DE102021105830A1

DE102021105830A1 - Wellenfrontmanipulator für Head-up-Display mit holographischem Element, optische Anordnung und Head-up-Display

Info

Publication number: DE102021105830A1
Application number: DE102021105830.9A
Authority: DE
Inventors: Yi Zhong; Marc Junghans; Daniel Thomae; Roman Kleindienst; Siemen Kühl; Christoph Erler
Original assignee: Carl Zeiss Jena GmbH
Current assignee: Jenoptik AG
Priority date: 2021-03-10
Filing date: 2021-03-10
Publication date: 2022-09-15
Also published as: US20230418059A1; KR20230152040A; WO2022189275A1; CN117529677A; EP4305474A1

Abstract

Es wird ein Wellenfrontmanipulator (7) zur Anordnung im Strahlengang (8, 19, 20) eines Head-up-Displays (10) zwischen einer bildgebenden Einheit (1) und einer Projektionsoberfläche (4) beschrieben. Der Wellenfrontmanipulator (7) umfasst eine holographische Anordnung (3), welche mindestens zwei holographische Elemente (11, 12) umfasst, wobei die mindestens zwei holographischen Elemente (11, 12) im Strahlengang (8, 19, 20) unmittelbar hintereinander angeordnet sind und für mindestens eine festgelegte Wellenlänge und einen festgelegten Einstrahlwinkelbereich reflektiv ausgestaltet sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wellenfrontmanipulator zur Anordnung im Strahlengang eines Head-up-Displays (HUD) zwischen einem Projektionsobjektiv und einer Projektionsoberfläche, insbesondere einer gekrümmten Projektionsoberfläche. Die Erfindung betrifft darüber hinaus eine optische Anordnung und ein Head-up-Display.
Head-up-Displays kommen inzwischen im Rahmen vielfältiger Anwendungen zum Einsatz, unter anderem auch im Zusammenhang mit Sichtfenstern von Fahrzeugen, zum Beispiel an Windschutzscheiben von Kraftfahrzeugen, Frontscheiben oder Sichtfenstern von Flugzeugen. Diese Sichtscheiben und insbesondere Windschutzscheiben weisen üblicherweise eine gekrümmte Oberfläche auf, welche als Projektionsoberfläche von Head-up-Displays genutzt wird.
Ein Head-up-Display umfasst üblicherweise eine bildgebende Einheit (PGU - picture generating unit) oder einen Projektor, eine Projektionsoberfläche, eine Eyebox und eine virtuelle Bildebene. Mittels der bildgebenden Einheit oder des Projektors wird eine Abbildung erzeugt. Die Abbildung wird auf die Projektionsoberfläche projiziert und von der Projektionsoberfläche in die Eyebox projiziert. Bei der Eyebox handelt es sich um eine Ebene oder einen Raumbereich, in welchem die projizierte Abbildung für einen Betrachter als virtuelles Bild wahrnehmbar ist. Die virtuelle Bildebene, also die Ebene auf der das virtuelle Bild erzeugt wird, ist auf oder hinter der Projektionsoberfläche angeordnet.
Durch die Krümmung der Projektionsoberfläche und durch kompakte Anordnungen auf geringem Bauraum mit unter Umständen starken Verkippungen einzelner Komponenten zueinander und entsprechend komplex gefalteten Strahlengängen kommt es zu Abbildungsfehlern oder Aberrationen. Eine Windschutzscheibe kann im Allgemeinen als optische Freiformfläche beschrieben werden. Wird ein Head-up-Display im Zusammenhang mit einer gekrümmten Windschutzscheibe oder einem gekrümmten Sichtfenster verwendet, so ist es erwünscht, durch die Krümmung auftretende Abbildungsfehler, die genannten bauraumbedingt unter Umständen auftretenden Abbildungsfehler sowie gegebenenfalls durch die bildgebende Einheit hervorgerufene Abbildungsfehler im optischen Strahlengang zu korrigieren. Die Abbildungsfehler oder Aberrationen, die dabei auftreten können, sind zum Beispiel Verzeichnung, Defokus, Kippung, Astigmatismus, Wölbung der Bildebene, sphärische Aberrationen, höherer Astigmatismus und Koma. Im Zusammenhang mit Head-up-Displays, insbesondere für Fahrzeuganwendungen, sind zudem ein möglichst großes Sichtfeld, eine möglichst große Eyebox sowie eine gleichmäßige, helle und mehrfarbige Abbildung erwünscht.
Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen vorteilhaften Wellenfrontmanipulator zur Anordnung im Strahlengang eines Head-up-Displays zwischen einem Projektionsobjektiv und einer gekrümmten Projektionsoberfläche zur Verfügung zu stellen, welcher zuvor genannte Abbildungsfehler zumindest teilweise korrigiert. Weitere Aufgaben bestehen darin, eine vorteilhafte optische Anordnung für ein Head-up-Display an einer gekrümmten Projektionsoberfläche sowie ein vorteilhaftes Head-up-Display zur Verfügung zu stellen.
