WO2019238876A1 - Device for producing a hologram - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to an apparatus and a method for producing a hologram.
- the holography Waveguide Technology ie the use of optical fibers that have holograms, is based on holograms, which are embedded in a birefringent liquid crystal layer, hereinafter also referred to as LC layer.
- This LC layer can be switched electrically.
- a typical application for this is the extensive switching on and off of the LC layer in order to synchronize the coupling in color when using several optical fibers arranged one above the other in accordance with a sequentially operating light source. Head-up displays with holography waveguide technology are explained in more detail at the end of the description below.
- An inventive device for producing a hologram has an optical writing unit and an electrical one
- optical writing unit wherein the optical writing unit and the electrical writing unit are arranged in relation to one another such that an electrical field is present during the writing process adjacent to an area illuminated by the optical writing unit and / or in an area illuminated by the optical writing unit.
- an optical writing unit with an electrical writing unit enables, in particular, a locally limited, high-resolution influencing of the thermal properties or also the basic orientation of the liquid crystals during the writing process. In this way, particularly good control over the diffraction efficiency of the holograms generated is achieved.
- the electrical writing unit preferably has at least two electrodes which are arranged on opposite sides of the holographic material during the writing process of the hologram and which are subjected to different electrical potentials.
- the optical writing unit comprises a laser, which is directed line by line onto a writing area of the holographic material during the writing process of the hologram.
- the electrical screaming unit has two electrodes arranged in pairs on opposite sides of the holographic material in front of and behind this writing area.
- an alternating voltage can be present between electrodes arranged on opposite sides of the holographic material.
- a direct voltage can also be present between electrodes arranged on opposite sides of the holographic material.
- a structured electrode This has, for example, a grid of points.
- the electrical writing unit preferably has a transparent electrode.
- a method according to the invention for producing a hologram uses a device according to the invention.
- one is generated by an electrical writing unit
- the holographic material is thermally activated, and / or by means of a static electrical field generated by the electrical writing unit in the holographic material, an electrical pre-orientation takes place.
- a hologram according to the invention is produced by means of a device according to the invention or a method according to the invention.
- a head-up display according to the invention has at least one optical waveguide with a hologram according to the invention.
- Fig. 1 shows schematically the replication of a master ter hologram using amaschinepro process
- Fig. 2 shows an enlarged section of the replicated
- Fig. 3 shows schematically an optical waveguide
- Fig. 4 shows schematically the deflection and enlargement of
- FIG. 5 shows schematically for the optical waveguide from FIG.
- FIG. 6 schematically shows an optical waveguide with heating elements arranged thereon for generating an increasing temperature profile and a resulting course of temperature, diffraction efficiency and output intensity;
- Fig. 7 shows schematically a first arrangement for applying an electric field during the generation of the holographic lattice structure in the optical waveguide
- Fig. 8 schematically shows a second arrangement for applying an electric field during the generation of the holographic lattice structure in the optical waveguide
- FIG. 10 shows a head-up display with optical fibers in a motor vehicle.
- a master hologram is first produced, on the basis of which the required number of copies is then generated by a replication process.
- the master hologram is typically manufactured using a classic two-beam holographic recording system that includes an object beam and a reference beam.
- the replication can then take place by copying the master hologram into another holographic recording material using a contact process.
- FIG. 1 This is shown schematically in FIG. 1 for the volume holograms considered here, which are present in a thin hologram layer 56.
- the recording is carried out by the photopolymerization of a mixture of suitable monomers with a liquid crystal material.
- the mixture is introduced into a cell, which is formed, for example, by parallel glass plates or plastic substrates 54, 55.
- An interference pattern is then generated in the cell by superimposing two laser beams L, L '.
- this master hologram can be illuminated by a single laser beam and the copying process can then be based on an interference of the first-order beams generated by a lattice structure of the master hologram M and the undeflected zeroth-order beams ,
- the monomers polymerize faster than in the dark areas of the interference pattern.
- monomers which have not yet polymerized then diffuse from the dark areas into the light areas and form further polymers there and at the same time liquid crystals LC diffuse into the dark areas and form microdroplets D, so-called
- LC droplets as shown schematically in Figure 2. This results in phase separation in the form of regions which have a large number of such LC droplets D and are separated from regions in which there are essentially polymers. These alternating regions then form a lattice structure in the form of a modulated refractive index profile in the hologram layer 56, which is based on the different refractive indices the polymers on the one hand and the liquid crystals on the other. Incident light L ′′ can then be diffracted at the grating structure.
- Transparent electrodes E1 and E2 for example made of indium tin oxide, can be provided on the glass plates or substrates of the cell in order to be able to apply an electrical field above the hologram layer 56 during operation of the hologram and thus to influence the diffraction behavior.
- the orientation of the liquid crystals LC of the LC droplets D changes due to the electric field, as a result of which the refractive index modulation of the lattice structure is changed.
- the refractive index modulation can be reduced in this way and, with a suitable choice of materials and the electric field, can even disappear completely by an index adaptation between liquid crystals and polymers, and then have the consequence that the incident light is no longer deflected.
- the deflection by the lattice structure can also be modulated, with short switching times being achieved.
- the coupling in or out of light can also be controlled by means of the electrical field.
- the incident light is guided through the optical waveguide by total reflection at the boundary layers to the surroundings.
- the light can then be decoupled by the switchable grating of the hologram layer diffracting the light in such a way that the light strikes the boundary layer at an angle that is smaller than the critical angle, so that total reflection no longer takes place.
- optical waveguide 5 has a coupling hologram or coupling grating 53, a folding hologram or
- the representation of the optical waveguide 5 does not show the separate substrates with the hologram layer in between. In the lower left area of the
- Optical waveguide 5 is a coupling hologram 53, by means of which light LI coming from an imaging unit (not shown) enters the optical waveguide 5
- a folding hologram 51 which acts similarly to many partially transparent mirrors arranged one behind the other, and generates a light beam that is widened in the Y direction and propagates in the X direction. This is indicated by three arrows L3.
- a large-area coupling-out hologram 52 which likewise acts like many partially transparent mirrors arranged one behind the other and, indicated by arrows L4, light in
- Do the folding hologram 51 or the coupling-out hologram 52 have a spatially constant diffraction efficiency which, according to the above image, corresponds to a plurality of partially transparent mirrors arranged one behind the other, each with the same reflection or If the degree of transmittance corresponded, the generated light beams would have spatially different intensities. This is indicated schematically in FIG. 5. The reason for this is that after the first partial reflection of the light that originally entered the respective hologram with maximum intensity, only the non-reflected portion of the light with a lower intensity is still present. The same percentage is then deflected by the latter in the second partial reflection, so that the light advancing in the light guide again has a lower intensity. In this way, the intensity of the light in the light guide continues to decrease with increasing diffraction efficiency with increasing spread in the optical waveguide and thus also leads to a corresponding decrease in the intensity of the outcoupled light.
- the intensity IL3 of the light propagating in the X-direction in the optical waveguide and thus also the intensity IL4 of the light coupled out of the optical waveguide in X- Decrease direction exponentially.
- a uniform illumination of the so-called eyebox is desirable. This can be done by spatially adapting the diffraction efficiency of the hologram used in each case during the duplication process for producing the replicated holograms.
- the quality of the generated lattice structure and thus the diffraction efficiency of the hologram depends on various parameters during the exposure phase. Making the lattice structure as precise as possible requires that the rates for photopolymerization, the diffusion processes and the nucleation of the LC droplets are in the correct relationship to one another. The formation of an error-free lattice can be ensured here if the diffusion time for liquid crystals between adjacent strips of the lattice structure is significantly less than the time for the nucleation of the LC droplets and this in turn occurs significantly faster than the polymerization.
