WO2005054928A1 - Vorrichtung zum anzeigen von informationen auf einem transparenten substrat - Google Patents

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WO2005054928A1
WO2005054928A1 PCT/EP2004/013848 EP2004013848W WO2005054928A1 WO 2005054928 A1 WO2005054928 A1 WO 2005054928A1 EP 2004013848 W EP2004013848 W EP 2004013848W WO 2005054928 A1 WO2005054928 A1 WO 2005054928A1
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reflecting coating
transparent substrate
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Christoph Rickers
Michael Vergöhl
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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    • G02B5/20—Filters
    • G02B5/28—Interference filters

Definitions

  • the present invention relates to a device for displaying information on a transparent substrate, in particular for displaying information on vehicle windows, such as vehicle windshields, also called head-up displays (HUD).
  • vehicle windows such as vehicle windshields
  • HUD head-up displays
  • Head-up displays are an innovative form of information visualization for the driver of a vehicle (rail vehicles such as trains, cars, aircraft, watercraft, construction vehicles, etc.), which enable information to be transmitted without the driver having to perform his tasks distract.
  • the basic idea is the projection or insertion of the information to be provided into the field of vision of the vehicle driver, in order to be able to reduce or avoid turning away the driver from his tasks and thus reducing dead time in his reaction.
  • This invention relates to the second form of implementation, namely the projection directly onto the glazing of the cockpit of a vehicle.
  • a fundamental problem when realizing such projections is the required intensity of the projected image in order to be still recognizable to the driver in relation to the avoidable bright surroundings (summer, daylight, etc.), ie to provide sufficient contrast.
  • a projection source (light source of the projection system)
  • light-emitting diodes and laser diodes or laser sources are increasingly being used and also favored for the implementation of the above-mentioned HUD.
  • one problem with these light sources is the limited available intensity, which is subject to developmental limitations.
  • a deflection unit is required for the light source, which moves the light beam over the screen similar to the color TV.
  • the term "screen” is also used in the broadest sense to represent windshields or other glazing through which the driver looks.
  • optics are required that combine the primary valences (e.g. a red, green and blue laser) in one laser beam.
  • the overall system (optics) currently has inadequate efficiencies of a maximum of 30%.
  • the present invention relates to a device for projecting information onto a transparent substrate, a spectrally selectively reflecting coating system being provided on or in the surface of the substrate provided for the projection, which reflects light from one or more narrow-band light sources.
  • the transparent substrate is preferably a viewing window of a vehicle, such as a motor vehicle, a rail vehicle, a ship or an aircraft, etc. It is preferably a windshield or a rear window of a motor vehicle.
  • the transparent substrate can consist of glass or another suitable transparent material such as a plastic such as polycarbonate.
  • Glazing used here therefore includes not only substrates made of glass, but also made of other suitable transparent materials.
  • FIG. 1 shows a theoretically optimal reflection spectrum
  • FIG. 2 shows a spectrum of a spectrally selectively reflecting coating system, which is a dielectric interference filter with 11 layers;
  • FIG. 3 shows a further example of a spectrum of a dielectric interference filter with 12 layers; such as
  • FIG. 4 shows a flow diagram for a genetic algorithm for calculating a spectrally selectively reflecting coating system for the device according to the invention.
  • the solution according to the invention is based on the use of spectrally selectively reflecting coating systems, such as dielectric interference filters, as well as other optical thin-film filter systems, e.g. with layers of cholesteric polymers or LCDs, which allow spectrally selectively to increase the reflectivity of an interface significantly.
  • spectrally selectively reflecting coating systems such as dielectric interference filters, as well as other optical thin-film filter systems, e.g. with layers of cholesteric polymers or LCDs, which allow spectrally selectively to increase the reflectivity of an interface significantly.
  • an essential aspect of the invention is the spectral selectivity of the increase in reflection.
  • the basic idea is the selective and as narrow-band reflection as possible of the equally narrow-band primary valences of a projection system, as are present in the preferred forms mentioned, on the windshield or glazing of the driver's cab.
  • the system can be suitably combined with the above-mentioned embodiments to avoid ghosting.
  • the device according to the invention is particularly suitable for the projection onto light from one or more narrow-band light sources, in particular one or more monochromatic light sources.
  • Examples are light emitting diodes, laser diodes and laser sources.
  • a dielectric filter system can be used to implement the spectrally selective reflection, as described in its calculation and function, for example in C. Rickers, M. Vergöhl, "Spectrally selective reflecting thin-film filters for laser display technology", Thin Solid Films 442 (2003 ) 145-152 [1] and C. Rickers, M. Vergöhl, “Design and manufacture of spectrally-selective reflecting coatings for use with laser display projection screens", Appl. Optics 41 (16): 3097-3106, 2002, [2]. Reference is made in full to these documents for the present invention and the invention also encompasses them by reference.
  • the filter described there which is basically identical, serves to reduce the reflection in large parts of the visible spectral range while at the same time increasing the reflectivity at the wavelengths of the laser emissions.
  • the spectral selectivity of these coating systems is based on interference effects of an incident light wave with itself by division into partial waves at several interfaces and induction of a phase shift due to different propagation speeds, as is also described in [1] and [2].
  • the contrast increase achieved is based on reducing the reflection of ambient light while maintaining the reflection of projected light.
  • FIG. 1 shows a theoretically optimal reflection spectrum, the emission of the projection system being marked vertically (narrow-band primary valences, here laser emissions at the wavelengths 446 nm, 532 nm and 628 nm for blue, green and red).
  • an ideal filter would reflect the primary valences of the projector in the form of a rectangular profile in a narrow band, while a 100% transmission is retained in the rest of the spectrum.
  • a spectrally selectively reflecting coating system can be used for the device according to the invention, as described, for example, in the aforementioned German patent application DE 197 47 957 A1, in the international application WO 98/36320 and in the German patent DE 19901 970 C2.
