WO2020157311A1 - Funktionalisierter wellenleiter für ein detektorsystem sowie ein beleuchtungs- und/oder projektionssystem - Google Patents

Funktionalisierter wellenleiter für ein detektorsystem sowie ein beleuchtungs- und/oder projektionssystem Download PDF

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coupling
area
waveguide
radiation
base body
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PCT/EP2020/052487
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Roman KLEINDIENST
Christoph ERLER
Petr Vojtisek
Marc Junghans
Daniel Thomae
Alexandre Gatto
Mirko Riethmüller
Matthias Burkhardt
Andreas Lütz
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Carl Zeiss Jena Gmbh
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Definitions

  • the present invention relates to a functionalized waveguide for a detector system.
  • Transparent surfaces made of glass or plastic such as windows or windscreens in cars, have a transparent base body and generally only serve to protect people or objects from environmental influences such as wind, temperature, particles or radiation.
  • a partially transparent coupling region and a coupling region spaced therefrom in a first direction are provided or formed in the transparent base body.
  • the partially transparent coupling-in area can have a diffractive structure with which the transparency of the coupling-in area is maintained over a wide range of angles and wavelengths during normal inspection.
  • the transparency of the coupling area depends on the efficiency of the radiation coupling. With increasing coupling efficiency, the transparency in the coupling area of the functionalized waveguide also decreases in the coupling area. In the sense of the greatest possible transparency, the radiation coupling can be caused, for example, by the diffractive structure (especially that at least one volume hologram) should be just so efficient that sufficient radiation power hits the decoupling area.
  • the partially transparent coupling area can be designed such that the coupling efficiency is, for example, 2%, 5%, 10%, 15%, 20%, 25%, 30%, 35%, 40%, 45% or 50%. In particular, the coupling efficiency can be in the range of 2% - 50%, so that the transparency of the coupling area is in the range of 50% - 98%.
  • the coupling area (s) of the further exemplary embodiments can also have such coupling efficiency or such transmissive properties.
  • the transparent coupling-in area is preferably designed in such a way that the deflection of the deflected part of the radiation striking the front of the transparent base body takes place as a pure deflection that is free of an imaging optical function (e.g. free of a focusing effect).
  • the reflections can in particular be internal total reflections on the front and / or rear side of the transparent base body.
  • reflective layers or coatings or partially reflective layers or coatings are provided for this.
  • the front and back of the partially transparent body can be designed as flat surfaces.
  • the partially transparent base body can be designed as a plane-parallel plate.
  • the front and / or the back may be curved.
  • the partially transparent base body can consist of glass and / or plastic. It can be in one piece or have a multilayer structure.
  • the transparent base body can be transparent to radiation or light from the visible wavelength range. There may also be transparency for the near infrared and / or the infrared range.
  • the outcoupling region of the transparent base body can deflect at least part of the coupled radiation hitting it in such a way that the deflected part emerges from the base body. This is preferably done via the front or back of the transparent base body.
  • the decoupling area can be partially transparent.
  • the coupling-out efficiency of the coupling-out area can be, for example, 2%, 5%, 10%, 15%, 20%, 25%, 30%, 35%, 40%, 45% or 50%.
  • the outcoupling efficiency of the outcoupling area can be in the range of 2% - 50%, so that the transparency of the outcoupling area is in the range of 50% - 98%.
  • the coupling area (s) of the further exemplary embodiments can also have such coupling efficiency or such transmissive properties.
  • the partially transparent configuration is advantageous, for example, if the coupling-in area and the coupling-out area are designed as diffractive structures (e.g. as volume holograms). Then the coupling-in area and the coupling-out area can e.g. be formed in a film, which is advantageous from a manufacturing point of view.
  • diffractive structures e.g. as volume holograms
  • the decoupling area can have a maximum decoupling efficiency. This can be implemented, for example, by mirroring (preferably complete mirroring)
  • the coupling-in area and the coupling-out area can be designed such that they do not have any optical imaging function in addition to the deflection.
  • the coupling-in area and / or the coupling-out area can provide an optical imaging function in addition to the deflection and thus effect an optical imaging.
  • the optical imaging function can confuse the function of a converging or diverging lens, a concave or convex mirror, where the curved surfaces (centered or decentered) can be spherically curved or aspherically curved surfaces.
  • the diffractive structure of the coupling-in area can be realized as a buried diffractive structure, as a diffractive structure between two substrates or as a diffractive structure formed on the front or rear side.
  • the coupling-out area can have a diffractive structure.
  • the diffractive structure of the coupling-out area can be designed as a buried diffractive structure or as a diffractive structure on the front or back.
  • a reflective or transmissive volume hologram can be provided as the diffractive structure of the coupling-in area or the coupling-out area. Furthermore, it is possible for the diffractive structure of the coupling-out or coupling-in area to be a transmissive or reflective relief grating.
  • the coupling-out area can furthermore have a mirror surface, a prism and / or a reflective or transmissive Fresnel structure. These variants can be provided as an alternative to the diffractive structure or in addition to the diffractive structure of the coupling-out area.
  • the detector system which is also referred to below as the detection system, can have a detector which strikes the part of the radiation deflected by the coupling-out region.
  • the detector can be connected to the front or the back of the base body. In particular, there can be a direct connection.
  • the detector can be a digital image sensor (e.g. a CCD sensor or a CMOS sensor), a detector array or e.g. be a solar cell.
  • the detector system can be designed such that at least one optically imaging element is arranged in the region between the detector and the front or rear side.
  • the at least one optically imaging element can e.g. be designed as a lens, as a refractive lens or as a refractive camera lens. It is also possible for the area between the detector and the front or back to be free of imaging optical elements. In other words, the radiation decoupled from the coupling-out area hits the detector without having passed through further optically imaging elements. In this case, it is advantageous if the coupling-out area has an optical imaging property in addition to the deflection.
  • the functionalized waveguide can be designed such that it performs an infinite-infinite imaging. However, it is also possible for it to perform a finite-infinite mapping, an infinite-finite mapping or a finite-finite mapping.
  • the detector system can of course also be designed such that at least one optically imaging element is arranged between the detector and the front or rear side.
  • the at least one optically imaging element is used in particular to guide the part of the radiation deflected by the coupling-out area and can e.g. be designed as a lens.
  • the at least one optically imaging element can e.g. be designed as a lens, as a refractive lens or as a refractive camera lens.
  • the extent of the coupling area in a second direction transverse to the first direction can be greater than the extent of the coupling area in the second direction.
  • Extension (or, for example, width) of the coupling-in area is understood here to mean in particular the extension which is effectively used as intended or the extension which is used optically. For example, this is the extent of the section of the Coupling area from which the deflected radiation hits the detector system.
  • Extension (or, for example, width) of the coupling-out area is understood here to mean, in particular, the extension effectively used as intended or the extension used optically. This is, for example, the extent of the section of the coupling-out area from which the deflected radiation strikes the detector system.
  • the coupling-in area and the coupling-out area can be arranged centered in the second direction.
  • the coupling-in area and the coupling-out area may be arranged decentrally in relation to one another in the second direction.
  • a number of coupling-out regions can be provided, which are arranged next to one another in the second direction. At least one of the coupling-out areas can additionally have the function of deflection transverse to the first direction.
  • the field of view (hereinafter referred to as “Field of View” or “FoV”) of the functionalized waveguide can be matched to the FoV of the detector (or the detector with at least one optically imaging element, e.g. a lens). This can be done in particular by adjusting the distance between the coupling-in area and the coupling-out area along the first direction and the extent of the coupling-in area transversely to the first direction and the extent of the coupling-out area transversely to the first direction.
  • the FoV of the detector (or the detector with at least one optically imaging element) can be adapted to the FoV of the functionalized waveguide by adapting the focal length of the lens and / or the size of the detector.
  • the FoV of the functionalized waveguide preferably corresponds to the FoV of the detector (or of the detector with the at least one optically imaging element). This can be done by a specific setting of the FoV of the functionalized waveguide and / or a specific setting of the FoV of the detector (or the detector with the at least one optically imaging element).
  • a functionalized waveguide for an illumination and / or projection system is also provided, the waveguide having a transparent base body with a front and a back.
  • the transparent base body can basically be designed and developed in the same way as the transparent base body for the functionalized waveguide for the detector system.
  • the base body can have a coupling-in area and a coupling-out area spaced therefrom in a first direction, the coupling-in area deflecting at least a portion of the radiation coming from the light or image source of the lighting and / or projection system and reaching the coupling-in area in such a way that that the deflected part propagates as coupled radiation in the base body by reflection up to the outcoupling area and strikes the outcoupling area.
  • the decoupling area can comprise a structure, for example a diffractive structure, which deflects the coupled radiation striking it in such a way that the deflected part emerges from the base body via the front and rear.
  • the diffractive structure can be adapted to the wavelengths of the radiation coming from the light or image source in such a way that as much radiation as possible is reflected. Nevertheless, the diffractive structure can still have the desired transparency when looking through, for example. Furthermore, it is possible for the diffractive structure to deflect only part of the radiation from the light or image source.
  • the structure of the coupling-out area can be a transmissive or reflective diffractive structure, a transmissive or reflective volume hologram, a mirror surface, a prism or a transmissive or reflective relief grating.
  • This provides a decoupling area that is transparent.
  • the extent of the coupling area in a second direction transverse to the first direction can be greater than the extent of the coupling area in the second direction.
  • an illumination and / or projection system with a functionalized wave guide for such an illumination and / or projection system, additional light and / or image sources being provided, the light of which strikes the coupling region.
  • the coupling-in area can comprise at least two volume holograms, each of which deflects only a part of the radiation coming from an object to be detected and strikes the front side in such a way that the deflected part as coupled-in radiation in the base body through reflection to the end propagated and meets the decoupling area.
  • the volume holograms of the coupling area can differ in that their deflecting function has different spectral angular properties. As a result, different wavelengths can be deflected at the same angle of incidence.
  • the outcoupling region deflects at least a part of the incident radiation hitting it in such a way that the deflected part emerges from the base body (preferably via the front or rear side) in order to strike the detector system.
  • the outcoupling region deflects at least a part of the incident radiation hitting it in such a way that the deflected part emerges from the base body (preferably via the front or rear side) in order to strike the detector system.
  • the volume holograms of the coupling region have different spectral angular properties and thus deflect different wavelengths at the same angles of incidence so that they are part of the coupled radiation in the base body.
  • the volume holograms of the coupling-in area can be arranged adjacent (with or without spacing from one another), in particular they can be arranged adjacent in the first direction. However, it is also possible for the volume holograms of the coupling-in area to be arranged one on top of the other or one above the other (that is to say preferably in a stacking direction which is transverse to the first direction and transverse to the second direction), so that there is more or less a layer stack of volume holograms. Alternatively or additionally, the functions of some or all of the volume holograms of the coupling-in area can be implemented in a single volume hologram. Such an implementation is also called multiplexing. These possible configurations of the coupling-in area can be provided in all of the exemplary embodiments described.
  • the coupling-out area can have an assigned volume hologram for each volume hologram of the coupling-in area, which provides the same spectral angular property during the deflection as the corresponding volume hologram of the coupling-in area.
  • the dispersion of the volume holograms of the coupling-in area can thus be compensated for.
  • the volume holograms of the coupling-out area can be arranged adjacent (with or without a distance from one another), in particular they can be arranged adjacent in the first direction.
  • the volume holograms of the coupling-out region can be arranged one on top of the other or one above the other (that is to say preferably in a stacking direction which is transverse to the first direction and transverse to the second direction), so that there is virtually a layer stack of volume holograms.
  • the functions of some or all of the volume holograms of the decoupling area can be implemented in a single volume hologram. Such an implementation is also called multiplexing.
  • the volume holograms of the coupling-in area can be designed as reflective or transmissive volume holograms. The same applies to the volume holograms of the decoupling area.
  • the coupling area can have at least or exactly 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, up to 40, up to 50 or up to 100 (or any value between 1 and 100) volume holograms.
  • the coupling-in area can have a plurality of diffractive coupling-in structures which are adjacent in the first direction and differ in that they have different horizontal fields of view in one plane, which is plumbed by a front face and a second direction transverse to the is stretched in the first direction, so that they deflect radiation from the different horizontal fields of view to the coupling-out area.
  • the diffractive coupling-in structures can be designed such that they deflect the radiation from the different horizontal fields of view to the coupling-out area.
  • the diffractive coupling structures can be designed such that they encode the radiation from the different horizontal fields of view when deflected by different redirected wavelengths, so that the coupling and / or detection is selectively possible for the different horizontal fields of view.
  • the coupling-out area can have an assigned diffractive coupling-out structure for the diffractive coupling-in structure, which selectively deflects radiation with wavelengths of the assigned diffractive coupling-in structure.
  • the diffractive decoupling structures can deflect the radiation of the associated coupling structures so that they strike locally different areas of a detector system.
  • a color filter can be provided for at least one locally different area of the detector, which only guides the corresponding wavelength range to the detector.
  • the diffractive coupling structures can be designed in such a way that they code the radiation from the different deflection angle ranges, so that the coupling and / or detection is selectively possible for the different horizontal fields of view.
  • the coupling area can have a shading diaphragm with a lamella structure, which has a different one for each diffractive coupling structure vertical field of view in a plane that is spanned by a plumb line on the front and the first direction.
  • the coupling-out area can have an assigned diffractive coupling-out structure for each diffractive coupling-in structure, which selectively deflects radiation from the different deflection angle areas of the assigned diffractive coupling-in structures.
  • the diffractive Auskop pel structures can be arranged adjacent to the first direction.
  • the diffractive decoupling structures can each be designed as a reflective or transmissive volume hologram.
  • the functionalized waveguide for a detector system can be designed or developed in such a way that the coupling region has at least two different diffractive coupling structures along the second direction, which differ in that they have a different deflection component in the second direction.
  • the deflection component in the second direction can be selected for each of the diffractive coupling structures that are offset along the second direction from the coupling region in such a way that the present offset is compensated for the coupled radiation.
  • the coupling-out area can be designed such that it deflects the radiation coupled in from the different diffracting coupling-in structures into the same angular area.
  • the functionalized waveguide for a detector system can be designed or further developed such that the coupling-in area comprises a coupling-in relief grating and the coupling-out area comprises a coupling-out relief grating.
  • the coupling-in relief grid and the coupling-out relief grid can have the same grating period.
  • the functionalized waveguide can also be designed as a screen with a transparent base body.
  • the transparent base body can be part of a screen.
  • the screen can be, for example, the screen of a portable device (such as a smartphone or a laptop), a stationary screen or some other screen that is installed in a motor vehicle, for example.
  • the coupling-out area can be arranged along the first direction closer to the edge of the base body than the coupling-in area.
  • the coupling-in area can be arranged on the back.
  • the screen can have a light-emitting layer arranged on the back of the base body and the coupling-in region can be arranged between the base body and the light-emitting layer.
  • the image sensor can be arranged on the back of the base body in an area which serves as a display area of the screen and which is darkened during the recording by means of the image sensor.
  • the screen can have an additional camera which records the object, the recording of the camera being used to record the object by means of the
  • the screen can have a light-emitting layer arranged on the back of the base body, which generates a real image.
  • the light-emitting layer can e.g. Have light emitting pixels.
  • the real image is generated in the plane of the pixels.
  • the pixels can each have a beam angle of at least 50 °, 60 °, 70 °, 80 °, 90 °,
  • this pixelated light-emitting layer is arranged on the back of the base body, the light emitted by the pixels is transmitted through the base body and reaches an observer.
  • the diffractive structure of the coupling-in area can be designed in such a way that only light with a specific polarization is diffracted and thus in Base body (or waveguide) is guided.
  • the light emitted by the light-emitting layer can then have an inefficient polarization for the diffractive structure of the coupling region and can transmit undisturbed by the diffractive structure of the coupling region.
  • the light-emitting layer therefore no longer provides a source of false light and it is no longer necessary to switch the pixelated light-emitting layer in the area of the coupling-in area to dark or to omit the coupling-in of false light during the recording by means of the image sensor.
  • Options for a defined polarization would include LCD displays or the application of a polarization film between the light-emitting layer and the base body.
  • the functionalized waveguide (or the detector system described) can be designed or developed in such a way that it is provided as a functionalized pane (or as a detector system) for a vehicle.
  • the vehicle can be a motor vehicle, a truck, an aircraft, a motorized or non-motorized vehicle, or another vehicle.
  • the pane can be any pane of the vehicle, e.g. the windshield, a side window or a rear window.
  • several panes (or detector systems) can be provided for a vehicle. With these e.g. the position of a person or an object can be detected within the vehicle.
  • a vehicle is provided with one or more such functionalized windows (or with one or more detector systems).
  • the coupling-out area can be arranged along the first direction closer to the edge of the base body than the coupling-in area.
  • the pane functionalized in this way can be inserted in a detector system (or detection system) which can be trained and developed in the manner described.
  • a detector can be provided which strikes the part of the radiation deflected by the coupling-out area.
  • the detection system can have at least one optically imaging element between the coupling-out area and the detector.
  • the at least one optical imaging element can e.g. be designed as a lens, as a refractive lens or as a refractive camera lens.
  • the base body can have a further coupling-in area and a further coupling-out area spaced therefrom in the first direction, the further coupling-in area deflecting the radiation from at least one part coming from a light or image source and hitting the further coupling-in area such that the deflected part as Coupled-in further radiation in the base body is propagated through reflections up to the further outcoupling area and strikes the further outcoupling area.
  • the further coupling-out area can comprise a structure, for example a diffractive structure, which deflects the coupled-in further radiation striking it in such a way that the deflected part emerges from the base body through the front or rear in order to provide the desired lighting and / or projection cause.
  • the diffractive structure can be adapted to the wavelengths of the radiation coming from the light or image source in such a way that as much radiation as possible is reflected. Nevertheless, the diffractive structure still have the desired transparency when looking through, for example. It is also possible for the diffractive structure to deflect only part of the radiation from the light or image source.
  • the structure of the further coupling-out area can be a transmissive or reflective diffractive structure, a transmissive or reflective volume hologram, a mirror surface, a prism or a transmissive or reflective relief grating.
  • This provides a pane which has two additional optical functionalities.
  • the injected radiation and the injected further radiation can, for example, propagate at least in sections in the same area in the base body in the opposite direction.
  • the same transmission channel is therefore used in different directions.
  • the injected radiation and the injected further radiation can also propagate completely in different areas in the base body.
  • the coupling-in area and the further coupling-out area can be formed at least in part in the same area in the base body. For example, they can be formed together in an integrated manner, they can be stacked one above the other and / or they can partially overlap.
  • the coupling-in area and the further coupling-out area are formed in different areas in the base body.
  • the functionalized waveguide can be designed or further developed as a functionalized disk for illumination and / or projection, the base body having a coupling-in area and a coupling-out area spaced therefrom in a first direction.
  • the coupling-in area deflects at least a part of the radiation coming from a light or image source and striking the coupling-in area such that the deflected part propagates as coupled-in radiation in the base body by reflection up to the coupling-out area and strikes the coupling-out area.
  • the decoupling area can comprise a structure, for example a diffractive structure, which deflects the coupled radiation striking it in such a way that the deflected part emerges from the base body (preferably via the front or rear) in order to effect the desired illumination and / or projection .
  • the diffractive structure of the decoupling area is preferably partially transparent.
  • the diffractive structure can be adapted to the wavelengths of the radiation coming from the light or image source in such a way that as much radiation as possible is reflected. Nevertheless, the diffractive structure can still have the desired transparency when looking through, for example. It is also possible for the diffractive structure to deflect only part of the radiation from the light or image source.
  • the structure of the coupling-out area can be a transmissive or reflective diffractive structure, a transmissive or reflective volume hologram, a mirror surface, a prism or a transmissive or reflective relief grating.
  • first coupling-in area for the detection may have a greater horizontal extent than the first coupling-out area for the detection
  • second coupling-out area for the projection and / or illumination may have a greater horizontal extent and greater vertical extent than the second coupling-in area for the projection and / or have lighting.
  • a holographic stripe for detection (no pupil replication required) and a holographic surface for projection and / or illumination can be located in the upper, visible area of the transparent base body, the holographic surface generally having a greater extent in the horizontal and vertical directions can have for positioning the eyes as the second coupling-in area in the invisible area of the transparent base body.
  • the first coupling-in area and the second coupling-out area can lie in a visible region of the transparent base body (in particular if the functionalized waveguide is part of a detector system and lighting and / or projection system).
  • a lighting and / or projection system with a functionalized pane for lighting and / or projection is also provided.
  • the lighting and / or projection system can further have a light or image source.
  • the functionalized waveguide can be designed or developed in such a way that it is not only suitable for a detector system, but also for an illumination and / or projection system.
  • the base body can have a second decoupling area, which deflects at least a portion of the light from a light or image source that strikes the second decoupling area as illuminating radiation in such a way that the deflected part is used for illumination and / or projection.
  • the second decoupling area can be developed in the same way as the previously described Auskoppelbe area or the first decoupling area.
  • the waveguide can be designed such that the base body has a second Einkoppelbe rich, which deflects the light from the light or image source so that the base body propagates through reflections up to the second coupling-out area and hits it.
  • the light from the light or image source can strike the base body and thus the second coupling-out area as a free beam, so that it is not guided in the base body by reflection.
  • a detection system and an illumination and / or projection system with a functionalized waveguide for a detector system and an illumination and / or projection system are also provided.
  • the system can have the light or image source.
  • the detection system according to the invention can be designed as a camera (e.g. digital camera or video camera).
  • FIG. 1 shows a side view of an embodiment of the detector system according to the invention
  • Fig. 2 is a top view of the waveguide 1 of Fig. 1;
  • Fig. 3 is a top view of the waveguide 1;
  • FIG. 4 shows a schematic illustration of the spectrally resolved, angle-dependent deflection efficiency of the reflective volume hologram of the coupling-in area 4;
  • Figure 5 is a schematic representation of the deflection efficiency for three different angles of incidence depending on the wavelength.
  • FIG. 6 shows an enlarged sectional illustration of a side view to explain the averaging over a defined angular range caused by the detector pixels
  • Fig. 7A-7C plan views of the waveguide to explain different width ratios between coupling and decoupling areas
  • 7D shows a view from above to explain the possible restriction of the horizontal field of view in a detector system 2 with objective 1;
  • 8C is an enlarged side view of the area of the coupling of the waveguide 1 to explain a possible reduction in the vertical field of view;
  • 9A and 9B are illustrations for explaining the production of a volume hologram for the coupling-in area
  • FIG. 10 shows a plan view of the waveguide according to a further exemplary embodiment
  • FIG. 1 1 A-F side views of the coupling area of the waveguide of Fig. 10;
  • FIG. 12 shows a schematic illustration of the spectrally resolved, angle-dependent deflection efficiency of the coupling-in area according to FIG. 10;
  • FIG. 14A-F are schematic side views for explaining the coupling-out area of the waveguide according to FIG. 10;
  • Fig. 15 is a schematic representation of the spectrally resolved, angle-dependent deflection efficiency for the coupling area of a waveguide with 40 different volume holograms;
  • FIG. 16 is a plan view of a waveguide according to the invention in accordance with a further exemplary embodiment.
  • Figure 17 is a top view of the waveguide of Figure 16.
  • 18A, 18B are side views of the coupling-in area to explain the mode of operation of the waveguide according to FIGS. 16 and 17;
  • 19A-19C schematically shows the angle of incidence and spectrally dependent efficiency of the coupling-in volume holograms of the waveguide according to FIG. 16 which are offset laterally to one another;
  • 21 and 22 are plan views of two different waveguides 1 to explain a further exemplary embodiment
  • Fig. 23 is a side view of another embodiment of the waveguide according to the invention.
  • Fig. 24 is a schematic representation of the geometric transmission spectrum of the wave guide according to Fig. 23;
  • FIG. 25 is an enlarged side view of the coupling-out area of the waveguide from FIG. 23;
  • 26 shows a schematic representation of the geometric transmission spectrum in the case of vignetting through the entrance pupil of the detector system
  • FIG. 27 schematically shows a simulated cross section through a grating period of the engraved coupling grating of the waveguide according to FIG. 23;
  • Fig. 28 shows schematically the diffraction efficiency of the relief grating as a function of the wavelength
  • 29 shows the top view of a further exemplary embodiment
  • Fig. 30 shows a side view of the embodiment of Fig. 29;
  • Fig. 31 shows another embodiment
  • FIG. 32 shows the side view of FIG. 31
  • FIG. 34 shows the optical system according to FIG. 33 with a waveguide according to the invention
  • 35 shows a further exemplary embodiment of the waveguide according to the invention, which can be used in particular for projection and / or illumination;
  • Fig. 36 shows the side view of the waveguide of Fig. 35;
  • FIG. 37 shows the top view of the waveguide of FIG. 35.
  • Fig. 41 A-41 C show the lighting or projection, in which an open beam path from the
  • Fig. 42A-42C shows the corresponding arrangement according to Fig. 41 A-41 C when the Auskoppelbe is used transmissively rich;
  • 43A-43C shows a variant of the combination of the detection with the projection or illumination
  • 44A-44C shows a further variant of the combination of the detection with the projection or
  • Lighting; 44D-44F shows a further variant of the combination of the detection with the illumination or projection
  • 46-46D show exemplary embodiments of the integration of the waveguide or formation of the waveguide in a windshield of a vehicle.
  • Fig. 47A-47C shows variants of the integration of the waveguide according to the invention in a side pane of a car.
  • FIG. 1 to 3 show an embodiment of the wel lenleiters 1 according to the invention together with a detector system 2 to implement a camera 3.
  • the waveguide 1 comprises a coupling-in area 4 and a coupling-out area 5 spaced therefrom and, as shown in FIGS. 1 to 3, can be formed on a plane-parallel plate 6 with a flat front side 7 and a flat rear side 8.
  • the plane-parallel plate 6, which can also be referred to as the base body 6, is made of a transparent material, such as, for. B. glass or plastic.
  • the detector system 2 and the lower part of the plate 6 with the coupling-out area 5 can be arranged in a housing G which is only shown schematically in FIG. 1, so that it is not apparent to a user at first glance that it is a camera 3 .
  • an object 9 can be imaged in such a way that light beams L1, L2, L3 emanating from the object 9 enter the plate 6 via the front side 7 and are deflected by the coupling region 4 in such a way that they are underneath one Angle hit the front 7 that internal total reflection takes place.
  • the light bundles L1, L2 and L3 are guided by total internal reflection on the front 7 and rear 8 to the coupling-out area 5, which causes a deflection in the direction of the front 7, so that the light bundles L1 - L3 emerge from the plate via the front 7 .
  • the light bundles L1-L3 thus propagate in the waveguide 1 along a first direction R1 (here y-direction) from the coupling-in to coupling-out regions 4, 5.
  • the coupling-in area 4 is designed as a reflective volume hologram which has an angle of incidence-dependent wavelength selectivity, so that it has high transparency for a large angle and wavelength range (as indicated by the transmitted light bundle L1 'in FIG. 1; other transmitted light bundles are not shown to simplify the illustration). This means that only a part of the light beams L1 - L3 emanating from the object 9 and hitting the coupling-in area 4 are deflected in the manner described. Other light beams from the object 9 propagate through the coupling-in area 4 and emerge from the plate 6 via the rear side 8.
  • the coupling-in area 4 can thus be designated as partially transparent.
  • FIG. 4 schematically shows the spectrally resolved, angle-dependent deflection efficiency for the reflective volume hologram of the coupling-in area 4 as a function of the angle of incidence of the corresponding light beam, the wavelength in pm along the x-axis and the angle of incidence in along the y-axis ° is applied.
  • 5 shows the deflection efficiency for the angles of incidence + 20 °, 0 ° and - 20 °, the wavelength in nm being plotted along the x axis and the efficiency being plotted along the y axis.
  • the reflective volume hologram of the Einkop pel range 4 for an angle of incidence of - 20 ° radiation from the spectral range from 392 nm to 398 nm deflects with high efficiency and thus couples into the plane-parallel plate 6.
  • the waveguide 1 according to FIGS. 1 to 3 is designed in such a way that neither the coupling-in area 4 nor the coupling-out area 5 has an imaging function, there is an infinity-infinity configuration of the waveguide 1.
  • the waveguide 1 performs an infinity-infinity mapping.
  • the detector 1 1 can, for. B. a CCD detector or a CMOS detector. Since the coupling-in area 4 has the reflective volume hologram, the coupling-in by means of the reflective volume hologram leads to a dispersion within the coupled-in spectral range for every angle. If the coupling-out area 5 has a reflective volume hologram formed in the same way as the coupling-in area 4, the dispersion caused by the coupling-in area 4 is compensated and all spectral components are deflected again into the corresponding angle.
  • the coupling-in area 4 and / or the coupling-out area 5 can, for. B. have an imaging function in the form of a lens function or concave mirror function.
  • an imaging function in the form of a lens function or concave mirror function.
  • an implementation of such a lens or concave mirror function enables the decoupled angular spectrum to be converted directly into a spatial distribution in the focal plane of this implemented lens or mirror function.
  • the lens 9 z. B. omitted.
  • the detector system 2 has the detector 11 and the lens and / or concave mirror function of the coupling-out area 5. Since the objective 10 can be omitted, the detector 11 can be positioned and / or fastened, for example, directly on the front side 7 of the waveguide 1, as a result of which a very high degree of integration, a minimal volume and a high level of robustness can be achieved.
  • the angular distribution which is spectrally resolved after the coupling-out by means of the coupling-out area 5, is converted with the objective 10 or an imaging function integrated in the coupling-out area 5 into a spatial distribution on the detector 11.
  • detector 11 has discretization in the form of pixels. 6, in which the deployed waveguide system is shown on the detector side, each pixel PX averages over a defined angular range, which is determined by the pixel size PG, its distance from the optical axis Ap and the focal length FAK of the objective 10 or the mapping function of the coupling-out area 5 is given.
