CN101241234A - 全息信息显示装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种在汽车内投影虚拟显像元件的全息信息显示装置。数据处理装置为要投影的虚拟显像元件提供全息图。控制装置分别为全息图的多个部分发出一单独的控制信号。多个可由控制装置单独调整的，并且被布置在光束照射的一面的光学相位延迟单元分别响应相应的单独控制信号延迟光束入射在其上的分量的相位。

Description

全息信息显示装置
技术领域
本发明涉及一种在汽车内或供汽车用的用于投影图像的全息信息显示装置(HID)。此外，本发明还涉及一种用按本发明的全息信息显示装置投影虚拟显像元件的方法。
背景技术
借助于平视信息显示器(HUDs)，汽车驾驶员可能需要的信息可以被叠加显示在挡风玻璃上。参照DE 103 44 688A1，该平视显示器包括一个投影仪和多个透镜和/或反射镜元件，尤其是例如作为校正透镜的衍射光学系统，该光学系统将没有变形的图像以一定的虚距离投影在挡风玻璃上。为此必需的光学结构包括校正元件，所述校正元件要求必须适用于多种不同形状的挡风玻璃，这就使其难以实现并难以在汽车内设置平视信息显示器。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种信息投影系统，该系统可以被简单地实现并且可以设置在各种型号的汽车内。
该技术问题通过一种在汽车内的或供汽车用的用于投影虚拟显像元件的全息信息显示装置和一种使用按本发明的全息信息显示装置来投影虚拟显像元件的方法解决，其中所述装置包括一个为所要投影的虚拟显像元件提供全息图的数据处理装置，一个控制装置，该控制装置为全息图的多个部分分别发出一个单独的控制信号，还包括一个用于发出光束的光源，以及多个光学相位延迟单元，所述各相位延迟单元可分别由控制装置单独调整并且布置在受光束照射的一面，用于分别对各自的单独控制信号作出响应，以延迟入射在其上面的光束分量的相位；所述方法包括以下步骤：
通过数据处理装置为两维或三维虚拟显像元件提供全息图；
通过控制装置对于全息图的多个部分分别发出单独的控制信号；
响应各自单独的控制信号，调整多个相位延迟单元各自的相位延迟；和
通过光源照射多个相位延迟单元，其中，所述虚拟显像元件由光源发出的且其相位被延迟的光束产生。
为此，本发明提供
一种在汽车内或供汽车用的用于投影图像的全息信息显示装置，其具有，
-一为所要投影的虚拟显像元件提供全息图的数据处理装置；
-一控制装置，用于分别为全息图的多个部分发出单独的控制信号；
-一用于发出光束的光源，和
-多个光学相位延迟单元，这些单元可以由控制装置单独调整，并且被布置在被光束照射的表面，各相位延迟单元分别响应相应的单独控制信号延迟入射在其上的光束的分量的相位。
一种按本发明的、用全息信息显示装置投影显像元件的方法，其包括以下步骤：
-借助于数据处理装置为两维或三维的虚拟显像元件提供全息图；
-通过控制装置为全息图的多个部分发出单独的控制信号；
-响应相应的单独控制信号，调整多个相位延迟器件的相应相位延迟；和
-借助于光源照射多个相位延迟器件，因此，通过光源的相位延迟了的光束产生虚拟显像元件。
全息信息显示装置的一个优点在于，为没有变形地显示显像元件，不需要光学校正系统。该全息显示装置已经足够用作提供相关全息图的措施。
在图像内，一种或多种颜色的亮度以空间分辨率显示。
在全息图中，一种或多种波长的光波场的相位以空间分辨率(spatialresolution)显示在全息图的表面。
根据惠更斯原理，关于一在任何截面穿过一个三维空间的光波场的完整的了解已经足够在该三维空间内完全重现所述光波场。完整的了解需要知晓光波场在截面的相位。