- the polymerization rate can be influenced in particular by the intensity of the laser beam used for exposure and increases with increasing intensity.
- the diffraction efficiency of the hologram is dependent on the diffusion time, which in turn is influenced by the viscosity, which indicates the viscosity of the liquid mixture. If suitable temperature values are selected, then a viscosity with a diffusion time or diffusion rate of the liquid crystals and monomers required for a perfect lattice structure can be present. If, on the other hand, temperatures that are too low are selected, for example, the monomer / liquid crystal mixture has a high viscosity, which results in a long diffusion time or low diffusion rates of the liquid crystals and monomers. This can lead to the fact that a part of the liquid crystal molecules cannot diffuse into the dark areas of the interference pattern during the exposure, since the solidification of the mixture by the polymerization already sets in beforehand. The same applies to the diffusion of the monomers. As a result, only an incomplete phase separation is achieved, which can result in an inadequate grating structure and thus a lower diffraction efficiency.
- this temperature dependency can be used, for example, to reduce the degree of coupling out or to vary it spatially in the exposure for reproducing a coupling out hologram, by influencing or changing the temperature of the monomer / liquid crystal mixture during the exposure.
- resistance or ceramic heating plates HP can be provided during the writing process, which are in contact with the optical waveguide and can be controlled separately. In this way, a thermal profile can be applied to the optical waveguide during the manufacturing process, for example in order to generate increasing temperature values in the X and possibly also in the Y direction. This is sufficient to spatially influence the phase separation and to create a gradient for the diffraction efficiency. With a suitable choice of the temperature values, an increase in the diffraction efficiency BE in the X direction can then be achieved in the example shown, which enables a constant intensity IL4 of the light coupled out of the optical waveguide.
- the use of resistance or ceramic heating plates HP only allows rough temperature profiles and no exact spatial control.
- an electrical writing unit in addition to an optical writing unit, in which electrodes are provided above and below the optical waveguide, by means of which electrical fields can be generated in the region of the hologram layer. If an AC voltage is applied between the electrodes, an electrical current flows in an alternating direction, similar to a capacitor. This leads to an electrical power loss and thus local heating of the optical waveguide.
- FIGS. 7 and 8 show a device according to the invention with such an electrical writing unit in different operating states.
- two half-bar-shaped electrodes ELI and EL3 are arranged above the optical waveguide and two half-bar-shaped electrodes EL2 and EL4 below the optical waveguide.
- the electrodes ELI to EL4 are at electrical potentials U1 to U4, so that there is a voltage between them at different values of the electrical potentials.
- the hologram is written with a laser 42 of an optical writing unit, which is, for example, visible or emits ultraviolet light and falls on the hologram layer at an angle.
- the hologram is written line by line by moving the laser beam 42 for exposure of a line through a suitable deflection device in the Y direction between the electrodes. Depending on the illuminance required to photopolimerize the holographic material in the hologram layer 56 and the power of the laser, this can take place in a fraction of a second.
- the arrangement and the optical waveguide are then shifted relative to one another by one line in the X direction before the next line is then exposed.
- a voltage in particular an alternating voltage, is applied across the electrodes in front of and behind the writing area, so that the liquid crystal material in the optical waveguide 5 is thermally activated in front of and behind the writing area.
- Various temperature profiles can be generated with the device according to the invention, including the thermal profile shown in FIG. 6.
- the diffraction efficiency can be varied locally, for example by providing two directly adjacent grating lines with a high diffraction efficiency and the adjacent one with a low diffraction efficiency.
- oblique fields are also possible by applying the electrodes accordingly. These also enable localized, short thermal heating via an alternating field. Furthermore, a static potential can directly influence the writing area in the form of an electrical pre-orientation of the
- Writing laser 42 enables alignment of the liquid Burning in crystal droplets that would otherwise only be possible by modulating the laser light.
- the shape, spacing and number of electrodes are not limited to the embodiments shown in FIGS. 7 and 8. For example, only one pair of electrodes can be provided in front of the writing area. Provision can also be made to provide only one instead of two electrodes on the side opposite the writing laser 42.
- transparent electrodes can also be provided, which then, if necessary, also enable optical writing by means of these electrodes.
- the electrodes can thus be designed as transparent glass plates with a conductive coating, for example made of indium tin oxide. If these electrodes are also structured, local pixel-like influencing of the liquid crystal material during writing is also possible, which is only limited by the diffractive properties of the structuring of the transparent electrodes and any active components, such as transistors, located on the glass.
- Three light waveguides can be arranged one above the other for each elementary color red, green and blue.
- Figure 9 shows such an arrangement in a spatial representation.
- the holograms 51, 52, 53 present in the optical fibers 5 are wavelength-dependent, so that one optical fiber 5R, 5G, 5B is used for each of the elementary colors.
- An image generator 1 and an optical unit 2 are shown above the optical waveguide 5. Both together are often referred to as an imaging unit or PGU.
- the optical unit 2 has a mirror 20, by means of which the light generated by the image generator 1 and shaped by the optical unit 2 is deflected in the direction of the respective coupling hologram 53.
- the light generated by the imaging unit is coupled into the optical waveguide 5 in the coupling region 53, in which the respective coupling holograms 53 are located.
- the image generator 1 has three light sources 14R, 14G, 14B for the three elementary colors. It can be seen that the entire unit shown has a low overall height compared to its light-emitting surface.
- FIG. 10 shows a head-up display in a motor vehicle in a spatial representation and with an optical waveguide 5.
- image generator 1 which generates a parallel beam SB1 which is coupled into the optical waveguide 5 by means of the mirror plane 523.
- the optical waveguide 5 is shown here in a greatly simplified manner for the sake of clarity, and the optical unit is also not shown for the sake of simplicity.
- a plurality of mirror planes 522 each reflect part of the light impinging on them in the direction of the windshield 31. The light is reflected by the latter in the direction of the eye 61. The viewer sees a virtual image VB above the bonnet or even further away from the motor vehicle.
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Abstract
Description
Beschreibung description
Gerät zum Herstellen eines Hologramms Device for making a hologram
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gerät und ein Verfahren zum Herstellen eines Hologramms. The present invention relates to an apparatus and a method for producing a hologram.
Die Holographie Waveguide Technology, also das Verwenden von Lichtwellenleitern die Hologramme aufweisen, basiert auf Ho logrammen, welche in einer doppelbrechenden Flüssigkristall schicht, im Folgenden auch als LC-Schicht bezeichnet, einge bettet sind. Diese LC-Schicht ist elektrisch schaltbar. Eine typische Anwendung dafür ist das flächige Ein- und Ausschalten der LC-Schicht um bei der Verwendung von mehreren übereinander angeordneten Lichtwellenleitern das Einkoppeln entsprechend einer sequentiell arbeitenden Lichtquelle farbig zu synchro nisieren. Head-Up-Displays mit Holographie Waveguide Techno logie werden am Ende der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert . The holography Waveguide Technology, ie the use of optical fibers that have holograms, is based on holograms, which are embedded in a birefringent liquid crystal layer, hereinafter also referred to as LC layer. This LC layer can be switched electrically. A typical application for this is the extensive switching on and off of the LC layer in order to synchronize the coupling in color when using several optical fibers arranged one above the other in accordance with a sequentially operating light source. Head-up displays with holography waveguide technology are explained in more detail at the end of the description below.