  • the inclusion of an angular range also involves integration over a spectral range.
  • the spectral bandwidth is given by the maximum recorded angle (oC2, FIG. 4) and the minimum recorded angle (oci, FIG. 4), which can be calculated as follows: PG 0.5 + (n - l) - PG
  • n is the number of the respective pixel (0 -> on the optical axis, n ⁇ 0 -> below the optical axis, n> 0 -> above the optical axis)
  • PG the pixel size and f the focal length of the optical system describe.
  • the bandwidth over which each pixel is integrated can then be calculated, for example, on the basis of Kogelnik's coupled wave theory.
  • the total spectrum detected by a pixel is composed of the spectra within the detected angular range, which leads to the broadening shown in FIG. 5 in the spectra shown.
  • the detector 11 consists of only one pixel, to which all angular ranges are transmitted, image information with all spectral components would be recorded.
  • the ratio of the width B1 (extension transverse to the first direction R1 along a second direction R2 , which corresponds to the x-direction here) of the coupling-in area 4 (FIG. 2) to the width B2 of the coupling-out area 5, the field of view (or field of view) of the waveguide 1 in the direction R2 is additionally from the distance D of the coupling-in area 4 from Decoupling area 5 along the direction of propagation R1 or the first direction R1 in the len len 1 dependent.
  • the dimensions or dimensions of the coupling area 4 and the coupling area 5 can be restricted by panels. It is always assumed here from the optically used dimension or optically used width. These are also called effective widths below.
  • 7A, 7B and 7C show three fundamentally different width ratios from a coupling-in to coupling-out area 4, 5.
  • 7A shows that for the ratio B1 / B2> 1, the coupling-out area 5 of the waveguide 1 acts as a pupil.
  • B1 / B2 1 (FIG. 7B)
  • only the central field angle propagates unsigned through the waveguide 1.
  • both the coupling-in area 4 and the coupling-out area 5 form the pupil.
  • the coupling-in area 4 is the pupil of the waveguide 1, so that 5 different angular ranges are present and decoupled at each location of the coupling-out area.
  • FoV field of view
  • FoV field of view
  • the horizontal FoV (in x-direction) picked up and decoupled by the waveguide 1 in the infinity-infinity configuration of the waveguide 1 is determined by the widths B1,
  • the FoV of the detector system 2 is given in a first approximation by the focal length of the objective 10 (or the lens function contained in the coupling-out area 5) and by the size of the detector 11 in the direction of the horizontal FoV.
  • the FoV of the waveguide 1 and the detector system 2 is identical. This results in the optimal resolution over the entire FoV of the waveguide 1.
  • the horizontal FoV of the overall system is given by the width of the coupling area 4, the width of the coupling area 5 and the distance D from the coupling area 4 to the coupling area 5.
  • the entire FoV is thus advantageously recorded.
  • there is a reduced resolution In the event that the horizontal FoV of the detector system 2 is smaller than the FoV of the waveguide 1, the FoV of the overall system is limited by the FoV of the detector system. This leads to the advantage of increased resolution, with only a part of the FoV of the waveguide 1 being absorbed.
  • the FoV of the waveguide 1 can be matched to the FoV of the detector system 2 by adapting B1, B2 and D.
  • a desired adjustment of the FoV des Detector system 2 to the FoV of the waveguide 1 can be done by adjusting the lens focal length and / or the size of the detector.
  • the ratio of the width B1 of the coupling-in area 4 to the width B2 of the coupling-out area 5 determines the pupil position of the waveguide 1.
  • the shape of the angular distribution applied to the coupling-out area 5 changes. This results in advantageous properties for certain arrangements and applications.
  • the coupling-out area 5 forms the pupil of the waveguide 1.
  • all field angles are at every location of the Auskop pel range 5.
  • all field angles i.e. H. the complete FoV of the waveguide 1 can be recorded with only one detector system 2 with a sufficiently large FoV and as a sufficiently large entrance pupil.
  • a small distance between the coupling-in area 4 and the coupling-out area 5 is advantageous.
  • the offset of the decoupled angle spectrum can thus be compensated (or symmetrized) and the decoupling FoV can be adjusted again to the FoV of the detector system 2.
  • the limit can be reached that the width of all Auskop pel areas 5 together is equal to the width of the coupling area 4.
  • each decoupling area 5 remains the pupil of the system, so that the relationships described continue to apply.
  • the vertical FoV recorded by a hypothetical infinitely extended waveguide system and passed on to the coupling-out area is given in the infinity-infinity configuration of the waveguide 1 by the critical angle of total reflection within the waveguide 1 and the propagation angle of less than 90 ° relative to the perpendicular of the waveguide boundary surface or the front 7 and the back 8.
  • a propagation angle of less than 80 ° relative to the solder of the front 7 or the back 8 must be realized in order to ensure that the beams L1-L3 come from a large one Propagate the angular range to the coupling-out area 5 and not past it.
  • an angular range between 40 ° and 80 ° spreads in the waveguide 1 relative to the solder from the front 7 or rear 8 and is coupled out from the coupling area 5 again.
  • the vertical FoV of the overall system can also be restricted by the vertical FoV of the detector system 2.
  • the spectral sensitivity of the detector 11 can also have a restrictive effect on the vertical FoV. If, for example, the detector 11 is not susceptible to particularly long-wave and / or short-wave radiation, the effective expansion of the detector 11 and thus the vertical FoV of the detector system 2 are reduced (FIG. 8C).
  • the image on the detector has the color gradient described, so that no full-color image can be passed on and recorded by means of the waveguide 1.
  • the described reflective volume holograms for the coupling-in area 4 and the coupling-out area 5 can be produced, for example, in such a way that a photosensitive volume holographic material 12, which is integrated in the waveguide 1, with a reference wave 13 with the wavelength of 532 nm that is incident on the front side 7 at an angle of incidence of 0 ° and a signal wave 14 with the same wavelength that is incident on the rear side 8 at an angle of incidence of 60 °, as shown in FIG. 9A is, the reference wave 13 and the signal wave 14 originate from the same laser, so that an interference field or interference volume arises over the photosensitive volume holographic material and corresponding refractive index modifications can form there.
  • Photosensitive glasses, dichromate gelatins or photopolymers can be used as photosensitive volume holographic materials. These can e.g. B. applied to a PC film (polycarbonate film) and exposed there accordingly. The film can then be laminated to a substrate for the waveguide 1 to produce the waveguide 1. The film can, for example, only be laminated in the area of the coupling-in area 4 and the coupling-out area 5. Alternatively, full-surface lamination is possible over the entire wave guide surface, with the corresponding coupling and decoupling function being tolerably imprinted in the coupling and decoupling areas. To protect the volume holograms, it makes sense to apply another substrate to the laminated volume hologram. A layer stack with the following basic structure is thus realized: transparent substrate, putty or adhesive layer, volume hologram, putty or adhesive layer, transparent substrate
  • an incident plane wave W1 (FIG. 9B), which strikes the reflective volume hologram in the material at an angle of + 20 °, deflects the spectral range from 605 nm ⁇ 5 nm to the front side 7 that the deflected shaft W1 hits the front side 7 at an angle of ⁇ i of approximately 40 °.
  • the reflective volume hologram of the coupling-in area 4 is transparent for the remaining wavelengths of the plane wave W1.
  • the coupling-in area 4 not only has a reflective volume hologram, but several among them has arranged reflective volume holograms 4i, 42, 43, 44 and 4s, as shown in FIG. 10 and FIG. 11 AF.
  • the volume holograms 4i-4s differ in that they have different spectral angle selectivities, as a result of which different wavelengths are reflected by the volume holograms 4i-4s at the same angle of incidence. Because of this win kelselektiven radiation, the z. B. from the volume hologram 4i by reflection to the front side 7 in the waveguide 1, not influenced by the underlying holograms 42 - 4s (or only slightly), so that the coupled radiation (largely) propagate unaffected to the decoupling area 5 can.
  • the volume holograms 4i - 4s can also be arranged one above the other in the z direction, so that a layer stack is formed on the waveguide. Furthermore, the functions of all five holograms can be implemented in a hologram (or volume hologram), also called multiplexing.
  • the different spectral angular properties can e.g. B. can be achieved by using different wavelengths for the reference wave 12 and the signal wave 13 with the same angle setting as in FIG. 9A.
  • the reflective volume holograms 4i-4s were recorded with the exposure configuration according to FIG. 9A at different wavelengths.
  • the exposure wavelength for the volume hologram 4i was 900 nm (black), for the volume hologram 4 2 660 nm (red), for the volume hologram 4 3 532 nm (green), for the volume hologram 4 4 400 nm (blue) and for the Volume hologram 4s 370 nm (violet).
  • each reflective volume hologram 4i-4s deflects and couples in the spectral range around the central wavelength with which the exposure of the respective reflective volume hologram 4i-4s was carried out.
  • FIG. 12 shows the simulated overall spectrum in the same way as in FIG. 4, which is coupled into the waveguide 1 by the five reflective volume holograms 4i-4s. Accordingly, each reflective volume hologram 4i - 4s contributes with a different spectral range at every angle of incidence.
  • the spectral bandwidth is increased in the individual angles and ultimately a broadband image formation is ensured across all angles of incidence.
  • FIG. 12 shows the shift of the coupled spectrum in the direction of shorter wavelengths with increasing angle of incidence and the shift of the coupled spectrum in the direction of longer wavelengths for decreasing angles of incidence.
  • 13A shows an example of the spectrum coupled in with the angle of incidence of 0 °.
  • 13B shows the corresponding spectrum for the angle of incidence of + 20 ° and the coupled spectrum for the angle of incidence of - 20 ° is shown in FIG. 13C.
  • the wavelength in pm is along the x-axis and the coupling-in efficiency in the range from 0 (no coupling) to 1 (complete coupling) is shown along the y-axis.
  • a comparison with the representation according to FIG. 5 shows that compared to a single reflective volume hologram there is a significantly improved scanning of the coupled spectrum due to the use of a higher number (five reflective volume holograms compared to a reflective volume hologram) of specifically recorded volume holograms.
  • the total height of the reflective volume holograms 5i-5s is preferably chosen to be similar to the entrance pupil 14 of the detector system 2 in order to be able to detect as much light as possible.
  • the volume holograms 5i - 5s can also be arranged one above the other in the z direction for coupling, so that a layer stack is formed on the waveguide. Furthermore, the implementation of the functions of all five holograms in a hologram or a volume hologram, also called multiplexing, is possible.
  • 9A can, for example, be selected as follows, the wavelength in each case being indicated in nm: 358, 368, 378, 389, 400, 41 1, 421, 432, 443, 454, 464, 474, 487, 498, 509, 519, 532, 544, 556, 568, 583, 598, 613, 629, 645, 662, 679, 696, 715, 735, 755, 775, 795, 815, 835, 855, 875, 896, 91 7 and 940.
  • the reflective volume holograms can also be recorded at a wavelength and adjusted exposure angles of the reference and signal wave 12, 13.
  • the coupling-out can then be carried out with corresponding reflective volume holograms, as described so far.
  • the same forty volume holograms are preferably generated as are present in the coupling region 4.
  • any other type of coupling out of the radiation propagated up to the coupling-out area 5 is also possible.
  • a tilted mirror surface, a prism, mirrored grating, transmission grating and / or multi-order Fresnel structures can be used in transmission or reflection.
  • the use of non-transparent optical surfaces is possible, since a non-transparent detector 11 is to be provided anyway.
  • the tilted mirror surface, the multi-order Fresnel structure in reflection or transmission advantageously have a high efficiency and do not introduce any additional dispersion during the deflection. However, they also do not lead to dispersion compensation.
  • Mirrored gratings and transmission gratings for decoupling can perform a desired dispersion correction. However, they are less efficient.
  • a prism is highly efficient, but can disadvantageously enhance dispersion.
  • the desired dispersion correction is advantageously present, since each wavelength channel is coupled out via a separate reflective volume hologram. However, there is a relatively low efficiency because the area of the Auskoppelbe area 5 must be divided by the number of individual reflective volume holograms.
  • FIGS. 16 to 18B show an exemplary embodiment of the waveguide 1 in which the horizontal FoV (ie the FoV in the xz plane) is enlarged. It is assumed that the FoV of the detector system 2 does not restrict the FoV of the waveguide 1.
  • the coupling-in area 4 comprises three reflective volume holograms 4i, 42 and 43 of equal width, which are arranged one above the other (in the y-direction) and which cover different angular ranges and thus different horizontal fields of view in the xz-plane, as seen in particular in the view from above in FIG 17 is shown in the angular space.
  • holograms 4i, 4 2 and 4 3 can also be arranged one above the other in the z direction, so that a layer stack is formed on the waveguide.
  • the implementation of the individual hologram functions of all three holograms in one hologram (or volume hologram), also called multiplexing, is possible.
  • the central field of view is given, for example, by the width of the second volume hologram 42, the width of the correspondingly assigned second decoupling hologram 52 and by the distance between the volume holograms 42, 52.
  • the first reflective volume hologram 4i has, in comparison to the second reflective volume hologram 4 2, an additional one-dimensional deflection function in the horizontal direction (in the xz plane).
  • the horizontal field of view assigned to the first volume hologram 4i is thus shifted by the amount of the impressed deflection function (angular offset) in the angular range and is yo ⁇ 2 ⁇ yi ⁇ yi.
  • a corresponding impressed deflection function for the third reflective volume hologram 4 3 leads to a horizontal field of view of yo + 2 ⁇ yi + yi.
  • a different horizontal FoV can thus be transmitted with each volume hologram 4i - 4 3 in combination with the corresponding volume hologram 5i - 5 3 .
  • the overall FoV can be influenced.
  • symmetrical or asymmetrical total FoV and FoV with overlapping partial FoV or gaps between the partial FoV can be generated.
  • the implemented deflection functions have to be selected in accordance with the regulation in the previous section in such a way that the angular ranges adjoin one another and overlap as little as possible.
  • all horizontal angular ranges propagate in the same horizontal channel after the coupling, as is indicated in FIG. 16. This is also necessary in order to ensure detection with only one detection system 2. If all the input holograms 4i-43 are recorded identically except for the deflection function, there is also a superposition in the vertical direction according to FIG. 18A. After decoupling, all horizontal FoV would be superimposed on the detector 1 1.
  • the exemplary embodiment described here provides for coding the horizontal angle ranges in a corresponding number of vertical angle ranges in accordance with FIG. 18B. Care was taken here to ensure that the coupling-in area 4 remains transparent during a normal inspection at a large angle and wavelength range.
  • the coding of the horizontal angular ranges into vertical Winkelbe ranges can be such that the reflective volume holograms 4i to 43 are designed such that they deflect into different vertical propagation angle ranges within the waveguide 1.
  • the reflective volume holograms with appropriate deflection properties can be used for this.
  • a lamellar structure webs
  • the radiation propagates from each coupling-in volume hologram 4i-4 3 and thus also each horizontal FoV in a different vertical FoV.
  • the different vertical FoVs are then transferred to the detector 11 in laterally superimposed, adjacent spatial distributions. This allows an enlarged horizontal FoV to be recorded, the vertical FoV being reduced by the magnification factor of the horizontal FoV.
  • the spectral and angle-dependent separation of the horizontal FoV coded in the vertical FoV which is explained in more detail below, can be used.
  • each horizontal FoV propagates through the waveguide 1 in the same vertical angular range and spectral range. For each horizontal FoV there is approximately z. B. the angle of incidence-dependent spectrum shown in FIG. 4.
  • each horizontal FoV can be coupled into the waveguide 1 with a special volume hologram in different directions, each volume hologram 4i-43 being recorded in a different configuration (exposure angle and / or wavelength).
  • 19A, 19B and 19C show the incidence angle and spectral-dependent efficiencies of the coupling-in volume holograms 4i, 42 and 43 (FIG. 18B) which are offset laterally to one another.
  • the vertically coupled angular range is limited to ⁇ 20 ° by total reflection in the waveguide.
  • the detector 11 has only a spectral sensitivity of 400 nm to 700 nm. The procedure can of course also be transferred to other vertical angle ranges and detector sensitivities.
  • the first volume hologram 4i couples an incident angle range between 6.67 ° and 20 ° into the spectral range between 400 nm and 440 nm in the waveguide 1.
  • the second volume hologram 4 2 couples radiation from the entire angle of incidence into the waveguide 1 over a spectrum from 400 nm to 650 nm.
  • the third volume hologram 4 3 is the incident angle range between - 6.67 ° and - 20 ° nm in a spectral range 565-700 nm coupled into the waveguide. 1
  • Each horizontal field of view is thus coupled into the waveguide 1 by a special volume hologram 4i-4 3 with different properties. After extraction, these properties are used to separate the horizontal FoV.
  • the holograms 4i, 4 2 and 4 3 can also be arranged one above the other in the z direction, so that a layer stack is formed on the waveguide. Furthermore, the implementation of the individual hologram functions of all three holograms in one hologram (or volume hologram), also called multiplexing, is possible.
  • the decoupling area 5 it is to be expected that the spectral angle spectrum coupled in from all the coupling-in volumes 4i-43 will be present at each location.
  • volume holograms 5i, 52, 53 with an identical behavior for vertical coupling are laterally offset one above the other.
  • Each of these holograms 5i-53 then ensures that the radiation coupled in from the corresponding coupling-in volume hologram 4i-4 3 is coupled out with the spectral angle distribution shown in accordance with FIGS. 19A-19C.
  • the holograms 5i, 52, 53 can alternatively be arranged one above the other in the z direction, so that a layer stack is formed on the waveguide.
  • the implementation of the individual hologram functions of all three holograms in one hologram (or volume hologram), also called multiplexing, is possible.
  • the detector surface of the detector 11 is first divided vertically. Each area corresponds to a vertical Winkelbe rich. The number of areas (vertical angular ranges) is identical to the number of different horizontal FoV. Normally, the detector area (vertical total angular range) is divided into areas of equal size (it is also possible to subdivide into areas of different sizes). According to FIG. 19C, however, the spectral superposition occurs due to the typical behavior in reflection volume holograms within the individual angular ranges, so that ultimately different horizontal FoVs would be overlaid with the same vertical FoV. To avoid this, 1 1, d. H.
  • spectral filters are provided which, with a corresponding angular range, suppress unintended spectral components.
  • the different horizontal FoV can be clearly assigned to different areas on the detector (i.e. vertical angular areas / FoV).
  • the different horizontal FoVs are clearly assigned to different vertical FoVs in accordance with FIG. 18b.
  • each horizontal FoV records a different spectral band and information can be lost if, for example, no or only a little radiation occurs in the corresponding spectral range in a certain horizontal FoV. This deficit can be compensated for by attaching several coupling-out areas with coupling spectra spectrally shifted for the different horizontal FoV. However, a corresponding number of detector systems 2 is then also required.
  • n different coupling-in and coupling-out volume holograms as well as n angular ranges (detector areas) including the corresponding band or edge filter functions are required.
  • N horizontal angular ranges are converted into n vertical angular ranges.
  • the individual efficiency curves of the volume holograms must not have any spectral overlaps within the same angular range, since otherwise spectral separation of the vertical FoV and thus also the horizontal FoV is no longer possible. Despite spectral filtering, radiation components of different horizontal FoV would be superimposed.
  • each volume hologram In order to absorb as much radiation power as possible, each volume hologram must be designed so that the widest possible spectral range is covered in the angular range covered. However, the spectral sensitivity of the detector must also be taken into account here.
  • the angle and wavelength-dependent efficiency curves in FIGS. 19B and 19C it is clear that in the angle range between + 6.67 ° and + 20 ° only a bandwidth of the radiation of 40 nm is used. A correspondingly optimized design of the volume hologram would make it possible to increase this bandwidth and thus to couple in a potentially higher radiation power.
  • a spectral range of 135 nm is coupled in the angular range between -6.67 ° and -20 °.
  • the subdivision of the horizontal FoV is linked to the spectral properties of the volume hologram. Normally, all vertical partial FoV are the same size. Depending on the application However, different sizes of the vertical FoV can also be realized for the different horizontal FoV. A corresponding design of the volume holograms in combination with the filtering in front of the individual detector areas is required.
  • 21 shows an exemplary embodiment of the waveguide 1 in which the coupling region
  • the coupling-out area 5 can also have a reflective volume hologram.
  • the FoV is given by the size of these areas and their distance from one another. In the exemplary embodiment described in connection with FIG. 22, it is assumed that the FoV of the detector system 2 does not restrict the FoV of the waveguide 11.
  • the approach according to FIG. 22 to increase the detection efficiency envisages dividing the coupling region 4 vertically (along the second direction) into three sub coupling surfaces 4i, 4 2 and 4 3 . While the central coupling surface (or the central reflective volume hologram 4i) only contains a function for deflecting the radiation in the first direction (only in the y direction without x component) to the coupling-out area 5, the right-hand sub-coupling surface 42 additionally integrates a horizontal deflection function (or an x component of the deflection) along the second direction (towards the central volume hologram 4i), as indicated schematically in FIG. 22. A corresponding horizontal deflection function along the second direction (towards the central volume hologram 4i) is also integrated into the left sub-coupling surface 43.
  • the FoV for the coupling-in area 42 and the coupling-out area 5 would result from the sizes of the areas, their spacing and the decentration (along the second direction) of the coupling-in area 4 2 from the coupling-out area 5 (the same would apply to the combination of the left coupling-in area) 43 and the decoupling area apply).
  • This FoV has an angular offset relative to the central FoV (given by the central coupling surface 4i and the coupling surface 5). The total results in an enlarged FoV, which is given by the total width of the two coupling surfaces.
  • the angle offset described can be compensated for by integrating the described deflection function into the two lateral coupling surfaces 42 and 43.
  • the decentered coupling volume hologram 4 2 , 4 3 then covers in combination with the coupling volume hologram
  • the decoupling surface 5 is designed with the aid of volume holograms in such a way that it decouples the radiation coupled in from the central coupling volume hologram 4i and the radiation coupled in from the decentred coupling volume holograms 4 2 , 4 3 in the same angular range.
  • the coupling-out area 5 has different exposed coupling-out functions.
  • Each decoupling function is only efficient for the radiation of the corresponding coupling-in volume hologram 4i - 43 (angular selectivity of volume hologram), so that ultimately the radiation propagating from different directions onto the coupling-out area 5 is coupled out into the identical angle range by the corresponding coupling-out function.
  • the strength of the angle selectivity can be adjusted via the thickness and the refractive index modulation of the volume holographic material and the exposure configuration.
  • One of these functions corresponds to the original decoupling function and only ensures the vertical decoupling of the radiation. All other implemented functions have a special, adapted angle selectivity, so that they are efficient only for a horizontal Winkelbe range around the respective horizontal angle offset, which propagate from the corresponding decentered coupling surface 42, 43 in the direction of coupling surface 5.
  • This decoupling function includes, in addition to the vertical decoupling function, compensation for the horizontal angle offset, so that the FoV generated by the decentred coupling surfaces 4 2 , 4 3 is overlaid with the FoV generated by the centered coupling surface 4i. As a result, there is an increase in the power density within the FoV and thus an improvement in the signal-to-noise ratio.
  • the coupling-in area 4 can also be realized, for example, with a transmission that is just acceptable, ie with a high coupling-in efficiency, in order to concentrate as much radiation power as possible on a very small coupling-out area.
  • a very small solar cell for converting the radiation energy into electrical energy could then be attached to the coupling area, for example. It is also possible for the coupling to be carried out on a detector array.
  • decoupling functions are possible with a sufficiently thick volume holographic material with a sufficiently high refractive index modification. This implementation of different functions in only one holographic area is also referred to as function multiplexing. Alternatively, the individual decoupling functions can also be imaged in several volume holographic foils stacked one on top of the other.
  • the original FoV can be obtained from only one coupling-in volume hologram (FIG.
  • the coupling-in volume holograms can be freely distributed on the waveguide 1. Then the impact on the respective FoV with regard to the coupling-in volume hologram and a correspondingly adjusted correction of decoupled angular ranges must be taken into account.
  • 23 shows an exemplary embodiment in which a relief grating is formed both in the coupling-in area 4 and in the coupling-out area 5. The rules for determining the grid period are essentially the same as for a volume hologram. A diffraction angle is required for which total reflection in the waveguide 1 is ensured. Furthermore, symmetrical gratings are used for coupling and decoupling.
  • an imaging function can optionally be applied to the coupling-in grating and / or the coupling-out grating. It can also be used for objects, e.g. B. are only 50 cm from the waveguide 1, are sharply imaged.
  • the advantage of designing the coupling-in and coupling-out gratings as relief structures over volume holograms is the lower angular and wavelength selectivity. As already described, when using volume holograms, an observation angle is linked to a restricted wavelength range. Without the design according to FIG. 11, gaps in the illuminating spectrum lead to dead vertical observation angles. These failures can be prevented by the higher wavelength and angle acceptance of relief structures.
  • the coupling grid 20 can, for. B. by means of an epoxy resin or a UV-curing polymer on the right surface 21 of the left plate 22 with the thickness di in Fig. 23 are molded.
  • Typical polymers have refractive indices n of approximately 1.5.
  • the coupling grating 20 is then coated by means of a thin, high-index dielectric layer 23.
  • Typical refractive indices for this are n> 2.0.
  • the second plate 24 (with a thickness d2) is bonded to the coupling-in grid 20 and the associated plate 22 with the thickness di using an epoxy resin or a UV-curing polymer.
  • the coupling-in relief grating 20 is thus buried in the substrate formed by the two plates 22 and 24 and acts through its thin, highly refractive layer as a reflection grating 20 with diffraction efficiencies between 5% and 20%.
  • a grating of the same number of lines (grating period) is used for the coupling-out grating 25, but this is molded onto the outer surface 7 of the left plate 22 or onto the outer surface 8 of the second plate 24.
  • the coupling-out grating 25 is molded onto the front side 7. After molding, this grid 25 is vapor-deposited with aluminum in order to obtain a high coupling-out efficiency. Efficiency values of around 50% can be achieved here over a wide range of wavelengths and angles.
  • the waveguide 1 with the coupling-in grating 20 and the coupling-out grating 25 has two diaphragms, since the edges of the coupling-in grating 20 and the edges of the coupling-out grating 25 each act as a diaphragm, which cut the beam path.
  • only one beam is shown for exactly one wavelength.
  • Other wavelengths emanating from the same object point are deflected by the coupling-in grating 20 into different angles in the waveguide 1. This relationship between wavelength and angle of propagation in the waveguide 1 is continuous, if not linear.
  • the transmitted spectrum is divided into efficient and inefficient areas that alternate almost periodically.
  • Such a purely geometrical transmission spectrum is shown in FIG. 24, with the wavelength in nm along the x-axis and the transmission efficiency between 0 (no transmission of the light falling on the coupling-in grating 20) and 1 (the all light incident on the coupling-in grating 20 is decoupled via the coupling-out grating 25, neglecting the grating diffraction efficiency).
  • This transmission efficiency is for an angle of incidence of - 15 °, which covers the wavelength range from 400 to 530 nm (dashed line), for an angle of incidence of 0 °, which covers a wavelength range from 440 to 645 nm (solid line), and for ei NEN angle of incidence of + 1 5 °, which covers a wavelength range from 555 nm to 690 nm (dotted line).
  • the spectral limits result on the one hand from the condition for total reflection and on the other hand from the deflection angle after the coupling, at which the decoupling grating is just still being hit (without internal total reflection on surfaces). It can be seen from this that the transmitted spectral interval shifts with the angle of incidence.
  • the transmitted spectral interval increases with increasing refractive index of the waveguide 1.
  • the vignetting caused by the entrance pupil EP of the detector system 2 is shown schematically in FIG. 25.
  • some of the outcoupled rays cannot strike the detector 11, which leads to a geometrically determined transmission spectrum, as is shown schematically in FIG. 26.
  • the representation in FIG. 26 corresponds to the representation in FIG. 24.
  • this vignetting leads to poorer transmission spectra for the incident angles - 15 ° and + 15 °.
  • the coupling grid 20 can be designed as a sawtooth grid, ie the profile shape of each git ter period follows at least approximately a sawtooth shape.
  • 27 shows a simulated cross section through a grating period of the buried coupling-in grating, a slight profile rounding being assumed for the grating.
  • the lateral extension from 0 to 430 nm is plotted along the x axis and the profile cut in the range from 0 to 300 nm is plotted along the y axis, so that a layer thickness of approximately 60 nm with a blaze depth of approximately 120 nm results.
  • the resultant diffraction efficiency is plotted in FIG. 28 for the wavelength range from 400 to 650 nm (which is plotted along the x-axis).
  • the curves REO and RM0 show the reflectance for the zero order reflection for the s-polarized field (RE) and the p-polarized field (RM).
  • the curves RM1 and RE1 show the reflectance for the minus first diffraction order for the s-polarized Field (RE) and the p-polarized field (RM).
  • a profile shape similar to that in FIG. 27 can be used for the coupling-out grating 25. There, however, a metal coating is used instead of the high-index dielectric.
  • the waveguide 1 is integrated in a display or a display 30.
  • the display 30 may be a display of a mobile consumer device (such as a cell phone or a laptop). It can also be a display of a stationary computer.
  • the Einkop pel Scheme 4 is formed on the back 8 with the reflective volume hologram, which causes a beam deflection so that the deflected rays within the display by z. B. internal total reflection until they hit the decoupling area 5 with the decoupling volume hologram, which causes a deflection towards the camera sensor 1 1.
  • the image recorded in this way is quasi a frontal view of the user B, who is currently looking at the coupling-in area 4.
  • the image therefore corresponds to a recording with a camera sensor which is positioned in the area of the coupling-in area 4.