  • the spectrally selectively reflecting coating system can be formed from one or more cholesteric polymer layers, as described in DE 199 01 970 C2.
  • Spectral selectivity is achieved on the basis of the properties of cholesteric polymers, which as a single layer have the ability to circularly polarized light of a certain handedness (i.e. either right or left circular) and thus 50% of the unpolarized light in a certain wavelength band ⁇ reflect.
  • the coating system should have at least 2 mutually enantiomeric cholesteric polymer layers with corresponding selectivity for this wavelength for each selected wavelength. In this case, since cholesteric enantiomers reflect oppositely circularly polarized light, both the right-hand and the left-hand circularly rotating portion of the unpolarized light in the relevant wavelength band is reflected.
  • a coating system that is particularly suitable for RGB radiation should therefore have at least six layers of cholesteric polymers, two adjacent layers being enantiomeric to each other and reflecting the blue, red or green light, so that a total reflection of approximately 100% for all RGB Wavelengths can be achieved.
  • the spectrally selectively reflecting coating system can be constructed from a multi-layer system consisting of at least two dielectric materials of different optical density or with a different refractive index. The at least two layer materials are applied alternately on the substrate, so that a low-index layer and a high-index layer are arranged alternately on the substrate.
  • the respective layer thicknesses of the high or low refractive index layers of a system can be the same or different. For example, one or more periods of a high-index layer with a first layer thickness and a low-index layer with a second layer thickness can be provided. In this case one speaks of a periodic arrangement.
  • the thicknesses of the high-index and low-index layers can also vary; in this case one speaks of a non-periodic arrangement.
  • suitable dielectric materials for the above coating system of layers with low and high refractive index materials are the oxides or nitrides of silicon, aluminum, titanium, bismuth, zircon, cerium, hafnium, niobium, scandium, magnesium, tin, zinc, yttrium and indium , Preferred examples of low-index materials are Si0 2 and MgS 2 and in particular Al 2 0 3 .
  • high-index materials are titanium oxide and niobium oxide and Si 3 N 4 .
  • Examples of preferred combinations of high-index and low-index materials are silicon dioxide as the low-index material and titanium dioxide in the rutile phase or in the anatase phase as the high-index material, and the combinations SiO 2 / Si 3 N 4 and in particular Al 2 O 3 / Si 3 N 4 .
  • Another example of a suitable material is the Si ⁇ -x-yO x N y system with a variable layer thickness, in which the refractive index can be set by varying the nitride concentration. Coatings of this type made of a multi-layer system consisting of a sequence of alternately high and low refractive index dielectric materials act as an interference filter with which the wavelengths of the projection light are selectively reflected.
  • Methods for producing the multilayered layer systems from dielectric materials are known per se and are described, for example, in DE 197 47 597 A1 and WO 98/36320.
  • suitable coating processes are vacuum coating processes such as magnetron sputtering and electron beam evaporation.
  • FIG. 2 shows a practically feasible reflection spectrum for a dielectric filter system made of 11 layers.
  • the transmission here is 100-R and is therefore around 90 to 95% in the areas outside the laser emission (vertical markings).
  • SiO 2 and Si 3 N 4 which have been applied to a polycarbonate film, were used as materials for the layers.
  • the sufficient transmission of the spectrally selectively reflecting coating is an essential criterion for use in viewing windows.
  • Adequate transmission should be ensured when used in vehicle windows so that the driver's view of the surroundings is not impaired.
  • the transmission of a windshield in a car must meet certain standards for safety reasons. An increase in reflectivity would therefore be counterproductive with regard to the desired transmission.
  • an optimization for different projection angles depending on the installation geometry and the suppression or at least suppression as far as possible of the so-called color flop effect may be desirable.
  • a color flop is understood to mean a change in the viewer's color impression, which is caused by a change in the viewing angle.
  • the color FIop effect is only of minor importance when used in head-up displays, since the position of the viewer and thus his viewing angle is essentially fixed.
  • the device according to the invention preferably contains, in particular, a spectrally selectively reflecting coating system which is optimized with regard to the fact that, in addition to the highest possible contrast, it has the best compromise, with sufficient transmission, from a small layer thickness, a small number of layer materials to be used and a small number of individual layers.
  • spectrally selectively reflecting coating systems are used which consist of at least two layers.
  • a coating system which is suitable according to the invention and which fulfills the above-mentioned boundary conditions can be obtained by using a genetic algorithm as described in (1), (2) and in German patent application 10245 881.2, by means of an evaluation by means of colorimetry or by other software optimization programs ,
  • the colorimetric evaluation is combined with an optimization algorithm that does not require a predetermined initial design as input for the optimization, since it already essentially reflects the target spectrum.
  • the optical coatings according to the invention are obtained, the properties of which are optimized with regard to the desired boundary conditions. It is particularly advantageous that the boundary conditions can be weighted continuously, so that the best compromise in the layer design can be obtained depending on the specific application.
  • the best possible reflectivities the values of which are adapted to the spectral sensitivity of the human eye, can be realized with the aid of colorimetric evaluation and, for example, utilization of the available materials, number of layers and total thickness of the coating system.
  • layer systems can be obtained which, even when using two, three or more narrow-band light sources, such as suitable light sources for RGB radiation, the best compromise for the respective application for the desired properties, such as reflectivity, contrast, transmission etc., or for the given given boundary conditions.
  • the desired coating system is applied to the intended transparent substrate by means of a suitable coating method, as is generally known, with the desired combination of materials.
  • the substrate can be rigid or flexible.
  • the spectrally selectively reflecting coating system can thus be applied to a flexible film which is then laminated or introduced onto or into the viewing window. This procedure is particularly advantageous in the case of strongly curved viewing windows.
  • the coating system used according to the invention can be applied to a wedge film.
  • the coating can be carried out on several interfaces, whereby the total reflection can be increased.
  • the device according to the invention can also be used for substrates which are provided with additional functional elements or functional layers.
