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WO2024199990A1 - Anordnung zur erzeugung einer optischen anzeige - Google Patents

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WO2024199990A1
WO2024199990A1 PCT/EP2024/056509 EP2024056509W WO2024199990A1 WO 2024199990 A1 WO2024199990 A1 WO 2024199990A1 EP 2024056509 W EP2024056509 W EP 2024056509W WO 2024199990 A1 WO2024199990 A1 WO 2024199990A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
layer
glass
pane
holographic element
arrangement according
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
PCT/EP2024/056509
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Semjon MOORAJ
Robert Besler
Nikolai BORCHMANN
Florian Manz
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Saint Gobain Glass France SAS
Compagnie de Saint Gobain SA
Original Assignee
Saint Gobain Glass France SAS
Compagnie de Saint Gobain SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Saint Gobain Glass France SAS, Compagnie de Saint Gobain SA filed Critical Saint Gobain Glass France SAS
Publication of WO2024199990A1 publication Critical patent/WO2024199990A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Pending legal-status Critical Current

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    • G03H2270/00—Substrate bearing the hologram
    • G03H2270/10—Composition
    • G03H2270/11—Crystal or glass

Definitions

  • HIDs head-up display
  • the windshield is illuminated by an imaging unit (for example a projector).
  • the light reflected on the windshield is perceived by the driver as a virtual image (as seen from his perspective) behind the windshield.
  • important information can be projected into the driver's field of vision, such as the current driving speed, navigation or warning information, which the driver can perceive without having to take his eyes off the road.
  • Head-up displays can therefore make a significant contribution to increasing road safety.
  • the angle of incidence at which the windshield is irradiated by the imaging unit is typically not far from the Brewster angle of an air-glass transition.
  • the imaging unit can be operated with s-polarized radiation, which is reflected by the external glass surfaces, to generate the display image.
  • the imaging unit can alternatively be operated with p-polarized radiation, which is not significantly reflected by the glass surfaces.
  • the windshield is then typically provided with a reflective coating to reflect the p-polarized radiation.
  • Windshields are made of composite panes consisting of an outer pane and an inner pane, which are connected to one another via a thermoplastic intermediate layer.
  • the holographic element is typically embedded in the intermediate layer.
  • the problem often arises that the low-molecular components of the intermediate layer can diffuse through the polymer carrier films or components of the carrier films themselves can diffuse into the photopolymer layer. This sometimes changes the diffraction structure of the hologram, which impairs the selectivity of the light-diffractive properties.
  • the carrier films can be given a certain waviness during the lamination of the windshield as a result of shrinkage processes (orange skin effect), which means that the angle of reflection is changed locally and the display image also appears wavy.
  • the present invention is based on the object of providing an improved arrangement for producing an optical display with a holographic element.
  • the holographic element should in particular be less susceptible to the diffusion of components of the intermediate layer of the composite pane, preferably also to deformations, so that the formation of waviness is avoided.
  • the arrangement according to the invention for producing an optical display comprises a composite pane and an imaging unit.
  • the imaging unit is directed at an area of the composite pane and, during operation, irradiates this area with light, i.e. electromagnetic radiation in the visible spectral range, to produce a display image.
  • the area irradiated or irradiated by the imaging unit The area of the composite pane is referred to as the display area in the sense of the invention.
  • the arrangement according to the invention for producing an optical display can also be referred to as a display arrangement, display system or projection arrangement.
  • the composite pane comprises a first glass pane and a second glass pane, which are connected to one another via a thermoplastic intermediate layer.
  • the composite pane is equipped with a holographic element, at least in the display area, which is embedded in the intermediate layer.
  • the holographic element covers at least the display area, but can also extend beyond it.
  • the holographic element is suitable for diffracting the radiation of the imaging unit to generate the display image. The diffraction is caused in particular by a hologram, which is formed in the photopolymer layer.
  • the holographic element has a photopolymer layer.
  • the holographic element comprises in the order given:
  • first glass layer or SiO2 layer first glass or SiO2 layer
  • second glass or SiO2 layer a second glass or SiO2 layer (second glass or SiO2 layer).
  • the arrangement according to the invention or the holographic element according to the invention is characterized in particular by the fact that the photopolymer layer is arranged between two glass or SiO2 layers.
  • the photopolymer layer is arranged between two polymer carrier films.
  • the glass or SiO2 layers are impermeable to components of the intermediate layer, which therefore cannot diffuse into the photopolymer layer.
  • the glass or SiO2 layers are chemically inert, so that no interaction with the photopolymer layer occurs and no components of the glass or SiO2 layers diffuse into the photopolymer layer, as can occur with polymer carrier films.
  • the holographic element is also very stable and in particular not susceptible to becoming wavy during lamination of the composite pane, as can occur with conventional holographic elements as a result of shrinkage processes of the polymer carrier films. This ensures a high-quality, undistorted display of the display image.
  • the glass or SiC>2 layers often have a refractive index that is only comparatively small compared to the refractive index of the other components of the composite pane, so that optical interference effects such as reflections can be avoided in comparison to polymer carrier films.
  • the second glass pane of the composite pane faces the imaging unit (and the viewer of the display image), while the first glass pane faces away from the imaging unit.
  • the composite pane is intended as a window pane in a window opening (for example in a vehicle, a building or a room) to separate an interior from an external environment.
  • the pane facing the interior can then be referred to as the inner pane, and the pane facing the external environment as the outer pane.
  • the imaging unit and the viewer of the display image are arranged in the interior (for example when the arrangement is used as a head-up display (HUD) in a vehicle).
  • the second pane of glass within the meaning of the invention is then, for example, the inner pane of the composite pane, and the first pane of glass is the outer pane.
  • Holography is a method for recording and reconstructing a wave field. While in photography only the intensity and (in the case of color photography) the frequency of the incident light are stored on a film, in holography the phase and intensity of the light are stored.
  • a hologram is created by irradiating an object with coherent light, which is reflected and scattered by the object. The wave field thus created (object wave) is superimposed with unscattered light (reference wave) from the same radiation source. Optical interference occurs between the object wave and the reference wave, creating an interference pattern. The holographic medium is exposed to this interference pattern. The holographic medium only reacts to the intensity of the light, but the interference of the wave fronts records the relative phase (between the object and reference wave). The hologram is created by developing the holographic medium.
  • a laser is usually used as the coherent radiation source, the radiation of which is expanded using scattering lenses.
  • the holographic medium in question is the photopolymer layer according to the invention.
  • polymerization is achieved by exposure This changes the optical properties (e.g. the refractive index), creating a hologram.
  • the photopolymer is then fixed by illuminating it with an incoherent light source.
  • holography can be used to produce optical components (holographic optical components, HOE). This allows conventional optical components such as lenses, mirrors or prisms to be replaced.
  • the holographic element according to the invention can also be regarded as such a holographic optical component.
  • the holographic element reflects the radiation from the imaging unit back towards the viewer through diffraction, thereby creating the virtual display image.
  • the hologram forms a diffraction grating at which the radiation from the imaging unit is diffracted (in particular independently of the Fresnel reflection) in such a way that it is reflected back towards the viewer, or towards the expected position of the viewer, the so-called "eyebox".
  • the virtual image area created by the hologram's diffraction grating is located at a certain distance behind the composite pane from the viewer's perspective.
  • the virtual display image then appears at this point.
  • the hologram can achieve very specific optical properties.
  • the hologram only reflects or diffracts light at a certain angle of incidence and only at one or more specific wavelengths. This is a great advantage of holographic display arrangements because the reflection or diffraction of light that does not originate from the imaging unit and therefore hits the holographic element at a different angle of incidence and predominantly at a different wavelength is avoided.
  • the display image appears very clear and undesirable effects, such as annoying reflections, can be avoided.
  • the holographic exposure of the photopolymer has one or more wavelengths which correspond to the wavelength or wavelengths of the radiation of the imaging unit.
  • the angle of incidence and the wavelength of the radiation of the imaging unit to be used in the arrangement for which the holographic element is intended are taken into account. This is done in particular by a suitable selection of the exposure object and by using coherent light of the said wavelength(s) for exposure.
  • the proportion of the radiation of the imaging unit that is reflected by the holographic element to generate the display image is preferably at least 2%, particularly preferably at least 4%, most particularly preferably at least 10%.
  • the said proportion can be, for example, from 2% to 40% or from 4% to 20%.
  • the first glass or SiO2 layer and the second glass or SiO2 layer can be formed as glass layers, in particular thin glass layers.
  • the glass layers are provided prefabricated, in particular manufactured by means of a flat glass production process.
  • the first glass or SiO2 layer and the second glass or SiO2 layer can alternatively be formed as SiO2 layers which are applied to the photopolymer layer, for example from the gas phase, in particular by sputtering.
  • the holographic element then contains in particular no additional glass layers - the SiO2 layers themselves form the carrier or protective layers of the photopolymer layer.
  • the first glass or SiO2 layer and the second glass or SiO2 layer can be selected independently of one another as glass layers or SiO2 layers, so that a combination of a first glass layer and a second SiO2 layer is also possible, or vice versa.
  • a thin glass layer or an applied SiO2 layer does not increase the overall thickness of the composite pane too much.
  • a SiO2 layer (silicon oxide layer) is understood to mean a layer based on silicon oxide.
  • the layer preferably contains at least 80% by weight of silicon oxide, particularly preferably at least 80% by weight of silicon oxide, and may also contain dopants or impurities.
  • the silicon oxide may be stoichiometric, substoichiometric or superstoichiometric in terms of oxygen content.
  • the SiO2 layer can therefore also be referred to as a SiO x layer, although the term "SiO2 layer" is used here for better understanding.
  • the first glass or SiO2 layer and the second glass or SiO2 layer preferably each have a thickness of at most (i.e. less than or equal to) 800 pm, particularly preferably at most 550 pm, very particularly preferably at most 330 pm, in particular at most 150 m. This produces good results. Very thin layers of glass also have the advantage that they can be supplied on rolls, which ensures easy handling during the manufacture of the laminated pane.
  • the first glass or SiO2 layer and the second glass or SiO2 layer preferably each have a thickness of at least (i.e. greater than or equal to) 10 nm. This is sufficient to prevent diffusion through the glass or SiO2 layers.
  • the thickness of the first and second glass or SiO2 layers is particularly preferably at least 50 pm, with the first and second glass or SiO2 layers in this case preferably being glass layers.
  • the thickness of the first and the second glass or SiO2 layer can be selected independently of one another, but are preferably the same.
  • the thickness of the first and the second glass or SiO2 layer is, for example, in the range from 10 nm to 800 pm, preferably from 50 pm to 550 pm, particularly preferably from 50 pm to 330 pm and in particular from 50 pm to 150 pm.
  • the thickness of the first and second glass or SiO2 layers is in particularly advantageous embodiments
  • the holographic element comprises a first and a second glass layer
  • these are preferably prestressed, in particular chemically prestressed. This increases their breaking strength so that they are less susceptible to damage, in particular during the manufacture of the composite pane.
  • the holographic element has a first and a second
  • the glass layer comprises a glass layer
  • these are preferably made of aluminosilicate glass or borosilicate glass. These types of glass have the advantage that they can be easily chemically tempered. Aluminosilicate glass is particularly preferred.
  • the glass layers can also be made of other types of glass, for example soda-lime glass.
  • the type of glass for the first and second glass layers can be chosen independently of one another, but are preferably the same.
  • the glass layers can have transparent coatings that are customary in the art, for example an anti-reflection coating, an IR-reflecting coating or a UV-reflecting coating. Such coatings are preferably arranged on the surface of one or both of the glass layers facing away from the photopolymer layer.