Für solche, ein Hologramm aufweisende Lichtwellenleiter können räumlich unterschiedliche Werte für die Beugungseffizienz bzw. Beugungsgüte des Hologramms gewünscht sein. Während der Her stellung solcher Lichtwellenleiter ist es daher erforderlich, die Beugungseffizienz des Hologramms lokal aktiv zu beein flussen . For such optical waveguides having a hologram, spatially different values for the diffraction efficiency or diffraction quality of the hologram may be desired. During the manufacture of such optical fibers, it is therefore necessary to actively influence the diffraction efficiency of the hologram locally.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Gerät und ein verbessertes Verfahren für die Herstellung eines solchen Lichtwellenleiters bereitzustellen. It is an object of the present invention to provide an improved device and an improved method for producing such an optical waveguide.
Diese Aufgabe wird durch ein Gerät mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Ein erfindungsgemäßes Gerät zum Herstellen eines Hologramms weist eine optische Schreibeinheit und eine elektrische This object is achieved by a device having the features of claim 1 and by a method having the features of claim 8. Preferred embodiments of the invention are the subject of the dependent claims. An inventive device for producing a hologram has an optical writing unit and an electrical one
Schreibeinheit auf, wobei die optische Schreibeinheit und die elektrische Schreibeinheit so zueinander angeordnet sind, dass während des Schreibvorgangs angrenzend an einen durch die optische Schreibeinheit beleuchteten Bereich und/oder in einem durch die optische Schreibeinheit beleuchteten Bereich ein elektrisches Feld vorliegt. Writing unit, wherein the optical writing unit and the electrical writing unit are arranged in relation to one another such that an electrical field is present during the writing process adjacent to an area illuminated by the optical writing unit and / or in an area illuminated by the optical writing unit.
Die erfindungsgemäße Kombination einer optischen Schreibeinheit mit einer elektrischen Schreibeinheit ermöglicht insbesondere eine lokal begrenzte, hochauflösende Beeinflussung der ther mischen Eigenschaften oder auch der Grundausrichtung der Flüssigkristalle beim Schreibvorgang. Auf diese Weise wird eine besonders gute Kontrolle über die Beugungseffizienz der er zeugten Hologramme erreicht. The combination of an optical writing unit with an electrical writing unit according to the invention enables, in particular, a locally limited, high-resolution influencing of the thermal properties or also the basic orientation of the liquid crystals during the writing process. In this way, particularly good control over the diffraction efficiency of the holograms generated is achieved.
Vorzugsweise weist die elektrische Schreibeinheit mindestens zwei Elektroden auf, die während des Schreibvorgangs des Ho logramms auf gegenüberliegenden Seiten des holographischen Materials angeordnet sind und mit unterschiedlichen elektrischen Potentialen beaufschlagt werden. The electrical writing unit preferably has at least two electrodes which are arranged on opposite sides of the holographic material during the writing process of the hologram and which are subjected to different electrical potentials.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst die optische Schreibeinheit einen Laser, der während des Schreibvorgangs des Hologramms zeilenweise auf einen Schreibbereich des hologra phischen Materials gerichtet wird. Die elektrische Schrei beinheit weist jeweils zwei paarweise auf gegenüberliegenden Seiten des holographischen Materials angeordnete Elektroden vor und hinter diesem Schreibbereich auf. According to an advantageous embodiment, the optical writing unit comprises a laser, which is directed line by line onto a writing area of the holographic material during the writing process of the hologram. The electrical screaming unit has two electrodes arranged in pairs on opposite sides of the holographic material in front of and behind this writing area.
Hierbei kann eine Wechselspannung zwischen auf gegenüberlie genden Seiten des holographischen Materials angeordneten Elektroden anliegen. Ebenso kann eine Gleichspannung zwischen auf gegenüberliegenden Seiten des holographischen Materials angeordneten Elektroden anliegen . Here, an alternating voltage can be present between electrodes arranged on opposite sides of the holographic material. A direct voltage can also be present between electrodes arranged on opposite sides of the holographic material.
Weiterhin kann die elektrische Schreibeinheit Furthermore, the electrical writing unit
Vorteilhafterweise eine strukturierte Elektrode aufweisen. Diese weist beispielsweise ein Punktraster auf. Advantageously have a structured electrode. This has, for example, a grid of points.
Vorzugsweise weist die elektrische Schreibeinheit eine transparente Elektrode auf. The electrical writing unit preferably has a transparent electrode.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Herstellen eines Hologramms verwendet ein erfindungsgemäßes Gerät. A method according to the invention for producing a hologram uses a device according to the invention.
Vorzugsweise wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren mittels eines durch die elektrische Schreibeinheit erzeugten Preferably, in the method according to the invention, one is generated by an electrical writing unit
elektrischen Wechselfeldes das holographische Material ther misch aktiviert, und/oder mittels eines durch die elektrische Schreibeinheit erzeugten statischen elektrischen Feldes in dem holographischen Material eine elektrische Vororientierung erfolgt . Electrical alternating field, the holographic material is thermally activated, and / or by means of a static electrical field generated by the electrical writing unit in the holographic material, an electrical pre-orientation takes place.
Ein Hologramm gemäß der Erfindung ist hergestellt mittels eines erfindungsgemäßen Geräts oder eines erfindungsgemäßen Ver fahrens . A hologram according to the invention is produced by means of a device according to the invention or a method according to the invention.
Ein Head-Up-Display gemäß der Erfindung weist mindestens einen Lichtwellenleiter mit einem erfindungsgemäßen Hologramm auf. A head-up display according to the invention has at least one optical waveguide with a hologram according to the invention.
Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung und den angehängten Ansprüchen in Verbindung mit den Figuren ersichtlich. Figurenübersicht : Further features of the present invention will become apparent from the following description and the appended claims in conjunction with the figures. Figure overview:
Fig. 1 zeigt schematisch die Replikation eines Mas ter-Hologramms unter Verwendung eines Kontaktpro zesses; Fig. 1 shows schematically the replication of a master ter hologram using a Kontaktpro process;
Fig. 2 zeigt vergrößert einen Ausschnitt des replizierten Fig. 2 shows an enlarged section of the replicated
Hologramms mit einer aus Flüssigkristalltröpfchen gebildeten Gitterstruktur; Hologram with a lattice structure formed from liquid crystal droplets;
Fig. 3 zeigt schematisch einen Lichtwellenleiter, der drei Fig. 3 shows schematically an optical waveguide, the three
Bereiche mit holografischen Gitterstrukturen auf weist; Areas with holographic lattice structures;
Fig. 4 zeigt schematisch die Umlenkung und Vergrößerung von Fig. 4 shows schematically the deflection and enlargement of
Licht durch den Lichtwellenleiter aus Fig. 3; Light through the optical fiber of Fig. 3;
Fig. 5 zeigt schematisch für den Lichtwellenleiter aus Fig. 5 shows schematically for the optical waveguide from FIG.
