WO2021104828A1 - Verfahren zum erzeugen eines holographischen, optischen elements - Google Patents

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holographic
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light
optical element
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Reinhold Fiess
Stefanie HARTMANN
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Robert Bosch Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a method for producing a holographic, optical element, as well as a holographic, optical element which can be used, for example, as part of a spectacle lens of data glasses or as a diffuser in a display device.
  • Holographic optical elements are known for use in head-up displays, for example.
  • the hologram as described, for example, in document DE 102011 075 884 A1, can be arranged in the instrument panel of the vehicle to deflect the light.
  • a glass body for example, can be used as the carrier of the hologram.
  • the invention is based on the object of developing a holographic, optical element which is designed to be highly transparent for ambient light and can therefore also be suitable for other applications, such as data glasses or diffusion lenses.
  • a method for producing a holographic optical element having the following method steps. Firstly, a transparent carrier substrate and a layer of a holographic material arranged on an outer surface of the carrier substrate are provided.
  • the transparent carrier substrate is, for example, a plastic film (for example polyamide or polycarbonate) and the layer made of a holographic material is, for example, a photopolymer layer.
  • a subsequent method step at least a portion of the layer made of the holographic material is exposed to light rays of at least three different wavelengths in such a way that in the at least one exposed portion of the layer made of the holographic material can be produced depending on the wavelength of the light rays.
  • Such hologram structures result from the interference of an object beam and a reference beam, these two light beams having coherent light of the same wavelength.
  • associated hologram structures are created for each light beam of different wavelengths.
  • the exposed interference structures correspond to differences in the refractive index in the holographic material.
  • Volume holograms resulting from interference are in principle VolumeBragg gratings, which can deflect incident light in a wavelength-selective and angle-selective manner.
  • an angle of incidence of a respective object beam of the light beams of different wavelengths greater than 50 ° is selected.
  • a respective angle of incidence between 50 ° and 80 ° is selected here.
  • the angle of incidence is enclosed between a surface normal of the layer made of the holographic material and the object beam.
  • the at least one partial area of the layer made of the holographic material is exposed to light rays of different wavelengths one after the other. This starts with the light beam which has the greatest wavelength in relation to the light beams at least three different wavelengths.
  • undesired, coherent interfering light for example scattered light, multiple reflections
  • multiple reflections at different layer boundaries are also possible.
  • Scattered light and multiple reflections lead to the creation of scattered light holograms during the recording, and these in turn lead to the creation of further reflection and / or transmission holograms.
  • photopolymers develop the optical function during exposure because the refractive index changes during the exposure process due to crosslinking processes.
  • the coherent stray light thus leads to the formation of scattered holograms during the exposure process that has not yet been completed.
  • These scattered holograms are also created when the layer made of the holographic material is exposed to initially the light beam of the greatest wavelength. However, subsequently introduced light beams with a smaller wavelength can be transmitted to such scattering holograms in accordance with the Bragg equation
  • d corresponds to the previously introduced grid spacing in the interference grating in the layer of holographic material, a to the angle of incidence of an incident light beam and l to the wavelength of the incident light.
  • Light rays of smaller wavelengths would need correspondingly large angles of incidence in order to be deflected at a previously introduced scattering hologram (cosine has values falling from 0 ° to 90 °). This reduces the number of undesirably introduced holograms.
  • the haze value of the layer made of the holographic material is reduced, which in turn means that the hologram structure produced has a high level of transparency with respect to ambient light.
  • the finished holographic optical element in which a laser beam with different color spectra is incident on the generated hologram structures and is supposed to continue after incident as a parallel beam with the same angle of reflection, the at least one sub-area with different angles of incidence of the respective light beams becomes more different when the hologram structures are generated Wavelength exposed.
  • the layer of the holographic material is preferably exposed to light rays of red, green and blue wavelengths.
  • the layer is first exposed to red, then to green and finally to blue light.
  • Such a color spectrum in the field of vision of a person is used, for example, in the application of data glasses and / or lenses.
  • this sequence of exposure leads to a minimization of holograms which are undesirably introduced into the layer of holographic material.
  • An irradiation power of the light beams of different wavelengths is preferably selected depending on a size of the wavelength of the light beams.
  • the layer of the holographic material points to light different wavelength a different sensitivity.
  • blue light requires a significantly higher irradiation power in order to generate holograms in the layer with the same efficiency as red light.
  • an irradiation power that is four times as high for blue light and twice as high for green light as compared to red light is selected.
  • a duration of the exposure of the layer made of the holographic material by means of the light beams of different wavelengths is preferably selected as a function of a magnitude of the wavelength of the incident light beams.
  • the different sensitivity of the layer made of the holographic material to light of different wavelengths plays a role. For example, a photopolymer layer requires a shorter exposure time with red light than an exposure time with green light in order to obtain a comparable efficiency of the photopolymer layer.
  • the layer of the holographic material is preferably exposed from a first side, in particular from a rear side, by means of an object beam and from a second side, in particular a front side, by means of a reference beam.
  • reflection holograms are generated in the layer, which are used in the application, for example, in data glasses or reflective diffusing lenses.
  • the layer made of the holographic material for generating holograms is preferably completely exposed along a longitudinal axis of the layer made of holographic material by means of the light beams of different wavelengths.
  • hologram structures can arise completely along the longitudinal axis of the layer made of the holographic material and the holographic optical element can fulfill the optical function completely along this longitudinal axis.
  • the layer of holographic material is preferably exposed by means of a laser scanner along the longitudinal axis of the layer of holographic material.
  • the Control the irradiation power of the light beams and / or the duration of the irradiation.
  • a laser scanner can be used to easily control and generate different angles of incidence of the light beams of different wavelengths when the layer made of the holographic material is exposed.
  • This layer is preferably pre-exposed to incoherent light prior to the generation of the hologram structures in the layer made of the holographic material.
  • photopolymers can be made less sensitive and the exposure threshold value at which holograms are formed can be increased. This also means that fewer scattered holograms and disruptive further multiple reflection holograms are formed.
  • Such an incoherent pre-exposure is carried out in particular by means of a white light source (e.g. spectrum of a phosphor-converted LED). It is important to ensure that sufficient wavelength components are present in the visible spectral range. This measure can lead to an output efficiency of the hologram structures being reduced. A corresponding compromise between the suppression of interference and the efficiency that can be achieved is therefore necessary.
  • Efficiency per wavelength or per hologram structure
  • Efficiency describes here the portion of the light from the laser scanner or the reconstruction waves that is diffracted at the hologram structure per wavelength.
  • efficiencies of less than 40% are sufficient.
  • the holographic optical element here has at least one light-permeable carrier substrate and a layer of a holographic material arranged on an outer surface of the carrier substrate.
  • a plurality, in particular at least three different, hologram structures are formed in at least one partial area of the layer made of the holographic material.
  • the holographic optical element has a haze value of less than 1.5% along a longitudinal axis of the holographic optical element. This means that the holographic optical element does not have any region along the longitudinal axis in which the haze value is 1.5% or greater.
  • This haze value also known as large-angle scatter, describes to what extent Light rays that fall from the environment into a transparent medium are evenly scattered in all directions after passing through. ASTM D1003 defines haze as the amount of light in percent that deviates on average by more than 2.5 ° from the incident light beam. The smaller the haze value, the more transparent and clear the surface of the medium appears to the viewer. Conversely, a high haze value leads to a milky, cloudy appearance of the surface of the medium for the observer. A haze value of less than 1.5% determined here leads to a highly transparent holographic optical element for ambient light.
  • the translucent carrier substrate preferably has a haze value of less than 1% along a longitudinal axis of the translucent carrier substrate.
  • the carrier substrate can be made of thin glass or polyamide, for example.
  • a haze value of less than 1% has the advantage that when the hologram structures are recorded, scattered light is greatly reduced and the haze value of less than 1.5% of the holographic optical element is therefore easier to implement.