  • the photopolymer layer is not limited to a specific photopolymer material. All photopolymers that can be exposed with a hologram can be used.
  • the photopolymer layer preferably has a thickness of 5 pm to 50 pm, particularly preferably 7 pm to 30 pm, most particularly preferably 10 pm to 20 pm. This achieves good results.
  • the composite pane has at least one transparent area which is suitable and intended for viewing. This transparent area is referred to as the viewing area in the sense of the invention.
  • the display area is preferably arranged in the transparent viewing area of the composite pane.
  • the composite pane can be made transparent overall, so that the see-through area encompasses the entire composite pane.
  • the composite pane it is also possible for the composite pane to have an opaque masking area in addition to the see-through area. It is not possible to see through the masking area, the light transmission of the masking area is less than 5%, preferably less than 2% and very particularly preferably essentially 0%.
  • Such masking areas are particularly common in vehicle windows, with the masking area being arranged in a peripheral edge area of the composite pane and surrounding a central see-through area like a frame.
  • the masking region is typically formed by an opaque cover print on a surface of the first and/or the second glass pane.
  • the cover print is preferably formed at least on the surface of the glass pane facing away from the imaging unit (for example the first) that faces the intermediate layer.
  • the cover print is formed in particular from an enamel that contains glass frits and a pigment and is printed on using a screen printing process and then fired into the pane surface.
  • the pigment is typically a black pigment, for example pigment black (carbon black), aniline black, bone black, iron oxide black, spinel black and/or graphite.
  • the cover print preferably has a thickness of 5 pm to 50 pm, particularly preferably 8 pm to 25 pm.
  • opaque films can also be used in the intermediate layer to form the masking region.
  • the radiation from the imaging unit hits the composite pane at a specific angle of incidence.
  • the angle of incidence is the angle between the incidence vector of the radiation and the surface normal of the surface that the radiation hits first (i.e. the surface normal to the surface of the second pane of glass facing the imaging unit). In the typical case of a window pane, where the imaging unit is arranged in the interior, this is the interior-side surface normal (i.e. the surface normal to the interior-side surface of the inner pane).
  • the angle of incidence is determined at a point in the display area, preferably in the geometric center of the display area.
  • the invention can in principle be implemented with any angle of incidence. For structural reasons, however, comparatively large angles of incidence of more than 45° typically have to be selected.
  • the radiation from the imaging unit can be reflected on the surface of the glass pane (air-glass transition). This can lead to an undesirable and disturbing ghost image, i.e. a lower-intensity second display image that appears laterally offset from the main display image (caused by the holographic element).
  • the ghost image can be minimized by appropriate polarization of the radiation from the imaging unit.
  • the polarization plays no significant role in the reflection at the glass surface.
  • Unpolarized, linearly s- or p-polarized or circularly polarized radiation can be used.
  • the imaging unit is preferably operated with p-polarized radiation. The imaging unit therefore irradiates the display area with p-polarized radiation. Since these large angles of incidence are typically close to the Brewster angle, p-polarized radiation is only reflected to a small extent and the ghost image is weakened in its intensity.
  • the radiation imaging unit is preferably predominantly p-polarized, i.e. has a proportion of p-polarized radiation of more than 50%, preferably at least 80%, particularly preferably at least 95%.
  • the radiation is in particular essentially purely p-polarized - the p-polarized radiation proportion is therefore 100% or deviates only insignificantly from this.
  • the indication of the direction of polarization refers to the plane of incidence of the radiation on the composite pane.
  • p-polarized radiation refers to radiation whose electric field oscillates in the plane of incidence.
  • s-polarized radiation refers to radiation whose electric field oscillates perpendicular to the plane of incidence.
  • the plane of incidence is spanned by the incidence vector and the surface normal of the composite pane at a point within the display area, preferably in the geometric center of the display area. If the composite pane is curved, as is common in the vehicle sector in particular, the curvature of the pane affects the plane of incidence and thus the definition of the polarization.
  • the polarization components in particular the ratio of p-polarized radiation to s-polarized radiation or vice versa
  • a polarization filter or a polarizing beam splitter can be arranged between the imaging unit and the composite pane in the beam path if the imaging unit itself does not already provide radiation of the desired polarization direction.
  • the Brewster angle for an air-glass transition in the case of soda-lime glass, which is generally used for window panes, is 57.2° (with a refractive index of soda-lime glass of 1.55 at a wavelength of 550 nm).
  • the imaging unit irradiates one display area with an angle of incidence that deviates from the Brewster angle by a maximum of 15°.
  • the Brewster angle of the entrance surface i.e. the surface of the glass pane facing the imaging unit (for example the second one).
  • the reflection of the p-polarized radiation on the glass surface is then advantageously low.
  • the angle of incidence is preferably from 45° to 70°. Angles of incidence of 60° are also possible. up to 70°, for example around 65°, as is usual in head-up displays in motor vehicles.
  • the deviation of the angle of incidence from the Brewster angle is particularly preferably at most 10°.
  • the windshield and its components preferably have a constant thickness.
  • the surfaces of the glass panes facing away from the intermediate layer are preferably aligned parallel to one another.
  • the use of p-polarized radiation also has the advantage that the display image is recognizable by wearers of polarization-selective sunglasses, which typically only allow p-polarized radiation to pass and block s-polarized radiation.
  • the hologram can be optimized for the diffraction of p-polarized radiation.
  • the hologram preferentially reflects or diffracts s-polarized light
  • the composite pane between the glass pane facing the imaging unit (for example the second) and the holographic element to have a coating, a film or an optical component in the form of an A/2 delay plate (also known as an A/2 wave plate or A/2 plate), which converts the p-polarized radiation into s-polarized radiation before it hits the holographic element.
  • A/2 delay plate also known as an A/2 wave plate or A/2 plate
  • the imaging unit can also be operated with s-polarized radiation at comparatively large angles of incidence.
  • the glass pane facing the imaging unit (for example the second) is preferably arranged at a suitable angle to the holographic element so that the main display image is superimposed with the ghost image.
  • This can be achieved by using a wedge-shaped film between the said glass pane and the holographic element, the thickness of which typically increases in a direction from the lower edge to the upper edge of the composite pane.
  • the composite pane In the installed position, typically has at least one vertical alignment component.
  • the lower edge refers to the edge of the composite pane that points downwards (towards the ground) in the installed position
  • the upper edge refers to the edge of the composite pane that points upwards in the installed position.
  • the holographic element has an edge seal or is provided with such an edge seal.
  • the edge seal prevents the penetration of contaminants (for example plasticizers or other components of the intermediate layer) via the side edge of the holographic element into the photopolymer layer, which could impair the hologram and its reflective or light-diffractive effect.
  • the edge seal can be designed, for example, as a polymer band which is attached all the way around the side edge of the holographic element.
  • the polymer band can be made, for example, from polyimide.
  • the holographic element is embedded in the intermediate layer of the composite pane.
  • the holographic element is connected to the first glass pane via at least one first thermoplastic layer and to the second glass pane via at least one second thermoplastic layer.
  • the thermoplastic intermediate layer is thus formed from at least the first and second thermoplastic layers, which are arranged flat on top of one another and between the glass panes, with the holographic element being arranged between the thermoplastic layers.
  • Each thermoplastic layer is preferably made of a thermoplastic film, preferably based on polyvinyl butyral (PVB), ethylene vinyl acetate (EVA) or polyurethane (PU) or mixtures or copolymers or derivatives thereof, particularly preferably PVB.
  • PVB polyvinyl butyral
  • EVA ethylene vinyl acetate
  • PU polyurethane
  • the film contains the majority of the said material (proportion of greater than 50% by weight) and can optionally contain other components, for example plasticizers, stabilizers, UV or IR absorbers.
  • Each thermoplastic layer or film preferably has a thickness of 0.2 mm to 2 mm, particularly preferably 0.3 mm to 1 mm.
  • the holographic element is surrounded all around by a further thermoplastic layer, which is referred to as a capsule layer in the sense of the invention.
  • the capsule layer surrounds the holographic element like a frame.
  • the capsule layer can be made of a thermoplastic film which has a cutout into which the holographic element is inserted (preferably with a substantially precise fit).
  • the capsule layer can be composed of film sections around the holographic element.
  • the capsule layer compensates for the thickness of the holographic element in the composite pane, which can otherwise lead to stresses and even glass breakage.
  • the capsule layer with the holographic element is arranged in particular between the said first and second thermoplastic layers.
  • the first glass pane and the second glass pane are preferably made of soda-lime glass, which is common for window panes.
  • the panes can also be made of other types of glass (for example borosilicate glass, quartz glass or aluminosilicate glass).
  • panes made of transparent plastics can also be used, for example panes made of polymethyl methacrylate or polycarbonate.
  • the thickness of the first and second glass panes is preferably, independently of one another, from 0.5 mm to 10 mm, particularly preferably from 1 mm to 5 mm, and most preferably from 1.5 mm to 3 mm.
  • the first glass pane, the second glass pane and the thermoplastic intermediate layer can be clear and colorless, but also tinted or colored.
  • the composite pane can be flat or cylindrical or spherically curved.
  • Flat composite panes are particularly common as building glazing and as special vehicle glazing, for example window panes on trains or tractors.
  • Curved, particularly spherically curved composite panes are particularly common as vehicle glazing on cars and trucks. Typical radii of curvature are in the range from about 10 cm to about 40 m.
  • the imaging unit is preferably a projector or a screen (“display”, electronic display).
  • display electronic display
  • any type of screen can be used for the display system according to the invention, with OLED and LCD screens being preferred.
  • the imaging unit is directed at the display area of the composite pane, where the radiation is reflected or diffracted by the holographic element in the direction of the viewer. This creates a virtual image that the viewer perceives from behind the composite pane.
  • the viewer In order to perceive the display image, the viewer (or more precisely, his eyes) must be in the so-called eyebox.
  • the beam direction of the imaging unit can often be adjusted within certain limits, particularly vertically, in order to adapt the projection to the height of the viewer. In projectors, this is typically done using mirrors inside the projector. In screens, the angle of incidence can be changed.
  • the area in which the viewer's eyes must be located for a given beam angle setting is called the eyebox window.
  • This eyebox window can be moved vertically by adjusting the beam angle, with the entire area accessible in this way (i.e. the superposition of all possible eyebox windows) being called the eyebox.
  • a viewer located inside the eyebox can perceive the virtual image.
  • the technical terms used here are generally known to those skilled in the art from the field of HLIDs. For a detailed description, please refer to the dissertation “Simulation-based measurement technology for testing head-up displays” by Alexander Neumann at the Institute of Computer Science at the Technical University of Kunststoff (Munich: University Library of the TU Kunststoff, 2012), especially to Chapter 2 “The head-up display”.
  • the imaging unit irradiates the display area during operation of the arrangement according to the invention to generate the display image.
  • the radiation of the imaging unit is in the visible spectral range of the electromagnetic spectrum, in particular in the spectral range from 450 nm to 650 nm - typical imaging units work with the wavelengths 473 nm, 550 nm and 630 nm or with the wavelengths 460 nm, 520 nm and 630 nm (RGB).
  • the arrangement according to the invention for producing an optical display is produced by providing the composite pane, in particular installing it at its intended location, and directing the imaging unit towards the display area.
  • the composite pane can be manufactured using methods known per se.
  • the glass panes are laminated together using the thermoplastic intermediate layer.
  • a layer stack is preferably created by arranging the following layers flat and congruently on top of one another in the order given:
  • the holographic element preferably surrounded by a frame-like thermoplastic film
  • the laminated glass panes are laminated using autoclave processes, vacuum bag processes, vacuum ring processes, calender processes, vacuum laminators or combinations thereof.