3 den räumlichen Verlauf der Ausgangsintensität bei konstanter Beugungseffizienz; 3 shows the spatial course of the initial intensity with constant diffraction efficiency;
Fig. 6 zeigt schematisch einen Lichtwellenleiter mit darauf angeordneten Wärmelementen zur Erzeugung eines an steigenden Temperaturprofils und einen sich mit diesen ergebenden Verlauf von Temperatur, Beugungseffizienz und Ausgangsintensität; FIG. 6 schematically shows an optical waveguide with heating elements arranged thereon for generating an increasing temperature profile and a resulting course of temperature, diffraction efficiency and output intensity;
Fig. 7 zeigt schematisch eine erste Anordnung zum Anlegen eines elektrischen Feldes während der Erzeugung der holografischen Gitterstruktur in dem Lichtwellen leiter; Fig . 8 zeigt schematisch eine zweite Anordnung zum Anlegen eines elektrischen Feldes während der Erzeugung der holografischen Gitterstruktur in dem Lichtwellen leiter; Fig. 7 shows schematically a first arrangement for applying an electric field during the generation of the holographic lattice structure in the optical waveguide; Fig. 8 schematically shows a second arrangement for applying an electric field during the generation of the holographic lattice structure in the optical waveguide;
Fig. 9 zeigt schematisch ein Head-Up-Display mit mehreren der beschriebenen Lichtwellenleiter; 9 schematically shows a head-up display with several of the optical fibers described;
Fig. 10 zeigt ein Head-Up-Display mit Lichtwellenleitern in einem Kraftfahrzeug. 10 shows a head-up display with optical fibers in a motor vehicle.
Figurenbeschreibung figure description
Zum besseren Verständnis der Prinzipien der vorliegenden Er findung werden nachfolgend Ausführungsformen der Erfindung anhand der Figuren detaillierter erläutert. Gleiche Bezugs zeichen werden in den Figuren für gleiche oder gleichwirkende Elemente verwendet und nicht notwendigerweise zu jeder Figur erneut beschrieben. Es versteht sich, dass sich die Erfindung nicht auf die dargestellten Ausführungsformen beschränkt und dass die beschriebenen Merkmale auch kombiniert oder modifiziert werden können, ohne den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen, wie er in den angehängten Ansprüchen definiert ist. For a better understanding of the principles of the present invention, embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to the figures. The same reference characters are used in the figures for the same or equivalent elements and are not necessarily described again for each figure. It is understood that the invention is not limited to the illustrated embodiments and that the described features can also be combined or modified without departing from the scope of the invention as defined in the appended claims.
Das erfindungsgemäße Herstellen bzw. Schreiben eines flüs sigkristallbasierten Hologramms baut auf bereits bekannten Herstellungsverfahren auf, die daher im Folgenden zunächst kurz erläutert werden. The inventive production or writing of a liquid crystal-based hologram is based on already known production processes, which are therefore briefly explained below.
Wird von einem Hologramm eine größere Menge an Exemplaren benötigt, so wird zunächst ein Master-Hologramm hergestellt, basierend auf dem dann durch einen Replikationsprozess die benötigte Anzahl an Kopien erzeugt wird. Das Master-Hologramm wird üblicherweise unter Verwendung eines klassischen holographischen Zwei-Strahl-AufZeichnungssystems hergestellt, das einen Objektstrahl und einen Referenzstrahl umfasst. Die Replikation kann dann erfolgen, indem das Mas ter-Hologramm unter Verwendung eines Kontaktprozesses in ein anderes holographisches Aufzeichnungsmaterial kopiert wird. If a larger amount of copies is required from a hologram, a master hologram is first produced, on the basis of which the required number of copies is then generated by a replication process. The master hologram is typically manufactured using a classic two-beam holographic recording system that includes an object beam and a reference beam. The replication can then take place by copying the master hologram into another holographic recording material using a contact process.
Dieses ist in Figur 1 für die hier betrachteten, in einer dünnen Hologrammschicht 56 vorliegenden Volumenhologramme schematisch dargestellt. Hierbei erfolgt die Aufzeichnung durch die Pho topolymerisation von einem Gemisch aus geeigneten Monomeren mit einem Flüssigkristallmaterial. Hierfür wird das Gemisch in eine Zelle eingebracht, die beispielsweise durch parallele Glas platten oder KunststoffSubstrate 54, 55 gebildet wird. In der Zelle wird dann durch Überlagerung zweier Laserstrahlen L, L' ein Interferenzmuster erzeugt. Hierbei kann im Falle eines als Transmissionshologramm ausgestalteten Master-Hologramms M dieses Master-Hologramm von einem einzelnen Laserstrahl be leuchtet werden und der Kopiervorgang dann auf einer Interferenz der von einer Gitterstruktur des Master-Hologramms M erzeugten Strahlen erster Ordnung und den ungebeugten Strahlen nullter Ordnung beruhen. This is shown schematically in FIG. 1 for the volume holograms considered here, which are present in a thin hologram layer 56. The recording is carried out by the photopolymerization of a mixture of suitable monomers with a liquid crystal material. For this purpose, the mixture is introduced into a cell, which is formed, for example, by parallel glass plates or plastic substrates 54, 55. An interference pattern is then generated in the cell by superimposing two laser beams L, L '. In this case, in the case of a master hologram M designed as a transmission hologram, this master hologram can be illuminated by a single laser beam and the copying process can then be based on an interference of the first-order beams generated by a lattice structure of the master hologram M and the undeflected zeroth-order beams ,
In den hellen Bereichen I des Interferenzmusters polymerisieren die Monomere schneller als in den dunklen Bereichen des In terferenzmusters. Während des Aufzeichnungsprozesses diffun dieren dann noch nicht polymerisieren Monomere aus den dunklen Bereichen in die hellen Bereiche und bilden dort weitere Polymere und gleichzeitig diffundieren Flüssigkristalle LC in die dunklen Bereiche und bilden dort Mikrotröpfchen D, sogenannte In the light areas I of the interference pattern, the monomers polymerize faster than in the dark areas of the interference pattern. During the recording process, monomers which have not yet polymerized then diffuse from the dark areas into the light areas and form further polymers there and at the same time liquid crystals LC diffuse into the dark areas and form microdroplets D, so-called
LC-Droplets, wie in Figur 2 schematisch gezeigt. Auf diese Weise kommt es zu einer Phasentrennung in Form von Bereichen, die eine Vielzahl solcher LC-Droplets D aufweisen und von Bereichen, in denen im Wesentlichen Polymere vorliegen, getrennt sind. Diese abwechselnden Bereiche bilden dann in der Hologrammschicht 56 eine Gitterstruktur in Form eines modulierten Brechungsin dexprofils aus, das auf den unterschiedlichen Brechungsindizes der Polymere einerseits und der Flüssigkristalle andererseits beruht. An der Gitterstruktur kann einfallendes Licht L'' dann gebeugt werden. LC droplets, as shown schematically in Figure 2. This results in phase separation in the form of regions which have a large number of such LC droplets D and are separated from regions in which there are essentially polymers. These alternating regions then form a lattice structure in the form of a modulated refractive index profile in the hologram layer 56, which is based on the different refractive indices the polymers on the one hand and the liquid crystals on the other. Incident light L ″ can then be diffracted at the grating structure.
An den Glasplatten bzw. Substraten der Zelle können transparente Elektroden El und E2, beispielsweise aus Indiumzinnoxid, vorgesehen werden, um beim Betrieb des Hologramms ein elekt risches Feld über der Hologrammschicht 56 anlegen zu können und damit das Beugungsverhalten zu beeinflussen. Hierbei ändert sich durch das elektrische Feld die Orientierung der Flüssigkristalle LC der LC-Droplets D, wodurch die Brechungsindexmodulation der Gitterstruktur verändert wird. Die Brechungsindexmodulation kann auf diese Weise verringert werden und bei geeigneter Wahl der Materialien und des elektrischen Felds durch eine In dexanpassung zwischen Flüssigkristallen und Polymeren sogar ganz verschwinden, und dann zur Folge haben, dass keine Ablenkung des einfallenden Lichts mehr erfolgt. Durch An- und Ausschalten des elektrischen Feldes lässt sich so auch die Ablenkung durch die Gitterstruktur modulieren, wobei sich kurze UmschaltZeiten erzielen lassen. Transparent electrodes E1 and E2, for example made of indium tin oxide, can be provided on the glass plates or substrates of the cell in order to be able to apply an electrical field above the hologram layer 56 during operation of the hologram and thus to influence the diffraction behavior. Here, the orientation of the liquid crystals LC of the LC droplets D changes due to the electric field, as a result of which the refractive index modulation of the lattice structure is changed. The refractive index modulation can be reduced in this way and, with a suitable choice of materials and the electric field, can even disappear completely by an index adaptation between liquid crystals and polymers, and then have the consequence that the incident light is no longer deflected. By switching the electric field on and off, the deflection by the lattice structure can also be modulated, with short switching times being achieved.
