DE10357047A1

DE10357047A1 - Device for displaying information on a transparent substrate

Info

Publication number: DE10357047A1
Application number: DE2003157047
Authority: DE
Inventors: Christoph Dipl.-Phys. Rickers; Michael Dr. Vergöhl
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2003-12-04
Filing date: 2003-12-04
Publication date: 2005-07-07
Also published as: EP1690124A1; WO2005054928A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Projektion von Informationen auf ein transparentes Substrat, wie Sichtscheiben eines Fahrzeuges, insbesondere eine Windschutzscheibe eines Kraftfahrzeuges, wobei auf oder in der für die Projektion vorgesehenen Fläche des Substrats ein spektral selektiv reflektierendes Beschichtungssystem aus zwei oder mehreren Schichten angeordnet ist, das Licht einer oder mehrerer monochromatischer Lichtquellen reflektiert, sowie die Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung für head up displays.The present invention relates to a device for projecting information onto a transparent substrate, such as viewing windows of a vehicle, in particular a windshield of a motor vehicle, wherein a spectrally selectively reflecting coating system of two or more layers is arranged on or in the projected for the surface of the substrate , which reflects light from one or more monochromatic light sources, as well as the use of the device according to the invention for head-up displays.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Anzeigen von Informationen auf einem transparenten Substrat, insbesondere zum Anzeigen von Informationen auf Sichtscheiben von Fahrzeugen wie Windschutzscheiben von Fahrzeugen, auch Head-Up-Displays (HUD) genannt.The The present invention relates to a device for displaying Information on a transparent substrate, in particular for Displaying information on windows of vehicles such as windshields of vehicles, also called Head-Up Displays (HUD).

Head-Up-Displays (HUD) stellen eine innovative Form der Visualisierung von Informationen für den Führer eines Fahrzeugs (Schienenfahrzeuge wie Bahn, KFZ, Luftfahrzeuge, Wasserfahrzeuge, Baufahrzeuge, etc.) dar, welche die Informationsübermittlung ermöglichen, ohne den Führer von seinen Aufgaben abzulenken. Der Grundgedanke ist die Projektion oder Einblendung der dazustellenden Informationen in das Blickfeld des Fahrzeugführers, um so ein Abwenden des Fahrers von seinen Aufgaben und damit eine Totzeit in dessen Reaktion reduzieren bzw. vermeiden zu können.Head-up displays (HUD) represent an innovative way of visualizing information for the leader of a Vehicle (rolling stock such as railways, motor vehicles, aircraft, watercraft, Construction vehicles, etc.), which allow the transmission of information, without the leader distract from his duties. The basic idea is the projection or insertion of the information to be displayed in the field of view of Driver, so as to avert the driver from his duties and therefore one To reduce dead time in its reaction or to be able to avoid it.

Hierzu werden verschiedenste Ansätze verfolgt, die in zwei Kategorien unterschieden werden können: Projektionen auf die Netzhaut (durch Helmvisiere, Prismen, etc.) und Projektionen virtueller Bilder auf transparente Bildflächen (zum Beispiel Windschutzscheibe bei Bahn und KFZ). Diese Erfindung betrifft die zweite Realisierungsform und zwar die Projektion direkt auf die Verglasung des Cockpits eines Fahrzeugs.For this be different approaches which can be divided into two categories: projections on the retina (through helmet visors, prisms, etc.) and projections virtual images on transparent image surfaces (for example, windshield by train and car). This invention relates to the second embodiment the projection directly onto the glazing of the cockpit of one Vehicle.

Ein grundsätzliches Problem bei der Realisierung derartiger Projektionen ist die benötigte Intensität des projizierten Bildes, um gegenüber der vermeindlichen hellen Umgebung (Sommer, Tageslicht, etc. ) für den Fahrer weiterhin erkennbar zu sein, also einen ausreichenden Kontrast zu liefern.One fundamental Problem in the realization of such projections is the required intensity of the projected Picture to opposite the avoidable bright environment (summer, daylight, etc.) for the driver continue to be recognizable, so a sufficient contrast to deliver.

Als Projektionsquelle (Leuchtmittel des Projektionssystems) werden zunehmend Leuchtdioden und Laserdioden bzw. Laserquellen im weitesten Sinn eingesetzt und auch für die Realisierung o.g. HUD favorisiert.When Projection source (lamps of the projection system) are increasing Light-emitting diodes and laser diodes or laser sources in the broadest sense used and also for the realization o.g. HUD favors.

Ein Problem dieser Lichtquellen ist jedoch die begrenzte zur Verfügung stehende Intensität, der entwicklungstechnisch Grenzen gesetzt sind. Zudem wird für die Lichtquelle eine Ablenkeinheit benötigt, welche den Lichtstrahl ähnlich dem FarbTV über die Bildwand bewegt. Der Begriff "Bildwand" wird im folgenden auch im weitesten Sinne stellvertretend für Windschutzscheiben bzw. andere Verglasungen verwendet, durch die der Fahrzeugführer schaut.One However, the problem of these light sources is the limited available Intensity, which are subject to developmental limits. In addition, for the light source needs a deflection unit, which is similar to the ray of light the color TV over the screen moves. The term "screen" is also used in the following Meaning representative of Windshields or other glazing used by the driver looks.

Zudem wird eine Optik benötigt, welche die Primärvalenzen (z.B. ein roter, grüner und blauer Laser) in einem Laserstrahl vereinigt. Das Gesamtsystem (Optik) weist gegenwärtig nur ungenügende Wirkungsgrade von maximal 30 % auf. Hinzu kommt die schlechte Reflektivität einer Glasscheibe (n~1.45) gegen Luft (n~1) von etwa 4 %.moreover is an optic needed which are the primary valences (for example, a red, green one and blue laser) in a laser beam. The overall system (Optics) currently indicates only insufficient Efficiencies of up to 30%. Add to that the poor reflectivity of a Glass sheet (n ~ 1.45) against air (n ~ 1) of about 4%.