  • the glass pane is usually bonded via the intermediate layer using heat, vacuum and/or pressure.
  • the exposure of the photopolymer layer with the hologram can be done before or after arranging the photopolymer layer between the glass or SiO2 layers.
  • the holographic element can be produced by providing the first glass layer with the photopolymer layer and then bonding the photopolymer layer to the second glass layer.
  • Known methods can be used to apply the photopolymer layer to the first glass layer, for example flood coating, curtain coating, spin coating, brushing or rolling.
  • the polymer is applied in liquid or flowable form before it is exposed and fixed.
  • the photopolymer can be provided on a carrier film, also on a roll.
  • the photopolymer layer can then be transferred from the carrier film to the first glass layer using a roll-to-roll process. This can be done before or after exposure to the hologram.
  • SiO2 layers can be deposited on the photopolymer layer, for example by chemical or physical vapor deposition, preferably by cathode sputtering, particularly preferably by magnetic field assisted cathode sputtering (magnetron sputtering).
  • the invention also includes the use of the arrangement according to the invention for generating an optical display in vehicles or buildings, as a piece of furniture or as a screen.
  • the composite pane is a vehicle pane (window pane of the vehicle), in particular the windshield, side window or rear window.
  • the composite pane is particularly preferably the windshield.
  • the arrangement then forms a so-called head-up display (HUD), whereby information can be projected into the driver's field of vision, which he can see without having to take his eyes off the traffic.
  • HUD head-up display
  • the arrangement can be used in any vehicle on land, on water or in the air, preferably in a motor vehicle, rail vehicle, aircraft or ship, in particular in a passenger car or truck.
  • the laminated pane is preferably a building glazing or the glazing of a room in the building, for example a window pane, door pane or part of a glass facade.
  • the invention also includes the use of a composite pane designed according to the invention as a projection surface of a display system, wherein an imaging unit is directed at the display area.
  • the composite pane is preferably a window pane of a vehicle, a building glazing or glazing of a room, a piece of furniture or a screen.
  • the invention is explained in more detail below using a drawing and exemplary embodiments.
  • the drawing is a schematic representation and not to scale. The drawing does not limit the invention in any way.
  • Fig. 1 is a plan view of a composite pane of a generic arrangement for producing an optical display
  • Fig. 2 shows a cross section through the arrangement of Figure 1
  • Fig. 3 is a cross-section through the composite pane of an arrangement according to the invention for producing an optical display
  • Fig. 4 shows a cross-section through the holographic element from Figure 3.
  • FIG 1 and Figure 2 each show a detail of an embodiment of a generic arrangement for generating an optical display.
  • the arrangement forms a head-up display (HUD) of a passenger car.
  • the arrangement comprises a composite pane 10, which is the windshield of the passenger car, and an imaging unit 4.
  • the composite pane 10 is made up of a first glass pane 1 and a second glass pane 2, which are connected to one another via a thermoplastic intermediate layer 3.
  • the first glass pane 1 forms the outer pane of the composite pane, which faces the outside environment.
  • the second glass pane 2 forms the inner pane, which faces the vehicle interior.
  • Both glass panes 1, 2 are made of soda-lime glass.
  • the first glass pane 1 has a thickness of 2.1 mm
  • the second glass pane 2 has a thickness of 1.6 mm.
  • the intermediate layer 3 is made of PVB.
  • the first glass pane 1 (outer pane) has an outer surface I that faces the external environment and an interior surface II that faces the vehicle interior.
  • the second glass pane 2 (inner pane) has an outer surface III that faces the external environment and an interior surface IV that faces the vehicle interior.
  • the composite pane 10 has a lower edge U pointing downwards towards the engine of the passenger car and an upper edge O pointing upwards towards the roof.
  • the composite pane 10 is shown flat for simplicity, although real windshields typically have a spherical curvature.
  • the composite pane 10 has an opaque masking area M, which is arranged in a peripheral edge area and surrounds a transparent see-through area D in a frame-like manner. Such masking areas M are common in windshields - they primarily serve to protect the adhesive used to bond the composite pane 10 to the vehicle body from UV radiation.
  • the imaging unit 4 is a HUD projector. It is directed at a display area A of the composite pane 10, which is arranged in the viewing area D. In the display area A, the imaging unit 4 can generate display images which are perceived by a viewer 5 (vehicle driver) as virtual images on the side of the composite pane 10 facing away from him when his eyes are within the so-called eyebox E. This allows the viewer 5 to be shown status information (e.g. driving speed), navigation instructions (e.g. speed limits or directions) or warning symbols in particular without him having to take his eyes off the road.
  • status information e.g. driving speed
  • navigation instructions e.g. speed limits or directions
  • the imaging unit 4 irradiates the display area A with an angle of incidence a, which is measured to the interior surface normal of the second glass pane 2 (inner pane).
  • the angle of incidence a is, for example, 65°, which is comparatively close to the Brewster angle (about 57° for an air - soda-lime glass transition).
  • the radiation from the imaging unit 4 is p-polarized - it is therefore hardly reflected on the glass surfaces.
  • the composite pane 10 is equipped with a means which is suitable for reflecting the radiation of the imaging unit 4 in the direction of the eyebox E.
  • this means is a holographic element which is embedded in the display area A in the intermediate layer 3.
  • Figure 3 shows a cross section through a composite pane 10 of an embodiment of the arrangement for producing an optical display according to the invention.
  • the interior-side surface II of the first glass pane 1 (outer pane) has a black cover print 6 in the edge area, which forms the masking area M.
  • the intermediate layer 3 comprises a first thermoplastic layer 3a adjacent to the first glass pane 1 (outer pane) and a second thermoplastic layer 3b adjacent to the second glass pane 2 (inner pane) a second thermoplastic layer 3b.
  • the first thermoplastic layer 3a and the second thermoplastic layer 3b are each formed from a PVB film with a thickness of 0.76 mm.
  • a third thermoplastic layer is arranged between the first thermoplastic layer 3a and the second thermoplastic layer 3b, which is referred to as the capsule layer 3c in the sense of the invention. It is made of a PVB film with a thickness of 0.38 mm.
  • the capsule layer 3c has a cutout in which a holographic element 20 is inserted.
  • the holographic element 20 is surrounded by the capsule layer 3c in a frame-like manner.
  • the holographic element 20 completely covers the display area A.
  • the holographic element 20 is intended to reflect the radiation of the imaging unit 4 in order to generate the display image in the direction of the eyebox E.
  • a hologram is formed in the holographic element 20, which has light-diffractive properties with respect to the radiation of the imaging unit 4. The radiation is diffracted by the hologram in such a way that it is emitted in the direction of the eyebox E.
  • the hologram is a complex diffraction grating that is optimized for the wavelengths (RGB) and the angle of incidence a of the radiation from the imaging unit 4.
  • the hologram has no (or a significantly lower) light-diffractive effect on radiation of other wavelengths and radiation that falls at a different angle of incidence.
  • the hologram therefore has a very selective effect on the radiation from the imaging unit 4, so that, for example, disruptive reflection effects can be avoided.
  • Figure 4 shows a cross section through the holographic element 20 from Figure 3. It comprises a photopolymer layer 21 between a first glass layer 22 and a second glass layer 23.
  • the glass layers 22, 23 are made of aluminosilicate glass and each have a thickness of 100 pm.
  • the glass layers 22, 23 are chemically prestressed.
  • the photopolymer layer 21 has a thickness of 15 pm, for example, and consists of a photopolymer in which the light-diffracting hologram is formed.
  • the complex diffraction grating is realized in particular by refractive index modulations which were generated during the holographic exposure of the photopolymer.
  • the photopolymer layer 21 is arranged between polymer carrier films. Components of the intermediate layer 3 can diffuse through the carrier foils into the photopolymer layer 21. This impairs the hologram and adversely changes the selectively adjusted light-diffractive properties.
  • the glass layers 22, 23 act as diffusion barriers against components of the intermediate layer 3. Degradation of the hologram in the photopolymer layer 21 as a result of diffusion can thereby be prevented.
  • the glass layers 22, 23 give the holographic element 20 an advantageous rigidity.
  • the holographic element 20 does not form any waviness, as can occur with polymer carrier films during lamination of the composite pane as a result of shrinkage processes. Such waviness leads to a distorted, wavy display image, which is avoided by the glass layers 22, 23.
  • the holographic element 20 is provided with an edge seal 24, which is intended to prevent the diffusion of components of the intermediate layer 3 over the side edge into the photopolymer layer 21.
  • the edge seal 24 is formed, for example, by a band made of a suitable plastic (e.g. polyethylene terephthalate), which is attached all the way around the side edge of the holographic element 20 and in particular separates the side edge of the photopolymer layer 21 from the adjacent capsule layer 3c.
  • SiO2 layers applied from the gas phase, in particular sputtered, can be used.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erzeugung einer optischen Anzeige, umfassend eine Verbundscheibe (10), umfassend eine erste Glasscheibe (1) und eine zweite Glasscheibe (2), die über eine thermoplastische Zwischenschicht (3) miteinander verbunden sind, mit einem Anzeigebereich (A) und eine bildgebende Einheit (4), welche auf den Anzeigebereich (A) gerichtet ist, wobei die Verbundscheibe (10) zumindest im Anzeigebereich (A) mit einem holographischen Element (20) ausgestattet ist, welches in der Zwischenschicht (3) eingelagert ist und geeignet ist, die Strahlung der bildgebenden Einheit (4) zur Erzeugung eines Anzeigebildes zu beugen, und welches eine Photopolymer-Schicht (21) aufweist, wobei das holographische Element (20) in der angegebenen Reihenfolge umfasst: eine erste Glasschicht (22) oder SiO2-Schicht, die Photopolymer-Schicht (21), eine zweite Glasschicht (23) oder SiO2-Schicht.

Description

Anordnung zur Erzeugung einer optischen Anzeige
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erzeugung einer optischen Anzeige und ihre Verwendung.
Ein Beispiel für eine Anordnung zur Erzeugung einer optischen Anzeige ist das sogenannte Head-Up-Display (HLIDs), welches im Automobilbereich zunehmend Verbreitung findet. Dabei wird die Windschutzscheibe mit einer bildgebenden Einheit (beispielsweise einem Projektor) bestrahlt. Das an der Windschutzscheibe reflektierte Licht wird vom Fahrer als virtuelles Bild (von ihm aus gesehen) hinter der Windschutzscheibe wahrgenommen. So können wichtige Informationen in das Blickfeld des Fahrers projiziert werden, beispielsweise die aktuelle Fahrtgeschwindigkeit, Navigations- oder Warnhinweise, die der Fahrer wahrnehmen kann, ohne seinen Blick von der Fahrbahn wenden zu müssen. Head-Up- Displays können so wesentlich zur Steigerung der Verkehrssicherheit beitragen.
Es sind verschiedene Methoden zur Erzeugung von HLIDs bekannt. Der Einstrahlwinkel, mit dem die Windschutzscheibe von der bildgebenden Einheit bestrahlt wird, liegt typischerweise unweit des Brewsterwinkels eines Luft-Glas-Übergangs. Die bildgebende Einheit kann mit s- polarisierter Strahlung, welche von den externen Glasoberflächen reflektiert wird zur Erzeugung des Anzeigebildes. Beispielhaft sei auf W02009071135A1 , EP1800855B1 und EP1880243A2 verwiesen. Die bildgebende Einheit kann alternativ mit p-polarisierter Strahlung betrieben werden, welche von den Glasoberflächen nicht signifikant reflektiert wird. Die Windschutzscheibe ist dann typischerweise mit einer Reflexionsbeschichtung versehen, zur Reflexion der p-polarisierten Strahlung. Beispielhaft sei auf DE102014220189A1 , EP3187917B1 und WO2021104800A1 verwiesen.