  • a transparent image sensor which is integrated in the display without impairing the display function of the display. It can be used to take pictures or image sequences in the location of the display 30 and it is thus a frontal view of the scene to be imaged.
  • This property can e.g. B. for applications such as video telephony or the taking of self-portraits (so-called selfies) can be used in an advantageous manner, since the line of sight of user B towards the display coincides with the center of the image taken by the camera. So z. B. in video telephony keep both conversation partners quasi eye contact, which was previously not possible because the corresponding cameras were always installed on the edge of the display. This eye contact leads to a more natural and immersive conversation experience.
  • self-portraying the user can e.g. B. Follow the live preview of the picture to be taken without having to look away from the camera and the display.
  • the decoupling grid 5 have an imaging function, so that no additional optics in front of the camera sensor 1 1 is necessary. The degree of integration of the camera in the display 30 can thus be maximized.
  • the part of the display 30 covered by the coupling-in grating appears largely transparent and the contents shown on the display remain visible to the viewer.
  • the efficiency of the coupling grating 4 must be large enough on the one hand to enable the camera sensor 1 1 to capture the image.
  • the efficiency of the coupling-in grating must be so low that the transparency is retained and no effects that disturb the viewer occur.
  • the resulting transparency of the applied volume hologram in the coupling-in area thus also depends on the light sensitivity of the camera sensor 11 used.
  • a different wavelength range is transmitted to the detector 11 or camera sensor 11 for each angle, so that an image with a vertical color gradient is produced.
  • This image can then be converted to a monochrome image.
  • the monochrome image with image information that are recorded by another front camera can be recolored in real time. In this way, a natural image can be made available via the volume function holographically implemented camera function with the mentioned advantage of the frontal view.
  • the color functionality of the camera function implemented by volume holography can be implemented according to the exemplary embodiment from FIGS. 10 to 15. This would eliminate the need for an additional front camera and re-coloring.
  • the camera sensor can also be arranged below the area actually used by the display, as shown in the exemplary embodiment according to FIGS. 31 and 32.
  • the relevant area of the display 30 is then switched dark, so that only the light coming from the coupling-out area 5 falls on the camera sensor 11.
  • the display 30 can be used completely for display when the camera function is not activated. If the camera function is activated, only part of the display 30 is darkened. The display area is therefore limited only when necessary and only near the edge.
  • partially mirrored substrates 40 are used for this purpose, as is shown schematically in FIG. 33, two lenses 41 and 42 being shown schematically for the optical system.
  • This is the so-called combiner principle.
  • this requires sufficient installation space in the optical system, which is given by the size of the tilted substrate 40 or the projected beam diameter at the location of the reflection or reflection.
  • the introduction and detection of radiation at the same location of the beam path is only possible with great effort (special coatings, complex optics for radiation superposition).
  • the waveguide 1 according to the invention which has already been described can be used, which enables the introduction and / or detection of radiation with small installation space requirements, as is shown schematically in FIG. 34.
  • the approach also offers the possibility, through filtering, of influencing the spectral properties of the input or output To take radiation. Due to the high transparency of the waveguide 1, these multifunctional components can be used at almost any location in an optical system (if necessary also on the optical axis). Furthermore, the special physical properties of volume holograms enable these functions to be implemented in almost the same position.
  • the principle of the waveguide 1 described can also be used for lighting and / or projection.
  • the light path in the waveguide 1 is used in the opposite direction and a static or dynamic light source (or a correspondingly luminous image source) is used instead of the detector.
  • the previous coupling-in area becomes the coupling-in area 4
  • the previous coupling-in area becomes the coupling-out area 5, as shown in FIGS. 35, 36 and 37.
  • the radiation from the light source 32 is coupled through the coupling-in area 4 into the waveguide 1 and is guided in this into the coupling-out area 5, via which the coupling-out into the room or a corresponding downstream optical system is then carried out.
  • FIG. 39 schematically shows the projection of a virtual image for a viewer B.
  • FIG. 40 the projection of a real image (here the letter F) is shown schematically.
  • the projection of a real image is identical to the lighting.
  • the coupling-in area 4 and the coupling-out area 5 can be realized with volume holograms (preferably reflective volume holograms), due to the high angle and wavelength selectivity of the volume holograms, almost transparent light sources or almost transparent projection devices can be realized.
  • volume holograms preferably reflective volume holograms
  • a high transfer efficiency from the coupling to the coupling, the generation of a defined radiation characteristic (ie angular or spatial distribution) as well as the desired spectral compositions can be realized.
  • the extent of the coupling and decoupling surface 4, 5 can be adjusted in the horizontal direction to the required FoV.
  • the size of the areas is given by the size of the aperture of the detection system.
  • an extension of the coupling-in surface 4 in the horizontal direction (or in the second direction) is to be selected than the extension of the coupling-out surface 5 v.
  • a coupling strip is created.
  • 2D pupil replication is preferred for a projection system in order to provide the image information or illumination over an extensive area (eyebox).
  • the pupil that is coupled into the substrate is replicated in the horizontal and vertical directions.
  • the coupling-out area is thus an area whose extension differs in the horizontal and vertical directions from the extension of the coupling-in area (which is a difference from the detection system described above).
  • the coupling-in area of the detection with the above-described expansions and the coupling-out area of the projection with the above-described expansions are thus in the visible region of the waveguide.
  • optical coupling functions can also be assigned to the coupling-in and / or coupling-out area 4, 5 for the waveguide 1 for the projection and / or illumination.
  • finite-infinite, infinite-finite, finite-finite or infinite-infinite configurations of the waveguide 1 can again be realized.
  • a targeted influence on the radiation propagation and the angle distribution and / or distribution can be exerted in a defined location.
  • lens and / or concave mirror functions can also be introduced into the coupling and / or decoupling surfaces, diffuser or beam transformation functions, so that the radiation can also be influenced in a targeted manner.
  • the effective size in the coupling and decoupling surfaces 4, 5 also has a significant influence on the lighting / projection configuration the angular range transported, accepted or emitted by the functionalized waveguide 1.
  • LEDs, lasers, etc. can be used as light source 32 and displays (eg DMD displays, LCD displays, etc.) can be used as image sources.
  • displays eg DMD displays, LCD displays, etc.
  • dynamic light sources or dynamic image sources temporally variable angular or spatial distributions can be generated.
  • Customizable lighting solutions can be implemented in microscopes, for example, or variable information (virtual or real image content) can be introduced into beam paths.
  • lighting and / or projection functions with high transparency in a wide range of angles and lengths with a normal view can also be used in a free-beam structure based on reflection volume holograms according to FIGS. 41 A, 41 B and 41 C or on the basis of transmission volume holograms according to FIG.
  • volume holograms show an angle-dependent spectral sensitivity.
  • radiation is still deflected efficiently at a certain angle within a defined wavelength range and, for example, is coupled into the waveguide 1. While this effect is rather disadvantageous for general detection and lighting applications, it can also be used advantageously, for example, for spectral detection or lighting applications.
  • this behavior can be used by the volume hologram to filter out a defined spectral range in the case of incident radiation.
  • narrow-band light sources with partial coherence which, in contrast to lasers, are particularly suitable for the holographic projection of virtual or real images, can be realized.
  • convergent or divergent radiation it is possible to influence the wavelength spectrum deflected by the volume hologram with appropriately recorded volume holograms via the angular distribution applied to the volume hologram.
  • the angle-dependent spectral sensitivity of the volume hologram can also be used for detection applications.
  • a different spectral range is deflected efficiently for each angle of incidence and, for example, is coupled vertically into a waveguide 1.
  • a coupling volume holo 4 uses the corresponding coupling-out volume hologram 5, which ensures the coupling of the angles propagating in the waveguide 1, each angle consisting of the filtering or coupling of a defined spectral range.
  • the angular distribution is then converted into a spatial distribution on the detector 11 by an imaging function in the coupling-out volume hologram 5 or through an objective, each location then corresponding to a defined spectral range in the vertical direction.
  • an imaging function in the coupling-out volume hologram 5 or through an objective each location then corresponding to a defined spectral range in the vertical direction.
  • angle-dependent spectral information can be determined in parallel in the horizontal direction.
  • Such a system can, for example, be attached to the underside of an aircraft.
  • the detection system 2 the airspeed and the position of the aircraft, spectral information about the area flown over can be determined, where the data are recorded in parallel and horizontally.
  • the radiation in the transparent area is coupled with special volume holograms 4 in the case of detection in the waveguide 1 and in the case of illumination / projection from the waveguide 1.
  • the propagation between this transparent detection or emission surface takes place on the basis of total reflection within the substrate or the waveguide. However, reflection is also possible due to a suitable reflective coating.
  • the optical electronics can then be introduced at a position which is advantageous in terms of design or function. Thus, the position of the radiation detection or radiation emission is no longer bound to the position of the optoelectronics.
  • volume holography The high level of transparency of the functions described, which are incorporated by volume holography, allows them to be implemented almost at the same location, since the functions do not, or only slightly, influence one another if the volume holograms are suitably designed.
  • this can e.g. B. can be realized by the volume holograms, in which the individual functions are implemented, one above the other (as a stack).
  • several optical functions can also be imaged in a volume hologram.
  • the transparency of the functionalized waveguide 1 is retained with a suitable design of the volume holograms 4, 5.
  • highly functionalized, transparent surfaces such as B. Windows can be realized.
  • the approach allows the functionality of optical systems to be significantly expanded by a relatively small intervention in the beam path.
  • FIG. 43D shows an example of the functionalization of a window 40 in which the lighting function (FIG. 43A), the detection function (FIG. 43B) and the projection function (FIG.
  • volume holography is introduced by volume holography and the radiation transport is implemented on a waveguide basis.
  • the different volume holograms for the coupling-in area and the coupling-out area are distinguished by the index: 4i, 42, etc., 5i, 52, etc.
  • individual functions can also be implemented in a non-waveguide-based manner (i.e. using free-beam propagation approaches).
  • Fig. 44A this is for illumination
  • Fig. 44B this is for detection
  • Fig. 44C this is shown schematically for projection.
  • 44A-44C show the described implementations with the respective free beam configurations with reflection volume holograms.
  • 44D, 44E and 44F this is shown along with transmission volume holograms.
  • 44A-44F all functions not realized by free beam propagation are implemented in a waveguide-based manner.
  • FIG. 45 The extension of the functionality of an optical system is shown in FIG. 45 using the example of illumination and detection in a microscope 45 for the purpose of recording a sample overview.
  • radiation is coupled into a waveguide 1 and directed to the volumeholographic coupling-out surface 5, which then ensures that the radiation is coupled out into the project space (sample carrier 46).
  • the radiation backscattered by the sample 47 is then coupled into the waveguide 1 by a further volume hologram 4 ′, which then ensures the radiation transport to the detector 11.
  • the waveguide-based system 1 can remain in the beam path, for example as a sample finder, without disturbing the transmitted light illumination beam path.
  • the waveguide-based illumination and imaging system can also be attached above the sample 47.
  • the installation space between the objective 48 of the microscope 45 and the specimen 47 is very limited in microscopes.
  • the property that lighting and detection are located at the same location and on the optical axis of microscope 45 has a positive effect on the overall functionality of the system.
  • a relatively high efficiency (power detection / power lighting) can be achieved by the vertical illumination of the sample 47 and the vertical detection of the radiation.
  • a projection function is made available. In conventional optical systems, this can only be achieved with great effort and / or a lot of installation space.
  • the functionalized window 40 or the functionalized waveguide 1 a comparable property would only be possible with transparent radiation sources and detectors.
  • the described designs of the waveguide 1 can be used in the area of vehicles (for example cars, trucks, motorcycles, etc.).
  • Optical detection systems are currently used for.
  • B. integrated in the non-transparent area such as the B-pillar. This then only has a small opening for the lens.
  • the non-transparent areas of the body will be reduced in the future. Sensors that are mandatory in certain areas and based on conventional approaches can then no longer be integrated almost invisibly. This phenomenon is already evident in the optical system for street sign and lane detection, which must be installed in the upper middle area of the windshield in order to be able to determine correct measurement data. When using classic optical systems, this creates a non-transparent area in the windshield, which can restrict the driver's view and has a negative impact on the appearance of the car.
  • all windows of the car can be equipped with detector surfaces in the future without significantly impairing transparency.
  • the radiation can be coupled into the disk from the coupling area provided in the disk and can be transported by waveguide to the detector, which can then be located in a non-transparent area of the car.
  • the coupling area 4 can be positioned at the desired location in the windshield 50, since it does not significantly influence the transparency of the windshield at this location.
  • the radiation injected via the coupling-in area 4 is then guided through reflections in the windshield 50 to the coupling-out area 5, which can be positioned in an area that is no longer used for viewing.
  • the detector system 2 (not shown) can then also be positioned in this area.
  • the decoupling area 5 is in the area of the car roof.
  • the decoupling area is in the area of the bonnet or the dashboard.
  • FIGS. 46C and 46D B. is positioned in the area of the right (Fig. 46C) or left (Fig. 46D) A-pillar.
  • the windshield 50 (or any other transparent surface) can thus be functionalized with the aid of (volume) holographic structures and / or micro-optical relief structures in order not to significantly increase the transparency of this surface when viewed normally in a large wave and angle range influence.
  • the radiation from the surroundings or from the interior of the motor vehicle is coupled into the windshield 50.
  • This serves as a waveguide and provides z. B. Total reflection for propagation of the radiation to the coupling-out area, which then couples the radiation out to the detector system 2.
  • the essentially transparent surface of the windshield can thus be used as the detection surface, while the detector 11 can be attached at a position which is advantageous in terms of design and / or function.
  • the position of the radiation detection or radiation recording is no longer tied to the position of the detector 11. This is particularly advantageous if the radiation detection must be carried out at a specific location, which, however, should at the same time be highly transparent.
  • the waveguide system described in connection with FIGS. 46A-46D can also be used in the reverse light path for illuminating an object space or for projection purposes.
  • a static or dynamic source e.g. light source and / or image source
  • the decoupling area which now serves as the coupling area, and which is located in the non-transparency area of the vehicle, into the waveguide, ie Disc 50, coupled and with the aid of the coupling area 4, the now serves as a decoupling area and is located in the transparent area, decoupled again.
  • the waveguide 1 Infinity-infinity configuration, recorded at one wavelength, it must be taken into account that only a certain spectral band is coupled into the waveguide at every angle in the direction of folding / waveguiding and is ultimately coupled out again.
  • the coupling-in and coupling-out regions 4, 5 are arranged one above the other, for example, as shown in FIGS. 46A and 46B, an angle-dependent or location-dependent color gradient results in relation to the road in the vertical direction.
  • the arrangement is rotated through ⁇ 90 ° (as shown in FIGS. 46C and 46D), the color gradient is directed in the horizontal direction (that is to say parallel to the street).
  • the orientation of the coupling-in to coupling-out area 4, 5 must be carefully selected in accordance with the respective task.
  • the different characteristics of the FoV of the two mutually perpendicular directions (given by the size ratio and the distance from the coupling-in to coupling-out area 4, 5 and the spectral sensitivity of the detector) must also be taken into account.
  • the inclination of the respective disk 50 and the expected position of the object to be detected should be considered when designing the coupling-in area.
  • an angular displacement of the vertical FoV is to be introduced in the form of a corresponding deflection function, so that the optical axis in the vertical direction roughly corresponds to the area of the driver's face and not, for example, the driver's torso is detected.
  • an adaptation to the object to be expected and its projection can be carried out.
  • the decoupling area 5 is to be adapted to the desired illumination of the object space.
  • the configuration described in connection with FIGS. 10 to 15 for providing an RGB functionality is advantageous for sensors in the automotive sector in order to avoid detection failures in individual angular ranges due to the lack of spectral components. To this This ensures that a signal can be detected at any angle in a defined spectral range (ideally the spectral sensitivity of the detector). Furthermore, the security against detection failures due to spectral insensitivity of the coupling area 4 can also be increased by implementing the coupling and decoupling areas 4, 5 with the aid of the surface relief structures described.
  • the variant of the waveguide for enlarging the horizontal FoV described in connection with FIGS. 16 to 20, in which the horizontal FoV is increased by coding in the vertical FoV, can be used advantageously in the automotive sector, since a much larger horizontal one is often used here FoV is required as a vertical FoV.
  • the functionalized waveguide 1 can be functionalized not only for receiving radiation, but also for illuminating the object space or for projection.
  • the opposite light path is used in comparison to the described detection arrangements by means of the waveguide 1.
  • the exterior and / or interior of the vehicle can be selectively illuminated in order to ensure reliable detection even in poor lighting conditions. For example, detection failures in individual angular ranges, as can occur in the simplest embodiment of the waveguide 1 in the absence of individual spectral ranges, can be avoided.
  • the artificial lighting and the angle-dependent, spectral sensitivity of the coupling surface must be coordinated.
  • decoupling surfaces and detectors can also be accommodated in fixed body areas in the case of fixed side windows.
  • the additional functionalization can be used to record image information indoors and outdoors without essentially influencing the transparency of the surface.
  • the arrangement of the functionalized surfaces and the detector can also be transferred to the lighting construction.
  • the decoupling surface d. H. the emitting area in the transparent area and the coupling area including radiation source in the non-transparent area.
  • the coupling-out surface of the lighting system can coincide with the coupling-in surface of the detection system.
  • the arrangement of the decoupling surface for slidable disks is preferably selected so that it lies in areas that are not within the body or not within a non-transparent area during or after the method.
  • the detection system must be firmly connected to the movable pane in order to ensure the detection function even during or after the process.
  • Fig. 47A - 47C various arrangements of Einkoppel- and Auskoppelbe range are shown using the example of a movable side window.

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Abstract

Es wird ein funktionalisierter Wellenleiter für ein Detektorsystem sowie ein Beleuchtungs- und/oder Projektionssystem bereitgestellt, wobei der Wellenleiter (1) einen transparenten Basiskörper (6) mit einer Vorderseite (7) und einer Rückseite (8) aufweist, wobei der Basiskörper (6) einen teiltransparenten ersten Einkoppelbereich (4) und einen davon in einer ersten Richtung (R1) beabstandeten ersten Auskoppelbereich (5) aufweist, wobei der erste Einkoppelbereich (4) eine diffraktive Struktur umfasst, die von einem zu detektierenden Objekt kommende und auf die Vorderseite (7) treffende Strahlung nur einen Teil so umlenkt, dass der umgelenkte Teil als eingekoppelte Strahlung im Basiskörper (6) durch Reflexionen bis zum Auskoppelbereich (5) propagiert und auf den ersten Auskoppelbereich (5) trifft, wobei der erste Auskoppelbereich (5) von der auf ihn treffenden eingekoppelten Strahlung mindestens einen Teil so umlenkt, dass der umgelenkte Teil aus dem Basiskörper (6) über die Vorderseite (7) oder Rückseite (8) austritt, um auf das Detektorsystem (2) zu treffen, wobei die Ausdehnung des ersten Einkoppelbereiches (4) in einer zweiten Richtung (R2) quer zur ersten Richtung (R1) größer ist als die Ausdehnung des ersten Auskoppelbereiches (5) in der zweiten Richtung (R2), wobei der Basiskörper einen zweiten Auskoppelbereich aufweist, der von Licht einer Licht- oder Bildquelle, das als Beleuchtungsstrahlung auf den zweiten Auskoppelbereich trifft, mindestens einen Teil so umlenkt, dass der umgelenkte Teil zur Beleuchtung- und/oder Projektion dient.

Description

Funktionalisierter Wellenleiter für ein Detektorsvstem sowie ein Beleuchtunqs- und/oder
Proiektionssvstem
Die vorliegende Erfindung betrifft einen funktionalisierten Wellenleiter für ein Detektorsystem.
Transparente Oberflächen aus Glas oder Kunststoff wie beispielsweise Fenster oder Wind schutzscheiben in Autos weisen einen transparenten Basiskörper auf und dienen in der Regel lediglich dem Schutz von Personen oder Gegenständen vor Umwelteinflüssen wie Wind, Tem peratur, Partikeln oder Strahlung.
Es besteht zunehmend ein Interesse daran, einen solchen transparenten Basiskörper zur Verfü gung zu stellen, der eine zusätzliche optische Funktionalität bereitstellt.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen transparenten Basiskörper mit einer zusätzlichen op tischen Funktionalität bereitzustellen.
Die Erfindung ist in den unabhängigen Ansprüchen definiert. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Bei dem erfindungsgemäßen funktionalisierten Wellenleiter ist im transparenten Basiskörper ein teiltransparenter Einkoppelbereich und ein davon in einer ersten Richtung beabstandeter Aus koppelbereich vorgesehen bzw. ausgebildet. Der teiltransparente Einkoppelbereich kann eine diffraktive Struktur aufweisen, mit der die Transparenz des Einkoppelbereiches bei normaler Durchsicht in einem großen Winkel- und Wellenlängenbereich erhalten bleibt. Es kann somit von der auf eine Vorderseite des transparenten Basiskörpers treffenden Strahlung mittels des transparenten Einkoppelbereiches nur ein Teil so umgelenkt werden, dass der umgelenkte Teil als eingekoppelte Strahlung in den Basiskörper durch Reflexion bis zum Auskoppelbereich pro- pagiert und auf den Auskoppelbereich trifft.
Die Transparenz des Einkoppelbereiches ist dabei von der Effizienz der Strahlungseinkopplung abhängig. Mit steigender Einkopplungseffizienz sinkt auch die Transparenz im Einkoppelbereich des funktionalisierten Wellenleiters im Einkoppelbereich. Im Sinne einer größtmöglichen Trans- parenz kann die Strahlungseinkopplung durch z.B. die diffraktive Struktur (insbesondere das mindestens eine Volumenhologramm) gerade so effizient sein, dass eine ausreichende Strah lungsleistung auf den Auskoppelbereich trifft. Der teiltransparente Einkoppelbereich kann so ausgebildet sein, dass die Einkoppeleffizienz z.B. 2%, 5%, 1 0%, 15%, 20%, 25%, 30%, 35%, 40%, 45% oder 50% beträgt. Insbesondere kann die Einkoppeleffizienz im Bereich von 2% - 50% liegen, so dass die Transparenz des Einkoppelbereiches im Bereich von 50% - 98% liegt. Auch der bzw. die Einkoppelbereiche der weiteren Ausführungsbeispiele können solche Einkop peleffizienzen bzw. solche transmissive Eigenschaften aufweisen.
Der transparente Einkoppelbereich ist bevorzugt so ausgebildet, dass die Umlenkung des um gelenkten Teils der auf die Vorderseite des transparenten Basiskörpers treffenden Strahlung als reine Umlenkung erfolgt, die frei von einer abbildenden optischen Funktion (z.B. frei von einer fokussierenden Wirkung) ist.
Die Reflexionen können insbesondere interne Totalreflexionen an der Vorder- und/oder Rück seite des transparenten Basiskörpers sein. Es ist jedoch auch möglich, dass reflektive Schich ten bzw. Beschichtungen oder teilreflektive Schichten oder Beschichtungen dafür vorgesehen sind.
Die Vorder- und Rückseite des teiltransparenten Körpers können als plane Flächen ausgebildet sein. So kann der teiltransparente Basiskörper beispielsweise als planparallele Platte ausgebil det sein.
Es ist jedoch auch möglich, dass die Vorderseite und/oder die Rückseite gekrümmt ausgebildet sind.
Der teiltransparente Basiskörper kann aus Glas und/oder Kunststoff bestehen. Er kann einstü ckig sein oder einen mehrschichtigen Aufbau aufweisen.
Insbesondere kann der transparente Basiskörper für Strahlung bzw. Licht aus dem sichtbaren Wellenlängenbereich transparent sein. Ferner kann eine Transparenz für das nahe Infrarot und/oder den Infrarotbereich vorliegen.
Der Auskoppelbereich des transparenten Basiskörpers kann von der auf ihn treffenden einge koppelten Strahlung mindestens einen Teil so umlenken, dass der umgelenkte Teil aus dem Basiskörper austritt. Bevorzugt erfolgt dies über die Vorderseite oder Rückseite des transparen ten Basiskörpers. Der Auskoppelbereich kann teiltransparent ausgebildet sein. Insbesondere kann die Auskoppel effizienz des Auskoppelbereiches z.B. 2%, 5%, 10%, 15%, 20%, 25%, 30%, 35%, 40%, 45% oder 50% betragen. Insbesondere kann die Auskoppeleffizienz des Auskoppelbereiches im Be reich von 2% - 50% liegen, so dass die Transparenz des Auskoppelbereiches im Bereich von 50% - 98% liegt. Auch der bzw. die Auskoppelbereiche der weiteren Ausführungsbeispiele kön nen solche Auskoppeleffizienzen bzw. solche transmissive Eigenschaften aufweisen.
Die teiltransparente Ausbildung ist beispielsweise vorteilhaft, wenn der Einkoppelbereich und der Auskoppelbereich als diffraktive Strukturen (z.B. als Volumenhologramme) ausgebildet sind. Dann können der Einkoppelbereich und der Auskoppelbereich z.B. in einer Folie ausgebildet sein, was aus fertigungstechnischer Sicht vorteilhaft ist.
Es ist jedoch auch möglich, dass der Auskoppelbereich eine maximale Auskoppeleffizienz auf weist. Dies kann beispielweise durch eine Verspiegelung (bevorzug vollständige Verspiegelung) realisiert sein
Der Einkoppelbereich und der Auskoppelbereich können so ausgebildet sein, dass sie neben der Umlenkung keine optische abbildende Funktion bewirken. Es ist jedoch auch möglich, dass der Einkoppelbereich und/oder der Auskoppelbereich zusätzlich zur Umlenkung eine optische Abbildungsfunktion bereitstellen und somit eine optische Abbildung bewirken. So kann die opti sche Abbildungsfunktion beispielsweise die Funktion einer Sammellinse oder Zerstreuungs linse, eines konkaven oder konvexen Spiegels, wobei die gekrümmten Flächen (zentriert oder dezentriert) sphärisch gekrümmt oder asphärisch gekrümmte Flächen sein können, verwirkli chen.
Die diffraktive Struktur des Einkoppelbereiches kann als vergrabene diffraktive Struktur, als dif fraktive Struktur zwischen zwei Substraten oder als auf der Vorder- oder Rückseite ausgebil dete diffraktive Struktur verwirklicht sein.
Ferner kann der Auskoppelbereich eine diffraktive Struktur aufweisen. Die diffraktive Struktur des Auskoppelbereiches kann als vergrabene diffraktive Struktur oder als diffraktive Struktur auf der Vorderseite oder Rückseite ausgebildet sein.
Als diffraktive Struktur des Einkoppelbereiches bzw. des Auskoppelbereiches kann ein reflekti- ves oder transmissives Volumenhologramm vorgesehen sein. Ferner ist es möglich, dass die diffraktive Struktur des Auskoppel- bzw. Einkoppelbereiches ein transmissives oder reflektives Reliefgitter ist. Der Auskoppelbereich kann ferner eine Spiegelfläche, ein Prisma und/oder eine reflektive oder transmissive Fresnel-Struktur aufweisen. Diese Varianten können alternativ zur diffraktiven Struktur oder zusätzlich zur diffraktiven Struktur des Auskoppelbereiches vorgesehen sein.
Ferner wird ein Detektorsystem mit einem erfindungsgemäßen funktionalisierten Wellenleiter (einschließlich aller Weiterbildungen) bereitgestellt. Das Detektorsystem, das nachfolgend auch Detektionssystem genannt wird, kann einen Detektor aufweisen, auf den der vom Auskoppelbe reich umgelenkte Teil der Strahlung trifft. Der Detektor kann mit der Vorder- oder der Rückseite des Basiskörpers verbunden sein. Insbesondere kann eine direkte Verbindung vorliegen. Der Detektor kann ein digitaler Bildsensor (z.B. ein CCD-Sensor oder ein CMOS-Sensor), eine De- tektorarray oder z.B. eine Solarzelle sein.
Ferner kann das Detektorsystem so ausgebildet sein, dass im Bereich zwischen dem Detektor und der Vorder- bzw. Rückseite mindestens ein optisch abbildendes Element angeordnet ist. Das mindestens eine optisch abbildende Element kann z.B. als Objektiv, als refraktives Objektiv oder als refraktives Kameraobjektiv ausgebildet sein. Es ist auch möglich, dass der Bereich zwi schen dem Detektor und der Vorder- bzw. Rückseite frei von abbildenden optischen Elementen ist. In anderen Worten trifft somit die vom Auskoppelbereich ausgekoppelte Strahlung auf den Detektor, ohne durch weitere optisch abbildende Elemente gelaufen zu sein. In diesem Fall ist es vorteilhaft, wenn der Auskoppelbereich zusätzlich zur Umlenkung eine optisch abbildende Eigenschaft aufweist.
Der funktionalisierte Wellenleiter kann so ausgebildet sein, dass er eine unendlich-unendlich- Abbildung durchführt. Es ist jedoch auch möglich, dass er eine endlich-unendlich-Abbildung, eine unendlich-endlich-Abbildung oder eine endlich-endlich-Abbildung durchführt.
Das Detektorsystem kann natürlich auch so ausgebildet sein, dass zwischen dem Detektor und der Vorder- bzw. Rückseite noch mindestens ein optisch abbildendes Element angeordnet ist. Das mindestens eine optisch abbildende Element dient insbesondere zur Führung des vom Auskoppelbereich umgelenkten Teils der Strahlung und kann z.B. als Linse ausgebildet sein. Das mindestens eine optisch abbildende Element kann z.B. als Objektiv, als refraktives Objektiv oder als refraktives Kameraobjektiv ausgebildet sein.