Das System ist damit insgesamt nicht ausreichend Lichtstark, um gegen das Umgebungslicht einen signifikanten Kontrast zu erzielen.The The system is therefore not strong enough to fight against the ambient light to achieve a significant contrast.

Auch alternative Systeme weisen Probleme hinsichtlich der enorm hohen aufzubringenden Intensität für einen ausreichenden Kontrast und der damit verbundenen notwendig werdenden aktiven Kühlung auf ( DE 10016817A1 ).Alternative systems also have problems with regard to the enormously high applied intensity for sufficient contrast and the associated active cooling that becomes necessary ( DE 10016817A1 ).

Es gibt bereits verschiedenste Vorschläge hinsichtlich möglicher Realisierungsformen für HUDs, die im weitesten Sinne jedoch die Anordnung der Projektionseinheit ( DE 10144491A1 , WO 02/35276 A1, DE 10135342C1 bzw. DE 4211728A1 in Kombination mit einem holographischem Element), die Ausführung zusätzlicher Elemente im Sichtfeld des Fahrers (WO 02/35276 A1) und Veränderungen geometrischer Natur an der Scheibe (wie z.B. Einbringen eines Wedges etc.) zur Vermeidung von Geisterbildern durch Reflexion an den beiden Grenzflächen der Glasscheibe (US 2002/0008926A1, US 2003/6534152B2, WO 94/00787) betreffen. Diese Anmeldungen beziehen sich nicht auf die Realisierung eines ausreichend kontraststarken Bildes für den Fahrer.There are already various proposals with regard to possible implementation forms for HUDs, which in the broadest sense, however, the arrangement of the projection unit ( DE 10144491A1 , WO 02/35276 A1, DE 10135342C1 respectively. DE 4211728A1 in combination with a holographic element), the implementation of additional elements in the field of vision of the driver (WO 02/35276 A1) and changes of a geometric nature on the disc (such as insertion of a wedges, etc.) to avoid ghosting by reflection at the two interfaces Glass pane (US 2002 / 0008926A1, US 2003/6534152B2, WO 94/00787) relate. These applications do not relate to the realization of a sufficiently high-contrast image for the driver.

Hinsichtlich dieser Thematik gibt es ebenfalls Veröffentlichungen, die auf Basis reflexionserhöhender Filter (US 2003/0035939A1, EP 1283432 A2 ) bzw. stellenweise getönter Scheibe ( DE 19816647 A1 ) den Kontrast zu verbessern suchen.With regard to this topic, there are also publications based on reflection-enhancing filters (US 2003 / 0035939A1, US Pat. EP 1283432 A2 ) or locally toned disc ( DE 19816647 A1 ) to improve the contrast.

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Projektion von Informationen auf ein transparentes Substrat, wobei auf oder in der für die Projektion vorgesehenen Fläche des Substrats ein spektral selektiv reflektierendes Beschichtungssystem vorgesehen ist, das Licht einer oder mehrerer monochromatischer Lichtquellen reflektiert.The present invention relates to a device for projecting information onto a transparent substrate, wherein a spectrally selectively reflecting coating system is provided on or in the projected for the projection surface of the substrate, the light of one or more monochromatic Reflected light sources.

Bei dem transparenten Substrat handelt es sich vorzugsweise um eine Sichtscheibe eines Fahrzeugs, wie einem Kraftfahrzeug, einem Schienenfahrzeug, einem Schiff oder einem Flugzeug etc.at the transparent substrate is preferably one Lens of a vehicle, such as a motor vehicle, a rail vehicle, a ship or an airplane etc.

Vorzugsweise handelt es sich hierbei um eine Windschutzscheibe oder eine Heckscheibe eines Kraftfahrzeugs.Preferably this is a windshield or a rear window of a motor vehicle.

Das transparente Substrat kann aus Glas oder einem anderen hierfür geeigneten transparenten Material bestehen wie einem Kunststoff wie Polycarbonat.The transparent substrate may be made of glass or another suitable for this purpose transparent material like a plastic like polycarbonate.

Der hier verwendete Begriff "Verglasung" umfasst damit nicht nur Substrate aus Glas, sondern gleichfalls aus anderen geeigneten transparenten Materialien.Of the As used herein, "glazing" does not encompass this only substrates made of glass, but also of other suitable ones transparent materials.

Nachstehend wird die vorliegende Erfindung anhand der anliegenden Figuren näher erläutert.below The present invention will be explained in more detail with reference to the attached figures.

Es zeigen hierbei:It show here:

1 ein theoretisch optimales Reflexionsspektrum; 1 a theoretically optimal reflection spectrum;

2 ein Spektrum eines spektral selektiv reflektierenden Beschichtungssystems, das ein dielektrischer Interferenzfilter mit 11 Schichten ist; 2 a spectrum of a spectrally selective reflective coating system which is an 11-layer dielectric interference filter;

3 ein weiteres Beispiel eines Spektrums eines dielektrischen Interferenzfilters mit 12 Schichten; sowie 3 another example of a spectrum of a 12-layer dielectric interference filter; such as

4 ein Flussdiagramm für einen genetischen Algorithmus zur Berechnung eines spektral selektiv reflektierenden Beschichtungssystems für die erfindungsgemäße Vorrichtung. 4 a flowchart for a genetic algorithm for calculating a spectrally selective reflective coating system for the device according to the invention.

Die erfindungsgemäße Lösung basiert auf dem Einsatz spektral selektiv reflektierender Beschichtungssysteme, wie zum Beispiel dielektrischer Interferenzfilter, sowie weitere optische Dünnschichtfiltersysteme, z.B. mit Schichten aus cholesterischen Polymeren oder LCDs, welche es gestatten, spektral selektiv die Reflektivität einer Grenzfläche signifikant zu erhöhen.The inventive solution based on the use of spectrally selective reflective coating systems, such as dielectric interference filter, and others optical thin-film filter systems, e.g. with layers of cholesteric polymers or LCDs which spectrally selective, it allows the reflectivity of an interface significantly to increase.

