DE69031515T2

DE69031515T2 - Dispersionskorrigierte virtuelle Hologramm-Bilddarstellung auf Windschutzscheiben

Info

Publication number: DE69031515T2
Application number: DE69031515T
Authority: DE
Inventors: Ronald T Smith
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Current assignee: DirecTV Group Inc
Priority date: 1989-06-29
Filing date: 1990-06-28
Publication date: 1998-04-23
Anticipated expiration: 2010-06-29
Also published as: US4981332A; EP0405540A2; JPH0343779A; KR930001538B1; DE69031515D1; KR910001418A; MX170539B; EP0405540B1; CA2019742A1; EP0405540A3; CA2019742C

Description

Die offenbarte Erfindung betrifft generell Blickfelddarstellungsgeräte für eine Windschutzscheibe mittels eines hobgraphischen virtuellen Bildes und betrifft insbesondere ein Blickfelddarstellungsgerät für eine Windschutzscheibe mittels eines virtuellen Bildes, wobei das Darstellungsgerät ein virtuelles Bild mit Bildkomponenten erzeugt, die relativ weit vor der Windschutzscheibe und in unterschiedlichen virtuellen Bildebenen angeordnet sind.
Blickfelddarstellungsgeräte für Fahrzeuge wie Kraftfahrzeuge werden dazu verwendet, eine Instrumentenanzeige bestehend aus einem virtuellen Bild an der Windschutzscheibe des Fahrzeugs oder davor zu erzeugen, was zu einer erhöhten Sicherheit führt, da es nicht erforderlich ist, daß die Bedienperson des Fahrzeugs, die das Blickfelddarstellungsgerät bzw. die Anzeige liest, das Blickfeld verschwenkt oder die Augen umfokussiert.
Blickfelddarstellungsgeräte ("head-up displays") erzeugen generell virtuelle Bilder durch die Wiedergabe eines Bildhologramms, das an der Windschutzscheibe oder in der Windschutzscheibe angeordnet sein kann, oder durch Reflexion einer Bildquelle mittels eines Strahlteilers wie einer Beschichtung, die bspw. auf die Windschutzscheibe aufgebracht ist.
Wenn ein System mit einem virtuellen Bildhologramm eine breitbandige Lichtquelle verwendet, muß das virtuelle Bild jedoch nahe an dem Bildhologramm angeordnet sein, um eine das Bild verschmierende Farbzerstreuung ("Dispersion") zu vermeiden. Um ein virtuelles Bild relativ weit vor der Windschutzscheibe zu erzeugen, das nicht verschmiert bzw. nicht unscharf ist, muß eine schmalbandige Lichtquelle verwendet werden, die für einige Zwecke zu teuer oder zu lichtschwach sein kann.
Aus der FR-A-2 615 003 ist ein Blickfelddarstellungsgerät für ein Fahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt geworden.
Das bekannte Darstellungsgerät umfaßt ein Bildhologramm an einer Windschutzscheibe des Fahrzeugs und eine Bildquelle, die auf das Bildhologramm gerichtet ist, um ein virtuelles Bild zu erzeugen, das vor dem Fahrzeug angeordnet ist. Um den Ort des virtuellen Bildes variieren zu können, ist ein Modulator vorgesehen, so daß der Ort des virtuellen Bildes in Abhängigkeit von Parametern wie der Geschwindigkeit oder der Motordrehzahl variiert werden kann.
Ein weiteres holographisches Blickfeld-Anzeigegerät ist aus der US-A-4 737 001 bekannt. Das holographische Anzeigegerät wird dazu verwendet, einen Fahrzeug-Perimeterort zu bestimmen.
Aus der EP-A-0 286 962 ist ein Blickfelddarstellungsgerät bekannt, bei dem eine optische Einheit ein Informationsbild erzeugt, das von einer Linse gesammelt und mittels eines reflektierenden Elementes auf die Windschutzscheibe eines Fahrzeugs reflektiert wird. Da die Windschutzscheibe üblicherweise in zwei Ebenen mit einer Krümmung versehen ist, ist das reflektierende Element mit einer entsprechenden Krümmung versehen, um die Krümmung der Windschutzscheibe zu kompensieren. Das reflektierende Element kann durch ein reflektierendes Transmissionshologramm gegeben sein. Ein zweites reflektierendes Transmissionshologrammgitter kann parallel zu dem ersten Hologramm angeordnet sein, so daß an dem ersten Hologramm auftretende Farbfehler durch das zweite Hologramm kompensiert werden.
Ferner wird Bezug genommen auf das HANDBOOK OF OPTICAL HOLOGRAPHY, 1979, Caulfield, Acadamic Press New York, Seiten 199-205 und Seiten 233-237, das generell ein Verfahren zur Kompensation der Farbzerstreuung eines Hologramms offenbart. Gemäß diesem Dokument des Standes der Technik kann ein Farbzerstreuungshologramm vor dem Bildhologramm dazu verwendet werden, die Farbzerstreuung des Bildhologramms zu kompensieren.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Blickfelddarstellungsgerät für ein Fahrzeug anzugeben, wobei das Blickfelddarstellungsgerät eine breitbandige Lichtquelle verwendet und ein virtuelles Bild mit Bildkomponenten relativ weit vor der Windschutzscheibe und in unterschiedlichen virtuellen Bildebenen erzeugt.
Diese Aufgabe wird dadurch erreicht, daß ein Blickfelddarstellungsgerät für ein Fahrzeug von jenem Typ, das aus der FR- A-2 615 003 bekannt ist, mit Kompensationsmitteln versehen wird, die auf die Beleuchtung durch die Quelle ansprechen, um das Bildhologramm mit einer Wiedergabebeleuchtung zu versorgen, die vorab farbzerstreut ist, um die Farbzerstreuung des Bildhologramms zu kompensieren, und wobei das Bildhologramm ein virtuelles Bild mit einer Vielzahl von Bildkomponenten erzeugt, die in unterschiedlichen Bildebenen liegen.
