DE3739062A1

DE3739062A1 - Plate (screen, pane) made of an optically transparent material, in particular glass

Info

Publication number: DE3739062A1
Application number: DE19873739062
Authority: DE
Inventors: Guenter J Dipl Ing Dausmann; Norbert Hacker
Original assignee: Holtronic GmbH
Current assignee: HOLTRONIC GESELLSCHAFT FUER HOLOGRAPHIE UND ELEKTR
Priority date: 1987-04-10
Filing date: 1987-11-17
Publication date: 1988-11-10

Abstract

Published without abstract.

Description

Die Erfindung betrifft eine Platte aus einem optisch transpa renten Material, insbesondere aus Glas, mit einem höheren Brechungsindex als das umgebende Medium, insbesondere Luft.The invention relates to a plate made of an optically transparent annuity material, especially glass, with a higher Refractive index as the surrounding medium, especially air.

Bei sogenannten Head-Up-Displays werden Symbole oder ähnliche Darstellungen auf die Windschutzscheibe eines Kraftfahrzeugs projeziert und von dort in Richtung des Autofahrers umgeleitet. Derartige Displays können natürlich auch bei Flugzeugen, Schiffen oder ähnlichem verwendet werden. Bin Problem, das da bei zu lösen ist, ist die ausreichende Lichtausbeute bei der Spiegelung an der aus Glas bestehenden Windschutzscheibe. Im Idealfall wird bei dieser Spiegelung Totalreflexion gewünscht. Wenn man jedoch vom dünneren Medium Luft in das dichtere Medium Glas eindringt, ist Totalreflexion grundsätzlich unmöglich.So-called head-up displays use symbols or the like Representations on the windshield of a motor vehicle projected and redirected from there towards the driver. Such displays can of course also be used on aircraft, Ships or the like can be used. Am problem with that is to be solved, the sufficient light output is at Reflection on the glass windscreen. in the Ideally, total reflection is desired with this mirroring. However, if you move air from the thinner medium into the denser medium Penetrates glass, total reflection is fundamentally impossible.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, bei einer Platte der ein gangs angegebenen Art die Lichtausbeute bei der Spiegelung zu erhöhen.The object of the invention is therefore, in the case of a plate initially specified type to increase the luminous efficacy of the reflection increase.

Eine Lösung dieser Aufgabe ist durch eine auf einer Oberfläche befindliche optische Feinstruktur in Form eines feinen Stufen reliefs gekennzeichnet. Das Stufenrelief ist derart angeordnet, daß das einfallende Licht in dieses Stufenrelief im wesentlichen mit einem Einfallswinkel gleich Null eindringt. Das eindringende Licht wird also beim Übergang von Luft in Glas nicht zum Ein fallslot hin gebrochen, sondern behält seine Richtung bei. Wenn der ursprüngliche Einfallswinkel mehr als der Totalreflexions winkel in Glas beträgt, ist Totalreflexion möglich, also eine Lichtausbeute von annähernd 100%. Die optische Feinstruktur in Form eines feinen Stufenreliefs ist ferner so gestaltet, daß das ausfallende Licht dieses Stufenrelief ebenfalls mit einem Aus fallwinkel von etwa 0° verläßt. Die vorgeschlagene Lösung er erlaubt also eine extrem hohe Lichtausbeute bei der Reflexion.A solution to this problem is one on one surface located optical fine structure in the form of a fine step reliefs marked. The step relief is arranged in such a way that the incident light in this step relief essentially penetrates with an angle of incidence equal to zero. The penetrating So light does not become one at the transition from air to glass if broken, but maintains its direction. If the original angle of incidence more than the total reflection angle in glass, total reflection is possible, i.e. one Luminous efficacy of almost 100%. The optical fine structure in The shape of a fine step relief is also designed so that the failing light this step relief also with an off fall angle of about 0 °. The proposed solution he thus allows an extremely high luminous efficacy during reflection.

Vorteilhaft sind die Stufen des Stufenreliefs rechtwinklig aus gestaltet.The steps of the step relief are advantageously rectangular designed.