Wenn, wie hier vorgesehen, die Hologrammschicht 56 in einen Lichtwellenleiter eingebettet ist, so kann mittels des elektrischen Feldes auch das Ein- oder Auskoppeln von Licht gesteuert werden. Bei dem Lichtwellenleiter wird das einfallende Licht durch Totalreflexion an den Grenzschichten zur Umgebung durch den Lichtwellenleiter geführt. Eine Auskopplung des Lichts kann dann dadurch erzielt werden, dass das schaltbare Gitter der Hologrammschicht das Licht so beugt, dass das Licht auf die Grenzschicht unter einem Winkel einfällt, der kleiner als der Grenzwinkel ist, so dass keine Totalreflektion mehr erfolgt. If, as provided here, the hologram layer 56 is embedded in an optical waveguide, the coupling in or out of light can also be controlled by means of the electrical field. In the case of the optical waveguide, the incident light is guided through the optical waveguide by total reflection at the boundary layers to the surroundings. The light can then be decoupled by the switchable grating of the hologram layer diffracting the light in such a way that the light strikes the boundary layer at an angle that is smaller than the critical angle, so that total reflection no longer takes place.
In einem Lichtwellenleiter können auch mehrere solcher Holo gramme vorgesehen sein. Dieses ist beispielsweise der Fall für Lichtwellenleiter, die in Head-Up-Displays verbaut werden. Ein solcher Lichtwellenleiter ist exemplarisch in Figur 3 darge stellt. Hierbei weist der Lichtwellenleiter 5 ein Einkoppel- hologramm bzw. Einkoppelgitter 53, ein Falthologramm bzw. In such an optical waveguide, several such holograms can also be provided. This is the case, for example, for fiber optic cables that are installed in head-up displays. Such an optical fiber is exemplified in Figure 3 Darge. Here, the optical waveguide 5 has a coupling hologram or coupling grating 53, a folding hologram or
-gitter 51 und ein Auskoppelhologramm bzw. -gitter 52 auf, die in unterschiedlichen Bereichen der Hologrammschicht 56 ange ordnet sind. Grid 51 and a coupling-out hologram or grating 52, which are arranged in different areas of the hologram layer 56.
Hiermit kann auf kompakte Weise eine Umlenkung und Aufweitung des eingestrahlten Lichtes erzielt werden, wie in Figur 4 gezeigt. Aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit ist hier bei der Darstellung des Lichtwellenleiters 5 auf die Wiedergabe der separaten Substrate mit dazwischenliegender Hologrammschicht verzichtet worden. Im unteren linken Bereich des In this way, deflection and expansion of the incident light can be achieved in a compact manner, as shown in FIG. For reasons of better clarity, the representation of the optical waveguide 5 does not show the separate substrates with the hologram layer in between. In the lower left area of the
Lichtwellenleiters 5 befindet sich ein Einkoppelhologramm 53, mittels dessen von einer nicht dargestellten bildgebenden Einheit kommendes Licht LI in den Lichtwellenleiter 5 Optical waveguide 5 is a coupling hologram 53, by means of which light LI coming from an imaging unit (not shown) enters the optical waveguide 5
eingekoppelt wird. In diesem breitet es sich in der Zeichnung nach rechts oben aus, entsprechend dem Pfeil L2. In diesem Bereich des Lichtwellenleiters 5 befindet sich ein Falthologramm 51, das ähnlich wie viele hintereinander angeordnete teildurchlässige Spiegel wirkt, und ein in Y-Richtung verbreitertes, sich in X-Richtung ausbreitendes Lichtbündel erzeugt. Dies ist durch drei Pfeile L3 angedeutet. In dem sich in der Abbildung nach rechts erstreckenden Teil des Lichtwellenleiters 5 befindet sich ein großflächiges Auskoppelhologramm 52, welches ebenfalls ähnlich wie viele hintereinander angeordnete teildurchlässige Spiegel wirkt und, durch Pfeile L4 angedeutet, Licht in is coupled. In it, it spreads to the top right in the drawing, according to arrow L2. In this area of the optical waveguide 5 there is a folding hologram 51, which acts similarly to many partially transparent mirrors arranged one behind the other, and generates a light beam that is widened in the Y direction and propagates in the X direction. This is indicated by three arrows L3. In the part of the optical waveguide 5 which extends to the right in the illustration, there is a large-area coupling-out hologram 52, which likewise acts like many partially transparent mirrors arranged one behind the other and, indicated by arrows L4, light in
Z-Richtung nach oben aus dem Lichtwellenleiter 5 auskoppelt. Hierbei erfolgt eine Verbreiterung in X-Richtung, sodass das ursprüngliche einfallende Lichtbündel LI als in zwei Dimensionen vergrößertes Lichtbündel L4 den Lichtwellenleiter 5 verlässt. Coupling the Z direction upwards out of the optical waveguide 5. A broadening takes place in the X direction, so that the original incident light bundle LI leaves the optical waveguide 5 as a light bundle L4 enlarged in two dimensions.
Weisen das Falthologramm 51 oder das Auskoppelhologramm 52 eine räumlich gleichbleibende Beugungseffizienz auf, die dem obigen Bild entsprechend einer Vielzahl hintereinander angeordneter teildurchlässiger Spiegel mit jeweils gleichem Reflexions- bzw. Transmissionsgrad entsprechen würden, so würden die erzeugten Lichtbündel räumlich unterschiedliche Intensitäten aufweisen. Dieses ist in Figur 5 schematisch angedeutet. Der Grund hierfür liegt darin, dass von dem ursprünglich bei Eintritt in das jeweilige Hologramm mit maximaler Intensität einfallenden Licht nach der ersten Teilreflexion nur noch der nicht reflektierte Anteil des Lichtes mit damit geringerer Intensität vorliegt. Von diesem wird dann wiederum der gleiche prozentuale Anteil bei der zweiten Teilreflexion abgelenkt, sodass das im Lichtleiter weiter fortschreitende Licht wiederum eine geringere Intensität aufweist. Auf diese Weise nimmt die Intensität des Lichtes im Lichtleiter bei gleichbleibender Beugungseffizienz mit zu nehmender Ausbreitung im Lichtwellenleiter weiter ab und führt so auch zu einer entsprechenden Abnahme der Intensität des ausgekoppelten Lichtes. Do the folding hologram 51 or the coupling-out hologram 52 have a spatially constant diffraction efficiency which, according to the above image, corresponds to a plurality of partially transparent mirrors arranged one behind the other, each with the same reflection or If the degree of transmittance corresponded, the generated light beams would have spatially different intensities. This is indicated schematically in FIG. 5. The reason for this is that after the first partial reflection of the light that originally entered the respective hologram with maximum intensity, only the non-reflected portion of the light with a lower intensity is still present. The same percentage is then deflected by the latter in the second partial reflection, so that the light advancing in the light guide again has a lower intensity. In this way, the intensity of the light in the light guide continues to decrease with increasing diffraction efficiency with increasing spread in the optical waveguide and thus also leads to a corresponding decrease in the intensity of the outcoupled light.