  • the device according to the invention can be used for windshields which are additionally provided with a heat-repellent layer or with a transparent conductive layer made of, for example, TCO materials, as can be used for heating the windshield.
  • the mode of operation of the genetic algorithm for optimizing spectrally selectively reflecting coating systems is explained in more detail below with reference to the flow chart in FIG.
  • the functioning of the genetic algorithm is based on the evolution and recombination strategies of nature. The basic idea is that out of a number of individuals that together form a generation, only those individuals are selected to generate a new generation who have the best characteristics with regard to their environment. In the present case, an individual is understood to mean a layer system with its layer thicknesses and material properties. The parameters of the layer system such as layer thicknesses and materials are called genes.
  • the algorithm first generates a population of individuals by randomly assigning materials and layer thicknesses (referred to as "static population" in FIG. 4).
  • a loop consisting of the steps recombination, mutation Evaluation and selection (selection of the better individuals, that is, strata), rejecting bad strata Repeatedly performing the loop improves the quality of the population on average and that of the best individual absolutely until an optimum is reached.
  • the evaluation and thus optimization takes place on the basis of colorimetric considerations. Since the evaluation is based on the color metric, a specification of a discrete target spectrum can be dispensed with.
  • k indicates the contrast that the screen achieves for primary valences of the corresponding wavelengths with respect to ambient light.
  • ⁇ R is the standard deviation of reflectivity and C is an empirical factor.
  • a particularly high reflection in the range of the laser wavelengths is less decisive for increasing the contrast, but rather a lowest possible reflection in the spectral range outside of it.
  • This effect can be taken into account in the genetic algorithm by influencing the weighting with which the background is suppressed. This is done by varying the exponent of Y in equation (2) accordingly.
  • the desired or necessary transmission can be set accordingly.
  • the layer system In order to minimize or eliminate the color flop effect, the layer system must be designed so that the change in the reflected intensities caused by changing the viewing angle is the same for all wavelengths of the projection light.
  • the spectra of an individual (layer system) are calculated for different viewing angles and the change in the reflected intensities for the wavelengths of the primary valences is compared, using standard deviations of these values.
  • the color neutrality of the image can also be adjusted by means of white balance, the intensity of the light reflected from the screen being one of the wavelengths of the primary valences (red, green, blue) with the intensity of the monochromatic light of the corresponding wavelength as it is emitted by the projector , is coordinated.
  • the genetic algorithm is used to evaluate a layer system which does not require a fixed specification for a discrete reflection spectrum and which increases the contrast, at the same time suppressing the color flop.
  • coatings with a contrast of at least 2.5 and a thickness of the entire layer of less than 4.5 ⁇ m can be achieved with this.
  • the layer structure is based on the glass substrate up as follows: glass
  • This coating shows a contrast improvement k of 3.55.

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Projektion von Informa­tionen auf ein transparentes Substrat, wie Sichtscheiben eines Fahrzeuges, ins­besondere eine Windschutzscheibe eines Kraftfahrzeuges, wobei auf oder in der für die Projektion vorgesehenen Fläche des Substrats ein spektral selektiv re­flektierendes Beschichtungssystem aus zwei oder mehreren Schichten angeord­net ist, das Licht einer oder mehrerer schmalbandiger Lichtquellen reflektiert, sowie die Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung für head up displays.

Description

Vorrichtung zum Anzeigen von Informationen auf einem transparenten Substrat
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Anzeigen von Informationen auf einem transparenten Substrat, insbesondere zum Anzeigen von Informationen auf Sichtscheiben von Fahrzeugen wie Windschutzscheiben von Fahrzeugen, auch Head-Up-Displays (HUD) genannt.
Head-Up-Dispiays (HUD) stellen eine innovative Form der Visualisierung von Informationen für den Führer eines Fahrzeugs (Schienenfahrzeuge wie Bahn, KFZ, Luftfahrzeuge, Wasserfahrzeuge, Baufahrzeuge, etc.) dar, welche die Informationsübermittlung ermöglichen, ohne den Führer von seinen Aufgaben abzulenken. Der Grundgedanke ist die Projektion oder Einblendung der dazustellenden Informationen in das Blickfeld des Fahrzeugführers, um so ein Abwenden des Fahrers von seinen Aufgaben und damit eine Totzeit in dessen Reaktion reduzieren bzw. vermeiden zu können.
Hierzu werden verschiedenste Ansätze verfolgt, die in zwei Kategorien unterschieden werden können: Projektionen auf die Netzhaut (durch Helmvisiere, Prismen, etc.) und Projektionen virtueller Bilder auf transparente Bildflächen (zum Beispiel Windschutzscheibe bei Bahn und KFZ). Diese Erfindung betrifft die zweite Realisierungsform und zwar die Projektion direkt auf die Verglasung des Cockpits eines Fahrzeugs.
Ein grundsätzliches Problem bei der Realisierung derartiger Projektionen ist die benötigte Intensität des projizierten Bildes, um gegenüber der vermeindlichen hellen Umgebung (Sommer, Tageslicht, etc. ) für den Fahrer weiterhin erkennbar zu sein, also einen ausreichenden Kontrast zu liefern.
Als Projektionsquelle (Leuchtmittel des Projektionssystems) werden zunehmend Leuchtdioden und Laserdioden bzw. Laserquellen im weitesten Sinn eingesetzt und auch für die Realisierung o.g. HUD favorisiert. Ein Problem dieser Lichtquellen ist jedoch die begrenzte zur Verfügung stehende Intensität, der entwicklungstechnisch Grenzen gesetzt sind. Zudem wird für die Lichtquelle eine Ablenkeinheit benötigt, welche den Lichtstrahl ähnlich dem FarbTV über die Bildwand bewegt. Der Begriff "Bildwand" wird im folgenden auch im weitesten Sinne stellvertretend für Windschutzscheiben bzw. andere Verglasungen verwendet, durch die der Fahrzeugführer schaut.