Es sind auch HUDs bekannt, bei denen die Windschutzscheibe mit einem holographischen Element ausgestattet ist. Das holographische Element umfasst typischerweise eine Photopolymer-Schicht zwischen zwei dünnen polymeren Trägerfolien. Das holographische Element ist eine Art holografisch-optisches Bauelemente (HOE), wobei in der Photopolymer- Schicht ein Hologramm ausgebildet ist, welches typischerweise als Beugungsgitter wirkt. Das Licht der bildgebenden Einheit wird dabei derart gebeugt, dass es in Richtung des Fahrers zurückgeworfen wird, um das Anzeigebild zu erzeugen. Der Vorteil derartiger holographischer HUDs besteht insbesondere darin, dass die optischen Eigenschaften sehr selektiv für den verwendeten Einfallswinkel und die verwendeten Wellenlängen der Strahlung eingestellt werden können. So kann die holographische Beugung unabhängig von den Fresnel- Reflexionen betrachtet werden. Das Erzeugen von zwei Abbildungen ist damit möglich. Holographische HLIDs sind beispielsweise aus W02022053403A1, WO2022107962A1 , WO2021112302A1 und WO2020167263A1 bekannt.
Windschutzscheiben sind als Verbundscheiben ausgebildet aus einer Außenscheibe und einer Innenscheibe, welche über eine thermoplastische Zwischenschicht miteinander verbunden sind. Das holographische Element ist typischerweise in die Zwischenschicht eingelagert. Dabei tritt häufig das Problem auf, dass die niedermolekularen Bestandteile der Zwischenschicht durch die polymeren Trägerfolien hindurch oder Bestandteile der Trägerfolien selbst in die Photopolymer-Schicht diffundieren können. Dadurch wird mitunter die Beugungsstruktur des Hologramms verändert, was die Selektivität der lichtbeugenden Eigenschaften beeinträchtigt. Außerdem können die Trägerfolien bei der Lamination der Windschutzscheibe infolge von Schrumpfungsprozessen mit einer gewissen Welligkeit versehen werden (Orangenhaut-Effekt, „orange skin “-Effekt), was zu Folge hat, dass der Reflexionswinkel lokal verändert wird und auch das Anzeigebild wellig erscheint.
Auch wenn die Anordnung hier anhand eines HLIDs beschrieben wurde, sind auch andere Anwendungen von Anordnung zur Erzeugung einer optischen Anzeige möglich, beispielsweise im Zusammenhang mit Gebäudeverglasungen oder Einrichtungsgegenständen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Anordnung zur Erzeugung einer optischen Anzeige mit einem holographischen Element bereitzustellen. Das holographische Element soll insbesondere weniger anfällig sein gegenüber der Diffusion von Bestandteilen der Zwischenschicht der Verbundscheibe, bevorzugt auch gegenüber Verformungen, so dass die Ausbildung einer Welligkeit vermieden wird.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Anordnung zur Erzeugung einer optischen Anzeige gemäß Anspruch 1. Bevorzugte Ausgestaltungen gehen aus den Unteransprüchen hervor.
Die erfindungsgemäße Anordnung zur Erzeugung einer optischen Anzeige umfasst eine Verbundscheibe und eine bildgebende Einheit. Die bildgebende Einheit ist auf einen Bereich der Verbundscheibe gerichtet und bestrahlt diesen im Betrieb mit Licht, also elektromagnetischer Strahlung im sichtbaren Spektralbereich, zur Erzeugung eines Anzeigebildes. Der durch die bildgebende Einheit bestrahlbare beziehungsweise bestrahlte Bereich der Verbundscheibe wird im Sinne der Erfindung als Anzeigebereich bezeichnet. Die erfindungsgemäße Anordnung zur Erzeugung einer optischen Anzeige kann auch als Anzeigeanordnung, Anzeigesystem oder Projektionsanordnung bezeichnet werden.
Die Verbundscheibe umfasst eine erste Glasscheibe und eine zweite Glasscheibe, die über eine thermoplastische Zwischenschicht miteinander verbunden sind. Die Verbundscheibe ist erfindungsgemäß zumindest im Anzeigebereich mit einem holographischen Element ausgestattet, welches in der Zwischenschicht eingelagert ist. Das holographische Element deckt zumindest den Anzeigebereich ab, kann sich aber auch darüber hinaus erstrecken. Das holographische Element ist geeignet, die Strahlung der bildgebenden Einheit zur Erzeugung des Anzeigebildes zu beugen. Die Beugung wird insbesondere durch ein Hologramm verursacht, welches in der Photopolymer-Schicht ausgebildet ist.
Das holographische Eiementweist eine Photopolymer-Schicht auf. Erfindungsgemäß umfasst das holographische Element in der angegebenen Reihenfolge:
- eine erste Glasschicht oder SiO2-Schicht (erste Glas- oder SiO2-Schicht),
- die Photopolymer-Schicht,
- eine zweite Glasschicht oder SiO2-Schicht (zweite Glas- oder SiO2-Schicht).
Die erfindungsgemäße Anordnung beziehungsweise das erfindungsgemäße holographische Element zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass die Photopolymer-Schicht zwischen zwei Glas- oder SiO2-Schichten angeordnet ist. Bei herkömmlichen Anordnungen beziehungsweise holographischen Elementen ist die Photopolymer-Schicht dagegen zwischen zwei polymeren Trägerfolien angeordnet. Die Glas- oder SiO2-Schichten sind undurchlässig für Bestandteile der Zwischenschicht, welche daher nicht in die Photopolymer- Schicht hinein diffundieren können. Die Glas- oder SiO2-Schichten sind chemisch inert, so dass keine Wechselwirkung mit der Photopolymer-Schicht auftritt und keine Bestandteile der Glas- oder SiO2-Schichten in die Photopolymer-Schicht diffundieren, wie es bei polymeren Trägerfolien auftreten kann. Eine Degradation der Photopolymer-Schicht und eine Änderung der Beugungsstruktur kann somit vermieden werden, so dass die lichtbeugenden oder - reflektierenden Eigenschaften nicht beeinträchtigt werden. Zumindest ab einer gewissen Mindestdicke der Glas- oder SiO2-Schichten ist das holographische Element auch sehr stabil und insbesondere nicht anfällig dafür, bei der Lamination der Verbundscheibe gewellt zu werden, wie es bei herkömmlichen holographischen Elementen infolge von Schrumpfungsprozessen der polymeren Trägerfolien auftreten kann. Dadurch wird eine optisch hochwertige, unverzerrte Darstellung des Anzeigebildes gewährleistet. Zudem weisen die Glas- oder SiC>2-Schichten häufig einen Brechungsindex auf, welcher nur einen vergleichsweise geringen Unterschied zum Brechungsindex der übrigen Bestandteile der Verbundscheibe hat, so dass im Vergleich zu polymeren Trägerfolien optische Störeffekte wie Reflexionen vermieden werden können. Das sind große Vorteile der Erfindung.
Die zweite Glasscheibe der Verbundscheibe ist beispielsweise der bildgebenden Einheit (und dem Betrachter des Anzeigebildes) zugewandt, die erste Glasscheibe von der bildgebenden Einheit abgewandt.
Bei vielen Anwendungen ist die Verbundscheibe als Fensterscheibe in einer Fensteröffnung (beispielsweise eines Fahrzeugs, eines Gebäudes oder eines Zimmers beziehungsweise Raums) dafür vorgesehen, einen Innenraum von einer äußeren Umgebung abzutrennen. Die dem Innenraum zugewandte Scheibe kann dann als Innenscheibe bezeichnet werden, die der äußeren Umgebung zugewandte Scheibe als Außenscheibe. In der Regel sind die bildgebende Einheit und der Betrachter des Anzeigebildes im Innenraum angeordnet (beispielsweise wenn die Anordnung als Head-Up-Display (HUD) eines Fahrzeugs eingesetzt wird). Die zweite Glasscheibe im Sinne der Erfindung ist dann beispielsweise die Innenscheibe der Verbundscheibe, die erste Glasscheibe die Außenscheibe.
Holographie ist eine Methode zur Aufzeichnung und Rekonstruktion eines Wellenfeldes. Während bei der Photographie lediglich die Intensität und (im Falle der Farbphotographie) die Frequenz des einfallenden Lichtes auf einem Film gespeichert werden, werden bei der Holographie die Phase und die Intensität des Lichts gespeichert. Ein Hologramm wird erzeugt, indem ein Aufnahmeobjekt mit kohärentem Licht bestrahlt wird, welches an dem Aufnahmeobjekt reflektiert und gestreut wird. Das dadurch erzeugte Wellenfeld (Objektwelle) wird mit ungestreutem Licht (Referenzwelle) derselben Strahlungsquelle überlagert. Es kommt zur optischen Interferenz zwischen Objektwelle und Referenzwelle, wodurch ein Interferenzmuster entsteht. Das holographische Medium wird mit diesem Interferenzmuster belichtet. Das holographische Medium reagiert nur auf die Intensität des Lichtes, durch die Interferenz der Wellenfronten wird aber die relative Phase (zwischen Objekt- und Referenzwelle) aufgezeichnet. Durch Entwicklung des holographischen Mediums entsteht das Hologramm. Als kohärente Strahlungsquelle wird meist ein Laser verwendet, dessen Strahlung mittels Streulinsen aufgeweitet wird.
Das besagte holographische Medium ist im vorliegenden Fall die erfindungsgemäße Photopolymer-Schicht. Bei Photopolymeren wird die Polymerisation durch Belichtung hervorgerufen. Dadurch verändern sich die optischen Eigenschaften (beispielsweise der Brechungsindex), wodurch ein Hologramm entsteht. Das Photopolymer wird anschließend fixiert, indem es mit einer inkohärenten Lichtquelle beleuchtet wird.
Es ist allgemein bekannt, dass Holographie eingesetzt werden kann, um optische Bauelemente zu erzeugen (holografisch-optische Bauelemente, HOE). Dadurch lassen sich herkömmliche optische Bauelemente wie Linsen, Spiegel oder Prismen ersetzten. Auch das erfindungsgemäße holographische Element kann als ein solches holographisch-optisches Bauteil aufgefasst werden.
Das holographische Element wirft durch Beugung die Strahlung der bildgebenden Einheit in Richtung des Betrachters zurück, wodurch das virtuelle Anzeigebild erzeugt wird. Dabei bildet das Hologramm ein Beugungsgitter aus, an dem die Strahlung der bildgebenden Einheit (insbesondere unabhängig von der Fresnel-Reflexion) derart gebeugt wird, dass sie in Richtung des Betrachters zurückgeworfen wird, beziehungsweise in Richtung der erwarteten Position des Betrachters, der sogenannten „Eyebox“.
Die durch das Beugungsgitter des Hologramms realisierte virtuelle Bildfläche ist vom Betrachter aus gesehen in einem gewissen Abstand hinter der Verbundscheibe angeordnet. An dieser Stelle erscheint in der Folge das virtuelle Anzeigebild.
Durch das Hologramm können sehr spezifische optische Eigenschaften erreicht werden. Insbesondere wirkt das Hologramm nur bei einem bestimmten Einfallswinkel und nur bei einer oder mehreren bestimmten Wellenlänge(n) reflektierend beziehungsweise lichtbeugend. Das ist ein großer Vorteil holographischer Anzeigeanordnungen, weil die Spiegelung oder Beugung von Licht, welches nicht von der bildgebenden Einheit ausgeht und daher mit einem anderen Einfallswinkel und überwiegend mit einer anderen Wellenlänge auf das holographische Element trifft, vermieden wird. Das Anzeigebild erscheint sehr klar und unerwünschte Effekte, beispielsweise störende Spiegelungen, können vermieden werden.
