DE102022214244A1 - Minimierung von blendreflexen eines huds durch gezielte entspiegelung - Google Patents

Abstract

In einem Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Entspiegelung eines Head-Up Displays (HUD) mit einer definierten Eyebox, umfassend die Schritte Bereitstellen eines HUDs, Bestimmung von mindestens einem Winkelbereichen von auf das HUD einstrahlenden Umgebungslichtes, für die den eine kritische Umlenkung vom HUD in die Eyebox stattfinden kann und schlussendlich Aufbringen mindestens einer Beschichtung auf das HUD, welche eingerichtet ist, die Umlenkung vom einstrahlenden Umgebungslicht aus dem bestimmten Winkelbereich zu minimieren.In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein entsprechend entspiegeltes HUD.

Description

• In einem Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Entspiegelung eines Head-Up Displays (HUD) mit einer definierten Eyebox, umfassend die Schritte Bereitstellen eines HUDs, Bestimmung von mindestens einem Winkelbereichen von auf das HUD einstrahlenden Umgebungslichtes, für die eine kritische Umlenkung vom HUD in die Eyebox stattfinden kann und schlussendlich Aufbringen mindestens einer Beschichtung auf das HUD, welche eingerichtet ist, die Umlenkung vom einstrahlenden Umgebungslicht aus dem bestimmten Winkelbereich zu minimieren.
• In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein entsprechend entspiegeltes HUD.
• Hintergrund und Stand der Technik:
• Head-up Displays (HUD) sind Anzeigesysteme, bei denen die anzuzeigenden Informationen in das Sichtfeld des Nutzers projiziert werden, wobei gleichzeitig der Blick in die ebenfalls im Sichtfeld liegende Umwelt möglich ist. HUDs sind bspw. aus Kraftfahrzeugen oder Flugzeugen bekannt. In Fahrzeugen kann die anzuzeigende Information bspw. über die Windschutzscheibe des Fahrzeugs in den Augenbereich des Nutzers, in die sogenannte Eyebox projiziert werden. HUDs können auf Basis einer Vielzahl verschiedener Systeme realisiert werden, welche zu einem großen Teil bereits Stand der Technik sind.
• Ein HUD kann üblicherweise eine bildgebende Einheit (PGU - picture generating unit) oder einen Projektor umfassen, ferner eine Projektionsoberfläche (häufig die Windschutzscheibe) sowie weitere optische Komponenten zur Strahlanpassung. Beispielhaft kann mittels PGU oder Projektor eine Abbildung erzeugt werden. Die Abbildung (z. B. mittels der weiteren optischen Komponenten) auf die Projektionsoberfläche projiziert und von dort wiederum in die sogenannte Eyebox. Dabei handelt es sich bevorzugt um eine Ebene oder einen Raumbereich, in welchem die projizierte Abbildung für einen Betrachter wahrnehmbar ist. Die projizierte Abbildung kann ein virtuelles und/oder reelles Bild umfassen. Die mindestens eine virtuelle Bildebene, also die Ebene auf der das virtuelle Bild erzeugt wird, kann bspw. hinter der Projektionsoberfläche liegen.
• Neben „klassischen“ Projektionssystemen mit „klassischen“ optischen Komponenten können HUDs basierend auf holographischen Komponenten verwendet werden.
• Bei der Holografie werden im Gegensatz zu gewöhnlichen Abbildungen, neben der Intensität vom abgebildeten Objekt zusätzlich Phasenbeziehungen des vom Objekt kommenden Lichtes abgespeichert. Diese Phasenbeziehungen enthalten zusätzliche räumliche Informationen, wodurch bspw. ein dreidimensionaler Eindruck der Abbildung erzeugt werden kann. Dies geschieht mit Hilfe von Interferenz von Lichtstrahlen während der Aufnahme des Objekts. Das Objekt wird mit kohärentem Licht beleuchtet und vom Objekt reflektiert und gestreut. Das entstandene Wellenfeld, die sogenannte Objektwelle, wird mit zu der Objektwelle kohärentem Licht (die sogenannte Referenzwelle - typischerweise von derselben Lichtquelle, z. B. einem Laser) überlagert und die Wellenfelder interferieren als Funktion ihrer Phasenbeziehung miteinander. Das entstehende Interferenzmuster wird bspw. mittels einer lichtempfindlichen Schicht aufgenommen und somit wird auch die in der Phase enthaltene Information gespeichert. Zur Rekonstruktion beleuchtet man das entstandene Hologramm mit einer zur Referenzwelle identischen bzw. ähnlichen Lichtwelle, welche sodann durch die aufgezeichneten Interferenzmuster gebeugt wird. So kann die ursprüngliche Wellenfront der Objektwelle rekonstruiert werden. Es gibt verschiedene Typen von Hologrammen, z. B. sogenannte Volumenhologramme. Volumenhologramme weisen vorzugsweise eine Dicke auf, die ebenfalls zur Speicherung von holografischen Bildinformationen genutzt werden kann. Volumenhologramme können insbesondere Weißlichthologramme sein, da diese eine Wellenlängenselektivität aufgrund der Wellenlängenselektiven Interferenz aufweisen können.
• Hologramme können beispielsweise Transmissions- und Reflexionshologramme sein, die diese Rekonstruktion jeweils entweder in Transmission oder in Reflektion erzeugen. Befindet man sich z. B. bei einem Transmissionshologramm auf einer der Lichtquelle gegenüberliegenden Seite des Hologramms und betrachtet dieses, erscheint z. B. das abgebildete Objekt dreidimensional vor einem. Bei einem Reflexionshologramm muss man sich hierzu bevorzugt auf der gleichen Seite befinden wie die Lichtquelle. Reflexionshologramme weisen vorzugsweise eine Wellenlängenselektive Effizienz auf, das Licht in eine bestimmte Richtung (entlang eines bestimmten Winkels) zu beugen. Das Word Hologramm wird hier vorzugsweise als synonym mit der holografischen Struktur verwendet, welche die Lichtbeugung erzeugt. Landläufig wird manchmal mit „Hologramm“ das erzeugte, insbesondere dreidimensionale Bild bezeichnet. Der Fachmann weiß jedoch aus dem Kontext heraus, was jeweils mit dem Begriff „Hologramm“ gemeint ist.
• Hologramme können neben der dreidimensionalen Darstellung in Form sogenannter Holografisch-optische Bauelemente (HOE) verwendet werden, deren holografische Eigenschaften für die Optik von Geräten verwendet werden kann. Beispielsweise lassen sich durch HOE herkömmliche Linsen, Spiegel und Prismen ersetzen. In anderen Fällen werden HOEs als spezielle Diffraktionsgitter verwendet. HOEs weisen zum Beispiel eine spektrale Selektivität und/oder eine Selektivität in Bezug auf den Einfallswinkel auf. Gleichzeitig können sie für andere Spektralbereiche und/oder Einfallswinkel vollkommen oder teilweise transparent sein. Auch eine Kombination von Darstellung und Lichtformung wird durch Hologramme ermöglicht.
• Insbesondere die Verwendung dieser HOEs zur Strahlformung sind für HUDs praktisch. Da bei der Art der gewünschten Strahlformung eine große Freiheit bei geringer Abhängigkeit von den Abmessungen des HOEs besteht, lässt sich somit eine gewünschte Strahlanpassung ohne Beanspruchung von viel Bauraum realisieren. Dieser Aspekt ist insbesondere für Kraftfahrzeuge interessant, wo der Bauraum aus vielerlei Gründen häufig beschränkt ist. Außerdem können durch HOEs Aberrationen reduziert und/oder korrigiert werden. Die PCT Anmeldungen PCT/ EP2022/055513 und PCT/ EP2022/066787 beschreiben holographisch basierte Wellenfrontmanipulatoren, welche besonders bevorzugt als holographische Komponente zur Strahlanpassung gemäß diesem Dokument gemeint sind und deren Inhalt hiermit in diese Anmeldung aufgenommen wird.
• Bei Head-up-Displays ist es unerlässlich, Störreflexe von der Sonne, die über Komponenten des HUDs in Richtung des Fahrers reflektiert werden und diesen blenden können, umzulenken oder gar zu unterdrücken. Dieser Effekt tritt nicht nur bei klassischen Systemen, sondern auch bei holographischen HUDs auf. Im Vergleich zu klassischen HUDs können allerdings zusätzlich Störreflexe durch Beugung an den Hologrammen auftreten. Dabei kann es insbesondere vorkommen, dass neben den Beleuchtungsstrahlen des HUDs Lichtstrahlen aus anderen spektralen Bereichen und/oder anderen Richtungen ebenfalls in die Eyebox geleitet werden.
• Es sind sogenannte Glaretraps zur Strahlablenkung im Stand der Technik bereits bekannt, welche eine Ablenkung von Umgebungslicht in Richtung außerhalb der Eyebox ermöglichen. Jedoch sind diese bspw. nicht geeignet, Störreflexe durch Beugung an einer holographischen Komponente des HUDs gezielt zu unterdrücken. Auch können nicht alle Reflektionen von Umgebungslicht in die Eyebox durch Glaretraps verhindert werden. Es sind Antireflexionsbeschichtungen (auch Antireflexbeschichtung oder kurz AR-Beschichtung genannt) bekannt, welche auf Komponenten des HUDs aufgebracht werden können. Diese AR-Beschichtungen funktionieren typischerweise dadurch, dass ein Schichtsystem umfasst ist, welches zumindest für eine Wellenlänge oder einen Wellenlängenbereich destruktive Interferenz in Reflexionsrichtung erzeugt. Der Nachteil dieser AR-Beschichtungen ist, dass ein Schichtsystem eben nur für einen Wellenlängenbereich und eine Einstrahlungsrichtung optimiert werden kann. Sollen Reflexionen über einen breiten spektralen Bereich und/oder für beliebige Einstrahlwinkel unterdrückt werden, müssen mehrere solcher Schichtsysteme übereinander gebracht werden. Das ist aufwendig und teuer. Außerdem muss sichergestellt werden, dass die Leistung der zusätzlich in das HUD eingebrachten Strahlen (welche eben nicht reflektiert werden) keine Probleme verursacht. Beispielsweise kann es sein, dass diese Strahlen an einer Stelle im HUD absorbiert werden und eine starke Erwärmung verursachen. Eine effiziente, kostengünstige und sichere Methode der Entspiegelung von HUDs ist bislang leider nicht bekannt.
• Aufgabe der Erfindung:
• Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Methode zur Entspiegelung von HUDs sowie ein entspiegeltes HUD bereitzustellen, welches ohne die Nachteile des Standes der Technik auskommt. Insbesondere ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine vereinfachte und kostengünstige Methode zur Entspiegelung eines HUDs bereitzustellen, welche einen sicheren Betrieb und eine sichere Bedienbarkeit des HUDs ermöglicht. Ebenso ist es Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes, sichereres HUD bereitzustellen, welches gleichzeitig kostengünstig und einfach in der Herstellung ist.
• Zusammenfassung der Erfindung:
• Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
• In einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren, bevorzugt ein computerimplementiertes Verfahren, zur Entspiegelung eines Head-Up Displays (HUD) mit einer definierten Eyebox, umfassend die folgenden Schritte:
• - Bereitstellung eines HUDs
• - Bestimmung von mindestens einem Winkelbereich von auf das HUD einstrahlenden Umgebungslichtes, für den eine kritische Umlenkung vom HUD in die Eyebox stattfinden kann
• - Aufbringen mindestens einer Beschichtung auf das HUD, welche eingerichtet ist, die Umlenkung vom einstrahlenden Umgebungslicht aus dem bestimmten Winkelbereich zu minimieren.
• Eine Entspiegelung eines HUDs beschreibt insbesondere ein Verfahren, bei dem die Umlenkung von auf das HUD einstrahlenden Umgebungslichtes in die Eyebox des HUDs minimiert wird, um so Störlicht im Blickfeld des Nutzers zu minimieren.
• Die Umlenkung kann jegliche physikalische Effekte, z. B. Streuung betreffen, welche die Richtung des Lichtes verändern kann. Umlenkung umfasst bspw. Reflektion, Refraktion und/oder Diffraktion.
• Umgebungslicht ist dabei insbesondere jegliches Licht, welches von natürlichen oder künstlichen Lichtquellen emittiert wird und nicht zur Anzeige von Information durch das HUD verwendet wird (Das Licht des Bildgebers des HUDs ist bspw. kein Umgebungslicht).
• Vorzugsweise werden in diesem Dokument die Begriffe elektromagnetische Strahlung und Licht synonym verwendet und bezeichnen insbesondere elektromagnetische Strahlung umfassend den sichtbaren Spektralbereich. Es kann aber auch der ultraviolette Spektralbereich sowie der nahe Infrarotbereich mit umfasst sein. Vorzugsweise umfasst Licht in diesem Sinne einen Spektralbereich (angegeben als Wellenlänge in Nanometer - nm) von 100 nm bis 3000nm, stärker bevorzugt 280 nm bis 1400 nm und insbesondere 380 nm bis 780 nm.
• Die Eyebox umfasst insbesondere eine Fläche bzw. ein Volumen, von dem aus das HUD betrachtet werden soll. In diesem Volumen können/sollen sich dann bspw. die Augen des mindestens einen Betrachters befinden, daher der Name Eyebox. Die Eyebox ist vorzugsweise beim Design eines HUDs eine feste Größe, welche jedoch erst beim Einbau des HUDs realisiert wird. Daher spricht man vorzugsweise auch von einer definierten Eyebox. Die Eyebox kann bspw. Abmessungen von 150 mm x 150 mm in einer Fläche aufweisen.
• Die Safety-Eyebox umfasst vorzugsweise eine Fläche oder ein Volumen, welches ggü. der Eyebox vergrößert ist, z.B. auf 300mm x 300mm, um eine Sicherheitsmarge zu umfassen, von der aus ebenfalls in Ausnahmefällen die Betrachtung stattfinden kann.
• Die Eyebox, wie in diesem Dokument beschrieben, kann vorzugsweise die Safety-Eyebox umfassen.
• Bereitstellung eines HUDs beschreibt insbesondere die Bereitstellung aller oder der wesentlichen Komponenten, welche für den Betrieb eines HUDs benötigt werden. Diese umfassen bspw. Bildgeber, optische Komponenten (insbesondere zur Strahlanpassung), Strahlfalle, Coverglass und/oder Glaretrap.
• Da die Bereitstellung eines HUDs bereits vor dessen Einbau, bspw. in ein Fahrzeug, vorgenommen werden kann, muss die Projektionsfläche, welche oftmals von einer im Fahrzeug fest verbaute Scheibe (z. B. Windschutzscheibe) enthalten ist, dabei nicht umfasst sein. Es kann jedoch auch die Bereitstellung der Projektionsfläche bei der Bereitstellung des HUDs umfasst sein.
• Die Bereitstellung eines HUDs kann auch erst nach dem Einbau, bspw. in ein Fahrzeug, stattfinden. Dann kann neben den oben genannten vorzugsweise bereits die Projektionsfläche bei der Bereitstellung umfasst sein. Ebenso können weitere Komponenten, wie bspw. elektrische Komponenten, elektrische Energieanschlüsse etc. umfasst sein.
• Wichtig bei der Bereitstellung ist, dass die Komponenten des HUDs bereitgestellt werden (ob vor oder nach dem Einbau), welche für die Entspiegelung wesentlich sind, d. h. auf denen bzw. durch die eine kritische Umlenkung stattfindet. Dabei handelt es sich insbesondere um optische Komponenten zur Strahlanpassung (bspw. Wellenfrontmanipulator) und/oder Coverglass.
• Eine kritische Umlenkung betrifft eine Umlenkung in die Eyebox, welche unerwünscht ist. Dabei kann bspw. jegliche Umlenkung unerwünscht sein oder aber die Umlenkung ab einem gewissen Schwellwert. Dies sind unterschiedliche Ausführungsformen der Erfindung, welche untenstehend genauer erläutert werden.
• Da nicht jegliches Umgebungslicht aus allen Richtungen kritisch umgelenkt wird, ist ein Kern der Erfindung, dass der mindestens eine Winkelbereich, aus denen kritisch umgelenkt wird, bestimmt wird. Somit umfasst der mindestens eine Winkelbereich vorzugsweise nicht alle Winkel aus allen möglichen Richtungen. Die Bestimmung kann bspw. durch Berechnung oder Simulation erfolgen. Bestimmung des Winkelbereichs kann auch als synonym mit Berechnung, Festlegung und/oder Ausgabe des Winkelbereichs verstanden werden. Eine Simulation kann dabei computerimplementiert oder durch einen Simulationsaufbau erfolgen.
• Eine Berechnung kann typischerweise computerimplementiert sein. Bei der Berechnung und/oder der computerimplementieren Simulation können bestimmte Annahmen über das eingestrahlte Umgebungslicht, bspw. Spektrum und/oder Richtung zugrunde gelegt werden ebenso wie spezifische geometrische Annahmen über die Anordnung und Dimension des HUDs im eingebauten Zustand. Des Weiteren können bestimmte physikalische Gleichungen und/oder Modelle angenommen werden, welche spezifisch die Umlenkung definieren und welche vorteilhafterweise physikalische Eigenschaften der Komponenten des HUDs berücksichtigen.
• Ein Simulationsaufbau kann dabei eine Beleuchtung umfassen, welche modellhaft für Umgebungslicht herangezogen wird sowie einen Messaufbau, der Umlenkung in die Eyebox sowie die Herkunft des umgelenkten Lichtes bestimmen kann. Bspw. kann eine Beleuchtung eines in ein Fahrzeug eingebautes HUD aus verschiedenen Richtungen zeitaufgelöst erfolgen und die entsprechende Messung ebenfalls, um gemessenes Licht dem eingestrahlten Licht zuordnen zu können. Ein Simulationsaufbau kann dabei vorzugsweise an einem originalgetreuen HUD und/oder einem originalgetreuen Fahrzeug erfolgen oder aber an einem Modell, welches vorzugsweise nur Teilkomponenten aufweist und/oder gegenüber dem Original verkleinert ist.
• Der mindestens eine Winkelbereich kann natürlich mehrere Winkelbereiche umfassen. Diese Winkelbereiche können sich auch auf mehrere, beispielsweise orthogonale Ebenen beziehen, in denen sie jeweils definiert werden. In den verschiedenen Ebenen kann der bestimmte Winkelbereich gleich sein oder unterschiedlich. Der Winkelbereich wird dabei so bestimmt, dass er für einen Fachmann eindeutig festgelegt ist. Es kann als Referenzachse/-ebene bspw. eine Normale zur Oberfläche des HUDs bzw. der jeweiligen Komponente des HUDs handeln, insbesondere eine Normale im (geometrischen) Schwerpunkt der Oberfläche der Komponente, wenn die Oberfläche der Komponente gekrümmt ist. Alternativ können mehrere Winkelbereiche für jeweils Normalen in verschiedenen Punkten der Oberfläche bestimmt werden. Die Bestimmung des Winkelbereichs umfasst dabei vorzugsweise die Information über die Referenzachse bzw. -ebene sowie über die Komponente des HUDs für die der Winkelbereich bestimmt wurde.
• Ein weiterer Kern der Erfindung ist das anschließende Aufbringen mindestens einer Beschichtung auf das HUD, welche eingerichtet ist, die Umlenkung vom einstrahlenden Umgebungslicht aus dem bestimmten Winkelbereich zu minimieren. Dabei kann es sich beispielsweise um eine AR-Beschichtung handeln, welche spezifisch für eine Unterdrückung von Reflektionen für den bestimmten Winkelbereich ausgelegt ist. Dabei können die Eigenschaften der Beschichtung unabhängig sein von der Ebene des bestimmten Winkelbereichs, also beispielsweise in allen Ebenen um eine Referenzachse herum gleich sein. Sie können jedoch auch in verschiedenen Ebenen unterschiedlich sein, es können bspw. in den verschiedenen Ebenen unterschiedliche Reflexionseigenschaften für einen gegebenen Winkel um die Referenzachse gegeben sein. Diese kann vorteilhaftweise für ein breites Spektrum funktionieren, ist jedoch spezifisch für den mindestens einen bestimmten Winkelbereich ausgelegt und dadurch weniger komplex. Beispielsweise müssen weniger Schichten umfasst sein.
• Damit die nicht reflektierte Strahlung nicht auf andere Weise wieder in die Eyebox gelangt und/oder durch Absorption innerhalb einer Komponente des HUDs zu einer Erwärmung führt, kann durch ein geeignetes Optikdesign, welches den weiteren Strahlengang dieser nicht reflektierten Strahlung berücksichtigt und/oder durch spezielle, wärmeabführende absorbierende Beschichtungen sichergestellt werden.
• Die Beschichtung wird vorzugsweise auf die mindestens eine Komponente des HUD aufgebracht, welche für die kritische Umlenkung sorgt. Wenn mehrere Komponenten des HUDs an der kritischen Umlenkung beteiligt sein, wird die Beschichtung mindestens auf die Komponente aufgebracht, auf die das Umgebungslicht zuerst auftrifft.
• Die Beschichtung kann bspw. durch ein Auftragen, ein Aufkleben, ein Abscheiden und/oder ein Aufsprühen erfolgen. Die Beschichtung kann bspw. vor dem Aufbringen als Folie vorliegen und dann (in der richtigen Orientierung gemäß des bestimmten Winkelbereichs) aufgeklebt werden.
• Durch das Verfahren kann gezielt für die Winkelbereiche eine Beschichtung aufgebracht werden, für die auch tatsächlich ansonsten eine unerwünschte Umlenkung in die Eyebox stattfinden würde. Es muss keine aufwendige und teure Beschichtung verwendet werden, die für alle Richtungen gleichermaßen funktioniert. So können Kosten gespart werden und ein einfacherer Aufbau realisiert werden, welcher für die Massenproduktion geeignet ist. Gleichzeitig ist die Bestimmung der Winkelbereiche nur ein einziges Mal durchzuführen und daher kein großer zusätzlicher Aufwand.
• In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst das Verfahren weiterhin folgenden Zwischenschritt:
• - Herstellen der Beschichtung.