  • the layer made of the holographic material preferably has a layer thickness in a range of 8-25 ⁇ m, in particular in a range of 15-17 ⁇ m.
  • layer thicknesses have proven to be advantageous in particular for applications as at least part of a spectacle lens in data glasses or as a reflective diffuser in a display device.
  • this selected layer thickness has the advantage that high efficiencies can be achieved in red, green and blue color spectra. Due to the angle and wavelength selectivity that can be achieved, which is dependent on the layer thickness, the number of scattering holograms can be reduced.
  • a holographic optical element as described above for use as at least part of a spectacle lens of data glasses.
  • the holographic optical element is, for example, glued to the spectacle lens and makes it possible to project light rays generated by means of a micro laser scanner and incident on the holographic optical element onto the retina of the spectacle wearer.
  • the present invention also relates to a use of the previously described holographic optical element as a diffusing screen in a display device.
  • the holographic optical element serves as a transparent scattering element, which directs the light in a targeted and efficient manner in a defined direction.
  • FIG. 1 shows a method for producing a holographic optical element.
  • FIG. 2 shows the production of a holographic optical element.
  • FIG. 3 shows a change in the exposure threshold value in the case of incoherent pre-exposure of a layer made of a holographic material
  • FIG. 4 shows the different sensitivity of a photopolymer to light rays of different wavelengths.
  • FIG. 5 shows the use of a holographic optical element in data glasses.
  • FIGS. 6a and 6b show the use of a holographic optical element as a diffuser of a display device of a vehicle.
  • FIG. 1 shows a method for producing a holographic optical element in the form of a flow chart.
  • a method step 2 a light-permeable carrier substrate and a layer of a holographic material arranged on an outer surface of the carrier substrate are first provided.
  • the layer made of the holographic material is, for example, a photopolymer layer and the transparent carrier substrate is, for example, a thin glass or a plastic, such as polyamide.
  • a process step 4 following process step 2 at least one sub-area of the layer made of the holographic material is exposed to light rays of at least three different wavelengths in such a way that hologram structures are generated in the at least one exposed sub-area of the layer made of the holographic material depending on the wavelength of the light rays .
  • an angle of incidence of a respective object beam of the light beams of different wavelengths greater than 50 °, in particular between 50 ° and 80 ° is selected.
  • the angle of incidence is enclosed between a surface normal of the layer made of the holographic material and the object beam.
  • the exposure of the at least one partial area of the layer made of the holographic material by means of the light beams of different wavelengths takes place sequentially one after the other. The sequence starts with the light beam of the greatest wavelength.
  • the at least one partial area of the layer made of the holographic material is exposed to light rays of red, green and blue wavelengths.
  • the at least one sub-area of the layer is first exposed to light rays of red wavelength, then to light rays of green wavelength and then to light rays of blue wavelength.
  • an irradiation power of the light beams of different wavelengths is selected as a function of a size of the wavelength of the light beams. This reacts to the different sensitivity of the layer made of the holographic material to light of different wavelengths.
  • four times as high an irradiation power for blue light and twice as high an irradiation power for green light as compared to red light is selected.
  • a time duration for the exposure of the layer made of the holographic material by means of the light beams of different wavelengths is selected as a function of a size of the wavelength of the light beams. This also makes the different sensitivity of the layer made of the holographic material to light more different Wavelength responds. For example, a photopolymer layer requires a shorter exposure time with red light than an exposure time with green light in order to obtain a comparable efficiency of the photopolymer layer.
  • the layer of the holographic material is exposed from a first side, in particular from a rear side, by means of an object beam and from a second side, in particular a front side, by means of a reference beam.
  • a first side in particular from a rear side
  • object beams and reference beams can also radiate onto the at least one partial area of the layer made of the holographic material from the same side and interfere there. This is how transmission holograms are created as hologram structures.
  • the layer made of holographic material is exposed along its longitudinal axis by means of a laser scanner.
  • the layer of the holographic material for generating holographic structures is exposed not only in at least a partial area, but completely along a longitudinal axis of the layer of holographic material by means of light beams of different wavelengths.
  • the optical function of the resulting holographic, optical element can thus be fulfilled completely along the longitudinal axis of the layer of holographic material.
  • the layer made of the holographic material is first pre-exposed with incoherent light, in particular a white light source.
  • FIG. 2 shows schematically the production of a holographic, optical element 13.
  • the layer made of a holographic material 8 provided here is on an outer surface of a light-permeable carrier substrate 6 arranged.
  • the transparent carrier substrate 6 is again arranged on an anti-reflective glass plate 7.
  • a partial area 28 of the layer made of the holographic material 8 is exposed in this illustration with light rays of red wavelength in such a way that hologram structures for the red spectral range are generated in the exposed partial area 28 of the layer made of the holographic material 8.
  • light beams of red wavelength are generated by means of a laser scanner 26 and divided into a reference beam 29b and an object beam 29a by optical elements (not shown here).
  • the object beam 29a is incident at different angles of incidence ai , 02 and 0 3 on a rear side 18b of the layer made of the holographic material 8 and there interferes with the associated reference beams 23, 24 and 25, which are incident on a front side 18a of the layer made of the holographic material 8 irradiate.
  • the object beam 22 with the angle of incidence ai interferes with the reference beam 23 in the layer made of the holographic material 8 and generates a hologram structure there.
  • the object beam 21 with the associated angle of incidence 0 2 interferes with the reference beam 24 and the object beam 20 with the associated angle of incidence 0 3 interferes with the associated reference beam 25.
  • reflection holograms are introduced as hologram structures into the layer of the holographic material 8.
  • the angles of incidence a 1 to 0 3 are included between a surface normal 15 of the layer made of the holographic material 8 and the object beam 20, 21 and 23 and are selected in a range between 50 ° and 80 °.
  • unwanted, coherent stray light 10, 11 and 12 arises in a wide variety of directions at scattering centers, which are located, for example, in the carrier substrate 8, anti-reflective glass plate 7 or the layer made of the holographic material 8.
  • This coherent stray light 10, 11 and 12 made up of scattered light and multiple reflections leads to the creation of scattered light holograms when the hologram structures are recorded, and these in turn lead to the creation of further reflection and / or reflections
  • the layer made of the holographic material 8 for example a photopolymer layer, already forms the optical function during the exposure, since the refractive index already changes here during the exposure process as a result of crosslinking processes.
  • the coherent stray light 10, 11 and 12 thus leads to the formation of Scatter holograms during the not yet completed exposure process.
  • These scattering holograms also arise in the case shown here of a beginning exposure to light rays of red wavelength.
  • subsequently introduced light beams with a smaller wavelength for example green light beams for generating hologram structures for the green spectral range or blue light beams for generating hologram structures for the blue spectral range
  • 2xdxcosa mxA are worse deflected at large angles of incidence a and then form undesired holograms themselves again.
  • Light rays of smaller wavelengths would need correspondingly large angles of incidence in order to be deflected at a previously introduced scattering hologram (cosine has values falling from 0 ° to 90 °).
  • an exemplary exposure sequence of first light rays of red wavelength, then light rays of blue wavelength and then light waves of green wavelength leads to a reduction in undesirably introduced holograms.
  • the transparent carrier substrate 8 has a haze value of less than 1% along a longitudinal axis 16 of the transparent carrier substrate 8.
  • the carrier substrate 8 can be formed from thin glass or polyamide, for example.
  • the layer made of the holographic material 8 in this exemplary embodiment has a layer thickness 9 of essentially 16 ⁇ m.
  • FIG. 3 shows how the exposure threshold value of a photopolymer layer changes as a result of incoherent pre-exposure.
  • the efficiency of a generated hologram structure is shown on the y-axis 33 and the dose (irradiation power or irradiation energy) for producing hologram structures in the photopolymer layer is shown on the x-axis.
  • the curve 31a shows the case of a photopolymer layer in which no incoherent pre-exposure has taken place. In this case, only a low irradiation power is necessary in order to reach the assigned exposure threshold value 35a and thus to increase the efficiency of the hologram structure generated.