Eine weitere Lösung der Aufgabe ist gekennzeichnet durch eine auf einer Oberfläche der Platte befindliche holographische Beu gungsstruktur. Das einfallende Licht fällt zunächst auf die holographische Beugungsstruktur. Wäre diese Beugungsstruktur nicht vorhanden, würde das einfallende Licht beim Übergang von Luft in Glas zum Einfallslot hin gebrochen. Durch die Beugungs struktur wird eine Ablenkung des einfallenden Lichts von dem Einfallslot weg hervorgerufen. Diese Beugung muß so groß sein, daß der Winkel des Lichtstrahls innerhalb des Glases größer ist als der Totalreflexionswinkel, damit Totalreflexion stattfinden kann. Auf der hinteren Oberfläche der Platte wird das Licht dann total reflektiert.Another solution to the problem is characterized by a holographic beu located on a surface of the plate supply structure. The incident light first falls on the holographic diffraction structure. Would be this diffraction structure would not exist, the incident light would transition from Air in glass broken towards the plumb line. By diffraction structure is a deflection of the incident light from the Brainstorm caused. This diffraction must be so great that the angle of the light beam inside the glass is larger than the total reflection angle for total reflection to take place can. The light is then on the back surface of the plate totally reflected.

Die holographische Beugungsstruktur kann aus einem dicken Holo gramm bestehen. Sie kann auch aus einem Flächenhologramm bestehen.The holographic diffraction structure can consist of a thick holo grams exist. It can also be made from a surface hologram consist.

In einer vorteilhaften Weiterbildung ist der Einfallswinkel des Lichtes gleich dem Brewsterwinkel oder ungefähr gleich diesem Winkel. Weiterhin ist das einfallende Licht parallel polari siert, also parallel zur Einfallsebene polarisiert. Durch diese Maßnahmen findet beim Eintritt in die holographische Beugungs struktur überhaupt keine oder nur eine verschwindend geringe Reflexion statt; ein irritierendes Doppelbild kann also nicht entstehen.In an advantageous development, the angle of incidence is Light equal to or approximately equal to the Brewster angle Angle. Furthermore, the incident light is polar in parallel polarized parallel to the plane of incidence. Through this Measures take place when entering the holographic diffraction structure none at all or only a very small one Reflection instead; an irritating double image cannot arise.

Vorzugsweise besteht die holographische Beugungsstruktur aus zwei Komponenten, von denen die eine beim Eintritt des Lichts wirksam wird und die andere beim Austritt des Lichts wirksam wird. Die Beugungsstruktur, die beim Eintritt des Lichts wirksam wird, muß dieses Licht vom Einfallslot weg beugen, während die beim Austritt wirksame Beugungsstruktur das Licht zum Einfalls lot hin beugen muß, um zu ermöglichen, daß das in die Platte eingedrungene Licht diese Platte auch wieder verlassen kann. Falls das Licht unter dem Brewsterwinkel eintritt, muß die Beugungsstruktur für den Austritt des Lichts so gewählt werden, daß auch der Austritt des Lichts unter dem Brewsterwinkel er folgt. Anderenfalls würde ein Teil des Lichtes beim Austritt aus der Platte reflektiert werden, wodurch ein unerwünschtes Doppel bild entstehen würde.The holographic diffraction structure preferably consists of two components, one of which is when light enters takes effect and the other takes effect when the light emerges becomes. The diffraction structure, which is effective when light enters this light must bend away from the plumb line while the diffraction structure effective at the exit the light for incidence must bend vertically to allow that into the plate penetrated light can leave this plate again. If the light enters under the Brewster angle, the Diffraction structure for the exit of the light can be chosen so that also the exit of the light under the Brewster angle he follows. Otherwise, part of the light would go out upon exit the plate will be reflected, creating an undesirable double picture would arise.

Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung einer Platte aus einem optisch transparenten Material mit einem höheren Brechungsindex als dem umgebenden Medium, die eine auf ihrer Oberfläche befindliche Beugungsstruktur aufweist. Dieses Herstellungsverfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß ein Prisma auf die holographische Schicht der Platte aufgesetzt wird und daß zwei Strahlen kohärenten Laserlichts in das Prisma in der Weise eingekoppelt werden, daß sie die gewünschte holographische Beugungsstruktur erzeugen.The invention further relates to a method of manufacture a plate made of an optically transparent material with a higher refractive index than the surrounding medium, the one on has diffraction structure located on its surface. This Manufacturing process is characterized in that a prism is placed on the holographic layer of the plate and that two beams of coherent laser light enter the prism in the Be coupled in that they have the desired holographic Create diffraction structure.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnungen im einzelnen erläutert. In den Zeichnun gen zeigtEmbodiments of the invention are described below with reference to the Drawings explained in detail. In the drawing gen shows

Fig. 1 eine Glasplatte mit einem Stufenrelief und Fig. 1 is a glass plate with a step relief and

Fig. 2 eine Glasplatte mit einer holographischen Beugungs struktur und Fig. 2 is a glass plate with a holographic diffraction structure and

Fig. 3 eine Vorrichtung zur Herstellung der in Fig. 2 dar gestellten Platte. Fig. 3 shows a device for producing the plate shown in Fig. 2.

In der Fig. 1 befindet sich auf einer Seite der Glasplatte 1 eine Feinstruktur in Form eines feinen Stufenreliefs, die ins gesamt mit 2 bezeichnet ist. Die Stufen sind alle im Winkel von 90° angeordnet. Der Winkel zwischen den Stufen und der Rück seite 3 der Glasplatte 1 beträgt etwa 45°.In Fig. 1 is located on one side of the glass plate 1, a fine structure in the form of a fine step relief, which is denoted overall by 2 . The steps are all arranged at an angle of 90 °. The angle between the steps and the rear side 3 of the glass plate 1 is approximately 45 °.

Das Licht fällt in Richtung des Pfeiles 4 ein. Es trifft auf die Stufe 5 derart auf, daß der Einfallswinkel zwischen der Fläche 6 der Stufe 5 und der Senkrechten auf dieser Stufe 60° beträgt. Der einfallende Lichtstrahl 7 passiert also die Fläche 6 der Stufe 5 abgesehen von ca. 4% Reflexion ungehindert, im wesent lichen ohne Beugung und im wesentlichen ohne Richtungsablenkung. In der Praxis kann ein ganzes Lichtbündel auf die Platte auf treffen, dessen einzelne Lichtstrahlen geringfügig im Winkel voneinander abweichen. Der Lichtstrahl 7 durchläuft dann die Platte 1 und wird an deren Rückseite 3 total reflektiert. Der ausfallende Lichtstrahl 8 durchtritt die Fläche 10 der Stufe 9 im wesentlichen senkrecht, also mit einem Ausfallswinkel von etwa 0°. Abgesehen von ca. 4% Reflexion wird also der aus tretende Lichtstrahl 8 beim Austritt nicht beeinflußt. Dieser Lichtstrahl wird im wesentlichen nicht gebeugt und auch nicht in seiner Richtung abgelenkt. Die in der Fig. 1 dargestellte Platte ermöglicht also eine Spiegelung mit einer extrem hohen Lichtausbeute. Die Stufenweite, also der Abstand der Stufen voneinander, muß so gewählt sein, daß einerseits keine Beugung bzw. keine wesentliche Beugung auftreten kann und daß anderer seits für das Auge des Betrachters keine Struktur auflösbar ist.The light falls in the direction of arrow 4 . It strikes level 5 in such a way that the angle of incidence between surface 6 of level 5 and the vertical is 60 ° at this level. The incident light beam 7 thus passes the surface 6 of stage 5, apart from approximately 4% reflection, unhindered, essentially without diffraction and essentially without directional deflection. In practice, an entire bundle of light can strike the plate, the individual light rays of which differ slightly in angle. The light beam 7 then passes through the plate 1 and is totally reflected on the back 3 thereof. The emerging light beam 8 passes through the surface 10 of the stage 9 essentially vertically, that is to say with an exit angle of approximately 0 °. Apart from approx. 4% reflection, the outgoing light beam 8 is not influenced when it emerges. This light beam is essentially not diffracted and is not deflected in its direction. The plate shown in FIG. 1 thus enables reflection with an extremely high luminous efficiency. The step width, ie the distance between the steps, must be selected so that on the one hand no diffraction or no significant diffraction can occur and that on the other hand no structure can be resolved for the viewer's eye.