Zudem wird eine Optik benötigt, welche die Primärvalenzen (z.B. ein roter, grüner und blauer Laser) in einem Laserstrahl vereinigt. Das Gesamtsystem (Optik) weist gegenwärtig nur ungenügende Wirkungsgrade von maximal 30 % auf. Hinzu kommt die schlechte Reflektivität einer Glasscheibe (n~1.45) gegen
Luft (n~1) von etwa 4 %.
Das System ist damit insgesamt nicht ausreichend Lichtstark, um gegen das
Umgebungslicht einen signifikanten Kontrast zu erzielen.
Auch alternative Systeme weisen Probleme hinsichtlich der enorm hohen aufzubringenden Intensität für einen ausreichenden Kontrast und der damit verbundenen notwendig werdenden aktiven Kühlung auf (DE 10016817A1).
Es gibt bereits verschiedenste Vorschläge hinsichtlich möglicher Realisierungsformen für HUDs, die im weitesten Sinne jedoch die Anordnung der Projektionseinheit (DE 10144491 A1, WO 02/35276 A1, DE 10135342C1 bzw. DE 4211728A1 in Kombination mit einem holographischem Element), die Ausführung zusätzlicher Elemente im Sichtfeld des Fahrers (WO 02/35276 A1 ) und Veränderungen geometrischer Natur an der Scheibe (wie z.B. Einbringen eines Wedges etc.) zur Vermeidung von Geisterbildern durch Reflexion an den beiden Grenzflächen der Glasscheibe (US 2002/0008926A1 , US 2003/6534152B2, WO 94/00787) betreffen. Diese Anmeldungen beziehen sich nicht auf die Realisierung eines ausreichend kontraststarken Bildes für den Fahrer. Hinsichtlich dieser Thematik gibt es ebenfalls Veröffentlichungen, die auf Basis reflexionserhöhender Filter (US 2003/0035939A1 , EP 1283432 A2) bzw. stellenweise getönter Scheibe (DE 19816647 A1) den Kontrast zu verbessern suchen.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Projektion von Informationen auf ein transparentes Substrat, wobei auf oder in der für die Projektion vorgesehenen Fläche des Substrats ein spektral selektiv reflektierendes Beschichtungssystem vorgesehen ist, das Licht einer oder mehrerer schmalbandiger Lichtquellen reflektiert.
Bei dem transparenten Substrat handelt es sich vorzugsweise um eine Sichtscheibe eines Fahrzeugs, wie einem Kraftfahrzeug, einem Schienenfahrzeug, einem Schiff oder einem Flugzeug etc. Vorzugsweise handelt es sich hierbei um eine Windschutzscheibe oder eine Heckscheibe eines Kraftfahrzeugs.
Das transparente Substrat kann aus Glas oder einem anderen hierfür geeigneten transparenten Material bestehen wie einem Kunststoff wie Polycarbonat.
Der hier verwendete Begriff "Verglasung" umfasst damit nicht nur Substrate aus Glas, sondern gleichfalls aus anderen geeigneten transparenten Materialien.
Nachstehend wird die vorliegende Erfindung anhand der anliegenden Figuren näher erläutert.
Es zeigen hierbei:
Figur 1 ein theoretisch optimales Reflexionsspektrum;
Figur 2 ein Spektrum eines spektral selektiv reflektierenden Be- schichtungssystems, das ein dielektrischer Interferenzfilter mit 11 Schichten ist;
Figur 3 ein weiteres Beispiel eines Spektrums eines dielektrischen Interferenzfilters mit 12 Schichten; sowie
Figur 4 ein Flussdiagramm für einen genetischen Algorithmus zur Berechnung eines spektral selektiv reflektierenden Beschichtungs- Systems für die erfindungsgemäße Vorrichtung.
Die erfindungsgemäße Lösung basiert auf dem Einsatz spektral selektiv reflektierender Beschichtungssysteme, wie zum Beispiel dielektrischer Interferenzfilter, sowie weitere optische Dünnschichtfiltersysteme, z.B. mit Schichten aus cholesterischen Polymeren oder LCDs, welche es gestatten, spektral selektiv die Reflektivität einer Grenzfläche signifikant zu erhöhen.
Im Gegensatz zu den Anmeldungen US 2003/0035939A1 und EP 1283432 A2 ist ein wesentlicher Gesichtspunkt der Erfindung die spektrale Selektivität der Reflexionserhöhung.
Grundgedanke ist die selektive und möglichst schmalbandige Reflexion der ebenso schmalbandigen Primärvalenzen eines Projektionssystems, wie sie bei den genannten favorisierten Formen vorhanden sind, auf der Windschutzscheibe bzw. Verglasung der Fahrerkanzel. Hierbei kann das System mit den oben genannten Ausführungsformen für die Vermeidung von Geisterbildern geeignet kombiniert werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist insbesondere geeignet für die Aufprojektion mit Licht einer oder mehrerer schmalbandiger Lichtquellen, insbesondere einer oder mehrerer monochromatischen Lichtquellen. Beispiele sind Leuchtdioden, Laserdioden beziehungsweise Laserquellen.
Zur Realisierung der spektral selektiven Reflexion kann ein dielektrisches Filtersystem eingesetzt werden, wie es in seiner Berechnung und Funktion z.B. in C. Rickers, M. Vergöhl, „Spectrally selective reflecting thin-film filters for laser display technology", Thin Solid Films 442 (2003) 145-152 [1] und C.Rickers, M. Vergöhl, „Design and manufacture of spectrally-selective reflecting coatings for the use with laser display projection screens", Appl. Optics 41(16):3097-3106, 2002, [2] beschrieben ist. Auf diese Druckschriften wird für die vorliegende Erfindung vollinhaltlich bezug genommen und werden von der Erfindung durch Bezugnahme mitumfasst. Der dort beschriebene, prinzipiell identisch aufgebaute Filter dient der Herabsetzung der Reflexion in weiten Teilen des sichtbaren Spektralbereichs bei gleichzeitiger Erhöhung der Reflektivität an den Wellenlängen der Laseremissionen.