所述截面通过全息图重现。在照射时，初始相位由全息图预确定的球面波从全息图的每个点发出。各子波的叠加在空间内产生光波场，也就是所谓的重现的全息图。人眼感觉不到这个状态。然而，该叠加导致了清晰的干涉图样，其亮度分布是可见的。在重现空间亮度分布时，可替代全息图中的绝对相位，使用可更易于实现的相对相位。
光波场的完全重现不能与要重现的光波场区分开。因此，在观察者的两眼中产生一样的投影图样，并且因此获得与之相关的三维视觉。
显像元件可能是所要显示的一个三维物体或仅仅是一幅二维图像。
显像元件的全息图，换句话说是空间分辨率相位信息被提供。全息图要么当前计算出，要么被预先作为图样存储。
一种用于简单的、全息图的示例的计算方法原则上基于这样的事实，即，假设从显像元件的每个点发出球面波(惠更斯子波)。虚拟显像元件上亮区域的每个球面波相对暗区域的球面波的初始相位转过90度。然后，在全息图的每个点上，各单独入射的球面波的相位在全息图的相应点上被叠加。叠加的相位被存储作为全息图在相应点上的相位。所有扭曲的光学元件，例如透镜，弯曲的反射面，都被考虑在球面波在空间内的传播之内。然而，前视镜和后视镜的双反射一同被考虑在内。如果这种类型的全息图被用于重现空间内的光波场，该光波场从全息图经过扭曲的光学元件，双反射等等之后，虚拟显像元件以与其被用于确定全息图时相同的方式呈现。其中，在空间和其中包含的光学元件的知识中，一个没有变形的虚拟显像元件的重现可仅仅通过为虚拟显像元件提供合适的全息图实现。
用于确定全息图更高效的计算方法是基于空间的傅立叶变换。然而，这种计算方法内所包含的基本原理没有变。
在本发明的一个进一步发展中，投影的虚拟显像元件通过偏转装置被导向汽车驾驶员的视野内。相应的偏转装置可以是汽车的挡风玻璃。光学偏转装置的投影误差可在全息图中以校正的方式考虑。此外，驾驶员在驾驶时可以透过挡风玻璃向外看，并且同时看到对于他是虚拟地叠加在视野范围内的显像元件。
全息图的物理实现通过多个可调整的相位延迟单元实现。入射光连同空间分辨率经历预定的相对相位延迟。
相位延迟单元可在透射模式或反射模式下工作。
相位延迟单元可成行和成列地布置。相位延迟单元可布置在平的表面，或必要时也可以可选地布置在曲面上。上述穿过空间的截面不强制必须是平的。在个别的结构中，可适宜地将相位延迟元件布置在曲面或者布置在相对彼此翘起的表面上。
在一种实施形式中，在延迟单元内设置有延迟器件，入射光束的相位通过该延迟器件可在至少两个步骤被延迟0到180度。在最简单的结构中，两个相位延迟单元可这样地被调整，即，从它们之中分别发出的光线可同相或反相。虚拟显像元件的对比度和图像的清晰度与准确性相关，通过准确性可调整各相位延迟单元的相对相位偏差。因此，可有利地提供一种实现相位在180度内分级调整的延迟器件。
在另一种结构中，入射光束的相位可连续地通过延迟器件延迟。
在一种结构中设计为，延迟器件通过液晶和/或铁电液晶提供，该液晶和/或铁电液晶响应由控制信号产生的电场，延迟入射光的相位。可选地，该延迟器件包括极化过滤器，用于保证确定的光束的极性并且避免极化旋转。
按一发展，数据处理装置设置有用于为所要投影的虚拟显像元件确定全息图的计算装置，和/或一个用于装载要投影的虚拟显像元件的全息图的存储装置。数据处理装置可集成在控制装置内。
在一种结构中，光源设计为用于发出相干光束的相干光源。该光源可为激光光源。相干长度优选为几米。除激光束光源之外，尤其也可使用光谱灯，其发射谱带的宽度足够窄带地实现所需要发出的相干长度。
在一发展中，在光源和带有多个相位延迟单元的表面之间布置有一个光束形成装置，用于均匀地照射所述表面。光束形成装置优选包括一个空间过滤器和一个或多个透镜。