So würde beispielsweise für einen festen Y-Wert yi bei für diesen Y-Wert in X-Richtung gleichbleibender Beugungseffizienz die Intensität IL3 des sich in X-Richtung im Lichtwellenleiter ausbreitenden Lichtes und damit auch die Intensität IL4 des aus dem Lichtwellenleiter ausgekoppelten Lichtes in X-Richtung exponentiell abnehmen. For example, for a fixed Y value yi with diffraction efficiency remaining constant for this Y value in the X direction, the intensity IL3 of the light propagating in the X-direction in the optical waveguide and thus also the intensity IL4 of the light coupled out of the optical waveguide in X- Decrease direction exponentially.
Bei Anwendungen der Lichtwellenleiter in Head-Up-Displays ist aber eine möglichst gleichmäßige Ausleuchtung der sogenannten Eyebox erwünscht. Dieses kann durch eine räumliche Anpassung der Beugungseffizienz des jeweils verwendeten Hologramms während des Vervielfältigungsverfahrens zur Herstellung der replizierten Hologramme erfolgen. In the case of applications of the optical fibers in head-up displays, however, a uniform illumination of the so-called eyebox is desirable. This can be done by spatially adapting the diffraction efficiency of the hologram used in each case during the duplication process for producing the replicated holograms.
Die Güte der erzeugten Gitterstruktur und damit die Beu gungseffizienz des Hologramms hängt von verschiedenen Parametern während der Belichtungsphase ab. Eine möglichst exakte Her stellung der Gitterstruktur erfordert, dass die Raten für die Photopolymerisation, die Diffusionvorgänge und die Keimbildung der LC-Droplets im richtigen Verhältnis zueinanderstehen. Die Bildung eines fehlerfreien Gitters kann hierbei gewähr leistet werden, wenn die Diffusionszeit für Flüssigkristalle zwischen benachbarten Streifen der Gitterstruktur deutlich geringer als die Zeit für die Keimbildung der LC-Droplets ist und diese wiederum deutlich schneller als die Polymerisation er folgt. Die Polymerisationsrate kann hierbei insbesondere durch die Intensität des zur Belichtung eingesetzten Laserstrahls beeinflusst werden und nimmt mit zunehmender Intensität zu. The quality of the generated lattice structure and thus the diffraction efficiency of the hologram depends on various parameters during the exposure phase. Making the lattice structure as precise as possible requires that the rates for photopolymerization, the diffusion processes and the nucleation of the LC droplets are in the correct relationship to one another. The formation of an error-free lattice can be ensured here if the diffusion time for liquid crystals between adjacent strips of the lattice structure is significantly less than the time for the nucleation of the LC droplets and this in turn occurs significantly faster than the polymerization. The polymerization rate can be influenced in particular by the intensity of the laser beam used for exposure and increases with increasing intensity.
Weiterhin ist die Beugungseffizienz des Hologramms von der Diffusionszeit abhängig, die wiederum von der Viskosität, welche die Zähflüssigkeit des Flüssigkeitsgemisches angibt, beein flusst wird. Bei einer Wahl geeigneter Temperaturwerte kann dann eine Viskosität mit einer für eine perfekte Gitterstruktur erforderlichen Diffusionszeit bzw. Diffusionrate der Flüs sigkristalle und Monomere vorliegen. Werden dagegen bei spielsweise zu niedrige Temperaturen gewählt, so liegt eine hohe Viskosität des Monomer/Flüssigkristallgemisches vor, die in einer hohen Diffusionszeit bzw. niedrigen Diffusionraten der Flüssigkristalle und Monomere resultiert. Dies kann dazu führen, dass während der Belichtung ein Teil der Flüssigkristallmoleküle nicht in die dunklen Bereiche des Interferenzmusters diffun dieren können da bereits vorher die Verfestigung des Gemisches durch die Polymerisierung einsetzt. Entsprechendes gilt für die Diffusion der Monomere. Dadurch wird dann nur eine unvollständige Phasentrennung erzielt, was eine unzureichende Gitterstruktur und damit eine niedrigere Beugungseffizienz zur Folge haben kann. Furthermore, the diffraction efficiency of the hologram is dependent on the diffusion time, which in turn is influenced by the viscosity, which indicates the viscosity of the liquid mixture. If suitable temperature values are selected, then a viscosity with a diffusion time or diffusion rate of the liquid crystals and monomers required for a perfect lattice structure can be present. If, on the other hand, temperatures that are too low are selected, for example, the monomer / liquid crystal mixture has a high viscosity, which results in a long diffusion time or low diffusion rates of the liquid crystals and monomers. This can lead to the fact that a part of the liquid crystal molecules cannot diffuse into the dark areas of the interference pattern during the exposure, since the solidification of the mixture by the polymerization already sets in beforehand. The same applies to the diffusion of the monomers. As a result, only an incomplete phase separation is achieved, which can result in an inadequate grating structure and thus a lower diffraction efficiency.
Wie in Figur 6 schematisch dargestellt kann diese Tempera turabhängigkeit eingesetzt werden um beispielsweise bei der Belichtung zur Reproduktion eines Auskoppelhologramms den Auskoppelgrad zu verringern bzw. räumlich zu variieren indem die Temperatur des Monomer / Flüssigkristall-Gemisches während der Belichtung beeinflusst bzw. verändert wird. As shown schematically in FIG. 6, this temperature dependency can be used, for example, to reduce the degree of coupling out or to vary it spatially in the exposure for reproducing a coupling out hologram, by influencing or changing the temperature of the monomer / liquid crystal mixture during the exposure.
Für grobe Temperaturprofile können hierbei während des For rough temperature profiles you can
Schreibvorgangs mehrere Widerstands- oder Keramikheizplatten HP vorgesehen sein, die mit dem Lichtwellenleiter in Kontakt sind und separat angesteuert werden können. Auf diese Weise kann während des Herstellungsprozesses ein thermisches Profil auf den Lichtwellenleiter angewendet werden, beispielsweise um in X- und ggfs, auch in Y-Richtung zunehmende Temperaturwerte zu erzeugen. Dieses ist hinreichend, um die Phasentrennnung räumlich zu beeinflussen und einen Gradienten für die Beugungseffizienz zu erzeugen. Bei geeigneter Wahl der Temperaturwerte kann dann im dargestellten Beispiel eine Zunahme der Beugungseffizienz BE in X-Richtung erreicht werden, die eine konstante Intensität IL4 des aus dem Lichtwellenleiter ausgekoppelten Lichtes ermöglicht . Die Verwendung von Widerstands- oder Keramikheizplatten HP erlaubt aber nur grobe Temperaturprofile und keine exakte räumliche Aussteuerung . Several resistance or ceramic heating plates HP can be provided during the writing process, which are in contact with the optical waveguide and can be controlled separately. In this way, a thermal profile can be applied to the optical waveguide during the manufacturing process, for example in order to generate increasing temperature values in the X and possibly also in the Y direction. This is sufficient to spatially influence the phase separation and to create a gradient for the diffraction efficiency. With a suitable choice of the temperature values, an increase in the diffraction efficiency BE in the X direction can then be achieved in the example shown, which enables a constant intensity IL4 of the light coupled out of the optical waveguide. However, the use of resistance or ceramic heating plates HP only allows rough temperature profiles and no exact spatial control.