Die erste Aufgabe wird durch einen Wellenfrontmanipulator gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Die weiteren Aufgaben werden durch eine optische Anordnung gemäß Patentanspruch 12 und durch ein Head-up-Display gemäß Patentanspruch 16 gelöst. Die abhängigen Ansprüche enthalten weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Der erfindungsgemäße Wellfrontmanipulator zur Anordnung im Strahlengang eines Head-up-Displays zwischen einer bildgebenden Einheit (PGU - Picture-Generating-Unit) beziehungsweise einem Projektionsobjektiv und einer Projektionsoberfläche, beispielsweise einer gekrümmten Projektionsoberfläche, umfasst eine holographische Anordnung. Die holographische Anordnung umfasst mindestens zwei holographische Elemente. Die mindestens zwei holographischen Elemente sind im Strahlengang unmittelbar hintereinander angeordnet. Es ist mit anderen Worten kein weiteres optisches Element oder Bauteil zwischen den mindestens zwei holographischen Elementen angeordnet. Die mindestens zwei holographischen Elemente sind darüber hinaus für mindestens eine festgelegte Wellenlänge und einen festgelegten Einstrahlwinkelbereich reflektiv ausgestaltet. Vorzugsweise sind die holographischen Elemente im Übrigen transmissiv ausgestaltet.
Die Verwendung von zwei unmittelbar hintereinander angeordneten zumindest teilweise reflektiv ausgestalteten holographischen Elementen hat den Vorteil, dass insbesondere im Zusammenhang mit einem Head-up-Display die Abbildungsqualität durch die individuelle Ausgestaltung der holographischen Elemente erheblich verbessert werden kann. Dazu wird durch die holographischen Elemente nahezu kein Bauraum beansprucht, sodass mittels des erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulators bei nur geringem verfügbarem Bauraum, wie beispielsweise bei einem für ein Kraftfahrzeug ausgelegten Head-up-Display, eine deutliche Erhöhung der Abbildungsqualität erzielt werden kann. Durch die holographische Anordnung wird insbesondere eine hohe Brennkraft erreicht, vergleichbar mit der Brennkraft wie sie beispielsweise durch eine transmissiv ausgestaltete optische Komponente ohne chromatische Aberration erreicht wird. Verglichen mit Transmissionshologrammen bieten reflektive Hologramme für eine definierte Wellenlänge ein breiteres Winkelspektrum mit einer hohen Effizienz und einer höheren Wellenlängenselektivität. Dadurch können die Farbkanäle trotz eines breiten Einfallswinkelspektrums voneinander getrennt werden. Die holographische Anordnung ermöglicht also ein großes Sichtfeld (Field of View-FOV) bei gleichzeitig hoher Effizienz und eignet sich damit sowohl für VR-Head-up-Displays (VR - Virtuelle Realität) bzw. Augmented Reality - Head-up-Displays (AR-HUD) mit einem großen Sichtfeld und großer nummerischer Apertur. Weitere Anwendungsmöglichkeiten stellen Head-up-Displays mit gekrümmten Projektionsoberflächen dar, beispielsweise Head-up-Displays für Windschutzscheiben von Fahrzeugen, insbesondere Kraftfahrzeugen, Flugzeugen oder Schiffen, sowie allgemein für Sichtfenster.
Ein weiterer Vorteil, welcher durch die holographische Anordnung erreicht wird, besteht darin, dass aufgrund des hohen Beugungswinkels der holographischen Anordnung der Anteil des Lichts aus ungenutzten Beugungsordnungen, welches in die Eyebox reflektiert wird, reduziert wird. Darüber hinaus können qualitativ hochwertige mehrfarbige Abbildungen erzeugt werden.
In einer bevorzugten Variante umfasst der erfindungsmäße Wellenfrontmanipulator mindestens ein optisches Element, welches eine Freiformfläche aufweist, also eine optisch wirksame Freiformfläche, und zur Anordnung im Strahlengang zwischen der bildgebenden Einheit und der holographischen Anordnung ausgelegt ist. Das die Freiformfläche umfassende optische Element trägt durch eine entsprechende Ausgestaltung der Freiformfläche zu einer Verbesserung der Auflösung bei und erlaubt eine gezielte Korrektur von Abbildungsfehlern. Darüber hinaus beansprucht das optische Element aufgrund der Freiformfläche nur sehr wenig Bauraum. Es trägt also auch erheblich zu einer Verbesserung der Abbildungsqualität eines kompakt ausgestalteten Head-up-Displays bei.
Das optische Element, welches die Freiformfläche aufweist, kann reflektiv und/oder transmissiv ausgestaltet sein. Im Zusammenhang mit einer Anwendung für kompakt ausgestaltete Head-up-Displays ist eine reflektive Ausgestaltung besonders vorteilhaft, da das optische Element auf diese Weise gleichzeitig zu einer ohnehin erforderlichen Strahlumlenkung auch unter hohen Einfallswinkeln beitragen kann ohne dabei zusätzliche Bildfehler wie insbesondere chromatische Aberrationen zu induzieren. Vorzugsweise ist die Freiformfläche dazu ausgebildet, mindestens eine Aberration bzw. einen Abbildungsfehler zumindest teilweise zu korrigieren. Dabei kann es sich um mindestens einen der eingangs genannten Abbildungsfehler handeln. Der bzw. die Abbildungsfehler kann/können durch die Projektionsoberfläche verursacht sein, insbesondere im Falle einer gekrümmten Projektionsoberfläche, und/oder durch die bildgebende Einheit und/oder durch die Geometrie des Strahlenganges, beispielsweise im Rahmen eines Head-up-Displays, verursacht sein. Mittels der Freiformfläche kann darüber hinaus die Auflösung und damit die Abbildungsqualität optimiert werden.
