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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Blickfeldanzeigevorrichtung zum Anzeigen eines Bildes für einen Insassen eines Fahrzeugs, auf ein Verfahren zum Anzeigen eines Bildes für einen Insassen eines Fahrzeugs, auf ein Verfahren zum Herstellen eines holografisch-optischen Elements als Projektionsfläche für eine Blickfeldanzeigevorrichtung zum Anzeigen eines Bildes für einen Insassen eines Fahrzeugs, auf eine entsprechende Vorrichtung sowie auf ein entsprechendes Computerprogramm.
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Ein Head-up Display (HUD) für Fahrzeuge kann üblicherweise eine Lichtquelle, ein Display und eine abbildende Optik umfassen. Als Lichtquelle kann meist z. B. LED-Backlight zum Einsatz kommen, womit das Display hinterleuchtet werden kann. Hier ist ein entsprechender Anzeigeinhalt visualisierbar. Eine nachfolgende HUD-Optik kann dann ein gewünschtes virtuelles Bild für einen Fahrer erzeugen. Eine Überlagerung des virtuellen Bildes mit einer Umgebung lässt sich z. B. über eine Combinerscheibe oder mit einer Windschutzscheibe erreichen. Der Fahrer sieht ein virtuelles Bild in einiger Entfernung, z. B. > 2,5 m. Die
WO 2009/136218 A1 beschreibt eine Vorrichtung zum Anzeigen dreidimensionaler Bilder bzw. zur dreidimensionalen Visualisierung.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz eine Blickfeldanzeigevorrichtung zum Anzeigen eines Bildes für einen Insassen eines Fahrzeugs, ein Verfahren zum Anzeigen eines Bildes für einen Insassen eines Fahrzeugs, ein Verfahren zum Herstellen eines holografisch-optischen Elements als Projektionsfläche für eine Blickfeldanzeigevorrichtung zum Anzeigen eines Bildes für einen Insassen eines Fahrzeugs, weiterhin eine Vorrichtung, die dieses Verfahren verwendet, sowie schließlich ein entsprechendes Computerprogramm gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
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Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann insbesondere zur Realisierung einer specklefreien Blickfeldanzeigevorrichtung bzw. eines specklefreien Head-up Displays (HUD) ein Volumenhologramm zumindest einer Mikrolinse oder beispielsweise eines Mikrolinsenrasters als Projektionsfläche einer Blickfeldanzeigevorrichtung eingesetzt werden. Durch Anpassbarkeit eines Abstandes der zumindest einen Mikrolinse von einer holografischen Fläche bei der Aufnahme des Hologrammes kann eine solche Projektionsfläche insbesondere unabhängig von Eyebox d. h. einem Bereich, in dem sich beispielsweise die Fahreraugen befinden, und Vergrößerungsmaßstab einer nachfolgenden Abbildungsoptik angepasst werden. Somit kann die Projektionsfläche der Blickfeldanzeigevorrichtung über eine Aufnahme eines Volumenhologramms zumindest einer Mikrolinse realisiert sein bzw. werden.
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Vorteilhafterweise kann gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung insbesondere eine specklefreie holografische Projektionsfläche für Blickfeldanzeigevorrichtungen bzw. Head-up Displays, insbesondere für Fahrzeuge, bereitgestellt werden. Es kann insbesondere eine Projektionsfläche in Form zumindest einer holografisch aufgenommenen Mikrolinse bzw. eines holografisch aufgenommenen Mikrolinsenrasters realisiert sein oder werden. Hierbei ist eine Entkopplung einer optischen Funktion der zumindest einen Mikrolinse bzw. eines Wirkungsorts zum Ort der Projektionsfläche bzw. Ort, an dem das Hologramm erzeugt werden kann, möglich. Ebenfalls kann eine sehr homogene Helligkeitsverteilung im Bild erreicht werden. Durch den vorteilhafterweise wählbaren Abstand eines holografischen Materials bezüglich der zumindest einen Mikrolinse kann insbesondere ein vorteilhafter Freiheitsgrad bereitgestellt werden, um eine Anpassung an unterschiedliche Abbildungsoptiken für verschiedene Head-up Displays zu realisieren.
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Es wird eine Blickfeldanzeigevorrichtung zum Anzeigen eines Bildes für einen Insassen eines Fahrzeugs vorgestellt, wobei die Blickfeldanzeigevorrichtung ein holografisch-optisches Element als Projektionsfläche aufweist, auf welche das Bild mittels einer Bildgebereinrichtung projizierbar ist, wobei das holografisch-optische Element ausgebildet ist, um ein aufbereitetes Bild zum Abbilden in einen Sichtbereich des Insassen zu erzeugen, wobei das holografisch-optische Element ein Volumenhologramm aufweist, in dem eine optische Funktion zumindest einer in einem Abstand von dem holografisch-optischen Element angeordneten Mikrolinse gespeichert ist, wobei der Abstand an zumindest einen Parameter einer dem holografisch-optischen Element optisch nachgeschalteten optischen Einrichtung angepasst ist.