Das Hologramm weist seine reflektierenden oder beugenden Eigenschaften insbesondere gegenüber Licht auf, das
- mit einem Einfallswinkel auf das holographische Element trifft, der dem Einfallswinkel der Strahlung der bildgebenden Einheit in der erfindungsgemäßen Anordnung entspricht, und
- eine Wellenlänge oder mehrere Wellenlängen aufweist, welche der Wellenlänge oder Wellenlängen der Strahlung der bildgebenden Einheit entspricht. Bei der holographischen Belichtung des Photopolymers werden also der Einfallswinkel und die Wellenlänge der Strahlung der bildgebenden Einheit berücksichtigt, welche in der Anordnung verwendet werden soll, für welche das holographische Element vorgesehen ist. Dies geschieht insbesondere durch eine geeignete Auswahl des Belichtungsobjekt und durch Verwendung von kohärentem Licht der besagten Wellenlänge(n) zur Belichtung.
Der Anteil an der Strahlung der bildgebenden Einheit, der durch das holographische Element zur Erzeugung des Anzeigebildes zurückgeworfen wird, beträgt bevorzugt mindestens 2%, besonders bevorzugt mindestens 4 %, ganz besonders bevorzugt mindestens 10%. Der besagte Anteil kann beispielsweise von 2% bis 40% betragen oder von 4% bis 20%.
Die erste Glas- oder SiC>2-schicht und die zweite Glas- oder SiO2-Schicht können als Glasschichten ausgebildet sein, insbesondere Dünnglas-Schichten sein. Die Glasschichten werden vorgefertigt bereitgestellt, insbesondere hergestellt mittels eines Flachglas- Produktionsprozesses. Die erste Glas- oder SiO2-Schicht und die zweite Glas- oder SiO2- Schicht können alternativ als SiO2-Schichten ausgebildet sein, welche auf der Photopolymer- Schicht aufgebracht sind, beispielsweise aus der Gasphase, insbesondere durch Sputtern. Das holographische Element enthält dann insbesondere keine zusätzlichen Glasschichten - die SiO2-Schichten selbst bilden die Träger- beziehungsweise Schutzschichten der Photopolymer-Schicht. Die erste Glas- oder SiO2-Schicht und die zweite Glas- oder SiO2- Schicht können unabhängig voneinander als Glasschichten oder SiO2-Schichten gewählt werden, so dass auch eine Kombination einer ersten Glasschicht und einer zweiten SiO2- Schicht möglich ist oder umgekehrt. Durch eine Dünnglas-Schicht oder eine aufgebrachte SiO2-Schicht wird die Gesamtdicke der Verbundscheibe nicht allzu sehr gesteigert.
Unter einer SiO2-Schicht (Siliziumoxid-Schicht) wird im Sinne der Erfindung eine Schicht auf Basis vom Siliziumoxid verstanden. Die Schicht enthält bevorzugt mindestens 80 Gew.-% Siliziumoxid, besonders bevorzugt mindestens 80 Gew.-% Siliziumoxid, und kann darüber hinaus Dotierungen oder Verunreinigungen enthalten. Das Siliziumoxid kann stöchiometrisch, unterstöchiometrisch oder überstöchiometrisch in Bezug auf den Sauerstoffgehalt ausgebildet sein. Die SiO2-Schicht kann daher auch als SiOx-Schicht bezeichnet werden, auch wenn zum besseren Verständnis hier der Ausdruck "SiO2-Schicht“ verwendet wird.
Die erste Glas- oder SiO2-Schicht und die zweite Glas- oder SiO2-Schicht weisen bevorzugt eine Dicke von jeweils höchstens (also kleiner oder gleich) 800 pm auf, besonders bevorzugt höchstens 550 pm, ganz besonders bevorzugt höchstens 330 pm, insbesondere höchstens 150 m. Damit werden gute Ergebnisse erzielt. Sehr dünne Glasschichten haben auch den Vorteil, dass sie auf Rollen bereitgestellt werden können, was bei der Herstellung der Verbundscheibe eine einfache Handhabung gewährleistet.
Die erste Glas- oder SiO2-Schicht und die zweite Glas- oder SiO2-Schicht weisen bevorzugt eine Dicke von jeweils mindestens (also größer oder gleich) 10 nm auf. Das ist ausreichend, um eine Diffusion durch die Glas- oder SiO2-Schichten zu vermeiden. Die Dicke der ersten und der zweiten Glas- oder SiO2-Schicht beträgt besonders bevorzugt mindestens 50 pm, wobei die erste und die zweite Glas- oder SiO2-Schichten in diesem Fall bevorzugt Glasschichten sind. Dann ist das holographische Element hinreichend formstabil, dass keine Welligkeit auftritt und das Anzeigebild vorteilhaft klar und verzerrungsfrei erscheint.
Die Dicke der ersten und der zweiten Glas- oder SiO2-Schicht können unabhängig voneinander gewählt werden, sind bevorzugt jedoch gleich. Die Dicke der ersten und der zweiten Glas- oder SiO2-Schicht liegt beispielsweise jeweils im Bereich von 10 nm bis 800 pm, bevorzugt von 50 pm bis 550 pm, besonders bevorzugt von 50 pm bis 330 pm und insbesondere von 50 pm bis 150 pm.
Die Dicke der ersten und der zweiten Glas- oder SiO2-Schicht beträgt in besonders vorteilhaften Ausgestaltungen
- von 50 pm bis 800 pm, bevorzugt von 50 pm bis 550 pm, besonders bevorzugt von 50 pm bis 330 pm und insbesondere von 50 pm bis 150 pm, falls es sich bei der besagten Schicht um eine Glasschicht handelt,
- von 10 nm bis 1 pm, bevorzugt von 10 nm bis 500 nm, besonders bevorzugt von 50 nm bis 500 nm, ganz besonders bevorzugt von 50 nm bis 300 nm, falls es sich bei der besagten Schicht um eine (aus der Gasphase aufgebrachte, insbesondere aufgesputterte) SiO2- Schicht handelt.
Wenn die erste Glas- oder SiO2-Schicht und die zweite Glas- oder SiO2-Schicht als Glasschichten ausgebildet sind, das holographische Element also eine erste und eine zweite Glasschicht umfasst, so sind diese bevorzugt vorgespannt, insbesondere chemisch vorgespannt. Dadurch wird ihre Bruchfestigkeit erhöht, so dass sie insbesondere bei der Herstellung der Verbundscheibe weniger anfällig für Beschädigungen sind.
Wenn die erste Glas- oder SiO2-Schicht und die zweite Glas- oder SiO2-Schicht als Glasschichten ausgebildet sind, das holographische Element also eine erste und eine zweite Glasschicht umfasst, so sind diese bevorzugt aus Aluminosilikatglas oder Borosilikatglas gebildet. Diese Glassorten haben den Vorteil, dass sie sich einfach chemisch vorspannen lassen. Aluminosilikatglas ist dabei besonders bevorzugt. Grundsätzlich können die Glasschichten aber auch aus anderen Glassorten gebildet sein, beispielsweise aus Kalk- Natron-Glas. Die Glassorte der ersten und der zweiten Glasschicht können unabhängig voneinander gewählt werden, sind aber bevorzugt gleich.
Die Glasschichten können fachübliche transparente Beschichtungen aufweisen, beispielsweise eine Antireflexionsbeschichtung, eine IR-reflektierende Beschichtung oder eine UV-reflektierende Beschichtung. Solche Beschichtungen sind bevorzugt auf den von der Photopolymer-Schicht abgewandten Oberfläche einer oder beider der Glasschichten angeordnet.
Die Photopolymer-Schicht ist nicht auf ein bestimmtes Photopolymer-Material eingeschränkt. Es können sämtliche Photopolymere verwendet werden, welche mit einem Hologramm belichtet werden können.
Die Photopolymer-Schicht weist bevorzugt eine Dicke von 5 pm bis 50 pm auf, besonders bevorzugt von 7 pm bis 30 pm, ganz besonders bevorzugt von 10 pm bis 20 pm. Damit werden gute Ergebnisse erzielt.
Die Verbundscheibe weist zumindest eine transparenten Bereich auf, welcher zur Durchsicht geeignet und vorgesehen ist. Dieser transparente Bereich wird im Sinne der Erfindung als Durchsichtsbereich bezeichnet. Der Anzeigebereich ist bevorzugt im transparenten Durchsichtsbereich der Verbundscheibe angeordnet.
Die Verbundscheibe kann insgesamt transparent ausgebildet sein, so dass der Durchsichtsbereich die gesamte Verbundscheibe umfasst. Es ist jedoch auch möglich, dass die Verbundscheibe außer dem Durchsichtsbereich einen opaken Maskierungsbereich aufweist. Durch den Maskierungsbereich ist keine Durchsicht möglich, die Lichttransmission des Maskierungsbereichs beträgt weniger als 5%, bevorzugt weniger als 2% und ganz besonders bevorzugt im Wesentlichen 0%. Solche Maskierungsbereiche sind insbesondere bei Fahrzeugscheiben üblich, wobei der Maskierungsbereich in einem umlaufenden Randbereich der Verbundscheibe angeordnet ist und einen zentralen Durchsichtsbereich rahmenartig umgibt. Der Maskierungsbereich wird typischerweise durch einen opaken Abdeckdruck auf einer Oberfläche der ersten und/oder der zweiten Glasscheibe ausgebildet. Bevorzugt ist der Abdeckdruck zumindest auf der zur Zwischenschicht hingewandten Oberfläche der von der bildgebenden Einheit abgewandten (beispielsweise ersten) Glasscheibe ausgebildet. Der Abdeckdruck ist insbesondere aus einer Emaille ausgebildet, welche Glasfritten und ein Pigment enthält und im Siebdruckverfahren aufgedruckt und anschließend in die Scheibenoberfläche eingebrannt wird. Das Pigment ist typischerweise ein Schwarzpigment, beispielsweise Pigmentruß (Carbon Black), Anilinschwarz, Beinschwarz, Eisenoxidschwarz, Spinellschwarz und/oder Graphit. Der Abdeckdruck weist bevorzugt eine Dicke von 5 pm bis 50 pm auf, besonders bevorzugt von 8 pm bis 25 pm. Alternativ können auch opake Folien in der Zwischenschicht verwendet werden, um den Maskierungsbereich auszubilden.
Die Strahlung der bildgebenden Einheit trifft mit einem bestimmten Einfallswinkel auf die Verbundscheibe. Der Einfallswinkel ist der Winkel zwischen dem Einfallsvektor der Strahlung und der Flächennormale derjenigen Oberfläche, auf welche die Strahlung als erstes trifft (also die Flächennormale auf die der bildgebenden Einheit zugewandten Oberfläche der der bildgebenden Einheit zugewandten zweiten Glasscheibe). Im typischen Falle einer Fensterscheibe, wobei die bildgebende Einheit im Innenraum angeordnet ist, ist dies die innenraumseitige Flächennormale (also die Flächennormale auf die innenraumseitige Oberfläche der Innenscheibe). Der Einfallswinkel wird an einem Punkt des Anzeigebereichs bestimmt, bevorzugt im geometrischen Zentrum des Anzeigebereichs.
Die Erfindung kann grundsätzlich mit jedem beliebigen Einfallswinkel realisiert werden. Aus baulichen Gründen müssen jedoch typischerweise vergleichsweise große Einfallswinkel von mehr als 45° gewählt werden.