• Es kann nach der Bestimmung des mindestens einen Winkelbereichs eine spezifisch auf diesen ausgelegte Beschichtung hergestellt werden. So kann eine besonders gute Anpassung und eine effiziente Entspiegelung erzielt werden.
• Es können zur Herstellung (ebenso wie zum Aufbringen) Beschichtungsmethoden der Dünnschichttechnik zum Einsatz kommen. Häufig eingesetzte Verfahren umfassen physikalische Gasphasenabscheidungen, z. B. thermisches Verdampfen und/oder Sputterdeposition und/oder chemische Gasphasenabscheidungen.
• In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst das HUD eine holographische Komponente zur Strahlanpassung. Eine holographische Komponente wird untenstehend in Bezug auf einen weiteren Aspekt der Erfindung näher beschrieben und kann bspw. einen Wellenfrontmanipulator und/oder einen Waveguide, insbesondere zur Strahlaufweitung umfassen.
• Vorzugsweise wird dabei die Beschichtung auf einer Oberfläche der holographischen Komponente und/oder einer Oberfläche einer Abdeckung der holographischen Komponente aufgebracht. Die Oberfläche des Wellenfrontmanipulators ist dabei insbesondere eine in Richtung der Projektionsoberfläche weisende Außenfläche der holographischen Komponente.
• In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst das HUD eine Projektionsoberfläche, insbesondere eine Windschutzscheibe, und einen Wellenfrontmanipulator zur Anordnung im Strahlengang des Head-up-Displays zwischen einer bildgebenden Einheit und der Projektionsoberfläche, wobei der Wellenfrontmanipulator insbesondere ein holographischer Wellenfrontmanipulator ist.
• Vorzugsweise wird dabei die Beschichtung auf einer Oberfläche des Wellenfrontmanipulators und/oder einer Oberfläche einer Abdeckung des Wellenfrontmanipulators aufgebracht. Die Oberfläche des Wellenfrontmanipulators ist dabei insbesondere eine in Richtung der Projektionsoberfläche weisende Außenfläche des Wellenfrontmanipulators.
• Bei HUDs, insbesondere in Fahrzeugen, kommt es bspw. durch die Krümmung der Projektionsoberfläche und/oder durch kompakte Anordnungen auf geringem Bauraum mit unter Umständen starken Verkippungen einzelner Komponenten zueinander und entsprechend komplex gefalteten Strahlengängen zu Aberrationen. Die Aberrationen, die typischerweise auftreten können, sind zum Beispiel Verzeichnung, Defokus, Kippung, Astigmatismus, Wölbung der Bildebene, sphärische Aberrationen, höherer Astigmatismus und Koma.
• Ein Wellenfrontmanipulator wird vorteilhafterweise verwendet, um Abbildungsfehler zumindest teilweise zu korrigieren, zu minimieren und eine verbessertes Head-up-Display zur Verfügung zu stellen, welches gleichzeitig besonders kompakt sein kann. Hierzu werden, wie der Name es bereits verrät, die Wellenfronten der Lichtstrahlen des HUDs in geeigneter Weise manipuliert.
• Dabei umfasst der Wellenfrontmanipulator bevorzugt eine holographische Anordnung (daher ist der Wellenfrontmanipulator als holographische Komponente zur Strahlführung anzusehen), welche wiederum mindestens zwei holographische Elemente aufweist. Die mindestens zwei holographischen Elemente sind im Strahlengang hintereinander, vorzugsweise unmittelbar hintereinander angeordnet. Es ist insbesondere bevorzugt, dass kein weiteres optisches Element oder Bauteil zwischen den mindestens zwei holographischen Elementen angeordnet ist. Die mindestens zwei holographischen Elemente sind darüber hinaus für mindestens den von der holographischen Komponente zur Strahlanpassung gebeugten Spektralbereich und bevorzugt einen Schwerpunktswinkel sowie ein Winkelspektrum reflektiv ausgestaltet. Vorzugsweise sind die holographischen Elemente im Übrigen transmissiv ausgestaltet, mit anderen Worten transmissiv für andere Spektralbereiche, zumindest wenn diese den gleichen Einfallswinkel und/oder das gleiche Winkelspektrum aufweisen. Vorzugsweise umfasst ein erstes holographisches Element mindestens ein Hologramm zur Reflexion, welches einem Hologramm eines zweiten holographischen Elements zur Reflexion zugeordnet ist. Die mindestens zwei holographischen Elemente sind mit anderen Worten bevorzugt so ausgebildet, dass von einem ersten holographischen Element in Reflektion gebeugtes Licht des gebeugten Spektralbereichs, welches vorzugsweise unter dem Schwerpunktswinkel und dem Winkelspektrum der holographischen Komponente einfällt, dann wiederum von dem zweiten holographischen Element reflektiert wird, wobei im Zusammenspiel zwischen erstem und zweiten Element die gewünschte Wellenfrontmanipulation erreicht wird.
• Durch Verwendung von Reflexionshologrammen kann vorteilhafterweise wellenlängenselektiver im Vergleich zu Transmissionshologramme gebeugt werden, sodass insbesondere weniger Farbaberrationen auftreten und dadurch besser ein weißes Bild aus den Farbkanälen generiert werden kann. Durch Hintereinanderschalten zweier Reflexionshologramm kann vorteilhafterweise dennoch eine Transmissionsanordnung realisiert werden und die Manipulation auf zwei Hologramme verteilt werden.
• Die mindestens eine holographische Anordnung ist bevorzugt für die Beugung von Licht einer Mehrzahl an zur Strahlanpassung gebeugten Spektralbereiche ausgelegt. Hierzu können mehrere Hologramme in jedem holographischen Element umfasst sein (sog. Hologramm-Stack), welche jeweils Licht eines spektralen Bereichs beugen, und/oder jedes holographische Element kann ein sogenanntes Multiplex-Hologramm umfassen, welches Licht mehrerer Wellenlängen beugt.
• Vorzugsweise umfasst jedes der mindestens zwei holographischen Elemente eine Anzahl, zum Beispiel eine Mehrzahl, an Hologrammen. Dabei ist jedes Hologramm für mindestens einen spektralen Bereich ausgelegt. Ein holographisches Element kann zum Beispiel mehrere Hologramme umfassen, welche als Stapel aufeinander angeordnet sein können. Alternativ dazu kann ein holographisches Element mindestens ein Hologramm umfassen, welches für mindestens zwei Spektralbereiche ausgelegt ist. Vorzugsweise ist das Hologramm oder sind die Hologramme für drei unterschiedlichen Spektralbereiche eines festgelegten Farbraums aufgenommen, beispielsweise für den RGB-Farbraum oder einen CMY-Farbraum. Dabei steht C für Cyan, M für Magenta und Y für Yellow bzw. Gelb.
• 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 des Spektralbereiches, für die sie ausgelegt sind, identisch oder gleich ausgestaltet sind.
• 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 für den roten Spektralbereich, ein für den grünen Spektralbereich und ein für den blauem Spektralbereich ausgelegtes Hologramm umfassen, welche in der genannten Reihenfolge aufeinander angeordnet sind. Das zweite holographische Element kann ebenfalls ein für den roten Spektralbereich, ein für den grünen Spektralbereich und ein für den blauem Spektralbereich ausgelegtes 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 für den roten Spektralbereich aufgenommene Hologramm des ersten holographischen Elements zu dem für den roten Spektralbereich 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 der vorstehenden Beschreibung kann die holographische Anordnung vorzugsweise so verstanden werden, dass zwei holographische Elemente umfasst sind, welche entlang des Strahlengangs direkt hintereinander angeordnet sind, wobei ein erstes holographisches Element für die erste „reflektive“ Beugung ausgelegt ist und das zweite holographische Element für die „reflektive“ Beugung des Lichtes, welches bereits vorab vom ersten holographischen Element gebeugt wurde. Vorteilhafterweise befindet sich dazu das erste holographische Element entlang des Strahlengangs hinter dem zweiten holographischen Element. Dabei kann jedes holographische Element (bzw. das mindestens eine von diesem umfasste Hologramm) für einen oder mehrere Spektralbereiche ausgelegt sein.
• Zum Zwecke der Manipulation von Wellenfronten für mehr als einen Spektralbereich kann es alternativ bevorzugt sein, dass mehr als ein Paar von holographischen Elementen umfasst ist, wobei jeweils ein Paar, welche für den gleichen Spektralbereich ausgelegt ist, unmittelbar hintereinander entlang des Strahlengangs angeordnet sind. In diesem Fall ist nicht nur mindestens ein Hologramm des ersten oder eines weiteren holographischen Elements mindestens einem Hologramm des zweiten oder eines weiteren holographischen Elements zugeordnet, sondern die Paare an holographischen Elementen an sich, welche jeweils für den gleichen Spektralbereich ausgelegt sind, sind einander zugeordnet. Beispielsweise kann die holographische Anordnung hierfür ein direkt hintereinander angeordnetes Paar von holographischen Elementen für den roten Spektralbereich, dann ein direkt hintereinander angeordnetes Paar holographischer Elemente für den grünen Spektralbereich und dann noch ein direkt aneinander angeordnetes Paar holographischer Elemente für den blauen Spektralbereich umfassen. Diese jeweiligen Paare sind vorzugsweise ebenfalls im Strahlengang direkt hintereinander angeordnet.
• Die holographische Anordnung kann in Form mindestens einer Schicht oder einer mindestens einer Folie oder mindestens eines Substrats, zum Beispiel in Form mindestens eines Volumenhologramms, oder in Form mindestens 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, auf oder unter einer Oberfläche eines Deckglases bzw. Coverglasses 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.
• Vorteilhafterweise ist die holographische Anordnung für eine Mehrzahl an Einstrahlwinkeln und/oder für eine Mehrzahl an einander nicht überlappenden Einstrahlwinkelbereichen ausgelegt. So können beispielsweise unterschiedliche Bildebenen in einem HUD durch die unterschiedlichen Winkel bzw. Winkelspektren realisiert werden. Dafür kann die holographische Anordnung bspw. separate Paare an holographischen Elementen für jeden Winkel bzw. fürjedes eingestrahlte Winkelspektrum umfassen. Alternativ kann auch ein einzelnes Paar an holographischen Elementen für mehrere eingestrahlte Winkel bzw. Winkelspektren ausgelegt sein, z. B. durch jeweils mehrere umfasste Hologramme die jeweils für einen eingestrahlten Winkel bzw. ein eingestrahltes Winkelspektrum ausgelegt sind.