Die Vorteile und Merkmale der offenbarten Erfindung ergeben sich für Fachleute aus der nachstehenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung, in der:
Fig. 1 eine schematische Seitenansicht eines Blickfelddarstellungsgerätes gemäß der Erfindung ist;
Fig. 2A und 2B mittels eines illustrativen Beispiels schematisch einen Vorgang zum Aufzeichnen des Bildhologramms des Blickfelddarstellungsgerätes von Fig. 1 zeigen;
Fig. 3 mittels eines illustrativen Beispiels auf schematische Weise einen Vorgang zum Aufzeichnen des Reflexionshologramms zur Farbzerstreuungskompensation des Blickfelddarstellungsgerätes der Fig. 1 zeigt;
Fig. 4A die Größe der Bildunschärfe am Hologramm gegen die spektrale Bandbreite für verschiedene Wiedergabewinkel darstellt;
Fig. 4B die Größe der Winkelbildunschärfe am Auge gegen die Bildtiefe für verschieden Winkelunschärfen des Hologramms darstellt;
Fig. 5 ein Modell zeigt, das die Bildunschärfe von einem Hologramm für einen bestimmten Bildpunkt darstellt;
Fig. 6A und 6B zwei mögliche Konfigurationen darstellen, die diese Erfindung implementieren;
Fig. 7 ein Modell eines farbzerstreuungs-kompensierenden Darstellungsgerätes für ein virtuelles Bild für einen bestimmten Lichtstrahl von der Quelle zeigt;
Fig. 8A ein Beispiel eines Bildhologramms ist, das kein Kompensationshologramm verwendet, das eine Beleuchtung von einer Lichtquelle mit einer sehr schmalen Bandbreite erfordert;
Fig. 8B ein Beispiel eines Farbzerstreuungs-Kompensationssystems unter Verwendung eines Bildhologramms und eines Kompensationshologramms ist, bei dem die erforderliche spektrale Bandbreite der Beleuchtung relativ groß ist;
Fig. 9 ein Beispiel eines farbzerstreuungs-kompensierenden Hologrammsystem ist, bei dem die Rest-Farbzerstreuung bei einem Winkel α von der Mitte des Bildes berücksichtigt wird; und
Fig. 10 ein Diagramm ist, das die spektrale Bandbreite, die zum Erzeugen einer Bildunschärfe von weniger als 1 mrad erforderlich ist, gegen Ri und Rc darstellt.
In der folgenden detaillierten Beschreibung und in den diversen Figuren der Zeichnung sind gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen angegeben.
In Fig. 1 ist ein Blickfelddarstellungsgerät mit einem holographischen virtuellen Bild für ein Fahrzeug wie ein Kraftfahrzeug gezeigt. Das Blickfelddarstellungsgerät umfaßt eine breitbandige Lichtquelle 11, ein farbzerstreuungs-kompensierendes Volumenreflexionshologramm 13A und ein Bild-Volumenreflexionshologramm 15A. Das Bildhologramm 15A wird von der Windschutzscheibe 17 eines Fahrzeugs gelagert, bspw. an der innenliegenden Oberfläche der Windschutzscheibe oder zwischen Schichten der Windschutzscheibe.
Das Kompensationshologramm 13A ist in einem Abstand Rc von der Quelle 11 angeordnet und versorgt das Bildhologramm 15A mit gebeugter Beleuchtung als Wiedergabebeleuchtung für das Bildhologramm 15A. Die gebeugte Beleuchtung von dem Kompensationshologramm 13A steht unter einem Winkel A relativ zu der Quellbeleuchtung. Die gebeugte Beleuchtung von dem Bildhologramm 15A steht unter einem Winkel A' relativ zu der Wiedergabebeleuchtung, die von dem Kompensationshologramm 13A bereitgestellt wird.
Vorzugsweise sind das Kompensationshologramm 13A und das Bildhologramm 15A nahezu parallel angeordnet, um die Farbzerstreuung zu minimieren. Wenn (a) die Hologramme parallel liegen, (b) die Entfernung zu einer virtuellen Bildkomponente und die Entfernung Rc gleich groß sind, und (c) die Winkel A und A' gleich groß sind, besitzt der Bildpunkt für jene Bildkomponente virtuell keine Farbzerstreuung, wenn er von irgendwo innerhalb der Augenkammer betrachtet wird. Es ist anzumerken, daß es keine notwendige Bedingung ist, daß die gebeugte Beleuchtung von dem Kompensationshologramm 13A in Fig. 1 senkrecht auf beiden Hologrammen steht, sofern die Hologramme parallel sind.
Wenn die Hologramme nicht parallel sind, dann können die Bildentfernung, die Quellentfernung Rc und die Winkel A, A' so gewählt werden, daß der Bildpunkt nur dann keine Farbzerstreuung aufweist, wenn er von einem Punkt innerhalb der Augenkammer betrachtet wird. Die Farbzerstreuung erhöht sich monoton mit der Entfernung von jenem Punkt. Die Wirkungen der vorstehenden Parameter auf die Farbzerstreuung werden nachstehend in größerer Genauigkeit erörtert.
Es ist jedoch anzumerken, daß die Hologramme in der Praxis in angemessenem Umfang nicht parallel sein können, ohne daß sie an einer übermäßigen Farbzerstreuung leiden. Eine Nicht- Parallelität von etwa 10 bis 20 Grad liefert bspw. eine Anzeige mit einer akzeptierbaren Farbzerstreuung.
Ein virtuelles Bild wird infolge der von dem Kompensationshologramm 13A bereitgestellten Wiedergabebeleuchtung erzeugt, wobei das virtuelle Bild vor der Windschutzscheibe 17 erscheint. Wie es nachstehend in größerer Genauigkeit erörtert wird, kann das virtuelle Bild relativ weit vor der Windschutzscheibe angeordnet sein und kann virtuelle Bildkomponenten besitzen, die in unterschiedlichen Bildebenen angeordnet sind.
Das Bildhologramm 15A umfaßt bspw. ein Bild von Fahrzeugoder Motor-Statusanzeigen und die Lichtquelle 11 wird von einem Steuerschaltkreis selektiv aktiviert, um das Bildhologramm 15A zu geeigneten Zeiten zu beleuchten, um ein virtuelles Bild zu erzeugen, das einen vorbestimmten Zustand anzeigt und von der Bedienperson des Fahrzeugs zu sehen ist.