An der Oberfläche der Glasscheibe (Luft-Glas-Übergang) kann eine Reflexion der Strahlung der bildgebenden Einheit stattfinden. Dies kann zu einem unerwünschten und als störend wahrgenommenen Geisterbild führen, also einem intensitätsschwächeren zweiten Anzeigebild, welches zum Hauptanzeigebild (hervorgerufen durch das holographische Element) seitlich versetzt erscheint. Das Geisterbild kann durch eine geeignete Polarisation der Strahlung der bildgebenden Einheit minimiert werden.
Bei kleinen Einfallswinkeln (beispielsweise bis zu 25°) spielt die Polarisation für die Reflexion an der Glasoberfläche keine bedeutende Rolle. Es kann unpolarisierte, linear s- oder p- polarisierte oder zirkular polarisierte Strahlung verwendet werden. Bei den besagten vergleichsweise großen Einfallswinkeln von mehr als 45° wird die bildgebende Einheit dagegen bevorzugt mit p-polarisierter Strahlung betrieben. Die bildgebende Einheit bestrahlt den Anzeigebereich also mit p-polarisierter Strahlung. Da diese großen Einfallswinkel typischerweise in der Nähe des Brewsterwinkels liegen, wird p-polarisierte Strahlung nur in geringfügigem Ausmaß reflektiert und das Geisterbild wird in seiner Intensität geschwächt.
Die Strahlung bildgebenden Einheit ist bevorzugt überwiegend p-polarisiert, weist also einen Anteil p-polarisierter Strahlung von mehr als 50% auf, bevorzugt mindestens 80%, besonders bevorzugt mindestens 95%. Die Strahlung ist insbesondere im Wesentlichen rein p-polarisiert ist - der p-polarisierte Strahlungsanteil beträgt also 100% oder weicht nur unwesentlich davon ab. Die Angabe der Polarisationsrichtung bezieht sich dabei auf die Einfallsebene der Strahlung auf der Verbundscheibe. Mit p-polarisierter Strahlung wird eine Strahlung bezeichnet, deren elektrisches Feld in der Einfallsebene schwingt. Mit s-polarisierter Strahlung wird eine Strahlung bezeichnet, deren elektrisches Feld senkrecht zur Einfallsebene schwingt. Die Einfallsebene wird durch den Einfallsvektor und die Flächennormale der Verbundscheibe an einem Punkt innerhalb des Anzeigebereichs, bevorzugt im geometrischen Zentrum des Anzeigebereichs, aufgespannt. Ist die Verbundscheibe gekrümmt, wie es insbesondere im Fahrzeugbereich üblich ist, so wirkt sich die Scheibenkrümmung auf die Einfallsebene und damit auf die Definition der Polarisation aus. An anderen Stellen können die Polarisationsanteile (insbesondere das Verhältnis von p- polarisierter Strahlung zu s-polarisierter Strahlung oder umgekehrt) von diesem Referenzpunkt verschieden sein. Zur Erzeugung der gewünschten polarisierten Strahlung kann beispielsweise ein Polarisationsfilter oder ein polarisierender Strahlteiler zwischen bildgebender Einheit und Verbundscheibe im Strahlengang angeordnet sein, falls die bildgebende Einheit nicht schon an sich Strahlung der gewünschten Polarisationsrichtung bereitstellt.
Der Brewsterwinkel für einen Luft-Glas-Übergang im Falle von Kalk-Natron-Glas, das für Fensterscheiben allgemein üblich ist, beträgt 57,2° (bei einem Brechungsindex von Kalk- Natron-Glas von 1 ,55 bei einer Wellenlänge von 550 nm). In einer vorteilhaften Ausgestaltung bestrahlt die bildgebende Einheit den einen Anzeigebereich mit einem Einfallswinkel, welcher um höchstens 15° vom Brewsterwinkel abweicht. Gemeint ist hier natürlich der Brewsterwinkel der Eintrittsoberfläche, als der der bildgebenden Einheit zugewandten Oberfläche der der bildgebenden Einheit zugewandten (beispielweise zweiten) Glasscheibe. Dann ist die Reflexion der p-polarisierten Strahlung an der Glasoberfläche vorteilhaft gering. Der Einfallswinkel beträgt bevorzugt von 45° bis 70°. Es können auch Einfallswinkel von 60° bis 70° realisiert werden, beispielsweise etwa 65°, wie es bei Head-Up-Displays von Kraftfahrzeugen üblich ist. Die Abweichung des Einfallswinkels vom Brewsterwinkels beträgt besonders bevorzugt höchstens 10°.
In der Ausgestaltung mit p-polarisierter Strahlung weisen die Windschutzscheibe und ihre Bestandteile (erste und zweite Glasscheibe, Zwischenschicht) bevorzugt eine konstante Dicke auf. Die von der Zwischenschicht abgewandten Oberflächen der Glasscheiben sind bevorzugt parallel zueinander ausgerichtet.
Außer der Vermeidung von Geisterbildern hat die Verwendung p-polarisierter Strahlung auch den Vorteil, dass das Anzeigebild für Träger von polarisationsselektiven Sonnenbrillen erkennbar ist, welche typischerweise nur p-polarisierte Strahlung passieren lassen und s- polarisierte Strahlung blocken.
Das Hologramm kann auf die Beugung der p-polarisierten Strahlung optimiert sein. Reflektiert beziehungsweise beugt das Hologramm jedoch bevorzugt s-polarisiertes Licht, so ist es möglich, dass die Verbundscheibe zwischen der der bildgebenden Einheit zugewandten (beispielsweise zweiten) Glasscheibe und dem holographischen Element eine Beschichtung einen Film oder ein optisches Bauteil nach Art einer A/2-Verzögerungsplatte (auch bekannt als A/2-Wellenplatte oder A/2-Plättchen) aufweist, welches die p-polarisierte Strahlung in s- polarisierte Strahlung wandelt, bevor sie auf das holographische Element trifft.
Grundsätzlich kann die bildgebende Einheit jedoch auch bei vergleichsweise großen Einfallswinkeln mit s-polarisierter Strahlung betrieben werden. Dann wird bevorzugt die der bildgebenden Einheit zugewandte (beispielsweise zweite) Glasscheibe in einem geeigneten Winkel zum holographischen Element angeordnet, so dass das Hauptanzeigebild mit dem Geisterbild überlagert wird. Dies kann durch Verwendung einer keilförmigen Folie zwischen der besagten Glasscheibe und dem holographischen Element realisiert werden, deren Dicke typischerweise in einer Richtung von der Unterkante zur Oberkante der Verbundscheibe zunimmt.
Die Verbundscheibe weist in Einbaulage typischerweise mindestens eine vertikale Ausrichtungskomponente auf. Mit Unterkante wird diejenige Kante der Verbundscheibe bezeichnet, welche in Einbaulage nach unten (zum Erdboden) weist, mit Oberkante diejenige Kante der Verbundschiebe, welche in Einbaulage nach oben weist. Zwischen der Unterkante und der Oberkante verlaufen typischerweise zwei Seitenkanten. Das holographische Element weist in einer vorteilhaften Ausgestaltung eine Randversiegelung auf beziehungsweise ist mit einer solchen Randversiegelung versehen. Die Randversiegelung verhindert das Eindringen von Verunreinigungen (beispielsweise Weichmacher oder andere Bestandteile der Zwischenschicht) über die Seitenkante des holographischen Elements in die Photopolymer-Schicht, welche das Hologramm und seine reflektierende oder lichtbeugende Wirkung beeinträchtigen könnten. Die Randversiegelung kann beispielsweise als polymeres Band ausgebildet sein, welches umlaufend um die Seitenkante des holograpischen Elements angebracht ist. Das polymere Band kann beispielsweise aus Polyimid ausgebildet sein.
Das holographische Element ist erfindungsgemäß in die Zwischenschicht der Verbundscheibe eingelagert. Typischerweise ist das holographische Element über mindestens eine erste thermoplastische Schicht mit der ersten Glasscheibe verbunden und über mindestens eine zweite thermoplastische Schicht mit der zweiten Glasscheibe verbunden. Die thermoplastische Zwischenschicht ist also mindestens aus der ersten und der zweiten thermoplastischen Schicht ausgebildet, welche flächig aufeinander und zwischen den Glasscheiben angeordnet sind, wobei das holographische Element zwischen den thermoplastischen Schichten angeordnet ist.
Jede thermoplastische Schicht ist bevorzugt aus einer thermoplastischen Folie ausgebildet, bevorzugt auf Basis von Polyvinylbutyral (PVB), Ethylenvinylacetat (EVA) oder Polyurethan (PU) oder Gemische oder Copolymere oder Derivate davon, besonders bevorzugt PVB. Das bedeutet im Sinne der Erfindung, dass die Folie mehrheitlich das besagte Material enthält (Anteil von größer als 50 Gew.-%) und daneben optional weitere Bestandteile enthalten kann, beispielsweise Weichmacher, Stabilisatoren, UV- oder IR-Absorber. Jede thermoplastische Schicht beziehungsweise Folie weist bevorzugt eine Dicke von 0,2 mm bis 2 mm auf, besonders bevorzugt von 0,3 mm bis 1 mm.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das holographische Element umlaufend von einer weiteren thermoplastischen Schicht umgeben, welche im Sinne der Erfindung als Kapselschicht bezeichnet wird. Die Kapselschicht umgibt das holographische Element rahmenartig. Die Kapselschicht kann aus einer thermoplastischen Folie ausgebildet werden, welche einen Ausschnitt aufweist, in welchen das holographische Element (bevorzugt im Wesentlichen passgenau) eingesetzt wird. Alternativ kann die Kapselschicht aus Folienabschnitten um das holographische Element zusammengesetzt werden. Die Kapselschicht kompensiert gleichsam die Dicke des holographischen Elements in der Verbundscheibe, welche ansonsten zu Spannungen bis hin zum Glasbruch führen kann. Die Kapselschicht mit dem holographischen Element ist insbesondere zwischen der besagten ersten und der zweiten thermoplastischen Schicht angeordnet.
Die erste Glasscheibe und die zweite Glasscheibe sind bevorzugt aus Kalk-Natron-Glas gefertigt, was für Fensterscheiben üblich ist. Die Scheiben können grundsätzlich aber auch aus anderen Glasarten (beispielsweise Borosilikatglas, Quarzglas oder Aluminosilikatglas). Grundsätzlich können statt Glasscheiben auch Scheiben aus transparenten Kunststoffen („organische Gläser“) verwendet werden, beispielsweise Scheiben aus Polymethylmethacrylat oder Polycarbonat. Die Dicke der ersten und der zweiten Glasscheibe beträgt bevorzugt unabhängig voneinander von 0,5 mm bis 10 mm, besonders bevorzugt von 1 mm bis 5 mm, ganz besonders bevorzugt von 1 ,5 mm bis 3 mm. Die erste Glasscheibe, die zweite Glasscheibe und die thermoplastische Zwischenschicht können klar und farblos, aber auch getönt oder gefärbt sein.
Die Verbundscheibe kann plan ausgebildet sein oder zylindrisch oder sphärisch gebogen. Plane Verbundscheiben sind insbesondere als Gebäudeverglasungen gebräuchlich und als spezielle Fahrzeugverglasungen, beispielsweise Fensterscheiben von Zügen oder Traktoren. Gebogene, insbesondere sphärisch gebogene Verbundscheiben sind insbesondere als Fahrzeugverglasungen von Personenkraftwagen und Lastkraftwagen gebräuchlich. Typische Krümmungsradien liegen im Bereich von etwa 10 cm bis etwa 40 m.