• 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. Insbesondere kann es sich bei dem optischen Element um einen Freiformspiegel handeln.
• Der Wellenfrontmanipulator ist demnach ein wesentlicher Bestandteil des HUDs und wird aufgrund seiner Funktionalität häufig so angeordnet, dass seine Oberfläche Umgebungslicht ausgesetzt ist und diese entweder direkt oder bspw. über eine weitere Umlenkung an der Projektionsoberfläche unerwünschte Umlenkungen von Umgebungslicht in Richtung der Eyebox erzeugen kann. Daher ist ein Aufbringen einer Beschichtung auf einer Oberfläche des Wellenfrontmanipulators und/oder einer Oberfläche einer Abdeckung des Wellenfrontmanipulators besonders vorteilhaft.
• In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst das Verfahren weiterhin die Bestimmung von Teilbereichen und/oder Komponenten des HUDs, für die die kritische Umlenkung vom HUD in die Eyebox stattfinden kann, wobei die Beschichtung auf die Teilbereiche und/oder Komponenten aufgebracht wird. Dies bedeutet, dass bei der Bestimmung nicht nur Winkelbereiche bestimmt werden, sondern auch die Komponenten und/oder Teilbereiche des HUDs, von denen aus die kritische Umlenkung stattfinden kann. In diesem Fall kann die Bestimmung von Teilbereichen und/oder Komponenten des HUDs synonym auch als Berechnung, Festlegung und/oder Ausgabe von Teilbereichen und/oder Komponenten des HUDs für die die kritische Umlenkung vom HUD in die Eyebox stattfinden kann bezeichnet werden. Dadurch, dass nur die wesentlichen Komponenten und/oder Teilbereiche des HUDs bestimmt werden, welche für eine kritische Umlenkung relevant sind und daher hinterher beschichtet werden müssen, kann eine besonders effiziente Entspiegelung des HUDs vorgenommen werden.
• In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird als einstrahlendes Umgebungslicht Strahlung angenommen wird, welche von einem Ursprungsbereich in Richtung des HUDs kollimiert ist, wobei als Ursprungsbereich der kollimierten Strahlung jeder Teilbereich einer in mehrere Teilbereiche aufgeteilten Oberfläche einer um das HUD zentrierten Hemisphäre angenommen wird, wobei eine spektrale Verteilung bevorzugt einer spektralen Verteilung eines Schwarzkörpers (bevorzugt zumindest teilweise) und/oder zumindest teilweise der spektralen Verteilung der Sonne entspricht. Der Fachmann weiß, wo er in der Literatur entsprechende Angaben findet zur spektralen Verteilung eines Schwarzkörpers bzw. der Sonne.
• „Zumindest teilweise“ bedeutet in diesem Zusammenhang vorteilhafterweise eine Übereinstimmung (z. B. einen spektralen Überlapp) von mindestens 40%, stärker bevorzugt mindestens 50%, noch stärker bevorzugt mindestens 60%, noch einmal stärker bevorzugt mindestens 70% und insbesondere mindestens 80%.
• Diese Ausführungsform ist ebenfalls in 3 in der Beschreibung der Erfindung beschrieben. Die beschriebenen Annahmen sind besonders geeignet, direkte Einstrahlung von Sonnenlicht auf das HUD bzw. dessen Teilbereiche und/oder Komponenten zu simulieren.
• Diese Simulation ist nicht nur für die Bestimmung durch ein computerimplementiertes Verfahren geeignet, sondern ebenfalls für einen Simulationsaufbau in einem Labor, welcher die vorstehend genannten Eigenschaften aufweist.
• Je nach angenommener Größe der Teilbereiche kann dieser auch als Quasi-punktförmig angenommen werden und es kann sich pro Ursprungsbereich nur um einen einzigen Strahl handeln, welcher vom jeweiligen Ursprungsbereich in Richtung des HUDs verläuft. Das ist vorzugsweise ebenfalls umfasst, wenn es heißt, dass die Strahlung vom Ursprungsbereich in Richtung des HUDs kollimiert ist.
• Die vorstehenden Annahmen sind geeignet für eine besonders einfache und ressourcenschonende Simulation, wobei gleichzeitig Ergebnisse erzielt werden können, welche reales Umgebungslicht und dessen unerwünschte Umlenkung besonders gut nachbilden.
• Für die Strahlung wird vorzugsweise bzgl. dessen spektraler Verteilung Schwarzkörperstrahlung angenommen, bspw. in einem Temperaturbereich von 1000 Kelvin (K) bis 10000 K, stärker bevorzugt in einem Temperaturbereich von 3000 K bis 8000 K, noch stärker bevorzugt in einem Temperaturbereich von 4000 K bis 7000 K und insbesondere in einem Temperaturbereich von 5000 K bis 6500 K, bspw. 6000 K. Der Fachmann weiß, wie er die spektrale Verteilung eines Schwarzkörpers annähern bzw. berechnen kann.
• Eine solche Strahlung ist einfach zu simulieren und bildet echtes Umgebungslicht dennoch realistisch ab.
• In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die kritische Umlenkung dadurch definiert, dass ein Strahl bzw. Strahlung in die Eyebox umgelenkt werden kann.
• Durch diese Ausführungsform, bei der kritische Umlenkung bereits dadurch gegeben ist, dass überhaupt Umgebungslicht unabhängig von der Intensität in die Eyebox umgelenkt wird, kann die Umlenkung von Umgebungslicht jeglicher Intensität vermindert bzw. verhindert werden. So kann besonders effektiv eine Entspiegelung eines HUDs realisiert werden.
• In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die kritische Umlenkung dadurch definiert, dass eine Strahlungsintensität oder eine Leuchtdichte (von umgelenkter Strahlung innerhalb der Eyebox) oberhalb einer mittleren Strahlungsintensität oder Leuchtdichte von nicht umgelenkten Umgebungslicht (bevorzugt innerhalb der Eyebox) liegt.
• Als mittlere Strahlungsintensität kann ein vom Fachmann routinemäßig bestimmbarer Wert herangezogen werden, z. B. die Leuchtdichte eines mittleren klaren Himmels von 8000 cd/m² (Candela pro Quadratmeter).
• So kann ein effizient entspiegeltes HUD bereitgestellt werden, bei dem nicht jegliche Umlenkung von Umgebungslicht in die Eyebox minimiert werden soll, sondern nur, wenn diese Intensitäten oder Leuchtdichten oberhalb eines Schwellwertes produziert.
• In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist eine kritische Umlenkung ausgesucht aus der Gruppe umfassend Reflektion, insbesondere Fresnel-Reflektion, Refraktion, Streuung und/oder Diffraktion.
• Diese Arten der Umlenkung sind bei einem HUD und dessen Komponenten besonders relevant.
• In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst eine kritische Umlenkung die Diffraktion des zu einer Strahlanpassung gebeugten Spektralbereichs des holographischen Wellenfrontmanipulators und umfasst bevorzugt einen Wellenlängenbereich ausgesucht aus der Gruppe roter Spektralbereich, insbesondere 640 nm, grüner Spektralbereich, insbesondere 525 nm und/oder 532 nm und/oder blauer Spektralbereich, insbesondere 446nm und/oder 460 nm. Dabei ist die Beschichtung bevorzugt für diesen Spektral- bzw. Wellenlängenbereich ausgelegt, was insbesondere bedeutet, dass diese eingerichtet ist, die Umlenkung vom einstrahlenden Umgebungslicht aus diesem Spektral- bzw. Wellenlängenbereich zu minimieren.
• Der Wellenfrontmanipulator ist vorzugsweise für einen oder mehrere Spektralbereiche ausgelegt, s. o. Dies ist vorzugsweise der (mindestens eine) zu einer Strahlanpassung gebeugte Spektralbereich des holographischen Wellenfrontmanipulators. Da auch um Umgebungslicht in diesem Spektralbereich und/oder angrenzend an diesen Spektralbereich liegen kann, kann auch eine unerwünschte Beugung (also insbesondere eine kritische Umlenkung) dieses Umgebungslichtes stattfinden. Daher ist es vorteilhaft, wenn die Beschichtung für diesen mindestens einen Spektral- bzw. Wellenlängenbereich ausgelegt ist, um diese Form der kritischen Umlenkung zu minimieren und somit ein verbessert entspiegeltes HUD bereitzustellen.
• Dies kann bspw. dadurch geschehen, dass die Beschichtung in dem jeweiligen Spektralbereich für den bestimmten Winkelbereich intransparent oder strahlablenkend ist, jedoch für andere Winkelbereiche (insbesondere welche für den Betrieb des HUDs) benötigt werden, transparent.
• In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Beschichtung Mottenaugenstrukturen und/oder Nanostrukturen.
• Mottenaugenstrukturen sind bspw. in T. Lohmüller, M. Helgert, M. Sundermann, R. Brunner, J. P. Spatz: Biomimetic Interfaces for High-Performance Optics in the Deep-UV light range, Nano Letters, Juni 2008 sowie in Guanjun Tan et al.: Broadband antireflection film with moth-eye-like structure for flexible display applications, Optica, Vol. 4, No. 7, 678, Juli 2017 beschrieben und sind für eine verbesserte Entspiegelung geeignet.
• Nanostrukturen sind bspw. in Ashok K. Sood et al.: Nanostructured AR coatings for optoelectronic applications, Nova Science Publishers, 2015 beschrieben. Nanostrukturen sind als AR-Beschichtung besonders effektiv.
• In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Beschichtung eine Antireflexionsschicht, insbesondere eine dielektrische Schicht.
• Diese sind besonders einfach, kostengünstig und effizient.
• In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Beschichtung eingerichtet, eine Abschwächung der Umlenkung aus dem bestimmten Winkelbereich um mindestens 95%, vorzugsweise um mindestens 99% zu realisieren.
• Der Fachmann weiß, wie er anhand von Berechnungen, Datenblättern o. ä. eine geeignete Beschichtung finden kann, um die entsprechende Abschwächung zu realisieren.
• Eine Abschwächung um mindestens 95% ist für viele Fälle ausreichend und daher eine besonders effiziente Lösung.
• Durch eine Abschwächung von mindestens 99% kann ein besonders verbessert entspiegeltes HUD realisiert werden.
• In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Beschichtung eingerichtet, die Abschwächung der Umlenkung aus dem bestimmten Winkelbereich um mindestens 95% zu realisieren und eine Umlenkung aus mindestens einem anderen Winkelbereich, welcher vorzugsweise nicht mit dem bestimmten Winkelbereich überlappt, um weniger als 95% abzuschwächen.
• Eine solche Beschichtung ist besonders für eine Abschwächung des bestimmten Winkelbereichs gegenüber anderen Winkelbereichen ausgelegt und ist daher besonders effizient und kostengünstig.