Obwohl nur ein Bildhologramm gezeigt ist, versteht sich, daß eine Vielzahl von Bildhologrammen mit jeweiligen zugeordneten Lichtquellen und Kompensationshologrammen verwendet werden könnte.
In den Fig. 2A und 2B ist mittels eines illustrativen Beispiels ein Vorgang zum Aufzeichnen des Bildhologramms 15A gezeigt. Der Vorgang bzw. Prozeß beinhaltet generell das Aufzeichnen eines ersten Holograinms mit dem Bild eines Diffusors und dann das Aufzeichnen der Wiedergabe des ersten Hologramms zusammen mit einer Bildmaske auf dem zweiten Hologramm. Das zweite Hologramm ist als das Bildhologramm 15 installiert.
Wie es insbesondere in Fig. 2A gezeigt ist, wird ein Silberhalogenidfilm 111 mit einem Objektstrahl OB1 und einem Referenzstrahl RB1 belichtet. Die Beleuchtung zum Erzeugen des Objekt- und des Referenzstrahls wird in Übereinstimmung mit bekannten Techniken bereitgestellt, bspw. durch einen Laserausgang mit einer langen Kohärenzlänge, der P-polarisiert (d.h. parallel zur Ebene der Fig. 2A polarisiert) und dann durch einen (nicht gezeigten) Strahlteiler aufgeteilt wird, um an dem Silberhalogenidfilm einen Referenzstrahl bereitzustellen, der etwa die vier- bis zehn-fache Intensität des Objektstrahls besitzt (d.h. das Intensitätsverhältnis von Referenzstrahl zu Objektstrahl beträgt etwa 4/1 bis 10/1). Der Laserausgang wird P- polarisiert, um Reflexionen von der Rückseite (der Nichteinfallsseite) des Aufzeichnungsfilms zu reduzieren. Solche Reflexionen bzw. ein solches Reflexionsverhalten würde, wenn es nicht gesteuert wird, dazu führen, daß unerwünschte Reflexionshologramme gebildet werden. Jeder der aufgeteilten Strahlen wird optisch so gesteuert, daß er divergiert, was z.B. durch eine Mikroskop-Objektivlinse und eine Iris bzw. Blende erzielt werden kann.
Vorzugsweise sieht man vor, daß die optischen Pfadlängen für die jeweilige Beleuchtung, die den Objektstrahl OB1 und den Referenzstrahl RBI erzeugen, im wesentlichen gleich sind, was in Übereinstimmung mit bekannten Techniken erzielt werden kann, einschließlich der Verwendung von geeigneten Linsen und/oder Weiterleitungsspiegeln.
Der divergierende Strahl für den Objektstrahl OB1 wird von einem Diffusor 113 bereitgestellt, dessen Beleuchtungsausgang von einer Pupillenaustrittsmaske 115 maskiert wird, die in einer Entfernung D1 von dem Film 111 angeordnet ist, um den Objektstrahl OB1 bereitzustellen, der grob senkrecht auf dem Silberhalogenidfilm 111 steht. Alternativ hierzu könnte der divergierende Strahl für den Objektstrahl vor dem Diffusor 113 kollimiert werden.
Der divergierende Strahl für den Referenzstrahl RB1 wird von einer Kollimationslinse 117 kollimiert, um den Referenzstrahl RBI zu erzeugen, der auf den Silberhalogenidfilm unter einem Winkel D relativ zu dem Objektstrahl OB1 auftrifft.
Der Silberhalogenidfilm 111 wird entwickelt, um ein erstes Hologramm 111a bereitzustellen, das in dem in Fig. 2B dargestellten Schritt wiedergegeben wird, wobei das Bildhologramm 15A aufgezeichnet wird. Im Rahmen eines illustrativen Beispiels wird ein dichromatischer Gelatinefilm (DCG-Film) 15 mit einem Objektstrahl OB2 und einem Referenzstrahl RB2 belichtet, die auf divergierenden Strahlen basieren, die geeignet von derselben Quelle bereitgestellt werden können, die die divergierenden Strahlen in dem in Fig. 2A gezeigten Prozeßschritt bereitgestellt hat. Die jeweiligen Strahlen sollten weiterhin vorzugsweise dieselbe optische Pfadlänge zu dem DCG-Film 15 besitzen.
Der divergierende Strahl für den Objektstrahl OB2 wird von einer Kollimationslinse 211 kollimiert, deren Ausgang unter einem Winkel D auf das erste Hologramm 111a auftrifft, das sich in derselben Orientierung wie der silberhalogenidfilm 111 in Fig. 2A befindet, wobei der kollimierte Objektstrahl OB2, der von der Kollimationslinse 211 bereitgestellt wird, im wesentlichen die Umkehrung des kollimierten Referenzstrahls RB1 darstellt, der in Fig. 2A verwendet wird. Eine Bildmaske 213 benachbart zu dem ersten Hologramm 111a maskiert den Wiedergabeausgang des ersten Hologramms 111a und definiert das Bild der auf zuzeichnenden Status-Anzeige. Die Bildebene des virtuellen Bildes vor dem Bildhologramm wird durch die Entfernung Ri zwischen dem DCG-Film 15 und der Masken/Hologramm-Struktur bestimmt.
Der divergierende Strahl für den Referenzstrahl RB2 wird von einer Kollimationslinse 215 kollimiert und bildet bezüglich des Objektstrahls OB2 den Winkel A'. Der Winkel A' bei der Aufzeichnung wird durch den gewünschten Wiedergabewinkel A' (Fig. 1) bestimmt. Wie es bekannt ist, kann der Aufzeichnungswinkel A' gegenüber dem Wiedergabewinkel A' unterschiedlich sein, und zwar in Abhängigkeit von Faktoren einschließlich der Beziehung zwischen der Wellenlänge der Auf zeichnungsbeleuchtung und der mittleren Wiedergabewellenlänge, und durch das Anschwellen und Schrumpfen des Aufzeichnungsmediums während der chemischen Bearbeitung.