Im Gegensatz zu den Anmeldungen US 2003/0035939A1 und EP 1283432 A2 ist ein wesentlicher Gesichtspunkt der Erfindung die spektrale Selektivität der Reflexionserhöhung.In contrast to the applications US 2003 / 0035939A1 and EP 1283432 A2 an essential aspect of the invention is the spectral selectivity of the reflection enhancement.

Grundgedanke ist die selektive und möglichst schmalbandige Reflexion der ebenso schmalbandigen Primärvalenzen eines Projektionssystems, wie sie bei den genannten favorisierten Formen vorhanden sind, auf der Windschutzscheibe bzw. Verglasung der Fahrerkanzel. Hierbei kann das System mit den oben genannten Ausführungsformen für die Vermeidung von Geisterbildern geeignet kombiniert werden.basic idea is the most selective and possible Narrow-band reflection of equally narrow-band primary valences of a projection system, as in the favored ones mentioned Forms are present on the windshield or glazing the driver's pulpit. Hereby, the system can with the above embodiments for the Avoidance of ghosting can be combined appropriately.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist insbesondere geeignet für die Aufprojektion mit Licht einer oder mehrerer monochromatischen Lichtquellen, zum Beispiel Laserlicht.The inventive device is particularly suitable for the front projection with light of one or more monochromatic Light sources, for example laser light.

Zur Realisierung der spektral selektiven Reflexion kann ein dielektrisches Filtersystem eingesetzt werden, wie es in seiner Berechnung und Funktion z.B. in C. Rickers, M. Vergöhl, „Spectrally selective reflecting thin-film filters for laser display technology", Thin Solid Films 442 (2003) 145–152 [1] und C:Rickers, M. Vergöhl, „Design and manufacture of spectrally-selective reflecting coatings for the use with laser display projection screens", Appl. Optics 41(16):3097–3106, 2002, [2] beschrieben ist. Auf diese Druckschriften wird für die vorliegende Erfindung vollinhaltlich bezug genommen und werden von der Erfindung durch Bezugnahme mitumfasst.to Realization of the spectrally selective reflection can be a dielectric Filter system can be used as it is in its calculation and Function e.g. in C. Rickers, M. Vergohl, "Spectrally selective reflecting thin-film filters for laser display technology ", Thin Solid Films 442 (2003) 145-152 [1] and C: Rickers, M. Vergöhl, "Design and manufacture of spectrally-selective reflective coatings for the use with laser display projection screens ", Appl. Optics 41 (16): 3097-3106, 2002, [2] is described. These documents are for the present The invention is incorporated by reference in its entirety and by the invention by reference.

Der dort beschriebene, prinzipiell identisch aufgebaute Filter dient der Herabsetzung der Reflexion in weiten Teilen des sichtbaren Spektralbereichs bei gleichzeitiger Erhöhung der Reflektivität an den Wellenlängen der Laseremissionen.Of the described there, basically identically constructed filter is used the reduction of the reflection in large parts of the visible spectral range with simultaneous increase the reflectivity at the wavelengths the laser emissions.

Beispiele für derartige Filtersysteme sind auch in DE 102 45 881.2 und DE 197 47 597.3 beschrieben, auf die hier ebenfalls voll inhaltlich bezug genommen wird und die gleichfalls als von der Erfindung durch Bezugnahme mitumfasst sind.Examples of such filter systems are also in DE 102 45 881.2 and DE 197 47 597.3 which is also incorporated herein by reference in its entirety and which is also incorporated by reference for purposes of the invention.

Die spektrale Selektivität dieser Beschichtungssysteme beruht auf Interferenzeffekten einer einfallenden Lichtwelle mit sich selbst durch Aufteilung in Teilwellen an mehreren Grenzflächen und Induzierung einer Phasenverschiebung durch unterschiedliche Ausbreitungsgeschwindigkeiten, wie es auch in [1] und [2] beschrieben ist.The spectral selectivity These coating systems rely on interference effects of a incident light wave with itself by dividing into partial waves at several interfaces and inducing a phase shift through different ones Propagation rates, as described in [1] and [2] is.

Die dabei erzielte Kontrasterhöhung beruht vereinfacht formuliert auf der Reduzierung der Reflexion von Umgebungslicht bei Erhalt der Reflexion von projiziertem Licht.The thereby increased contrast in simplified terms, it is based on reducing the reflection of Ambient light upon receipt of reflection from projected light.

Das Prinzip ist in 1 näher dargestellt. 1 zeigt ein theoretisch optimales Reflexionsspektrum, wobei vertikal die Emission des Projektionssystems markiert ist (schmalbandige Primärvalenzen, hier Laseremissionen an den Wellenlängen 446 nm, 532 nm und 628 nm für blau, grün und rot).The principle is in 1 shown in more detail. 1 shows a theoretically optimal reflection spectrum, where the emission of the projection system is marked vertically (narrowband primary valences, here laser emissions at the wavelengths 446 nm, 532 nm and 628 nm for blue, green and red).

Wie in 1 gezeigt, würde ein idealer Filter die Primärvalenzen des Projektors in Form eines Rechteckprofils schmalbandig reflektieren, während im übrigen Spektrum eine hundertprozentige Transmission erhalten bleibt.As in 1 As shown, an ideal filter would narrowband the primary valences of the projector in the form of a rectangular profile, while maintaining 100% transmission in the remainder of the spectrum.

Aufgrund begrenzter zur Verfügung stehender Schichten oder Gesamtdicke des Filtersystems ist eine solche spektrale Charakteristik technologisch heutzutage jedoch nicht realisierbar wie näher auch unter dem vorstehend genannten Literaturstellen (1), (2) ausgeführt.by virtue of limited available standing layers or total thickness of the filter system is such However, spectral characteristics technologically not feasible today how closer also under the aforementioned references (1), (2).

Der Kompromiss geht daher in Richtung Reduzierung der reflektierten Intensität, Verbreiterung der Reflexionspeaks, wobei ein Verlust an Kontrast in Kauf genommen wird, sowie erhöhte Reflexion zwischen den Peaks.Of the Compromise therefore goes in the direction of reducing the reflected Intensity, Broadening of the reflection peaks, with a loss of contrast is accepted, as well as increased Reflection between the peaks.