• In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Beschichtung mehrere einzeln wirksame Schichtelemente, welche jeweils eingerichtet ist, die Umlenkung aus einem mit dem bestimmten Winkelbereich teilweise überlappenden Winkelbereich abzuschwächen, wobei die jeweiligen teilweise überlappenden Winkelbereiche zusammengenommen den bestimmten Winkelbereich überlappen.
• Es handelt sich hierbei im Prinzip vorteilhafterweise um eine AR-Schicht, welche aus mehreren AR-Schichten, welche für jeweils kleinere Winkelbereiche ausgelegt sind, zusammengesetzt ist und erst bei der Zusammensetzung die Funktionalität erhält, die Umlenkung von Licht aus dem bestimmten Winkelbereich zu minimieren.
• So kann eine geeignete Schicht besonders einfach hergestellt werden.
• In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Beschichtung auf dem Wellenfrontmanipulator, insbesondere auf ein den Wellenfrontmanipulator abdeckendes Coverglass aufgebracht.
• Das Coverglass kann vorzugsweise eine optisch für den verwendeten Spektralbereich transparente Abdeckung sein, welche den Wellenfrontmanipulator vor mechanischen Einflüssen und Verschmutzung schützt und gleichzeitig eine ästhetisch ansprechende Abdeckung der holographischen Komponente, bspw. zum Fahrzeuginnenraum hin, darstellt.
• Auf dem Coverglass bedeutet vorzugsweise auf der Seite des Coverglasses, welche die von dem Wellenfrontmanipulator abgewandte Seite des Coverglasses darstellt. In einem Fahrzeug ist dies vorzugsweise die Seite des Coverglasses, die zum Fahrzeuginnenraum hin orientiert ist und für einen Nutzer, bspw. den Führer des Kraftfahrzeuges, sichtbar ist.
• Eine Beschichtung auf dem Coverglass ist besonders einfach herzustellen (bspw. durch Beschichtung des Coverglasses). Vorteilhafterweise können dadurch (ebenso) unerwünschte Reflektionen von Umgebungslicht auf dem Coverglass verhindert werden.
• Das Coverglass kann bspw. aus Glas, Polymethylmethacrylat (PMMA), Polycarbonate (PC) o. ä gefertigt sein.
• In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein entspiegeltes HUD, hergestellt durch folgende Schritte:
• - Bereitstellen eines HUDs
• - Bestimmung von mindestens einem Winkelbereich von auf das HUD einstrahlenden Umgebungslichtes, für den eine kritische Umlenkung vom HUD in die Eyebox stattfinden kann (durch ein computerimplementiertes Verfahren)
• - Aufbringen mindestens einer Beschichtung auf das HUD, welche eingerichtet ist, die Umlenkung vom einstrahlenden Umgebungslicht aus dem bestimmten Winkelbereich zu minimieren.
• Dem Fachmann ist ersichtlich, dass Vorteile, Definitionen und Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens ebenso für die beanspruchte erfindungsgemäße Vorrichtung gelten.
• In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst das HUD ein Glare Trap, ein gekrümmtes Coverglass und/oder eine Strahlfalle.
• Die sogenannte Glare-Trap (Blendfalle) kann üblicherweise an einer Position zwischen einer Projektionsoberfläche und weiteren Komponenten des Head-up-Displays (Bspw. Wellenfrontmanipulator und/oder holographische Komponente) angeordnet werden und ist bevorzugt dazu ausgelegt, Sonnenlicht in eine festgelegte Richtung zu reflektieren, sodass es nicht über das Head-up-Display in Richtung der Eyebox reflektiert wird. Vorzugweise weist die Glare-Trap dazu eine Krümmung auf. Die Glare-trap kann sich bspw. direkt anliegend an die holgraphische Komponente bzw. den Wellenfrontmanipulator befinden (bevorzugt zwischen dieser Komponente und der Projektionsoberfläche), wobei insbesondere der Manipulator bzw. die Komponente die gleiche Krümmung aufweist wie die Glare-Trap.
• Das Coverglass kann vorzugweise ebenfalls eine Krümmung aufweisen, wobei insbesondere der von diesem abgedeckte Manipulator bzw. die abgedeckte holographische Komponente die gleiche Krümmung aufweisen wie das Coverglass.
• Die Strahlfalle ist bspw. als absorbierendes Element ausgestaltet und wird vorteilhaftweise so angeordnet, dass diese Umgebungslicht direkt blockt, so dass es weder auf direktem Wege oder nach Umlenkung in die Eyebox gelangen kann. Gleichzeitig kann aufgrund der Anforderungen an die freie Sicht des Nutzers des HUDs diese Strahlfalle bevorzugt nur in Bereiche des HUDs bzw. von dessen Umgebung eingebracht werden, wo diese den Nutzer nicht in seiner freien Sicht durch die Projektionsoberfläche behindert.
• Glare-Trap und Strahlfalle können so angeordnet und/oder eingerichtet sein, dass das von der Glare-Trap reflektierte Licht zumindest teilweise in der Strahlfalle landet und von dieser geblockt wird.
• Daher kann insbesondere eine Kombination der o. g. Elemente für eine zusätzlich verbesserte Entspiegelung herangezogen werden.
• In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst das HUD weiterhin eine holographische Komponente zur Strahlanpassung, insbesondere einen holographischen Wellenfrontmanipulator, wobei in einem Strahlengang zwischen holographischer Komponente und der vorgesehenen Eyebox des HUDs mindestens ein Bandpassfilter angeordnet ist, wobei der Bandpassfilter durchlässig ist für sichtbares Licht in mindestens einem ersten Spektralbereich, welcher mindestens einen von der holographischen Komponente zur Strahlanpassung gebeugten Spektralbereich umfasst, und wobei der Spektralfilter bevorzugt eingerichtet ist für eine Unterdrückung von sichtbarem Licht außerhalb des ersten Spektralbereichs.
• Der Bandpassfilter kann vorteilhaftweise direkt anliegend an der Beschichtung des HUDs, entweder oberhalb oder unterhalb, anliegen.
• Der Strahlengang umfasst insbesondere das Volumen, welches von den Strahlen eingenommen wird, welche zum Betrieb des HUDs verwendet werden. Typischerweise erstreckt sich der Strahlengang von der Lichtquelle über alle optischen Komponenten des HUDs (bspw. zur Strahlführung) bis hin zu einer Eyebox des HUDs.
• Eine holographische Komponente zur Strahlanpassung kann mindestens ein Hologramm, insbesondere mindestens ein HOE umfassen, welches als Teil des HUDs eine optische, bevorzugt strahlanpassende Funktion erfüllt, z. B. eine Strahlformung, eine Strahlumlenkung/- führung und/oder eine optische (spektrale, winkelselektive und/oder polarisationsselektive) Filterfunktion. Die Funktion wird dabei vorzugsweise im zur Strahlanpassung gebeugten Spektralbereich erfüllt. Es kann auch mehrere zur Strahlanpassung gebeugte Spektralbereiche geben, innerhalb derer die strahlanpassende Funktion erfüllt wird. Der o. g. genannte holographische Wellenfrontmanipulator ist vorzugsweise eine holographische Komponente.
• Der spektrale Bereich ist vorzugsweise ein zusammenhängender Bereich, so dass mehrere spektrale Bereiche vorzugsweise mehrere, nicht zusammenhängende spektrale Bereiche umfassen.
• Strahlformend bedeutet vorzugsweise die Form des Strahls beeinflussend. Strahlformung kann insbesondere eine Manipulation der Wellenfronten umfassen. Strahlformend umfasst bspw. kollimierend, fokussierend, defokussierend, die Divergenz vergrößernd, Aufweiten des Strahldurchmessers, Verkleinern des Strahldurchmessers, generell Änderung der Größe und/oder der Form des Strahlquerschnitts o. ä.
• Eine Strahlführung bzw. -umlenkung beschreibt insbesondere eine durch eine optische Komponente erzwungene Abweichung des Strahlengangs von einem ungestörten elektromagnetischen (Licht-) Strahl. Eine Strahlführung kann bspw. eine Strahlfaltung umfassen, um den Strahl unter gegebenen Randbedingungen (z. B. Bauraum, Größe der Eyebox, Größe der Abbildung, Position der Abbildung etc.) von der Lichtquelle bis zur Eyebox zu führen.
• Die holographische Komponente zur Strahlanpassung ist bevorzugt eingerichtet, den Lichtstrahl (synonym: das Lichtstrahlbündel, die Lichtstrahlen) mindestens eines spektralen Bereichs (des zur Strahlanpassung gebeugten Spektralbereichs) gemäß der funktionellen Bestimmung der holographischen Komponente anzupassen.
• Die holographische Komponente zur Strahlanpassung kann jedoch vorzugsweise eingerichtet sein, den Lichtstrahl (synonym: das Lichtstrahlbündel, die Lichtstrahlen) mehrerer (bspw. zweier oder dreier) spektralen Bereiche (also mehrerer zur Strahlanpassung gebeugten Spektralbereiche) gemäß der funktionellen Bestimmung der holographischen Komponente anzupassen.
• Typischerweise wird die holographische Komponente dafür eingerichtet sein, eine Strahlanpassung des von der mindestens einen Lichtquelle des HUDs ausgesendeten mindestens einen spektralen Bereichs vorzunehmen. Daher ist das mindestens eine Beugungsgitter der holographischen Komponente zur Strahlführung vorzugsweise ausgelegt, Licht in diesem spektralen Bereich entsprechend der gewünschten Funktionalität zu beugen. Außerdem ist die örtliche Anordnung der HUD Komponenten zueinander meistens festgelegt, so dass nicht nur der gebeugte spektrale Bereich festgelegt ist, sondern auch die Richtung, aus der das zu beugende Licht auf die holographische Komponente auftritt. Diese Richtung kann vorzugsweise ebenso durch einen Winkel beschrieben werden bzw. ein Winkelspektrum um diesen Winkel herum, wenn es sich um mehr als eine Richtung handelt, was bei der flächigen Ausdehnung der optischen Komponenten, einem gewünschten Field-of-view und einer nicht perfekt kollimierten Strahlführung in der Regel der Fall ist. Daher weist die holographische Komponente typischerweise einen Schwerpunktswinkel und/oder ein Winkelspektrum auf, welcher mit dem Winkel bzw. Winkelspektrum übereinstimmt, aus der das zu beugende Licht auf die holographische Komponente auftritt.
• Der Schwerpunktswinkel ist vorzugsweise der Winkel, für den die holgraphische Komponente die maximale Beugungseffizienz aufweist. Das Winkelspektrum der holographischen Komponente ist vorzugsweise ein Winkelbereich, der eine durch den Schwerpunktswinkel gegebene Orientierung aufweist. Das Winkelspektrum der holographischen Komponente ist insbesondere der (zusammenhängende) Bereich von Winkeln um den Schwerpunktswinkel herum, für den die holographische Komponente ebenfalls die (gewünschte) Beugung vornimmt. Dieses Winkelspektrum kann beispielsweise dadurch definiert sein, dass die Beugungseffizienz dort mindesten 50% der maximalen Beugungseffizienz aufweist. Das Winkelspektrum kann dabei entlang einer oder parallel zu einer Schnittebene mit dem Schwerpunktswinkel definiert sein, wenn bspw. die holographische Komponente nur Licht, dessen Richtung innerhalb oder parallel zu dieser Ebene liegt, beugt. Das Winkelspektrum kann jedoch auch entlang mehrerer Schnittebenen mit dem Schwerpunktswinkel (bzw. parallel zu diesen) definiert sein und sich dabei auch jeweils unterscheiden. Bspw. kann das Winkelspektrum entlang bzw. parallel zu zwei zu einander senkrechten Schnittebenen mit dem Schwerpunktswinkel definiert sein.