Falls es gewünscht wäre, ein Bild mit mehrfachen Bildkomponenten, möglicherweise in unterschiedlichen Bildebenen, zu erzeugen, würde jede Bildkomponente eine unterschiedliche Bildmaske 213 und eine separate Belichtung des DCG-Films 15 erfordem. Jede unterschiedliche Bildkomponente könnte so aufgezeichnet werden, daß sie in unterschiedlichen Bildebenen erscheinen, und zwar durch Variieren der Entfernung Ri zwischen dem DCG-Film 15 und der Masken/Hologramm-Struktur für die unterschiedlichen Bildkomponentenmasken.
Der belichtete DCG-Film 15 wird entwickelt und verarbeitet, um das Bildhologramm 15A zu erzeugen, das an der Windschutzscheibe des Fahrzeugs festgelegt wird. Das Hologramm 15A wird an der Windschutzscheibe des Fahrzeugs insbesondere in derselben Orientierung wie in Fig. 28 festgelegt, wobei der Ort der Bedienperson sich zur Linken des Hologramms 111a befindet, so daß das virtuelle Bild an demselben relativen Ort wie die Masken/Hologramm-Struktur angeordnet sein würde.
In Fig. 3 ist ein Vorgang zum Aufzeichnen des farbzerstreuungs-kompensierenden Hologramms 13A durch Belichten eines dichromatischen Gelatine-Aufzeichnungsfilms 113 mit einem Referenzstrahl RB und einem Objektstrahl OB gezeigt. Wie bei der Aufzeichnung des Bildhologramms 15A haben der Objektstrahl OB und der Referenzstrahl RB dieselbe Beleuchtungsquelle. Die jeweiligen Intensitäten des Objektstrahls OB und des Referenzstrahls RB sollten jedoch im wesentlichen gleich groß sein (d.h. ein Intensitätsverhältnis von 1/1).
Der Referenzstrahl RB ist ein divergierender Strahl, der eine scheinbare bzw. sichtbare Punktquelle in der Entfernung von dem DCG-Film 13 besitzt, die gleich groß ist wie die Entfernung Rc zwischen der Lichtquelle 11 und dem Kompensationshologramm 13A in Fig. 1.
Der divergierende Strahl für den Objektstrahl OB wird von einer Kollimationslinse 311 kollimiert, deren Ausgang der Objektstrahl OB ist. Der Auftreffwinkel des kollimierten Objektstrahls OB wird durch die gewünschte Richtung der gebeugten Beleuchtung von dem farbzerstreuungs-kompensierenden Hologramm 13a in dem System von Fig. 1 dadurch bestimmt, daß die gebeugte Beleuchtung in der Richtung vorliegen wirde, die durch Fortsetzen des Pfades des Objektstrahles OB auf der anderen Seite des DCG-Films 13 definiert ist. Daher wäre bei einem Auftreffwinkel des Objektstrahls von 0 Grad der gebeugte Strahl ebenfalls bei Grad. Der Objektstrahl OB und der Referenzstrahl RB sind so orientiert, daß sie einen Winkel A einschließen, der durch den gewünschten Wiedergabewinkel A in Fig. 1 bestimmt ist. Wie bekannt, kann der Aufzeichnungswinkel A sich von dem Wiedergabewinkel A unterscheiden, und zwar in Abhängigkeit von Faktoren wie der Beziehung zwischen der Wellenlänge der Aufzeichnungsbeleuchtung und der mittleren Wiedergabewellenlänge, und dem Anschwellen oder Schrumpfen des Aufzeichnungsmediums während der chemischen Verarbeitung.
Eine bevorzugte Wiedergabekonfiguration liegt dann vor, wenn das Kompensations- und das Bildhologramm parallel sind und wenn die Winkel A und A' gleich groß sind. Dann trifft der kollimierte Objektstrahl OB in Fig. 3 auf dem Hologramm 13 unter demselben Winkel auf wie der Referenzstrahl RB2 in Fig. 2B auf dem Hologramm 15. Die bestimmten gewählten Winkel sind nicht wichtig, solange sie gleich groß sind. Zusätzlich hierzu ist der Winkel A in Fig. 3 gleich dem Winkel A' in Fig. 2B.
Nach der Belichtung wird der DCG-Film 13 entwickelt, um das Hologramm 13a zu erzeugen, das nach einer geeigneten Laminierung auf ein Substrat als das farbzerstreuungskompensierende Hologramm 13A in Fig. 1 in derselben Orientierung verwendet wird, wie es in Fig. 3 gezeigt ist, wobei das Hologramm 13A von der breitbandigen Lichtquelle beleuchtet wird anstelle von dem divergierenden Referenzstrahl RB.
Die Vorteile der Erfindung lassen sich besser verstehen, wenn man ein virtuelles Bildhologramm analysiert, das ohne ein farbzerstreuungs-kompensierendes Hologramm beleuchtet wird. Das Bildhologramm erzeugt ein virtuelles Bild, das von dem Beobachter betrachtet werden kann, und dieses virtuelle Bild kann im Prinzip außerhalb der Ebene des Hologramms angeordnet sein. In der Praxis verringert das pHänomen der Farbzerstreuung jedoch die Entfernung drastisch, um die das Bild von dem Hologramm entfernt angeordnet sein kann, wenn ein akzeptabel scharfes Bild erzeugt werden soll. Die Farbzerstreuung bzw. die chromatische Dispersion ist jenes Phänomen, das durch die Tatsache beschrieben wird, daß der Beugungswinkel eines Lichtstrahls aus einem Hologramm von dessen Wellenlänge abhängt. Das Ergebnis besteht darin, daß für den Fall, daß ein Lichtstrahl mit einer spektralen Bandbreite, die nicht Null beträgt, auf das Hologramm auftrifft, das Hologramm das Licht in einen Fächer von Strahlen beugt, die jeweils unterschiedliche wellenlängen haben, so daß das Gesamtbild unscharf wird. Bei einem exakt in der Ebene des Hologramms angeordneten Bild verursacht die Farbzerstreuung keine Unschärfe des Bildes, sobald das Bild jedoch von dem Hologramm weg bewegt wird, steigt die Bildunschärfe rapide an.
Die explizite Abhängigkeit des Bildbeugungswinkels θi von der Wellenlänge λc und von dem Auftreffwinkel θc ist für ein Bildhologramm gegeben durch:
θi = sin&supmin;¹(λcf ± sinθc)