Bei dem funktionalisierten Wellenleiter kann die Ausdehnung des Einkoppelbereiches in einer zweiten Richtung quer zur ersten Richtung größer sein als die Ausdehnung des Auskoppelbe reiches in der zweiten Richtung. Unter Ausdehnung (oder z.B. Breite) des Einkoppelbereiches wird hier insbesondere die bestimmungsgemäß effektiv genutzte Ausdehnung oder die optisch genutzte Ausdehnung verstanden. Dies ist beispielsweise die Ausdehnung des Abschnitts des Einkoppelbereiches, von dem die umgelenkte Strahlung auf das Detektorsystem trifft. Unter Ausdehnung (oder z.B. Breite) des Auskoppelbereiches wird hier insbesondere die bestim mungsgemäß effektiv genutzte Ausdehnung oder die optisch genutzte Ausdehnung verstanden. Dies ist beispielsweise die Ausdehnung des Abschnitts des Auskoppelbereiches, von dem die umgelenkte Strahlung auf das Detektorsystem trifft.
Ferner können der Einkoppelbereich und der Auskoppelbereich in der zweiten Richtung zuei nander zentriert angeordnet sein.
Es ist jedoch auch möglich, dass der Einkoppelbereich und der Auskoppelbereich in der zwei ten Richtung zueinander dezentriert angeordnet sind.
Es können mehrere Auskoppelbereiche vorgesehen sein, die in der zweiten Richtung nebenei nander angeordnet sind. Mindestens einer der Auskoppelbereiche kann zusätzlich die Funktion der Ablenkung quer zur ersten Richtung aufweisen.
Es kann eine Abstimmung des Sichtfeldes (nachfolgend„Field of View“ oder„FoV“ genannt) des funktionalisierten Wellenleiters an das FoV des Detektors (bzw. des Detektors mit dem min destens einen optisch abbildenden Element, z.B. ein Objektiv) durchgeführt sein. Dies kann ins besondere durch eine Anpassung des Abstandes des Einkoppelbereiches und des Auskoppel bereiches entlang der ersten Richtung und der Ausdehnung des Einkoppelbereiches quer zur ersten Richtung und der Ausdehnung des Auskoppelbereiches quer zur ersten Richtung durch geführt werden. Eine Anpassung des FoV des Detektors (bzw. des Detektors mit dem mindes tens einen optisch abbildenden Element) an das FoV des funktionalisierten Wellenleiters kann durch eine Anpassung der Objektivbrennweite und / oder der Größe des Detektors erfolgen. Bevorzugt entspricht das FoV des funktionalisierten Wellenleiters dem FoV des Detektors (bzw. des Detektors mit dem mindestens einen optisch abbildenden Element). Dies kann durch eine gezielte Einstellung des FoV des funktionalisierten Wellenleiters und/oder eine gezielte Einstel lung des FoV des Detektors (bzw. des Detektors mit dem mindestens einen optisch abbilden den Element) erfolgen.
Es wird ferner ein funktionalisierter Wellenleiter für ein Beleuchtungs- und/oder Projektionssys tem bereitgestellt, wobei der Wellenleiter einen transparenten Basiskörper mit einer Vorderseite und einer Rückseite aufweist. Der transparente Basiskörper kann grundsätzlich in gleicher Weise ausgebildet und weitergebildet werden wie der transparente Basiskörper für den funktio nalisierten Wellenleiter für das Detektorsystem. So kann der Basiskörper einen Einkoppelbereich und einen davon in einer ersten Richtung be- abstandeten Auskoppelbereich aufweisen, wobei der Einkoppelbereich von der Licht- oder Bild quelle des Beleuchtungs- und/oder Projektionssystems kommenden und auf den Einkoppelbe reich treffenden Strahlung mindestens einen Teil so umlenkt, dass der umgelenkte Teil als ein gekoppelte Strahlung im Basiskörper durch Reflexion bis zum Auskoppelbereich propagiert und auf den Auskoppelbereich trifft. Der Auskoppelbereich kann eine Struktur, z.B. eine diffraktive Struktur, umfassen, die die auf sie treffende eingekoppelte Strahlung so umlenkt, dass der um gelenkte Teil aus dem Basiskörper über die Vorderseite und Rückseite austritt. Die diffraktive Struktur kann an die Wellenlängen der von der Licht- oder Bildquelle kommenden Strahlung so angepasst sein, dass möglichst viel Strahlung reflektiert wird. Dennoch kann die diffraktive Struktur noch die gewünschte Transparenz bei z.B. Hindurchblicken aufweisen. Ferner ist es möglich, dass die diffraktive Struktur nur einen Teil der Strahlung von der Licht- oder Bildquelle umlenkt.
Die Struktur des Auskoppelbereiches kann eine transmissive oder reflektive diffraktive Struktur, ein transmissives oder reflektives Volumenhologramm, eine Spiegelfläche, ein Prisma oder ein transmissives oder reflektives Reliefgitter sein.
Damit wird ein Auskoppelbereich bereitgestellt, der transparent ist. Die Ausdehnung des Aus koppelbereiches in einer zweiten Richtung quer zur ersten Richtung kann größer sein als die Ausdehnung des Einkoppelbereiches in der zweiten Richtung.
Es wird ferner ein Beleuchtungs- und/oder Projektionssystem mit einem funktionalisierten Wel lenleiter für ein solches Beleuchtungs- und/oder Projektionssystem bereitgestellt, wobei zusätz lich eine Licht- und/oder Bildquelle vorgesehen ist, deren Licht auf den Einkoppelbereich trifft.
Bei dem funktionalisierten Wellenleiter für ein Detektorsystem kann der Einkoppelbereich min destens zwei Volumenhologramme umfassen, die jeweils von einem zu detektierenden Objekt kommenden und auf die Vorderseite treffenden Strahlung nur einen Teil so umlenken, dass der umgelenkte Teil als eingekoppelte Strahlung im Basiskörper durch Reflexion bis zum Auskop pelbereich propagiert und auf den Auskoppelbereich trifft. Die Volumenhologramme des Ein koppelbereiches können sich dadurch unterscheiden, dass ihre Umlenkfunktion unterschiedli che spektrale Winkeleigenschaften aufweist. Dadurch können bei gleichem Einfallswinkel unter schiedliche Wellenlängen umgelenkt werden. Der Auskoppelbereich lenkt von der auf ihn tref fenden eingekoppelten Strahlung mindestens einen Teil so um, dass der umgelenkte Teil aus dem Basiskörper austritt (bevorzugt über die Vorder- oder Rückseite), um auf das Detektorsys tem zu treffen. Mit einem solchen Wellenleiter können mehr Farben übertragen werden, da die Volumenholo gramme des Einkoppelbereiches unterschiedliche spektrale Winkeleigenschaften aufweisen und somit bei gleichen Einfallswinkeln unterschiedliche Wellenlängen so umlenken, dass sie Teil der eingekoppelten Strahlung im Basiskörper sind.
Die Volumenhologramme des Einkoppelbereiches können benachbart (mit oder ohne Abstand voneinander) angeordnet sein, insbesondere können sie in der ersten Richtung benachbart an geordnet sein. Es ist jedoch auch möglich, dass die Volumenhologramme des Einkoppelberei ches aufeinander bzw. übereinander (also bevorzugt in einer Stapelrichtung, die quer zur ersten Richtung und quer zur zweiten Richtung ist) angeordnet sind, so dass quasi ein Schichtstapel von Volumenhologrammen vorliegt. Alternativ oder zusätzlich können die Funktionen einiger o- der aller Volumenhologramme des Einkoppelbereiches in ein einziges Volumenhologramm im plementiert sein. Eine solche Implementierung wird auch Multiplexing genannt. Diese möglichen Ausgestaltungen des Einkoppelbereiches können bei allen beschriebenen Ausführungsbeispie len vorgesehen werden.
Der Auskoppelbereich kann für jedes Volumenhologramm des Einkoppelbereiches ein zugeord netes Volumenhologramm aufweisen, das die gleiche spektrale Winkeleigenschaft bei der Um lenkung bereitstellt wie das entsprechende Volumenhologramm des Einkoppelbereiches. Damit kann die Dispersion der Volumenhologramme des Einkoppelbereiches kompensiert werden.
Die Volumenhologramme des Auskoppelbereiches können benachbart (mit oder ohne Abstand voneinander) angeordnet sein, insbesondere können sie in der ersten Richtung benachbart an geordnet sein. Es ist jedoch auch möglich, dass die Volumenhologramme des Auskoppelberei ches aufeinander bzw. übereinander (also bevorzugt in einer Stapelrichtung, die quer zur ersten Richtung und quer zur zweiten Richtung ist) angeordnet sind, so dass quasi ein Schichtstapel von Volumenhologrammen vorliegt. Alternativ oder zusätzlich können die Funktionen einiger o- der aller Volumenhologramme des Auskoppelbereiches in ein einziges Volumenhologramm im plementiert sein. Eine solche Implementierung wird auch Multiplexing genannt. Diese möglichen Ausgestaltungen des Auskoppelbereiches können bei allen beschriebenen Ausführungsbeispie len vorgesehen werden.
Die Volumenhologramme des Einkoppelbereiches können als reflektive oder transmissive Volu menhologramme ausgebildet sein. Gleiches gilt für die Volumenhologramme des Auskoppelbe reiches.
Der Einkoppelbereich kann mindestens oder genau 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, bis zu 40, bis zu 50 oder bis zu 1 00 (oder jeder Wert zwischenl und 100) Volumenhologramme aufweisen. Bei dem funktionalisierten Wellenleiter für ein Detektorsystem kann der Einkoppelbereich meh rere diffraktive Einkoppelstrukturen aufweisen, die in der ersten Richtung benachbart sind und sich dadurch unterscheiden, dass sie unterschiedliche horizontale Sichtfelder in einer Ebene, die durch ein Lot auf die Vorderseite und einer zweiten Richtung quer zur ersten Richtung auf gespannt ist, aufweisen, so dass sie Strahlung aus den unterschiedlichen horizontalen Sichtfel dern zum Auskoppelbereich hin umlenken.
Damit kann ein größeres horizontales Sichtfeld aufgenommen und zu einem Detektor geleitet werden.
Die diffraktiven Einkoppelstrukturen können so ausgebildet sein, dass sie die Strahlung aus den unterschiedlichen horizontalen Sichtfeldern zum Auskoppelbereich hin umlenken.
Damit kann ein größeres horizontales Sichtfeld aufgenommen und zu einem Detektor geleitet werden.
Die diffraktiven Einkoppelstrukturen können so ausgebildet sein, dass sie die Strahlung aus den unterschiedlichen horizontalen Sichtfeldern bei der Umlenkung durch unterschiedliche umge lenkte Wellenlängen kodieren, so dass die Auskopplung und/oder Detektion selektiv für die ver schiedenen horizontalen Sichtfelder möglich ist.
Der Auskoppelbereich kann für die diffraktive Einkoppelstruktur eine zugeordnete diffraktive Auskoppelstruktur aufweisen, die selektiv Strahlung mit Wellenlängen der zugeordneten diffrak tiven Einkoppelstruktur umlenkt.
Die diffraktiven Auskoppelstrukturen können die Strahlung der zugeordneten Einkoppelstruktu ren so umlenken, dass sie auf örtlich unterschiedliche Bereiche eines Detektorsystems treffen.
Es kann für mindestens einen örtlich unterschiedlichen Bereich des Detektors ein Farbfilter vor gesehen sein, der nur den entsprechenden Wellenlängenbereich zum Detektor leitet.
Die diffraktiven Einkoppelstrukturen können so ausgebildet sein, dass sie die Strahlung aus den unterschiedlichen Umlenkwinkelbereichen kodieren, so dass die Auskopplung und/oder Detek tion selektiv für die verschiedenen horizontalen Sichtfelder möglich ist.
Der Einkoppelbereich kann vor jeder diffraktiven Einkoppelstruktur eine Abschattungsblende mit einer Lamellenstruktur aufweisen, die für jede diffraktive Einkoppelstruktur ein unterschiedliches vertikales Sichtfeld in einer Ebene festlegt, die durch ein Lot auf die Vorderseite und der ersten Richtung aufgespannt ist.
Der Auskoppelbereich kann für jede diffraktive Einkoppelstruktur eine zugeordnete diffraktive Auskoppelstruktur aufweisen, die selektiv Strahlung aus den unterschiedlichen Umlenkwinkel bereichen der zugeordneten diffraktiven Einkoppelstrukturen umlenkt. Die diffraktiven Auskop pelstrukturen können der ersten Richtung benachbart angeordnet sein.
Die diffraktiven Auskoppelstrukturen können jeweils als reflektives oder transmissives Volumen hologramm ausgebildet sein.
Der funktionalisierte Wellenleiter für ein Detektorsystem kann so ausgebildet oder weitergebil det sein, dass der Einkoppelbereich entlang der zweiten Richtung mindestens zwei unterschied liche diffraktive Einkoppelstrukturen aufweist, die sich darin unterscheiden, dass sie eine unter schiedliche Umlenkungskomponente in der zweiten Richtung aufweisen.
Damit liegt eine höhere Effizienz hinsichtlich der Ausnutzung der eingekoppelten Strahlung vor.
Die Umlenkungskomponente in der zweiten Richtung kann für jede der diffraktiven Einkoppel strukturen, die entlang der zweiten Richtung zum Auskoppelbereich versetzt sind, so gewählt sein, dass der vorliegende Versatz für die eingekoppelte Strahlung kompensiert wird.
Der Auskoppelbereich kann so ausgebildet sein, dass er die von den unterschiedlichen diffrakti ven Einkoppelstrukturen eingekoppelte Strahlung in den gleichen Winkelbereich umlenkt.
Der funktionalisierte Wellenleiter für ein Detektorsystem kann so ausgebildet oder weitergebil det sein, dass der Einkoppelbereich ein Einkoppelreliefgitter umfasst und der Auskoppelbereich ein Auskoppelreliefgitter umfasst.
Insbesondere können das Einkoppelreliefgitter und das Auskoppelreliefgitter die gleiche Gitter periode aufweisen.
Der funktionalisierte Wellenleiter kann auch als Bildschirm mit einem transparenten Basiskörper ausgebildet sein. In diesem Fall kann der transparente Basiskörper Teil eines Bildschirms sein.
Der Bildschirm kann beispielsweise der Bildschirm einer tragbaren Vorrichtung (wie z.B. ein Smartphone oder ein Laptop), ein stationärer Bildschirm oder ein sonstiger Bildschirm, der z.B. in einem Kraftfahrzeug eingebaut ist, sein. Der Auskoppelbereich kann entlang der ersten Richtung näher am Rand des Basiskörpers an geordnet sein als der Einkoppelbereich.
Ferner kann der Einkoppelbereich an der Rückseite angeordnet sein.
Ferner kann der Bildschirm eine auf der Rückseite des Basiskörpers angeordnete Licht emittie rende Schicht aufweisen und der Einkoppelbereich kann zwischen dem Basiskörper und der Licht emittierenden Schicht angeordnet sein.
Der Bildsensor kann an der Rückseite des Basiskörpers in einem Bereich angeordnet sein, der als anzeigender Bereich des Bildschirms dient und der während der Aufnahme mittels des Bildsensors dunkel geschaltet wird.
Der Bildschirm kann eine zusätzliche Kamera aufweisen, die das Objekt aufnimmt, wobei die Aufnahme der Kamera dazu benutzt wird, um eine Aufnahme des Objekts mittels des
Bildsensors nachzukolorieren.
Der Bildschirm kann eine auf der Rückseite des Basiskörpers angeordnete Licht emittierende Schicht aufweisen, die ein reelles Bild erzeugt. Dazu kann die Licht emittierende Schicht z.B. Licht emittierende Pixel aufweisen. In diesem Fall wird das reelle Bild in der Ebene der Pixel er zeugt. Die Pixel können jeweils einen Abstrahlwinkel von mindestens 50°, 60°, 70°, 80°, 90°,
100°, 1 1 0°, 120°, 130°, 140°, 150°, 160°, 1 70° bis kleiner als 1 80° aufweisen.
Da diese pixelierte Licht emittierende Schicht auf der Rückseite des Basiskörpers angeordnet ist, wird das von den Pixeln emittierte Licht durch den Basiskörper transmittiert und erreicht ei nen Betrachter.
Um zu vermeiden, dass von der Licht emittierenden Schicht abgestrahltes Licht an der diffraktiven Struktur des Einkoppelbereiches gebeugt wird und so den Betrachter nicht erreicht, kann die dif- fraktive Struktur des Einkoppelbereiches so gestaltet werden, dass nur Licht mit einer bestimmten Polarisation gebeugt und damit im Basiskörper (bzw. Wellenleiter) geführt wird. Das von der Licht emittierenden Schicht emittierte Licht kann dann eine für die diffraktive Struktur des Einkoppel bereiches ineffiziente Polarisation aufweisen und ungestört durch die diffraktive Struktur des Ein koppelbereiches transmittieren. Damit stellt die Licht emittierende Schicht keine Quelle für Falschlicht mehr da und es ist nicht mehr notwendig, die pixelierte Licht emittierende Schicht im Bereich des Einkoppelbereichs zur Vermeidung der Einkopplung von Falschlicht während der Aufnahme mittels des Bildsensors dunkel zu schalten oder auszusparen. Möglichkeiten für eine definierte Polarisation wären u.a. LCD-Displays oder das Aufbringen einer Polarisationsfolie zwischen der Licht emittierenden Schicht und dem Basiskörper.
Der funktionalisierte Wellenleiter (oder das beschriebene Detektorsystem) kann so ausgebildet oder weitergebildet werden, dass er als funktionalisierte Scheibe (oder als Detektorsystem) für ein Fahrzeug bereitgestellt wird. Bei dem Fahrzeug kann es sich um ein Kraftfahrzeug, ein LKW, ein Fluggerät, ein motorisiertes oder nicht motorisiertes Fahrzeug oder um ein sonstiges Fahrzeug handeln. Die Scheibe kann eine beliebige Scheibe des Fahrzeugs sein, wie z.B. die Windschutzscheibe, eine Seitenscheibe oder eine Heckscheibe. Insbesondere können mehrere Scheiben (bzw. Detektorsysteme) für ein Fahrzeug bereitgestellt werden. Mit diesen können z.B. die Position einer Person oder eines Gegenstandes innerhalb des Fahrzeugs detektiert werden. Ferner wird ein Fahrzeug mit einer oder mehrerer solcher funktionalisierter Scheiben (oder mit einem oder mehreren Detektorsystemen) bereitgestellt.
Der Auskoppelbereich kann entlang der ersten Richtung näher am Rand des Basiskörpers an geordnet sein als der Einkoppelbereich.
Die so funktionalisierte Scheibe kann in einem Detektorsystem (bzw. Detektionssystem) einge setzt sein, das in der beschriebenen Art und Weise aus- und weitergebildet sein kann. Insbe sondere kann ein Detektor vorgesehen sein, auf den der vom Auskoppelbereich umgelenkte Teil der Strahlung trifft. Zwischen dem Auskoppelbereich und dem Detektor kann das Detekti onssystem mindestens ein optisch abbildendes Element aufweisen. Das mindestens eine op tisch abbildende Element kann z.B. als Objektiv, als refraktives Objektiv oder als refraktives Ka meraobjektiv ausgebildet sein.
Der Basiskörper kann einen weiteren Einkoppelbereich und einen davon in der ersten Richtung beabstandeten weiteren Auskoppelbereich aufweisen, wobei der weitere Einkoppelbereich von der von einer Licht- oder Bildquelle kommenden und auf den weiteren Einkoppelbereich treffen den Strahlung mindestens einen Teil so umlenkt, dass der umgelenkte Teil als eingekoppelte weitere Strahlung im Basiskörper durch Reflexionen bis zum weiteren Auskoppelbereich propa giert und auf den weiteren Auskoppelbereich trifft. Der weitere Auskoppelbereich kann eine Struktur, z.B. eine diffraktive Struktur, umfassen, die die auf sie treffende eingekoppelte weitere Strahlung so umlenkt, dass der umgelenkte Teil aus dem Basisköper durch die Vorderseite o- der Rückseite austritt, um die gewünscht Beleuchtung und/oder Projektion zu bewirken. Die dif fraktive Struktur kann an die Wellenlängen der von der Licht- oder Bildquelle kommenden Strahlung so angepasst sein, dass möglichst viel Strahlung reflektiert wird. Dennoch kann die diffraktive Struktur noch die gewünschte Transparenz bei z.B. Hindurchblicken aufweisen. Fer ner ist es möglich, dass die diffraktive Struktur nur einen Teil der Strahlung von der Licht- oder Bildquelle umlenkt.
Die Struktur des weiteren Auskoppelbereiches kann eine transmissive oder reflektive diffraktive Struktur, ein transmissives oder reflektives Volumenhologramm, eine Spiegelfläche, ein Prisma oder ein transmissives oder reflektives Reliefgitter sein.
Damit wird eine Scheibe bereitgestellt, die zwei zusätzliche optische Funktionalitäten aufweist.
Die eingekoppelte Strahlung und die eingekoppelte weitere Strahlung können beispielsweise mindestens abschnittsweise im selben Bereich im Basiskörper in entgegengesetzter Richtung propagieren. Es wird somit derselbe Übertragungskanal in unterschiedlicher Richtung genutzt.
Natürlich können die eingekoppelte Strahlung und die eingekoppelte weitere Strahlung auch vollständig in unterschiedlichen Bereichen im Basiskörper propagieren.
Der Einkoppelbereich und der weitere Auskoppelbereich können mindestens zum Teil im sel ben Bereich im Basiskörper ausgebildet sein. Sie können beispielsweise in einer integrierten Art und Weise zusammen ausgebildet sein, sie können übereinander gestapelt ausgebildet sein und/oder sie können sich teilweise überlappen.
Ferner ist es möglich, dass der Einkoppelbereich und der weitere Auskoppelbereich in unter schiedlichen Bereichen im Basiskörper ausgebildet sind.
Ferner kann der funktionalisierte Wellenleiter als funktionalisierte Scheibe zur Beleuchtung und/oder Projektion ausgebildet oder weitergebildet werden, wobei der Basiskörper einen Ein koppelbereich und davon in einer ersten Richtung beabstandeten Auskoppelbereich aufweist. Der Einkoppelbereich lenkt von der von einer Licht- oder Bildquelle kommenden und auf den Einkoppelbereich treffenden Strahlung mindestens einen Teil so um, dass der umgelenkte Teil als eingekoppelte Strahlung im Basiskörper durch Reflexion bis zum Auskoppelbereich propa giert und auf den Auskoppelbereich trifft. Der Auskoppelbereich kann eine Struktur, z.B. eine diffraktive Struktur, umfassen, die die auf sie treffende eingekoppelte Strahlung so umlenkt, dass der umgelenkte Teil aus dem Basiskörper (bevorzugt über die Vorderseite oder Rückseite) austritt, um die gewünschte Beleuchtung und/oder Projektion zu bewirken. Die diffraktive Struk tur des Auskoppelbereiches ist bevorzugt teiltransparent. Die diffraktive Struktur kann an die Wellenlängen der von der Licht- oder Bildquelle kommenden Strahlung so angepasst sein, dass möglichst viel Strahlung reflektiert wird. Dennoch kann die diffraktive Struktur noch die ge wünschte Transparenz bei z.B. Hindurchblicken aufweisen. Ferner ist es möglich, dass die dif fraktive Struktur nur einen Teil der Strahlung von der Licht- oder Bildquelle umlenkt.
Die Struktur des Auskoppelbereiches kann eine transmissive oder reflektive diffraktive Struktur, ein transmissives oder reflektives Volumenhologramm, eine Spiegelfläche, ein Prisma oder ein transmissives oder reflektives Reliefgitter sein.
Ferner kann der erste Einkoppelbereich für die Detektion eine größere horizontale Ausdehnung aufweisen als der erste Auskoppelbereich für die Detektion und kann der zweite Auskoppelbe reich für die Projektion und/oder Beleuchtung eine größere horizontale Ausdehnung sowie grö ßere vertikale Ausdehnung als der zweite Einkoppelbereich für die Projektion und/oder Be leuchtung aufweisen.
So kann sich im oberen, sichtbaren Bereich des transparenten Basiskörpers ein holografischer Streifen für die Detektion (keine Pupillenreplikation erforderlich) sowie eine holographische Flä che für die Projektion und oder Beleuchtung befinden, wobei die holografische Fläche in der Regel in horizontaler und vertikaler Richtung eine größere Ausdehnung zur Positionierung der Augen aufweisen kann als der zweite Einkoppelbereich im nicht sichtbaren Bereich des trans parenten Basiskörpers.
Der erste Einkoppelbereich und der zweite Auskoppelbereich können in einem sichtbaren Be reich des transparenten Basiskörpers liegen (insbesondere wenn der funktionalisierte Wellenlei ter Teil eines Detektorsystems sowie Beleuchtungs- und/oder Projektionssystems ist).
Es wird ferner ein Beleuchtungs- und/oder Projektionssystem mit einer funktionalisierten Scheibe zur Beleuchtung und/oder Projektion bereitgestellt. Das Beleuchtungs- und/oder Pro jektionssystem kann weiter eine Licht- oder Bildquelle aufweisen.
Der funktionalisierte Wellenleiter kann so ausgebildet oder weitergebildet werden, dass er nicht nur für ein Detektorsystem, sondern auch für ein Beleuchtungs- und/oder Projektionssystem ge eignet ist. Dazu kann der Basiskörper einen zweiten Auskoppelbereich aufweisen, der vom Licht einer Licht- oder Bildquelle, das als Beleuchtungsstrahlung auf den zweiten Auskoppelbe reich trifft, mindestens einen Teil so umlenkt, dass der umgelenkte Teil zur Beleuchtung und/o der Projektion dient.
Der zweite Auskoppelbereich kann in gleicher Weise wie der bisher beschriebene Auskoppelbe reich bzw. der erste Auskoppelbereich aus- und weitergebildet werden. Der Wellenleiter kann so ausgebildet sein, dass der Basiskörper einen zweiten Einkoppelbe reich aufweist, der das Licht von der Licht- oder Bildquelle so umlenkt, dass der Basiskörper durch Reflexionen bis zum zweiten Auskoppelbereich propagiert und auf diesen trifft.
Alternativ oder zusätzlich kann das Licht von der Licht- oder Bildquelle als Freistrahl auf den Basiskörper und dadurch auf den zweiten Auskoppelbereich treffen, so dass es nicht im Basis körper durch Reflexion geführt ist.
Es wird ferner eine Detektionssystem sowie Beleuchtungs- und/oder Projektionssystem mit ei nem funktionalisierten Wellenleiter für ein Detektorsystem sowie ein Beleuchtungs- und/oder Projektionssystem bereitgestellt. Das System kann die Licht- oder Bildquelle aufweisen.
Die beschriebenen unterschiedlichen Ausbildungen des funktionalisierten Wellenleiters, des funktionalisierten Bildschirms und der funktionalisierten Scheibe können, soweit technisch sinn voll, miteinander kombiniert werden. Es ist auch möglich, dass einzelne Merkmalsgruppen un tereinander ausgetauscht werden.