Vorzugsweise weist die Freiformfläche eine Oberflächengeometrie auf, welche aus einer von mindestens einem festgelegten Parameter abhängigen Abbildungsfunktion abgeleitet ist. Der mindestens eine festgelegte Parameter kann sich aus einer vorgesehenen Anwendung des Wellenfrontmanipulators ergeben. Zum Beispiel kann der Krümmungsradius einer Windschutzscheibe als die Form der Freiformfläche beeinflussender Parameter verwendet werden. Das optische Element kann mehrere Freiformflächen aufweisen, insbesondere um an die jeweilige Anwendungsgeometrie angepasste Korrekturen von Aberrationen vornehmen zu können. Dies ermöglicht zum Beispiel im Rahmen einer Anwendung in Kraftfahrzeugen die Verwendung eines einheitlichen Wellenfrontmanipulators, welcher durch die konkrete Auswahl oder Anordnung der verwendeten Freiformflächen an die konkrete Geometrie der vorhandenen Windschutzscheibe angepasst werden kann.
Vorzugsweise umfasst jedes der mindestens zwei holographischen Elemente eine Anzahl an Hologrammen. Dabei ist jedes Hologramm mit mindestens einer festgelegten Wellenlänge aufgenommen bzw. generiert. Ein holographisches Element kann zum Beispiel mehrere Hologramme umfassen, welche als Stapel aufeinander angeordnet sein können. Beispielsweise kann ein holographisches Element eine Anzahl, vorzugsweise eine Mehrzahl, monochromatischer Hologramme ausweisen. Alternativ dazu kann ein holographisches Element mindestens ein Hologramm umfassen, welches mit mindestens zwei festgelegten Wellenlängen aufgenommen bzw. generiert ist. Vorzugsweise ist ein solches Hologramm mit drei unterschiedlichen Wellenlängen eines festgelegten Farbraums aufgenommen, beispielsweise als RGB-Hologramm oder CMY-Hologramm oder als aus einer Anzahl an einzelnen Wellenlängen eines anderen Farbraums gebildetes Hologramm ausgestaltet. In den genannten Beispielen steht R für Rot, G für Gelb, B für Blau, C für Cyan, M für Magenta und Y für Yellow bzw. Gelb.
Es kann also mindestens eins, vorzugsweise zwei, der mindestens zwei holographischen Elemente mindestens zwei, vorzugsweise drei, Hologramme umfassen, welche für voneinander abweichende Wellenlängen reflektiv ausgestaltet sind. Zusätzlich oder alternativ dazu kann mindestens ein, vorzugsweise zwei, der mindestens zwei holographischen Elemente mindestens ein Hologramm umfassen, welches für mindestens zwei, vorzugsweise drei, voneinander abweichende Wellenlängen reflektiv ausgestaltet ist. Mit anderen Worten sind die genannten Hologramme mit entsprechend voneinander abweichenden Wellenlängen aufgenommen worden.
Die Anordnung der einzelnen Hologramme eines holographischen Elements oder der Gesamtheit der Hologramme der holographischen Anordnung kann als Freiheitsgrad verwendet werden um Filtereffekte zwischen den Hologrammen zu vermeiden. Die einzelnen, sich voneinander unterscheidenden Hologramme eines holographischen Elements können in Bezug auf eine Mittellinie bzw. Mittelachse, welche mit der optischen Achse zusammenfallen kann, oder in Bezug auf einen anderen festgelegten geometrischen Parameter des holographischen Elements nebeneinander und/oder hintereinander angeordnet sein.
Die holographische Anordnung kann ein erstes holographisches Element und ein zweites holographisches Element umfassen, wobei mehrere der Hologramme oder alle Hologramme des jeweiligen holographischen Elements mit Ausnahme der Wellenlänge, für die sie ausgelegt sind, identisch oder gleich ausgestaltet sind. Mit anderen Worten können mehrere oder alle Hologramme des ersten holographischen Elements identisch ausgestaltet sein und sich nur in Bezug auf die Wellenlänge, für die sie ausgelegt sind, voneinander unterscheiden. Analog können mehrere oder alle Hologramme des zweiten holographischen Elements identisch ausgestaltet sein und sich nur in Bezug auf die Wellenlänge, für die sie ausgelegt sind, voneinander unterscheiden.