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Bei der Blickfeldanzeigevorrichtung kann es sich ein Head-up Display zur Montage in einem Fahrzeug handeln, beispielsweise einem straßengebundenen Fahrzeug, wie zum Beispiel einem Personenkraftwagen oder dergleichen. Die Blickfeldanzeigevorrichtung kann ausgebildet sein, um das Bild in einen Bereich bzw. Sichtbereich (Eyebox) zu projizieren, der auf einer Sichtachse des Fahrers beim Betrachten eines Verkehrsgeschehens durch die Frontscheibe hindurch liegt. Die dem holografisch-optischen Element optisch nachgeschaltete optische Einrichtung kann eine Abbildungsoptik der Blickfeldanzeigevorrichtung umfassen. Bei dem zumindest einen Parameter der dem holografisch-optischen Element optisch nachgeschalteten optischen Einrichtung kann es sich um zumindest eine optische, geometrische und/oder sonstige physikalische Eigenschaft mit Einfluss auf einen Strahlengang handeln, insbesondere eine Brennweite. Der Abstand kann auch an zumindest einen Parameter einer dem holografisch-optischen Element optisch vorgeschalteten optischen Einrichtung angepasst sein. Die Blickfeldanzeigevorrichtung kann auch eine Bildgebereinrichtung bzw. eine steuerbare Lichtquelle zum Projizieren des Bildes auf die Projektionsfläche aufweisen.
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Gemäß einer Ausführungsform kann in dem holografisch-optischen Element eine optische Funktion mehrerer optisch hintereinander geschalteter Mikrolinsen, eines Mikrolinsenrasters mit einer Mehrzahl von Mikrolinsen und zusätzlich oder alternativ mehrerer optisch hintereinander geschalteter Mikrolinsenraster gespeichert sein. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass in dem Volumenhologramm eine Mehrzahl von optischen Einzelfunktionen hinterlegt werden können, sodass Platz eingespart werden kann und ein Einsatzbereich bzw. Anwendungsbereich der Blickfeldanzeigevorrichtung noch umfassender und vielfältiger ist.
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Auch kann in dem holografisch-optischen Element eine optische Funktion mindestens einer benachbart zu der zumindest einen Mikrolinse angeordneten Zusatzoptik zur Umlenkung und zusätzlich oder alternativ Kollimation gespeichert sein. Somit können Zusatzoptiken für Umlenkung und zusätzlich oder alternativ für Kollimation bzw. Kollimierung als optische Funktionalität mit in das Hologramm integriert sein. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass in dem Volumenhologramm eine Mehrzahl von optischen Einzelfunktionen unterschiedlicher Art hinterlegt werden können, sodass ein erforderlicher Einbauraum der Blickfeldanzeigevorrichtung minimiert werden kann und ein Einsatzbereich bzw. Anwendungsbereich der Blickfeldanzeigevorrichtung umfassender und vielfältiger gestaltet werden kann.
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Insbesondere kann das holografisch-optische Element ein Transmissionshologramm oder ein Reflexionshologramm sein. Somit sind reflektive und transmissive Bauarten durch entsprechende Volumenhologramme möglich. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass neue Konstruktionen bzw. Entwürfe der Blickfeldanzeigevorrichtung ermöglicht werden und die Blickfeldanzeigevorrichtung besonders vielseitig an unterschiedliche Anwendungsfälle, Fahrzeugabmessungen oder dergleichen anpassbar ist.
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Auch wird ein Verfahren zum Anzeigen eines Bildes für einen Insassen eines Fahrzeugs vorgestellt, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
Bereitstellen einer Blickfeldanzeigevorrichtung mit einem holografisch-optischen Element als Projektionsfläche, wobei das holografisch-optische Element ein virtuelles Bild aufweist, in dem eine optische Funktion zumindest einer in einem Abstand von dem holografisch-optischen Element angeordneten Mikrolinse gespeichert ist, wobei der Abstand an zumindest einen Parameter einer dem holografisch-optischen Element optisch nachgeschalteten optischen Einrichtung angepasst ist; und
Projizieren des Bildes mittels einer Bildgebereinrichtung auf das holografisch-optische Element, um ein aufbereitetes Bild zum Abbilden in einen Sichtbereich des Insassen zu erzeugen.
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Das Verfahren zum Anzeigen kann unter Verwendung bzw. in Verbindung mit einer Ausführungsform der vorstehend beschriebenen Blickfeldanzeigevorrichtung vorteilhaft ausgeführt werden, um einem Insassen eines Fahrzeugs ein Bild anzuzeigen. Beim Abbilden des aufbereiteten Bildes in den Sichtbereich kann das aufbereitete Bild eine Abbildungsoptik der Blickfeldanzeigevorrichtung durchlaufen.
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Ferner wird ein Verfahren zum Herstellen eines holografisch-optischen Elements als Projektionsfläche für eine Blickfeldanzeigevorrichtung zum Anzeigen eines Bildes für einen Insassen eines Fahrzeugs vorgestellt, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
Anordnen zumindest einer Mikrolinse in einem Abstand von einem holografischen Material, wobei der Abstand an zumindest einen Parameter einer in der Blickfeldanzeigevorrichtung dem holografisch-optischen Element optisch nachzuschaltenden optischen Einrichtung angepasst ist; und
Belichten des holografischen Materials mit einem Referenzlichtstrahl und einem die zumindest eine Mikrolinse durchlaufenden Objektlichtstrahl, um ein an einer Überlagerungsposition des Referenzlichtstrahls und des Objektlichtstrahls entstehendes Interferenzmuster als ein Volumenhologramm im holografisch-optischen Element in dem holografischen Material zu erzeugen, wobei in dem holografisch-optischen Element eine optische Funktion der zumindest einen in dem Abstand angeordneten Mikrolinse gespeichert wird, um das holografisch-optische Element herzustellen.