Das erfindungsgemäße Detektionssystem kann als Kamera (z.B. Digitalkamera oder Videoka mera) ausgebildet sein.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinatio nen oder in Alleinstellung einsetzbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, die ebenfalls erfindungswesentliche Merkmale offenbaren, noch nä her erläutert. Diese Ausführungsbeispiele dienen lediglich der Veranschaulichung und sind nicht als einschränkend auszulegen. Beispielsweise ist eine Beschreibung eines Ausführungsbei spiels mit einer Vielzahl von Elementen oder Komponenten nicht dahingehend auszulegen, dass alle diese Elemente oder Komponenten zur Implementierung notwendig sind. Vielmehr können andere Ausführungsbeispiele auch alternative Elemente und Komponenten, weniger Elemente oder Komponenten oder zusätzliche Elemente oder Komponenten enthalten. Ele mente oder Komponenten verschiedener Ausführungsbespiele können miteinander kombiniert werden, sofern nichts anderes angegeben ist. Modifikationen und Abwandlungen, welche für eines der Ausführungsbeispiele beschrieben werden, können auch auf andere Ausführungsbei spiele anwendbar sein. Zur Vermeidung von Wiederholungen werden gleiche oder einander entsprechende Elemente in verschiedenen Figuren mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet und nicht mehrmals erläutert. Von den Figuren zeigen:
Fig. 1 eine Seitenansicht einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Detektorsystems;
Fig. 2 eine Draufsicht des Wellenleiters 1 von Fig. 1 ;
Fig. 3 eine Ansicht von oben auf den Wellenleiter 1 ;
Fig. 4 eine schematische Darstellung der spektral aufgelösten, winkelabhängigen Ablenkeffi zienz des reflektiven Volumenhologramms des Einkoppelbereiches 4;
Fig. 5 eine schematische Darstellung der Ablenkeffizienz für drei unterschiedliche Einfalls winkel in Abhängigkeit der Wellenlänge;
Fig. 6 eine vergrößerte Ausschnittsdarstellung einer Seitenansicht zur Erläuterung der durch die Detektorpixel bewirkten Mittelung über einen definierten Winkelbereich;
Fig. 7A-7C Draufsichten auf den Wellenleiter zur Erläuterung unterschiedlicher Breitenverhält nisse zwischen Einkoppel- und Auskoppelbereich;
Fig. 7D eine Ansicht von oben zur Erläuterung der möglichen Einschränkung des horizontalen Sichtfeldes bei einem Detektorsystem 2 mit Objektiv 1 ;
Fig.8A und 8B weitere Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Wellenleiters 1 ;
Fig. 8C eine vergrößerte Seitenansicht des Bereiches des Auskopplung des Wellenleiters 1 zur Erläuterung einer möglichen Reduzierung des vertikalen Sichtfeldes;
Fig. 9A und 9B Darstellung zur Erläuterung der Herstellung eines Volumenhologramms für den Einkoppelbereich;
Fig. 10 eine Draufsicht auf den Wellenleiter gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels;
Fig. 1 1 A-F Seitenansichten des Einkoppelbereiches des Wellenleiters von Fig. 10;
Fig. 12 eine schematische Darstellung der spektral aufgelösten, winkelabhängigen Ablenkeffi zienz des Einkoppelbereiches gemäß Fig. 10;
Fig. 13A-13C zeigt schematisch die Ablenkeffizienz verschiedener Einfallswinkel in Abhängig keit der Wellenlänge;
Fig. 14A-F schematische Seitenansichten zur Erläuterung des Auskoppelbereiches des Wellen leiters gemäß Fig. 10;
Fig. 15 schematische Darstellung der spektral aufgelösten, winkelabhängigen Ablenkeffizienz für den Einkoppelbereich eines Wellenleiters mit für 40 unterschiedliche Volumenholo gramme;
Fig. 16 eine Draufsicht eines erfindungsgemäßen Wellenleiters gemäß eines weiteren Aus führungsbeispiels;
Fig. 17 eine Ansicht von oben des Wellenleiters von Fig. 16;
Fig. 18A, 18B Seitenansichten des Einkoppelbereiches zur Erläuterung der Funktionsweise des Wellenleiters gemäß Figuren 16 und 17; Fig. 19A-19C zeigt schematisch die Einfallswinkel - und spektral abhängige Effizienz der lateral zueinander versetzten Einkoppelvolumenhologramme des Wellenleiters gemäß Fig. 16;
Fig. 20 zeigt schematisch das spektrale winkelabhängige Spektrum der Auskoppelholo
gramme der Ausführungsform gemäß Fig. 16 inklusive spektrale Filterung;
Fig. 21 und 22 Draufsichten auf zwei unterschiedliche Wellenleiter 1 zur Erläuterung eines wei teren Ausführungsbeispiels;
Fig. 23 eine Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wellen leiters;
Fig. 24 eine schematische Darstellung des geometrischen Übertragungsspektrums des Wel lenleiters gemäß Fig. 23;
Fig. 25 eine vergrößerte Seitenansicht des Auskoppelbereiches des Wellenleiters von Fig. 23;
Fig. 26 eine schematische Darstellung des geometrischen Übertragungsspektrums bei einer Vignettierung durch die Eintrittspupille des Detektorsystems;
Fig. 27 zeigt schematisch einen simulierten Querschnitt durch eine Gitterperiode des vergra benen Einkoppelgitters des Wellenleiters gemäß Fig. 23;
Fig. 28 zeigt schematisch die Beugungseffizienz des Reliefgitters in Abhängigkeit der Wellen länge;
Fig. 29 zeigt die Draufsicht eines weiteren Ausführungsbeispiels;
Fig. 30 zeigt eine Seitenansicht des Ausführungsbeispiels von Fig. 29;
Fig. 31 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel;
Fig. 32 zeigt die Seitenansicht zu Fig. 31 ;
Fig. 33 zeigt eine schematische Darstellung für ein optisches System;
Fig. 34 zeigt das optische System gemäß Fig. 33 mit einem erfindungsgemäßen Wellenleiter;
Fig. 35 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Wellenleiters, das ins besondere zur Projektion und/oder Beleuchtung verwendet werden kann;
Fig. 36 zeigt die Seitenansicht des Wellenleiters von Fig. 35;
Fig. 37 zeigt die Ansicht von oben des Wellenleiters von Fig. 35.
Fig. 38-40 zeigen schematisch die Beleuchtung bzw. Projektion mit einem Wellenleiter;
Fig. 41 A-41 C zeigen die Beleuchtung bzw. Projektion, bei der ein Freistrahlengang von der
Licht-/Beleuchtungsquelle bis zum Auskoppelbereich vorliegt, wobei der Auskopppel- bereich reflektiv genutzt wird;
Fig. 42A-42C zeigt die entsprechende Anordnung gemäß Fig.41 A-41 C, wenn der Auskoppelbe reich transmissiv genutzt wird;
Fig. 43A-43C zeigt eine Variante der Kombination der Detektion mit der Projektion bzw. Be leuchtung;
Fig. 44A-44C zeigt eine weitere Variante der Kombination der Detektion mit der Projektion bzw.
Beleuchtung; Fig. 44D-44F zeigt eine weitere Variante der Kombination der Detektion mit der Beleuchtung bzw. Projektion;
Fig. 45 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem der Wellenleiter in einem Mikroskop genutzt wird;
Fig. 46-46D zeigt Ausführungsbeispiele der Integration des Wellenleiters bzw. Ausbildung des Wellenleiters in einer Windschutzscheibe eines Fahrzeugs, und
Fig. 47A-47C zeigt Varianten der Integration des erfindungsgemäßen Wellenleiters in einer Sei tenscheibe eines PKWs.
Die Ansichten gemäß Fig. 1 bis 3 zeigen eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wel lenleiters 1 zusammen mit einem Detektorsystem 2, um eine Kamera 3 zu realisieren.
Der Wellenleiter 1 umfasst dazu einen Einkoppelbereich 4 sowie einen davon beabstandeten Auskoppelbereich 5 und kann, wie in Fig. 1 bis 3 gezeigt ist, auf einer planparallelen Platte 6 mit einer planen Vorderseite 7 und einer planen Rückseite 8 ausgebildet sein. Die planparallele Platte 6, die auch als Basiskörper 6 bezeichnet werden kann, ist aus einem transparenten Ma terial, wie z. B. Glas oder Kunststoff, gebildet.
Das Detektorsystem 2 und der untere Teil der Platte 6 mit dem Auskoppelbereich 5 können in einem nur in Fig. 1 schematisch dargestellten Gehäuse G angeordnet sein, so dass für einen Benutzer auf den ersten Blick nicht erkennbar ist, dass es sich um eine Kamera 3 handelt.
Mit der Kamera 3 kann ein Objekt 9 in der Art und Weise abgebildet werden, dass vom Objekt 9 ausgehende Lichtbündel L1 , L2, L3 über die Vorderseite 7 in die Platte 6 eintreten und vom Ein koppelbereich 4 so umgelenkt werden, dass sie unter einem solchen Winkel auf die Vorderseite 7 treffen, dass interne Totalreflexion stattfindet. Somit werden die Lichtbündel L1 , L2 und L3 durch interne Totalreflexion an der Vorderseite 7 und Rückseite 8 bis zum Auskoppelbereich 5 geführt, der eine Umlenkung in Richtung zur Vorderseite 7 bewirkt, so dass die Lichtbündel L1 - L3 über die Vorderseite 7 aus der Platte austreten. Die Lichtbündel L1 - L3 propagieren somit im Wellenleiter 1 entlang einer ersten Richtung R1 (hier y-Richtung) vom Einkoppel- zum Aus koppelbereich 4, 5.
Mittels eines Objektives 10 des Detektorsystems 2 werden die Lichtbündel L1 - L3 dann auf ei nen Detektor 1 1 des Detektorsystems 2 fokussiert, so dass mittels des Detektors 1 1 das ge wünschte Bild des Objektes 9 aufgenommen werden kann. Der Einkoppelbereich 4 ist als reflektives Volumenhologramm ausgebildet, das eine einfallswin kelabhängige Wellenlängenselektivität aufweist, so dass es für einen großen Winkel- und Wel lenlängenbereich eine hohe Transparenz besitzt (wie durch das transmittierte Lichtbündel L1‘ in Fig. 1 angedeutet ist; andere transmittierte Lichtbündel sind zur Vereinfachung der Darstellung nicht eingezeichnet). Das bedeutet, dass nur ein Teil der vom Objekt 9 ausgehenden und auf den Einkoppelbereich 4 treffenden Lichtbündel L1 - L3 in der beschriebenen Art und Weise um gelenkt werden. Andere Lichtbündel vom Objekt 9 propagieren durch den Einkoppelbereich 4 und treten über die Rückseite 8 aus der Platte 6 aus. Somit kann der Einkoppelbereich 4 als teiltransparent bezeichnet werden.
In Fig. 4 ist schematisch die spektral aufgelöste, winkelabhängige Ablenkeffizienz für das reflek- tive Volumenhologramm des Einkoppelbereiches 4 in Abhängigkeit des Einfallswinkels des ent sprechenden Lichtbündels dargestellt, wobei entlang der x-Achse die Wellenlänge in pm und entlang der y-Achse der Einfallswinkel in ° aufgetragen ist. In Fig. 5 ist die Ablenkeffizienz für die Einfallswinkel + 20°, 0° und - 20° dargestellt, wobei die Wellenlänge in nm entlang der x- Achse und die Effizienz entlang der y-Achse aufgetragen ist.
Aus Fig. 4 und 5 kann entnommen werden, dass das reflektive Volumenhologramm des Einkop pelbereiches 4 für einen Einfallswinkel von - 20° Strahlung aus dem Spektralbereich von 392 nm bis 398 nm (Azentrai = 395 nm ± 3 nm) mit hoher Effizienz ablenkt und somit in die planparal lele Platte 6 einkoppelt. Für Einfallswinkel von 0° liegt die hohe Effizienz für den Spektralbereich von 528 nm bis 536 nm (Azentrai = 532 nm ± 4 nm) vor und für den Einfallswinkel von + 20° liegt eine hohe Einkoppeleffizienz für den Spektralbereich von 600 nm bis 61 0 nm (Azentrai = 605 nm ± 5 nm).
Da der Wellenleiter 1 gemäß Fig. 1 bis 3 so ausgebildet ist, dass weder der Einkoppelbereich 4 noch der Auskoppelbereich 5 eine abbildende Funktion aufweist, liegt eine Unendlich-Unend- lich-Konfiguration des Wellenleiters 1 vor. Man kann auch sagen, dass der Wellenleiter 1 eine Unendlich-Unendlich-Abbildung durchführt. Damit führt die spektrale und winkelabhängige Ab lenkeffizienz des reflektiven Volumenhologramms des Einkoppelbereiches 4 dazu, dass jeder Feldwinkel (und somit jeder Punkt des abgebildeten Objektes 9) nach der Einkopplung mittels des Einkoppelbereiches 4 nur aus einem kleinen Spektralbereich, wie unter Bezugnahme auf Fig. 4 und 5 erläutert wurde, besteht. Dadurch ergibt sich eine spektral aufgelöste Winkelvertei lung, die auf dem Detektor 1 1 letztendlich zu einem Bild mit spektralem Verlauf (bzw. mit Farb- verlauf) führt. Die mittels des Auskoppelbereiches 5 ausgekoppelten Lichtbündel L1 - L3 wer den somit mit einem Winkelspektrum ausgekoppelt, das mittels des Objektives 10 in eine Orts verteilung auf dem Detektor 1 1 überführt wird. Der Detektor 1 1 kann z. B. ein CCD-Detektor o- der ein CMOS-Detektor sein. Da der Einkoppelbereich 4 das reflektive Volumenhologramm aufweist, führt die Einkopplung mittels des reflektiven Volumenhologramms zu einer Dispersion innerhalb des eingekoppelten Spektralbereiches für jeden Winkel. Wenn der Auskoppelbereich 5 ein in gleicher Weise ausge bildetes reflektives Volumenhologramm wie der Einkoppelbereich 4 aufweist, wird die durch den Einkoppelbereich 4 bedingte Dispersion kompensiert und alle spektralen Anteile werden wieder in den entsprechenden Winkel abgelenkt.
Alternativ zur beschriebenen Unendlich-Unendlich-Konfiguration des Wellenleiters 1 kann der Einkoppelbereich 4 und/oder der Auskoppelbereich 5 z. B. eine abbildende Funktion in Form einer Linsenfunktion oder Hohlspiegelfunktion aufweisen. Dadurch können Endlich-Unendlich-, Unendlich-Endlich- oder Endlich-Endlich-Abbildungskonfigurationen mittels des Wellenleiters 1 realisiert werden. Bei dem Einkoppelbereich 4 kann dies beispielsweise dazu genutzt werden, um ein Objekt 9 aufzunehmen, das so nah an dem Wellenleiter 1 positioniert ist, das optisch nicht mehr von einem unendlich weit entfernten Objekt ausgegangen werden kann. Beim Aus koppelbereich 5 ermöglicht eine Implementierung einer solchen Linsen- oder Hohlspiegelfunk tion, das ausgekoppelte Winkelspektrum gleich in eine Ortsverteilung in der Brennebene dieser implementierten Linsen- oder Spiegelfunktion zu überführen. In diesem Fall kann das Objektiv 9 z. B. weggelassen werden. In diesem Fall kann man sagen, dass das Detektorsystem 2 den Detektor 1 1 sowie die Linsen- und/oder Hohlspiegelfunktion des Auskoppelbereiches 5 auf weist. Da das Objektiv 10 entfallen kann, kann der Detektor 1 1 beispielsweise direkt auf der Vorderseite 7 des Wellenleiters 1 positioniert und/oder befestigt werden, wodurch ein sehr ho her Integrationsgrad, ein minimales Volumen und eine hohe Robustheit realisiert werden kann.
Wie bereits ausgeführt wurde, wird die nach der Auskopplung mittels des Auskoppelbereichs 5 spektral aufgelöste Winkelverteilung mit dem Objektiv 10 oder einer in den Auskoppelbereich 5 integrierten Abbildungsfunktion in eine Ortsverteilung auf dem Detektor 1 1 überführt. Ein sol cher Detektor 1 1 weist eine Diskretisierung in Form von Pixeln auf. Gemäß der Darstellung in Fig. 6, in der das entfaltete Wellenleitersystem detektorseitig dargestellt ist, mittelt jedes Pixel PX dabei über einen definierten Winkelbereich, der durch die Pixelgröße PG, dessen Abstand von der optischen Achse Ap und der Brennweite FAK des Objektives 1 0 bzw. der Abbildungs funktion des Auskoppelbereiches 5 gegeben ist.
Gemäß den Darstellungen in Fig. 4 und 5 ist mit der Aufnahme eines Winkelbereiches auch die Integration über einen Spektralbereich verbunden. Die spektrale Bandbreite ist dabei durch den von einem Pixel maximalen (0C2, Fig. 4) und den minimalen aufgenommenen Winkel (oci , Fig. 4) gegeben, die wie folgt berechnet werden können: PG 0,5 + (n - l) - PG
a1 h = atan )
(PG 0,5 + PG
l
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, wobei n die Nummer des jeweiligen Pixels (0 -> auf opt. Achse, n < 0 -> unterhalb der opt. Achse, n > 0 -> oberhalb der opt. Achse), PG die Pixelgröße und f die Brennweite des optischen Systems bezeichnen.
Mit Hilfe dieser Grenzwinkel kann dann beispielsweise auf Basis von Kogelniks Coupled-Wave- Theory die Bandbreite berechnet werden, über die ein jedes Pixel integriert. Somit setzt sich das von einem Pixel detektierte Gesamtspektrum aus den Spektren innerhalb des detektierten Winkelbereiches zusammen, wodurch es zu den in Fig. 5 gezeigte Verbreiterungen in den dar gestellten Spektren kommt. Für den Grenzfall, dass der Detektor 1 1 aus nur einem Pixel be steht, auf den alle Winkelbereiche übertragen werden, würde eine Bildinformation mit allen Spektralanteilen aufgenommen werden.
Während die Lage der Pupille (strahlbündelbegrenzende Blende bzw. Ort, an dem sich die Hauptstrahlen aller Feldwinkel schneiden) bei der Unendlich-Unendlich-Konfiguration des Wel lenleiters 1 vom Verhältnis der Breite B1 (Ausdehnung quer zur ersten Richtung R1 entlang ei ner zweiten Richtung R2, die hier der x-Richtung entspricht) des Einkoppelbereiches 4 (Fig. 2) zur Breite B2 des Auskoppelbereiches 5 bestimmt wird, ist das Field of View (bzw. Sichtfeld) des Wellenleiters 1 in Richtung R2 zusätzlich vom Abstand D des Einkoppelbereiches 4 vom Auskoppelbereich 5 entlang der Ausbreitungsrichtung R1 bzw. der ersten Richtung R1 im Wel lenleiter 1 abhängig.
Natürlich können die Dimensionen bzw. Abmessungen des Einkoppelbereiches 4 und des Aus koppelbereiches 5 durch Blenden eingeschränkt werden. Es wird hier stets von der optisch ge nutzten Abmessung bzw. optisch genutzten Breite ausgegangen. Diese werden nachfolgend auch als effektive Breiten bezeichnet.
In den Fig. 7A, 7B und 7C sind drei grundsätzlich unterschiedliche Breitenverhältnisse von Ein koppel- zu Auskoppelbereich 4, 5 dargestellt. Bei der Analyse der Pupillenlage werden nur nicht-vignettierte Feldwinkel betrachtet. Aus Fig. 7A geht hervor, dass für das Verhältnis B1 /B2 > 1 der Auskoppelbereich 5 des Wellen leiters 1 als Pupille wirkt. Somit liegen an jedem Ort des Auskoppelbereiches 5 alle Winkel an. Beim Spezialfall B1 /B2 = 1 (Fig. 7B) propagiert lediglich der zentrale Feldwinkel unvignettiert durch den Wellenleiter 1 . In diesem Fall bilden sowohl der Einkoppelbereich 4 als auch der Aus koppelbereich 5 die Pupille.
Bei einem Verhältnis von B1 /B2 < 1 (Fig. 7C) ist der Einkoppelbereich 4 die Pupille des Wellen leiters 1 , so dass an jedem Ort des Auskoppelbereiches 5 unterschiedliche Winkelbereiche an- liegen und ausgekoppelt werden.
Ferner kann grundsätzlich in ein Sichtfeld (nachfolgend auch FoV) des Wellenleiters 1 und ein Sichtfeld (nachfolgend auch FoV genannt) des Detektorsystems 2 unterschieden werden. Das kleinere der beiden Sichtfelder (bzw. der beiden FoV) bestimmt dabei das Sichtfeld des Ge samtsystems.
Das vom Wellenleiter 1 aufgenommene und wieder ausgekoppelte horizontale FoV (in x-Rich- tung) bei der Unendlich-Unendlich-Konfiguration des Wellenleiters 1 wird von den Breiten B1 ,
B2 des Einkoppelbereiches 4 und des Auskoppelbereichs 5 sowie deren Abstand D zueinander bestimmt (unabhängig davon, ob die Pupille auf dem Einkoppelbereich 4 und/oder dem Aus koppelbereich 5 liegt). Das FoV des Detektorsystems 2 ist in erster Näherung durch die Brenn weite des Objektives 10 (bzw. der im Auskoppelbereich 5 enthaltenen Linsenfunktion) und durch die Größe des Detektors 1 1 in Richtung des horizontalen FoV gegeben.
Im Idealfall ist das FoV des Wellenleiters 1 und des Detektorsystems 2 identisch. Dadurch ergibt sich die optimale Auflösung über das gesamte FoV des Wellenleiters 1 . Solange das FoV des Detektorsystems 2 größer ist als das FoV des Wellenleiters 1 , ist das horizontale FoV des Gesamtsystems durch die Breite des Einkoppelbereiches 4, die Breite des Auskoppelbereiches 5 sowie den Abstand D von Einkoppelbereich 4 zu Auskoppelbereich 5 gegeben. In vorteilhafter Weise wird somit das gesamte FoV aufgenommen. Jedoch liegt eine reduzierte Auflösung vor. Für den Fall, dass das horizontale FoV des Detektorsystems 2 kleiner ist als das FoV des Wel lenleiters 1 , wird das FoV des Gesamtsystems durch das FoV des Detektorsystems beschränkt. Dies führt zu dem Vorteil der erhöhten Auflösung, wobei nur ein Teil des FoV des Wellenleiters 1 aufgenommen wird. Bei der Verwendung des Objektives 1 0 kann es unter Umständen dazu kommen, dass der Abstand des Detektorsystems 2 vom Wellenleiter 1 das FoV einschränkt, da äußere Winkelbereiche nicht mehr vom Objektiv 10 aufgenommen werden können, wie in Fig. 7D angedeutet ist.
Eine gewünschte Abstimmung des FoV des Wellenleiters 1 an das FoV des Detektorsystems 2 kann durch Anpassung von B1 , B2 und D erfolgen. Eine gewünschte Anpassung des FoV des Detektorsystems 2 an das FoV des Wellenleiters 1 kann durch Anpassung der Objektivbrenn weite und / oder die Größe des Detektors erfolgen.
Wie bereits dargelegt wurde, wird durch das Verhältnis der Breite B1 des Einkoppelbereiches 4 zur Breite B2 des Auskoppelbereiches 5 die Pupillenlage des Wellenleiters 1 festgelegt. Infolge dessen ändert sich die Form der am Auskoppelbereich 5 anliegenden Winkelverteilung. Daraus ergeben sich für bestimmte Anordnungen und Anwendungen vorteilhafte Eigenschaften.
Für den Fall, dass B1 /B2 > 1 ist, bildet der Auskoppelbereich 5 die Pupille des Wellenleiters 1 . Bei Betrachtung aller nicht-vignettierten Strahlenbündel liegen somit an jedem Ort des Auskop pelbereiches 5 alle Feldwinkel an. Infolgedessen können alle Feldwinkel, d. h. das komplette FoV des Wellenleiters 1 , mit nur einem Detektorsystem 2 mit ausreichend großem FoV und als ausreichend große Eintrittspupille aufgenommen werden. Zum Erreichen eines großen FoV des Wellenleiters 1 ist es somit vorteilhaft, den Einkoppelbereich 4 breiter auszubilden als den Aus koppelbereich 5. Auch ist ein geringer Abstand zwischen Einkoppelbereich 4 und Auskoppelbe reich 5 von Vorteil.
Bei der Darstellung gemäß Fig. 7A wurde davon ausgegangen, dass eine horizontale symmetri sche Anordnung von Einkoppelbereich 4 und Auskoppelbereich 5 vorliegt, wodurch sich ein symmetrisches FoV des Wellenleiters 1 ergibt. Es ist jedoch möglich, den Auskoppelbereich 5 lateral (in x-Richtung) zu versetzen, wie in Fig. 8A angedeutet ist. Dadurch ergibt sich auch ein Versatz des horizontalen FoV. Ohne eine entsprechende Korrektur des Auskoppelbereiches 5 wird diese Winkelverteilung mit dem entsprechenden Offset durch das Verschieben auch ver schoben auf dem Detektor 1 1 erzeugt. Dies könnte zur Folge haben, dass das FoV des Detek torsystems 2 überschritten und damit das Gesamt-FoV eingeschränkt wird. Dies kann dadurch verändert werden, dass eine zusätzliche Ablenkfunktion (wie z. B. eines Prismas, eines verkipp ten Spiegels, eines linearen Gitters, etc.) in den Auskoppelbereich 5 implementiert wird. Damit kann der Offset des ausgekoppelten Winkelspektrums kompensiert (oder symmetrisiert) werden und das Auskoppel-FoV wieder an das FoV des Detektorsystems 2 angeglichen werden. Alter nativ ist es auch möglich, das Detektorsystem 2 entsprechen dem Winkeloffset zu verkippen. Wenn nicht nur ein verschobener Auskoppelbereich 5 vorgesehen ist, sondern mehrere Aus koppelbereiche 5i , 52 nebeneinander, inklusive einer entsprechenden Kompensation und ange passtem Detektionssystem 2, kann ein aus mehreren einzelnen FoV zusammengesetztes ver größertes horizontales FoV generiert werden (Fig. 8B).
Bei dieser Ausgestaltung kann zwar der Grenzfall erreicht werden, dass die Breite aller Auskop pelbereiche 5 zusammen gleich der Breite des Einkoppelbereiches 4 ist. Wesentlich ist jedoch, dass jeder einzelne Auskoppelbereich 5 in Bezug auf den Einkoppelbereich 4 separat zu be trachten ist. Solange für jeden einzelnen Auskoppelbereich 5 das Verhältnis der Breite B1 /B2 >
1 ist, bleibt jeder Auskoppelbereich 5 die Pupille des Systems, so dass die beschriebenen Zu sammenhänge weiterhin gelten.
Die am Beispiel der horizontale Pupillenlage und des horizontalen FoV beschriebenen Zusam menhänge können ebenso auf die vertikale Pupillenlage und das vertikale FoV bezogen wer den, wobei die Faltung des Strahlengangs in dieser Richtung zu berücksichtigen ist. In vertika ler Richtung ergeben sich jedoch die nachfolgenden Besonderheiten, wobei auch vignettierte Strahlenbündel betrachtet werden.
Das durch ein hypothetisches unendlich ausgedehntes Wellenleitersystem aufgenommene und zur Auskoppelfläche weitergeleitete vertikale FoV ist bei der Unendlich-Unendlich-Konfiguration des Wellenleiters 1 gegeben durch den Grenzwinkel der Totalreflexion innerhalb des Wellenlei ters 1 und dem Propagationswinkel von kleiner als 90° relativ zum Lot der Wellenleitergrenzflä che bzw. der Vorderseite 7 und der Rückseite 8. Für endlich ausgedehnte, realistische Wellen leiter 1 ist jedoch ein Propagationswinkel von kleiner als 80° relativ zum Lot der Vorderseite 7 oder der Rückseite 8 zu realisieren um sicherzustellen, dass Strahlenbündel L1 - L3 aus einem großen Winkelbereich zum Auskoppelbereich 5 und nicht an diesem vorbei propagieren. Für eine übliche Brechzahl von 1 ,5 breitet sich im Wellenleiter 1 somit ein Winkelbereich zwischen 40° und 80° relativ zum Lot der Vorderseite 7 bzw. Rückseite 8 aus und wird vom Auskoppelbe reich 5 wieder ausgekoppelt.
Ebenso wie das horizontale FoV kann auch das vertikale FoV des Gesamtsystems (Wellenleiter 1 zusammen mit dem Detektorsystem 2) durch das vertikale FoV des Detektorsystems 2 einge schränkt werden. Infolge des spektral aufgeteilten ein- und wieder ausgekoppelten Winkelberei ches kann zudem die spektrale Empfindlichkeit des Detektors 1 1 einschränkend auf das verti kale FoV wirken. Ist beispielsweise der Detektor 1 1 für besonders langwellige und/oder kurzwel lige Strahlung nicht empfänglich, verkleinert sich die effektive Ausdehnung des Detektors 1 1 und somit das vertikale FoV des Detektorsystems 2 (Fig. 8C).
Bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen weist das Bild auf dem Detektor den beschriebe nen Farbverlauf auf, so dass kein Vollfarbenbild mittels des Wellenleiters 1 weitergeleitet und aufgenommen werden kann.
Die beschriebenen reflektiven Volumenhologramme für den Einkoppelbereich 4 und den Aus koppelbereich 5 können beispielsweise so hergestellt werden, dass ein fotosensitives volumen holographische Material 12, das in den Wellenleiter 1 integriert ist, mit einer Referenzwelle 13 mit der Wellenlänge von 532 nm, die unter einem Einfallswinkel von 0° auf die Vorderseite 7 einfällt und einer Signalwelle 14 mit der gleichen Wellenlänge, die unter einem Einfallswinkel von 60° auf die Rückseite 8 einfällt, belichtet wird, wie in Fig. 9A gezeigt ist, wobei die Refe renzwelle 13 und die Signalwelle 14 vom selben Laser stammen, so dass ein Interferenzfeld bzw. Interferenzvolumen über das fotosensitive volumenholographische Material entsteht und sich dort entsprechende Brechzahlmodifikationen ausbilden können.
Als fotosensitive volumenholographische Materialen können fotosensitive Gläser, Dichromat- Gelatinen oder Fotopolymere verwendet werden. Diese können z. B. auf eine PC-Folie (Poly- carbonat-Folie) aufgebracht und dort entsprechend belichtet werden. Die Folie kann dann auf ein Substrat für den Wellenleiter 1 laminiert werden, um den Wellenleiter 1 herzustellen. Dabei kann die Folie beispielsweise nur in dem Bereich des Einkoppelbereiches 4 und des Auskoppel bereiches 5 laminiert werden. Alternativ ist eine vollflächige Lamination über die gesamte Wel lenleiterfläche möglich, wobei leidglich in die Ein- und Auskoppelbereiche die entsprechende Ein- und Auskoppelfunktion einbelichtet wird. Zum Schutz der Volumenhologramme ist es sinn voll, ein weiteres Substrat auf das auflaminierte Volumenhologramm aufzubringen. Somit wird ein Schichtstapel mit folgendem prinzipiellen Aufbau realisiert: transparentes Substrat, Kitt- bzw. Kleberschicht, Volumenhologramm, Kitt- bzw. Kleberschicht, transparentes Substrat
Aufgrund der bereits beschriebenen spektralen Winkelabhängigkeit wird von einer einfallenden Planwelle W1 (Fig. 9B), die im Material unter einem Winkel von + 20° auf das reflektive Volu menhologramm trifft, der Spektralbereich von 605 nm ± 5 nm zur Vorderseite 7 hin so umge lenkt, dass die umgelenkte Welle W1 unter einem Winkel von ßi von ungefähr 40° auf die Vor derseite 7 trifft. Für die restlichen Wellenlängen der Planwelle W1 ist das reflektive Volumenho logramm des Einkoppelbereiches 4 transparent.
Bei einer Planwelle W2, die unter einem Winkel von 0° das reflektive Volumenhologramm trifft, werden die Wellenlängen aus dem Bereich von 532 nm ± 4 nm so reflektiert, dass sie unter ei nem Winkel 82 von ungefähr 60° auf die Vorderseite 7 treffen. Die restlichen Wellenlängen der Planwelle W2 laufen durch das reflektive Volumenhologramm hindurch, so dass das reflektive Volumenhologramm für diese Wellenlängen der Planwelle W2 transparent ist.
