CN103534632A - 具有全息光学元件的hud - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种显示装置（1），尤其抬头显示器，具有辐射光的图像源（3），具有为射束来构成光路（12）的光学元件（4，5，6，7，8，9）。在此这些光学元件（4，5，6，7，8，9）包含有反射器（5）和具有预定光学成像功能的全息光学元件（8）。该全息光学元件（8）在该光路（12）中与该反射器（5）在空间上相分离地来定位。此外该全息光学元件（8）布置在该光路（12）中，使得把该光路的第一片段的射束指向该全息光学元件（8），以便在该全息光学元件（8）的成像功能影响下将所述射束在新的方向上偏转到该光路的第二片段中。该反射器（5）与该全息光学元件（8）相互之间被布置为，使得由该反射器（5）辐射到该光路（12）的第三片段中的射束能够至少部分地透射穿过该全息光学元件，其中该光路（12）的第三片段的进行透射的射束的照射角基本与使该全息光学元件（8）的成像功能的影响有效的入射角不同。

Description

具有全息光学元件的HUD

技术领域

本发明涉及根据权利要求1的前序部分所述的一种显示装置。

背景技术

由于在光学技术中的进步，可以构建越来越小以及越来越节能的光学系统，其被越来越多地用在汽车中的显示系统中。这尤其促进了抬头显示器的开发，其中利用抬头显示器可以依据位于行驶方向上的交通状况把汽车数据——诸如速度、转速、燃油液位或天气状况——例如显示到驾驶员的视野中。因此在最近几年中公开了许多新的显示装置解决方案以及改进。

在物理和技术光学系统[1]中公开了全息光学元件。全息光学元件在显示系统中的一种公开的应用是，例如对光路或单个光学元件的成像误差进行校正。例如DE 103 44 688 A1提供了一种抬头显示器，其中把光学成像元件与全息光学元件相组合，以例如在透明涂层的反射镜上借助全息光学元件来校正光学成像误差，其中该全息光学元件构造于该涂层中。

WO 2009/156752 A1提供了一种显示系统，该显示系统在另一意义上考虑了全息概念。该显示系统由空间光调制器、例如微镜显示器组成，该微镜显示器被扩展的激射束照射。计算单元生成数据以控制该空间光调制器，该空间光调制器可以把数据转换为近似全息的干涉图案，如此使得信息作为衍射图像可以在屏幕上或者直接在观察者的视网膜上被识别。然而该系统的一个缺点在于，所显示的信息的可见性由于衍射图像强的角度相关性而相对敏感地与视线相关。该技术的另一缺点是为控制所需的相对高的并从而昂贵的计算能力，以便将常规的图像数据转换为干涉图案。

发明内容

本发明的任务在于，在汽车中利用相对简单的装置来降低显示装置、尤其抬头显示器的空间需求。

该任务通过具有权利要求1所述特征的显示装置、尤其抬头显示器而得到解决。

本发明优选的和有利的实施在从属权利要求中提出。

本发明基于一种显示装置、尤其抬头显示器，其具有辐射出光的图像源，并具有用于为射束形成光路的光学元件。这些光学元件包括发射器和具有预定光学成像功能的全息光学元件。

本发明的核心在于，该全息光学元件在光路中与该反射器空间分离地来定位，并且该全息光学元件布置在该光路中，使得把该光路的第一片段的射束指向该全息光学元件，以在该全息光学元件的成像功能的影响下将所述射束在新的方向上偏转到该光路的第二片段中，并且该反射器与该全息光学元件相互之间如此来布置，使得由该反射器辐射到该光路的第三片段中的射束能够至少部分地透射穿过该全息光学元件，其中进行透射的射束的照射角基本不同于使该全息光学元件的成像功能的影响有效的入射角。