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Durch Ausführen des Verfahrens zum Herstellen kann ein holografisch-optisches Element als Projektionsfläche für eine Ausführungsform der vorstehend genannten Blickfeldanzeigevorrichtung vorteilhaft hergestellt werden. Es ergibt sich eine sehr kostengünstige Lösung durch einfach vervielfältigbare Volumenhologramme.
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Gemäß einer Ausführungsform können im Schritt des Anordnens mehrere optisch hintereinander geschaltete Mikrolinsen, ein Mikrolinsenraster mit einer Mehrzahl von Mikrolinsen, mehrere optisch hintereinander geschaltete Mikrolinsenraster und zusätzlich oder alternativ mindestens eine benachbart zu der zumindest einen Mikrolinse angeordnete Zusatzoptik zur Umlenkung und/oder Kollimation angeordnet werden und können im Schritt des Belichtens durch den Objektstrahl durchlaufen werden, um in dem holografisch-optischen Element eine entsprechende optische Funktion zu speichern. Eine entsprechende optische Funktion kann eine optische Funktion mehrerer optisch hintereinander geschalteter Mikrolinsen, eine optische Funktion eines Mikrolinsenrasters mit einer Mehrzahl von Mikrolinsen, eine optische Funktion mehrerer optisch hintereinander geschalteter Mikrolinsenraster und zusätzlich oder alternativ eine optische Funktion mindestens einer benachbart zu der zumindest einen Mikrolinse angeordneten Zusatzoptik zur Umlenkung und/oder Kollimation aufweisen. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass beispielsweise mehrere hintereinander geschaltete Mikrolinsen und/oder z. B. Zusatzoptiken zur Umlenkung oder Kollimation in einem Bauteil integrierbar sind und somit Pupillenöffnungswinkel in einem sehr großen Bereich einstellbar sind. Der Hauptvorteil liegt hier in einem Bauraumersparnis, durch die Substitution mehrerer hintereinander geschalteter Optiken durch ein holographisch optisches Element.
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Auch können der Schritt des Anordnens und der Schritt des Belichtens für unterschiedliche Anordnungspositionen einer Mikrolinse in dem Abstand von dem holografischen Material wiederholt werden, um in dem holografisch-optischen Element eine optische Funktion zu speichern, die ein in dem Abstand angeordnetes Mikrolinsenraster repräsentiert. Es besteht bei Hologrammen auch die Möglichkeit, mehrere optische Funktionen in ein Hologramm zu speichern. Diese Eigenschaft ermöglicht es, das Hologramm eines Mikrolinsenrasters durch wiederholtes Belichten einer einzigen Mikrolinse und sequenzielle Änderung der Position derselben zu realisieren. Es kann bei der Aufnahme bzw. beim Erzeugen des Hologramms somit eine einzige Mikrolinse verwendet werden und das Hologramm sequenziell belichtet werden. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass ein Hologramm eines Mikrolinsenarrays mit beinahe beliebiger Winkelkonfiguration realisiert werden kann.
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Bei einem Verfahren zum Herstellen einer Blickfeldanzeigevorrichtung kann ein gemäß einer Ausführungsform des vorstehend genannten Verfahrens hergestelltes holografisch-optisches Element in einem Bereich einer Brennweite einer dem holografisch-optischen Element optisch nachzuschaltenden optischen Einrichtung angeordnet werden.
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Der hier vorgestellte Ansatz schafft ferner eine Vorrichtung, die ausgebildet ist, um die Schritte einer Variante eines hier vorgestellten Verfahrens in entsprechenden Einrichtungen durchzuführen, anzusteuern bzw. umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form einer Vorrichtung kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden.
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Unter einer Vorrichtung kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Die Vorrichtung kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen der Vorrichtung beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
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Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt oder Computerprogramm mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger oder Speichermedium wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung, Umsetzung und/oder Ansteuerung der Schritte des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, insbesondere wenn das Programmprodukt oder Programm auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.
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Der hier vorgestellte Ansatz wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer Blickfeldanzeigevorrichtung;
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2A und 2B Simulationsergebnisse einer Bildqualität einer Blickfeldanzeigevorrichtung;
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3 eine schematische Darstellung einer Blickfeldanzeigevorrichtung;
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4 eine schematische Darstellung eines holografisch-optischen Elements gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beim Herstellen desselben;
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5 eine schematische Darstellung einer Blickfeldanzeigevorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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6 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Anzeigen gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
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7 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Blickfeldanzeigevorrichtung 100. Gezeigt sind von der Blickfeldanzeigevorrichtung 100 hierbei ein Projektor bzw. ein Scanner 110, beispielsweise ein Laser-Scanner, als Bildgebereinrichtung, eine Linse 120, ein erstes Mikrolinsenraster 130, ein zweites Mikrolinsenraster 140, ein erster Strahlengang 152, ein zweiter Strahlengang 154 und ein symbolisch dargestelltes und eine sogenannte Eyebox repräsentierendes Auge 160 eines Beobachters. Der erste Strahlengang 152 und der zweite Strahlengang 154 erstrecke sich von dem Scanner 110 durch die Linse 120, das erste Mikrolinsenraster 130 und das zweite Mikrolinsenraster 140 hindurch in Richtung des Auges 160.