Für die erfindungsgemäße Vorrichtung kann ein spektral selektiv reflektierendes Beschichtungssystem eingesetzt werden, wie es zum Beispiel in der vorstehend genannten Deutschen Patentanmeldung DE 197 47 957 A1 , in der internationalen Anmeldung WO 98/36320 und in dem Deutschen Patent DE 199 01 970 C2 beschrieben ist.For the device according to the invention, a spectrally selectively reflective coating system can be used, as described, for example, in the abovementioned German patent application DE 197 47 957 A1 in International Application WO 98/36320 and in the German Patent DE 199 01 970 C2 is described.

So kann das spektral selektiv reflektierende Beschichtungssystem aus einer oder mehreren cholesterischen Polymerschichten gebildet sein, wie sie in DE 199 01 970 C2 beschrieben sind. Hierbei wird spektrale Selektivität auf Basis der Eigenschaften von cholesterischen Polymeren erzielt, die als einzelne Schicht die Fähigkeit besitzen, zirkular polarisiertes Licht einer bestimmten Händigkeit (das heißt entweder rechts- oder linkszirkular) und damit jeweils 50 % des unpolarisierten Lichtes in einem bestimmten Wellenlängenband Δλ zu reflektieren. Für eine optimale Reflektivität sollte das Beschichtungssystem für jede ausgewählte Wellenlänge mindestens 2 zueinander enantiomere cholesterische Polymerschichten mit entsprechender Selektivität für diese Wellenlänge aufweisen. Da cholesterische Enantiomere entgegengesetzt zirkular polarisiertes Licht reflektieren, wird in diesem Fall sowohl der rechts- als auch der linkszirkular drehende Anteil des unpolarisierten Lichtes in dem betreffenden Wellenlängenband reflektiert.Thus, the spectrally selectively reflecting coating system can be formed from one or more cholesteric polymer layers as described in US Pat DE 199 01 970 C2 are described. Here, spectral selectivity is achieved based on the properties of cholesteric polymers having as a single layer the ability to circularly polarized light of a given handedness (that is either right or left circular) and thus each 50% of the unpolarized light in a certain wavelength band Δλ to reflect. For optimum reflectivity, the coating system should have at least 2 enantiomeric cholesteric polymer layers with appropriate selectivity for that wavelength for each selected wavelength. Since cholesteric enantiomers reflect oppositely circularly polarized light, in this case, both the right and left circularly rotating portions of the unpolarized light are reflected in the respective wavelength band.

Ein für RGB-Strahlung besonders geeignetes Beschichtungssystem sollte daher mindestens sechs Schichten aus cholesterischen Polymeren aufweisen, wobei jeweils zwei einander benachbarte Schichten zueinander enantiomer sind und das blaue, rote beziehungsweise grüne Licht reflektieren, so dass insgesamt eine Reflexion von annähernd 100 % für alle RGB-Wellenlängen erzielt werden kann.One for RGB radiation Therefore, a particularly suitable coating system should at least have six layers of cholesteric polymers, wherein each two adjacent layers are enantiomerically to each other and reflect the blue, red or green light, so that altogether a reflection of approximate 100% for all RGB wavelengths can be achieved.

Das spektral selektiv reflektierende Beschichtungssystem kann aus einem mehrlagigen Schichtsystem aus mindestens zwei dielektrischen Materialien unterschiedlicher optischer Dichte beziehungsweise mit unterschiedlichem Brechungsindex aufgebaut sein. Die mindestens zwei Schichtmaterialien sind abwechselnd auf dem Substrat aufgebracht, so das jeweils eine niedrigbrechende Schicht und eine hochbrechende Schicht abwechselnd auf dem Substrat angeordnet sind. Die jeweiligen Schichtdicken der hoch- beziehungsweise niedrigbrechenden Schichten eines Systems können gleich oder verschieden sein. Beispielsweise können eine oder mehrere Perioden von jeweils einer hochbrechenden Schicht mit einer ersten Schichtdicke und einer niedrigbrechenden Schicht mit einer zweiten Schichtdicke vorgesehen sein. In diesem Fall spricht man von periodischer Anordnung.The spectrally selective reflective coating system can be made from a multilayer coating system of at least two dielectric materials different optical density or with different Refractive index be constructed. The at least two layer materials are applied alternately on the substrate, so each one low-refractive layer and a high-refractive layer alternately are arranged on the substrate. The respective layer thicknesses of high or low refractive layers of a system can be the same or different. For example, one or more periods each of a high refractive index layer having a first layer thickness and a low refractive layer having a second layer thickness be provided. In this case one speaks of periodic arrangement.

Die Dicken der hochbrechenden und der niedrigbrechenden Schicht können aber auch variieren; in diesem Fall spricht man von nichtperiodischer Anordnung.The Thicknesses of the high-refractive and the low-refractive layer can however also vary; in this case one speaks of non-periodic Arrangement.

Beispiele für geeignete dielektrische Materialien für das vorstehende Beschichtungssystem aus Schichten mit niedrig- und hochbrechenden Materialien sind die Oxide oder Nitride von Silizium, Aluminium, Titan, Wismut, Zirkon, Cer, Hafnium, Niob, Scandium, Magnesium, Zinn, Zink, Yttrium und Indium. Bevorzugte Beispiele für niedrigbrechende Materialien sind SiO₂ und MgS₂ sowie insbesondere Al₂O₃.Examples of suitable dielectric materials for the above coating system of layers with low and high refractive index materials are the oxides or nitrides of silicon, aluminum, Titanium, bismuth, zirconium, cerium, hafnium, niobium, scandium, magnesium, tin, zinc, yttrium and indium. Preferred examples of low-index materials are SiO ₂ and MgS ₂ and in particular Al ₂ O ₃ .

Bevorzugte Beispiele für hochbrechende Materialien sind Titanoxid und Nioboxid sowie Si₃N₄.Preferred examples of high refractive index materials are titanium oxide and niobium oxide as well as Si ₃ N ₄ .