Vorzugsweise ist das erste holographische Element in Bezug auf die Anordnung der einzelnen Hologramme spiegelsymmetrisch zu dem zweiten holographischen Element angeordnet. Zum Beispiel kann das erste holographische Element ein mit rotem Licht, ein mit grünem Licht und ein mit blauem Licht aufgenommenes Hologramm umfassen, welche in der genannten Reihenfolge aufeinander angeordnet sind. Das zweite holographische Element kann ebenfalls ein mit rotem Licht, ein mit grünem Licht und ein mit blauem Licht aufgenommenes Hologramm aufweisen, welche ebenfalls in dieser Reihenfolge aufeinander angeordnet sind. Das erste holographische Element und das zweite holographische Element sind im Falle einer spiegelsymmetrischen Anordnung so aufeinander oder zueinander benachbart angeordnet, dass beispielsweise das mit rotem Licht aufgenommene Hologramm des ersten holographischen Elements zu dem mit rotem Licht aufgenommenen Hologramm des zweiten holographischen Elements unmittelbar benachbart angeordnet ist. Alternativ dazu kann die Anordnung der Hologramme des ersten holographischen Elements mit der Anordnung der Hologramme des zweiten holographischen Elements in Bezug auf eine festgelegte Richtung identisch sein. Zum Beispiel können beide holographischen Elemente in Bezug auf eine festgelegte Richtung in der Reihenfolge RGB (R - mit rotem Licht aufgenommenes Hologramm, G - mit grünem Licht aufgenommenes Hologramm, B - mit blauem Licht aufgenommenes Hologramm) angeordnete Hologramme aufweisen, die so aneinander angeordnet sind, dass das Hologramm R des einen holographischen Elements an dem Hologramm B des anderen holographischen Elements angrenzt. Beliebige andere, voneinander abweichende Anordnungen sind ebenfalls möglich, zum Beispiel RGB an GBR angrenzend oder anliegend u.s.w..
In einer weiteren vorteilhaften Variante ist eine Mehrzahl der Hologramme mindestens eines der holographischen Elemente mit zwei Konstruktionswellenfronten aufgenommen. Davon ist mindestens eine Konstruktionswellenfront mindestens eines Hologramms der holographischen Elemente bezüglich der Wellenlänge und des Einstrahlwinkels identisch mit mindestens einer Konstruktionswellenfront eines anderen Hologramms eines der holographischen Elemente, insbesondere des ersten und/oder des zweiten holographischen Elements. Die Verwendung identischer Konstruktionswellenfronten für verschiedene Wellenlängen hat den Vorteil, dass die erforderlichen Hologramme mit geringem Aufwand und hoher Präzision hergestellt werden können.
Die gemeinsam verwendete Konstruktionswellenfront ist bevorzugt definiert als ebene Welle, welche zu einem minimalen Filtereffekt zwischen verschiedenen Wellenlängen führt. Die Einstrahlrichtung der Konstruktionswellenfront für die mindestens zwei holographischen Elemente der holographischen Anordnung kann als Freiheitsgrad verwendet werden um Filtereffekte zwischen verschiedenen Wellenlängen zu vermeiden. Die Einstrahlrichtung kann für jede Wellenlänge auch unterschiedlich gewählt werden. Vorzugsweise sind die Konstruktionswellenfronten für die mindestens zwei Wellenlängen, vorzugsweise dafür die drei Wellenlängen, die gleichen Konstruktionswellenfronten für jedes holographische Element und unterscheiden sich lediglich in der verwendeten Wellenlänge.
Der Abstand und die Dicke der Hologramme sind vernachlässigbar verglichen mit der Dimension bzw. der Ausdehnung des Wellenfrontmanipulators oder einer den Wellenfrontmanipulator umfassenden optischen Anordnung. Die holographische Anordnung ist daher frei von potenziell durch eine Ausdehnung in Richtung einer optischen Achse verursachte Aberrationen. Die Konstruktionswellenfronten der holographischen Elemente können darüber hinaus als Freiheitsgrad zur Kompensation von Materialtoleranzen verwendet werden, zum Beispiel zur Kompensation von Materialschrumpfungen. In diesem Fall weichen die allgemeinen Konstruktionswellenfronten leicht voneinander ab.
Vorzugsweise sind die mindestens zwei holographischen Elemente in einem Abstand von weniger als einem Millimeter, insbesondere von weniger als 0,5 Millimetern, vorzugsweise von weniger als 0,1 Millimetern, zueinander angeordnet. Der Abstand ist bevorzugt Null oder vernachlässigbar. Dadurch wird einerseits eine hohe Abbildungsqualität erreicht, zudem müssen die einzelnen holographischen Elemente in Bezug auf ihre Position zueinander nicht nachträglich justiert werden.
Die holographische Anordnung kann in Form einer Schicht oder einer Folie oder eines Substrats, zum Beispiel in Form eines Volumenhologramms, oder einer Platte ausgestaltet sein. Zusätzlich oder alternativ dazu kann die holographische Anordnung eine ebene Oberfläche oder eine gekrümmte Oberfläche aufweisen. Die holographische Anordnung kann zum Beispiel an oder auf einer Oberfläche eines Deckglases oder eines anderen ohnehin vorhandenen optischen Bauteils angeordnet sein oder werden. Es wird auf diese Weise kein zusätzlicher Bauraum beansprucht. Zum Beispiel kann der Wellenfrontmanipulator ein transmissiv ausgestaltetes optisches Bauteil umfassen, welches dazu ausgelegt ist, im Strahlengang zwischen der holographischen Anordnung und der Projektionsoberfläche angeordnet zu werden. In diesem Fall kann die holographische Anordnung vorzugsweise an einer der Projektionsoberflächen abgewandte Oberfläche des transmissiv ausgestalteten optischen Bauteils angeordnet sein. Sowohl das transmissiv ausgestattete optische Bauteil als auch die holographische Anordnung können gekrümmt, vorzugsweise mit der gleichen Krümmung, ausgestaltet sein. Das genannte transmissiv ausgestattete optische Bauteil kann zum Beispiel ein sogenanntes Glare-Trap (Blendfalle) sein, welches üblicherweise an einer Position zwischen einer Windschutzscheibe und einem Head-up-Display angeordnet wird und welches dazu ausgelegt ist, Sonnenlicht in eine festgelegte Richtung zu reflektieren, sodass es nicht über das Head-up-Display in Richtung der Eyebox reflektiert wird. In dieser Ausgestaltungsvariante sind die holographische Anordnung und das Glare-Trap vorzugsweise mit der gleichen Krümmung ausgestaltet und direkt aneinander anliegend angeordnet.