  • the relationship 32 can also be recognized that the greater the dose of the incoherent pre-exposure, the lower the efficiency of the hologram structures to be achieved in the layer of the holographic material. A corresponding compromise between the suppression of interference and the efficiency that can be achieved is therefore necessary. For many applications, in particular for data glasses and / or a lens, however, efficiencies of less than 40% are sufficient.
  • FIG. 4 shows the different sensitivity of a photopolymer layer to light rays of different wavelengths.
  • the exposure wavelength is shown on the X-axis 45 and the efficiency to be achieved of a generated hologram structure with the same irradiation dose is shown on the Y-axis 46.
  • the sensitivity in the area of light rays of blue wavelength 41 is significantly lower than in the area of light rays of green wavelength 42.
  • the sensitivity of the photopolymer layer is highest in the area of light rays of red wavelength 43. Outside the red area 43, the photopolymer layer can no longer be exposed .
  • the irradiation power and / or irradiation duration with light rays of blue wavelength must be significantly greater than, for example, with light rays of red wavelength.
  • FIG. 5 shows a holographic optical element 59 for use as part of a spectacle lens 69 of data glasses 50.
  • a laser projector 54 is arranged on a spectacle temple 53, which forms light beams 55a and 55b emits laser beams onto a micromirror 60.
  • the micromirror 61 in turn is designed to rotate about an axis of rotation 61 and to deflect the light beams 55a and 55b at different angles onto the holographic optical element 59.
  • the holographic optical element 59 here has a light-permeable carrier substrate 52 and a layer of a holographic material 51 arranged on a surface of the carrier substrate 52.
  • the layer made of the holographic material 51 has a plurality of recorded hologram structures which result in incident light 56a and 56b being projected onto a retina 63 of a viewer as a function of the wavelength and as a function of the angle.
  • a virtual image can be projected into the eye of the viewer.
  • the holographic optical element 59 has a haze value of less than 1.5% along its longitudinal axis 58.
  • the spectacle lens 69 is thus highly transparent for light 67 incident from the surroundings and thus has a clear surface for the viewer.
  • the transparent carrier substrate 52 has a haze value of less than 1% along a longitudinal axis of the transparent carrier substrate 62.
  • the layer made of the holographic material 51 can in this use as part of a spectacle lens 69 have a layer thickness in a range of 8-25 ⁇ m, in particular in a range of 15-17 ⁇ m.
  • FIG. 6b shows a schematic representation of a perspective view of a projection device 81.
  • the projection device 81 can be arranged in a vehicle 83 according to FIG. 6a and has a projector 88 and a diffuser 80 as a display surface.
  • the projector 88 can emit light beams 87.
  • the diffusing screen 80 which can also be referred to as a projection surface, has at least one holographic optical element 84.
  • the holographic optical element 84 can in particular have holographic optical properties for deflecting and / or scattering the light beams 87 as a function of an angle of incidence of the light beams 87 on the holographic optical element 84.
  • the projection device 81 is designed to display at least one image for a viewer 82 of FIG Projection device 81.
  • the projector 88 and the display surface 80 are arranged in such a way, in particular with respect to one another, that the light beams 87 emitted by the projector 88 are directed onto the diffusing screen 80 for an image display 85, for example a real image display 85.
  • the light beams 87 emitted by the projector 88 are guided in the direction of the diffusing screen 80, as a result of which an image representation 85 is generated on the diffusing screen 80, in particular by the holographic optical element 84.
  • the light rays 87 can be bent and / or deflected and / or reflected on the holographic optical element of the diffusion plate 80.
  • the light beams 87 can be deflected simultaneously by the holographic optical element 84 and scattered into a defined angular range. In this way, an image, for example a real image, can be generated on the diffusing screen 80 for a viewer of the diffusing screen 80 in particular.
  • the holographic optical element 84 has, in particular, a specific emission characteristic.
  • the holographic optical element 84 is effective, for example, for incident light rays 87 which are emitted by the projector 88 and thus impinge on the diffuser 80 at a defined angle, in particular an angle of incidence, and for light rays which from a different angle of incidence onto the diffuser 80 impinge as a display surface and, for example, do not come effectively from the vicinity of the lens 80.
  • the light rays 87 of the projector 88 are in particular scattered, reflected and / or diffracted.
  • the scattering on the scattering disk 80 can take place in a defined area, whereby a scattered image point and, in total, an image representation can be visibly displayed.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen eines holographisch, optischen Elements (13). Hierbei wird zunächst ein lichtdurchlässiges Trägersubstrat (6) und eine, auf einer Oberfläche des Trägersubstrats (6) angeordnete Schicht aus einem holographischen Material (8) bereitgestellt. Darauf folgend wird wenigstens ein Teilbereich (28) der Schicht aus dem holographischen Material (8) mit Lichtstrahlen (20, 21, 22, 23, 24, 25) wenigstens drei unterschiedlicher Wellenlängen derart belichtet, dass in dem wenigstens einen belichteten Teilbereich (28) der Schicht (8) abhängig von der Wellenlänge der Lichtstrahlen (20, 21, 22, 23, 24, 25) Hologrammstrukturen erzeugt werden. Bei dem Belichten des wenigstens einen Teilbereiches (28) der Schicht (8) wird ein Einstrahlwinkel (α1, α2, α3) eines jeweiligen Objektstrahls (20, 21, 22) der Lichtstrahlen (20, 21, 22, 23, 24, 25) unterschiedlicher Wellenlänge größer 50°, insbesondere zwischen 50° und 80°, gewählt. Der Einstrahlwinkel (α1, α2, α3) ist hierbei zwischen einer Flächennormalen (15) der Schicht aus dem holographischen Material (8) und dem Objektstrahl (20, 21, 22) eingeschlossen. Der wenigstens eine Teilbereich (29) der Schicht aus dem holographischen Material (8) wird zeitlich hintereinander mit den Lichtstrahlen (20, 21, 22, 23, 24, 25) unterschiedlicher Wellenlänge belichtet. Hierbei wird mit dem Lichtstrahl (20, 21, 22, 23, 24, 25) begonnen, welcher die größte Wellenlänge aufweist.

Description

Beschreibung
Titel
Verfahren zum Erzeugen eines holographischen, optischen Elements
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen eines holographischen, optischen Elements, sowie ein holographisches, optisches Element, welches beispielsweise als Teil eines Brillenglases einer Datenbrille oder als Streuscheibe in einer Anzeigevorrichtung verwendet werden kann.
Stand der Technik
Holographische, optische Elemente (HOE) sind in der Anwendung beispielsweise bei Head-up-Displays bekannt. Hierbei kann das Hologramm, wie beispielsweise in dem Dokument DE 102011 075 884 Al beschrieben, zur Umlenkung des Lichts in der Instrumententafel des Fahrzeugs angeordnet sein. Als Träger des Hologramms kann hierbei beispielsweise ein Glaskörper genutzt werden.
Der Erfindung liegt davon ausgehend die Aufgabe zugrunde, ein holographisch, optisches Element zu entwickeln, welches für Umgebungslicht hochtransparent ausgebildet ist und somit auch für weitere Anwendungen, wie beispielsweise Datenbrillen oder Streuscheiben geeignet sein kann.