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Anders ausgedrückt ist in 1 eine Projektionsfläche für eine Blickfeldanzeigevorrichtung 100 bzw. für ein Head-up Display mit Mikrolinsenrastern 130 und 140 gezeigt. Bei dem in 1 beschriebenen Ansatz dient ein Mikrolinsenraster als direkte Projektionsfläche zur Realisierung eines Bildes. Durch eine Aufweitungsoptik und ein daran angepasstes Mikrolinsenraster kann ermöglicht werden, dass der Beobachter quasi direkt in den Laserstrahl des Scanners 110 bzw. Projektors schaut und eine konstante Phasenfront sehen kann. Eine Größe der Mikrolinsen der Mikrolinsenraster 130 und 140 und ein Strahldurchmesser des scannenden Lasers sind ungefähr identisch und durch eine gewünschte Auflösung der Blickfeldanzeigevorrichtung 100 bestimmt, z. B. 150 Mikrometer. Eine Brennweite der Mikrolinsen ist beispielsweise so gewählt, dass jede Mikrolinse in Verbindung mit einer nachfolgenden Abbildungsoptik die komplette Eyebox beleuchtet. Daraus folgt, dass jede Linse bzw. jedes Pixel des Mikrolinsenrasters die komplette Eyebox beleuchtet und der Beobachter aufgrund des Scanners 110 bzw. Laserscanners zeitlich nacheinander jedes Pixel und damit das gesamte Bild sieht.
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2A und 2B zeigen Simulationsergebnisse unter Verwendung der in 1 dargestellten Blickfeldanzeigevorrichtung mit einer Projektionsfläche mit Mikrolinsenraster. Die Simulation wurde mit dem Simulationsprogramm VirtualLab durchgeführt. Somit wurde der Ansatz aus 1 mit dem Simulationsprogramm VirtualLab überprüft und die Ergebnisse sind in 2A und 2B dargestellt. Hierbei erfolgte eine Auswertung aus dem Blickwinkel des Beobachters bzw. ist eine Sicht aus der Richtung des Beobachters dargestellt. 2A zeigt ein Simulationsergebnis einer Bildqualität der Blickfeldanzeigevorrichtung aus 1 im Falle eines Bildes durch angepasste Strahldurchmesser, Mikrolinsenrastergröße bzw. Mikrolinsengröße und Brennweiten. 2B zeigt ein Simulationsergebnis einer Bildqualität der Blickfeldanzeigevorrichtung aus 1 im Falle eines Bildes bei nicht abgestimmter Größe des Mikrolinsenrasters zum Strahldurchmesser. Sind Komponenten der Blickfeldanzeigevorrichtung nicht aneinander angepasst, erhält man das in 2B dargestellte Ergebnis. Hier stimmen der Strahldurchmesser des Laserscanners und die Größe des Mikrolinsenrasters nicht überein. Dieses System liefert ein Bild, bei dem durch die Projektion auf das Mikrolinsenarray mit anschließender Vergrößerungsoptik ein Bild mit Helligkeitsschwankungen erhalten wird.
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3 zeigt eine schematische Darstellung einer Blickfeldanzeigevorrichtung 300. Gezeigt sind von der Blickfeldanzeigevorrichtung 300 hierbei ein Projektor bzw. ein Scanner 310, beispielsweise ein Laser-Scanner, als Bildgebereinrichtung, eine Linse 320, ein erstes Mikrolinsenraster 330, ein zweites Mikrolinsenraster 340, eine nachfolgende optische Einrichtung 350 mit einer Brennweite f bzw. Brennweite 355, ein symbolisch dargestelltes und eine sogenannte Eyebox repräsentierendes Auge 360 eines Beobachters und ein für den Beobachter sichtbares Bild 370 des Mikrolinsenrasters 330. Hierbei entsprechen die Blickfeldanzeigevorrichtung 300 und die Darstellung in 3 der Blickfeldanzeigevorrichtung bzw. der Darstellung aus 1 mit der Ausnahme, dass in 3 zusätzlich die nachfolgende optische Einrichtung 350, die Brennweite 355 und das Bild 370 dargestellt sind sowie Strahlengänge auch die nachfolgende optische Einrichtung 350 durchlaufen. Anders ausgedrückt ist in 3 eine Blickfeldanzeigevorrichtung 300 mit einer Projektionsfläche mit Mikrolinsenrastern 330 und 340 mit nachfolgender optische Einrichtung 350 bzw. Head-up-Display-Optik (HUD-Optik) gezeigt. Durch eine hier realisierte Abbildung des Mikrolinsenrasters 330 sieht der Beobachter unerwünschte Hell-Dunkelbereiche durch scheinbar vergrößerte Linsen in dem Bild 370.
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4 zeigt eine schematische Darstellung eines holografisch-optischen Elements gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beim Herstellen desselben bzw. beim Aufnehmen bzw. Speichern eines Volumenprogramms in demselben. Gezeigt sind ein Aufnahmeaufbau 400, eine Objektlichtquelle 410, ein Objektstrahl 415 bzw. eine Objektwelle, eine Referenzlichtquelle 420, ein Referenzstrahl 425 bzw. eine Referenzwelle, eine Kollimationsoptik 430, ein Mikrolinsenraster 440 bzw. Mikrolinsenarray (MLA), ein holografisch-optisches Element 450 (HOE) und ein Abstand d. Das holografisch-optische Element 450 ist durch Ausführen des Verfahrens aus 7 vorteilhaft herstellbar. Das holografisch-optische Element 450 soll für eine Blickfeldanzeigevorrichtung zum Anzeigen eines Bildes für einen Insassen eines Fahrzeugs als eine Projektionsfläche fungieren, auf welche mittels einer Bildgebereinrichtung aus dem Ursprung der Referenzlichtquelle 420 das Bild projizierbar ist. Dabei ist das holografisch-optische Element 450 in einem fertiggestellten Zustand ausgebildet, um ein aufbereitetes Bild zum Abbilden in einen Sichtbereich des Insassen zu erzeugen.