Insgesamt ermöglicht der erfindungsgemäße Wellenfrontmanipulator durch die holographischen Elemente eine deutlich stärkere oder extremere Umlenkung des verwendeten Lichts als es mit klassischen refraktiven optischen Komponenten möglich ist. Zudem sind qualitativ hochwertige mehrfarbige Abbildungen projizierbar.
Die erfindungsgemäße optische Anordnung für ein Head-up-Display an einer Projektionsoberfläche, beispielweise einer gekrümmten Projektionsoberfläche, umfasst eine bildgebende Einheit und einen zuvor beschriebenen Wellenfrontmanipulator. Die bildgebende Einheit umfasst vorteilhafterweise eine Ebene, ist also räumlich ausgedehnt, wobei die Ebene dazu ausgelegt ist Licht in einem festgelegten Abstrahlwinkelbereich und mit einer festgelegten maximalen Bandbreite bezüglich der Wellenlängen des ausgesandten Lichts auszusenden. Vorzugsweise strahlt jeder lichtaussendende Punkt der Ebene Licht in Form einer Streukeule oder in einem festgelegten Winkelbereich ab. Dies kann zum Beispiel durch die Verwendung eines Diffusors erreicht werden. Vorzugsweise ist die bildgebende Einheit dazu ausgelegt, Laserlicht, insbesondere Laserstrahlen, auszusenden. Vorteilhafterweise ist die bildgebende Einheit dazu ausgelegt, Laserlicht in mindestens zwei, vorzugsweise mindestens drei, unterschiedlichen Wellen auszusenden. Dabei handelt es sich vorzugsweise um drei unterschiedliche Wellenlängen eines festgelegten Farbraums, zum Beispiel Rot, Grün und Blau oder Cyan, Magenta und Gelb. Da die holographischen Elemente verglichen mit anderen optischen Bauteilen, wie beispielsweise Spiegeln und Linsen, sensitiver in Bezug auf die Bandbreite jeder Wellenlänge sind, ist es von Vorteil, wenn die bildgebende Einheit als Laserscanner mit einer scharfen Bandbreite für jede Farbe ausgestaltet ist.
Die erfindungsgemäße optische Anordnung weist vorzugsweise ein Volumen von weniger als 10 Litern auf, nimmt also mit anderen Worten einen Bauraum von weniger als 10 Litern ein. Die erfindungsgemäße optische Anordnung hat die oben bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator genannten Merkmale und Vorteile. Sie bietet insbesondere ein Head-up-Display, welches sehr kompakt ausgestattet ist, also einen nur geringen Bauraum einnimmt, und gleichzeitig eine sehr hohe Abbildungsqualität gewährleistet.
Sowohl der erfindungsgemäße Wellenfrontmanipulator als auch die erfindungsgemäße optische Anordnung eignen sich für eine Nachrüstung in beispielsweise Kraftfahrzeugen, Flugzeugen oder VR-Anordnungen, zum Beispiel VR-Brillen.
Das erfindungsgemäße Head-up-Display umfasst eine gekrümmte Projektionsoberfläche und eine zuvor beschriebene erfindungsgemäße optische Anordnung. Bei der gekrümmten Projektionsoberfläche handelt es sich zum Beispiel um eine Windschutzscheibe eines Fahrzeugs, zum Beispiel eines Kraftfahrzeugs, eines Flugzeugs oder eines Schiffs. Es kann sich bei der gekrümmten Projektionsoberfläche aber auch um ein anderes Sichtfenster handeln, beispielsweise ein Sichtfenster einer VR-Brille. Die gekrümmte Projektionsoberfläche kann beispielweise als Freiformfläche betrachtet werden. Mittels des erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulators werden hierdurch verursachte Abbildungsfehler bzw. Aberrationen kompensiert.
Das erfindungsgemäße Head-up-Display ermöglicht das Erzeugen eines virtuellen Bildes mit einem großen Sichtfeld. Zum Beispiel kann ein rechteckiges virtuelles Bild erzeugt werden, welches ein Sichtfeld von zum Beispiel mindestens 10 Grad, vorzugsweise mindestens 15 Grad mal 5 Grad (FOV: 15° x 5°), aufweist und in einem bestimmten Abstand von der Eyebox entfernt beobachtbar ist, zum Beispiel in einem Abstand zwischen 6 Metern und 12 Metern. Die Eyebox kann eine Abmessung von bis zu 150mm x 150mm aufweisen.