Offenbarung der Erfindung
Zur Lösung der Aufgabe wird ein Verfahren zum Erzeugen eines holographischen, optischen Elements vorgeschlagen, wobei das Verfahren die folgenden Verfahrensschritte aufweist. Zunächst wird ein lichtdurchlässiges Trägersubstrat und eine, auf einer äußeren Oberfläche des Trägersubstrats angeordnete Schicht aus einem holographischen Material bereitgestellt. Bei dem lichtdurchlässigen Trägersubstrat handelt es sich beispielsweise um eine Kunststofffolie (z.B. Polyamid oder Polycarbonat) und bei der Schicht aus einem holographischen Material handelt es sich beispielsweise um eine Photopolymerschicht. In einem folgenden Verfahrensschritt wird wenigstens ein Teilbereich der Schicht aus dem holographischen Material mit Lichtstrahlen wenigstens drei unterschiedlicher Wellenlängen derart belichtet, dass in dem wenigstens einen belichteten Teilbereich der Schicht aus dem holographischem Material abhängig von der Wellenlänge der Lichtstrahlen Hologrammstrukturen erzeugt werden. Solche Hologrammstrukturen entstehen durch Interferenz eines Objektsstrahls und eines Referenzstrahls, wobei diese beiden Lichtstrahlen kohärentes Licht gleicher Wellenlänge aufweisen. Somit entstehen in dem dargestellten Verfahren für jeden Lichtstrahl unterschiedlicher Wellenlänge zugeordnete Hologrammstrukturen. Die einbelichteten Interferenzstrukturen entsprechen Brechzahlunterschiede im holografischen Material. Durch Interferenz entstehende Volumenholgramme sind im Prinzip VolumenBragg- Gitter, die wellenlängenselektiv und winkelselektiv einfallendes Licht umlenken können. In dem dargestellten Verfahren wird bei dem Belichten des wenigstens einen Teilbereich der Schicht aus dem holographischen Material ein Einstrahlwinkel eines jeweiligen Objektstrahls der Lichtstrahlen unterschiedlicher Wellenlänge größer 50° gewählt. Insbesondere wird hierbei ein jeweiliger Einstrahlwinkel zwischen 50° und 80° gewählt. Der Einstrahlwinkel ist hierbei zwischen einer Flächennormalen der Schicht aus dem holographischen Material und dem Objektstrahl eingeschlossen. Bei dem dargestellten Verfahren wird der wenigstens eine Teilbereich der Schicht aus dem holographischen Material zeitlich hintereinander mit den Lichtstrahlen unterschiedlicher Wellenlänge belichtet. Hierbei wird mit dem Lichtstrahl begonnen, welcher in Bezug auf die Lichtstrahlen wenigstens drei unterschiedlicher Wellenlänge, die größte Wellenlänge aufweist. Bei der Aufnahme einer Hologrammstruktur entsteht unerwünschtes, kohärentes Störlicht (z.B. Streulicht, Mehrfachreflexionen) in unterschiedlichsten Richtungen an Streuzentren, die sich beispielsweise in dem Trägersubstrat befinden. Zusätzlich sind auch Mehrfachreflexionen an unterschiedlichen Schichtgrenzen möglich. Streulicht und Mehrfachreflexionen führen bei der Aufnahme zur Entstehung von Streulichthologrammen und diese wiederum zur Entstehung weiterer Reflexions- und/oder Transmissionshologramme. Insbesondere Photopolymere bilden während der Belichtung schon die optische Funktion aus, weil sich hier während des Belichtungsprozesses durch Vernetzungsprozesse schon die Brechzahl ändert. Das kohärente Störlicht führt damit zur Ausbildung von Streuhologrammen während des noch nicht abgeschlossenen Belichtungsprozesses. Diese Streuhologramme entstehen auch bei der Belichtung der Schicht aus dem holographischen Material mit zunächst dem Lichtstrahl größter Wellenlänge. Jedoch können anschließend eingebrachte Lichtstrahlen mit kleinerer Wellenlänge an solchen Streuhologrammen entsprechend der Bragg-Gleichung
2 x d x CÖSÖ - m x Ά schlechter bei großen Einfallswinkeln a abgelenkt werden und dann selbst wieder unerwünschte Hologramme bilden. In der dargestellten Formel entspricht d dem zuvor eingebrachten Gitterabstand im Interferenzgitter in der Schicht aus holographischen Material, a dem Einfallswinkel eines einfallenden Lichtstrahls und l der Wellenlänge des einfallenden Lichts. Lichtstrahlen kleinerer Wellenlänge bräuchten entsprechend große Einfallswinkel, um an einem zuvor eingebrachten Streuhologramm abgelenkt zu werden (cosinus weist von 0° bis 90° fallende Werte auf). Somit wird die Anzahl von unerwünscht eingebrachten Hologrammen reduziert. Dies wiederum führt dazu, dass der Haze-Wert der Schicht aus dem holographischen Material reduziert wird, was wiederum dazu führt, dass die erzeugte Hologrammstruktur eine hohe Transparenz gegenüber Umgebungslicht aufweist. Bei Anwendungen des fertig erstellten holographischen optischen Elements, bei denen ein Laserbeam mit unterschiedlichen Farbspektren auf die erzeugten Hologrammstrukturen einfällt und nach dem Einfallen als paralleler Strahl mit gleichem Ausfallswinkel weiterlaufen soll, wird beim Erzeugen der Hologrammstrukturen der wenigstens eine Teilbereich mit unterschiedlichen Einfallswinkeln der jeweiligen Lichtstrahlen unterschiedlicher Wellenlänge belichtet.
Vorzugsweise wird die Schicht aus dem holographischen Material mit Lichtstrahlen roter, grüner und blauer Wellenlänge belichtet. Hierbei wird die Schicht zunächst mit rot, dann mit grün und zuletzt mit blauem Licht belichtet. Solch ein Farbspektrum im Sehbereich eines Menschen wird beispielsweise in der Anwendung von Datenbrillen und/oder Streuscheiben verwendet. Diese Reihenfolge von Belichtung führt bei großen Einfallswinkeln entsprechend der zuvor beschriebenen Beziehung zu einer Minimierung von unerwünscht in die Schicht aus holographischem Material eingebrachten Hologrammen.
Bevorzugt wird eine Einstrahlleistung der Lichtstrahlen unterschiedlicher Wellenlänge abhängig von einer Größe der Wellenlänge der Lichtstrahlen gewählt. Die Schicht aus dem holographischen Material weist für Licht unterschiedlicher Wellenlänge eine unterschiedliche Empfindlichkeit auf. So benötigt beispielsweise blaues Licht bei einem Photopolymer als Schicht aus dem holographischen Material eine wesentlich höhere Einstrahlleistung, um in der Schicht Hologramme mit derselben Effizienz zu erzeugen, wie rotes Licht. Insbesondere wird in diesem Zusammenhang eine viermal so hohe Einstrahlleistung bei blauem Licht und bei grünem Licht eine doppelt so hohe Einstrahlleistung, wie gegenüber dem roten Licht gewählt.
Vorzugsweise wird eine zeitliche Dauer der Belichtung der Schicht aus dem holographischen Material mittels der Lichtstrahlen unterschiedlicher Wellenlänge abhängig von einer Größe der Wellenlänge der einfallenden Lichtstrahlen gewählt. Auch hier spielt die unterschiedliche Empfindlichkeit der Schicht aus dem holographischen Material auf Licht unterschiedlicher Wellenlänge eine Rolle. Beispielsweise benötigt eine Photopolymerschicht eine kürzere Belichtungsdauer mit rotem Licht gegenüber einer Belichtungsdauer mit grünem Licht, um eine vergleichbare Effizienz der Photopolymerschicht zu erhalten.
Bevorzugt wird zur Erzeugung der Hologrammstrukturen in dem wenigstens einen Teilbereich, die Schicht aus dem holographischen Material von einer ersten Seite, insbesondere von einer Rückseite, mittels eines Objektstrahls und von einer zweiten Seite, insbesondere einer Vorderseite, mittels eines Referenzstrahls belichtet. Somit werden Reflexionshologramme in der Schicht erzeugt, welche in der Anwendung beispielsweise bei Datenbrillen oder reflektive Streuscheiben verwendet werden.
Vorzugsweise wird die Schicht aus dem holographischen Material zur Erzeugung von Hologrammen vollständig entlang einer Längsachse der Schicht aus holographischen Material mittels der Lichtstrahlen unterschiedlicher Wellenlängen belichtet. Somit können Hologrammstrukturen vollständig entlang der Längsachse der Schicht aus dem holographischen Material entstehen und das holographische optische Element die optische Funktion vollständig entlang dieser Längsachse erfüllen.