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Der Objektstrahl 415 erstreckt sich von der Objektlichtquelle 410 durch die Kollimationsoptik 430 und das Mikrolinsenraster 440 hindurch auf das holografisch-optische Element 450. Der Referenzstrahl 425 erstreckt sich von der Referenzlichtquelle 420 direkt auf das holografisch-optische Element 450. Hierbei trifft der Objektstrahl 415 aus einem ersten Winkel auf das holografisch-optische Element 450 auf, wobei der Referenzstrahl 425 aus einem von dem ersten Winkel unterschiedlichen, zweiten Winkel auf das holografisch-optische Element 450 auftrifft.
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Das holografisch-optische Element 450 weist ein holografisches Material auf. Das holografisch-optische Element 450 ist in dem Abstand d von dem Mikrolinsenraster 440 beabstandet angeordnet. Durch Belichten des holografischen Materials das holografisch-optischen Elements 450 mit dem Referenzlichtstrahl 425 und dem Objektlichtstrahl 415 ist ein Interferenzmuster, das an einer Überlagerungsposition des Referenzlichtstrahls 425 und des Objektlichtstrahls 415 entsteht, als ein Volumenhologramm in dem holografischen Material erzeugbar. So ist in dem Volumenhologramm eine optische Funktion des in dem Abstand d angeordneten Mikrolinsenrasters 440 speicherbar, um das holografisch-optische Element 450 herzustellen. Der Abstand d ist dabei insbesondere an zumindest einen Parameter einer dem holografisch-optischen Element 450 optisch nachgeschalteten optischen Einrichtung einer Blickfeldanzeigevorrichtung angepasst.
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Das Volumenhologramm des holografisch-optischen Elements 450 ist gemäß dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung als ein Transmissionshologramm ausgeführt. Alternativ kann das Volumenhologramm des holografisch-optischen Elements 450 als ein Reflexionshologramm ausgeführt sein. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist in dem Volumenhologramm des holografisch-optischen Elements 450 eine optische Funktion mehrerer optisch hintereinander geschalteter Mikrolinsen und zusätzlich oder alternativ mehrerer optisch hintereinander geschalteter Mikrolinsenraster speicherbar. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist in dem Volumenhologramm des holografisch-optischen Elements 450 eine optische Funktion mindestens einer benachbart zu dem Mikrolinsenraster 440 angeordneten Zusatzoptik zur Umlenkung und/oder Kollimation speicherbar. Gemäß dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist in dem Volumenhologramm des holografisch-optischen Elements 450 auch eine optische Funktion der Kollimationsoptik 430 gespeichert.
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Anders ausgedrückt zeigt 4 ein Aufnahme-Set-up bzw. einen Aufnahmeaufbau für ein Hologramm eines Mikrolinsenrasters 440 (MLA) mit vorheriger Kollimationsoptik 430. Die optische Funktion bzw. Linsenfunktion von Kollimationslinse 430 und Mikrolinsenraster 440 ist durch eine Aufnahme im Hologramm des holografisch-optischen Elements 450 gespeichert.
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Bei der Aufnahme des Hologramms des Mikrolinsenrasters 440 inklusive vorheriger Kollimationsoptik 430 speichert das holografische Material des holografisch-optischen Elements 450 die durch Referenzstrahl 425 und Objektstrahl 415 erzeugte Interferenzstruktur. Das Mikrolinsenraster 440 wird dabei im Abstand d zum holografisch-optischen Element 450 mit dem Objektstrahl 415 beleuchtet, der aufgeweitet ist. Zur gleichen Zeit wird das holografisch-optische Element 450 mit dem Referenzstrahl 425 belichtet und das durch die Überlagerung am Ort des holografisch-optischen Elements 450 entstandene Interferenzmuster wird in dem holografischen Material bzw. einer holografischen Schicht gespeichert. Abgespeichert wird gemäß dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung die optische Funktion bzw. Linsenfunktion des Mikrolinsenrasters 440 und der Kollimationsoptik 430. Die abgespeicherte Information kann nun durch Beleuchten des holografisch-optischen Elements 450 aus Richtung der Referenzlichtquelle 420 wieder abgerufen werden. Die Funktion des Volumenhologramms ist identisch zum im Abstand d stehenden Mikrolinsenraster 440 inklusive vorheriger Kollimationsoptik 430. Belichten Referenzstrahl 425 und Objektstrahl 415 das holografische Material von der gleichen Seite des holografisch-optischen Elements 450 aus, wird ein Transmissionshologramm erhalten, wohingegen ein Reflexionshologramm erhalten wird, wenn Referenzstrahl 425 und Objektstrahl 415 das holografische Material von unterschiedlichen Seiten des holografisch-optischen Elements 450 aus belichten. Im Fall des Mikrolinsenrasters 440 sind beide Lösungen realisierbar und eröffnen neue Konstruktionsmöglichkeiten von Blickfeldanzeigevorrichtungen, insbesondere für Fahrzeuge.