Die bildgebende Einheit ist bevorzugt ein Projektor oder ein Bildschirm („Display“, elektronische Anzeige). Grundsätzlich kann jede Art von Bildschirm für das erfindungsgemäße Anzeigesystem verwendet werden, wobei OLED- und LCD-Bildschirme bevorzugt sind.
Die bildgebende Einheit ist auf den Anzeigebereich der Verbundscheibe gerichtet, wo die Strahlung durch das holographische Element in Richtung des Betrachters reflektiert oder gebeugt wird. Dadurch wird ein virtuelles Bild erzeugt wird, welches der Betrachter von ihm aus gesehen hinter der Verbundscheibe wahrnimmt. Um das Anzeigebild wahrzunehmen, muss sich der Betrachter (genauer gesagt: seine Augen) dabei in der sogenannten Eyebox befinden. Häufig kann die Abstrahlrichtung der bildgebenden Einheit in gewissen Grenzen eingestellt werden, insbesondere vertikal, um die Projektion an die Körpergröße des Betrachters anzupassen. Bei Projektoren erfolgt dies typischerweise durch Spiegel innerhalb des Projektors. Bei Bildschirmen kann der Anstellwinkel veränderbar sein. Der Bereich, in dem sich die Augen des Betrachters bei einer gegebenen Einstellung des Abstrahlwinkels befinden müssen, wird als Eyeboxfenster bezeichnet. Dieses Eyeboxfenster kann durch Verstellung des Abstrahlwinkels vertikal verschoben werden, wobei der gesamte dadurch zugängliche Bereich (das heißt die Überlagerung aller möglichen Eyeboxfenster) als Eyebox bezeichnet wird. Ein innerhalb der Eyebox befindlicher Betrachter kann das virtuelle Bild wahrnehmen. Die hier verwendeten Fachbegriffe sind dem Fachmann aus dem Bereich der HLIDs allgemein bekannt. Für eine ausführliche Darstellung sei auf die Dissertation „Simulationsbasierte Messtechnik zur Prüfung von Head-Up Displays“ von Alexander Neumann am Institut für Informatik der Technischen Universität München (München: Universitätsbibliothek der TU München, 2012) verwiesen, insbesondere auf Kapitel 2 „Das Head-Up Display“.
Die bildgebende Einheit bestrahlt den Anzeigebereich beim Betrieb der erfindungsgemäßen Anordnung zur Erzeugung des Anzeigebildes. Die Strahlung der bildgebenden Einheit liegt im sichtbaren Spektral be re ich des elektromagnetischen Spektrums, insbesondere im Spektralbereich von 450 nm bis 650 nm - typische bildgebende Einheiten arbeiten mit den Wellenlängen 473 nm, 550 nm und 630 nm oder mit den Wellenlänge 460 nm, 520 nm und 630 nm (RGB).
Die erfindungsgemäße Anordnung zur Erzeugung einer optischen Anzeige wird hergestellt, indem die Verbundscheibe bereitgestellt wird, insbesondere an ihrem vorgesehenen Einsatzort installiert wird, und die bildgebende Einheit auf den Anzeigebereich gerichtet wird.
Die Verbundscheibe kann hergestellt werden durch an sich bekannte Verfahren. Die Glasscheiben werden über die thermoplastische Zwischenschicht miteinander laminiert. Dazu wird bevorzugt ein Schichtstapel erzeugt, indem die folgenden Schichten in der angegebenen Reihenfolge flächig und kongruent aufeinander angeordnet werden:
- die erste Glasscheibe
- eine erste thermoplastische Folie,
- das holographische Element, bevorzugt rahmenartig umgeben von einer weiteren thermoplastischen Folie,
- eine zweite thermoplastische Folie,
- die zweite Glasscheibe. Die Lamination der Verbundschiebe erfolgt beispielsweise durch Autoklavverfahren, Vakuumsackverfahren, Vakuumringverfahren, Kalanderverfahren, Vakuumlaminatoren oder Kombinationen davon. Die Verbindung der Glasscheibe über die Zwischenschicht erfolgt dabei üblicherweise unter Einwirkung von Hitze, Vakuum und/oder Druck.
Das Belichten der Photopolymer-Schicht mit dem Hologramm kann vor oder nach dem Anordnen der Photopolymer-Schicht zwischen den Glas- oder SiO2-Schichten erfolgen.
Das holographische Element kann hergestellt werden, indem die erste Glasschicht mit der Photopolymer-Schicht versehen wird und die Photopolymer-Schicht anschließend mit der zweiten Glasschicht verbunden wird. Zum Aufbringen der Photopolymer-Schicht auf der ersten Glasschicht können an sich bekannte Verfahren verwendet, beispielsweise Flutbeschichtung, Vorhangbeschichtung (curtain coating), Schleuderbeschichtung (spin coating), Aufpinseln oder Aufrollen. Bei den genannten Methoden wird das Polymer in flüssiger beziehungsweise fließfähiger Form aufgebracht, bevor es belichtet und fixiert wird.
Es ist auch möglich, die Photopolymer-Schicht auf einer Trägerfolie zu belichten und zu fixieren und sie anschließend auf die erste Glasschicht zu übertragen.
Ist die erste Glasschicht hinreichend dünn und auf einer Rolle bereitgestellt, so kann die Photopolymer auf einer Trägerfolie bereitgestellt werden, ebenfalls auf einer Rolle. Die Photopolymerschicht kann dann über einen Rolle-zu-Rolle-Prozess von der Trägerfolie auf die erste Glasschicht übertragen werden. Dies kann vor oder nach der Belichtung mit dem Hologramm erfolgen.
SiO2-Schichten können auf der Photopolymer-Schicht abgeschieden werden, beispielsweise durch chemische oder physikalische Gasphasenabscheidung, bevorzugt durch Kathodenzerstäubung (Sputtern), besonders bevorzugt durch magnetfeldunterstützte Kathodenzerstäubung (Magnetron-Spuutern).
Die Erfindung umfasst auch die Verwendung der erfindungsgemäßen Anordnung zur Erzeugung einer optischen Anzeige in Fahrzeugen oder Gebäuden, als Einrichtungsgegenstand oder als Bildschirm. Bei der Verwendung in Fahrzeugen ist die Verbundscheibe eine Fahrzeugscheibe (Fensterscheibe des Fahrzeugs), insbesondere die Windschutzscheibe, Seitenscheibe oder Heckscheibe. Besonders bevorzugt ist die Verbundscheibe die Windschutzscheibe. Die Anordnung bildet dann ein sogenanntes Head-Up-Display (HUD), wobei dem Fahrer Informationen in sein Blickfeld projiziert werden können, welche er erkennen kann, ohne den Blick vom Verkehrsgeschehen wenden zu müssen. Die Anordnung kann in beliebigen Fahrzeugen zu Land, zu Wasser oder in der Luft eingesetzt werden, bevorzugt in einem Kraftfahrzeug, Schienenfahrzeug, Flugzeug oder Schiff, insbesondere in einem Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen.
Bei der Verwendung in Gebäuden ist die Verbundscheibe bevorzugt eine Gebäudeverglasung oder die Verglasung eines Raums des Gebäudes, beispielsweise eine Fensterscheibe, Türscheibe oder Teil einer Glasfassade.
Die Erfindung umfasst außerdem die Verwendung einer erfindungsgemäß ausgebildeten Verbundscheibe als Projektionsfläche eines Anzeigesystems, wobei eine bildgebende Einheit auf den Anzeigebereich gerichtet ist. Die Verbundscheibe ist dabei bevorzugt eine Fensterscheibe eines Fahrzeugs, eine Gebäudeverglasung oder Verglasung eines Raums, ein Einrichtungsgegenstand oder ein Bildschirm.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer Zeichnung und Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die Zeichnung ist eine schematische Darstellung und nicht maßstabsgetreu. Die Zeichnung schränkt die Erfindung in keiner Weise ein.
Es zeigen:
Fig. 1 eine Draufsicht auf eine Verbundscheibe einer gattungsgemäßen Anordnung zur Erzeugung einer optischen Anzeige,
Fig. 2 einen Querschnitt durch die Anordnung aus Figur 1 ,
Fig. 3 einen Querschnitt durch die Verbundscheibe einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Erzeugung einer optischen Anzeige,
Fig. 4 einen Querschnitt durch das holographische Element aus Figur 3.
Figur 1 und Figur 2 zeigen je ein Detail einer Ausgestaltung einer gattungsgemäßen Anordnung zur Erzeugung einer optischen Anzeige. Die Anordnung bildet ein Head-Up- Display (HUD) eines Personenkraftwagens. Die Anordnung umfasst eine Verbundscheibe 10, welche die Windschutzschiebe des Personenkraftwagens ist, und eine bildgebende Einheit 4.
Die Verbundscheibe 10 ist aufgebaut aus einer ersten Glasscheibe 1 und einer zweiten Glasscheibe 2, die über eine thermoplastische Zwischenschicht 3 miteinander verbunden sind. Die erste Glasscheibe 1 bildet die Außenscheibe der Verbundschiebe, welche der äußeren Umgebung zugewandt ist. Die zweite Glasscheibe 2 bildet die Innenscheibe, welche dem Fahrzeuginnenraum zugewandt ist. Beide Glasscheiben 1 , 2 sind aus Kalk-Natron-Glas ausgebildet. Die erste Glasscheibe 1 weist eine Dicke von 2,1 mm auf, die zweite Glasscheibe 2 eine Dicke von 1 ,6 mm. Die Zwischenschicht 3 ist PVB ausgebildet.
Die erste Glasscheibe 1 (Außenscheibe) weist eine außenseitige Oberfläche I auf, die der äußeren Umgebung zugewandt ist, und eine innenraumseitige Oberfläche II, die dem Fahrzeuginnenraum zugewandt ist. Ebenso weist die zweite Glasscheibe 2 (Innenscheibe) eine außenseitige Oberfläche III auf, die der äußeren Umgebung zugewandt ist, und eine innenraumseitige Oberfläche IV, die dem Fahrzeuginnenraum zugewandt ist.
Die Verbundscheibe 10 weist eine Unterkante U auf, die nach unten in Richtung des Motors des Personenkraftwagens weist, und eine Oberkante O, die nach oben in Richtung des Dachs weist. Die Verbundscheibe 10 ist der Einfachheit halber plan dargestellt, obwohl reale Windschutzscheiben typischerweise eine sphärische Biegung aufweisen. Die Verbundscheibe 10 weist einen opaken Maskierungsbereich M auf, der in einem umlaufendenden Randbereich angeordnet ist und einen transparenten Durchsichtsbereich D rahmenartig umgibt. Solche Maskierungsbereiche M sind bei Windschutzscheiben üblich - sie dienen primär dem Schutz des Klebstoffs, der zum Verkleben der Verbundscheibe 10 mit der Fahrzeugkarosserie verwendet wird, vor UV-Strahlung.
Die bildgebende Einheit 4 ist ein HUD-Projektor. Sie ist einen Anzeigebereich A der Verbundscheibe 10 gerichtet, welcher im Durchsichtsbereich D angeordnet ist. Im Anzeigebereich A können durch die bildgebende Einheit 4 Anzeigebilder erzeugt werden, welche von einem Betrachter 5 (Fahrzeugfahrer) als virtuelle Bilder auf der von ihm abgewandten Seite der Verbundscheibe 10 wahrgenommen werden, wenn sich seine Augen innerhalb der sogenannten Eyebox E befinden. Dadurch können dem Betrachter 5 insbesondere Statusinformationen (beispielsweise die Fahrgeschwindigkeit), Navigationshinweise (beispielsweise Geschwindigkeitsbegrenzungen oder Richtungsangaben) oder Warnsymbole angezeigt werden, ohne dass er seinen Blick von der Fahrbahn wenden muss.