Beispiele für derartige Filtersysteme sind auch in DE 102 45 881.2 und DE 197 47 597.3 beschrieben, auf die hier ebenfalls voll inhaltlich bezug genommen wird und die gleichfalls als von der Erfindung durch Bezugnahme mitumfasst sind.
Die spektrale Selektivität dieser Beschichtungssysteme beruht auf Interferenzeffekten einer einfallenden Lichtwelle mit sich selbst durch Aufteilung in Teilwellen an mehreren Grenzflächen und Induzierung einer Phasenverschiebung durch unterschiedliche Ausbreitungsgeschwindigkeiten, wie es auch in [1] und [2] beschrieben ist.
Die dabei erzielte Kontrasterhöhung beruht vereinfacht formuliert auf der Reduzierung der Reflexion von Umgebungslicht bei Erhalt der Reflexion von projiziertem Licht.
Das Prinzip ist in Figur 1 näher dargestellt. Figur 1 zeigt ein theoretisch optimales Reflexionsspektrum, wobei vertikal die Emission des Projektionssystems markiert ist (schmalbandige Primärvalenzen, hier Laseremissionen an den Wellenlängen 446 nm, 532 nm und 628 nm für blau, grün und rot).
Wie in Figur 1 gezeigt, würde ein idealer Filter die Primärvalenzen des Projektors in Form eines Rechteckprofils schmalbandig reflektieren, während im übrigen Spektrum eine hundertprozentige Transmission erhalten bleibt.
Aufgrund begrenzter zur Verfügung stehender Schichten oder Gesamtdicke des Filtersystems ist eine solche spektrale Charakteristik technologisch heutzutage jedoch nicht realisierbar wie näher auch unter dem vorstehend genannten Literaturstellen (1), (2) ausgeführt. Der Kompromiss geht daher in Richtung Reduzierung der reflektierten Intensität, Verbreiterung der Reflexionspeaks, wobei ein Verlust an Kontrast in Kauf genommen wird, sowie erhöhte Reflexion zwischen den Peaks.
Für die erfindungsgemäße Vorrichtung kann ein spektral selektiv reflektierendes Beschichtungssystem eingesetzt werden, wie es zum Beispiel in der vorstehend genannten Deutschen Patentanmeldung DE 197 47 957 A1 , in der internationalen Anmeldung WO 98/36320 und in dem Deutschen Patent DE 19901 970 C2 beschrieben ist.
So kann das spektral selektiv reflektierende Beschichtungssystem aus einer oder mehreren cholesterischen Polymerschichten gebildet sein, wie sie in DE 199 01 970 C2 beschrieben sind. Hierbei wird spektrale Selektivität auf Basis der Eigenschaften von cholesterischen Polymeren erzielt, die als einzelne Schicht die Fähigkeit besitzen, zirkulär polarisiertes Licht einer bestimmten Händigkeit (das heißt entweder rechts- oder linkszirkular) und damit jeweils 50 % des unpolarisierten Lichtes in einem bestimmten Wellenlängenband ΔΛ zu reflektieren. Für eine optimale Reflektivität sollte das Beschichtungssystem für jede ausgewählte Wellenlänge mindestens 2 zueinander enantiomere cholesterische Polymerschichten mit entsprechender Selektivität für diese Wellenlänge aufweisen. Da cholesterische Enantiomere entgegengesetzt zirkulär polarisiertes Licht reflektieren, wird in diesem Fall sowohl der rechts- als auch der linkszirkular drehende Anteil des unpolarisierten Lichtes in dem betreffenden Wellenlängenband reflektiert.
Ein für RGB-Strahlung besonders geeignetes Beschichtungssystem sollte daher mindestens sechs Schichten aus cholesterischen Polymeren aufweisen, wobei jeweils zwei einander benachbarte Schichten zueinander enantiomer sind und das blaue, rote beziehungsweise grüne Licht reflektieren, so dass insgesamt eine Reflexion von annähernd 100 % für alle RGB-Wellenlängen erzielt werden kann. Das spektral selektiv reflektierende Beschichtungssystem kann aus einem mehrlagigen Schichtsystem aus mindestens zwei dielektrischen Materialien unterschiedlicher optischer Dichte beziehungsweise mit unterschiedlichem Brechungsindex aufgebaut sein. Die mindestens zwei Schichtmaterialien sind abwechselnd auf dem Substrat aufgebracht, so das jeweils eine niedrigbrechende Schicht und eine hochbrechende Schicht abwechselnd auf dem Substrat angeordnet sind. Die jeweiligen Schichtdicken der hoch- beziehungsweise niedrigbrechenden Schichten eines Systems können gleich oder verschieden sein. Beispielsweise können eine oder mehrere Perioden von jeweils einer hochbrechenden Schicht mit einer ersten Schichtdicke und einer niedrigbrechenden Schicht mit einer zweiten Schichtdicke vorgesehen sein. In diesem Fall spricht man von periodischer Anordnung.
Die Dicken der hochbrechenden und der niedrigbrechenden Schicht können aber auch variieren; in diesem Fall spricht man von nichtperiodischer Anordnung.
Beispiele für geeignete dielektrische Materialien für das vorstehende Beschichtungssystem aus Schichten mit niedrig- und hochbrechenden Materialien sind die Oxide oder Nitride von Silizium, Aluminium, Titan, Wismut, Zirkon, Cer, Hafnium, Niob, Scandium, Magnesium, Zinn, Zink, Yttrium und Indium. Bevorzugte Beispiele für niedrigbrechende Materialien sind Si02 und MgS2 sowie insbesondere Al203.
Bevorzugte Beispiele für hochbrechende Materialien sind Titanoxid und Nioboxid sowie Si3N4.