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Mit dem dargestellten Aufnahme-Set-up ergeben sich bestimmte Winkelkonfigurationen durch den Abstand d zwischen dem Mikrolinsenraster 440 und dem holografisch-optischen Element 450. Zusätzlich zu der hier beschriebenen Aufnahme, besteht bei Hologrammen auch die Möglichkeit, mehrere Bildinhalte in ein Hologramm zu speichern. Diese Eigenschaft ermöglicht es, das Hologramm eines Mikrolinsenrasters durch Belichten einer einzigen Mikrolinse und sequenzielle Änderung der Position derselben zu realisieren. Es kann somit bei der Aufnahme auch nur eine Mikrolinse verwendet werden und das holografisch-optische Element 450 sequenziell belichtet werden. Somit wird ein Hologramm eines Mikrolinsenrasters mit beinahe beliebiger Winkelkonfiguration ermöglicht. Ein besonderer Vorteil hierbei ist auch die Möglichkeit, mehrere hintereinander geschaltete Mikrolinsen und/oder zum Beispiel Zusatzoptiken zur Umlenkung oder Kollimation mit zu holografieren, um jeweilige optische Funktionen dann gemeinsam in einem Bauteil, dem holografisch-optischen Element 450, zu haben. So sind dann Pupillenöffnungswinkel in einem sehr großen Bereich einstellbar.
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5 zeigt eine schematische Darstellung einer Blickfeldanzeigevorrichtung 500 bzw. ein Head-up Display (HUD) zum Anzeigen eines Bildes für einen Insassen eines Fahrzeugs gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Gezeigt sind das holografisch-optische Element 450 aus 4, eine Bildgebereinrichtung 510, eine dem holografisch-optischen Element 450 optisch nachgeschaltete optische Einrichtung bzw. HUD-Optik 520 mit einer Brennweite f bzw. Brennweite 525, ein symbolisch dargestelltes und eine sogenannte Eyebox repräsentierendes Auge 530 eines Beobachters, hier des Insassen des Fahrzeugs, ein für den Beobachter angezeigtes Bild 540, ein virtuelles Bild 550 und ein Abstand d.
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Das holografisch-optische Element 450 fungiert als Projektionsfläche der Blickfeldanzeigevorrichtung 500. Das holografisch-optische Element 450 weist das virtuelle Bild 550 (eines Mikrolinsenrasters) auf, bei dem es sich um das virtuelle Bild aus 4 handelt. Im holografisch-optischen Element 450 ist eine optische Funktion des im Abstand d aufgezeichneten Mikrolinsenrasters aus 4 gespeichert und bei 550 bildet sich ein virtuelles Bild. . Dabei ist der Abstand d an zumindest einen Parameter der dem holografisch-optischen Element 450 optisch nachgeschalteten optischen Einrichtung bzw. HUD-Optik 520 angepasst. Das holografisch-optische Element 450 ist innerhalb eines Bereichs der Brennweite 525 der HUD-Optik 520 angeordnet.
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Die Bildgebereinrichtung 510 ist ausgebildet, um das Bild auf das holografisch-optische Element 450 zu projizieren. Dabei ist die Bildgebereinrichtung 510 ausgebildet, um das Bild repräsentierende Lichtstrahlen in einer dem Referenzlichtstrahl aus 4 entsprechenden Richtung auf das holografisch-optische Element 450 zu projizieren. Somit ist das virtuelle Bild 550 in dem Abstand d von dem holografisch-optischen Element 450 rekonstruiert. In der Darstellung von 5 ist hierbei das holografisch-optische Element 450 zwischen dem virtuellen Bild 550 und der HUD-Optik 520 angeordnet, wobei die HUD-Optik 520 zwischen dem holografisch-optischen Element 450 und dem Auge 530 angeordnet ist, wobei das virtuelle Bild 550 zwischen dem holografisch-optischen Element 450 und dem Bild 540 angeordnet ist. Das virtuelle Bild 550 ist im Wesentlichen genau in der Brennweite 525 der HUD-Optik 520 angeordnet. Somit ist die in dem virtuellen Bild 550 gespeicherte optische Funktion im Wesentlichen genau an der Brennweite 525 der HUD-Optik 520 wirksam. Das holografisch-optische Element 450 ist ausgebildet, um basierend auf dem projizierten Bild und mittels des Virtuelles Bilds 550 ein aufbereitetes Bild zum Abbilden in einen Sichtbereich des Insassen bzw. Betrachters zu erzeugen.
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Anders ausgedrückt zeigt 5 eine specklefreie Projektionsfläche für die Blickfeldanzeigevorrichtung 500, die das holografisch-optische Element 450 mit dem Virtuelles Bild 550 eines Mikrolinsenrasters und die nachfolgende HUD-Optik 520 aufweist. Der Beobachter sieht nun eine homogene Vergrößerung des projizierten Bildes 540 auf der Hologrammebene. Da die optische Funktion bzw. Linsenfunktion des Mikrolinsenrasters im holografisch-optischen Element 450 mit dem Abstand d zum Element 450 gespeichert ist, wird ein specklefreies Bild erhalten.