附图说明
接下来将以举例方式，用优选的实施形式并参照附图说明本发明，其中，
图1表示一种全息投影系统的示意性的结构；
图2表示可调的衍射元件的示意性结构；和
图3表示一种实施形式的各装置布置示意图；
具体实施方式
在上述各附图中，相同的附图标记表示相同或功能相同的元件。
图1示意性地示出了全息信息显示装置的一种优选的结构。
相干光源1优选发出一种波长的光。由于具有足够的相干长度，激光器，例如激光器二极管优选用作光源1。必要时，空间过滤器被连接在光源1的光路下游，以便过滤出不希望的漫射光。空间过滤器可以通过光圈挡片实现，该光圈挡片位于两个围绕该光圈挡片设置的透镜的焦点上。然而，这纯粹只是可选地。
光源1照射空间分辨(spatially-resolved)的衍射面板2。该衍射面板2以相对出射光3局部不同的方式延迟反射光4。衍射面板2由控制装置5控制。控制装置5具体指定衍射板2在表面6的哪个区域以及多强地延迟反射光4。
空间分辨的相位延迟重显全息图。该全息图由数据处理装置9以合适的方式提供给控制装置5。该全息图优选由数据处理装置9从预先确定的、显像元件的两维或三维模型确定。在此，优选汽车的内部空间化也被考虑。此外，全息图可从数据处理装置9的存储器载入。要叠加的典型的文字或图标(pictograms)已经被存储在存储器内。
由相应于全息图的衍射板2反射的光线导致相应于显像元素的两维或三维模型的、重现的全息图，该重现的全息图被观察者，例如汽车的驾驶员感觉为模型。
反射光束被引向汽车挡风玻璃7的方向，并且由挡风玻璃7偏转至驾驶员的眼睛。驾驶员感觉重现的全息图在挡风玻璃7的区域或位于挡风玻璃之后。所感觉到的、重现的全息图像至挡风玻璃的距离由全息图预先确定。所感觉到的距离可通过全息图的调整而改变。
图2示出了衍射板10的一种可能的结构。设置在半导体基座上的多个可单独控制的电极12将板10分成多个小格13。用于反射入射光束的反射镜14设置在电极12的上方。带有液晶材料的层15放置在反射镜14的上面。所述液晶材料可包含铁电液晶材料。
光线从方向18射入衍射板。因此，光线穿过液晶层15并被反射镜元件14反射回来。该装置可使用垂直入射或斜入射。入射光在穿过液晶层15时相位被延迟。该相位延迟通过施加在电极12的电势调整。
在一个简单的变型中，刚好两种不同的电信号可以被应用在电极12上，所述信号导致第一相位延迟以及相对第一相位延迟增加180度的相位延迟。
在另一种结构中，可在电极12上施加分级的电压水平，因此可以实现在180度内分级进行的相对相位延迟。
优选在液晶显示层的上方和/或下方设置极化滤波器。这些极化滤波器过滤掉不希望的极化状态。替代极化滤波器，也可以使用极束分光镜，该分光镜反射一个极化平面并且透射其它极化平面。
在确定全息图时，光波场穿过汽车内部的光路也考虑在内。尤其是全息图与挡风玻璃7的表面轮廓相适应，并且必要时也可与挡风玻璃7的厚度，或者甚至挡风玻璃7的侧面厚度相适应。以这种方式，驾驶员看到没有变形的虚拟显像元件。全息图和显像元件的适应是在没有光学元件，例如透镜，反射镜等等的适应的情形下获得的。该全息图仅仅计划在新的全息图中根据它控制可调节的衍射板2是足够的。
全息图可在衍射板的初始安装过程中建立。这种建立可用图3所示的装置实现。多个全息图优选从属于试验图形重现。具有试验图形的全息图可由数据处理装置9提供，并且通过衍射板3和光源重现。使用重现的全息图并因此显示试验图形，可以准确地估计汽车内的空间变化，例如挡风玻璃7的形状。
摄像机20记录试验的全息图。摄像机优选从拍摄全息图的位置移至不同的预先确定的位置。评估装置将在相应位置记录的、重现的全息图与预定值相比较来确定误差。