Von einer Planwelle W3, die im Material unter einem Winkel von - 20° auf das reflektive Volu menhologramm trifft, werden die Wellenlängen von 395 nm± 3 nm so zur Vorderseite reflektiert, dass sie auf die Vorderseite unter einem Winkel von 3 von ungefähr 80° treffen. Die restlichen Wellenlängen der Planwelle W3 laufen durch das reflektive Volumenhologramm hindurch, so dass für diese Wellenlängen das reflektive Volumenhologramm transparent ist. Um die Übertragung von Winkelinformationen (Bildinformationen aus dem Unendlichen) durch den Wellenleiter 1 in einem möglichst großen Spektralbereich zu realisieren, kann das in Fig. 4 gezeigte winkelabhängige Spektrum dadurch verbessert werden, dass der Einkoppelbereich 4 nicht nur ein reflektives Volumenhologramm aufweist, sondern mehrere untereinander angeord nete reflektive Volumenhologramme 4i , 42, 43, 44 und 4s aufweist, wie in Fig. 1 0 und Fig. 1 1 A-F gezeigt ist. Die Volumenhologramme 4i - 4s unterscheiden sich darin, dass sie unterschiedliche spektrale Winkelselektivitäten aufweisen, wodurch bei gleichem Einfallswinkel unterschiedliche Wellenlängen von den Volumenhologrammen 4i - 4s reflektiert werden. Aufgrund dieser Win kelselektivität wird Strahlung, die z. B. vom Volumenhologramm 4i durch Reflexion zur Vorder seite 7 hin in den Wellenleiter 1 eingekoppelt wird, nicht von den darunterliegenden Hologram- men 42 - 4s (oder nur geringfügig) beeinflusst, so dass die eingekoppelte Strahlung (weitestge hend) unbeeinflusst zum Auskoppelbereich 5 propagieren kann.
Die Volumenhologramme 4i - 4s können auch übereinander in z-Richtung angeordnet werden, so dass ein Schichtstapel auf dem Wellenleiter entsteht. Des Weiteren ist die Implementierung der Funktionen aller fünf Hologramme in ein Hologramm (bzw. Volumenhologramm), auch Mul- tiplexing genannt, möglich.
Die unterschiedlichen spektralen Winkeleigenschaften können z. B. dadurch erreicht werden, dass bei gleicher Winkeleinstellung wie in Fig. 9A unterschiedliche Wellenlängen für die Refe renzwelle 12 und die Signalwelle 13 verwendet werden. Alternativ ist es möglich, gleiche Wel lenlängen für alle Volumenhologramme 4i - 4s zu verwenden, wobei der Einfallswinkel der Re ferenzwelle 12 und der Signalwelle 13 geeignet variiert wird.
Die reflektiven Volumenhologramme 4i - 4s wurden mit der Belichtungskonfiguration gemäß Fig. 9A bei unterschiedlichen Wellenlängen aufgenommen. So betrug die Belichtungswellen länge für das Volumenhologramm 4i 900 nm (schwarz), für das Volumenhologramm 42 660 nm (rot), für das Volumenhologramm 43 532 nm (grün), für das Volumenhologramm 44 400 nm (blau) und für das Volumenhologramm 4s 370 nm (violett).
In Fig. 1 1 B-1 1 F ist die Einkopplung des Winkelbereiches durch den minimalen Winkel von - 20°, den maximalen Winkel von + 20° und den zentralen Einfallswinkel von 0° für jedes der Vo lumenhologramme 4i - 4d schematisch dargestellt. Unter 0° wird dabei durch jedes reflektive Volumenhologramm 4i - 4s jeweils der Spektralbereich um die zentrale Wellenlänge, mit der die Belichtung des jeweiligen reflektiven Volumenhologramms 4i - 4s vorgenommen wurde, ab gelenkt und eingekoppelt. In Fig. 12 ist in gleicher Weise wie in Fig. 4 das simulierte Gesamtspektrum gezeigt, das von den fünf reflektiven Volumenhologrammen 4i - 4s in den Wellenleiter 1 eingekoppelt wird. Dem nach trägt jedes reflektive Volumenhologramm 4i - 4s in jedem Einfallswinkel mit einem ande ren Spektralbereich bei. Bei Betrachtung der Gesamtheit aller reflektiven Volumenhologramme 4i - 45 wird dadurch die spektrale Bandbreite in den einzelnen Winkeln vergrößert und letztend lich in Summe über alle Einfallswinkel eine breitbandige Bildentstehung gewährleistet.
Des Weiteren kann Fig. 12 die Verschiebung des eingekoppelten Spektrums in Richtung kürze rer Wellenlängen mit steigendem Einfallswinkel und die Verschiebung des eingekoppelten Spektrums in Richtung größerer Wellenlängen für abnehmende Einfallswinkel entnommen wer den.
Fig. 13A zeigt beispielhaft das mit dem Einfallswinkel von 0° eingekoppelte Spektrum. Fig. 13B zeigt das entsprechende Spektrum für den Einfallswinkel von + 20° und das eingekoppelte Spektrum für den Einfallswinkel von - 20° ist in Fig. 13C dargestellt. Bei allen Darstellungen ge mäß Fig. 13A - 13C ist entlang der x-Achse die Wellenlänge in pm und entlang der y-Achse die Einkoppeleffizienz im Bereich von 0 (keine Einkopplung) bis 1 (vollständig Einkopplung) darge stellt. Ein Vergleich mit der Darstellung gemäß Fig. 5 zeigt, dass im Vergleich zu einem einzi gen reflektiven Volumenhologramm eine wesentlich verbesserte Abtastung des eingekoppelten Spektrums infolge der Verwendung einer höheren Anzahl (fünf reflektive Volumenhologramme im Vergleich zu einem reflektiven Volumenhologramm) gezielt aufgenommener Volumenholo gramme vorliegt.
In Fig. 14 sind die entsprechenden reflektiven Volumenhologramme 5i - 5s zur Auskopplung gezeigt. Die Gesamthöhe der reflektiven Volumenhologramme 5i - 5s wird bevorzugt ähnlich zur Eintrittspupille 14 des Detektorsystems 2 gewählt, um möglichst viel Licht detektieren zu können.
Ebenso wie bei den Einkoppelhologrammen können die Volumenhologramme 5i - 5s zur Aus kopplung auch übereinander in z-Richtung angeordnet werden, so dass ein Schichtstapel auf dem Wellenleiter entsteht. Des Weiteren ist die Implementierung der Funktionen aller fünf Holo gramme in ein Hologramm bzw. ein Volumenhologramm, auch Multiplexing genannt, möglich.
Um z. B. in jedem Winkel ein nahezu kontinuierliches Spektrum in den Wellenleiter 1 einkop peln zu können, wodurch die Weiterleitung von Vollfarben-Bildinformationen gewährleistet wird, können z. B. vierzig gezielt belichtete reflektive Volumenhologramme übereinander angeordnet werden. Eine entsprechende Simulation des winkelabhängigen Einkoppelspektrums ist in Fig. 15 dargestellt. Die Belichtungswellenlängen für die Aufnahme der einzelnen reflektiven Volu menhologramme entsprechend der Belichtungskonfiguration in Fig. 9A können beispielsweise wie folgt gewählt werden, wobei jeweils die Wellenlänge in nm angegeben ist: 358, 368, 378, 389, 400, 41 1 , 421 , 432, 443, 454, 464, 474, 487, 498, 509, 519, 532, 544, 556, 568, 583, 598, 613, 629, 645, 662, 679, 696, 715, 735, 755, 775, 795, 815, 835, 855, 875, 896, 91 7 und 940.
Alternativ können die reflektiven Volumenhologramme auch bei einer Wellenlänge und ange passten Belichtungswinkeln der Referenz- und Signalwelle 12, 13 aufgenommen werden.
Nach Propagation der Strahlung im Wellenleiter 1 bis zum Auskoppelbereich 5 liegen dort in der Regel in einer verhältnismäßig großen Fläche alle Winkel und das komplette Spektrum an je dem Ort dieses ausgedehnten Auskoppelbereiches 5 vor. Die Auskopplung kann dann, wie bis her beschrieben, mit entsprechenden reflektiven Volumenhologrammen durchgeführt werden. Bevorzugt werden die gleichen vierzig Volumenhologramme erzeugt, wie sie im Einkoppelbe reich 4 vorliegen.
Da der Auskoppelbereich 5 aber häufig gar nicht transparent sein muss, ist auch jede andere Art der Auskopplung der bis zum Auskoppelbereich 5 propagierten Strahlung möglich. So kann eine verkippte Spiegelfläche, ein Prisma, verspiegelte Gitter, Transmissionsgitter und/oder Multi-Order-Fresnel-Strukturen in Transmission oder Reflexion eingesetzt werden. An dieser Stelle des Wellenleiters 1 ist die Verwendung nicht transparenter optischer Oberflächen mög lich, da sie ohnehin ein nicht transparenter Detektor 1 1 vorzusehen ist.
Diese Möglichkeit der Ausbildung des Auskoppelbereiches 5 gilt natürlich auch für die bereits beschriebenen Ausführungsbeispiele und für die noch zu beschreibenden Ausführungsbei spiele.
Die verkippte Spiegelfläche, die Multi-Order-Fresnel-Struktur in Reflexion oder Transmission weisen in vorteilhafter Weise eine hohe Effizienz auf und bringen keine zusätzliche Dispersion bei der Umlenkung ein. Jedoch führen sie auch zu keiner Dispersionskompensation. Verspie gelte Gitter und Transmissionsgitter zur Auskopplung können eine gewünschte Dispersionskor rektur durchführen. Sie weisen jedoch eine niedrigere Effizienz auf. Ein Prisma weist eine hohe Effizienz auf, kann aber in nachteiliger Weise die Dispersion verstärken. Bei der Ausbildung der reflektiven Volumenhologramme liegt in vorteilhafter Weise die gewünschte Dispersionskorrek tur vor, da jeder Wellenlängenkanal über ein separates reflektives Volumenhologramm ausge koppelt wird. Es liegt jedoch eine relativ geringe Effizienz vor, weil die Fläche des Auskoppelbe reiches 5 durch die Zahl der einzelnen reflektiven Volumenhologramme geteilt werden muss. In Figuren 16 bis 18B ist ein Ausführungsbeispiel des Wellenleiters 1 gezeigt, bei dem das hori zontale FoV (also das FoV in der x-z-Ebene) vergrößert ist. Es wird dabei davon ausgegangen, dass das FoV des Detektorsystems 2 nicht das FoV des Wellenleiters 1 einschränkt.
Der Einkoppelbereich 4 umfasst drei gleich breite reflektive Volumenhologramme 4i , 42 und 43, die übereinander (in y-Richtung) angeordnet sind und die in der x-z-Ebene unterschiedliche Winkelbereiche und somit unterschiedliche horizontale Sichtfelder abdecken, wie insbesondere in der Ansicht von oben in Fig. 17 im Winkelraum dargestellt ist.
Alternativ zur Anordnung der Hologramme 4i , 42 und 43 übereinander in y-Richtung können diese auch übereinander in z-Richtung angeordnet werden, so dass ein Schichtstapel auf dem Wellenleiter entsteht. Des Weiteren ist die Implementierung der einzelnen Hologrammfunktio nen aller drei Hologramme in ein Hologramm (bzw. Volumenhologramm), auch Multiplexing ge nannt, möglich.
So kann beispielsweise das zweite reflektive Volumenhologramm 42 in der x-z-Ebene den Win kelbereich yo ± yi und somit für yo = 0 ein zentrales Sichtfeld abdecken. Das zentrale Sichtfeld ist dabei beispielsweise durch die Breite des zweiten Volumenhologramms 42, die Breite des entsprechend zugeordneten zweiten Auskoppelhologramms 52 und durch den Abstand der bei den Volumenhologramme 42, 52 gegeben.
Das erste reflektive Volumenhologramm 4i weist im Vergleich zum zweiten reflektiven Volu menhologramm 42 eine zusätzliche eindimensionale Ablenkfunktion in horizontaler Richtung (in der x-z-Ebene) auf. Das dem ersten Volumenhologramm 4i zugeordnete horizontale Sichtfeld ist somit um den Betrag der aufgeprägten Ablenkfunktion (Winkel-Offset) im Winkelbereich ver schoben und beträgt yo - 2 · yi ± yi . Eine entsprechende aufgeprägte Ablenkfunktion für das dritte reflektive Volumenhologramm 43 führt zu einem horizontalen Sichtfeld von yo + 2 · yi + yi . Somit kann mit jedem Volumenhologramm 4i - 43 in Kombination mit dem entsprechenden Vo lumenhologramm 5i - 53 zur Auskopplung ein anderes horizontales FoV übertragen werden.
Mit Hilfe des Betrages und der Richtung der jeweils aufgeprägten Ablenkfunktion (Winkel-Off set) kann gezielt Einfluss auf das Gesamt-FoV genommen werden. So können beispielsweise symmetrische oder auch asymmetrische Gesamt-FoV sowie FoV mit überschneidenden Teil- FoV bzw. Lücken zwischen den Teil-FoV erzeugt werden.
Um ein möglichst großes, symmetrisches und lückenloses horizontales FoV entsprechend Fig. 17 zu erreichen, sind die implementierten Ablenkfunktionen entsprechend der Vorschrift im vo rangegangenen Abschnitt derart zu wählen, dass die Winkelbereiche aneinander angrenzen und sich möglichst wenig überlappen. Bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel propagieren alle horizontalen Winkelbereiche nach der Einkopplung im gleichen horizontalen Kanal, wie in Fig. 16 angedeutet ist. Dies ist auch erforderlich, um die Detektion mit nur einem Detektionssystem 2 zu gewährleisten. Wer den alle Einkoppelhologramme 4i - 43 bis auf die Ablenkfunktion identisch aufgenommen, kommt es zudem entsprechend Fig. 18A auch zur Überlagerung in vertikaler Richtung. Nach der Auskopplung würden also alle horizontalen FoV auf dem Detektor 1 1 überlagert. Zur Diffe renzierung der einzelnen horizontalen Winkelbereiche sieht das hier beschriebene Ausfüh rungsbeispiel eine Codierung der horizontalen Winkelbereiche in einer entsprechenden Anzahl vertikaler Winkelbereiche entsprechend Fig. 18B vor. Dabei wurde hier darauf geachtet, dass der Einkoppelbereich 4 bei normaler Durchsicht in einem großen Winkel - und Wellenlängenbe reich transparent bleibt. Die Codierung der horizontalen Winkelbereiche in vertikale Winkelbe reiche kann so erfolgen, dass die reflektiven Volumenhologramme 4i bis 43 so ausgebildet sind, dass sie in unterschiedliche vertikale Propagationswinkelbereiche innerhalb des Wellenleiters 1 ablenken. Hierfür können die reflektiven Volumenhologramme mit entsprechenden Ablenkei genschaften eingesetzt werden. Alternativ kann vor jedem reflektiven Volumenhologramm 4i - 43 eine nicht gezeigte Lamellenstruktur (Stege) zur Einschränkung des jeweiligen vertikalen FoV angebracht werden. Dadurch wird jedoch die Transparenz im Einkoppelbereich 4 erheblich eingeschränkt.
Mit dieser Differenzierung der unterschiedlichen vertikalen Propagationswinkelbereiche propa giert die Strahlung von jedem Einkoppelvolumenhologramm 4i - 43 und somit auch jedes hori zontale FoV in einem anderen vertikalen FoV. Nach der Auskopplung werden die unterschiedli chen vertikalen FoV dann in lateral übereinanderliegende, aneinandergrenzende Ortsverteilun gen auf den Detektor 1 1 überführt. Damit kann ein vergrößertes horizontales FoV aufgenom men werden, wobei das vertikale FoV um den Vergrößerungsfaktor des horizontalen FoV ver kleinert wird.
In einer alternativen Variante kann die nachfolgend näher erläuterte detektorseitige spektrale und winkelabhängige Separation der im vertikalen FoV codierten horizontalen FoV eingesetzt werden.
Wird jedes horizontale FoV bis auf die Ablenkfunktion (Winkel-Offset) mit einem gleich ausgebil deten Volumenhologramm eingekoppelt, propagiert jedes horizontale FoV im gleichen vertika len Winkelbereich und Spektralbereich durch den Wellenleiter 1 . Es ergibt sich für jedes hori zontale FoV näherungsweise z. B. das in Fig. 4 gezeigte einfallswinkelabhängige Spektrum.
Eine detektorseitige Separation ist dann nicht mehr möglich. Alternativ kann jedoch jedes horizontale FoV mit einem speziellen Volumenhologramm in ver schiedene Richtungen im Wellenleiter 1 eingekoppelt werden, wobei jedes Volumenhologramm 4i - 43 in einer anderen Konfiguration (Belichtungswinkel und/oder Wellenlänge) aufgenommen wurde.
In Fig. 19A, 19B und 1 9C sind die einfallswinkel- und spektralabhängigen Effizienzen der lateral zueinander versetzten Einkoppelvolumenhologramme 4i , 42 und 43 (Fig. 18B) dargestellt. Bei der nachfolgenden Betrachtung wird davon ausgegangen, dass der vertikal eingekoppelte Win kelbereich durch Totalreflexion im Wellenleiter auf ± 20° beschränkt ist. Des Weiteren weist der Detektor 1 1 lediglich eine spektrale Empfindlichkeit von 400 nm bis 700 nm auf. Das Vorgehen ist natürlich auch auf andere vertikale Winkelbereiche und Detektorempfindlichkeiten übertrag bar.
Entsprechend der Darstellung in Fig. 19B koppelt das erste Volumenhologramm 4i einen Ein fallswinkelbereich zwischen 6,67° und 20° in einem Spektralbereich zwischen 400 nm und 440 nm in den Wellenleiter 1 ein. Im Gegensatz zum ersten Volumenhologramm 4i koppelt das zweite Volumenhologramm 42 Strahlung aus dem gesamten Einfallswinkelbereich über ein Spektrum vom 400 nm bis 650 nm in den Wellenleiter 1 ein. Das dritte Volumenhologramm 43 wird den Einfallswinkelbereich zwischen - 6,67° und - 20° in einem Spektralbereich von 565 nm bis 700 nm in den Wellenleiter 1 einkoppeln. Somit wird jedes horizontale Sichtfeld durch ein spezielles Volumenhologramm 4i - 43 mit unterschiedlichen Eigenschaften in den Wellenlei ter 1 eingekoppelt. Diese Eigenschaften werden nach der Auskopplung zur Separation des hori zontalen FoV ausgenutzt.
Die Hologramme 4i , 42 und 43 können auch übereinander in z-Richtung angeordnet werden, so dass ein Schichtstapel auf dem Wellenleiter entsteht. Des Weiteren ist die Implementierung der einzelnen Hologrammfunktionen aller drei Hologramme in ein Hologramm (bzw. Volumenholo gramm), auch Multiplexing genannt, möglich.
Im Auskoppelbereich 5 ist damit zu rechnen, dass an jedem Ort das von allen Einkoppelvolu menhologrammen 4i - 43 eingekoppelte spektrale Winkelspektrum anliegt. Im Auskoppelbe reich 5 sind Volumenhologramme 5i , 52, 53 mit einem zur vertikalen Einkopplung identischen Verhalten lateral versetzt übereinander angeordnet. Jedes dieser Hologramme 5i - 53 sorgt dann für die Auskopplung der vom korrespondierenden Einkoppelvolumenhologramm 4i - 43 eingekoppelten Strahlung mit der entsprechend Fig. 19A - 19C dargestellten spektralen Winkel verteilung. Ebenso wie im Einkoppelbereich können die Hologramme 5i , 52, 53 alternativ übereinander in z- Richtung angeordnet werden, so dass ein Schichtstapel auf dem Wellenleiter entsteht. Des Weiteren ist die Implementierung der einzelnen Hologrammfunktionen aller drei Hologramme in ein Hologramm (bzw. Volumenhologramm), auch Multiplexing genannt, möglich.
Nach der Auskopplung erfolgt die Separation des Gesamtfeldes, so dass die unterschiedlichen horizontalen FoV einzeln detektiert werden können. Dafür wird zunächst die Detektorfläche des Detektors 1 1 vertikal aufgeteilt. Jeder Flächenanteil entspricht dabei einem vertikalen Winkelbe reich. Die Anzahl der Flächenanteile (vertikalen Winkelbereiche) ist dabei identisch zu Anzahl der unterschiedlichen horizontalen FoV. Im Normalfall wird die Detektorfläche (vertikaler Ge samtwinkelbereich) in gleich große Flächenanteile unterteilt (es ist auch eine Unterteilung in un terschiedlich große Flächenanteile möglich). Entsprechend Fig. 19C kommt es jedoch infolge des typischen Verhaltens in Reflexionsvolumenhologrammen innerhalb der einzelnen Winkelbe reiche zur spektralen Superposition, so dass letztendlich unterschiedliche horizontale FoV mit gleichen vertikalen FoV überlagert werden würden. Um dies zu vermeiden, können für jeden Teilbereich des Detektors 1 1 , d. h. für jeden vertikalen Teilwinkelbereich, Spektralfilter vorgese hen werden, die bei einem entsprechenden Winkelbereich eine Unterdrückung nicht beabsich tigter Spektralanteile realisieren. Infolge dessen können die unterschiedlichen horizontalen FoV eindeutig unterschiedlichen Bereichen auf dem Detektor (d. h. vertikale Winkelbereiche/FoV) zugeordnet werden. Infolge dessen wird eine eindeutige Zuordnung der unterschiedlichen hori zontalen FoV zu unterschiedlichen vertikalen FoV entsprechend Fig. 18b realisiert.
Alternativ zum Einsatz von Spektralfiltern ist auch die Verwendung spezieller Auskoppelvolu menhologramme möglich, die eine Auskopplung lediglich im geforderten Spektralbereich reali sieren.
Nach Anwendung der Spektralfilter bzw. bei Verwendung der spektral angepassten Auskoppel volumenhologramme ergibt sich das in Fig. 20 dargestellte winkelabhängige Spektrum. Es kommt somit nicht mehr zu Überlagerungen unterschiedlicher horizontaler FoV und somit zu ei ner eindeutigen Zuordnung des horizontalen FoV zu den entsprechenden vertikalen FoV.
Auf diese Weise wird das detektierbare horizontale FoV vergrößert. Allerdings führt dies zu gleich zu einer Verkleinerung des vertikalen FoV.
Der Vorteil der beschriebenen spektralen Codierung des horizontalen FoV im vertikalen FoV im Vergleich zur Winkelcodierung des horizontalen FoV im vertikalen FoV besteht vor allem in der höheren Transparenz in einem großen Winkel- und Spektralbereich bei normaler Durchsicht durch den Einkoppelbereich 4. Ein Nachteil der spektralen Codierung besteht darin, dass jedes horizontale FoV ein anderes Spektralband aufnimmt und dadurch Informationen verlorengehen können, wenn beispielsweise in einem bestimmten horizontalen FoV keine oder nur wenig Strahlung im entsprechenden Spektralbereich auftritt. Durch das Anbringen mehrerer Auskoppelbereiche mit entsprechend für die unterschiedlichen horizontalen FoV spektral verschobenen Einkoppelspektren, kann dieses Defizit ausgeglichen werden. Allerdings ist dann auch eine entsprechende Anzahl von Detektor systemen 2 erforderlich.
Bei der allgemeinen Auslegung des Gesamtsystems des Wellenleiters 1 und der Auslegung der Ein- und Auskoppelvolumenhologramme im Speziellen sind folgende Aspekte zu berücksichti gen:
Zur Realisierung von n verschiedenen horizontalen FoV sind n unterschiedliche Ein- und Aus koppelvolumenhologramme sowie n Winkelbereiche (Detektorbereiche) inklusive entsprechen der Band- oder Kantenfilterfunktionen erforderlich. Es werden n horizontale Winkelbereiche in n vertikale Winkelbereiche überführt.
Die Einzeleffizienzverläufe der Volumenhologramme dürfen keine spektralen Überschneidun gen innerhalb des gleichen Winkelbereiches aufweisen, da ansonsten keine spektrale Separa tion der vertikalen FoV und somit auch der horizontalen FoV mehr möglich ist. Trotz spektraler Filterung würde es zur Überlagerung von Strahlungsanteilen unterschiedlicher horizontaler FoV kommen.
Um möglichst viel Strahlungsleistung aufzunehmen, ist jedes Volumenhologramm so auszule gen, dass im jeweils abgedeckten Winkelbereich ein möglichst großer Spektralbereich abge deckt wird. Dabei ist jedoch auch die spektrale Empfindlichkeit des Detektors zu berücksichti gen. Beim Vergleich der Winkel- und wellenlängenabhängigen Effizienzverläufe in Fig. 19B und 19C wird deutlich, dass im Winkelbereich zwischen +6,67° und +20° lediglich eine Bandbreite der Strahlung von 40 nm verwendet wird. Durch eine entsprechend optimierte Auslegung des Volumenhologramms wäre eine Vergrößerung dieser Bandbreite und somit die Einkopplung ei ner potentiell höheren Strahlungsleistung möglich. Im Gegensatz zum Winkelbereich zwischen + 6,67° und +20° wird im Winkelbereich zwischen -6,67° und -20° ein Spektralbereich von 135 nm eingekoppelt.
Die Unterteilung des horizontalen FoV ist an die spektralen Eigenschaften des Volumenholo gramms gekoppelt. Im Normalfall sind alle vertikalen Teil-FoV gleich groß. Je nach Anwendung können aber auch unterschiedliche Größen des vertikalen FoV für die unterschiedlichen hori zontalen FoV realisiert werden. Hierfür ist eine entsprechende Auslegung der Volumenholo gramme in Kombination mit der Filterung vor den einzelnen Detektorbereichen erforderlich.
In Fig. 21 ist ein Ausführungsbeispiel des Wellenleiters 1 gezeigt, bei der der Einkoppelbereich
4 breiter ist als der Auskoppelbereich 5 und der Einkoppelbereich 4 durch ein reflektives Volu menhologramm realisiert ist. Auch der Auskoppelbereich 5 kann ein reflektives Volumenholo gramm aufweisen. Das FoV ist dabei durch die Größe dieser Flächen und deren Abstand zuei nander gegeben. Bei dem in Verbindung mit Fig. 22 beschriebenen Ausführungsbeispiel wird davon ausgegangen, dass das FoV des Detektorsystems 2 das FoV des Wellenleiters 1 1 nicht einschränkt.
Der Ansatz gemäß Fig. 22 zur Steigerung der Detektionseffizienz sieht vor, den Einkoppelbe reich 4 vertikal (entlang der zweiten Richtung) in drei Sub-Einkoppelflächen 4i , 42 und 43 zu un terteilen. Während die zentrale Einkoppelfläche (bzw. das zentrale reflektive Volumenholo gramm 4i) lediglich eine Funktion zur Ablenkung der Strahlung in die erste Richtung (nur in y- Richtung ohne x-Komponente) zum Auskoppelbereich 5 beinhaltet, wird in die rechte Sub-Ein- koppelfläche 42 zusätzlich eine horizontale Ablenkfunktion (bzw. eine x-Komponente der Ablen kung) entlang der zweiten Richtung (zum zentralen Volumenhologramm 4i hin) hin integriert, wie in Fig. 22 schematisch angedeutet ist. Eine entsprechende horizontale Ablenkfunktion ent lang der zweiten Richtung (zum zentralen Volumenhologramm 4i hin) wird auch in die linke Sub-Einkoppelfläche 43 integriert.
Ohne diese Ablenkfunktion würde sich das FoV für die Einkoppelfläche 42 und den Auskoppel bereich 5 durch die Größen der Flächen, deren Abstand sowie die Dezentrierung (entlang der zweiten Richtung) der Einkoppelfläche 42 zum Auskoppelbereich 5 ergeben (gleiches würde für die Kombination der linken Einkoppelfläche 43 und des Auskoppelbereiches gelten). Dieses FoV besitzt relativ zum zentralen FoV (gegeben durch die zentrale Einkoppelfläche 4i und die Aus koppelfläche 5) einen Winkel-Offset. In der Summe ergibt sich ein vergrößertes FoV, das durch die Gesamtbreite der beiden Einkoppelflächen gegeben ist.
Durch Integration der beschriebenen Ablenkfunktion in die beiden seitlichen Einkoppelflächen 42 und 43 kann der beschriebene Winkel-Offset kompensiert werden. Das dezentrierte Einkop pelvolumenhologramm 42, 43 deckt dann in Kombination mit dem Auskoppelvolumenhologramm
5 das gleiche FoV wie das zentrale Einkoppelvolumenhologramm 4i ab. Allerdings propagiert die vom dezentrierten Einkoppelvolumenhologramm 42, 43 ausgehende Strahlung in horizonta ler Richtung im Wellenleiter dann mit einem horizontalen Winkel-Offset und wird mit diesem aus dem Wellenleiter 1 ausgekoppelt. Somit liegt das gleiche FoV nach Auskopplung nebeneinan der vor. Unter Verwendung eines Detektorsystems 2 mit ausreichend großem FoV können diese nebeneinanderliegenden identischen FoV aufgenommen werden. Somit erhöht sich die detektierte Strahlungsleistung für das horizontale FoV, allerdings nicht die für das Signal- Rausch-Verhältnis relevante Leistungsdichte.
Um dies zu erreichen, ist die Auskoppelfläche 5 mit Hilfe von Volumenhologrammen derart aus gestaltet, dass diese die vom zentralen Einkoppelvolumenhologramm 4i eingekoppelte Strah lung sowie die von den dezentrierten Einkoppelvolumenhologrammen 42, 43 eingekoppelte Strahlung in den gleichen Winkelbereich auskoppelt.