Bevorzugt wird die Schicht aus holographischen Material entlang der Längsachse der Schicht aus holographischen Materials mittels eines Laserscanners belichtet. Mittels eines Laserscanners lässt sich einfach die Einstrahlleistung der Lichtstrahlen und/oder die zeitliche Dauer der Einstrahlung steuern. Zusätzlich lassen sich mittels eines Laserscanners unterschiedliche Einfallswinkel der Lichtstrahlen unterschiedlicher Wellenlänge bei der Belichtung der Schicht aus dem holographischen Material einfach steuern und erzeugen.
Vorzugsweise wird zeitlich vor der Erzeugung der Hologrammstrukturen in der Schicht aus dem holographischen Material, diese Schicht mit inkohärentem Licht vorbelichtet. Somit können beispielsweise Photopolymere unempfindlicher gemacht werden und der Belichtungsschwellwert, bei der sich Hologramme ausbilden, erhöht werden. Damit bilden sich auch weniger Streuhologramme und störende weitere Mehrfachreflexions-Hologramme aus. Eine solche inkohärente Vorbelichtung wird insbesondere mittels einer Weißlichtquelle (z.B. Spektrum einer phosphor-konvertierten LED) durchgeführt. Hierbei ist darauf zu achten, dass ausreichend Wellenlängenanteile im sichtbaren Spektralbereich vorhanden sind. Diese Maßnahme kann dazu führen, dass eine Ausgangseffizienz der Hologrammstrukturen gesenkt wird. Ein entsprechender Kompromiss zwischen Unterdrückung von Störungen und erreichbarer Effizienz ist somit nötig. Effizienz (pro Wellenlänge bzw. pro Hologrammstruktur) beschreibt hier den an der Hologrammstruktur gebeugten Anteil des pro Wellenlänge eingestrahlten Lichts des Laserscanners bzw. der Rekonstruktionswellen. Für viele Anwendungen, insbesondere bei einer Datenbrille und/oder einer Streuscheibe sind jedoch Effizienzen von unter 40% ausreichend.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein holographisches optisches Element (HOE), welches insbesondere mittels des zuvor beschriebenen Verfahrens hergestellt ist. Das holographische optische Element weist hierbei wenigstens ein lichtdurchlässiges Trägersubstrat und eine, auf einer äußeren Oberfläche des Trägersubstrats angeordnete Schicht aus einem holographischen Material auf. In wenigstens einem Teilbereich der Schicht aus dem holographischem Material ist eine Mehrzahl, insbesondere wenigstens drei voneinander unterschiedliche, Hologrammstrukturen ausgebildet. Das holographische optische Element weist entlang einer Längsachse des holographischen optischen Elements einen Haze-Wert von kleiner 1,5% auf. Das bedeutet, dass das holographische optische Element entlang der Längsachse keinen Bereich aufweist, in der der Haze-Wert 1,5% oder größer ist. Dieser auch als Großwinkelstreuung bezeichnete Haze-Wert beschreibt, inwieweit Lichtstrahlen, welche aus der Umgebung in ein transparentes Medium einfallen, nach dem Durchgang in alle Richtungen gleichmäßig gestreut werden. ASTM D1003 definiert Haze als die Lichtmenge in Prozent, die im Mittel um mehr als 2,5° vom einfallenden Lichtstrahl abweicht. Je kleiner der Haze-Wert ist, desto transparenter und klarer wirkt die Oberfläche des Mediums für den Betrachter. Anders herum führt ein hoher Haze-Wert für den Betrachter zu einem milchig trüben Erscheinungsbild der Oberfläche des Mediums. Ein hier festgestellter Haze-Wert von kleiner 1,5% führt zu einem hochtransparenten holographischen optischen Element für Umgebungslicht.
Vorzugsweise weist das lichtdurchlässige Trägersubstrat entlang einer Längsachse des lichtdurchlässigen Trägersubstrats einen Haze-Wert von kleiner 1% auf. Das Trägersubstrat kann in diesem Zusammenhang beispielsweise aus Dünnglas oder Polyamid ausgebildet sein. Ein Haze-Wert von kleiner 1% weist den Vorteil auf, dass bei der Aufnahme der Hologrammstrukturen Streulicht stark reduziert wird und der Haze-Wert von kleiner 1,5% des holographisch optischen Elements somit einfacher zu realisieren ist.
Bevorzugt weist die Schicht aus dem holographischen Material eine Schichtdicke in einem Bereich von 8-25 pm, insbesondere in einem Bereich von 15-17 pm, aufweist. Solche Schichtdicken haben sich insbesondere für die Anwendungen als zumindest Teil eines Brillenglases einer Datenbrille oder als reflektive Streuscheibe in einer Anzeigevorrichtung als vorteilhaft erwiesen. Zusätzlich hat diese gewählte Schichtdicke den Vorteil, dass hohe Effizienzen in roten, grünen und blauen Farbspektren erreicht werden können. Durch die erreichbare Winkel und Wellenlängenselektivität, welche abhängig von der Schichtdicke ist, kann die Anzahl der Streuhologramme reduziert werden.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein wie zuvor beschriebenes holographisches optisches Element zur Verwendung als zumindest Teil eines Brillenglases einer Datenbrille. Das holographische optische Element ist hierzu beispielsweise auf das Brillenglas geklebt und ermöglicht es, mittels eines Mikro-Laserscanners erzeugte und auf das holographische optische Element einfallende Lichtstrahlen auf die Netzhaut des Brillenträgers zu projizieren. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung eine Verwendung des zuvor beschriebenen holographischen optischen Elements als Streuscheibe in einer Anzeigevorrichtung. In diesem Zusammenhang dient das holographische optische Element (HOE) als transparentes Streuelement, welches das Licht gezielt und effizient in eine definierte Richtung lenkt.
Beschreibung der Zeichnungen
Figur 1 zeigt ein Verfahren zum Erzeugen eines holographisch, optischen Elements.
Figur 2 zeigt die Erzeugung eines holographischen, optischen Elements.
Figur 3 zeigt eine Veränderung des Belichtungsschwellwerts bei einer inkohärenten Vorbelichtung einer Schicht aus einem holographischen Material
Figur 4 zeigt die unterschiedliche Empfindlichkeit eines Photopolymers auf Lichtstrahlen unterschiedlicher Wellenlänge.
Figur 5 zeigt die Verwendung eines holographischen optischen Elements in einer Datenbrille.
Figur 6a und 6b zeigen die Verwendung eines holographischen optischen Elements als Streuscheibe einer Anzeigevorrichtung eines Fahrzeugs.
Ausführungsbeispiele der Erfindung
Figur 1 zeigt ein Verfahren zum Erzeugen eines holographischen, optischen Elements in Form eines Flussdiagramms. Hierbei wird zunächst in einem Verfahrensschritt 2 ein lichtdurchlässiges Trägersubstrat und eine auf einer äußeren Oberfläche des Trägersubstrats angeordneten Schicht aus einem holographischen Material bereitgestellt. Bei der Schicht aus dem holographischen Material handelt es sich beispielsweise um eine Photopolymerschicht und bei dem lichtdurchlässigen Trägersubstrat handelt es sich beispielsweise um ein Dünnglas oder einen Kunststoff, wie Polyamid. In einem auf den Verfahrensschritt 2 folgenden Verfahrensschritt 4 wird wenigstens ein Teilbereich der Schicht aus dem holographischen Material mit Lichtstrahlen wenigstens drei unterschiedlicher Wellenlängen derart belichtet, dass in dem wenigstens einen belichteten Teilbereich der Schicht aus dem holographischem Material abhängig von der Wellenlänge der Lichtstrahlen Hologrammstrukturen erzeugt werden. Hierbei wird bei dem Belichten des wenigstens einen Teilbereiches der Schicht aus dem holographischen Material ein Einstrahlwinkel eines jeweiligen Objektstrahls der Lichtstrahlen unterschiedlicher Wellenlänge größer 50°, insbesondere zwischen 50° und 80°, gewählt. Der Einstrahlwinkel ist hierbei zwischen einer Flächennormalen der Schicht aus dem holographischen Material und dem Objektstrahl eingeschlossen. Die Belichtung des wenigstens einen Teilbereiches der Schicht aus dem holographischen Material mittels der Lichtstrahlen unterschiedlicher Wellenlänge erfolgt sequentiell zeitlich hintereinander. In der Reihenfolge wird hierbei mit dem Lichtstrahl größter Wellenlänge begonnen.