• Vorzugsweise sind Schwerpunktswinkel und/oder Winkelspektrum der holographischen Komponenten mit dem durch diese gebeugten Spektralbereich verknüpft, so dass eine typische Beschreibung der holographischen Komponente in der Angabe des Schwerpunktswinkels und des darum verteilten Winkelspektrums für einen (mindestens einen) spezifischen gebeugten Spektralbereich besteht.
• Somit ist die holographische Komponente vorzugsweise eingerichtet, Licht mindestens eines spektralen Bereiches und mindestens eines Winkelspektrums zu beugen, um die gewünschte Strahlanpassung zu erreichen. Beispielsweise kann die Lichtquelle Licht im roten (R), grünen (G) und blauen (B) Spektralbereich aussenden, um ein farbiges bzw. Weißlicht-HUD zu realisieren. Das Licht hat im jeweiligen Spektralbereich eine jeweilige spektrale Verteilung mit einer gewissen Breite. Die holographische Komponente ist dann vorzugsweise eingerichtet, Licht dieser Spektralbereiche, welches aus Richtung der Lichtquelle oder einer weiteren, vorgelagerten Komponente des HUDs (somit Licht mit einem gegebenen Winkelspektrum und/oder Schwerpunktswinkel) entsprechend zu beugen.
• Ein Bandpassfilter bezeichnet vorzugsweise einen Filter, welcher für elektromagnetische Strahlung eines Spektralbereiches weitestgehend durchlässig ist. Die Frequenz- bzw. Wellenlängenbereiche unterhalb und oberhalb des Durchlassbereiches werden dabei vorzugsweise nicht durchgelassen oder deutlich abgeschwächt.
• Es kann im Sinne der Erfindung auch bevorzugt sein, dass der hier verwendete Bandpassfilter elektromagnetische Strahlung von mehr als einem ersten Spektralbereich passieren lässt, bspw. von einem zweiten, einem dritten oder noch mehr Spektralbereichen, und zwischen diesen Spektralbereichen die Strahlung blockiert bzw. abschwächt. Dies ist insbesondere wünschenswert, wenn die holographische Komponente mehr als einen Spektralbereich zur Strahlanpassung beugt.
• Dabei ist der Bandpassfilter durchlässig für sichtbares Licht in mindestens einem ersten Spektralbereich (vorzugsweise ebenso in einem zweiten und besonders bevorzugt ebenso in einem dritten Spektralbereich), welcher mindestens einen von der holographischen Komponente zur Strahlanpassung gebeugten Spektralbereich umfasst, und vorzugsweise eingerichtet für eine Unterdrückung von sichtbarem Licht außerhalb des mindestens ersten Spektralbereichs.
• Wie vorstehend besprochen ist die holographische Komponente ausgelegt für mindestens einen von der holographischen Komponente zur Strahlanpassung gebeugten Spektralbereich und/oder ein von der holographischen Komponente zur Strahlanpassung gebeugtes Winkelspektrum (und den entsprechenden Schwerpunktswinkel). Licht anderer Spektralbereiche, aus anderen Winkeln und/oder mit anderen Winkelspektren wird vorteilhafterweise von der holographischen Komponente entweder gar nicht gebeugt oder aber anders gebeugt als das Licht für das HUD. Dennoch ist es möglich, dass Licht aus anderen Spektralbereichen und/oder anderen Richtungen (somit anderen Winkeln und/oder Winkelspektren) durch die holographische Komponente ebenfalls in einer Art gebeugt wird, dass dieses Licht direkt von der holographischen Komponente aus oder im Zusammenspiel mit weiteren Komponenten des HUDs in Richtung der Eyebox gelenkt wird und somit Störlicht in der Eyebox erzeugen kann. Dies liegt insbesondere daran, dass das von der holographischen Komponente umfasste Beugungsgitter auch für andere Winkel und/oder Wellenlängen von einfallendem Licht konstruktive Interferenz und somit gebeugtes Licht in verschiedenste Richtungen erzeugen kann. Dies ist eine immanente Eigenschaft des Beugungsgitters und kann nicht vollständig verhindert werden.
• Dadurch dass nun der Bandpassfilter durchlässig ist für sichtbares Licht in mindestens einem ersten Spektralbereich, welcher mindestens einen von der holographischen Komponente zur Strahlanpassung gebeugten Spektralbereich umfasst, und vorzugsweise eingerichtet für eine Unterdrückung von sichtbarem Licht außerhalb des mindestens ersten Spektralbereichs, kann im Wesentlichen verhindert, bzw. unterdrückt werden, dass Licht anderer Spektralbereiche als dem des mindestens ersten Spektralbereichs die holographische Komponente erreicht und somit von dieser in Richtung der Eyebox gebeugt werden kann.
• Dadurch dass der Bandpassfilter vorzugsweise in verschiedene Richtungen funktioniert, kann darüber hinaus ebenso verhindert werden, dass Licht anderer Spektralbereiche, welche die holographische Komponente trotz Filter erreichen und von dieser gebeugt werden, den Bandpassfilter passieren, da der Bandpassfilter z. B. auch in die Richtung nach Beugung funktioniert. Somit wirkt der Bandpassfilter vorzugsweise zur Unterdrückung von Licht unerwünschter Spektralbereiche in Richtung der holographischen Komponente als auch zu Unterdrückung von Licht unerwünschter Spektralbereiche nach Beugung durch die holographische Komponente. Durch die Anordnung des Bandpassfilters im Strahlengang zwischen holographischer Komponente und einer vorgesehenen Eyebox des HUDs kann somit durch die holographische Komponente gebeugtes Störlicht stark verringert bzw. beseitigt werden.
• In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Unterdrückung eine Abschwächung um mindestens einen Faktor 10, vorzugsweise einen Faktor 20 und insbesondere einen Faktor 100. Als Referenz wird hier insbesondere die auf den Bandpassfilter einstrahlende Intensität herangezogen und mit dem den Bandpassfilter passierende Intensität des gleichen Lichtes (bzw. dessen Anteil, der den Filter passiert hat) verglichen. Die Abschwächung kann dabei für verschiedene Einfallswinkel und/oder Spektren unterschiedlich sein, wobei bevorzugt für die Bestimmung der Abschwächung der am wenigsten abgeschwächte Winkel bzw. das am wenigsten abgeschwächte Spektrum herangezogen wird.
• Es hat sich herausgestellt, dass bereits für eine Abschwächung um einen Faktor 10 eine ausreichende Störlichtbeseitigung bei geringen Anforderungen an den Bandpassfilter erreicht werden kann. Diese Lösung ist somit besonders einfach und kostengünstig.
• Bei einer Abschwächung von einem Faktor 20 kann ein besonders guter Kompromiss zwischen Bandpassfilterqualität und verbesserter Abschwächung erzielt werden. Diese Lösung ist somit besonders effizient.
• Bei einer Abschwächung von einem Faktor 100 kann eine Störlichtreduzierung erreicht werden, welche auch bei kritischen Anwendungen hohe Sicherheit und Bedienbarkeit bei jeglichen Bedingungen bietet.
• Insbesondere die Kombination von entspiegeltem HUD durch gezielte Beschichtung und Verwendung eines Bandpassfilters kann ein verbessertes, entspiegeltes HUD realisiert werden.
• Beschreibung der Erfindung:
• Die Erfindung soll im Folgenden unter Verweis auf weitere Abbildungen und Beispiele erläutert werden. Die Beispiele und Abbildungen dienen der Illustration bevorzugter Ausführungsform der Erfindung, ohne diese zu beschränken.
• 1a und 1b zeigen Komponenten eines HUDs, welches als Projektionsoberfläche eine Windschutzscheibe aufweist.
• 2a-d zeigen aus verschiedenen Perspektiven zwei durch das Verfahren bestimmte, beispielhafte Winkel eines exemplarischen HUDs, für die eine kritische Umlenkung in die Eyebox stattfindet.
• 3 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der bei der Simulation getroffenen Annahmen.
• 4 zeigt Reflektionseigenschaften einer Mottenaugen-Antifreflektionsschicht, welche beispielhaft optimiert ist.
• 5a und 5b zeigen ein HUD mit einer Windschutzscheibe, welches zusätzlich eine Glare-Trap und eine Strahlfalle aufweist.
• 6 zeigt ortsaufgelöst die Intensität von umgelenkten Lichtstrahlen in die Eyebox für ein simuliertes HUD.
• 7 stellt die wesentlichen Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens dar.
• 1a zeigt Komponenten eines HUDs 1 in einer perspektivischen Ansicht, welches als Projektionsoberfläche 2 eine Windschutzscheibe 3 aufweist. Zusätzlich zu dieser ist noch die holographische Komponente zur Strahlanpassung 23 gezeigt, im vorliegenden Fall ein Waveguide zur Strahlaufweitung, welcher von einem Coverglass 5 abgedeckt ist. Ebenfalls gezeigt ist die designierte Eyebox 6 des HUDs 1. Im vorliegenden Fall kann diese bspw. eine Augenposition eines Fahrers umfassen. Sonnenstrahlen können nun so von den gezeigten Komponenten des HUDs 1 umgelenkt, insbesondere reflektiert werden, dass diese ihren Weg in die Eyebox 6 finden. Eine beispielhafte Reflektion kann direkt von dem Coverglass 5 in die Eyebox 6 stattfinden. Eine andere beispielhafte Reflektion wird vom Coverglass 5 über die Windschutzscheibe 3 in die Eyebox 6 reflektiert. Da nicht aus allen möglichen Winkeln solche kritischen Umlenkungen in die Eyebox 6 stattfinden können, kann durch das hier beschriebene Verfahren und das entsprechende HUD 1 eine besonders effiziente Entspiegelung vorgenommen werden, indem nur diejenigen Winkelbereiche bestimmt werden, aus denen heraus die kritische Umlenkung stattfinden kann. Anschließend wird eine Beschichtung zur Minimierung der kritischen Umlenkung aufgebracht, welche gezielt für die bestimmten Winkelbereiche funktioniert.
• 1b zeigt ein zu dem in 1a gezeigten ähnliches HUD 1 in einer perspektivischen Ansicht, welche einen etwas frontaleren Blick auf die Windschutzscheibe 3 ermöglicht. Neben den bereits in 1a gezeigten Komponenten des HUDs 1 werden hier darüber hinaus die Komponenten Freiformspiegel 13 und Bildgeber 22 gezeigt. Anstelle einer holographischen Komponente 23 in Form eines Waveguides ist hier ein Wellenfrontmanipulator 4 umfasst.
