III) der Glasscheibe (2) oder Kunststoffscheibe über eine thermoplastische Zwischenschicht (3) mit der Außenscheibe (1) verbunden ist.
13. Beleuchtetes Verglasungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 12, welches als Verbundscheibe ausgebildet ist, wobei die Glasscheibe (2) oder Kunststoffscheibe zwischen einer Außenscheibe (1) und einer Innenscheibe angeordnet ist und über mindestens eine thermoplastische Schicht mit der Außenscheibe (1) und über mindestens eine thermoplastische Schicht mit der Innenscheibe verbunden ist.
14. Verfahren zur Herstellung eines beleuchtetes Verglasungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei
- die Glasscheibe (2) oder Kunststoffscheibe mit der ersten Oberfläche (III) und der zweiten Oberfläche (IV) bereitgestellt wird,
- die Lichtquelle (5) angebracht wird, so dass die zweite Oberfläche (IV) der Glasscheibe (2) oder Kunststoffscheibe der Lichtquelle (5) zugewandt ist,
- das diffraktive holographische Element (4) angebracht wird, so dass es von der Lichtquelle (5) bestrahlt wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei das diffraktive holographische Element (4) erzeugt wird, indem ein lichtempfindlicher polymerer Film holographisch belichtet wird, so dass ein lichtbeugendes Hologramm erzeugt wird, wobei zur Belichtung Licht mit der Emissionswellenlänge der Lichtquelle (5) verwendet wird.
16. Verwendung eines beleuchteten Verglasungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 13 als Fensterscheibe eines Fahrzeugs, eines Gebäudes oder eines Innenraums, als Bestandteil von Möbeln, elektrischen Geräten, als Bestandteil von Einrichtungsgegenständen oder als Einrichtungsgegenstand, bevorzugt als Fahrzeug- Dachscheibe.
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