该全息光学元件构造在例如由天然玻璃构成的透明的、尤其纯净透明的体上。该透明体用作该全息元件的载体。优选地该透明体具有大的、例如平坦的表面区域。本发明的一个优选的实施方案是，该透明体是尤其薄的玻璃片，其上构造了该全息光学元件。该玻璃片的厚度在此尤其与光路的第三片段的长度相比是薄的，并优选小于第三片段中射线长度的十分之一。与安装地点上的射线直径相比或者与该玻璃片的最大面对角线相比，玻璃片厚度例如最大是其直径的四分之一，最好小于五分之一，优选不大于八分之一，尤其不大于十分之一。由此该全息光学元件可以相对有利地制造，并可以相对简单地安装在该显示装置中的规定位置上。该最小厚度可以通过如下来确定，即通过该最小厚度能够达到该玻璃片的预定刚性，以避免例如自激振荡。

该透明体的彼此相对置的大的表面区域例如可以平行地布置，或者例如相互成一个角度以形成棱柱。该纯净透明体例如可以由多个、例如两个具有不同折射率的层来构建。由此该全息光学元件可以有利地作为相位全息图来制造。

在下文中，如果光学元件按照几何光学规则通过在面上的折射或反射来引起成像，那么它就被称为常规的光学元件。反射镜、透镜和棱镜是常规的光学元件的例子。

全息光学元件是一个常规光学元件或者多个常规光学元件的组合的全息图、也即全息图样。该全息光学元件的光学成像功能通过常规光学元件来确定，其中该常规光学元件作为全息图而保持在全息光学元件中。在此该光学成像功能也可以对应于常规光学元件的组合。该光学成像功能在该全息光学元件中作为衍射结构来构造，其中该衍射结构可以在载体的透明体中的例如反射系数或例如折射率的空间周期调制中来构造。衍射效率描述入射到衍射结构上的光的、例如全部或例如在预定方向上被衍射的相对份额。该衍射效率可以通过例如反射系数的空间调制幅度和强度而被影响。

该全息光学元件的衍射结构例如可以通过感光层的曝光和显影来生成，或者例如以结构化部的形式印在透明载体的边界面或表面上。为了生成衍射结构，例如可以采用一种用于利用干涉图像进行曝光的光学构造，或者例如基于数值计算例如通过激光处理把衍射图案传输到透明的光折射聚合物中。优选地该衍射结构构造在至少近似平坦的层中，其中该层优选地平行于该透明体的近似平坦的大表面来布置。这所具有的优点是，该全息光学元件可以相对容易被对准。

该全息光学元件的光学成像功能可用的前提仅仅是，满足通过该全息光学元件成像的衍射条件。在本发明的显示装置上通过如下来满足衍射条件，即光路的第一片段的入射角、光路的第二片段的出射角、所使用的光的波长以及该全息光学元件相互协调。光路的第二片段的出射角对应于射束在该全息光学元件上被偏转之后的新方向。

为了通过该全息光学元件进行良好的图像再现，优选地将该图像源构造用于发送基本相干的光、尤其单色相干光。这例如可以如此来实现，即该图像源例如由液晶显示器组成，其中利用例如扩展的或例如进行扫描的激射束来透射该液晶显示器。优选地该全息光学元件和该图像源、尤其该图像源的光源、至少关于可用光的波长或波长范围来相互协调。

如果射束以不对应于衍射条件的角度入射到该全息光学元件上，那么该射束就基本不衍射地穿过该全息光学元件以及它的透明体。该全息光学元件的衍射结构在此可能造成所穿过的射束的光强的降低。

因此在本发明的显示装置中，该全息光学元件如此位于光路的第三片段中，使得入射到该光路的第三片段中的射束以不满足全息成像衍射条件的照射角度入射到该全息光学元件上，并从而可以在其传播方向上几乎无影响地穿过该全息光学元件。