(Gleichung 1)

wobei "+" für ein Reflexionshologramm und wobei "-" für ein Transmissionshologramm verwendet wird. Dabei ist f die Oberflächenrandfrequenz bzw. Oberflächengrenzfrequenz bzw. Oberflächenstreifenfrequenz, die gegeben ist durch:
f = (sinθ&sub0; ± sin θr)/λ&sub0; = (sin θi0 ± sin θc0)/λc0

(Gleichung 2)

wobei "+" für ein Reflexionsholoqramm und wobei "-" für ein Transmissionshologramm verwendet wird, und wobei λ&sub0; die Belichtungswellenlänge, θ&sub0; der Objektstrahlwinkel, θr der Referenzstrahlwinkel, θi0 der Wiedergabebeugungswinkel aus dem Bildhologramm für Licht der Wellenlänge λc0, θc0 der bezüglich der Senkrechten auf das Bildhologramm auftreffende Wiedergabewinkel, und λc0 die Hologrammspitzenwellenlänge (Wellenlänge, bei der die Hologrammbeugung maximiert ist) ist, wobei alle Winkelangaben für eine Umgebung in Luft gelten. Durch Differenzieren des Beugungswinkels θi bezüglich der wellenlänge erhalten wir:
dθi/dλc = f/cosθi0

(Gleichung 3)

Daher ist die durch Farbzerstreuung erzeugte Unschärfe in der Auftreffebene für eine Lichtwelle mit einer spektralen Bandbreite Δλc:
Δθi = Δλcf/cosθi0

(Gleichung 4)

Diese Abhängigkeit ist in Fig. 4A für den speziellen Fall von θi0 = 0 dargestellt und läßt sich sowohl auf Transmissionsals auch auf Reflexionshologramme anwenden. Wie es in Fig. 5 gezeigt ist, ist die sichtbare bzw. scheinbare Größe wi des unscharfen Bildpunktes etwa:
wi = Ri Δθi

(Gleichung 5)

wobei Ri die Entfernung zwischen dem Hologramm und dem virtuellen Bild ist.
Die sichtbare bzw. scheinbare Bildunschärfe Δθe in der Brennpunktebene eines abbildenden Systems wie dem Auge, das in einer Entfernung R, von dem Hologramm entfernt angeordnet ist, beträgt etwa:
Δθe = Δθi/(1+Rv/Ri)