Durch entsprechende Konstruktionswellen der holographischen Elemente kann die Helligkeit und die Einheitlichkeit des virtuellen Bildes optimiert werden. Darüber hinaus kann durch Einstellen des Faktors der Farbmischung, beispielsweise des RGB-Farbraums in der bildgebenden Einheit die Gleichmäßigkeit des Weißgrades eingestellt werden.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher erläutert. Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wird, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
Die Figuren sind nicht notwendigerweise detailgetreu und maßstabsgetreu und können vergrößert oder verkleinert dargestellt sein, um einen besseren Überblick zu bieten. Daher sind hier offenbarte funktionale Einzelheiten nicht einschränkend zu verstehen, sondern lediglich als anschauliche Grundlage, die dem Fachmann auf diesem Gebiet der Technik Anleitung bietet, um die vorliegende Erfindung auf vielfältige Weise einzusetzen.
Der hier verwendete Ausdruck „und/oder“, wenn er in einer Reihe von zwei oder mehreren Elementen benutzt wird, bedeutet, dass jedes der aufgeführten Elemente alleine verwendet werden kann, oder es kann jede Kombination von zwei oder mehr der aufgeführten Elemente verwendet werden. Wird beispielsweise eine Zusammensetzung beschrieben, die die Komponenten A, B und/oder C, enthält, kann die Zusammensetzung A alleine; B alleine; C alleine; A und B in Kombination; A und C in Kombination; B und C in Kombination; oder A, B, und C in Kombination enthalten.

1 zeigt schematisch den Strahlengang eines erfindungsgemäßen Head-up-Displays für eine Windschutzscheibe eines Kraftfahrzeugs in einer Seitenansicht.
2 zeigt schematisch den Strahlengang des in der 1 gezeigten Head-up-Displays einschließlich eines virtuellen Bildes in einer perspektivischen Ansicht.
3 zeigt schematisch eine holographische Anordnung einer ersten Variante eines erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulators.
4 zeigt schematisch eine holographische Anordnung einer zweiten Variante eines erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulators.
5 zeigt schematisch den Strahlengang innerhalb der holographischen Anordnung.
6 zeigt schematisch zeigt schematisch eine weitere Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen Head-up-Displays.
7 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße optische Anordnung mit einen erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator in Form eines Blockdiagramms.

Die 1 und 2 zeigen schematisch den Strahlengang eines erfindungsgemäßen Head-up-Displays 10. Das Head-up-Display 10 umfasst eine bildgebende Einheit 1, eine Projektionsoberfläche 4, zum Beispiel in Form einer Windschutzscheibe eines Kraftfahrzeugs, und einen Wellenfrontmanipulator 7. Die Projektionsoberfläche 4, zum Beispiel die Windschutzscheibe, kann gekrümmt ausgestaltet sein. Im Falle einer Anwendung für ein Fahrzeug sind die bildgebende Einheit 1 und der Wellenfrontmanipulator 7 vorzugsweise in eine nicht gezeigte Armatur integriert angeordnet. Das Head-up-Display 10 ist so ausgestaltet, dass es auf der Projektionsoberfläche 4, insbesondere auf der Oberfläche der Windschutzscheibe oder im Außenbereich des Fahrzeugs, zum Beispiel in Fahrtrichtung hinter der Oberfläche der Windschutzscheibe, ein virtuelles Bild 6 erzeugt.
In der gezeigten Ausgestaltungsvariante umfasst der Wellenfrontmanipulator 7 eine holographische Anordnung 3 und ein reflektiv ausgestaltetes optisches Element 2, welches eine Freiformfläche aufweist und im Strahlengang 8 ausgehend von der bildgebenden Einheit 1 zwischen der bildgebenden Einheit 1 und der holographischen Anordnung 3 angeordnet ist. Das optische Element 2 ist vorzugsweise als Freiformspiegel ausgestaltet.
Durch die bildgebende Einheit 1 werden Lichtwellen in Richtung des Wellenfrontmanipulators 7 ausgesendet. Mittels des Wellenfrontmanipulators 7 erfolgt eine Korrektur von Abbildungsfehlern und gegebenenfalls eine Aufweitung des Strahlenganges. Der Wellenfrontmanipulator 7 leitet Lichtwellen in Richtung der Projektionsoberfläche 4, insbesondere der gekrümmten Projektionsoberfläche. An der Projektionsoberfläche 4 werden die Lichtwellen in Richtung einer Eyebox 5 reflektiert. Die Eyebox 5 bildet dabei den Bereich, in welchem sich ein Nutzer befinden muss oder kann, um das durch das Head-up-Display 10 erzeugte virtuelle Bild 6 wahrnehmen zu können.
Die 3 zeigt schematisch eine holographische Anordnung 3 eines erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulators 7. Der Wellenfrontmanipulator 7 weist die holographische Anordnung 3 auf. Die holographische Anordnung 3 umfasst ein erstes holographisches Element 11 und ein zweites holographisches Element 12. Das erste holographische Element 11 und das zweite holographische Element 12 weisen in der gezeigten Ausführungsvariante jeweils drei aufeinander angeordnete monochromatische Hologramme auf, von welchen beispielhaft ein mit rotem Licht aufgenommenes Hologramm mit der Bezugsziffer 13, ein mit grünem Licht aufgenommenes Hologramm mit der Bezugsziffer 14 und ein mit blauem Licht aufgenommenes Hologramm mit der Bezugsziffer 15 gekennzeichnet sind. Das erste holographische Element 11 und das zweite holographische Element 12 sind so aneinander angeordnet, dass die einzelnen Hologramme spiegelsymmetrisch zueinander angeordnet sind. In der gezeigten Variante sind die mit rotem Licht aufgenommenen Hologramme 13 unmittelbar zueinander benachbart angeordnet. Das erste holographische Element 11 und das zweite holographische Element 12 können unmittelbar aneinander anliegen oder in einem vernachlässigbaren Abstand zueinander angeordnet sein, vorzugweise in einem Abstand von weniger als 1 Millimeter.