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Hierbei kann das Mikrolinsenraster bei der Aufnahme bzw. beim Herstellen des holografisch-optischen Elements 450 in dem anpassbaren Abstand d zum holografischen Material bzw. Film bzw. einer holografischen Platte angeordnet sein. Der holografische Film selbst dient in der Blickfeldanzeigevorrichtung 500 als Projektionsfläche, auf den die Bildgebereinrichtung 510 bzw. ein Laser scannt. Eine Rekonstruktion des Objektes Mikrolinse in Gestalt des Virtuelles Bilds 550 findet damit bei einer Belichtung des holografisch-optischen Elements 450 mittels der Bildgebereinrichtung 510 wieder in dem beim Herstellen verwendeten Abstand d statt. Dieses virtuelle Bild 550 ist ausgebildet, um einen Laserstrahl von der Bildgebereinrichtung 510 mit relativ konstanter Phasenfront in die gewünschte Eyebox aufzuweiten. Der Beobachter schaut quasi wieder über eine Aufweitungsoptik in den Laser. Zudem ist auf dem holografisch-optischen Element ein reeller Bildinhalt schreibbar. Durch eine Anordnung des holografisch-optischen Elementes 450 mit dem virtuellen Bild 550 des MLA im Abstand d innerhalb der Brennweite 525 der nachfolgenden HUD-Optik 520 entsteht das virtuelle Bild der reellen Information, welche die Bildgebereinrichtung 510 bzw. der Laserscanner auf das virtuelle Bild 550 schreibt. Das rekonstruierte Mikrolinsenobjekt ist beispielsweise fast direkt in der Brennweite 525 der nachfolgenden HUD-Optik 520 angeordnet und wird unendlich vergrößert. So sieht der Beobachter jedes Pixel bzw. das virtuelle Bild, welches scheinbar von einer specklefreien Hinterleuchtung ausgeleuchtet wird.
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Das rekonstruierte Objekt, das Mikrolinsenraster 550, wird durch seine Lage nahe der Brennweite 525 der HUD-Optik 520 scheinbar ins Unendliche vergrößert und damit für den Beobachter als homogene Fläche sichtbar.
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Störende Helligkeitsunterschiede, die bei einem nicht-holografischen Ansatz auftreten können, sind damit vermeidbar.
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6 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 600 zum Anzeigen eines Bildes für einen Insassen eines Fahrzeugs gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren 600 zum Anzeigen ist unter Verwendung bzw. in Verbindung mit einer Blickfeldanzeigevorrichtung wie der Blickfeldanzeigevorrichtung aus 5 vorteilhaft ausführbar, um einem Insassen eines Fahrzeugs ein Bild anzuzeigen.
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Das Verfahren 600 weist einen Schritt 610 des Bereitstellens einer Blickfeldanzeigevorrichtung mit einem holografisch-optischen Element als Projektionsfläche auf. Dabei weist das holografisch-optische Element ein Virtuelles Bild auf, in dem eine optische Funktion zumindest einer in einem Abstand von dem holografisch-optischen Element angeordneten Mikrolinse gespeichert ist. Hierbei ist der Abstand an zumindest einen Parameter einer dem holografisch-optischen Element optisch nachgeschalteten optischen Einrichtung angepasst.
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Auch weist das Verfahren 600 eine Schritt 620 des Projizierens des Bildes mittels einer Bildgebereinrichtung auf das holografisch-optische Element auf, um ein aufbereitetes Bild zum Abbilden in einen Sichtbereich des Insassen zu erzeugen. Beim Abbilden des aufbereiteten Bildes in den Sichtbereich durchläuft das aufbereitete Bild beispielsweise eine Abbildungsoptik der Blickfeldanzeigevorrichtung.
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7 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 700 zum Herstellen eines holografisch-optischen Elements als Projektionsfläche für eine Blickfeldanzeigevorrichtung zum Anzeigen eines Bildes für einen Insassen eines Fahrzeugs gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Durch Ausführen des Verfahrens 700 zum Herstellen ist ein holografisch-optisches Element, wie das holografisch-optische Element aus 4 bzw. 5, als Projektionsfläche für eine Blickfeldanzeigevorrichtung, wie die Blickfeldanzeigevorrichtung aus 5, vorteilhaft herstellbar.
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Das Verfahren 700 weist einen Schritt 710 des Anordnens zumindest einer Mikrolinse in einem Abstand von einem holografischen Material auf. Hierbei ist der Abstand an zumindest einen Parameter einer in der Blickfeldanzeigevorrichtung dem holografisch-optischen Element optisch nachzuschaltenden optischen Einrichtung angepasst.
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Auch weist das Verfahren 700 einen Schritt 720 des Belichtens des holografischen Materials mit einem Referenzlichtstrahl und einem die zumindest eine Mikrolinse durchlaufenden Objektlichtstrahl auf, um ein an einer Überlagerungsposition des Referenzlichtstrahls und des Objektlichtstrahls entstehendes Interferenzmuster als ein virtuelles Bild in dem holografischen Material zu erzeugen. Dabei wird in dem virtuellen Bild eine optische Funktion der zumindest einen in dem Abstand angeordneten Mikrolinse gespeichert, um das holografisch-optische Element herzustellen.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel werden im Schritt 710 des Anordnens mehrere optisch hintereinander geschaltete Mikrolinsen, ein Mikrolinsenraster mit einer Mehrzahl von Mikrolinsen, mehrere optisch hintereinander geschaltete Mikrolinsenraster und zusätzlich oder alternativ mindestens eine benachbart zu der zumindest einen Mikrolinse angeordnete Zusatzoptik zur Umlenkung und/oder Kollimation angeordnet und werden im Schritt 720 des Belichtens durch den Objektstrahl durchlaufen, um in dem Virtuelles Bild eine entsprechende optische Funktion zu speichern. Die entsprechende optische Funktion umfasst dabei eine optische Funktion mehrerer optisch hintereinander geschalteter Mikrolinsen, eine optische Funktion eines Mikrolinsenrasters mit einer Mehrzahl von Mikrolinsen, eine optische Funktion mehrerer optisch hintereinander geschalteter Mikrolinsenraster und zusätzlich oder alternativ eine optische Funktion mindestens einer benachbart zu der zumindest einen Mikrolinse angeordneten Zusatzoptik zur Umlenkung und/oder Kollimation.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel werden der Schritt 710 des Anordnens und der Schritt 720 des Belichtens für unterschiedliche Anordnungspositionen einer Mikrolinse in dem Abstand von dem holografischen Material wiederholt ausgeführt, um in dem virtuellen Bild eine optische Funktion zu speichern, die ein in dem Abstand angeordnetes Mikrolinsenraster repräsentiert. Durch sequenzielles Wiederholen der Schritte 710 und 720 wird somit ein Hologramm eines Mikrolinsenrasters durch wiederholtes Belichten einer einzigen Mikrolinse und sequenzielle Änderung der Position derselben realisiert. Es wird bei der Aufnahme bzw. beim Erzeugen des Virtuelles Bilds somit eine einzige Mikrolinse verwendet und das holografische Material sequenziell belichtet.