Optional wird in Verfahrensschritt 2 der wenigstens eine Teilbereich der Schicht aus dem holographischen Material mit Lichtstrahlen roter, grüner und blauer Wellenlänge belichtet. Hierbei wird der wenigstens eine Teilbereich der Schicht zunächst mit Lichtstrahlen roter Wellenlänge, dann mit Lichtstrahlen grüner Wellenlänge und anschließend mit Lichtstrahlen blauer Wellenlänge belichtet.
Weiterhin optional wird in Verfahrensschritt 2 eine Einstrahlleistung der Lichtstrahlen unterschiedlicher Wellenlänge abhängig von einer Größe der Wellenlänge der Lichtstrahlen gewählt. Somit wird auf die unterschiedliche Sensibilität der Schicht aus dem holographischen Material auf Licht unterschiedlicher Wellenlänge reagiert. Insbesondere wird bei dem zuvor beschriebenen optionalen Verfahrensschritt viermal so hohe Einstrahlleistung bei blauem Licht und bei grünem Licht eine doppelt so hohe Einstrahlleistung, wie gegenüber dem roten Licht gewählt.
Weiterhin optional wird in Verfahrensschritt 2 eine zeitliche Dauer der Belichtung der Schicht aus dem holographischen Material mittels der Lichtstrahlen unterschiedlicher Wellenlänge abhängig von einer Größe der Wellenlänge der Lichtstrahlen gewählt. Auch hiermit wird auf die unterschiedliche Sensibilität der Schicht aus dem holographischen Material auf Licht unterschiedlicher Wellenlänge reagiert. Beispielsweise benötigt eine Photopolymerschicht eine kürzere Belichtungsdauer mit rotem Licht gegenüber einer Belichtungsdauer mit grünem Licht, um eine vergleichbare Effizienz der Photopolymerschicht zu erhalten.
Weiterhin optional wird zur Erzeugung der Hologrammstrukturen in dem wenigstens einen Teilbereich die Schicht aus dem holographischen Material von einer ersten Seite, insbesondere von einer Rückseite, mittels eines Objektstrahls und von einer zweiten Seite, insbesondere einer Vorderseite, mittels eines Referenzstrahls belichtet. So entstehen Reflexionshologramme als Hologrammstrukturen. Alternativ können Objektstrahlen und Referenzstrahlen auch von derselben Seite auf den wenigstens einen Teilbereich der Schicht aus dem holographischen Material einstrahlen und dort interferieren. So entstehen Transmissionshologramme als Hologrammstrukturen.
Weiterhin optional wird in Verfahrensschritt 2 zur Erzeugung der Hologrammstrukturen in der Schicht aus dem holographischen Material, die Schicht aus holographischen Material entlang deren Längsachse mittels eines Laserscanners belichtet.
In einem weiteren, auf den Verfahrensschritt 4 folgenden optionalen Verfahrensschritt 5 wird die Schicht aus dem holographischen Material zur Erzeugung von Hologrammstrukturen nicht nur in wenigstens einem Teilbereich, sondern vollständig entlang einer Längsachse der Schicht aus holographischen Material mittels der Lichtstrahlen unterschiedlicher Wellenlängen belichtet. Somit kann die optische Funktion des entstehenden holographischen, optischen Elements vollständig entlang der Längsachse der Schicht aus holographischen Material erfüllt werden.
In einem weiteren, auf den Verfahrensschritt 2 folgenden optionalen Verfahrensschritt 3 wird die Schicht aus dem holographischen Material zunächst mit inkohärentem Licht, insbesondere einer Weißlichtquelle, vorbelichtet.
Figur 2 zeigt schematisch die Erzeugung eines holographischen, optischen Elements 13. Die bereitgestellte Schicht aus einem holographischen Material 8 ist hierbei auf einer äußeren Oberfläche eines lichtdurchlässigen Trägersubstrats 6 angeordnet. Zur Fixierung ist das lichtdurchlässige Trägersubstrat 6 hierbei wiederum auf einer entspiegelten Glasplatte 7 angeordnet. Ein Teilbereich 28 der Schicht aus dem holographischen Material 8 wird in dieser Darstellung mit Lichtstrahlen roter Wellenlänge derart belichtet, dass in dem belichteten Teilbereich 28 der Schicht aus dem holographischem Material 8 Hologrammstrukturen für den roten Spektralbereich erzeugt werden. Hierzu werden in diesem Ausführungsbeispiel Lichtstrahlen roter Wellenlänge mittels eines Laserscanners 26 erzeugt und durch hier nicht dargestellte optische Elemente in einen Referenzstrahl 29b und einen Objektstrahl 29a aufgeteilt. Der Objektstrahl 29a fällt in unterschiedlichen Einfallswinkeln ai, 02 und 03 auf eine Rückseite 18b der Schicht aus dem holographischen Material 8 ein und interferiert dort mit den zugehörigen Referenzstrahlen 23, 24 und 25, welche auf eine Vorderseite 18a der Schicht aus dem holographischen Material 8 einstrahlen. In diesem Ausführungsbeispiel interferiert der Objektstrahl 22 mit dem Einfallswinkel ai mit dem Referenzstrahl 23 in der Schicht aus dem holographischen Material 8 und erzeugt dort eine Hologrammstruktur. Außerdem interferiert der Objektstrahl 21 mit dem zugehörigen Einfallswinkel 02 mit dem Referenzstrahl 24 und der Objektstrahl 20 mit dem zugehörigen Einfallswinkel 03 interferiert mit dem zugehörigen Referenzstrahl 25. Somit werden in diesem Ausführungsbeispiel Reflexionshologramme als Hologrammstrukturen in die Schicht aus dem holographischen Material 8 eingebracht. Die Einfallswinkel ai bis 03 sind hierbei zwischen einer Flächennormalen 15 der Schicht aus dem holographischen Material 8 und dem Objektstrahl 20, 21 und 23 eingeschlossen und sind in einem Bereich zwischen 50° und 80° gewählt. Bei der Aufnahme einer Hologrammstruktur entsteht unerwünschtes, kohärentes Störlicht 10, 11 und 12 in unterschiedlichsten Richtungen an Streuzentren, die sich beispielsweise in dem Trägersubstrat 8, entspiegelten Glasplatte 7 oder der Schicht aus dem holographischen Material 8 befinden. Dieses kohärente Störlicht 10, 11 und 12 aus Streulicht und Mehrfachreflexionen führt bei der Aufnahme der Hologrammstrukturen zur Entstehung von Streulichthologrammen und diese wiederum zur Entstehung weiterer Reflexions- und/oder
Transmissionshologramme. Insbesondere die Schicht aus dem holographischen Material 8, beispielsweise eine Photopolymerschicht, bildet während der Belichtung schon die optische Funktion aus, da sich hier während des Belichtungsprozesses durch Vernetzungsprozesse schon die Brechzahl ändert. Das kohärente Störlicht 10, 11 und 12 führt damit zur Ausbildung von Streuhologrammen während des noch nicht abgeschlossenen Belichtungsprozesses. Diese Streuhologramme entstehen auch bei dem hier dargestellten Fall einer beginnenden Belichtung mit Lichtstrahlen roter Wellenlänge. Jedoch können anschließend eingebrachte Lichtstrahlen mit kleinerer Wellenlänge (beispielsweise grüne Lichtstrahlen zur Erzeugung von Hologrammstrukturen für den grünen Spektralbereich oder blaue Lichtstrahlen zur Erzeugung von Hologrammstrukturen für den blauen Spektralbereich) an solchen Streuhologrammen entsprechend der Bragg-Gleichung
2xdxcosa=mxA schlechter bei großen Einfallswinkeln a abgelenkt werden und dann selbst wieder unerwünschte Hologramme bilden. Lichtstrahlen kleinerer Wellenlänge bräuchten entsprechend große Einfallswinkel, um an einem zuvor eingebrachten Streuhologramm abgelenkt zu werden (cosinus weist von 0° bis 90° fallende Werte auf). Somit führt eine beispielhafte Belichtungsreihenfolge von zunächst Lichtstrahlen roter Wellenlänge, dann Lichtstrahlen blauer Wellenläge und anschließend Lichtwellen grüner Wellenlänge zu einer Reduzierung von unerwünscht eingebrachten Hologrammen.