本发明的显示装置由此有利地利用了在其光路的第三片段中被透射的空间区域，以空间节省地容纳该全息光学元件，其中该全息光学元件的光学成像功能基本上仅在光束从光路的第一片段偏转到第二片段时才有效。本发明的显示装置从而实现了一种相对紧凑的构造，并从而易于该显示装置容纳于汽车中，尤其容纳于仪表板中。

该全息光学元件可以通过不同的方式布置在该光路的第三片段中。该第三片段的射束可以在该显示装置运行期间持续地和/或仅间或地穿过该全息光学元件。在此在第三片段中全部射束和/或部分射束可以全部和/或仅部分地透射穿过该全息光学元件的区域。

为了避免用作该全息光学元件载体的该透明体的边缘或其他的边缘区域引起干扰地穿过该光路的第三片段的射束横截面，尤其优选的是，该透明体、尤其透明薄玻璃片的面如此来构造，使得该面在该显示装置中的安装位置上完全超过第三片段的、具有最大辐射横截面的射束。

本发明的一个优选实施方案规定，用于把光束偏转到该光路的第三片段的反射器是反射镜。其所具有的优点是，通过偏转或成像几乎不或没有在由该反射器反射到第三片段中的射束上产生强度损失。另外，反射镜式的反射器附加地还可以构造用于图像显示的光学放大。

除了该反射器之外，该显示装置还可以具有其他的光学元件，尤其常规的光学元件。例如该显示装置可以具有例如另一反射镜，以通过偏转辐射方向来如此折叠光路，使得该显示装置能够相对有利地容纳于汽车中。此外，本发明的一种显示装置还可以具有散射玻璃片以生成实像，其中利用该散射玻璃片例如可以把实像的光指向到光路的第一片段中并指向到该全息光学元件上。

优选地该光路的第三片段位于该显示装置的反射器与另一光学元件、尤其反射镜之间。从而可以把该第三片段并由此还把该全息光学元件容纳于该显示装置的壳体中，并保护其配置以防止对该光学成像功能的条件造成不利影响的干扰。此外还由此可以有利地保护该全息光学元件以防止来自该显示装置环境的干扰性辐射以及防止污染。

本发明的一个优选实施方案规定，把该全息光学元件如此布置在该显示装置中，使得该光路的第二片段的射束指向该反射器。在此该反射器把该光路的第二片段的射束直接偏转到该第三片段中。在此该反射器如此布置在该显示装置中，使得该光路的第三片段的光束中只有相对小的、可忽略的部分能够以衍射穿过该全息光学元件的照射角入射到该全息光学元件上。在此能够通过相对更简单的构造而有利地节省光学部件。为了降低该全息光学元件在光路的第三片段中对具有不利照射角的射线的影响，优选的是，该全息光学元件的衍射效率如此与该反射器相协调，使得在来自该反射器的光辐射直接穿过该全息光学元件的情况下不发生明显的光减弱。在此情况下，该衍射效率可以小于百分之90，较好是小于百分之80，优选小于百分之70，尤其小于百分之60，并尤其优选约为百分之50。相对更小的衍射效率可以通过相应提高通过图像源的光辐射强度来补偿。

本发明的另一优选实施方案是，至少另一光学元件被设置用于，如此偏转来自该光路的第二片段的射束，使得该反射器把该射束偏转到该光路的第三片段中。这有利地便于把该全息光学元件与该反射器相互之间如此进行布置，使得该光路的第三片段的射束基本总是没有衍射损失地透射穿过该全息光学元件。从而在此优选的是，该全息光学元件的衍射效率是相对高的，例如高于百分之60，较好是高于百分之70，尤其高于百分之80，并尤其优选高于百分之90。

在该光路中仅设定该第一片段位于该第二片段之前的顺序，因为该第一片段构成了入射到该全息光学元件上的辐射片段，并且该第二片段对应于出射的辐射片段，其中受该全息光学元件的光学成像功能影响的射束穿过该第二片段。从而该第三片段不仅可以间接或直接地跟随着该第二片段，而且同样还可以考虑该光路的第三片段间接或直接位于该第一片段之前，如此使得进行成像的射束首先不受影响地在该光路的第三片段中透射穿过该全息光学元件，然后入射到该反射器，并最后穿过该光路的第一和第二片段。