(Gleichung 6)

ein Wert, der nicht vom Pupillendurchmesser abhängt. Die obige Gleichung zeigt an, daß die sichtbare Bildunschärfe Δθe von der Entfernung Ri zwischen dem Hologramm und dem Bild abhängt. Wenn das Bild in der Ebene des Hologramms liegt, tritt keine Bildunschärfe auf, und die Unsch+rfe steigt monoton mit der Entfernung des Bildes von dem Hologramm an. Für den realistischen Fall, bei dem Rv = 30" (762 mm) und bei dem der Durchmesser we der Iris des Betrachters einen Wert von 0,2" (5 mm) hat, ist die sichtbare Bildunschärfe gegenüber der Hologrammunschärfe und der Entfernung von Bild zu Hologramm in Fig. 4B gezeigt.
Die obere Grenze ist für eine Bandbreite Δλc der Lichtquelle als Funktion der maximal akzeptierbaren Bildunschärfe Δθemax gegeben durch:
λc < λc0cosθi0 Δθemax(1 + Rv/Ri)/(sinθc0±sinθi0)

(Gleichung 7)

wobei "+" für Transmissionshologramme und wobei "-" für Reflexionshologramme gilt.
Daher erfordert das Verringern der sichtbaren Bildunschärfe in einem Hologrammbild, das weit von dem Hologrammbild entfemt liegt, dem Grunde nach eine Verringerung der Bildunschärfe Δθi bei dem Hologramm, was durch Gleichung 4 angegeben ist. Dies erfordert grundlegend (a) ein Minimieren der Schrägstellung der Hologrammränder bzw. -grenzen bzw. - streifen, indem der Auftreff- und der Beugungswinkel gleich groß gemacht werden, oder (b) ein Minimieren der spektralen Bandbreite der Lichtquelle. Das Gleichsetzen des Auftreff- und des Beugungswinkels bedeutet jedoch, daß erste Oberflächenreflexionen von den Oberflächen des Hologrammsubstrats in die Augenkammer des Betrachters eintreten und mit der Betrachtung der virtuellen Bilder interferieren werden. Aus diesem Grund wird ein Bildhologramm, das indirekt ohne Kompensationshologramm beleuchtet wird, vorzugsweise mit einem Strahl beleuchtet, der senkrecht auf der Oberfläche des Hologramms steht, so daß das erste, an der Oberfläche reflektierte Licht in den Bereich der Lichtquelle zurückkehrt und dort eingefangen wird. Die Windschutzscheibe ist jedoch in starkem Maße bezüglich des Betrachters geneigt und somit auch bezüglich der gebeugten Bildstrahlen. Daher wird die sich ergebende Farbzerstreuung außerordentlich hoch sein, es sei denn, die spektrale Bandbreite der Lichtquelle kann außerordentlich schmal gemacht werden.
Derzeit existierende schmalbandige Lichtquellen sind jedoch entweder zu teuer und verbrauchen zu viel Leistung oder sind zu schwach, so daß sie in vielen Umgebungen wie in Kraftfahrzeugen nicht verwendbar sind. Laser erzeugen in hohem Maße monochromatisches Licht, sind jedoch zu teuer, verbrauchen zu viel Leistung und sind gegenüber Stößen und Vibrationen zu empfindlich, um brauchbar zu sein. Quecksilber-Lichtbogenlarnpen können Licht hoher Intensität mit einer schmalen Bandbreite im Gelben erzeugen, sind jedoch für einen praktischen Einsatz zu teuer und verbrauchen zu viel Leistung. Man kann schmalbandiges Licht erzeugen, indem man vor einer breitbandigen Quelle wie einer Glühlampe ein schmalbandiges Spektralfilter anordnet, der größte Anteil des breitbandigen Lichtes würde jedoch hierbei gefiltert werden und das sich ergebende, durchgelassene Licht wäre zu schwach, um ein brauchbares Bild zu erzeugen. Daher sind virtuelle Bilder, die weit vor der Windschutzscheibe angeordnet sind, praktisch nicht erreichbar, es sei denn, man findet Mittel, um die Farbzerstreuung bei dieser Art von Anzeige bzw. Darstellungsgerät auf irgendeine Weise zu reduzieren oder zu eliminieren.
Die offenbarte Erfindung verwendet eine Farbzerstreuungs- Kompensation, die den Schritt umfaßt, die Wiedergabebeleuchtung für das Bildhologramm vorab farbzuzerstreuen, um die Farbzerstreuung aus dem Bildhologramm zu kompensieren, wenn dieses betrachtet wird, wodurch sich ein scharfes virtuelles Bild ergibt. Wie es in den Fig. 6A und 6B gezeigt ist, verwendet die Erfindung ein vorab farbzerstreuendes Gitter oder Hologramm und ist sowohl auf Transmissions- als auch auf Reflexions- Hologrammsysteme anwendbar. Bei einem Transmissionshologramm erfüllt die Erfindung ihren Zweck; die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung für ein Darstellungsgerät eines Kraftfahrzeugs ist jedoch ein Reflexions-Hologrammsystem.
Wenn man die Konfigurationen von Reflexionshologrammen betrachtet, die in den Fig. 6A und 6B gezeigt sind, läßt sich feststellen, daß jedes Hologramm ein effizientes Volumenhobgramm ist. Daher ist die kombinierte Effizienz bzw. der kombinierte Wirkungsgrad hoch, der kombinierte Biegungswinkel (der Winkel zwischen dem Strahl, der auf das erste Hologramm auftrifft, und dem Strahl, der von dem zweiten Hologramm weg gebeugt wird) kann sich jedoch Null nähern. Daher wird das auf das erste Hologramm auftreffende weiße Licht in starkem Maße farbzerstreut. Wenn dieses farbzerstreute Licht jedoch auf das Bildhologramm auftrifft, wird es in der entgegengesetzten Richtung in starkem Maße zurück-farbzerstreut, was zu einem nahezu nicht-farbzerstreuten Bildstrahl in Richtung auf den Beobachter führt. Es zeigt sich intuitiv, daß bei einem bildlichen Hologramm wenigstens ein Punkt auf dem Hologrammbild vollständig kompensiert werden kann und keine Farbzerstreuung zeigt. Es ist jedoch wahrscheinlich, daß bei anderen Bildpunkten eine Rest- Farbzerstreuung vorliegt. Die Kernfrage ist die, wie groß die Größe dieser Rest-Farbzerstreuung ist und wie sich diese in einem farbzerstreuungs-kompensierenden Hologramm am besten mmimieren läßt.
Eine grundlegende Eigenschaft der farbzerstreuungskompensierenden Hologramme der Erfindung läßt sich erkennen, wenn man den allgemeinen Fall analysiert, der in Fig. 7 dargestellt ist. Ein Strahl mit einer Wellenlänge λc0 trifft auf das Kompensationshologramm 1 unter einem Winkel θc10 auf und wird mit einem Winkel θi10 gebeugt. Dieser gebeugte Strahl trifft auf das Bildhologramm 2 auf, wo er mit einem Winkel θi20 zurückgebeugt wird. Bei einer allgemeinen Wellenlänge λc kann der Beugungswinkel θi2 wie folgt bestimmt werden. Unter Verwendung von Gleichung 1 ist der Winkel der Beugung θi0 von dem Hologramm 1 gegeben durch:
θi1 = sin&supmin;¹ ((sinθi10 - sinθc10)λc/λc0 + sinθc10)