Beispiele für bevorzugte Kombinationen von hochbrechenden und niedrigbrechenden Materialien sind Siliziumdioxid als niedrigbrechendes Material und Titandioxid in der Rutilphase beziehungsweise in der Anatasphase als hochbrechendes Material sowie die Kombinationen SiO2/Si3N4 und insbesondere AI2O3/ Si3N4. Ein weiteres Beispiel für ein geeignetes Material ist das System Siι-x-yOxNy mit variabler Schichtdicke, bei dem sich der Brechungsindex durch Variation der Nitridkonzentration einstellen lässt. Derartige Beschichtungen aus einem mehrlagigen Schichtsystem aus einer Abfolge abwechselnd hoch- und niedrigbrechender dielektrischer Materialien wirken als Interferenzfilter, mit dem selektiv die Wellenlängen des Projektionslichtes reflektiert werden.
Verfahren zur Herstellung der mehrlagigen Schichtsysteme aus dielektrischen Materialien sind an sich bekannt und zum Beispiel in DE 197 47 597 A1 und WO 98/36320 beschrieben. Beispiele für geeignete Beschichtungsverfahren sind Vakuum-Beschichtungsverfahren wie Magnetronsputtem und Elektronenstrahl- Verdampfung.
In Figur 2 ist ein praktisch realisierbares Reflexionsspektrum für ein dielektrisches Filtersystem aus 11 Schichten gezeigt. Die Transmission ist hier 100-R und damit beträgt sie in den Bereichen außerhalb der Laseremission (vertikale Markierungen) etwa 90 bis 95 %.
Als Materialien für die Schichten wurden SiO2 sowie Si3N4 eingesetzt, die auf eine Folie aus Polycarbonat aufgebracht worden sind.
Anders als für den Einsatz als Bildwand ist für den Einsatz in Sichtscheiben die ausreichende Transmission der spektral selektiv reflektierenden Beschichtung ein wesentliches Kriterium.
So sollte beim Einsatz in Sichtscheiben für Fahrzeuge eine ausreichende Transmission gewährleistet sein, damit die Sicht des Fahrers auf die Umgebung nicht beeinträchtigt wird.
Beispielsweise muss die Transmission einer Windschutzscheibe im Automobil aus Sicherheitsgründen bestimmte Normen erfüllen. Eine Erhöhung der Reflektivität wäre daher in Hinblick auf die gewünschte Transmission kontraproduktiv. Neben der Möglichkeit der Aufrechterhaltung einer vorgegebenen Mindesttransmission kann eine Optimierung für verschiedene Projektionswinkel in Abhängigkeit von der Einbaugeometrie sowie die Unterdrückung oder zumindest möglichst weitgehende Unterdrückung des sogenannten Farb-Flop- Effekts wünschenswert sein.
Unter Farb-Flop wird eine Veränderung des Farbeindrucks beim Betrachter verstanden, die durch eine Änderung des Blickwinkels verursacht wird. Jedoch ist der Farb-FIop-Effekt beim Einsatz in Head-Up-Displays nur von untergeordneter Bedeutung, da die Position des Betrachters und damit dessen Blickwinkel im Wesentlichen fest ist.
Je nach Bedarf kann es auch wünschenswert sein andere Eigenschaften für die Beschichtung einzustellen.
Vorzugsweise enthält die erfindungsgemäße Vorrichtung insbesondere ein spektral selektiv reflektierendes Beschichtungssystem, das im Hinblick darauf optimiert ist, dass es neben möglichst hohem Kontrast bei ausreichender Transmission den besten Kompromiss aus geringer Schichtdicke, geringer Anzahl der zu verwendenden Schichtmaterialien und geringer Anzahl Einzelschichten aufweist.
Erfindungsgemäß werden hierfür spektral selektiv reflektierende Beschichtungssysteme verwendet, die aus mindestens zwei Schichten bestehen.
Ein erfindungsgemäß geeignetes Beschichtungssystem, das die vorstehend genannten Randbedingungen erfüllt, lässt sich durch Einsatz eines genetischen Algorithmus wie er in (1), (2) sowie in der Deutschen Patentanmeldung 10245 881.2 beschrieben ist, durch eine Bewertung mittels der Farbmetrik oder durch andere Softwareoptimierungsprogramme erhalten.
Hierbei wird die farbmetrische Bewertung mit einem Optimierungsalgorithmus kombiniert, der für die Optimierung kein vorgegebenes Anfangsdesign als Input benötigt, da es das Zielspektrum bereits im Wesentlichen wiedergibt. Durch Kombination dieses Algorithmus mit farbmetrischen Bewertungsverfahren lassen sich die erfindungsgemäßen optischen Beschichtungen erhalten, deren Eigenschaften in Hinblick auf die gewünschten Randbedingungen optimiert sind. Insbesondere von Vorteil ist, dass eine stufenlose Gewichtung der Randbedingungen möglich ist, so dass in Abhängigkeit der konkreten Anwendung der beste Kompromiss im Schichtdesign erhalten werden kann.
Mit diesem Verfahren kann insbesondere unter Ausnutzung der Vorteile wie sie in (1) und (2) genannt sind, nämlich Berücksichtigung der Augenempfindlichkeit für ein optimales Ergebnis bei Einhaltung der jeweiligen Randbedingungen, zusätzlich eine geeignete Bewertung für die Mindesttransmission bereits im Entwicklungsprozess des Beschichtungssystems berücksichtigt werden. Zudem lassen sich die Randbedingungen für weitere gewünschte Eigenschaften optimieren. So ist eine Integration der spektralen Charakteristik des Beschichtungssystems in die spektralen Eigenschaften anderer in dem Substrat eingesetzter Filtersysteme oder Tönungen in die Bewertung des Designs möglich.
Damit ist es möglich, auch im Fall getönter Sichtscheiben wie Windschutzscheiben mit Solarcontrol, Color-Tönung etc., das Beschichtungssystem so zu integrieren, dass die mit dem Beschichtungssystem versehene Fläche der Windschutzscheibe von außerhalb des Fahrzeugs weitestgehend oder nicht sichtbar ist.