In den 3 und 4 sind die einfallenden Lichtwellen in Form von Strahlen durch Pfeile mit der Bezugsziffer 19 gekennzeichnet und der Strahlengang des den Wellenfrontmanipulator 7 verlassenden Lichts durch Pfeile mit der Bezugsziffer 20 gekennzeichnet. Die einzelnen, sich voneinander unterscheidenden Hologramme 13, 14 und 15 der einzelnen holographischen Elemente 11 und 12 sind in der in der 3 gezeigten Variante in Bezug auf eine Mittellinie bzw. Mittelachse 22, bei welcher es sich um eine optische Achse handeln kann, entlang dieser hintereinander angeordnet. Es können auch einzelne, sich voneinander unterscheidende Hologramme 13, 14 und 15 der einzelnen holographischen Elemente 11 und 12 in Bezug auf eine Mittellinie bzw. Mittelachse 22 lateral zueinander angeordnet sein.
Die 4 zeigt eine weitere Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulators 7. Abweichend von der in der 3 gezeigten Variante umfassen das erste holographische Element 11 und das zweite holographische Element 12 jeweils nur ein Hologramm, welches jedoch jeweils mit Licht einer Anzahl an unterschiedlichen Wellenlängen aufgenommen ist. In der gezeigten Variante handelt es sich beispielhaft um zwei RGB-Hologramme. Die Hologramme weisen zum Beispiel mit rotem Licht erzeugte Hologrammgitterstrukturen, mit grünem Licht aufgenommene Hologrammgitterstrukturen und mit blauem Licht aufgenommene Hologrammgitterstrukturen auf.
Die 5 zeigt schematisch den Strahlengang innerhalb der holographischen Anordnung 3. Zur Veranschaulichung sind dabei das erste holographische Element 11 und das zweite holographische Element 12 in einem Abstand zueinander angeordnet. Dies dient jedoch lediglich der Illustration des Strahlenganges. Das einfallende Licht 19 wird dabei wellenlängenspezifisch für bestimmte Einfallswinkelbereiche an den einzelnen Hologrammen 13-15 oder den Hologrammgitterstrukturen 13-15 reflektiert, also blaues Licht mit einem bestimmten Einfallswinkel an den mit blauem Licht aufgenommenen Hologrammen 15, grünes Licht eines bestimmten Einfallswinkelbereichs an den mit grünem Licht aufgenommenen Hologrammen 14 und rotes Licht entsprechend an den mit rotem Licht aufgenommenen Hologrammen 13. In der gezeigten Variante transmittiert einfallendes Licht 19 zunächst das zweite holographische Element 12 und wird an dem ersten holographischen Element 11 reflektiert. Das durch das erste holographische Element 11 reflektierte Licht 21 wird an dem zweiten holographischen Element 12 reflektiert und bildet die den Wellenfrontmanipulator 7 verlassende Wellenfront 20.
In einer bevorzugten Ausführungsvariante umfasst der erfindungsgemäße Wellenfrontmanipulator 7 zusätzlich zu der holographischen Anordnung 3 ein im Zusammenhang mit den 1 und 2 bereits beschriebenes optisches Element 2, welches eine Freiformfläche umfasst und vorzugsweise reflektiv ausgestaltet ist.
Die 6 zeigt schematisch eine weitere Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen Head-up-Displays, insbesondere für eine Kraftfahrzeuganwendung. Zusätzlich zu den bereits beschriebenen Komponenten weist das in der 6 gezeigte Head-up-Display 10 ein gekrümmt ausgestaltetes transmissives optisches Bauteil 9 auf, vorzugsweise ein sogenanntes Glare-Trap. In der gezeigten Variante weist die holographische Anordnung 10 eine der Geometrie des Glare-Traps entsprechende Krümmung auf und ist unmittelbar an diesem angeordnet. Dies hat den Vorteil, dass mit nur sehr geringem Bauraum eine hohe Abbildungsqualität erreicht wird.
Die 7 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße optische Anordnung 23 mit einen erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator 7 in Form eines Blockdiagramms. Die erfindungsgemäße optische Anordnung 23 umfasst eine bildgebende Einheit 1 und einen erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator 7, welche in einem Strahlengang 8 hintereinander angeordnet sind. Der Wellenfrontmanipulator 7 umfasst eine bereits beschriebene holographische Anordnung 3 und optional ein im Zusammenhang mit den 1 und 2 bereits beschriebenes optisches Element 2, welches eine Freiformfläche aufweist und bevorzugt als Freiformspiegel ausgestaltet ist. Dabei ist das optische Element 2 in einem Strahlengang zwischen der bildgebenden Einheit 1 und der holographischen Anordnung 3 angeordnet. Zusätzlich kann ein im Zusammenhang mit der 6 bereits beschriebenes transmissives optisches Bauteil 9, insbesondere ein Glare-Trap, vorhanden sein, welches in einem Strahlengang zwischen der holographischen Anordnung 3 und einer Projektionsoberfläche angeordnet ist. Die optionalen Bauteile 2 und 9 sind in der 7 in gestrichelten Linien gezeichnet.