• 2a-d zeigen zwei beispielhafte, durch das Verfahren bestimmte Winkel 24 eines exemplarischen HUDs 1, für die eine kritische Umlenkung in die Eyebox 6 stattfindet. Umgebungslicht 9 aus dem ersten Winkel 8` wird in den 2a und 2b gezeigt, Umgebungslicht 9 aus dem zweiten Winkel 8" in den 2c und 2d gezeigt. Die 2a und 2c zeigen das HUD 1 seitlich, wobei der jeweilige Winkel 8', 8" in der Figurenebene liegt. Die 2b und 2d zeigen Umgebungslicht 9 aus den in 2a bzw. c gezeigten Winkeln 8', 8" in einer perspektivischen Sicht auf das HUD 1. In allen gezeigten Beispielen findet durch einfallendes Licht 9 eine kritische Reflektion an dem Wellenfrontmanipulator 4 bzw. dessen Coverglass 5 statt, welche durch eine weitere Reflektion an der Windschutzscheibe 3 schlussendlich in der Eyebox 6 landet. Die Winkel 8 werden in einem solchen Fall vorzugsweise für die Komponente des HUDs 1 bestimmt, auf die anschließend die Beschichtung aufgebracht werden soll. Dies ist im vorliegenden Fall aus praktischen Gründen (z. B. Transparenz der Projektionsoberfläche) der Wellenfrontmanipulator4 bzw. dessen Coverglass 5. Außerdem findet an dieser Komponente die wesentliche Umlenkung innerhalb des HUDs 1 statt, die hinterher in der Eyebox 6 landet. Der Winkelbereich des einfallenden Lichtes 9 wird dabei vorzugsweise in Bezug auf die Normale 7 zum Wellenfrontmanipulator4 bzw. Coverglass 5 gemessen. Die Anteile des simulierten Sonnenlichtes, welche durch Reflektion in der Eyebox 6 landen, sind dabei in den gezeigten Beispielen 0,00983% (2c und 2d) bzw. 1,52% (2a und 2b). Dies klingt nach wenig, da jedoch auch ein sehr geringer Anteil an reflektiertem Sonnenlicht in der Eyebox 6 als störend und hinderlich bei der Ablesung des HUDs 1 empfunden wird, soll vorzugsweise bereits ein solch geringer Anteil weiter minimiert werden. Im Sinne des Verfahrens kann es somit vorteilhaft sein, jegliche Strahlumlenkung in die Eyebox 6 als „kritisch“ zu definieren. Die hier gezeigten, beispielhaften Winkel 8 liegen innerhalb eines durch eine Simulation für die gezeigten HUDs bestimmten Winkelbereichs, welcher von 10° bis 40° reicht und innerhalb der Bildebene liegt. Die Winkelbereiche können auch in anderen Ebenen liegen und gleich dem in der Bildebene bestimmten Winkelbereich sein, jedoch in manchen Fällen auch unterschiedlich.
• 3 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der bei der Simulation getroffenen Annahmen. Hierbei wird vorteilhafterweise die Einstrahlung von direktem Sonnenlicht simuliert, dessen kritische Umlenkung als besonders störend und unter Umständen gar als gefährlich gilt, nicht so sehr wegen der Intensität an sich, sondern vor allem wegen der eingeschränkten Sicht auf das HUD 1 und/oder z. B. den Verkehr. Gezeigt sind hier einige exemplarische Strahlengänge, bspw. 9' und 9". Als Ursprungsbereiche 10 sind die jeweils in zeichnerische Näherung als Punkte dargestellte Bereiche 10' und 10" abgebildet. Diese Bereiche 10`, 10" sind wiederum Teilbereiche einer um das HUD 1 zentrierten Hemisphäre, die hier nur ausschnittsweise (Bezugszeichen 11) gezeigt ist. Da das HUD 1 wiederum eine endliche Ausdehnung hat und aus mehreren Komponenten besteht, kann die Zentrierung vorteilhaftweise um eine Komponente herum vorgenommen werden, die bei der kritischen Umlenkung eine wesentliche Rolle spielt, vorliegend der Wellenfrontmanipulator 4 bzw. dessen Coverglass 5. Die Bestimmung dieser Komponente kann aufgrund von Erfahrungswerten, theoretischen Betrachtungen und/oder aufgrund von (bspw. mehreren, vorgelagerten) Simulationen vorgenommen werden. Für die Zentrierung kann wiederum ein Vorzugspunkt der Komponente herangezogen werden, bspw. ein (bevorzugt geometrischer) Schwerpunkt der Komponente oder von deren Oberfläche. Wie aus der Zeichnung zu erkennen ist, bedeutet Zentrierung um das HUD 1 bevorzugt, dass der Mittelpunkt 12 der Hemisphäre im HUD 1, bspw. am genannten Vorzugspunkt liegt. Der Mittelpunkt 12 ist vorzugsweise der Ausgangspunkt der Radien der Hemisphäre. Der Radius der Hemisphäre kann vorzugsweise aufgrund von praktischen Erwägungen gewählt werden. Dass die Strahlung (z. B. 9' und 9") von einem Ursprungsbereich 10 in Richtung des HUDs 1 kollimiert ist, bedeutet vorzugsweise, dass die Strahlenbündel von jedem Ursprungsbereich 10 ein kollimiertes Strahlenbündel bilden und in Richtung des HUDs 1 verlaufen, wobei in Richtung des HUDs 1 vor allem in Richtung der Komponente des HUDs 1 bzw. in Richtung von dessen Vorzugspunkt verläuft. Im gezeigten Beispiel ist das ein Punkt auf der Oberfläche des Wellenfrontmanipulators 4 bzw. des Coverglasses 5. Dabei ist im gezeigten Beispiel kein kollimiertes Strahlenbündel gezeigt, sondern jeweils nur ein Strahl. Strahlung von verschiedenen Ursprungsbereichen 10 ist ersichtlicherweise jeweils in verschiedene Richtungen kollimiert. Jeder Ursprungsbereich 10 und das dazugehörige Strahlenbündel 9 kann dabei einem möglichen Sonnenstand und dem dazugehörigen Strahlenbündel der Sonne bei verschiedenen Orientierungen des Fahrzeugs entsprechen.
• 4 zeigt Reflektionseigenschaften einer Mottenaugen-Antifreflektionsschicht, welche beispielhaft optimiert ist, die Umlenkung (hier: Reflektion) aus einem bestimmten Winkelbereich zwischen 10° und 40° zu minimieren.
• Auf der linken Seite ist durch einen Farbcode mit unterschiedlichen Graustufen (s. rechte y-Achse bzw. rechte Ordinatenachse) die Reflektivität in % in Abhängigkeit der einstrahlenden Wellenlänge (s. x-Achse oder Abzissenachse) und des Einfallswinkels (s. linke y-Achse bzw. linke Ordinatenachse) gezeigt. Es ist sichtbar, dass die (unerwünschte) Reflexivität zu größeren Einfallswinkeln und Wellenlängen hin größer wird und dabei Werte von 1 % oder größer bzw. 5% oder größer erreicht, welche je nach Ausführungsform bereits zu groß sind. Da jedoch aufgrund der Simulation eben bekannt ist, dass der bestimmte Winkelbereich für eine kritische Umlenkung zwischen 10° und 40° liegt, ist bei richtiger Aufbringung der Schicht dieser Umstand unkritisch. Gleichzeitig ist eine solche Schicht, welche auf einen kleineren Winkelbereich hin optimiert ist, wesentlich kostengünstiger, einfacher und leichter.
• Auf der rechten Seite ist die Reflexivität in % (y-Achse) für den Winkelbereich zwischen 10° und 40° exemplarisch für die drei Wellenlägen 450 nm (mit Kreisen versehen), 532 nm (mit Dreiecken versehen) und 650 nm (mit Kreuzen versehen) dargestellt. Lediglich für 650 nm überschreitet die Reflexivität für einen Winkelbereich zwischen 35° und 40° den möglicherweise kritischen Wert von 1%. Diese Wellenlängen sind ebenfalls im linken Bild durch die entsprechenden Symbole gekennzeichnet.
• Die Annahme bei beiden Figuren ist, dass das einstrahlende Licht 45° linear polarisiertes Licht ist. Man könnte ebenfalls eine über alle möglichen Polarisationen gemittelte Reflexivität berechnen, dies würde jedoch vorteilhafterweise zu dem gleichen Ergebnis führen.
• 5a und b zeigen ein HUD 1 mit einer Windschutzscheibe 3. Die dargestellte Ausführungsform umfasst des Weiteren einen Freiformspiegel 13 als weitere Komponente des HUDs 1, einen als Glaretrap 14 ausgestalteten Wellenfrontmanipulator4 und eine Strahlfalle 15. Die Wirkungsweise dieser zusätzlichen Komponenten soll im folgenden anhand der beispielhaft gezeigten, einfallenden Lichtstrahlen 9 erklärt werden. Zunächst einmal wird ein Teil der einfallenden Lichtstahlen 16 direkt durch die Strahlfalle 15 geblockt, welche bspw. als absorbierendes Element ausgestaltet sein kann. Diese können somit nicht in die Eyebox 6 gelangen. Gleichzeitig kann aufgrund der Anforderungen an die freie Sicht des Nutzers des HUDs die Strahlfalle 15 nur in Bereiche des HUDs bzw. von dessen Umgebung eingebracht werden, wo diese den Nutzer nicht in seiner freien Sicht durch die Windschutzscheibe 3 nach außen behindert. Für die übrigen Bereiche ist die Glaretrap 14 vorgesehen. Diese umfasst insbesondere einen derart um mindestens eine Achse gekrümmten Wellenfrontmanipulator4, dass im Zusammenspiel mit der Projektionsoberfläche 2 in Form der Windschutzscheibe 3 die vom Wellenfrontmanipulator reflektierten Strahlen in Bereiche außerhalb der Eyebox 6 umgelenkt werden. Lediglich in die Safety-Eyebox 17 kann noch eine geringe Intensität gelangen.
• Insbesondere im Zusammenspiel mit dem in diesem Dokument beschriebenen Verfahren zur Entspiegelung eines HUDs 1 mittels Berechnung bestimmter Winkelbereiche und entsprechender Beschichtung des HUDs 1 kann so eine Eyebox 6 frei von unerwünschten Umgebungslichtstrahlen erreicht werden.
• 5a zeigt eine Seitenansicht des HUDs 1, 5b zeigt eine perspektivische Ansicht. Bei der perspektivischen Ansicht gemäß 5b ist zusätzlich die Intensitätsverteilung von umgelenktem Umgebungslicht um und in die Eyebox 6 gezeigt. Dabei wird die Größe der Intensität von dunkelgrau (praktisch keine Intensität) bis hellgrau bzw. weiß immer stärker.
• Dies ist noch einmal in 6 verdeutlicht, welche ortsaufgelöst (in Millimeter - mm) die Intensität (Bestrahlungsstärke in Watt pro Quadratmillimeter - W/mm^2, s. rechte Graustufenskala) von umgelenkten Lichtstrahlen in die Eyebox 6 sowie um die die Eyebox umgebenden Sicherheitsbereiche 17' und 17" für ein simuliertes HUD 1 nach 5 darstellt. Es ist ersichtlich, dass lediglich unterhalb der Eyebox 6 etwas umgelenkte Intensität in den Sicherheitsbereich 17" gerät. Dies könnte durch weitere Optimierung, bspw. der HUD-Geometrie, noch verbessert werden.
• 7 stellt noch einmal die wesentlichen Verfahrensschritte dar. In einem ersten Schritt 18 wird ein HUD bereitgestellt. In einem nächsten Schritt 19 werden die Winkelbereiche von auf das HUD einstrahlenden Umgebungslichtes bestimmt, für die eine kritische Umlenkung vom HUD in die Eyebox stattfinden kann.
• In einem weiteren Schritt 21 wird dann mindestens einer Beschichtung auf das HUD aufgebracht, welche eingerichtet ist, die Umlenkung vom einstrahlenden Umgebungslicht aus dem bestimmten Winkelbereich zu minimieren.
• Es kann weiterhin der Zwischenschritt 20 (gestrichelt gezeichnet) umfasst sein, welcher die Herstellung der aufzubringenden Beschichtung umfasst.
• BEZUGSZEICHENLISTE