Beispiele für bevorzugte Kombinationen von hochbrechenden und niedrigbrechenden Materialien sind Siliziumdioxid als niedrigbrechendes Material und Titandioxid in der Rutilphase beziehungsweise in der Anatasphase als hochbrechendes Material sowie die Kombinationen SiO₂/Si₃N₄ und insbesondere Al₂O₃/Si₃N₄.Examples of preferred combinations of high-index and low-index materials are silicon dioxide as the low-refractive index material and titanium dioxide in the rutile phase and in the anatase phase as the high-index material, and the combinations SiO ₂ / Si ₃ N ₄ and in particular Al ₂ O ₃ / Si ₃ N ₄ .

Ein weiteres Beispiel für ein geeignetes Material ist das System Si₁-x-yO_xN_y mit variabler Schichtdicke, bei dem sich der Brechungsindex durch Variation der Nitridkonzentration einstellen lässt.Another example of a suitable material is the variable layer thickness system Si ₁ -x-y O _x N _y , where the refractive index can be adjusted by varying the nitride concentration.

Derartige Beschichtungen aus einem mehrlagigen Schichtsystem aus einer Abfolge abwechselnd hoch- und niedrigbrechender dielektrischer Materialien wirken als Interferenzfilter, mit dem selektiv die Wellenlängen des Projektionslichtes reflektiert werden.such Coatings from a multilayer coating system from a sequence alternating high and low refractive dielectric materials act as interference filters, with which selectively the wavelengths of the Projection light to be reflected.

Verfahren zur Herstellung der mehrlagigen Schichtsysteme aus dielektrischen Materialien sind an sich bekannt und zum Beispiel in DE 197 47 597 A1 und WO 98/36320 beschrieben. Beispiele für geeignete Beschichtungsverfahren sind Vakuum-Beschichtungsverfahren wie Magnetronsputtern und Elektronenstrahlverdampfung.Methods for producing the multilayered layer systems of dielectric materials are known per se and, for example, in DE 197 47 597 A1 and WO 98/36320. Examples of suitable coating methods are vacuum coating methods such as magnetron sputtering and electron beam evaporation.

In 2 ist ein praktisch realisierbares Reflexionsspektrum für ein dielektrisches Filtersystem aus 11 Schichten gezeigt. Die Transmission ist hier 100-R und damit beträgt sie in den Bereichen außerhalb der Laseremission (vertikale Markierungen) etwa 90 bis 95 %.In 2 a practically feasible reflection spectrum for a dielectric filter system of 11 layers is shown. The transmission is here 100-R and thus it is in the areas outside the laser emission (vertical markings) about 90 to 95%.

Als Materialien für die Schichten wurden SiO₂ sowie Si₃N₄ eingesetzt, die auf eine Folie aus Polycarbonat aufgebracht worden sind.As materials for the layers SiO ₂ and Si ₃ N _{4 were} used, which have been applied to a sheet of polycarbonate.

Anders als für den Einsatz als Bildwand ist für den Einsatz in Sichtscheiben die ausreichende Transmission der spektral selektiv reflektierenden Beschichtung ein wesentliches Kriterium.Different as for the use as a screen is for the use in viewing windows the adequate transmission of the spectral selectively reflective coating is an essential criterion.

So sollte beim Einsatz in Sichtscheiben für Fahrzeuge eine ausreichende Transmission gewährleistet sein, damit die Sicht des Fahrers auf die Umgebung nicht beeinträchtigt wird.So should be sufficient when used in viewing windows for vehicles Be assured of transmission so that the driver's view of the surroundings is not affected.

Beispielsweise muss die Transmission einer Windschutzscheibe im Automobil aus Sicherheitsgründen bestimmte Normen erfüllen. Eine Erhöhung der Reflektivität wäre daher in Hinblick auf die gewünschte Transmission kontraproduktiv.For example the transmission of a windshield in the automobile must be certain for safety reasons Meet standards. An increase the reflectivity would be therefore in view of the desired transmission counterproductive.

Neben der Möglichkeit der Aufrechterhaltung einer vorgegebenen Mindesttransmission kann eine Optimierung für verschiedene Projektionswinkel in Abhängigkeit von der Einbaugeometrie sowie die Unterdrückung oder zumindest möglichst weitgehende Unterdrückung des sogenannten Farb-Flop-Effekts wünschenswert sein.Next The possibility maintaining a given minimum transmission can an optimization for different projection angles depending on the installation geometry as well as the oppression or at least as possible extensive suppression the so-called color flop effect desirable be.

Unter Farb-Flop wird eine Veränderung des Farbeindrucks beim Betrachter verstanden, die durch eine Änderung des Blickwinkels verursacht wird. Jedoch ist der Farb-Flop-Effekt beim Einsatz in Head-Up-Displays nur von untergeordneter Bedeutung, da die Position des Betrachters und damit dessen Blickwinkel im Wesentlichen fest ist.Under Color flop will be a change the color impression in the viewer understood by a change of the viewing angle. However, the color flop effect only of minor importance when used in head-up displays, because the position of the viewer and thus the angle of view Is essentially fixed.

Je nach Bedarf kann es auch wünschenswert sein andere Eigenschaften für die Beschichtung einzustellen.ever as needed, it may also be desirable its other properties for to adjust the coating.

Vorzugsweise enthält die erfindungsgemäße Vorrichtung insbesondere ein spektral selektiv reflektierendes Beschichtungssystem, das im Hinblick darauf optimiert ist, dass es neben möglichst hohem Kontrast bei ausreichender Transmission den besten Kompromiss aus geringer Schichtdicke, geringer Anzahl der zu verwendenden Schichtmaterialien und geringer Anzahl Einzelschichten aufweist.Preferably contains the device according to the invention in particular a spectrally selective reflective coating system, that is optimized in terms of being next to it as possible high contrast with sufficient transmission the best compromise from small layer thickness, small number of the layer materials to be used and a small number of individual layers.