Dies wird dadurch erreicht, dass der Auskoppelbereich 5 unterschiedliche einbelichtete Auskop pelfunktionen aufweist. Dabei ist jede Auskoppelfunktion nur für die Strahlung des korrespon dierenden Einkoppelvolumenhologramms 4i - 43 effizient (Winkelselektivität von Volumenholo gramm), so dass letztendlich die aus unterschiedlichen Richtungen auf den Auskoppelbereich 5 propagierende Strahlung durch die entsprechende Auskoppelfunktion in den identischen Win kelbereich ausgekoppelt wird. Die Stärke der Winkelselektivität kann über die Dicke und die Brechzahlmodulation des volumenholographischen Materials und die Belichtungskonfiguration eingestellt werden.
Eine dieser Funktionen entspricht der ursprünglichen Auskoppelfunktion und sorgt lediglich für die vertikale Auskopplung der Strahlung. Alle anderen implementierten Funktionen weisen eine spezielle, angepasste Winkelselektivität auf, so dass diese nur für einen horizontalen Winkelbe reich um den jeweiligen horizontalen Winkel-Offset effizient sind, die von der korrespondieren den dezentrierten Einkoppelfläche 42, 43 in Richtung der Auskoppelfläche 5 propagieren. Diese Auskoppelfunktion beinhaltet zusätzlich zur vertikalen Auskoppelfunktion eine Kompensation des horizontalen Winkel-Offsets, so dass das von den dezentrierten Einkoppelflächen 42, 43 er zeugte FoV mit dem von der zentrierten Einkoppelfläche 4i erzeugten FoV überlagert wird. In folgedessen kommt es zur Erhöhung der Leistungsdichte innerhalb des FoV und somit zur Ver besserung des Signal-Rausch-Verhältnisses.
Das hier beschriebene Verfahren kann im optischen Sinne auch als Pupillenreduktion bezeich net werden (vgl. zu Pupillenreplikation oder Pupillenexpansion bei der Bildgebung = umgekehr ter Lichtweg). Auf diese Weise kann im Einkoppelbereich 4 Leistung auf einer großen Fläche gesammelt und über eine kleine Fläche im Auskoppelbereich 5 ausgekoppelt werden.
Damit ist es möglich, einen Einkoppelbereich 4 mit einer sehr geringen Effizienz und somit ho her Transmission zu realisieren. Es wird somit eine lichtstarke Aufnahme von Bildinformationen über eine Einkoppelfläche 4 mit höchstmöglicher Transmission ermöglicht. Andererseits kann der Einkoppelbereich beispielsweise auch mit einer gerade noch akzeptab len Transmission, d.h. mit einer hohen Einkoppeleffizienz, realisiert werden, um möglichst viel Strahlungsleistung auf einen nur sehr kleinen Auskoppelbereich zu konzentrieren. Am Auskop pelbereich könnte dann beispielsweise eine sehr kleine Solarzelle zur Umwandlung der Strah lungsenergie in elektrische Energie angebracht werden. Es ist auch möglich, dass die Auskopp lung auf ein Detektorarray erfolgt.
Die Implementierung unterschiedlicher Auskoppelfunktionen ist mit ausreichend dickem volu menholographischen Material mit ausreichend hoher Brechzahlmodifikation möglich. Diese Im plementierung unterschiedlicher Funktionen in nur einer holographischen Fläche wird auch als Funktionsmultiplexing bezeichnet. Alternativ können die einzelnen Auskoppelfunktionen auch in mehreren übereinander gestapelten volumenholographischen Folien einbelichtet werden.
Zu berücksichtigen ist, dass damit ebenso wie in vertikaler Richtung auch in horizontaler Rich tung eine winkelabhängige, spektrale Einkopplung einhergeht und es somit auch zu einem win kelabhängigen spektralen Verlauf in horizontaler Richtung kommt. Da jedoch aufgrund der spektralen Verteilung in vertikaler Richtung Spektralinformationen ohnehin verloren gehen, stellt dieser Farbverlauf keinen signifikanten Nachteil des Verfahrens dar.
Wie aus Fig. 22 hervorgeht, ist die Effizienzsteigung bei vertikaler Unterteilung des Einkoppel bereiches 4 bei gleichbleibender Breite des Einkoppelbereiches jedoch mit einer Verkleinerung des horizontalen FoV verbunden. Dieser Nachteil kann durch eine Kombination mit der Variante gemäß Fig. 16 bis 18 kompensiert werden, wodurch sich jedoch eine Verkleinerung des vertika len FoV ergibt.
Wird hingegen eine horizontale Unterteilung der Einkoppelfläche von Fig. 21 gemäß Fig. 16 durchgeführt, kann das ursprüngliche FoV von nur einem Einkoppelvolumenhologramm (Fig.
21 ) vergrößert werden. Bei gleichbleibender Einkoppelvolumenhologrammfläche wird hierbei jedoch in Summe keine Steigerung der eingekoppelten Strahlungsleistung erreicht. Wird die Fläche eines jeden Einkoppelvolumenhologramms jedoch vergrößert, kann eine Effizienz des Systems mit Hilfe des oben beschriebenen Vorgehens verbessert werden.
Prinzipiell können die Einkoppelvolumenhologramme frei auf dem Wellenleiter 1 verteilt werden. Dann muss die Auswirkung auf das jeweilige FoV in Bezug auf das Einkoppelvolumenholo gramm sowie eine entsprechend angepasste Korrektur ausgekoppelter Winkelbereiche berück sichtigt werden. In Fig. 23 ist ein Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem sowohl im Einkoppelbereich 4 als auch im Auskoppelbereich 5 ein Relief-Gitter ausgebildet ist. Die Regeln zur Festlegung der Gitterpe riode sind im Wesentlichen die gleichen wie bei einem Volumenhologramm. Es ist ein Beu gungswinkel gefordert, für welche die Totalreflexion im Wellenleiter 1 gewährleistet ist. Des Weiteren werden in vorteilhafter Weise symmetrische Gitter für Ein- und Auskopplung verwen det. Ferner kann optional, sofern dies gewünscht ist, eine abbildende Funktion auf das Einkop pelgitter und/oder das Auskoppelgitter aufgebracht werden. Damit können auch Objekte, die z. B. nur 50 cm vom Wellenleiter 1 beabstandet sind, scharf abgebildet werden.
Der Vorteil der Ausbildung der Ein- und Auskoppelgitter als Reliefstrukturen gegenüber Volu menhologrammen besteht in der geringeren Winkel- und Wellenlängenselektivität. Wie bereits beschrieben ist bei der Verwendung von Volumenhologrammen ein Beobachtungswinkel mit ei nem eingeschränkten Wellenlängenbereich verknüpft. Ohne Ausführung entsprechend Fig. 1 1 führen Lücken im beleuchtenden Spektrum zu toten vertikalen Beobachtungswinkeln. Durch die höhere Wellenlängen- und Winkelakzeptanz von Reliefstrukturen können diese Ausfälle verhin dert werden.
Das Einkoppelgitter 20 kann z. B. mittels eines Epoxidharzes oder eines UV-härtenden Poly mers auf die rechte Oberfläche 21 der linken Platte 22 mit der Dicke di in Fig. 23 abgeformt werden. Typische Polymere weisen dabei Brechzahlen n von ungefähr 1 ,5 auf.
Das Einkoppelgitter 20 wird anschließend mittels einer dünnen hochbrechenden dielektrischen Schicht 23 beschichtet. Typische Brechzahlen hierfür sind n > 2,0. Als Dicke für die Schicht 23 können z. B. Werte zwischen 10 und 100 nm verwendet werden. Es ist dabei insbesondere vor teilhaft nicht nur das Einkoppelgitter 20, sondern die ganze linke Platte 22 mit der dünnen hoch brechenden Schicht 23 zu beschichten, um einen gleichmäßigen Transmissionseindruck über die ganze Fläche zu erreichen.
Anschließend wird die zweite Platte 24 (mit einer Dicke d2) mit einem Epoxidharz oder einem UV-härtenden Polymer auf das Einkoppelgitter 20 sowie die zugehörige Platte 22 mit der Dicke di geklebt. Das Einkoppel-Reliefgitter 20 ist somit im Substrat, das durch die beiden Platten 22 und 24 gebildet ist, vergraben und wirkt durch seine dünne, hochbrechende Schicht als Reflexi onsgitter 20 mit Beugungswirkungsgraden zwischen 5% und 20%.
Für das Auskoppelgitter 25 wird ein Gitter der gleichen Strichzahl (Gitterperiode) verwendet, welches jedoch auf die Außenoberfläche 7 der linken Platte 22 oder auf die Außenoberfläche 8 der zweiten Platte 24 abgeformt wird. Bei dem in Fig. 23 gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Auskoppelgitter 25 auf die Vorderseite 7 abgeformt. Dieses Gitter 25 wird nach dem Abformen mit Aluminium bedampft, um eine hohe Auskoppeleffizienz zu erhalten. Hier sind Effizienzwerte von um die 50% über ein breites Wellenlängen- und Winkelspektrum erreichbar. Der Wellenleiter 1 mit dem Einkoppelgitter 20 und dem Auskoppelgitter 25 besitzt zwei Blenden, da die Ränder des Einkoppelgitters 20 sowie die Ränder des Auskoppelgitters 25 jeweils als Blende wirken, welche den Strahlengang beschneiden. In der Darstellung gemäß Fig. 23 ist nur ein Strahlenbündel für genau eine Wellenlänge dargestellt. Andere vom gleichen Objektpunkt ausgehende Wellenlängen werden vom Einkoppelgitter 20 in andere Winkel im Wellenleiter 1 umgelenkt. Dieser Zusammenhang zwischen Wellenlänge und Ausbreitungswinkel im Wellen leiter 1 ist kontinuierlich, wenn auch nicht linear.
Somit gibt es bei langen Wellenleitern 1 mit vielen (z. B. 10, 20, etc.) Reflexionen die Möglich keit, dass die Fläche des Einkoppelgitters 20 (im vertikalen Schnitt betrachtet) genau auf das Auskoppelgitter 25 fällt. Dann wird viel Licht übertragen. Es kann jedoch auch Vorkommen, dass die Blende des Einkoppelgitters 20 gerade einmal unterhalb und einmal oberhalb des Auskop pelgitters 25 abgebildet wird, so dass kein Licht im Auskoppelgitter 25 ausgekoppelt wird.
Das übertragene Spektrum wird dadurch in effiziente und ineffiziente Bereiche aufgeteilt, die sich fast periodisch abwechseln. Ein solches, rein geometrisch bedingtes Übertragungsspekt rum ist in Fig. 24 dargestellt, wobei entlang der x-Achse die Wellenlänge in nm und entlang der y-Achse die Übertragungseffizienz zwischen 0 (keine Übertragung des auf das Einkoppelgitter 20 fallenden Lichtes) und 1 (das gesamte auf das Einkoppelgitter 20 fallende Licht wird unter Vernachlässigung der Gitterbeugungseffizienz über das Auskoppelgitter 25 ausgekoppelt) auf getragen ist. Diese Übertragungseffizienz ist für einen Einfallswinkel von - 15°, der den Wellen längenbereich von 400 bis 530 nm abdeckt (gestrichelte Linie), für einen Einfallswinkel von 0°, der einen Wellenlängenbereich von 440 bis 645 nm abdeckt (durchgezogene Linie), und für ei nen Einfallswinkel von + 1 5°, der einen Wellenlängenbereich von 555 nm bis 690 nm abdeckt (gepunktete Linie), dargestellt. Die spektralen Begrenzungen ergeben sich dabei zum einen aus der Bedingung für Totalreflexion und zum anderen aus dem Ablenkwinkel nach der Einkopp lung, unter dem das Auskoppelgitter gerade noch (ohne interne Totalreflexion an Ausflächen) getroffen wird. Daraus ist ersichtlich, dass das übertragene Spektralintervall sich mit dem Ein fallswinkel verschiebt. Das übertragene Spektralintervall wird mit steigender Brechzahl des Wel lenleiters 1 größer.
In Fig. 25 ist schematisch die durch die Eintrittspupille EP des Detektorsystems 2 verursachte Vignettierung dargestellt. Somit kann ein Teil der ausgekoppelten Strahlen nicht auf den Detek tor 1 1 treffen, was zu einem geometrisch bedingen Übertragungsspektrum führt, wie es in Fig. 26 schematisch dargestellt ist. Die Darstellung in Fig. 26 entspricht der Darstellung in Fig. 24. Wie zu erwarten ist, führt diese Vignettierung zu schlechteren Übertragungsspektren für die Ein fallswinkel - 15° und + 15°. Das Einkoppelgitter 20 kann als Sägezahngitter ausgestaltet sein, d. h. die Profilform jeder Git terperiode folgt zumindest näherungsweise einer Sägezahnform. Fig. 27 zeigt einen simulierten Querschnitt durch eine Gitterperiode des vergrabenen Einkoppelgitters, wobei für das Gitter eine leichte Profilverrundung angenommen wurde. Entlang der x-Achse ist die laterale Ausdeh nung von 0 bis 430 nm aufgetragen und entlang der y-Achse ist der Profilschnitt im Bereich von 0 bis 300 nm aufgetragen, so dass sich eine Schichtdicke von etwa 60 nm bei einer Blazetiefe von ca. 120 nm ergibt. Mittels einer solchen Struktur ist es möglich, einen weiten Wellenlängen bereich mit ca. 1 0 bis 15% Effizienz in den Wellenleiter 1 einzukoppeln. Die sich dabei erge bende Beugungseffizienz (Reflexionsgrad) ist in Fig. 28 für den Wellenlängenbereich von 400 bis 650 nm (der entlang der x-Achse aufgetragen ist) aufgetragen. Die Kurven REO und RM0 zeigen den Reflexionsgrad für die Reflexion nullter Ordnung für das s-polarisierte Feld (RE) und das p-polarisierte Feld (RM) Die Kurven RM1 und RE1 zeigen den Reflexionsgrad für die minus erste Beugungsordnung für das das s-polarisierte Feld (RE) und das p-polarisierte Feld (RM).
Für das Auskoppelgitter 25 kann eine ähnliche Profilform wie in Fig. 27 verwendet werden. Dort wird jedoch anstelle des hochbrechenden Dielektrikums eine Metallbeschichtung genutzt.
In Fig. 29 und 30 ist ein Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem der Wellenleiter 1 in einer An zeige bzw. einem Display 30 integriert ist. Das Display 30 kann ein Display eines mobilen Con sumer-Gerätes (wie z. B. eines Mobiltelefons oder eines Laptops) sein. Es kann auch ein Dis play eines stationären Computers sein.
Wie in den Darstellungen von Fig. 29 und 30 ersichtlich ist, ist auf der Rückseite 8 der Einkop pelbereich 4 mit dem reflektiven Volumenhologramm ausgebildet, das eine Strahlumlenkung so bewirkt, dass die umgelenkten Strahlen innerhalb des Displays durch z. B. interne Totalreflexion geführt werden, bis sie auf den Auskoppelbereich 5 mit dem Auskoppelvolumenhologramm tref fen, das eine Umlenkung in Richtung zum Kamerasensor 1 1 bewirkt. Das so aufgenommene Bild ist quasi eine frontale Ansicht des Benutzers B, der gerade auf den Einkoppelbereich 4 blickt. Das Bild entspricht also einer Aufnahme mit einem Kamerasensor, der im Bereich des Einkoppelbereiches 4 positioniert ist. Man kann daher die Lösung gemäß Fig. 29 und 30 als transparenten Bildsensor bezeichnen, der in das Display integriert ist, ohne die Anzeigefunktion des Displays zu beeinträchtigen. Es können damit Aufnahmen von Bildern oder Bildsequenzen im Ort des Displays 30 durchgeführt werden und es wird damit eine frontale Ansicht der abzubil denden Szene realisiert.
Diese Eigenschaft kann z. B. für Anwendungen wie die Video-Telefonie oder die Aufnahme von Selbstportraits (sogenannte Selfies) in vorteilhafter Weise genutzt werden, da die Blickrichtung des Nutzers B hin zum Display mit der Mitte des von der Kamera aufgenommenen Bildes zu sammenfällt. Damit können z. B. bei der Video-Telefonie beide Gesprächspartner quasi Augen kontakt halten, was bisher nicht möglich war, da die entsprechenden Kameras stets am Rand des Displays verbaut waren. Dieser Augenkontakt führt zu einem natürlicheren und immersive- ren Gesprächserlebnis. Bei der Selbstportraitierung kann der Nutzer z. B. die Live-Vorschau des aufzunehmenden Bildes verfolgen, ohne seinen Blick von der Kamera ab und dem Display zuwenden zu müssen.
Zusätzlich zu der umlenkenden Funktion kann z. B. das Auskoppelgitter 5 eine abbildende Funktion aufweisen, so dass keine zusätzliche Optik vor dem Kamerasensor 1 1 mehr nötig ist. Damit kann der Integrationsgrad der Kamera in das Display 30 maximiert werden.
Aufgrund der für Volumenhologramme typischen, ausgeprägten Wellenlängen- und Winkelse lektivität der Beugungseffizienz und der Möglichkeit, die Beugungseffizienz maßgeschneidert einzustellen, erscheint der vom Einkoppelgitter bedeckte Teil des Displays 30 größtenteils transparent und die auf dem Display angezeigten Inhalte bleiben für den Betrachter sichtbar. Dazu muss die Effizienz des Einkoppelgitters 4 einerseits groß genug sein, um den Kamera sensor 1 1 die Bilderfassung zu ermöglichen. Andererseits muss die Effizienz des Einkoppelgit ters so niedrig sein, dass die Transparenz erhalten bleibt und keine für den Betrachter stören den Effekte auftreten. Die resultierende Transparenz des aufgebrachten Volumenhologramms im Einkoppelbereich hängt somit auch von der Lichtempfindlichkeit des verwendeten Kamera sensors 1 1 ab.
Im einfachsten Aufbau des Einkoppelbereiches 4 und des Auskoppelbereiches 5 gemäß der Ausführungsform von Fig. 1 bis 3 wird für jeden Winkel ein anderer Wellenlängenbereich auf den Detektor 1 1 bzw. Kamerasensor 1 1 übertragen, so dass ein Bild mit vertikalem Farbverlauf entsteht. Dieses Bild kann anschließend in ein monochromes Bild umgewandelt werden. Um z. B. ein natürliches mehrfarbiges Bild zu erhalten, kann das monochrome Bild mit Bildinformati onen, die von einer weiteren Frontkamera aufgenommen werden, in Echtzeit nachkoloriert wer den. Auf diese Weise kann ein natürliches Bild über die volumenholographisch implementierte Kamerafunktion mit dem genannten Vorteil der frontalen Ansicht zur Verfügung gestellt werden.
Alternativ kann die Farbfunktionalität der volumenholographisch implementierten Kamerafunk tion gemäß des Ausführungsbeispiels von Fig. 10 bis 15 realisiert werden. Damit würde die Not wendigkeit einer zusätzlichen Frontkamera und des Nachkolorierens entfallen.
Bei dem in Fig. 29 und 30 gezeigten Ausführungsbeispiel wurde davon ausgegangen, dass der Auskoppelbereich 5 sowie der Kamerasensor 1 1 unter einem nicht-anzeigenden Bereich 31 des Displays 30 liegen, da andernfalls auch das vom Display abgegebene Licht auf den Kamera sensor 1 1 fallen würde. Dies würde die Aufnahme des Bildes stören.
Wird jedoch ein Display 30 eingesetzt, das bei Inaktivität transparent ist, kann der Kamera sensor auch unterhalb des eigentlich vom Display verwendeten Bereiches angeordnet werden, wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 31 und 32 dargestellt ist.
Bei Aufnahme eines Bildes wird dann der betreffende Bereich des Displays 30 dunkelgeschal tet, so dass nur das vom Auskoppelbereich 5 kommende Licht auf den Kamerasensor 1 1 fällt. Auf diese Weise kann das Display 30 vollständig zur Anzeige verwendet werden, wenn die Ka merafunktion nicht aktiviert ist. Ist die Kamerafunktion aktiviert, so wird nur ein Teil des Displays 30 abgedunkelt. Die Displayfläche wird also nur bei Bedarf eingeschränkt und das auch nur in der Nähe des Randes.
Bei einer Vielzahl von Anwendungen kann ein erheblicher Mehrwert generiert werden, wenn in den Strahlenkanälen eines optischen Systems zusätzlich Strahlung eingebracht und/oder Strah lung detektiert werden kann, ohne die eigentliche optische Funktionalität des optischen Sys tems wesentlich zu beeinflussen. Bei Strahlungsdetektion wird Strahlung an einer geeigneten Stelle aus dem Strahlengang ausgespiegelt und auf einen Sensor gelenkt. Beim Einbringen von Strahlung in das System wird der entgegengesetzte Lichtweg verwendet und zusätzliche Strah lungsanteile eingebracht. Das kann beispielsweise zur Beleuchtung des Objektraums oder zum Einbringen zusätzlicher Informationen verwendet werden.
In bekannter Weise kommen zu diesem Zweck teilverspiegelte Substrate 40 zum Einsatz, wie in Fig. 33 schematisch dargestellt ist, wobei für das optische System schematisch zwei Linsen 41 und 42 eingezeichnet sind. Dies ist das sogenannte Combiner-Prinzip. Allerdings ist hierfür aus reichend Bauraum im optischen System erforderlich, der durch die Größe des verkippten Sub strates 40 bzw. dem projizierten Strahldurchmesser am Ort der Ein- bzw. Ausspiegelung gege ben ist. Des Weiteren ist das Einbringen als auch die Detektion von Strahlung am selben Ort des Strahlengangs nur mit hohem Aufwand (spezielle Beschichtungen, komplexe Optiken zur Strahlungsüberlagerung) möglich.
Auch in diesem Fall kann der bereits beschriebene erfindungsgemäße Wellenleiter 1 genutzt werden, der das Einbringen und/oder die Detektion von Strahlung bei geringen Bauraumanfor derungen ermöglicht, wie schematisch in Fig. 34 dargestellt ist.
Zusätzlich zur Strahlungseinbringung und -detektion bietet der Ansatz auch die Möglichkeit, durch Filterung, gezielt Einfluss auf die spektralen Eigenschaften der ein- oder ausgespielten Strahlung zu nehmen. Infolge der hohen Transparenz des Wellenleiters 1 können diese multi funktionalen Komponenten an nahezu jedem Ort eines optischen Systems (falls erforderlich auch auf der optischen Achse) eingesetzt werden. Des Weiteren ermöglichen die speziellen physikalischen Eigenschaften von Volumenhologrammen die Implementierung dieser Funktio nen an nahezu derselben Position.
Unter den genannten optischen Systemen werden technische optische Systeme aber auch transparente Oberflächen, wie z. B. Fenster, Autoscheiben, etc. verstanden. In den meisten Fäl len stellt die Ein- oder Ausspiegelung von Informationen über ein verkipptes, teilverspiegeltes Substrat keine akzeptable Lösung dar. Das Prinzip des beschriebenen Wellenleiters 1 ermög licht jedoch, diese Funktionalitäten direkt im transparenten Substrat (Fenster, Autoscheiben, etc.) selbst zu implementieren, ohne die Durchsicht, d. h. den ursprünglichen Strahlengang, we sentlich zu beeinflussen. Infolgedessen ergeben sich völlig neuartige Anwendungsfälle für Oberflächen, die im Normalfall z. B. lediglich den Schutz von Personen oder Gegenständen vor Umwelteinflüssen wie Wind, Temperatur, Partikel oder Strahlung dienen.
So kann das beschriebene Prinzip des Wellenleiters 1 auch zur Beleuchtung und/oder Projek tion dienen. Dazu wird der Lichtweg im Wellenleiter 1 in der entgegengesetzten Richtung ge nutzt und anstelle des Detektors wird eine statische oder dynamische Lichtquelle (oder eine entsprechend leuchtende Bildquelle) eingesetzt. Somit wird der bisherige Auskoppelbereich der Einkoppelbereich 4 und wird der bisherige Einkoppelbereich zum Auskoppelbereich 5, wie in Fig. 35, 36 und 37 gezeigt ist. Die Strahlung der Lichtquelle 32 wird durch den Einkoppelbereich 4 in den Wellenleiter 1 eingekoppelt und in diesem bis zum Auskoppelbereich 5 geführt, über den dann die Auskopplung in den Raum oder ein entsprechend nachgeordnetes optisches Sys tem erfolgt.
Aus physikalischer Sicht bestehen zwischen Projektion und Beleuchtung keine grundsätzlichen Unterschiede, da in beiden Fällen in der Regel Strahlung in einer vorgegebenen Form (Winkel und/oder Ortsverteilung) im Raum oder in einem Strahlengang bereitgestellt wird. Die Beleuch tung eines Objektes ist schematisch in Fig. 38 dargestellt. Fig. 39 zeigt schematisch die Projek tion eines virtuellen Bildes für einen Betrachter B. In Fig. 40 ist schematisch die Projektion eines reellen Bildes (hier der Buchstabe F) gezeigt. Die Projektion eines reellen Bildes ist der Be leuchtung identisch.
Da der Einkoppelbereich 4 und der Auskoppelbereich 5 mit Volumenhologrammen realisiert werden kann (bevorzugt reflektive Volumenhologramme), können aufgrund der hohen Winkel und Wellenlängenselektivität der Volumenhologramme nahezu transparente Lichtquellen bzw. nahezu transparente Projektionsvorrichtungen realisiert werden. Dabei kann eine hohe Trans fereffizienz von der Einkopplung bis zur Auskopplung, die Erzeugung einer definierten Ab strahlcharakteristik (d. h. Winkel- oder Ortsverteilung) sowie gewünschte spektrale Zusammen setzungen realisiert werden.
Für das Detektionssystem kann die Ausdehnung der Ein- und Auskoppelfläche 4,5 in horizonta ler Richtung an das geforderte FoV angepasst werden. In vertikaler Richtung (bzw. in der ersten Richtung) ist die Größe der Flächen durch die Größe der Apertur des Detektionssystems gege ben. Um ein ausgedehntes FoV zu erreichen, ist bevorzugt eine in horizontaler Richtung (bzw. in der zweiten Richtung) größere Ausdehnung der Einkoppelfläche 4 als die Ausdehnung der Auskoppelfläche 5 vzu wählen. Es entsteht ein Einkoppelstreifen.
Für ein Projektionssystem ist eine 2D-Pupillenreplikation bevorzugt, um die Bildinformation oder Beleuchtung über eine ausgedehnte Fläche (Eyebox) zur Verfügung zu stellen. Dabei wird die Pupille, die in das Substrat eingekoppelt wird, in horizontaler und vertikaler Richtung repliziert. Die Auskoppelfläche ist somit eine Fläche, deren Ausdehnung sich in horizontaler und vertikaler Richtung von der Ausdehnung der Einkoppelfläche unterscheidet (was ein Unterschied zum oben beschriebenen Detektionssystem ist).
Bei Verbindung des Detektions- und Projektionssystems befinden sich im sichtbaren Bereich des Wellenleiters somit der Einkoppelbereich der Detektion mit den oben beschriebenen Aus dehnungen und der Auskoppelbereich der Projektion mit den oben beschriebenen Ausdehnun gen.
Natürlich können auch bei dem Wellenleiter 1 für die Projektion und/oder Beleuchtung optische Abbildungsfunktionen dem Einkoppel- und/oder dem Auskoppelbereich 4, 5 zugewiesen wer den. Somit können wiederum Endlich-Unendlich-, Unendlich-Endlich-, Endlich-Endlich- oder Unendlich-Unendlich-Konfigurationen des Wellenleiters 1 realisiert werden. Damit kann bei der Ein- und/oder Auskopplung gezielter Einfluss auf die Strahlungsausbreitung sowie die Winkel verteilung und/oder Verteilung in einem definierten Ort genommen werden. Zusätzlich zu oder anstelle von optischen Abbildungsfunktionen in Form von z. B. Linsen- und/oder Hohlspiegel funktionen können in die Einkoppel- und/oder Auskoppelflächen auch Diffusor- oder Strahltrans formationsfunktionen eingebracht werden, wodurch ebenfalls gezielt Einfluss auf die Ausbrei tung der Strahlung genommen werden kann.
Wie bei der Detektionskonfiguration hat auch bei der Beleuchtungs- / Projektionskonfiguration die effektive Größe in der Ein- und in der Auskoppelfläche 4, 5 einen erheblichen Einfluss auf den vom funktionalisierten Wellenleiter 1 transportierten, akzeptierten bzw. emittierten Winkel bereich.
Als Lichtquelle 32 können LED, Laser, etc. und als Bildquellen können Displays (z. B. DMD-Dis- plays, LCD-Displays, etc.) verwendet werden. Durch den Einsatz dynamischer Lichtquellen o- der dynamischer Bildquellen können zeitlich variable Winkel- oder Ortsverteilungen erzeugt werden. Damit können anpassbare Beleuchtungslösungen beispielsweise in Mikroskopen reali siert oder auch variable Informationen (virtuelle oder reelle Bildinhalte) in Strahlengänge einge bracht werden.
Alternativ zur wellenleiterbasierten Lösung können Beleuchtungs- und/oder Projektionsfunktio nen mit hoher Transparenz in einem großen Winkel- und Längenbereich bei normaler Durch sicht auch in einen Freistrahlaufbau auf Basis von Reflexions-Volumenhologrammen gemäß Fig. 41 A, 41 B und 41 C oder auf Basis von Transmissions-Volumenhologrammen gemäß Fig.
42 A, 42 B und 42C realisiert werden.
Wie bereits mehrfach dargelegt wurde, zeigen Volumenhologramme eine winkelabhängige spektrale Empfindlichkeit. Infolge dieser Eigenschaft wird unter einem bestimmten Winkel noch Strahlung innerhalb eines definierten Wellenlängenbereiches effizient abgelenkt und beispiels weise in den Wellenleiter 1 eingekoppelt. Während dieser Effekt für allgemeine Detektions- und Beleuchtungsanwendungen eher nachteilig ist, kann dieser auch vorteilhaft beispielsweise für spektrale Detektions- oder Beleuchtungsanwendungen genutzt werden.