Die Fig. 2 zeigt eine Platte 1, an deren einen Oberfläche 11 sich eine holographische Beugungsstruktur 12 anschließt. Der in Pfeilrichtung 4 auftreffende Lichtstrahl 7 wird durch diese holographische Schicht zunächst zum Einfallslot 13 hin gebro chen. Die holographische Beugungsstruktur, deren Lamellen mit 14 bezeichnet sind, beugt diesen Strahl um einen Winkel β E von dem Einfallslot 13 weg. Hierdurch trifft der Strahl 15 inner halb der Platte 1 auf deren Rückseite 3 mit einem Winkel auf, der Totalreflexion ermöglicht. Der von der Rückseite 3 der Platte 1 reflektierte Strahl 16 verläßt die Glasplatte 1 und tritt erneut in die holographische Schicht 12 ein. Er wird dort von den Lamellen 17 einer zweiten holographischen Beugungs struktur zum Ausfallslot 18 hin gebeugt. Dadurch kann der Strahl dann aus dem dichteren Medium (holographischer Schicht 12) in das dünnere Medium (Luft 19) austreten. Der austretende Strahl 20 wird dann in Richtung des Pfeiles 21 zum Betrachter geleitet. In der holographischen Schicht sind zwei Beugungsstrukturen vor gesehen, von denen die eine (Lamellen 14) für den Lichteinfall und die andere (Lamellen 17) für den Lichtausfall bestimmt ist. Die Lamellen 14 sind über die gesamte Länge der holographischen Schicht 12 vorhanden, also auch im Bereich des in der Fig. 2 dargestellten Lichtausfalls. Ebenso sind die Lamellen 17 in der gesamten Länge der holographischen Schicht 12 vorhanden. Beide Lamellenarten überlagern sich also. Bei einer ausreichenden Dicke der holographischen Schicht 12 werden die jeweiligen La mellen nur sehr winkelselektiv wirksam, so daß sich die beiden Beugungsstrukturen für den Lichteinfall einerseits und den Lichtausfall andererseits nur wenig beeinflussen. FIG. 2 shows a plate 1 , on the one surface 11 of which a holographic diffraction structure 12 is connected. The light beam 7 incident in the direction of arrow 4 is first broken through this holographic layer to the incident perpendicular 13 . The holographic diffraction structure, the lamellae of which are designated by 14 , bends this beam away from the incident perpendicular 13 by an angle β E. As a result, the beam 15 within half of the plate 1 on the back 3 at an angle that allows total reflection. The beam 16 reflected by the rear side 3 of the plate 1 leaves the glass plate 1 and re-enters the holographic layer 12 . It is there bent by the lamellae 17 of a second holographic diffraction structure towards the dropout 18 . As a result, the beam can then emerge from the denser medium (holographic layer 12 ) into the thinner medium (air 19 ). The emerging beam 20 is then directed in the direction of arrow 21 to the viewer. Two diffraction structures are provided in the holographic layer, one of which (lamella 14 ) is intended for the incidence of light and the other one (lamella 17 ) for the loss of light. The slats 14 are present over the entire length of the holographic layer 12 , that is to say also in the region of the light failure shown in FIG. 2. Likewise, the slats 17 are present in the entire length of the holographic layer 12 . Both types of slats therefore overlap. With a sufficient thickness of the holographic layer 12 , the respective lamellae are effective only in a very angle-selective manner, so that the two diffraction structures for the incidence of light on the one hand and the light loss on the other hand have little influence.

In der Fig. 2 ist ein dickes Hologramm dargestellt. Es kann je doch auch ein Flächenhologramm vorgesehen sein. Der Einfalls winkel ist in der Fig. 2 so gewählt, daß er etwa dem Brewster winkel entspricht. Das einfallende Licht ist parallel polari siert, also parallel zur Einfallsebene polarisiert. Hierdurch wird eine Spiegelung an dem Einfallspunkt 22 und an dem Aus fallspunkt 23 verhindert, so daß keine irritierenden Doppel bilder entstehen können.A thick hologram is shown in FIG . However, a surface hologram can also be provided. The angle of incidence is chosen in Fig. 2 so that it corresponds approximately to the Brewster angle. The incident light is polarized in parallel, i.e. polarized parallel to the plane of incidence. This prevents reflection at the point of incidence 22 and at the point of incidence 23 , so that no irritating double images can arise.