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Unter Bezugnahme auf die 4 bis 7 werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung im Folgenden kurz und mit anderen Worten zusammengefasst.
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Gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung sind eine Realisierung einer holografischen Projektionsfläche, in Gestalt des holografisch-optischen Elements 450, mit einer gewünschten Eyebox, und auch eine Eliminierung von Speckle möglich. Unter Verwendung einer solchen holografischen Lösung können sogenannte Speckle-Effekte deutlich reduziert oder eliminiert werden und zudem ist es möglich, eine das anzuzeigende Bild repräsentierende Strahlung lediglich in eine gewünschte Eyebox aufzuweiten und dennoch an eine nachfolgende HUD-Optik 520 der Blickfeldanzeigevorrichtung 500 bzw. an unterschiedliche Vergrößerungsmaßstäbe anzupassen, beispielsweise für ein herkömmliches Head-up Display, ein kontaktanaloges Head-up Display oder dergleichen. Vorteilhaft ist hierbei auch eine Realisierung einer Pupillenvervielfachung mit nachfolgender Abbildungsoptik 520 zur Specklefreiheit. Es kann durch eine Pupillenvervielfachung ein sogenanntes Speckle deutlich reduziert oder eliminiert werden.
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Durch entsprechende holografisch-optische Elemente 450 mit einem virtuellen Bild 550 im Abstand d von 450 zumindest einer Mikrolinse bzw. eines Mikrolinsenrasters 440 kann eine effiziente Strahlumverteilung in eine gewünschte Winkelverteilung und Richtung insbesondere bei Verwendung von Laserlicht, z. B. mit Laserprojektoren, erzielt werden. So ist eine einfache Anpassbarkeit an unterschiedlichste Abbildungsoptiken mit unterschiedlichen Vergrößerungsmaßstäben, insbesondere kontaktanaloge Head-up Displays mit hoher Vergrößerung erreichbar.
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Vorteile gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kommen bei weiterem Wachstum des Marktes für Head-up Displays besonders zum Tragen. Zunehmend können dabei auch miniaturisierte Projektoren, basierend auf einer Laser-Technologie, z. B. flying-spot-Verfahren, eingesetzt werden. Anders als bei einer Projektion auf eine herkömmliche Streuscheibe entsteht ohne die dabei auftretende Aufweitung des Laserstrahls kein störendes Speckle, sodass hervorragende Bildqualitäten erreichbar sind. Im Gegensatz zu einem Mikrolinsenraster als Projektionsfläche kann vorteilhafterweise auch verhindert werden, dass andere unerwünschte Heiligkeitsunregelmäßigkeiten auftreten, die ebenfalls die Bildqualität stark beeinträchtigen würden. Ebenfalls anders als bei einem Mikrolinsenraster (pupil expander) als Projektionsfläche entfallen gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung erforderliche Anpassungen an unterschiedliche Entwürfe von Head-up Displays, wie beispielsweise bei Änderungen der Brennweiten, Sichtfeld bzw. Field of View, Frontscheibe des Fahrzeugs oder dergleichen. Im Gegensatz zu einer Abbildung eines Mikrolinsenrasters über die Optik eines Head-up Displays ist gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung beispielsweise keine aufwendig genaue Abstimmung von Brennweiten erforderlich und kann eine Anfälligkeit für Frontscheibentoleranzen reduziert oder eliminiert werden. Somit kann vermieden werden, dass für unterschiedliche Frontscheibentypen und unterschiedliche Abbildungsoptiken, mit unterschiedlichen Vergrößerungsmaßstäben, eine Größe und Brennweite von Mikrolinsenrastern an einen jeweiligen Entwurf eines Head-up Displays anzupassen sind. Es ist auch möglich, ansonsten durch eine Vergrößerungsfunktion einer HUD-Scheibe auftretenden Helligkeitsschwankungen bzw. eine Sichtbarkeit vergrößerter Linsenköpfe, im Bild zu vermeiden bzw. zu kompensieren. Auch kann auf weitere optische Elemente, beispielsweise zum Beleuchten, insbesondere zum kollimierten Beleuchten, von Mikrolinsen in Richtung ihrer optischen Achse, verzichtet werden.
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Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden.
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Ferner können die hier vorgestellten Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden.
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Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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