Im Bereich der Beleuchtung kann dieses Verhalten vom Volumenhologramm eingesetzt wer den, um bei gerichtet einfallender Strahlung einen definierten Spektralbereich herauszufiltern. So können beispielsweise schmalbandige Lichtquellen mit partieller Kohärenz, die im Gegen satz zu Lasern insbesondere für die holographische Projektion von virtuellen oder reellen Bildin halten geeignet sind, realisiert werden. Bei konvergenter oder divergenter Strahlung ist es mög lich, mit entsprechend aufgenommenen Volumenhologrammen über die am Volumenholo gramm anliegende Winkelverteilung das vom Volumenhologramm abgelenkte Wellenlängen spektrum zu beeinflussen.
Auch für Detektionsanwendungen kann die winkelabhängige spektrale Empfindlichkeit vom Vo lumenhologramm ausgenutzt werden. Entsprechend der simulierten, einfallswinkel- und spekt ralabhängigen Effizienz gemäß Fig. 4 wird für jeden Einfallswinkel ein anderer Spektralbereich effizient abgelenkt und beispielsweise vertikal in einen Wellenleiter 1 eingekoppelt. Im einfachs ten Aufbau der Kamera, wie in Fig. 1 bis 3 gezeigt ist, wird ein dem Einkoppelvolumenholo- gramm 4 korrespondierendes Auskoppelvolumenhologramm 5 verwendet, welches für die Aus kopplung der im Wellenleiter 1 propagierenden Winkel sorgt, wobei jeder Winkel durch die Filte rung oder Einkopplung aus einem definierten Spektralbereich besteht. Die Winkelverteilung wird anschließend durch eine Abbildungsfunktion im Auskoppelvolumenhologramm 5 oder durch ein Objektiv in eine Ortsverteilung auf den Detektor 1 1 überführt, wobei jeder Ort in vertikaler Rich tung dann einen definierten Spektralbereich entspricht. Durch einen Winkelscan in vertikaler Richtung und einer synchronen Detektion der Intensität auf dem Detektor 1 1 können winkelab hängige Spektralinformationen parallelisiert in horizontaler Richtung ermittelt werden.
Ein solches System kann beispielsweise an der Unterseite eines Flugzeugs angebracht wer den. Durch Kenntnis des Detektionssystems 2, der Fluggeschwindigkeit und der Position des Flugzeuges können spektrale Informationen über das überflogene Gebiet ermittelt werden, wo bei die Daten horizontal parallelisiert aufgenommen werden.
Bei den bisher beschriebenen Ausführungsbeispielen wurden Möglichkeiten zur Funktionalisie- rung transparenter Oberflächen vorgestellt, wobei eine hohe Transparenz dieser Oberflächen in einem großen Winke- und Wellenlängenbereich bei normaler Durchsicht erhalten bleiben kann. Dabei wird die Strahlung im transparenten Bereich mit speziellen Volumenhologrammen 4 im Falle der Detektion in den Wellenleiter 1 und im Falle der Beleuchtung/Projektion aus dem Wel lenleiter 1 ausgekoppelt. Die Propagation zwischen dieser transparenten Detektions- bzw. Emissionsfläche erfolgt auf Basis von Totalreflexion innerhalb des Substrates bzw. des Wellen leiters. Es ist jedoch auch eine Reflexion aufgrund einer geeigneten reflektierenden Beschich tung möglich. Die Optikelektronik (Detektoren und Steuerungsquellen) können dann an einer design- oder funktionsseitig vorteilhaften Position eingebracht werden. Somit ist die Position der Strahlungsdetektion bzw. Strahlungsemission nicht mehr an die Position der Optoelektronik ge bunden.
Die hohe Transparenz der beschriebenen, volumenholographisch eingebrachten Funktionen erlaubt, diese nahezu am selben Ort zu realisieren, da sich die Funktionen bei geeigneter Aus legung der Volumenhologramme nicht oder nur geringfügig gegenseitig beeinflussen.
Praktisch kann dies z. B. realisiert werden, indem die Volumenhologramme, in die die einzelnen Funktionen implementiert sind, übereinander (als Stack) angebracht werden. Alternativ können (bei ausreichend großer maximaler Brechzahlmodifikation des volumenholographischen Materi als) auch mehrere optische Funktionen in ein Volumenhologramm einbelichtet werden. Die Transparenz des funktionalisierten Wellenleiters 1 bleibt bei geeigneter Auslegung der Volu menhologramme 4, 5 dabei erhalten. In Kombination mit dem wellenleiterbasierten Strahlen- transport und der damit einhergehenden kleinen Bauform, können zum einen hochfunktionali- sierte, transparente Oberflächen wie z. B. Fenster realisiert werden. Zum anderen erlaubt der Ansatz, optische Systeme durch einen verhältnismäßig kleinen Eingriff in den Strahlengang in ihrer Funktionalität erheblich zu erweitern.
Fig. 43D zeigt ein Beispiel für die Funktionalisierung eines Fensters 40, in dem die Beleuch tungsfunktion (Fig. 43A), die Detektionsfunktion (Fig. 43B) und die Projektionsfunktion (Fig.
43C) volumenholographisch eingebracht und der Strahlungstransport wellenleiterbasiert reali siert wird. Die unterschiedlichen Volumenhologramme für den Einkoppelbereich und den Aus koppelbereich sind durch den Index unterschieden: 4i , 42, etc., 5i , 52, etc.
Alternativ können einzelne Funktionen auch nicht-wellenleiterbasiert (d. h. durch Freistrahlpro pagationsansätze) umgesetzt werden.
In Fig. 44A ist dies für die Beleuchtung, in Fig. 44B ist dies für die Detektion und in Fig. 44C ist dies für die Projektion schematisch dargestellt. Allerdings geht bei diesen Ausführungsbeispie len der durch die Wellenleitung generierte Bauraumvorteil (zumindest zum Teil) wieder verloren. Fig. 44A - 44C zeigen die beschriebenen Umsetzungen mit den jeweiligen Freistrahl-Konfigura tionen mit Reflexions-Volumenhologrammen. In Fig. 44D, 44E und 44F ist dies zusammen mit Transmissions-Volumenhologrammen gezeigt. Alle nicht durch Freistrahlpropagation realisier ten Funktionen sind in den Fig. 44A - 44F wellenleiterbasiert umgesetzt.
Die Erweiterung der Funktionalität eines optischen Systems ist in Fig. 45 am Beispiel der Be leuchtung und Detektion in einem Mikroskop 45 zum Zweck der Aufnahme einer Probenüber sicht gezeigt. In diesem Fall wird Strahlung in einen Wellenleiter 1 eingekoppelt und zur volu menholographischen Auskoppelfläche 5 geleitet, die dann für die Auskopplung der Strahlung in den Projektraum (Probenträger 46) sorgt. Die von der Probe 47 zurückgestreute Strahlung wird anschließend von einem weiteren Volumenhologramm 4‘ wiederum in den Wellenleiter 1 einge koppelt, der dann für den Strahlungstransport bis zum Detektor 1 1 sorgt.
Bei entsprechender Auslegung des Beleuchtungssystems des Mikroskops 45 kann das wellen leiterbasierte System 1 beispielsweise als Probenfinder im Strahlengang verbleiben, ohne den Durchlichtbeleuchtungsstrahlengang zu stören. Alternativ zur in Fig. 45 gezeigten Anordnung kann das wellenleiterbasierte Beleuchtungs- und Abbildungssystem (Wellenleiter 1 ) auch ober halb der Probe 47 angebracht werden. In der Regel ist der Bauraum zwischen Objektiv 48 des Mikroskopes 45 und der Probe 47 bei Mikroskopen jedoch stark eingeschränkt. In beiden Varianten wirkt sich die Eigenschaft, dass sich Beleuchtung und Detektion am glei chen Ort sowie an der optischen Achse des Mikroskops 45 befinden, positiv auf die Gesamt funktionalität des Systems aus. Durch die senkrechte Beleuchtung der Probe 47 und die senk rechte Detektion der Strahlung kann eine verhältnismäßig hohe Effizienz (Leistung Detektion / Leistung Beleuchtung) erreicht werden. Zugleich wird eine Projektionsfunktion zur Verfügung gestellt. In konventionellen optischen Systemen kann dies nur mit hohem Aufwand und/oder viel Bauraum erreicht werden. Im Falle des funktionalisierten Fensters 40 bzw. des funktionalisier- ten Wellenleiters 1 wäre eine vergleichbare Eigenschaft nur mit transparenten Strahlungsquel len und Detektoren möglich.
Die beschriebenen Ausbildungen des Wellenleiters 1 können im Bereich von Fahrzeugen (bei spielsweise PKWs, LKWs, Motorräder, etc.) eingesetzt werden.
Um die äußere Umgebung und den Innenraum von Fahrzeugen überwachen bzw. beobachten zu können, werden immer mehr optische Projektionssysteme wie beispielsweise Kameras so wohl im Interieur als auch im Exterieur verbaut. Im Zuge des Wandels von der reinen manuellen Steuerung des Fahrzeuges durch den Menschen über das assistierte bis hin zum autonomen Fahren ist davon auszugehen, dass zukünftig immer mehr und leistungsfähigere Detektoren im Auto zum Einsatz kommen werden, um eine umfängliche und sichere Sensorik zu gewährleis ten. Diese dürfen jedoch insbesondere im Automotive-Bereich ästhetischen Ansprüchen nicht im Wege stehen. Im Idealfall ist die Sensorik für den Kunden bzw. den Betrachter des Autos nicht sichtbar.
Derzeit werden optische Detektionssysteme z. B. im nicht-transparenten Bereich wie beispiels weise der B-Säule integriert. Diese weist dann nur noch eine kleine Öffnung für das Objektiv auf. Um die Freiheit für das Design zu erhöhen und den Insassen eine bessere Sicht nach au ßen zu ermöglichen, werden zukünftig die nicht-transparenten Bereiche der Karosserie redu ziert. In bestimmten Bereichen zwingend anzubringende Sensoren auf Basis konventioneller Ansätze können dann nicht mehr nahezu unsichtbar integriert werden. Dieses Phänomen zeigt sich bereits jetzt an den optischen System zur Straßenschild- und Spurerkennung, die notwen digerweise im oberen mittleren Bereich der Windschutzscheibe angebracht werden müssen, um korrekte Messdaten ermitteln zu können. Bei einem Einsatz klassischer optischer Systeme wird dadurch ein nicht-transparenter Bereich in der Windschutzscheibe geschaffen, der die Sicht des Fahrers einschränken kann und negative Auswirkung auf das Erscheinungsbild des Autos hat. Mit dem beschriebenen Wellenleiter können zukünftig alle Scheiben des Autos mit Detektorflä chen ausgestattet werden, ohne die Transparenz wesentlich zu beeinträchtigen. Dabei kann die Strahlung vom in der Scheibe vorgesehenen Einkoppelbereich in die Scheibe eingekoppelt und durch Wellenleiter zum Detektor transportiert werden, der sich dann in einem nicht-transparen ten Bereich des Autos befinden kann.
In Fig. 46A, 46B, 46C und 46D sind verschiedene Varianten der Verwirklichung des Wellenlei ters 1 in der Windschutzscheibe 50 eines Kraftfahrzeuges 51 schematisch dargestellt. Der Ein koppelbereich 4 kann an der gewünschten Stelle in der Windschutzscheibe 50 positioniert wer den, da er die Transparenz der Windschutzscheibe an dieser Stelle nicht wesentlich beeinflusst. Die über den Einkoppelbereich 4 eingekoppelte Strahlung wird dann durch Reflexionen in der Windschutzscheibe 50 bis zum Auskoppelbereich 5 geführt, der in einem Bereich positioniert sein kann, der nicht mehr zur Durchsicht dient. In diesem Bereich kann dann auch das (nicht gezeigte) Detektorsystem 2 positioniert sein.
Bei der Variante gemäß Fig. 46A ist der Auskoppelbereich 5 im Bereich des Autodaches. Bei der Variante gemäß Fig. 46B ist der Auskoppelbereich im Bereich der Motorhaube bzw. des Ar maturenbretts. Natürlich ist auch eine Einkopplung zur Seite hin möglich, wie in Fig. 46C und 46D gezeigt, so dass dann der Auskoppelbereich 5 z. B. im Bereich der rechten (Fig. 46C) oder linken (Fig. 46D) A-Säule positioniert ist. Es kann somit die Windschutzscheibe 50 (oder auch jeder andere transparente Fläche) mit Hilfe (volumen-)holographischer Strukturen und/oder mik rooptischer Reliefstrukturen funktionalisiert werden, um die Transparenz dieser Fläche bei nor maler Durchsicht in einem großen Wellen- und Winkelbereich nicht wesentlich zu beeinflussen. Durch die beschriebene Funktionsimplementierung wird die Strahlung aus der Umgebung oder aus dem Innenraum des Kraftfahrzeugs in die Windschutzscheibe 50 eingekoppelt. Diese dient dann als Wellenleiter und sorgt durch z. B. Totalreflexion für eine Propagation der Strahlung zum Auskoppelbereich, der die Strahlung dann auf das Detektorsystem 2 auskoppelt. Somit kann die im Wesentlichen transparente Oberfläche der Windschutzscheibe als Detektionsfläche verwendet werden, während der Detektor 1 1 an einer design- und/oder funktionsseitig vorteil haften Position angebracht werden kann. Infolgedessen ist die Position der Strahlungsdetektion bzw. Strahlungsaufnahme nicht mehr an die Position des Detektors 1 1 gebunden. Dies ist ins besondere dann von Vorteil, wenn die Strahlungsdetektion zwingend an einem bestimmten Ort erfolgen muss, der jedoch gleichzeitig eine hohe Transparenz aufweisen soll.
Das in Verbindung mit Fig. 46A - 46D beschriebene Wellenleitersystem kann auch im umge kehrten Lichtweg zur Beleuchtung eines Objektraumes bzw. zu Projektionszwecken verwendet werden. In dieser Konfiguration wird die von einer statischen oder dynamischen Quelle (z. B. Lichtquelle und/oder Bildquelle) ausgehende Strahlung über den Auskoppelbereich, der jetzt als Einkoppelbereich dient und der sich im Nicht-Transparenzbereich des Fahrzeuges befindet, in den Wellenleiter, d. h. die Scheibe 50, eingekoppelt und mit Hilfe des Einkoppelbereiches 4, der jetzt als Auskoppelbereich dient und der sich im transparenten Bereich befindet, wieder ausge koppelt.
Natürlich ist es auch möglich, die beschriebene Detektion sowie die beschriebene Projektion bzw. Beleuchtung zu kombinieren und dann den im transparenten Bereich der Windschutz scheibe angeordneten Einkoppel- und Auskoppelbereich nahe beieinander oder übereinander auszubilden, wie bereits beschrieben wurde. Eine optimierte Detektion kann für eine gezielte Anpassung der Beleuchtung an die Detektion, insbesondere spektral und winkelabhängig, er reicht werden.
Beim einfachsten Aufbau des Wellenleiters 1 (Unendlich-Unendlich-Konfiguration, aufgenom men bei einer Wellenlänge) ist zu berücksichtigen, dass in Faltungs-/Wellenleitungsrichtung in jedem Winkel nur ein bestimmtes Spektralband in den Wellenleiter eingekoppelt und letztend lich wieder ausgekoppelt wird. Werden Einkoppel- und Auskoppelbereich 4, 5 beispielsweise übereinander angeordnet, wie in Fig. 46A und 46B gezeigt ist, ergibt sich relativ zur Straße in vertikaler Richtung ein Winkel- bzw. ortsabhängiger Farbverlauf. Bei Drehung der Anordnung um ± 90° (wie in Fig. 46C und 46D dargestellt ist), ist der Farbverlauf in horizontaler Richtung (also parallel zur Straße) gerichtet. Demnach ist die Ausrichtung des Einkoppel- zum Auskop pelbereich 4, 5 sorgfältig entsprechend der jeweiligen Aufgabenstellung zu wählen. Dabei ist auch die unterschiedliche Ausprägung des FoV der beiden senkrecht aufeinander stehenden Richtungen (gegeben durch das Größenverhältnis und den Abstand vom Einkoppel- zum Aus koppelbereich 4, 5 und die spektrale Empfindlichkeit des Detektors) zu berücksichtigen.
Ferner sollte bei der Auslegung des Einkoppelbereiches die Neigung der jeweiligen Scheibe 50 und die zu erwartende Position des zu detektierenden Objektes betrachtet werden. So ist bei spielsweise bei der Beobachtung des Fahrers mit Hilfe des in der Windschutzscheibe einge- brachten Einkoppelbereiches 4 eine Winkelverschiebung des vertikalen FoV in Form einer ent sprechenden Ablenkfunktion einzubringen, damit die optische Achse in vertikaler Richtung in etwa mit dem Bereich des Gesichts des Fahrers übereinstimmt und nicht beispielsweise der Rumpf des Fahrers detektiert wird. Somit kann durch eine spezielle Auslegung des Einkoppel bereiches 4 eine Anpassung auf das zu erwartende Objekt und dessen Projektion durchgeführt werden. Der gleiche Zusammenhang ergibt sich für den Einsatz des Wellenleitersystems als Beleuchtung. Hier ist dann der Auskoppelbereich 5 auf die gewünschte Ausleuchtung des Ob jektraumes anzupassen.
Die in Verbindung mit Fig. 10 bis 15 beschriebene Ausbildung zur Bereitstellung einer RGB- Funktionalität ist bei der Sensorik im Automotive-Bereich vorteilhaft, um Detektionsausfälle in einzelnen Winkelbereichen durch das Fehlen spektraler Komponenten zu vermeiden. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass in einem definierten Spektralbereich (idealerweise die spektrale Empfindlichkeit des Detektors) in jedem Winkel ein Signal detektiert werden kann. Ferner kann die Sicherheit gegenüber Detektionsausfällen infolge spektraler Unempfindlichkeit des Einkop pelbereiches 4 auch durch die Implementierung des Einkoppel- und Auskoppelbereiches 4, 5 mit Hilfe der beschriebenen Oberflächenreliefstrukturen erhöht werden.
Die in Verbindung mit Fig. 16 bis 20 beschriebene Variante des Wellenleiters zur Vergrößerung des horizontalen FoV, bei der das horizontale FoV durch Kodierung im vertikalen FoV erhöht wird, kann in vorteilhafter Weise im Automotive-Bereich eingesetzt werden, da hier häufig ein wesentlich größeres horizontales FoV als vertikales FoV erforderlich ist.
Die in Verbindung mit Fig. 21 und 22 beschriebene Variante zur Steigerung der Detektionseffizi enz kann in vorteilhafter Weise im Automotive-Bereich eingesetzt werden, da für den Einkoppel bereich 4 große Flächen in Form der Scheiben zur Verfügung stehen. Damit kann möglichst viel Strahlleistung auf das Detektorsystem 2 geleitet werden und es ist auch eine Aufnahme von Bil dinformationen bei schlechten Lichtbedingungen möglich.
Ferner besteht auch die Möglichkeit der Einkopplung von Strahlung außerhalb des visuellen Spektralbereiches, beispielsweise von Strahlung aus dem nahen Infrarot. Bei Verwendung ei nes entsprechend geeigneten Detektorsystems ist somit die Aufnahme von Bildinformationen unter für den Menschen schlechten Beleuchtungsbedingungen möglich.
Wie in Verbindung mit Fig. 33 bis 45 beschrieben wurde, können die funktionalisierten Wellen leiter 1 nicht nur zur Aufnahme von Strahlung, sondern auch für die Beleuchtung des Objektrau mes oder für die Projektion funktionalisiert werden. Dafür wird im Vergleich zu den beschriebe nen Detektionsanordnungen mittels des Wellenleiters 1 der entgegengesetzte Lichtweg verwen det. Auf diese Weise kann der Außen- und/oder Innenbereich des Fahrzeuges gezielt ausge leuchtet werden, um auch bei schlechten Lichtverhältnissen eine zuverlässige Detektion zu ge währleisten. So können beispielsweise Detektionsausfälle in einzelnen Winkelbereichen, wie sie bei der einfachsten Ausführung des Wellenleiters 1 beim Fehlen einzelner Spektralbereiche auf- treten können, vermieden werden. Die künstliche Beleuchtung und die winkelabhängige, spekt rale Empfindlichkeit der Einkoppelfläche sind dabei aufeinander abzustimmen.
Bei Windschutzscheiben 50 und Heckscheiben von Kraftfahrzeugen besteht bereits heute ein besonders hoher Bedarf Detektionsflächen, die sich an definierten Orten befinden, möglichst transparent zu gestalten und die entsprechenden Detektoren bzw. Detektionssysteme 2 in nicht-transparente Bereiche innerhalb der Karosserie zu verlagern. Dies ermöglicht eine freie Sicht des Fahrers bei gleichzeitiger Integration optischer Sensoren für Fahrerassistenzsysteme, wodurch die Sicherheit im Straßenverkehr gesteigert werden kann. Neben der Detektion im Au ßenbereich ermöglicht die oben beschriebene Funktionalisierung auch die Aufnahme von Bild informationen im Interieur des Fahrzeuges. Mit den so gewonnenen Bildsequenzen können in Kombination mit entsprechenden Datenverarbeitungen weitere Sicherheitssysteme wie z. B. eine Müdigkeitserkennung oder eine Gestensteuerung implementiert werden. Auch die Identifi kation des Fahrers und/oder der Insassen ohne sichtbare Öffnung für eine Kamera ist auf diese Weise möglich
Ebenso wie in der Windschutzscheibe und der Heckscheibe können Auskoppelflächen und De tektoren auch bei feststehenden Seitenscheiben in einrahmenden Karosseriebereichen unter gebracht werden. Auch hier kann die zusätzliche Funktionalisierung zur Aufnahme von Bildin formationen im Innen- und Außenbereich dienen, ohne die Transparenz der Oberfläche im We sentlichen zu beeinflussen.
Es ist auch die Integration mehrerer Detektionssysteme in unterschiedliche Scheiben eines Fahrzeuges möglich. Auf diese Weise kann die Position wie bei einem 3-dimensionalen Koordi natensystem von Personen und Gegenständen im Raum bestimmt werden (Stichwort: Tomo grafie und somit Messung aus mehreren Perspektiven).
Die Anordnung der funktionalisierten Flächen und des Detektors können ebenso auf die Be leuchtungskonstruktion übertragen werden. Dabei befindet sich jedoch die Auskoppelfläche, d. h. die emittierende Fläche, im transparenten und die Einkoppelfläche inklusive Strahlungs quelle im nicht-transparenten Bereich.
Bei geeigneter Auslegung von Detektions- und/oder Beleuchtungssystem kann die Auskoppel fläche des Beleuchtungssystems mit der Einkoppelfläche des Detektionssystems zusammenfal len.
Im Vergleich zu feststehenden Scheiben ist die Anordnung der Auskoppelfläche bei verschieb baren Scheiben bevorzugt so gewählt, dass sie in Bereichen liegt, die auch während oder nach dem Verfahren nicht innerhalb der Karosserie bzw. nicht innerhalb eines nicht-transparenten Bereiches befinden. Zudem muss das Detektionssystem fest mit der verfahrbaren Scheibe ver bunden sein, um auch während oder nach dem Verfahren die Detektionsfunktion sicherzustel len. In Fig. 47A - 47C sind verschiedene Anordnungen des Einkoppel- und des Auskoppelbe reichs am Beispiel einer verfahrbaren Seitenscheibe dargestellt.

Claims

Patentansprüche
1. Funktionalisierter Wellenleiter für ein Detektorsystem sowie ein Beleuchtungs- und/oder Projektionssystem,
wobei der Wellenleiter (1 ) einen transparenten Basiskörper (6) mit einer Vorderseite (7) und einer Rückseite (8) aufweist,
wobei der Basiskörper (6) einen teiltransparenten ersten Einkoppelbereich (4) und einen davon in einer ersten Richtung (R1 ) beabstandeten ersten Auskoppelbereich (5) auf- weist,
wobei der erste Einkoppelbereich (4) eine diffraktive Struktur umfasst, die von einem zu detektierenden Objekt kommende und auf die Vorderseite (7) treffende Strahlung nur ei nen Teil so umlenkt, dass der umgelenkte Teil als eingekoppelte Strahlung im Basiskör per (6) durch Reflexionen bis zum Auskoppelbereich (5) propagiert und auf den ersten Auskoppelbereich (5) trifft,
wobei der erste Auskoppelbereich (5) von der auf ihn treffenden eingekoppelten Strah lung mindestens einen Teil so umlenkt, dass der umgelenkte Teil aus dem Basiskörper (6) über die Vorderseite (7) oder Rückseite (8) austritt, um auf das Detektorsystem (2) zu treffen,
wobei die Ausdehnung des ersten Einkoppelbereiches (4) in einer zweiten Richtung (R2) quer zur ersten Richtung (R1 ) größer ist als die Ausdehnung des ersten Auskoppelberei ches (5) in der zweiten Richtung (R2),
wobei der Basiskörper einen zweiten Auskoppelbereich aufweist, der von Licht einer Licht- oder Bildquelle, das als Beleuchtungsstrahlung auf den zweiten Auskoppelbereich trifft, mindestens einen Teil so umlenkt, dass der umgelenkte Teil zur Beleuchtung und/o der Projektion dient.
2. Wellenleiter nach Anspruch 1 , wobei die diffraktive Struktur des ersten Einkoppelberei ches (4) als reflektives oder transmissives Volumenhologramm ausgebildet ist.
3. Wellenleiter nach Anspruch 1 , wobei die diffraktive Struktur des ersten Einkoppelberei ches (4) als Reliefgitter ausgebildet ist.
4. Wellenleiter nach einem der obigen Ansprüche, wobei der erste und/oder zweite Auskop- pelbereich (5) ein reflektives oder transmissives Volumenhologramm aufweist.
5. Wellenleiter nach einem der obigen Ansprüche, wobei der erste und/oder zweite Auskop pelbereich (5) ein reflektives oder transmissives Reliefgitter aufweist.
6. Wellenleiter nach einem der obigen Ansprüche, wobei der erste und/oder zweite Auskop pelbereich (5) eine Spiegelfläche oder ein Prisma aufweist.
7. Wellenleiter nach einem der obigen Ansprüche, wobei der erste und/oder zweite Auskop pelbereich (5) eine reflektive oder transmissive Fresnel-Struktur aufweist.
8. Wellenleiter nach einem der obigen Ansprüche, wobei
der Basiskörper (6) einen zweiten Einkoppelbereich aufweist, der das Licht von der Licht oder Bildquelle so umlenkt, dass es im Basiskörper durch Reflexionen bis zum zweiten Auskoppelbereich propagiert und auf diesen trifft.
9. Wellenleiter nach Anspruch 8, wobei
der erste Einkoppelbereich (4) eine größere Ausdehnung quer zur ersten Richtung (R1 ) aufweist als der erste Auskoppelbereich (5) und der zweite Auskoppelbereich eine grö ßere Ausdehnung quer zur ersten Richtung sowie eine größere Ausdehnung entlang der ersten Richtung als der zweite Einkoppelbereich aufweist.
10. Wellenleiter nach Anspruch 8 oder 9, wobei der zweite Einkoppelbereich zusätzlich zur Strahlumlenkung noch eine abbildende optische Funktion aufweist.
11 . Wellenleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei
das Licht von der Licht- oder Bildquelle als Freistrahl auf den Basiskörper (6) und dadurch auf den zweiten Auskoppelbereich trifft, so dass es nicht im Basiskörper durch Reflexionen geführt ist.
12. Wellenleiter nach einem der obigen Ansprüche, wobei der erste Einkoppelbereich (4), der erste Auskoppelbereich (5) und/oder der zweite Auskoppelbereich zusätzlich zur Strahlumlenkung noch eine abbildende optische Funktion aufweist.
13. Wellenleiter nach einem der obigen Ansprüche, wobei der erste Einkoppelbereich (4) von der vom zu detektierenden Objekt kommenden und auf die Vorderseite (7) treffenden Strahlung einen Teil so transmittiert, dass er über die Rückseite (8) aus dem Basiskörper austritt.
14. Wellenleiter nach einem der obigen Ansprüche, wobei der erste Einkoppelbereich (4) und der erste Auskoppelbereich (5) in der zweiten Richtung (R2) zueinander zentriert ange ordnet sind.
15. Wellenleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei der erste Einkoppelbereich (4) und der erste Auskoppelbereich (5) in der zweiten Richtung (R2) zueinander dezentriert angeordnet sind.
16. Wellenleiter nach Anspruch 12 oder 13, bei dem mehrere erste Auskoppelbereiche vor- gesehen sind, die in der zweiten Richtung (R2) nebeneinander angeordnet sind.
17. Wellenleiter nach Anspruch 16, bei dem mindestens einer der ersten Auskoppelbereiche zusätzlich die Funktion der Ablenkung quer zur ersten Richtung (R1 ) aufweist.
18. Detektorsystem sowie Beleuchtungs- und/oder Projektionssystem mit einem funktionali- sierten Wellenleiter nach einem der obigen Ansprüche.
19. System nach Anspruch 18, wobei das Detektorsystem einen Detektor aufweist, auf den der vom ersten Auskoppelbereich umgelenkte Teil der Strahlung trifft.
20. System nach Anspruch 19, bei dem der Detektor (11 ) mit der Vorder- oder Rückseite (7, 8) des Basiskörpers (6) verbunden ist.
21 . System nach Anspruch 20, wobei zwischen dem Detektor (1 1 ) und der Vorder- bzw.
Rückseite (7, 8) kein separates abbildendes optisches Element angeordnet ist.
22. System nach einem der Ansprüche 18 bis 21 , weiter mit der Licht- oder Bildquelle.
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