Folglich können erfindungsgemäß mit Hilfe der farbmetrischen Bewertung und zum Beispiel Ausnutzung der verfügbaren Materialien, Schichtanzahl und Gesamtdicke des Beschichtungssystems die bestmöglichen Reflektivitäten, deren Wertigkeiten der spektralen Empfindlichkeit des menschlichen Auges angepasst sind, realisiert werden.
Insbesondere können Schichtsysteme erhalten werden, die auch bei Einsatz von zwei, drei oder mehr schmalbandigen Lichtquellen, wie geeigneten Lichtquellen für RGB-Strahlung, für die jeweilige Anwendung den besten Kompromiss für die gewünschten Eigenschaften wie Reflektivität, Kontrast, Transmission etc., beziehungsweise für die gegebenen Randbedingungen aufweisen. Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird das gewünschte Beschichtungssystem durch ein geeignetes Beschichtungsverfahren wie sie allgemein bekannt sind, mit der gewünschten Materialkombination auf das vorgesehene transparente Substrat appliziert.
Das Substrat kann starr oder flexibel sein.
So kann das spektral selektiv reflektierende Beschichtungssystem auf eine flexible Folie aufgebracht werden, die anschließend auf oder in die Sichtscheibe laminiert beziehungsweise eingebracht wird. Diese Vorgehensweise ist insbesondere im Fall von stark gekrümmten Sichtscheiben vorteilhaft.
Insbesondere kann das erfindungsgemäß eingesetzte Beschichtungssystem auf eine Wedgefolie aufgebracht werden. Weiter kann die Beschichtung auf mehreren Grenzflächen erfolgen, wodurch sich die Gesamtreflexion erhöhen lässt.
Durch Kombination mit einer Wedgefolie oder einer Verglasung mit wedgeartigem Hohlraum wird eine effektive Unterdrückung von Geisterbildern ermöglicht.
Weiter ist der Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung auch für Substrate möglich, die mit zusätzlichen Funktionselementen beziehungsweise Funktionsschichten versehen sind. Beispielsweise kann die erfindungsgemäße Vorrichtung für Windschutzscheiben eingesetzt werden, die zusätzlich mit einer wärmeabweisenden Schicht versehen sind oder mit einer transparenten leitfähigen Schicht aus zum Beispiel TCO- Materialien, wie sie zur Heizung der Scheibe eingesetzt werden kann.
Nachstehend wird die Funktionsweise des genetischen Algorithmus zur Optimierung von spektral selektiv reflektierenden Beschichtungssystemen wie sie für die erfindungsgemäße Vorrichtung geeignet sind, unter Verweis auf das Flussdiagramm in Figur 4 näher erläutert. Die Funktionsweise des genetischen Algorithmus lehnt sich an die Evolution und Rekombinationsstrategien der Natur an. Grundgedanke ist dabei, dass aus einer Anzahl von Individuen, die zusammen eine Generation bilden, nur die Individuen zur Generierung einer neuen Generation ausgesucht werden, die im Hinblick auf ihre Umgebung die besten Eigenschaften haben. Für den vorliegenden Fall wird unter einem Individuum ein Schichtsystem mit seinen Schichtdicken und Materialeigenschaften verstanden. Die Parameter des Schichtsystems wie Schichtdicken und Materialien werden als Gene bezeichnet. Der Algorithmus generiert zunächst eine Population an Individuen, indem er zufällig Materialien und Schichtdicken zuordnet (in Figur 4 als "statische Population bezeichnet). Diese Individuen werden dann bewertet und nach Qualität sortiert. Anschließend erfolgt eine Schleife, bestehend aus den Schritten Rekombination, Mutation, Bewertung und Selektion (Auswahl der besseren Individuen, das heißt Schichten), wobei schlechte Schichten verworfen werden. Durch wiederholte Durchführung der Schleife wird eine Verbesserung der Qualität der Population im Durchschnitt und der des besten Individuums absolut erzielt, bis ein Optimum erreicht ist.
Für die Herstellung der erfindungsgemäß eingesetzten Beschichtungssysteme erfolgt die Bewertung und damit Optimierung auf Grundlage von farbmetrischen Gesichtspunkten. Indem die Bewertung auf Grundlage der Farbmetrik erfolgt, kann auf eine Vorgabe eines diskreten Zielspektrums verzichtet werden.
Der Kontrast ergibt sich hierbei aus
1 Rßlau + RGrün + RRot k = (D 3 Ϋ
wobei Y der Normfarbwert ist und damit ein Maß für die Helligkeit des Reflexionsspektrums, k gibt den Kontrast an, den die Bildwand für Primär- valenzen der entsprechenden Wellenlängen gegenüber Umgebungslicht erzielt. Für die Durchführung des Algorithmus wird eine modifizierte Formel (1) für die Bewertung des Kontrasts eingesetzt, wobei die Summe durch ein Produkt ersetzt ist: k = π Rι C*σ R (2) 73 i = B, G, R
und σR die Standardabweichung des Reflexionsvermögens und C ein empirischer Faktor ist.
Für die Erhöhung des Kontrasts ist weniger eine besonders hohe Reflexion im Bereich der Laserwellenlängen ausschlaggebend, sondern vielmehr eine möglichst niedrige Reflexion im Spektralbereich außerhalb davon. Im genetischen Algorithmus kann dieser Effekt durch Beeinflussung der Gewichtung berücksichtigt werden, mit der der Untergrund unterdrückt wird. Dies geschieht, indem in Gleichung (2) der Exponent von Y entsprechend variiert wird.
Entsprechend kann die gewünschte beziehungsweise notwendige Transmission eingestellt werden.