Bezugszeichenliste

1: bildgebende Einheit
2: optisches Element
3: holographische Anordnung
4: Projektionsoberfläche
5: Eyebox
6: virtuelles Bild
7: Wellenfrontmanipulator
8: Strahlengang
9: transmissives optisches Bauteil / Glare-Trap
10: Head-up-Display
11: erstes holographisches Element
12: zweites holographisches Element
13: Hologramm
14: Hologramm
15: Hologramm
19: Strahlengang
20: Strahlengang
21: Strahlengang
22: Mittelachse
23: optische Anordnung

Claims

Wellenfrontmanipulator (7) zur Anordnung im Strahlengang (8, 19, 20) eines Head-up-Displays (10) zwischen einer bildgebenden Einheit (1) und einer Projektionsoberfläche (4), dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenfrontmanipulator (7) eine holographische Anordnung (3) umfasst, welche mindestens zwei holographische Elemente (11, 12) umfasst, wobei die mindestens zwei holographischen Elemente (11, 12) im Strahlengang (8, 19, 20) unmittelbar hintereinander angeordnet sind und für mindestens eine festgelegte Wellenlänge und einen festgelegten Einstrahlwinkelbereich reflektiv ausgestaltet sind.
Wellenfrontmanipulator (7) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenfrontmanipulator (7) mindestens ein optisches Element (2) umfasst, welches eine Freiformfläche aufweist und zur Anordnung im Strahlengang (8, 19, 20) zwischen der bildgebenden Einheit (1) und der holographischen Anordnung (3) ausgelegt ist.
Wellenfrontmanipulator (7) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der mindestens zwei holographischen Elemente (11, 12) eine Anzahl an Hologrammen (13-15) umfasst.
Wellenfrontmanipulator (7) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eins der mindestens zwei holographischen Elemente (11, 12) mindestens zwei Hologramme (13-15) umfasst, welche für voneinander abweichende Wellenlängen reflektiv ausgestaltet sind, und/oder mindestens eins der mindestens zwei holographischen Elemente (11, 12) mindestens ein Hologramm (13-15) umfasst, welches für mindestens zwei voneinander abweichende Wellenlängen reflektiv ausgestaltet ist.
Wellenfrontmanipulator (7) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das erste holographische Element (11) in Bezug auf die Anordnung der einzelnen Hologramme (13-15) in Bezug auf eine festgelegte Richtung identisch oder spiegelsymmetrisch zu dem zweiten holographischen Element (12) angeordnet ist.
Wellenfrontmanipulator (7) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl der Hologramme (13-15) mindestens eines der holographischen Elemente (11, 12) mit zwei Konstruktionswellenfronten aufgenommen ist, wovon mindestens eine Konstruktionswellenfront mindestens eines Hologramms (13-15) der holographischen Elemente (11, 12) bezüglich der Wellenlänge und des Einstrahlwinkels identisch ist mit mindestens einer Konstruktionswellenfront eines anderen Hologramms (13-15) eines der holographischen Elemente (11, 12).
Wellenfrontmanipulator (7) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei holographischen Elemente (11, 12) in einem Abstand von weniger als 1 Millimeter zueinander angeordnet sind.
Wellenfrontmanipulator (7) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die holographische Anordnung (3) in Form einer Schicht oder einer Folie oder eines Substrats oder einer Platte ausgestaltet ist und/oder eine ebene oder eine gekrümmte Oberfläche aufweist.
Wellenfrontmanipulator (7) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 in Verbindung mit Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (2) reflektiv und/oder transmissiv ausgestaltet ist.
Wellenfrontmanipulator (7) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 in Verbindung mit Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Freiformfläche des optischen Elements (2) dazu ausgebildet ist, mindestens eine Aberration zumindest teilweise zu korrigieren.
Wellenfrontmanipulator (7) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenfrontmanipulator (7) ein transmissiv ausgestaltetes optisches Bauteil (9) umfasst, welches dazu ausgelegt ist, im Strahlengang (8, 19, 20) zwischen der holographischen Anordnung (3) und der Projektionsoberfläche (4) angeordnet zu werden.
Optische Anordnung (23) für ein Head-up-Display (10) an einer Projektionsoberfläche (4), welche eine bildgebende Einheit (1) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Anordnung (23) einen Wellenfrontmanipulator (7) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11 umfasst.
Optische Anordnung (23) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die bildgebende Einheit (1) eine Ebene umfasst, die dazu ausgelegt ist Licht in einem festgelegten Abstrahlwinkelbereich und mit einer festgelegten maximalen Bandbreite bezüglich der Wellenlängen des ausgesandten Lichts auszusenden.
Optische Anordnung (23) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die bildgebende Einheit (1) dazu ausgelegt ist Laserlicht in mindestens zwei unterschiedlichen Wellenlängen auszusenden.
Optische Anordnung (23) nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Anordnung ein Volumen von weniger als 10 Litern aufweist.
Head-up-Display (10), welches eine Projektionsoberfläche (4) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das Head-up-Display (10) eine optische Anordnung (23) nach einem der Ansprüche 12 bis 15 umfasst.