完成的修改存储为汽车参数。当计算或提供虚拟显像的元件时，这些汽车参数也被考虑在内。全息图被相应地修改。其结果是，可以省去为使投影系统适合不同汽车而使用的校正透镜或反射镜。

Claims (18)

1.一种在汽车内的或供汽车用的用于投影虚拟显像元件的全息信息显示装置，其包括一个为所要投影的虚拟显像元件提供全息图的数据处理装置(9)，一个控制装置(5)，该控制装置为全息图的多个部分分别发出一个单独的控制信号，还包括一个用于发出光束的光源(1)，以及多个光学相位延迟单元(13)，所述各相位延迟单元可分别由控制装置(5)单独调整并且布置在受光束照射的一面，用于分别对各自的单独控制信号作出响应，以延迟入射在其上面的光束分量的相位。
2.按权利要求1所述的全息信息显示装置，其特征在于，所述相位延迟单元按透射模式工作。
3.按权利要求1所述的全息信息显示装置，其特征在于，所述相位延迟单元(13)按反射模式工作。
4.按权利要求1至3之一所述的全息信息显示装置，其特征在于，所述相位延迟单元(13)被成行和成列地布置。
5.按权利要求1至4之一所述的全息信息显示装置，其特征在于，所述相位延迟单元(13)被设置在一平面或一曲面上。
6.按权利要求1至5之一所述的全息信息显示装置，其特征在于，在所述相位延迟单元(13)中设置有延迟器件，通过该相位延迟器件可在至少两个步骤中使入射光束的相位延迟0度至180度。
7.按权利要求1至6之一所述的全息信息显示装置，其特征在于，在所述相位延迟单元(13)内设置有延迟器件，通过该延迟器件可连续使入射光束的相位延迟0度至180度。
8.按权利要求6或7所述的全息信息显示装置，其特征在于，所述延迟器件由液晶和/或铁电液晶形成，该液晶和/或铁电液晶响应由控制信号产生的电场，延迟入射光束的相位。
9.按权利要求1至8之一所述的全息信息显示装置，其特征在于，所述数据处理装置(28)具有一个用于为所要投影的虚拟显像元件确定全息图的计算装置，和/或一个为所要投影的虚拟显像元件装载全息图的存储装置。
10.按权利要求1至9之一所述的全息信息显示装置，其特征在于，所述数据处理装置(6)集成在所述控制装置(5)之内。
11.按权利要求1至10之一所述的全息信息显示装置，其特征在于，所述光源设计为用于发射相干光束的相干光源(1)。
12.按权利要求1至11之一所述的全息信息显示装置，其特征在于，所述光源是激光光源。
13.按权利要求1至12之一所述的全息信息显示装置，其特征在于，一光束形成装置被布置在所述光源和带有多个相位延迟单元(13)的表面之间，以使光束均匀照射所述表面。
14.按权利要求1至13之一所述的全息信息显示装置，其特征在于，所投影的虚拟显像元件被一个偏转装置引入汽车驾驶员的视野内。
15.按权利要求14所述的全息信息显示装置，其特征在于，所述偏转装置(7)是汽车的挡风玻璃。
16.一种使用按权利要求1至15之一所述的全息信息显示装置来投影虚拟显像元件的方法，其包括以下步骤：
通过数据处理装置(9)为两维或三维虚拟显像元件提供全息图；
通过控制装置(5)对于全息图的多个部分分别发出单独的控制信号；
响应各自单独的控制信号，调整多个相位延迟单元(13)各自的相位延迟；和
通过光源照射多个相位延迟单元(13)，其中，所述虚拟显像元件由光源发出的且其相位被延迟的光束产生。
17.按权利要求16所述的方法，其中，被全息图延迟相位的光束通过光学偏转装置被偏转至驾驶员的视野范围内。
18.按权利要求17所述的方法，其特征在于，在所述全息图中，光学偏转装置的投影误差以校正的方式被考虑在内。
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