(Gleichung 8)

Der Winkel der Beugung θi2 von dem Hologramm 2 ist gegeben durch:
θi2 = sin&supmin;¹ ((sinθi20 - sinθc20)λc/λc0 + sinθc2&sub2;)

(Gleichung 9)

Weiterhin gilt, daß sich bei parallelen Hologrammen die von dem Kompensationshologramm 1 gebeugten Strahlen zu den auf das Bildhologramm 2 auftreffenden Strahlen wie folgt verhalten:
θc20 = θi10

(Gleichung 10)

θc2 = θi1

(Gleichung 11)

wobei θc20 der Auftreffwinkel auf das Bildhologramm für Licht der Wellenlänge λc0 und wobei θψ2 der Auftreffwinkel auf das Bildhologramm für Licht der Wellenlänge λc ist.
Man nehme an, daß die Mitte des Bildes so angeordnet ist, daß gilt:
θi20 = θc10

(Gleichung 12)

Ein Kombinieren der Gleichungen 8 - 12 führt auf einfache Weise wie folgt zu dem Beugungswinkel θi2 des Bildhologramms 2:
θi2 = θi20

(Gleichung 13)

Daher kann das farbzerstreuungs-kompensierte Hologramm die Farbzerstreuung an einem Punkt des Hologrammbildes vollständig kompensieren. Für Bildpunkte, die von der Mitte des Bildes entfemt liegen, gilt Gleichung 12 nicht und die Rest- Farbzerstreuung kann beschrieben werden durch:
θi2 = sin&supmin;¹((sinθi20-sinθc10)λc/λc0 + sinθc10)

(Gleichung 14)

Nunmehr wird unter Bezugnahme auf die in den Fig. 8A und 8B gezeigte Reflexionshologramm-Geometrie ein Beispiel dafür diskutiert, wie eine Farbzerstreuungs-Kompensation das Farbzerstreuungsproblem wesentlich verringern kann. Man nehme an, daß man 25" (635 mm) von dem Hologramm entfernt ist und ein 4" (102 mm) hohes virtuelles Bild betrachtet, das 40" (1016 mm) hinter dem Hologramm angeordnet ist&sub4; Man nehme weiterhin an, daß die maximal tolerierbare Bildunschärfe 1 mrad beträgt. Für den Fall eines Hologramm-Darstellungsgerätes ohne Dispersions- Kompensation (Fig. 8A) ergibt Gleichung 13 die folgende strenge Anforderung: λc < 1,51. Bei einem farbzerstreuungskompensierten Hologramm, bei dem die Lichtquelle in der Mitte des Bildes angeordnet ist (wenn die zwei Hologramme hypothetisch überlagert sind, wie in Fig. 8B), beträgt der maximale Biegewinkel (Differenz zwischen auftreffenden und gebeugten Strahlen) am Hologramm 8,5º - 5,7º = 2,8º und die sich ergebende Anforderung bezüglich der spektralen Bandbreite ist weit weniger streng: λc < 17,9. Dies ist vergleichbar mit der spektralen Bandbreite des Hologramms selbst. Wir können daher eine breitbandige Lichtquelle wie eine Glühlampe verwenden und die sich ergebende Helligkeit des Hologrammbildes kann bei dem farbzerstreuungs-kompensierten Bild etwa 12 mal heller sein als bei einem nicht farbzerstreuungs-kompensierten Bild, das mit einem Filter von 1,51 nm betrachtet wird. Daher kann das farbzerstreuungs-kompensierte Hologramm virtuelle Bilder in bemerkenswerten Entfernungen hinter dem Hologramm unter Verwendung von praktisch einsetzbaren Lichtquellen und unter Erzielung einer hohen Bildhelligkeit anzeigen.
Wenn man das in Fig. 9 dargestellte Beispiel betrachtet, und wenn man eine Spitzenwellenlänge von 543 nm, eine maximal akzeptierbare Bildunschärfe von 1 mrad, eine 4" (102 mm) hohe Augenkammer, eine Betrachtungsentfernung von 30" (762 mm) zu dem Hologramm, ein Bild von 1,430 und einen nominalen Beugungswinkel des Strahls weg von dem Hologramm von 68º annimmt, wie verändert sich die erforderliche spektrale Bandbreite mit der Entfernung des Bildes hinter dem Hologramm? Die in Fig. 10 dargestellten Ergebnisse zeigen, daß mit der Ausnahme des Bereiches dicht hinter dem Hologramm es am besten ist, die Bildmitte in eine Entfernung Rc hinter das Hologramm zu setzen, wodurch die breiteste spektrale Bandbreite erreicht wird. Diese optimierte spektrale Bandbreite im Fernfeld beträgt:
Δλmax = θeλc/γ