Erfindungsgemäß werden hierfür spektral selektiv reflektierende Beschichtungssysteme verwendet die aus mindestens zwei Schichten bestehen.According to the invention therefor spectrally selective reflective coating systems uses the consist of at least two layers.

Ein erfindungsgemäß geeignetes Beschichtungssystem, das die vorstehend genannten Randbedingungen erfüllt, lässt sich durch Einsatz eines genetischen Algorithmus wie er in (1), (2) sowie in der Deutschen Patentanmeldung 102 45 881.2 beschrieben ist, durch eine Bewertung mittels der Farbmatrix oder durch andere Softwareoptimierungsprogramme erhalten.An inventively suitable coating system, the above-mentioned Randbedin can be achieved by using a genetic algorithm as described in (1), (2) and in the German patent application 102 45 881.2, obtained by a rating by means of the color matrix or by other software optimization programs.

Hierbei wird die farbmetrische Bewertung mit einem Optimierungsalgorithmus kombiniert, der für die Optimierung kein vorgegebenes Anfangsdesign als Input benötigt, da es das Zielspektrum bereits im Wesentlichen wiedergibt. Durch Kombination dieses Algorithmus mit farbmetrischen Bewertungsverfahren lassen sich die erfindungsgemäßen optischen Beschichtungen erhalten, deren Eigenschaften in Hinblick auf die gewünschten Randbedingungen optimiert sind.in this connection is the colorimetric evaluation with an optimization algorithm combined, for the optimization does not require a given initial design as input because it already essentially reproduces the target spectrum. By combination leave this algorithm with colorimetric evaluation procedures the optical inventive Coatings obtained whose properties in terms of desired Boundary conditions are optimized.

Mit diesem Verfahren kann insbesondere unter Ausnutzung der Vorteile wie sie in (1) und (2) genannt sind, nämlich Berücksichtigung der Augenempfindlichkeit für ein optimales Ergebnis bei Einhaltung der jeweiligen Randbedingungen, zusätzlich eine geeignete Bewertung für die Mindesttransmission bereits im Entwicklungsprozess des Beschichtungssystems berücksichtigt werden.With This method can, in particular, taking advantage of the advantages as mentioned in (1) and (2), namely consideration of eye sensitivity for a optimal result in compliance with the respective boundary conditions, additionally a suitable rating for the minimum transmission already in the development process of the coating system considered become.

Zudem lassen sich die Randbedingungen für weitere gewünschte Eigenschaften optimieren. So ist eine Integration der spektralen Charakteristik des Beschichtungssystems in die spektralen Eigenschaften anderer in dem Substrat eingesetzter Filtersysteme oder Tönungen in die Bewertung des Designs möglich.moreover can be the boundary conditions for other desired properties optimize. So is an integration of the spectral characteristic of the coating system in the spectral properties of others in the substrate used filter systems or tints in the evaluation of the design possible.

Damit ist es möglich, auch im Fall getönter Sichtscheiben wie Windschutzscheiben mit Solarcontrol, Color-Tönung etc., das Beschichtungssystem so zu integrieren, dass die mit dem Beschichtungssystem versehene Fläche der Windschutzscheibe von außerhalb des Fahrzeugs weitestgehend oder nicht sichtbar ist.In order to Is it possible, also tinted in the case Viewing windows such as windscreens with solar control, color tint etc., integrate the coating system so that the coating system provided area the windshield from outside the vehicle is largely or not visible.

Folglich können erfindungsgemäß durch Anwendung des genetischen Algorithmusses und Ausnutzung der verfügbaren Materialien, Schichtanzahl und Gesamtdicke des Beschichtungssystems die bestmöglichen Reflektivitäten, deren Wertigkeiten der spektralen Empfindlichkeit des menschlichen Auges angepasst sind, realisiert werden.consequently can according to the invention Applying the genetic algorithm and making use of available materials, Layer number and total thickness of the coating system the best possible reflectivity, their valences of the spectral sensitivity of the human Eye are adapted to be realized.

Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird das gewünschte Beschichtungssystem durch ein geeignetes Beschichtungsverfahren wie sie allgemein bekannt sind, mit der gewünschten Materialkombination auf das vorgesehene transparente Substrat appliziert.to Production of the device according to the invention will be the desired one Coating system by a suitable coating method as they are well known, with the desired material combination applied to the intended transparent substrate.

Das Substrat kann starr oder flexibel sein.The Substrate may be rigid or flexible.

So kann das spektral selektiv reflektierende Beschichtungssystem auf eine flexible Folie aufgebracht werden, die anschließend auf oder in die Sichtscheibe laminiert beziehungsweise eingebracht wird. Diese Vorgehensweise ist insbesondere im Fall von stark gekrümmten Sichtscheiben vorteilhaft.So can the spectrally selective reflective coating system on a flexible film can be applied, which subsequently or laminated or introduced into the viewing window. This procedure is especially in the case of strongly curved lenses advantageous.

Insbesondere kann das erfindungsgemäß eingesetzte Beschichtungssystem auf eine Wedgefolie aufgebracht werden. Weiter kann die Beschichtung auf mehreren Grenzflächen erfolgen, wodurch sich die Gesamtreflexion erhöhen lässt.Especially can the inventively used Coating system are applied to a wedge film. Further The coating can be done on multiple interfaces, resulting in increase the total reflection leaves.

Durch Kombination mit einer Wedgefolie oder einer Verglasung mit wedgeartigem Hohlraum wird eine effektive Unterdrückung von Geisterbildern ermöglicht.By Combination with a wedge foil or glazing with wedgeartigem Cavity allows effective suppression of ghosting.

Weiter ist der Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung auch für Substrate möglich, die mit zusätzlichen Funktionselementen beziehungsweise Funktionsschichten versehen sind.Further is the use of the device according to the invention also for substrates possible, the with additional Functional elements or functional layers are provided.