根据本发明的一个优选实施方案，把该全息光学元件作为反射全息图来实施。在此该光学成像功能作用于由该全息光学元件反射到以下半空间中的射束，所述射束来自该半空间。由此该全息光学元件可以通过在光路中相对大的方向变化而有助于更紧凑地引导射线。

同样优选的是，该全息光学元件作为透射全息图来构造。这所具有的优点是，在该全息光学元件上出现相对更小的强度损失。

根据本发明的一种显示装置优选地配备有多个全息光学元件，这些全息光学元件例如在不同的光波长上谐调以进行多色显示。

附图说明

下面借助本发明的示例实施方案来描述细节和其他优点，并借助附图来详细解释。其中：

图1a以示意性的侧剖视图示出了具有根据现有技术的抬头显示器的汽车局部，

图1b以示意性的侧剖视图示出了具有根据现有技术的抬头显示器的汽车局部，

图2以示意性的侧剖视图示出了具有根据本发明的抬头显示器的汽车局部，

图3以示意性的侧剖视图示出了具有根据本发明的抬头显示器的汽车局部。

具体实施方式

图1a和1b分别示出了具有根据现有技术的抬头显示器10的汽车20，其中该抬头显示器在行驶方向上观看时可以向驾驶员30显示信息。该驾驶员30在所有附图1a、1b、2和3中象征性地通过具有眼睛32的头31来表示。

图1a和1b示出了在汽车20中该抬头显示器10的配置，该配置类似地也可应用于根据本发明的在图2和3中所示的抬头显示器1。

该抬头显示器10在该汽车20中容纳于所示挡风玻璃片21的较低区域的下方。在透过该挡风玻璃片21观看时，该驾驶员30观看到光路12的片段12a，其中该抬头显示器10的投影仪3可以把光束发送到光路12中以显示图像。仅当该驾驶员30的眼睛32位于垂直区域14中时，该驾驶员30才能够在虚像距13的情况下识别到所显示信息的虚像16。因为该光路12通过反射光学元件4、5和6以及通过该挡风玻璃片21而被划分为多个片段12a-12e，所以光通过反射光学元件4、5、6在光路12中被多次偏转，并由此使该光路12多次折叠。目前为折叠该光路所采用的反射光学元件是常规的反射镜4、5和散射玻璃片6。它们通常还具有放大的成像功能。由此光学成像的光路径可以通过具有多个片段的光路而分布到多个空间方向上，并通过放大成像而缩短。

反射元件4、5、6被设置用于对入射光尽可能全部地、尤其在几乎每个入射角度下来进行反射。这些反射元件从而构成了光路片段的端点，在这些端点上来自一个片段的射束被偏转到下一片段中。根据它们的反射特性，这些反射元件基本把来自任意方向的光进行反射，因此通常借助遮光板来保护显示装置以防止来自其环境的不利光入射。由于它们在任意入射角度时进行反射的作用，不允许它们伸入到该光路的其中这些反射元件没有被设置用于偏转或成像的片段中。因为反射元件4、5、6基本对任何出现的光线都进行反射，所以不允许它们伸入到片段12a-12e中，其中对于上述片段这些反射元件既没有设置作为该片段的输出点又没有设置作为该片段的目标点。

该光路12的折叠能够使该抬头显示器10关于其形状和尺寸而与汽车20中的安装地点相匹配。然而借助常规光学元件来缩短光路所存在的局限是，例如较大数量的例如反射镜或例如更大的光学放大同时可能造成缺点，例如更大的制造耗费或者更大的光学成像误差。这些缺点因此阻止了利用公知装置对该抬头显示器10的进一步缩小。