(Gleichung 15)

wobei γ die Hälfte des Winkels innerhalb der Ebene von Strahlen ist, der sich durch das virtuelle Bild relativ zu der Mitte der Augenkammer hinzieht. Daher ergibt bspw. ein virtuelles Bild, das 1" (25,4 mm) hoch und 50" (1270 mm) von der Augenkammer entfernt ist, einem Halbwinkel γ von 0,5729 (der inverse Tangens von 0,5/50).
Wenn Rc relativ groß ist (z.B. größer als 12B" (3251 mm)), dann ergibt sich weiterhin eine relativ große Feldtiefe, in der die virtuellen Bilder angemessen scharf erscheinen. Daher ist die Erfindung in der Lage, eine Mehrzahl von virtuellen Bildern zu erzeugen, die in unterschiedlichen Bildebenen angeordnet sind (und sich überlappen, wenn gewünscht), und die eine scharfe Bildqualität besitzen.
Wie zuvor erwähnt, wenn das farbzerstreuungskompensierende Hologramm und das Bildhologramm nicht parallel sind, wird die Farbzerstreuung größer sein als in dem Fall, wenn die Hologramme parallel sind. Die Winkel A und A' in Fig. 1 können jedoch gemäß den folgenden Kriterien ausgewählt werden, so daß die Farbzerstreuung minimiert wird.
Gemäß Fig. 7 ergibt sich für nicht parallele Hologramme, θc20 ≠ θi10:
θc20 = θi10 + α

(Gleichung 16)

θc2 = θi1 + α

(Gleichung 17)

wobei α das Maß der Nichtparallelität ist.
Ein Kombinieren der Gleichung 17 mit der Gleichung 9 liefert den folgenden Ausdruck, der explizit definiert, daß θi1 eine Funktion von λc ist:
θi2 = sin&supmin;¹[(sinθi20-sinθc10)λc/λc0 + sin(θi1(λc) + α)]

(Gleichung 18)

Ein Differenzieren der Gleichung 18 bezüglich λc für θi2 = θi20 führt zu:

(Gleichung 19)

Bei keiner Farbzerstreuung wird Gleichung 19 auf einen Wert von 0 gesetzt, was die notwendige Bedingung zum Erzielen einer minimalen Farbzerstreuung mit nicht parallelen Hologrammen ergibt:
cosθi10(sinθi20 - sinθc20) = cosθc20 (sinθc10 - sinθi10)

(Gleichung 20)

Wenn die vorstehende Bedingung erfüllt ist, haben die Winkel A' und A nahe beiemanderliegende Werte, sind jedoch nicht gleich, wobei der Winkel A' gleich θi20 + θc20 und der Winkel A gleich θi10 + θc10 ist.
Vorstehend ist ein Darstellungsgerät bzw. Anzeigesystem für virtuelle Bilder offenbart worden, das vorteilhafterweise ein scharfes virtuelles Bild relativ weit entfernt von dem Bildhologramm erzeugt, das das Bild ohne die Verwendung einer spektral schmalbandigen Lichtquelle speichert und das weiterhin ein Bild mit unterschiedlichen Bildkomponenten anzeigen kann, die in unterschiedlichen Bildebenen angeordnet sind.
Obwohl vorstehend bestimmte Ausführungsformen der Erfindung beschrieben und dargestellt worden sind, können Fachleute verschiedene Modifikationen und Veränderungen hieran vornehmen, ohne den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen, wie er durch die nachfolgenden Ansprüche definiert ist.

Claims

1. Blickfelddarstellungsgerät für ein Fahrzeug mit:

- einem Bildhologramm (15A) auf einer Windschutzscheibe (17) mit einem darin aufgezeichneten Bild;

- einer Lichtquelle (11) zum Beleuchten des Bildhologramms (15A), um ein virtuelles Bild des aufgezeichneten Bildes zu erzeugen, wobei das virtuelle Bild vor dem Fahrzeug liegt;

gekennzeichnet durch:

- Kompensierungsmittel, die auf die Beleuchtung durch die Quelle ansprechen, um das Bildhologramm (15A) mit einer Wiedergabebeleuchtung zu versorgen, die vorab farbzerstreut ist, um die Farbzerstreuung des Bildhologramms (15A) zu kompensieren;

wobei das Bildhologramm (15A) ein virtuelles Bild mit einer Vielzahl von Bildkomponenten erzeugt, die in unterschiedlichen Bildebenen liegen.

2. Blickfelddarstellungsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensierungsmittel ein Zerstreuungs-Hologramm (13A) aufweisen.

3. Blickfelddarstellungsgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Bildhologramm (15A) ein virtuelles Bild erzeugt, das gegenüber dem Bildhologramm (15A) versetzt ist.

4. Blickfelddarstellungsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle eine spektral breitbandige Quelle (11) ist.

5. Blickfelddarstellungsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Bildhologramm (15A) ein Reflexionshologramm aufweist.