Beispielsweise kann die erfindungsgemäße Vorrichtung für Windschutzscheiben eingesetzt werden, die zusätzlich mit einer wärmeabweisenden Schicht versehen sind oder mit einer transparenten leitfähigen Schicht aus zum Beispiel TCO-Materialien, wie sie zur Heizung der Scheibe eingesetzt werden kann.For example can the device of the invention for windshields be used in addition with a heat-resistant Layer are provided or with a transparent conductive layer from, for example, TCO materials, how it can be used to heat the pane.

Nachstehend wird die Funktionsweise des genetischen Algorithmus zur Optimierung von spektral selektiv reflektierenden Beschichtungssystemen wie sie für die erfindungsgemäße Vorrichtung geeignet sind, unter Verweis auf das Flussdiagramm in 4 näher erläutert.Hereinafter, the operation of the genetic algorithm for optimizing spectrally selective reflective coating systems as they are suitable for the device according to the invention, with reference to the flowchart in 4 explained in more detail.

Die Funktionsweise des genetischen Algorithmus lehnt sich an die Evolution und Rekombinationsstrategien der Natur an. Grundgedanke ist dabei, dass aus einer Anzahl von Individuen, die zusammen eine Generation bilden, nur die Individuen zur Generierung einer neuen Generation ausgesucht werden, die im Hinblick auf ihre Umgebung die besten Eigenschaften haben. Für den vorliegenden Fall wird unter einem Individuum ein Schichtsystem mit seinen Schichtdicken und Materialeigenschaften verstanden. Die Parameter des Schichtsystems wie Schichtdicken und Materialien werden als Gene bezeichnet. Der Algorithmus generiert zunächst eine Population an Individuen, indem er zufällig Materialien und Schichtdicken zuordnet (in 4 als "statische Population bezeichnet). Diese Individuen werden dann bewertet und nach Qualität sortiert. Anschließend erfolgt eine Schleife, bestehend aus den Schritten Rekombination, Mutation, Bewertung und Selektion (Auswahl der besseren Individuen, das heißt Schichten), wobei schlechte Schichten verworfen werden. Durch wiederholte Durchführung der Schleife wird eine Verbesserung der Qualität der Population im Durchschnitt und der des besten Individuums absolut erzielt, bis ein Optimum erreicht ist.The functioning of the genetic algorithm is based on the evolution and recombination strategies of nature. The basic idea is that out of a number of individuals, which together form a generation, only the individuals are selected to generate a new generation, which have the best properties in terms of their environment. For the present case is under a Indivi duum a layer system understood with its layer thicknesses and material properties. The parameters of the layer system, such as layer thicknesses and materials, are referred to as genes. The algorithm first generates a population of individuals by randomly assigning materials and layer thicknesses (in 4 These individuals are then rated and sorted by quality, followed by a loop consisting of the steps recombination, mutation, evaluation and selection (selection of the better individuals, ie layers), discarding bad layers. By repeatedly performing the loop, an improvement in the quality of the population on average and that of the best individual is achieved absolutely until an optimum is achieved.

Für die Herstellung der erfindungsgemäß eingesetzten Beschichtungssysteme erfolgt die Bewertung und damit Optimierung auf Grundlage von farbmetrischen Gesichtspunkten. Indem die Bewertung auf Grundlage der Farbmetrik erfolgt, kann auf eine Vorgabe eines diskreten Zielspektrums verzichtet werden.For the production the invention used Coating systems, the evaluation and thus optimization based on colorimetric considerations. By the rating based on the colorimetry, can be set to a default of a discrete target spectrum are dispensed with.

Der Kontrast ergibt sich hierbei aus

wobei Y der Normfarbwert ist und damit ein Maß für die Helligkeit des Reflexionsspektrums. k gibt den Kontrast an, den die Bildwand für Primärvalenzen der entsprechenden Wellenlängen gegenüber Umgebungslicht erzielt.The contrast arises here

where Y is the standard color value and thus a measure of the brightness of the reflection spectrum. k indicates the contrast achieved by the screen for primary valences of the corresponding wavelengths to ambient light.

Für die Durchführung des Algorithmus wird eine modifizierte Formel (1) für die Bewertung des Kontrasts eingesetzt, wobei die Summe durch ein Produkt ersetzt ist:

und σ_R die Standardabweichung des Reflexionsvermögens und C ein empirischer Faktor ist.For the implementation of the algorithm, a modified formula (1) is used for the evaluation of the contrast, the sum being replaced by a product:

and σ _{R is} the standard deviation of reflectivity and C is an empirical factor.

Für die Erhöhung des Kontrasts ist weniger eine besonders hohe Reflexion im Bereich der Laserwellenlängen ausschlaggebend, sondern vielmehr eine möglichst niedrige Reflexion im Spektralbereich außerhalb davon.For the increase of Contrasts is less a particularly high reflection in the field of Laser wavelengths decisive, but rather the lowest possible reflection in the spectral range outside from that.

Im genetischen Algorithmus kann dieser Effekt durch Beeinflussung der Gewichtung berücksichtigt werden, mit der der Untergrund unterdrückt wird. Dies geschieht, indem in Gleichung (2) der Exponent von Y entsprechend variiert wird.in the genetic algorithm can reduce this effect by influencing the Weighting to be taken into account, with which the underground is suppressed becomes. This is done by equating the exponent of Y in Equation (2) is varied.

Entsprechend kann die gewünschte beziehungsweise notwendige Transmission eingestellt werden.Corresponding can the desired or necessary transmission can be set.

Für die Minimierung beziehungsweise Eliminierung des Farb-Flop-Effekts ist das Schichtsystem so auszulegen, dass die durch Änderung des Betrachterwinkels verursachte Änderung der reflektierten Intensitäten für ale Wellenlängen des Projektionslichts gleich ist. Als Grundlage für die Bewertung durch den Algorithmus werden hierfür die Spektren eines Individuums (Schichtsystems) für verschiedene Betrachtungswinkel berechnet und die Änderung der reflektierten Intensitäten für die Wellenlängen der Primärvalenzen verglichen, wobei Standardabweichungen dieser Werte verwendet werden.For the minimization or elimination of the color-flop effect is the layer system be interpreted that by amendment of the observer angle caused a change in the reflected intensities for all wavelengths of the Projection light is the same. As a basis for evaluation by the algorithm be for this the spectra of one individual (shift system) for different ones Viewing angle calculated and the change of the reflected intensities for the wavelengths of primaries using standard deviations of these values.