在图1b中示出了该抬头显示器10的尺寸如何能够影响针对驾驶员30的信息显示。通过该抬头显示器10在箭头A方向上的移动，该抬头显示器的虚像区域17或者可能移动到区域18（箭头B）中，或者可能被放大该区域18。但是该抬头显示器10的壳体2在所移动的位置上需要空间2a，该空间已经部分地被另外的部分、尤其被驾驶杆22占据，这些另外的部分几乎不能另外进行定位。

图2示出了具有本发明的抬头显示器1的第一实施方案的汽车20，该抬头显示器同样布置在挡风玻璃片21下方的区域中。该抬头显示器1把射束从主反射镜4辐射到该光路12到该挡风玻璃片21的片段12b中。该挡风玻璃片把从该抬头显示器射出的射束反射到该光路12的片段12a中，并由此反射到驾驶员30的眼睛32的方向上。

在该抬头显示器1中，除了该主反射镜4和投影仪3之外还设置有其他的光学元件5、7和8，所述其他的光学元件把该光路12划分为其他的片段，例如12c、12d和12e。该投影仪例如可以包含有激光器（未示出）和LCD显示器（未示出），其中该激光器的光束持续地扫描该LCD显示器的面并在图像点上进行透射。该投影仪3照射偏转反射镜7，该偏转反射镜把射束指向全息光学元件8，例如全息散射玻璃片。由此该光路的片段12e对应于第一片段，其中在该第一片段中射束入射到该全息散射玻璃片8上。

该全息光学元件8的载体优选是薄的平坦玻璃片，其由纯净透明的玻璃材料构成，例如树脂玻璃或聚碳酸酯。该全息光学元件8实施为反射的，并由此有利于空间节省地折叠该光路12。在该透明载体上所构造的衍射结构例如可以由显影的感光层的反射材料来组成。

仅当其他光学元件关于该全息光学元件被合适地定位时，该全息光学元件8的光学成像功能才可用。从而该偏转反射镜5、该全息光学元件8以及该偏转反射镜7以如下方式安装到该抬头显示器1中，即通过关于该全息光学元件8来布置该偏转反射镜7和5，保持该光路的片段12e和12d的、根据该全息光学元件8的衍射条件而预定的入射角和预定的出射角。该片段12d在此对应于该光路的第二片段。从而在该偏转反射镜5上通过反射、衍射和干涉的组合而产生中间图像，由此在预定的波长情况下为了光学成像而设定关于该全息光学元件的入射角和出射角。

该偏转反射镜5被设置用于把从该全息光学元件8入射的光放大地指向该主反射镜4。在此由该偏转反射镜5所辐射的光透射穿过该全息光学元件8，并能够至少部分地透射穿过该全息光学元件8的区域。从而该片段12c对应于该光路的第三片段。该全息光学元件的载体、例如塑料玻璃片优选地伸出到超过该片段12c的最大可能的辐射横截面，以避免由该全息光学元件的载体的穿透性的边缘导致的成像干扰。

为了避免透射穿过的光在该全息光学元件上可能再次被影响，该偏转反射镜5把光束在以下方向上指向该全息光学元件8及其载体，这些方向关于其入射角而与该全息光学元件8的衍射条件不同。因为这在图2所示的配置中仅在有限条件下才可能，所以该全息光学元件8的衍射效率优选地以如下方式被降低，即在片段12c中的衍射损失对显示的可识别性仅具有可忽略的影响。该全息光学元件8的降低的衍射效率还引起在片段12e与12d的射束之间的强度损失，所述强度损失例如可以通过来自投影仪3的更强的光辐射来补偿。

图3示出了根据本发明的抬头显示器1的第二实施方案。该抬头显示器1在汽车20中相对于挡风玻璃片21和驾驶员30的布置与前文参照图2所述的相一致，因此在下文中仅涉及该抬头显示器1的内部构造。