Dieses wird dagegen ermöglicht, indem zusätzlich zu einer optischen Schreibeinheit eine elektrische Schreibeinheit vorgesehen wird, bei der Elektroden oberhalb und unterhalb des Lichtwellenleiters vorgesehen sind, mittels der elektrische Felder im Bereich der Hologrammschicht erzeugt werden können. Wird hierbei eine Wechselspannung zwischen den Elektroden angelegt, so fließt ähnlich zu einem Kondensator ein elektrischer Strom in wechselnder Richtung. Dieses führt zu einer elektrischen Verlustleistung und damit lokalen Erwärmung des Lichtwellen leiters . On the other hand, this is made possible by providing an electrical writing unit in addition to an optical writing unit, in which electrodes are provided above and below the optical waveguide, by means of which electrical fields can be generated in the region of the hologram layer. If an AC voltage is applied between the electrodes, an electrical current flows in an alternating direction, similar to a capacitor. This leads to an electrical power loss and thus local heating of the optical waveguide.
Die Figuren 7 und 8 zeigen ein erfindungsgemäßes Gerät mit einer solchen elektrischen Schreibeinheit in unterschiedlichen Be triebszuständen. In diesem Fall sind jeweils zwei halbstab förmige Elektroden ELI und EL3 oberhalb des Lichtwellenleiters und zwei halbstabförmige Elektroden EL2 und EL4 unterhalb des Lichtwellenleiters angeordnet. Die Elektroden ELI bis EL4 liegen auf elektrischen Potentialen Ul bis U4, so dass bei unter schiedlichen Werten der elektrischen Potentiale eine Spannung zwischen ihnen vorliegt. FIGS. 7 and 8 show a device according to the invention with such an electrical writing unit in different operating states. In this case, two half-bar-shaped electrodes ELI and EL3 are arranged above the optical waveguide and two half-bar-shaped electrodes EL2 and EL4 below the optical waveguide. The electrodes ELI to EL4 are at electrical potentials U1 to U4, so that there is a voltage between them at different values of the electrical potentials.
Das Schreiben des Hologramms erfolgt hierbei mit einem Laser 42 einer optischen Schreibeinheit, der beispielsweise sichtbares oder ultraviolettes Licht abgibt und unter einem Winkel auf die Hologrammschicht fällt. Hierbei wird das Hologramm zeilenweise geschrieben, indem sich der Laserstrahl 42 für die Belichtung einer Zeile durch eine geeignete Ablenkeinrichtung in Y-Richtung zwischen den Elektroden bewegt. Je nach der benötigten Be leuchtungsstärke zur Photopolimerisierung des holographischen Materials in der Hologrammschicht 56 und der Leistung des Lasers kann dieses im Bruchteil einer Sekunde erfolgen. Nachdem eine Zeile geschrieben wurde, werden dann die Anordnung und der Lichtwellenleiter relativ zueinander um eine Zeile in X-Richtung verschoben, bevor dann die nächste Zeile belichtet wird. The hologram is written with a laser 42 of an optical writing unit, which is, for example, visible or emits ultraviolet light and falls on the hologram layer at an angle. Here, the hologram is written line by line by moving the laser beam 42 for exposure of a line through a suitable deflection device in the Y direction between the electrodes. Depending on the illuminance required to photopolimerize the holographic material in the hologram layer 56 and the power of the laser, this can take place in a fraction of a second. After a line has been written, the arrangement and the optical waveguide are then shifted relative to one another by one line in the X direction before the next line is then exposed.
Während des optischen Schreibprozesses wird vor und hinter dem Schreibbereich über die Elektroden eine Spannung, insbesondere eine Wechselspannung, angelegt, sodass jeweils vor bzw. hinter dem Schreibbereich das Flüssigkristallmaterial im Lichtwel lenleiter 5 thermisch aktiviert wird. During the optical writing process, a voltage, in particular an alternating voltage, is applied across the electrodes in front of and behind the writing area, so that the liquid crystal material in the optical waveguide 5 is thermally activated in front of and behind the writing area.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung können verschiedene Temperaturprofile erzeugt werden, unter anderem auch das in Figur 6 gezeigte thermische Profil. Besonders vorteilhaft ist aber, das auf diese Weise eine sehr lokale Erhitzung erfolgen kann. Dieses ermöglicht schärfere Kanten der erzeugten Gitterstruktur und Übersprecheffekte zu reduzieren. Weiterhin kann gezielt die Beugungseffizienz lokal variiert werden, beispielsweise in dem von zwei unmittelbar benachbarten Gitterlinien eine mit einer hohen Beugungseffizienz und die benachbarte mit einer niedrigen Beugungseffizienz versehen wird. Various temperature profiles can be generated with the device according to the invention, including the thermal profile shown in FIG. 6. However, it is particularly advantageous that very local heating can take place in this way. This enables sharper edges of the generated lattice structure and cross-talk effects to be reduced. Furthermore, the diffraction efficiency can be varied locally, for example by providing two directly adjacent grating lines with a high diffraction efficiency and the adjacent one with a low diffraction efficiency.
Wie in Figur 8 dargestellt, sind durch eine entsprechende Beaufschlagung der Elektroden auch schräge Felder möglich. Diese ermöglichen ebenso über ein Wechselfeld eine lokalisierte, kurze thermische Erwärmung. Weiterhin kann aber auch durch ein statisches Potential eine direkte Beeinflussung des Schreib bereiches in Form einer elektrische Vororientierung der As shown in FIG. 8, oblique fields are also possible by applying the electrodes accordingly. These also enable localized, short thermal heating via an alternating field. Furthermore, a static potential can directly influence the writing area in the form of an electrical pre-orientation of the
LC-Droplets erfolgen, die dann in Kombination mit dem LC droplets take place, which then in combination with the
Schreiblaser 42 ermöglicht, eine Ausrichtung der Flüssig- kristall-Droplets einzubrennen, die ansonsten nur durch auf wendige Modulation des Laserlichtes möglich wäre. Writing laser 42 enables alignment of the liquid Burning in crystal droplets that would otherwise only be possible by modulating the laser light.
Die Form, Abstände und Anzahl der Elektroden sind hierbei nicht auf die in den Figuren 7 und 8 dargestellten Ausführungsformen beschränkt. So kann beispielsweise vorgesehen werden, nur ein Elektrodenpaar vor dem Schreibbereich vorzusehen. Auch kann vorgesehen sein, auf der dem Schreiblaser 42 gegenüberliegenden Seite statt zweier Elektroden nur eine vorzusehen. The shape, spacing and number of electrodes are not limited to the embodiments shown in FIGS. 7 and 8. For example, only one pair of electrodes can be provided in front of the writing area. Provision can also be made to provide only one instead of two electrodes on the side opposite the writing laser 42.
Weiterhin können statt der in Figur 7 und 8 verwendeten nichttransparenten, insbesondere metallischen Elektroden auch transparente Elektroden vorgesehen werden, die dann ggfs, auch ein optisches Schreiben durch diese Elektroden ermöglichen. So können die Elektroden als transparente Glasplatten mit leit fähiger Beschichtung, beispielsweise aus Indiumzinnoxid, ausgeführt werden. Werden diese Elektroden darüber hinaus strukturiert, dann ist auch eine lokale pixelähnliche Beein flussung des Flüssigkristallmaterials beim Schreiben möglich, die lediglich durch die beugenden Eigenschaften der Struktu rierung der transparenten Elektroden und eventuellen auf dem Glas befindlichen aktiven Komponenten, wie beispielsweise Tran sistoren, begrenzt wird. Furthermore, instead of the non-transparent, in particular metallic electrodes used in FIGS. 7 and 8, transparent electrodes can also be provided, which then, if necessary, also enable optical writing by means of these electrodes. The electrodes can thus be designed as transparent glass plates with a conductive coating, for example made of indium tin oxide. If these electrodes are also structured, local pixel-like influencing of the liquid crystal material during writing is also possible, which is only limited by the diffractive properties of the structuring of the transparent electrodes and any active components, such as transistors, located on the glass.