Weiter kann bei Bedarf die Einstellung der Farbneutralität der Abbildung mittels Weißabgleich erfolgen, wobei die Intensität des von der Bildwand reflektierten Lichtes einer der Wellenlängen der Primärvalenzen (Rot, Grün, Blau) mit der Intensität des monochromatischen Lichtes der entsprechenden Wellenlänge wie sie vom Projektor abgestrahlt wird, abgestimmt wird.Further If necessary, adjust the color neutrality of the picture by white balance take place, the intensity of the light reflected from the image wall of one of the wavelengths of Primary valences (red, Green Blue) with the intensity of the monochromatic light of the corresponding wavelength as it is emitted from the projector.

Anhand der vorstehend beschriebenen Vorgehensweise erfolgt mit Hilfe des genetischen Algorithmus eine Bewertung eines Schichtsystems, das ohne eine feste Vorgabe für ein diskretes Reflexionsspektrum auskommt und den Kontrast erhöht, wobei gleichzeitig der Farb-Flop unterdrückt wird.Based The procedure described above is carried out with the aid of genetic algorithm is an evaluation of a shift system that without a firm requirement for a discrete reflection spectrum and increases the contrast, wherein at the same time the color flop is suppressed.

Durch die beschriebene Kombination eines genetischen Algorithmus' mit einer auf der Farbmetrik beruhenden Bewertung werden spektral selektiv reflektierende Beschichtungen erhalten, die einen deutlich verbesserten Kontrast bei gleichzeitig optimal geringer. Gesamtschichtdicke und Anzahl an Einzelschichten enthalten.By the described combination of a genetic algorithm with one on the Colorimetry-based evaluation will be spectrally selective reflective Coatings obtained which significantly improved contrast at the same time optimally lower. Total layer thickness and number of Single layers included.

Beispielsweise können hiermit Beschichtungen mit einem Kontrast von mindestens 2,5 bei einer Dicke der Gesamtschicht von weniger als 4,5 μm erreicht werden.For example can hereby coatings with a contrast of at least 2.5 at a thickness of the total layer of less than 4.5 microns achieved become.

In 3 ist schematisch der spektrale Verlauf einer spektral selektiv reflektierenden Beschichtung gezeigt, die nach dem vorstehend beschriebenen genetischen Algorithmus erhalten worden ist.In 3 schematically shows the spectral profile of a spectrally selective reflective coating, which has been obtained according to the genetic algorithm described above.

Es handelt sich hierbei um eine Beschichtung aus einem Schichtsystem aus niedrig- und hochbrechenden dielektrischen Materialien. Die Beschichtung besteht aus zwölf Einzelschichten, mit SiO₂ als niedrigbrechendem Material (n = 1,46) und Si₃N₄ als hochbrechendem Material (n = 2,05), die auf ein Glassubstrat abgeschieden worden sindIt is a coating of a layer system of low and high refractive dielectric materials. The coating consists of twelve individual layers, with SiO ₂ as low refractive index material (n = 1.46) and Si ₃ N ₄ as high refractive index material (n = 2.05) deposited on a glass substrate

Der Schichtaufbau ist ausgehend von dem Glassubstrat nach oben wie folgt:
Glas
Si₃N₄ 239 nm, SiO₂ 210 nm,
Si₃N₄ 324 nm; SiO₂ 319 nm,
Si₃N₄ 435 nm, SiO₂ 197 nm,
Si₃N₄ 22 nm, SiO₂ 241 nm,
Si₃N₄ 72 nm, SiO₂ 372 nm,
Si₃N₄ 249 nm, SiO₂ 35 nm.The layer structure starting from the glass substrate upwards is as follows:
Glass
Si ₃ N ₄ 239 nm, SiO ₂ 210 nm,
Si ₃ N ₄ 324 nm; SiO ₂ 319 nm,
Si ₃ N ₄ 435 nm, SiO ₂ 197 nm,
Si ₃ N ₄ 22 nm, SiO ₂ 241 nm,
Si ₃ N ₄ 72 nm, SiO ₂ 372 nm,
Si ₃ N ₄ 249 nm, SiO ₂ 35 nm.

Diese Beschichtung zeigt eine Kontrastverbesserung k von 3,55.These Coating shows a contrast enhancement k of 3.55.

Claims

Device for projecting information onto a transparent substrate, characterized in that a spectrally selectively reflecting coating system is arranged on the projection surface of the substrate, which reflects light from one or more monochromatic light sources, wherein the spectrally selectively reflecting coating system consists of two or more Layers exists.

Device according to claim 1, characterized in that that the spectrally selective reflective coating system Dielectric interference filter made of two or more layers from optically different dense materials, from two or more Layers of cholesteric polymers or an LCD system is.

Device according to Claim 1 or 2, characterized that the thicknesses of the individual layers are the same or different or the system is a combination of layers with the same and different thicknesses.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the transparent substrate is a viewing window of a vehicle.

- Contraption according to claim 4, characterized in that the vehicle is selected under a motor vehicle, a rail vehicle, a ship or an airplane.

Device according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the transparent substrate is made of a material selected under glass and a transparent plastic.

Device according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the spectrally selective reflective coating system is applied to a transparent film, and the film with the spectrally selective reflective coating system on or in the transparent substrate is arranged.

Device according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the transparent substrate is tinted, especially a tinted one Windshield is.

Device according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the viewing window with one or more further Provided functional layers for modifying the properties of the lens is.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the spectral selectively reflective coating system on the side facing away from the projection light side with the human eye is essentially not visible.

Use of spectrally selective reflective Coating systems with two or more layers for head up displays.

Use of spectrally selective reflective Coating systems with two or more layers for one device for projecting information onto a transparent substrate, in particular a viewing window for Vehicles.

Use of a spectrally selective reflective Coating of two or more layers for windshields of vehicles, in particular of motor vehicles.