Für die Minimierung beziehungsweise Eiiminierung des Farb-Flop-Effekts ist das Schichtsystem so auszulegen, dass die durch Änderung des Betrachterwinkels verursachte Änderung der reflektierten Intensitäten für ale Wellenlängen des Projektionslichts gleich ist. Als Grundlage für die Bewertung durch den Algorithmus werden hierfür die Spektren eines Individuums (Schichtsystems) für verschiedene Betrachtungswinkel berechnet und die Änderung der reflektierten Intensitäten für die Wellenlängen der Primärvalenzen verglichen, wobei Standardabweichungen dieser Werte verwendet werden.
Weiter kann bei Bedarf die Einstellung der Farbneutralität der Abbildung mittels Weißabgleich erfolgen, wobei die Intensität des von der Bildwand reflektierten Lichtes einer der Wellenlängen der Primärvalenzen (Rot, Grün, Blau) mit der Intensität des monochromatischen Lichtes der entsprechenden Wellenlänge wie sie vom Projektor abgestrahlt wird, abgestimmt wird. Anhand der vorstehend beschriebenen Vorgehensweise erfolgt mit Hilfe des genetischen Algorithmus eine Bewertung eines Schichtsystems, das ohne eine feste Vorgabe für ein diskretes Reflexionsspektrum auskommt und den Kontrast erhöht, wobei gleichzeitig der Farb-Flop unterdrückt wird.
Durch die beschriebene Kombination eines genetischen Algorithmus' mit einer auf der Farbmetrik beruhenden Bewertung werden spektral selektiv reflektierende Beschichtungen erhalten, die einen deutlich verbesserten Kontrast bei gleichzeitig optimal geringer Gesamtschichtdicke und Anzahl an Einzelschichten enthalten.
Beispielsweise können hiermit Beschichtungen mit einem Kontrast von mindestens 2,5 bei einer Dicke der Gesamtschicht von weniger als 4,5 μm erreicht werden.
In Figur 3 ist schematisch der spektrale Verlauf einer spektral selektiv reflektierenden Beschichtung gezeigt, die nach dem vorstehend beschriebenen genetischen Algorithmus erhalten worden ist. Es handelt sich hierbei um eine Beschichtung aus einem Schichtsystem aus niedrig- und hochbrechenden dielektrischen Materialien. Die Beschichtung besteht aus zwölf Einzelschichten, mit Si02 als niedrigbrechendem Material (n = 1 ,46) und Si3N4 als hochbrechendem Material (n = 2,05), die auf ein Glassubstrat abgeschieden worden sind Der Schichtaufbau ist ausgehend von dem Glassubstrat nach oben wie folgt: Glas
Si3N4 239 nm, SiO2210 nm, Si3N4 324 nm; SiO2 319 nm, Si3N4435 nm, Si02 197 nm, Si3N4 22 nm, Si02 241 nm, Si3N4 72 nm, Si02 372 nm, Si3N4249 nm, SiO2 35 nm. Diese Beschichtung zeigt eine Kontrastverbesserung k von 3,55.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Projektion von Informationen auf ein transparentes Substrat, dadurch gekennzeichnet, dass auf der für die Projektion vorgesehenen Fläche des Substrats ein spektral selektiv reflektierendes Beschichtungssystem angeordnet ist, das Licht einer oder mehrerer schmalbandiger Lichtquellen reflektiert, wobei das spektral selektiv reflektierende Beschichtungssystem aus zwei oder mehreren Schichten besteht.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das spektral selektiv reflektierende Beschichtungssystem ein Beschichtungssystem aus zwei oder mehreren Schichten aus optisch unterschiedlich dichten Materialien, aus zwei oder mehreren Schichten aus cholesterischen Polymeren oder ein LCD-System ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als spektralselektiv reflektierendes Beschichtungssystem ein dielektrischer Interferenzfilter eingesetzt wird, der über eine farbmetrische Bewertung erhältlich ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicken der einzelnen Schichten gleich oder verschieden sind oder das System eine Kombination aus Schichten mit gleichen und verschiedenen Dicken darstellt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das transparente Substrat eine Sichtscheibe eines Fahrzeugs ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeug ausgewählt ist, unter einem Kraftfahrzeug, einem Schienenfahrzeug, einem Schiff oder einem Flugzeug.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das transparente Substrat aus einem Material ausgewählt unter Glas und einem transparenten Kunststoff besteht.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das spektral selektiv reflektierende Beschichtungssystem auf einer transparenten Folie aufgebracht ist, und die Folie mit dem spektral selektiv reflektierenden Beschichtungssystem auf oder in dem transparenten Substrat angeordnet ist.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das transparente Substrat getönt ist, insbesondere eine getönte Windschutzscheibe ist.
10. Vorrichtung nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sichtscheibe mit einer oder mehreren weiteren Funktionsschichten zur Modifizierung der Eigenschaften der Sichtscheibe versehen ist.
11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das spektral selektiv reflektierende Beschichtungssystem auf der vom Projektionslicht abgewandten Seite mit dem menschlichen Auge im Wesentlichen nicht erkennbar ist.
12. Verwendung von spektral selektiv reflektierenden Beschichtungssystemen mit zwei oder mehreren Schichten für head up displays.
13. Verwendung von spektral selektiv reflektierenden Beschichtungssystemen mit zwei oder mehreren Schichten für eine Vorrichtung zur Projektion von Informationen auf ein transparentes Substrat, insbesondere eine Sichtscheibe für Fahrzeuge.
14. Verwendung einer spektral selektiv reflektierenden Beschichtung aus zwei oder mehreren Schichten für Windschutzscheiben von Fahrzeugen, insbesondere von Kraftfahrzeugen.
15. Verwendung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die spektral selektiv reflektierende Beschichtung aus zwei oder mehreren Schichten über eine farbmetrische Bewertung erhältlich ist.
16. Verwendung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die spektral selektiv reflektierende Beschichtung über eine farbmetrische Bewertung in Verbindung mit einem Optimierungsalgorithmus erhältlich ist.
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