Die erfindungsgemäß hergestellten Lichtwellenleiter können besonders vorteilhaft für ein Head-Up-Display in einem The optical waveguides produced according to the invention can be particularly advantageous for a head-up display in one
Kraftfahrzeug eingesetzt werden. Hierbei können drei Licht wellenleiter übereinanderliegend für jeweils eine Elementar farbe Rot, Grün und Blau angeordnet sein. Motor vehicle are used. Here, three light waveguides can be arranged one above the other for each elementary color red, green and blue.
Figur 9 zeigt in räumlicher Darstellung eine solche Anordnung. Die in den Lichtwellenleitern 5 vorhandenen Hologramme 51,52, 53 sind wellenlängenabhängig, sodass jeweils ein Lichtwellenleiter 5R, 5G, 5B für eine der Elementarfarben verwendet wird. Oberhalb des Lichtwellenleiters 5 ist ein Bildgenerator 1 und eine Optikeinheit 2 dargestellt. Beide zusammen werden oft auch als bildgebende Einheit oder PGU bezeichnet . Die Optikeinheit 2 weist einen Spiegel 20 auf, mittels dessen das vom Bildgenerator 1 erzeugte und von der Optikeinheit 2 geformte Licht in Richtung des jeweiligen Einkoppelhologramms 53 umgelenkt wird. Das von der Bildgebenden Einheit erzeugte Licht wird im Einkoppelbereich 53, in dem sich die jeweiligen Einkoppelhologramme 53 befinden, in den Lichtwellenleiter 5 eingekoppelt. Der Bildgenerator 1 weist drei Lichtquellen 14R, 14G, 14B für die drei Elementarfarben auf. Man erkennt, dass die gesamte dargestellte Einheit eine im Vergleich zu ihrer lichtabstrahlenden Fläche geringe Gesamt bauhöhe aufweist. Figure 9 shows such an arrangement in a spatial representation. The holograms 51, 52, 53 present in the optical fibers 5 are wavelength-dependent, so that one optical fiber 5R, 5G, 5B is used for each of the elementary colors. An image generator 1 and an optical unit 2 are shown above the optical waveguide 5. Both together are often referred to as an imaging unit or PGU. The optical unit 2 has a mirror 20, by means of which the light generated by the image generator 1 and shaped by the optical unit 2 is deflected in the direction of the respective coupling hologram 53. The light generated by the imaging unit is coupled into the optical waveguide 5 in the coupling region 53, in which the respective coupling holograms 53 are located. The image generator 1 has three light sources 14R, 14G, 14B for the three elementary colors. It can be seen that the entire unit shown has a low overall height compared to its light-emitting surface.
Fig. 10 zeigt ein Head-Up-Display in einem Kraftfahrzeug in räumlicher Darstellung und mit einem Lichtwellenleiter 5. Man erkennt den schematisch angedeuteten Bildgenerator 1, der ein paralleles Strahlenbündel SB1 erzeugt, welches mittels der Spiegelebene 523 in den Lichtwellenleiter 5 eingekoppelt wird. Der Lichtwellenleiter 5 ist hier der Übersichtlichkeit halber stark vereinfacht wiedergegeben, ebenso ist die Optikeinheit der Einfachheit halber nicht dargestellt. Mehrere Spiegelebenen 522 reflektieren jeweils einen Teil des auf sie auftreffenden Lichts Richtung Windschutzscheibe 31. Von dieser wird das Licht Richtung Auge 61 reflektiert. Der Betrachter sieht ein virtuelles Bild VB über der Motorhaube bzw. in noch weiterer Entfernung vor dem Kraftfahrzeug . 10 shows a head-up display in a motor vehicle in a spatial representation and with an optical waveguide 5. One recognizes the schematically indicated image generator 1, which generates a parallel beam SB1, which is coupled into the optical waveguide 5 by means of the mirror plane 523. The optical waveguide 5 is shown here in a greatly simplified manner for the sake of clarity, and the optical unit is also not shown for the sake of simplicity. A plurality of mirror planes 522 each reflect part of the light impinging on them in the direction of the windshield 31. The light is reflected by the latter in the direction of the eye 61. The viewer sees a virtual image VB above the bonnet or even further away from the motor vehicle.
Bezugszeichenliste LIST OF REFERENCE NUMBERS
1 Bildgenerator 1 image generator
14, 14R, 14G 14B Lichtquelle 14, 14R, 14G 14B light source
2 Optikeinheit 2 optics unit
20 Spiegel 20 mirrors
31 Windschutzscheibe 31 windshield
42 Laserstrahl der optischen Schreibeinheit 42 Laser beam from the optical writing unit
ELI - EL4 Elektrode der elektrischen SchreibeinheitELI - EL4 electrode of the electrical writing unit
5, 5R, 5G, 5B Lichtwellenleiter 5, 5R, 5G, 5B optical fiber
51 Falthologramm 51 folding hologram
52 Auskoppelhologramm 52 decoupling hologram
522 Spiegelebene 522 mirror plane
523 Spiegelebene 523 mirror plane
53 Einkoppelhologramm 53 coupling hologram
54, 55 Substrate 54, 55 substrates
56 Hologrammschicht 56 hologram layer
61 Auge 61 eye
D Flüssigkristal 1tropfchen D Drops of liquid crystal
El, E2 Elektroden El, E2 electrodes
HP Heizplatte HP heating plate
I helle Interferenzbereiche I bright areas of interference
L, L ' , L " Laserstrahlen L, L ', L "laser beams
LI - L4 Lichtbündel LI - L4 light beam
LC Flüssigkristall LC liquid crystal
M Masterhologramm M master hologram
SB1 Strahlenbündel SB1 beam
Ul - U4 elektrisches Potential Ul - U4 electrical potential
VB virtuelles Bild VB virtual image
Claims
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|---|---|---|---|
| PCT/EP2019/065589 Ceased WO2019238876A1 (en) | 2018-06-15 | 2019-06-13 | Device for producing a hologram |
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Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6323970B1 (en) * | 1999-09-29 | 2001-11-27 | Digilents, Inc. | Method of producing switchable holograms |
-
2019
- 2019-06-13 WO PCT/EP2019/065589 patent/WO2019238876A1/en not_active Ceased
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6323970B1 (en) * | 1999-09-29 | 2001-11-27 | Digilents, Inc. | Method of producing switchable holograms |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| WALDERN JONATHAN D ET AL: "DigiLens switchable Bragg grating waveguide optics for augmented reality applications", PROCEEDINGS OF SPIE; [PROCEEDINGS OF SPIE ISSN 0277-786X VOLUME 10524], SPIE, US, vol. 10676, 21 May 2018 (2018-05-21), pages 106760G - 106760G, XP060107921, ISBN: 978-1-5106-1533-5, DOI: 10.1117/12.2315719 * |
| Y. J. LIU ET AL: "Holographic Polymer-Dispersed Liquid Crystals: Materials, Formation, and Applications", ADVANCES IN OPTOELECTRONICS, vol. 2008, 1 January 2008 (2008-01-01), US, pages 1 - 52, XP055617576, ISSN: 1687-563X, DOI: 10.1155/2008/684349 * |
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