Die Fig. 3 zeigt eine Vorrichtung zur Herstellung einer Platte mit einer holographischen Beugungsstruktur. An einer Seite 1 befindet sich die holographische Schicht 12. Auf diese holo graphische Schicht 12 wird ein Prisma 31 aufgelegt, wobei der Bereich zwischen dem Prisma 31 und der holographischen Schicht 12 mit einer Immersionsflüssigkeit 32 ausgefüllt ist. Die Immersionsschicht 32 dient zur Vermeidung störender Grenz flächenreflexionen, die sich dem gewünschten Interferenzmuster überlagern würden. Zwei Lichtstrahlen, bestehend aus kohärentem Laserlicht 33, 34 werden in das Prisma 31 in der Weise einge leitet, daß der Winkel β E zwischen dem einen kohärentem Laser lichtstrahl 34 und dem anderen kohärentem Laserlichtstrahl 33 dem gewünschten Beugungswinkel innerhalb der holographischen Aufzeichnungsschicht 12 entspricht. Dementsprechend entsteht die gewünschte Lamellenstruktur 14 für den Lichteinfall als Inter ferenzmuster der beiden Strahlen 33 und 34. Die Lamellen 14 neh men dabei die Stellung der Winkelhal zwischen den Strahlen 33 und 34 ein. Fig. 3 shows an apparatus for producing a plate having a holographic diffraction pattern. The holographic layer 12 is located on one side 1 . In this holo graphic layer 12 is placed a prism 31, with the range between the prism 31 and the holographic layer 12 is filled with an immersion liquid 32nd The immersion layer 32 serves to avoid disturbing boundary surface reflections which would overlap the desired interference pattern. Two light beams, consisting of coherent laser light 33 , 34 are introduced into the prism 31 in such a way that the angle β E between the one coherent laser light beam 34 and the other coherent laser light beam 33 corresponds to the desired diffraction angle within the holographic recording layer 12 . Accordingly, the desired lamella structure 14 for the incidence of light arises as an interference pattern of the two beams 33 and 34 . The slats 14 take the position of the Winkelhal between the beams 33 and 34 .

Der einfallende Strahl 33 kann gleichzeitig dazu verwendet wer den, die Lamellenstruktur, also die holographische Beugungs struktur 17 für den Lichtaustritt zu erzeugen. Hierzu ist es dann noch erforderlich, den weiteren Lichtstrahl 35 aus kohä rentem Laserlicht einzukoppeln, also den zweiten erforderli chen Lichtstrahl zur Herstellung der Beugungsstruktur für den Lichtausfall. Hierbei wird die Tatsache ausgenutzt, daß der einfallende Lichtstrahl aus kohärentem Laserlicht 33 an der Rückseite 3 der Platte 1 total reflektiert wird.The incident beam 33 can at the same time be used to generate the lamella structure, that is to say the holographic diffraction structure 17 for the light emission. For this purpose, it is then still necessary to couple in the further light beam 35 made of coherent laser light, that is to say the second required light beam for producing the diffraction structure for the light failure. This takes advantage of the fact that the incident light beam from coherent laser light 33 is totally reflected on the back 3 of the plate 1 .

Claims

1. plate made of an optically transparent material, in particular special glass, with a higher refractive index than the surrounding medium, in particular air, characterized by an optical fine structure located on a surface in the form of a fine step relief.

2. Plate according to claim 1, characterized in that the Step relief consist of right-angled steps.

3. Plate made of an optically transparent material, in particular glass, with a higher refractive index than the other medium, especially air, characterized by a on a surface of the Plate holographic diffraction structure.

4. Plate according to claim 3, characterized in that the holographic diffraction structure from a thick hologram consists.

5. Plate according to claim 3 or 4, characterized in that the holographic diffraction structure from a surface holo gram exists.

6. Plate according to one of claims 3 to 5, characterized records that the angle of incidence is equal to the Brewster angle and that the incident light is polarized in parallel.

7. Plate according to one of claims 3 to 6, characterized records that two diffraction structures for the incidence of light and are intended for light failure.

8. A method for producing a plate according to one of the An sayings 3 to 7, characterized in that a prism on the holo graphic layer of the plate is placed and that two Beam coherent laser light into the prism in the manner be coupled in that they have the desired holographic Create diffraction structure.