1

Head-Up Display (HUD)

2

Projektionsoberfläche

3

Windschutzscheibe

4

Wellenfrontmanipulator

5

Coverglass

6

Eyebox

7

Normale zur Bestimmung des Winkelbereichs

8

Winkel innerhalb des bestimmten Winkelbereichs

9

Einfallendes Umgebungslicht

10

Ursprungsbereiche

11

Ausschnitt der Hemisphäre

12

Mittelpunkt der Hemisphäre

13

(Freiform-) Spiegel

14

Glaretrap

15

Strahlfalle

16

Teil der einfallenden Lichtstahlen, welcher durch die Strahlfalle geblockt wird

17

Sicherheitsbereich um die Eyebox

18

Bereitstellen HUD

19

Bestimmung der Winkelbereiche

20

Herstellen der Beschichtung

21

Aufbringen der Beschichtung

22

Bildgeber

23

Holographische Komponente zur Strahlanpassung

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• EP 2022055513 [0009]
• EP 2022066787 [0009]
• Zitierte Nicht-Patentliteratur
• T. Lohmüller, M. Helgert, M. Sundermann, R. Brunner, J. P. Spatz: Biomimetic Interfaces for High-Performance Optics in the Deep-UV light range, Nano Letters, Juni 2008 [0081]
• Guanjun Tan et al.: Broadband antireflection film with moth-eye-like structure for flexible display applications, Optica, Vol. 4, No. 7, 678, Juli 2017 [0081]
• Ashok K. Sood et al.: Nanostructured AR coatings for optoelectronic applications, Nova Science Publishers, 2015 [0082]

Claims (14)

1. Verfahren zur Entspiegelung eines Head-Up Displays (HUD) (1) mit einer definierten Eyebox (6), umfassend die folgenden Schritte: - Bereitstellen eines HUDs (18) - Bestimmung von mindestens einem Winkelbereich (19) von auf das HUD (1) einstrahlenden Umgebungslicht (9), für den eine kritische Umlenkung vom HUD (1) in die Eyebox (6) stattfinden kann - Aufbringen mindestens einer Beschichtung (21) auf das HUD (1), welche eingerichtet ist, die Umlenkung vom einstrahlenden Umgebungslicht (9) aus dem bestimmten Winkelbereich zu minimieren.
2. Verfahren nach Anspruch 1, umfassend weiterhin folgenden Zwischenschritt: - Herstellen der Beschichtung (20).
3. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das HUD (1) eine Projektionsoberfläche (2), insbesondere eine Windschutzscheibe (3), und einen Wellenfrontmanipulator (4) zur Anordnung im Strahlengang des Head-up-Displays (1) zwischen einer bildgebenden Einheit und der Projektionsoberfläche (2) umfasst, wobei der Wellenfrontmanipulator (4) insbesondere ein holographischer Wellenfrontmanipulator (4) ist.
4. Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, umfassend weiterhin die Bestimmung von Teilbereichen und/oder Komponenten des HUDs (1), für die die kritische Umlenkung vom HUD (1) in die Eyebox (6) stattfinden kann, wobei die Beschichtung auf die Teilbereiche und/oder Komponenten aufgebracht wird.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, wobei als einstrahlendes Umgebungslicht (9) Strahlung angenommen wird, welche von einem Ursprungsbereich (10) in Richtung des HUDs (1) kollimiert ist, wobei als Ursprungsbereich (10) der kollimierten Strahlung jeder Teilbereich einer in mehrere Teilbereiche aufgeteilten Oberfläche einer um das HUD zentrierten Hemisphäre (11) angenommen wird, wobei bevorzugt eine spektrale Verteilung einer spektralen Verteilung eines Schwarzkörpers und/oder der Sonne zumindest teilweise entspricht.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, wobei die kritische Umlenkung dadurch definiert ist, dass ein Strahl oder Strahlung in die Eyebox (6) umgelenkt werden kann oder wobei die kritische Umlenkung dadurch definiert ist, dass eine Strahlungsintensität oberhalb einer mittleren Strahlungsintensität von nicht umgelenkten Umgebungslicht liegt.
7. Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, wobei eine kritische Umlenkung ausgesucht ist aus der Gruppe umfassend Reflektion, insbesondere Fresnel-Reflektion, Refraktion, Streuung und/oder Diffraktion.
8. Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche 3-7, wobei die kritische Umlenkung die Diffraktion des zu einer Strahlanpassung gebeugten Spektralbereichs des holographischen Wellenfrontmanipulators (4) umfasst und insbesondere einen Wellenlängenbereich ausgesucht aus der Gruppe roter Spektralbereich, insbesondere 640 nm, grüner Spektralbereich, insbesondere 525 nm und/oder 532 nm und/oder blauer Spektralbereich, insbesondere 446nm und/oder 460 nm umfasst.
9. Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, wobei die Beschichtung Mottenaugenstrukturen und/oder Nanostrukturen umfasst und/oder wobei die Beschichtung eine Antireflexionsschicht, insbesondere eine dielektrische Schicht umfasst.
10. Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, wobei die Beschichtung eingerichtet ist, eine Abschwächung der Umlenkung aus dem bestimmten Winkelbereich um mindestens 95%, vorzugsweise um 99% zu realisieren.
11. Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche 3-10, wobei die Beschichtung auf dem Wellenfrontmanipulator, insbesondere auf ein den Wellenfrontmanipulator abdeckendes Coverglass (5) aufgebracht wird.
12. Entspiegeltes HUD (1), hergestellt durch folgende Schritte: - Bereitstellen eines HUDs (18) - Bestimmung von mindestens einem Winkelbereich von auf das HUD (1) einstrahlenden Umgebungslichtes, (9) für die eine kritische Umlenkung vom HUD (1) in die Eyebox (6) stattfinden kann (19) - Aufbringen mindestens einer Beschichtung auf das HUD (1), welche eingerichtet ist, die Umlenkung vom einstrahlenden Umgebungslicht (9) aus dem bestimmten Winkelbereich zu minimieren (21).
13. Entspiegeltes HUD (1) nach dem vorherigen Anspruch, umfassend ein Glare Trap (14), ein gekrümmtes Coverglass (5) und/oder eine Strahlfalle (15).
14. Entspiegeltes HUD (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, umfassend weiterhin eine holographische Komponente zur Strahlanpassung (23), insbesondere einen holographischen Wellenfrontmanipulator (4), wobei in einem Strahlengang zwischen holographischer Komponente und der vorgesehenen Eyebox (6) des HUDs (1) mindestens ein Bandpassfilter angeordnet ist, wobei der Bandpassfilter durchlässig ist für sichtbares Licht in mindestens einem ersten Spektralbereich, welcher mindestens einen von der holographischen Komponente zur Strahlanpassung gebeugten Spektralbereich umfasst.

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