In diesem Ausführungsbeispiel weist das lichtdurchlässige Trägersubstrat 8 entlang einer Längsachse 16 des lichtdurchlässigen Trägersubstrats 8 einen Haze-Wert von kleiner 1% auf. Das Trägersubstrat 8 kann in diesem Zusammenhang beispielsweise aus Dünnglas oder Polyamid ausgebildet sein.
Weiterhin weist die Schicht aus dem holographischen Material 8 in diesem Ausführungsbeispiel eine Schichtdicke 9 von im Wesentlichen 16pm auf.
Figur 3 zeigt, wie sich der Belichtungsschwellwert einer Photopolymerschicht durch inkohärente Vorbelichtung verändert. Auf der Y-Achse 33 ist hierbei die Effizienz einer erzeugten Hologrammstruktur und auf der x-Achse 34 die Dosis (Bestrahlungsleistung oder Bestrahlungsenergie) zur Erzeugung von Hologrammstrukturen in der Photopolymerschicht dargestellt. Der Kurvenverlauf 31a zeigt den Fall einer Photopolymerschicht, bei der keine inkohärente Vorbelichtung stattgefunden hat. Hierbei ist lediglich eine geringe Bestrahlungsleistung notwendig, um den zugeordneten Belichtungsschwellwert 35a zu übersteigen und somit die Effizienz der erzeugten Hologrammstruktur zu erhöhen. Schon bei einer geringen kohärenten Vorbelichtung ist anhand des Kurvenverlaufs 31b erkennbar, wie die notwendige Bestrahlungsleistung zur Übersteigung des zweiten Belichtungsschwellenwertes 35b erhöht werden muss. Die stärkste Dosis einer inkohärenten Vorbelichtung ist anhand des Kurvenverlaufs 31c und dessen zugeordnetem Belichtungsschwellenwert 35c erkennbar. Durch inkohärente Vorbelichtung kann somit erreicht werden, dass weniger Streuhologramme und störende weitere Mehrfach reflexions- Hologramme während der Aufnahme der Hologrammstrukturen erzeugt werden. Eine solche inkohärente Vorbelichtung wird insbesondere mittels einer Weißlichtquelle (z.B. Spektrum einer phosphor-konvertierten LED) durchgeführt. Jedoch ist auch die Beziehung 32 zu erkennen, dass je größer die Dosis der inkohärenten Vorbelichtung ist, desto kleiner die zu erreichende Effizienz der Hologrammstrukturen in der Schicht aus dem holographischen Material ist. Ein entsprechender Kompromiss zwischen Unterdrückung von Störungen und erreichbarer Effizienz ist somit nötig. Für viele Anwendungen, insbesondere bei einer Datenbrille und/oder einer Streuscheibe sind jedoch Effizienzen von unter 40% ausreichend.
Figur 4 zeigt in einem Kurvenverlauf 40 die unterschiedliche Empfindlichkeit einer Photopolymerschicht auf Lichtstrahlen unterschiedlicher Wellenlänge. Auf der X- Achse 45 ist hierbei die Belichtungswellenlänge und auf der Y-Achse 46 die zu erreichende Effizienz einer erzeugten Hologrammstruktur bei gleicher Bestrahlungsdosis dargestellt. Bei der Photopolymerschicht ist die Empfindlichkeit im Bereich von Lichtstrahlen blauer Wellenlänge 41 deutlich kleiner als im Bereich von Lichtstrahlen grüner Wellenlänge 42. Am höchsten ist die Empfindlichkeit der Photopolymerschicht im Bereich von Lichtstrahlen roter Wellenlänge 43. Außerhalb des roten Bereichs 43 ist die Photopolymerschicht nicht mehr belichtbar. Daraus lässt sich ableiten, dass zur Erreichung derselben Effizienz der erzeugten Hologrammstrukturen die Bestrahlungsleistung und/oder Bestrahlungsdauer mit Lichtstrahlen blauer Wellenlänge deutlicher größer sein muss, als beispielsweise mit Lichtstrahlen roter Wellenlänge.
Figur 5 zeigt ein holographisches optisches Element 59 zur Verwendung als Teil eines Brillenglases 69 einer Datenbrille 50. Hierzu ist an einem Brillenbügel 53 ein Laserprojektor 54 angeordnet, welcher Lichtstrahlen 55a und 55b in Form von Laserstrahlen auf einen Mikrospiegel 60 aussendet. Der Mikrospiegel 61 wiederum ist dazu ausgebildet, um eine Drehachse 61 zu rotieren und die Lichtstrahlen 55a und 55b in unterschiedlichen Winkeln auf das holographische optische Element 59 umzulenken. Das holographische optische Element 59 weist hierbei ein lichtdurchlässiges Trägersubstrat 52 und eine, auf einer Oberfläche des Trägersubstrats 52 angeordnete Schicht aus einem holographischen Material 51 auf. Die Schicht aus dem holographischen Material 51 weist eine Mehrzahl von aufgenommenen Hologrammstrukturen auf, die dazu führen, dass einfallendes Licht 56a und 56b wellenlängenabhängig und winkelabhängig auf eine Retina 63 eines Betrachters projiziert wird. Somit kann dem Betrachter beispielsweise ein virtuelles Bild ins Auge projiziert werden. Das holographische optische Element 59 weist entlang dessen Längsachse 58 einen Haze-Wert von kleiner 1,5% auf. Somit ist das Brillenglas 69 für aus der Umgebung einfallendes Licht 67 hochtransparent und weist somit für den Betrachter eine klare Oberfläche auf.
Das lichtdurchlässige Trägersubstrat 52 weist in diesem Ausführungsbeispiel entlang einer Längsachse des lichtdurchlässigen Trägersubstrats 62 einen Haze- Wert von kleiner 1% auf. Die Schicht aus dem holographischen Material 51 kann in dieser Verwendung als Teil eines Brillenglases 69 eine Schichtdicke in einem Bereich von 8-25 pm, insbesondere in einem Bereich von 15-17 pm, aufweisen.
Figur 6b zeigt eine schematische Darstellung einer perspektivischen Ansicht einer Projektionsvorrichtung 81. Die Projektionsvorrichtung 81 kann gemäß Fig. 6a in einem Fahrzeug 83 angeordnet sein und weist einen Projektor 88 und eine Streuscheibe 80 als Anzeigefläche auf. Der Projektor 88 kann Lichtstrahlen 87 aussenden. Die Streuscheibe 80, welche auch als Projektionsfläche, Projection Screen bezeichnet werden kann, weist zumindest ein holographisches optisches Element 84 auf.