Die bildgebende Einheit 4 bestrahlt den Anzeigebereich A mit einem Einfallswinkel a, welcher zur innenraumseitigen Flächennormalen der zweiten Glasscheibe 2 (Innenscheibe) gemessen wird. Der Einfallswinkel a beträgt beispielsweise 65°, was vergleichsweise nahe am Brewsterwinkel (etwa 57° bei einem Übergang Luft - Kalk-Natron-Glas) liegt. Die Strahlung der bildgebenden Einheit 4 ist p-polarisiert - sie wird daher kaum an den Glasoberflächen reflektiert.
Um das Anzeigebild zu erzeugen, ist die Verbundscheibe 10 mit einem Mittel ausgestattet, welches geeignet ist, die Strahlung der bildgebenden Einheit 4 in Richtung der Eyebox E zurückzuwerfen. Bei gattungsgemäßen Anzeigeanordnungen ist dieses Mittel ein holographisches Element, dass im Anzeigebereich A in der Zwischenschicht 3 eingelagert ist.
Figur 3 zeigt einen Querschnitt durch eine Verbundscheibe 10 einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Anordnung zur Erzeugung einer optischen Anzeige. Die innenraumseitige Oberfläche II der ersten Glasscheibe 1 (Außenscheibe) weist im Randbereich einen schwarzen Abdeckdruck 6 auf, welcher den Maskierungsbereich M ausbildet. Die Zwischenschicht 3 umfasst angrenzend an die erste Glasscheibe 1 (Außenscheibe) eine erste thermoplastische Schicht 3a und angrenzend an die zweite Glasscheibe 2 (Innenscheibe) eine zweite thermoplastische Schicht 3b. Die erste thermoplastische Schicht 3a und die zweite thermoplastische Schicht 3b sind jeweils aus einer PVB-Folie mit einer Dicke von 0,76 mm ausgebildet.
Zwischen der ersten thermoplastischen Schicht 3a und der zweiten thermoplastischen Schicht 3b ist eine dritte thermoplastische Schicht angeordnet, welche im Sinne der Erfindung als Kapselschicht 3c bezeichnet wird. Sie ist aus einer PVB-Folie mit einer Dicke von 0,38 mm ausgebildet. Die Kapselschicht 3c weist einen Ausschnitt auf, in welchen ein holographisches Element 20 eingesetzt ist. Das holographische Element 20 wird rahmenartig von der Kapselschicht 3c umgeben. Das holographische Element 20 deckt den Anzeigebereich A vollständig ab.
Das holographische Element 20 ist dafür vorgesehen, die Strahlung der bildgebenden Einheit 4 zur Erzeugung des Anzeigebildes in Richtung der Eyebox E zurückzuwerfen. Dazu ist ein Hologramm im holographischen Element 20 ausgebildet, welche lichtbeugende Eigenschaften gegenüber der Strahlung der bildgebenden Einheit 4 aufweist. Die Strahlung wird durch das Hologramm derart gebeugt, dass sie in Richtung der Eyebox E gestrahlt wird.
Das Hologramm ist gleichsam ein komplexes Beugungsgitter, welches auf die Wellenlängen (RGB) und den Einfallswinkel a der Strahlung der bildgebenden Einheit 4 optimiert ist. Auf Strahlung anderer Wellenlängen und Strahlung, die mit einem anderen Einfallswinkel einfällt, hat das Hologramm keine (oder eine signifikant geringere) lichtbeugende Wirkung. Das Hologramm wirkt also sehr selektiv auf die Strahlung der bildgebenden Einheit 4, so dass beispielsweise störende Reflexionseffekte vermieden werden können.
Figur 4 zeigt einen Querschnitt durch das holographische Element 20 aus Figur 3. Es umfasst eine Photopolymer-Schicht 21 zwischen einer ersten Glasschicht 22 und einer zweiten Glasschicht 23. Die Glasschichten 22, 23 sind aus Aluminosilikatglas gebildet und weisen eine Dicke von jeweils 100 pm auf. Die Glasschichten 22, 23 sind chemisch vorgespannt. Die Photopolymer-Schicht 21 weist beispielsweise eine Dicke von 15 pm auf und besteht aus einem Photopolymer, in welchem das lichtbeugende Hologramm ausgebildet ist. Das komplexe Beugungsgitter ist insbesondere durch Brechungsindexmodulationen realisiert, welche bei der holographischen Belichtung des Photopolymers erzeugt worden sind.
Bei herkömmlichen Verbundscheiben gattungsgemäßer Anzeigeanordnungen ist die Photopolymer-Schicht 21 zwischen polymeren Trägerfolien angeordnet. Durch die Trägerfolien hindurch können Bestandteile der Zwischenschicht 3 in die Photopolymer- Schicht 21 hinein diffundieren. Dadurch wird das Hologramm beeinträchtigt und die selektiv eingestellten lichtbeugenden Eigenschaften nachteilhaft verändert.
Die Glasschichten 22, 23 wirken als Diffusionssperren gegenüber Bestandteilen der Zwischenschicht 3. Eine Degradation des Hologramms in der Photopolymer-Schicht 21 infolge von Diffusion kann dadurch verhindert werden. Außerdem verleihen die Glasschichten 22, 23 dem holographischen Element 20 eine vorteilhafte Starrheit. Das holographische Element 20 bildet keine Welligkeit aus, wie es bei polymeren Trägerfolien bei der Lamination der Verbundscheibe infolge von Schrumpfungsprozessen auftreten kann. Eine solche Welligkeit führt zu einem verzerrten, welligen Anzeigebild, was durch die Glasschichten 22, 23 vermieden wird. Das sind große Vorteile der vorliegenden Erfindung.
Das holographische Element 20 ist mit einer Randversiegelung 24 versehen, welche die Diffusion von Bestandteilen der Zwischenschicht 3 über die Seitenkante in die Photopolymer- Schicht 21 verhindern soll. Die Randversiegelung 24 wird beispielsweise durch eine Band aus einem geeigneten Kunststoff (z.B. Polyethylenterephthalat) gebildet, welches umlaufend an der Seitenkante des holographischen Elements 20 angebracht ist und insbesondere die Seitenkante der Photopolymer-Schicht 21 von der angrenzenden Kapselschicht 3c abtrennt.
Anstatt der Glasschichten 22, 23 können aus der Gasphase aufgebrachte, insbesondere aufgesputterte SiO2-Schichten eingesetzt werden.
Bezugszeichenliste:
(10) Verbundscheibe
(1) erste Glasscheibe
(2) zweite Glasscheibe
(3) thermoplastische Zwischenschicht
(3a) erste thermoplastische Schicht
(3b) zweite thermoplastische Schicht
(3c) thermoplastische Kapselschicht
(4) bildgebende Einheit
(5) Betrachter
(6) Abdeckdruck
(20) holographisches Element
(21) Photopolymer-Schicht des holographischen Elements 20
(22) erste Glasschicht des holographischen Elements 20
(23) zweite Glasschicht des holographischen Elements 20
(24) Randversiegelung des holographischen Elements 20
(O) Oberkante der Verbundscheibe 10
(U) Unterkante der Verbundscheibe 10
(D) Durchsichtsbereich der Verbundscheibe 10
(M) Maskierungsbereich der Verbundscheibe 10
(A) Anzeigebereich der Verbundscheibe 10
(E) Eyebox
(a) Einfallswinkel
(I) außenseitige Oberfläche der erste Glasscheibe 1 (als Außenscheibe)
(11) innenraumseitige Oberfläche der erste Glasscheibe 1 (als Außenscheibe)
(III) außenseitige Oberfläche der zweiten Glasscheibe 2 (als Innenscheibe)
(IV) innenraumseitige Oberfläche der zweiten Glasscheibe 2 (als Innenscheibe)
X -X‘ Schnittlinie

Claims

Patentansprüche
1. Anordnung zur Erzeugung einer optischen Anzeige, umfassend
- eine Verbundscheibe (10), umfassend eine erste Glasscheibe (1) und eine zweite Glasscheibe (2), die über eine thermoplastische Zwischenschicht (3) miteinander verbunden sind, mit einem Anzeigebereich (A) und
- eine bildgebende Einheit (4), welche auf den Anzeigebereich (A) gerichtet ist, wobei die Verbundscheibe (10) zumindest im Anzeigebereich (A) mit einem holographischen Element (20) ausgestattet ist, welches in der Zwischenschicht (3) eingelagert ist und geeignet ist, die Strahlung der bildgebenden Einheit (4) zur Erzeugung eines Anzeigebildes zu beugen, und welches eine Photopolymer-Schicht (21) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das holographische Element (20) in der angegebenen Reihenfolge umfasst:
- eine erste Glasschicht (22) oder SiO2-Schicht,
- die Photopolymer-Schicht (21),
- eine zweite Glasschicht (23) oder SiO2-Schicht.
2. Anordnung nach Anspruch 1 , wobei die erste Glasschicht (22) oder SiO2-Schicht und die zweite Glasschicht (23) oder SiO2-Schicht eine Dicke von höchstens 800 pm aufweisen, bevorzugt höchstens 550 pm, besonders bevorzugt höchstens 330 pm.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die erste Glasschicht (22) oder SiO2-Schicht und die zweite Glasschicht (23) oder SiO2-Schicht eine Dicke von mindestens 10 nm aufweisen, bevorzugt mindestens 50 pm.
4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das holographische Element (20) eine erste Glasschicht (22) und eine zweite Glasschicht (23) umfasst und wobei die erste Glasschicht (22) und die zweite Glasschicht (23) aus Aluminosilikatglas oder Borosilikatglas gebildet sind, bevorzugt aus Aluminosilikatglas.
5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das holographische Element (20) eine erste Glasschicht (22) und eine zweite Glasschicht (23) umfasst und wobei die erste Glasschicht (22) und die zweite Glasschicht (23) chemisch vorgespannt sind.
6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das holographische Element (20) eine erste SiC>2-Schicht und eine zweite SiC>2-Schicht umfasst, welche aus der Gasphase aufgebracht sind und eine Dicke von bevorzugt von 10 nm bis 1 pm aufweisen.
7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Photopolymer-Schicht (21) eine Dicke von 5 pm bis 50 pm aufweist, bevorzugt von 7 pm bis 30 pm, besonders bevorzugt von 10 pm bis 20 pm.
8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Anzeigebereich (A) in einem transparenten Durchsichtsbereich (D) der Verbundscheibe (10) angeordnet ist.
9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die bildgebende Einheit (4) den Anzeigebereich (A) mit p-polarisierter Strahlung bestrahlt.
10. Anordnung nach Anspruch 9, wobei die bildgebende Einheit (4) den einen Anzeigebereich (A) mit einem Einfallswinkel (a) bestrahlt, welcher um höchstens 15° vom Brewsterwinkel abweicht.
11. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das holographische Element (20) eine Randversiegelung (24) aufweist.
12. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , wobei das holographische Element (20) über mindestens eine erste thermoplastische Schicht (3a) mit der ersten Glasscheibe (1) und über mindestens eine zweite thermoplastische Schicht (3b) mit der zweiten Glasscheibe (2) verbunden ist.
13. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei das holographische Element (20) umlaufend von einer thermoplastischen Kapselschicht (3c) umgeben ist.
14. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die bildgebende Einheit (4) ein Projektor oder ein Bildschirm ist.
15. Verwendung einer Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 14 in Fahrzeugen oder Gebäuden, als Einrichtungsgegenstand oder als Bildschirm, bevorzugt als Head-Up- Display (HDU) eines Kraftfahrzeugs.
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