Das holographische optische Element 84 kann insbesondere holografisch optische Eigenschaften aufweisen zum Umlenken und/oder Streuen der Lichtstrahlen 87 in Abhängigkeit eines Einfallswinkels der Lichtstrahlen 87 auf das holographische optische Element 84. Die Projektionsvorrichtung 81 ist ausgebildet zu einer Anzeige zumindest einer Bilddarstellung für einen Betrachter 82 der Projektionsvorrichtung 81. Der Projektor 88 und die Anzeigefläche 80 sind in der Art, insbesondere zueinander, angeordnet, dass die von dem Projektor 88 ausgesendeten Lichtstrahlen 87 für eine Bilddarstellung 85, beispielsweise eine reale Bilddarstellung 85, auf die Streuscheibe 80 geleitet werden. Mit anderen Worten werden die von dem Projektor 88 ausgesendeten Lichtstrahlen 87 in Richtung der Streuscheibe 80 geleitet, wodurch auf der Streuscheibe 80, insbesondere durch das holographische optische Element 84 eine Bilddarstellung 85 erzeugt wird. Beispielsweise können die Lichtstrahlen 87 an dem holographischen optischen Element der Streuscheibe 80 gebeugt und/oder umgelenkt und/oder reflektiert werden. Insbesondere können die Lichtstrahlen 87 durch das holographische optische Element 84 gleichzeitig umgelenkt und in einen definierten Winkelbereich gestreut werden. Hierdurch kann insbesondere für einen Betrachter der Streuscheibe 80 ein Bild, zum Beispiel ein reales Bild, auf der Streuscheibe 80 generiert werden.
Die holographische optische Element 84 weist insbesondere eine spezifische Abstrahlcharakteristik auf. Hierdurch ist das holographische optische Element 84 beispielsweise für einstrahlende Lichtstrahlen 87, welche von dem Projektor 88 ausgestrahlt werden und somit in einem definierten Winkel, insbesondere einem Einfallswinkel, auf die Streuscheibe 80 auftreffen, wirksam und für Lichtstrahlen welche aus einem anderen Einfallswinkel auf die Streuscheibe 80 als Anzeigefläche auftreffen und beispielsweise aus der Umgebung der Streuscheibe 80 kommen nicht wirksam. Hierdurch werden die Lichtstrahlen 87 des Projektors 88 insbesondere gestreut, reflektiert und/oder gebeugt. Die Streuung auf der Streuscheibe 80 kann dabei in einem definierten Bereich erfolgen, wodurch ein gestreuter Bildpunkt und in Summe eine Bilddarstellung sichtbar dargestellt werden können.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Erzeugen eines holographischen, optischen Elements (13, 59, 84), wobei das Verfahren die folgenden Verfahrensschritte aufweist:
Bereitstellen (2) eines lichtdurchlässigen Trägersubstrats (6, 52) und einer auf einer Oberfläche des Trägersubstrats (6, 52) angeordneten Schicht aus einem holographischen Material (8, 51), insbesondere einer Photopolymerschicht, und
Belichten (4) wenigstens eines Teilbereiches (28) der Schicht aus dem holographischen Material (8, 51) mit Lichtstrahlen (20, 21, 22, 23, 24, 25) wenigstens drei unterschiedlicher Wellenlängen derart, dass in dem wenigstens einen belichteten Teilbereich (28) der Schicht aus dem holographischem Material (8, 51) abhängig von der Wellenlänge der Lichtstrahlen (20, 21, 22, 23, 24, 25) Hologrammstrukturen erzeugt werden, wobei bei dem Belichten (4) des wenigstens einen Teilbereiches (28) der Schicht aus dem holographischen Material (8, 51) ein Einstrahlwinkel (ai, 02,
03) eines jeweiligen Objektstrahls (20, 21, 22) der Lichtstrahlen (20, 21, 22, 23, 24, 25) unterschiedlicher Wellenlänge größer 50°, insbesondere zwischen 50° und 80°, gewählt wird, wobei der Einstrahlwinkel (al, a2, a3) zwischen einer Flächennormalen (15) der Schicht aus dem holographischen Material (8, 51) und dem Objektstrahl (20, 21, 22) eingeschlossen ist, wobei der wenigstens eine Teilbereich (28) der Schicht aus dem holographischen Material (8, 51) zeitlich hintereinander mit den Lichtstrahlen (20, 21, 22, 23, 24, 25) unterschiedlicher Wellenlänge belichtet wird, wobei mit dem Lichtstrahl (20, 21, 22, 23, 24, 25) begonnen wird, welcher die größte Wellenlänge aufweist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht aus dem holographischen Material (8, 51) mit Lichtstrahlen (20, 21, 22, 23, 24, 25) roter, grüner und blauer Wellenlänge belichtet wird, wobei für die zeitlich hintereinander durchzuführende Belichtung die folgende Reihenfolge gewählt wird: rot, grün und blau.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einstrahlleistung der Lichtstrahlen (20, 21, 22, 23, 24, 25) unterschiedlicher Wellenlänge abhängig von einer Größe der Wellenlänge der Lichtstrahlen (20, 21, 22, 23, 24, 25) gewählt wird. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine zeitliche Dauer der Belichtung (4) der Schicht aus dem holographischen Material (8, 51) mittels der Lichtstrahlen unterschiedlicher Wellenlänge abhängig von einer Größe der Wellenlänge der Lichtstrahlen (20, 21, 22, 23,
24, 25) gewählt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung der Hologrammstrukturen in dem wenigstens einen Teilbereich (28) die Schicht aus dem holographischen Material (8, 51) von einer ersten Seite, insbesondere von einer Rückseite (18b), mittels eines Objektstrahls (20, 21, 22) und von einer zweiten Seite, insbesondere einer Vorderseite (18a), mittels eines Referenzstrahls (23, 24, 25) belichtet wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht aus dem holographischen Material (8, 51) zur Erzeugung von Hologrammstrukturen vollständig entlang einer Längsachse (16) der Schicht aus holographischen Material (8, 51) mittels der Lichtstrahlen (20, 21, 22, 23,
24, 25) unterschiedlicher Wellenlängen belichtet wird (5).
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht aus dem holographischen Material (8, 51) entlang einer Längsachse (16) der Schicht aus holographischen Materials (8, 51) mittels eines Laserscanners (26) belichtet wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zeitlich vor der Erzeugung der Hologrammstrukturen in der Schicht aus dem holographischen Material (8, 51), die Schicht (8, 51) mit inkohärentem Licht, insbesondere einer Weißlichtquelle, vorbelichtet wird (3).
9. Holographisches optisches Element (13, 59, 84), insbesondere hergestellt mittels eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, aufweisend wenigstens ein lichtdurchlässiges Trägersubstrat (6, 52) und eine, auf einer Oberfläche des Trägersubstrats (6, 52) angeordnete Schicht aus einem holographischen Material (8, 51), wobei in wenigstens einem Teilbereich (28) der Schicht aus dem holographischem Material (8, 51) eine Mehrzahl von Hologrammstrukturen ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass das holographische optische Element (8, 51) entlang einer Längsachse (58) des holographischen optischen Elements (13, 59, 84) einen Haze-Wert von kleiner 1,5% aufweist.
10. Holographisches optisches Element (13, 59, 84) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das lichtdurchlässige Trägersubstrat (6, 52) entlang einer Längsachse (62) des lichtdurchlässigen Trägersubstrats (6, 52) einen Haze- Wert von kleiner 1% aufweist.
11. Holographisches optisches Element (13, 59, 84) nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht aus dem holographischen Material (8, 51) eine Schichtdicke (9, 65) in einem Bereich von 8-25 pm, insbesondere in einem Bereich von 15-17 pm, aufweist.
12. Holographisches optisches Element (13, 59, 84) nach einem der Ansprüche 9 bis 11 zur Verwendung als zumindest Teil eines Brillenglases (69) einer Datenbrille (50).
13. Holographisches optisches Element (13, 59, 84) nach einem der Ansprüche 9 bis 12 zur Verwendung als Streuscheibe (80) in einer Anzeigevorrichtung.
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