该抬头显示器1具有投影仪3，通过多个偏转反射镜5、7、9并通过全息光学元件8而成像的射束从该投影仪到达主反射镜4。该主反射镜4把光学成像的射束指向该挡风玻璃片21。

为了显示信息，该投影仪3把光束辐射到该反射镜7，该反射镜优选地具有图像放大的作用。该反射镜7把入射的光束偏转到该全息光学元件8。在此该反射镜7和该全息光学元件8如此来布置，使得由该反射镜7出发的光束以如下的入射角入射到该全息光学元件8上，该入射角与用于该全息光学元件8的光学成像功能的全息再现的衍射条件对应。同样，反射镜9关于全息光学元件8被布置为，使得在该反射镜的反射镜面上通过反射、衍射和干涉再现全息光学元件8的光学成像功能作为虚像，所述光学成像功能例如是对入射的图像的反射。

但是该偏转反射镜9把进行成像的射束偏转到下一偏转反射镜5，该偏转反射镜5才被设置用于把进行成像的光束以这样的入射角指向该全息光学元件8，使得所述光束在该全息光学元件8上穿过时不被衍射。

根据本发明的该抬头显示器相对于在图2中所示的实施方案而具有的优点是，通过在偏转反射镜9上对进行成像的射束的附加偏转，该偏转反射镜5能够更有利地布置，以保证由该偏转反射镜5辐射到该光路12的第三片段12c中的射束仅以如下的照射角入射到该全息光学元件8上，所述照射角与该全息光学元件8的衍射条件的不同大到足以避免衍射效应。由此该图像源能以相对低的强度把图像辐射到该光路12中以进行显示，由此能够把能量消耗和热生成保持为有利的低值。

[1]Bergmann,Ludwig;Schäfer,Clemens;Niedrig,Heinz(Hrsg.);Lehrbuch der Experimentalphysik, Band 3:Optik; Walter de Gruyter; 10.Auflage; Berlin;2004。

Claims (12)

1.显示装置（1），尤其抬头显示器，具有辐射光的图像源（3），具有为射束来构成光路（12）的光学元件（4，5，6，7，8，9），其中这些光学元件（4，5，6，7，8，9）包含有反射器（5）和具有预定光学成像功能的全息光学元件（8），其特征在于，该全息光学元件（8）在该光路（12）中与该反射器（5）在空间上相分离地来定位，并且该全息光学元件（8）布置在该光路（12）中，使得把该光路的第一片段的射束指向该全息光学元件（8），以便在该全息光学元件（8）的成像功能影响下将所述射束在新的方向上偏转到该光路的第二片段中，以及该反射器（5）与该全息光学元件（8）相互之间被布置为，使得由该反射器（5）辐射到该光路（12）的第三片段中的射束能够至少部分地透射穿过该全息光学元件，其中该光路（12）的第三片段的进行透射的射束的照射角基本与使该全息光学元件（8）的成像功能的影响有效的入射角不同。

2.根据权利要求1所述的显示装置（1），其特征在于，该全息光学元件（8）在由透明材料构成的玻璃片上来构造。

3.根据权利要求2所述的显示装置（1），其特征在于，该玻璃片的面被构造为，使得该面在该显示装置（1）的安装位置上完全伸出该光路（12）的第三片段的、具有最大辐射横截面的射束。

4.根据前述权利要求之一所述的显示装置（1），其特征在于，该全息光学元件（8）是一种可反射的全息光学元件（8）。

5.根据前述权利要求之一所述的显示装置（1），其特征在于，该全息光学元件（8）作为相位全息图来实施。

6.根据前述权利要求之一所述的显示装置（1），其特征在于，该全息光学元件（8）的光学成像功能对应于散射玻璃片的光学成像功能。

7.根据前述权利要求之一所述的显示装置（1），其特征在于，该全息光学元件（8）的光学成像功能对应于反射镜的光学成像功能。

8.根据前述权利要求之一所述的显示装置（1），其特征在于，该全息光学元件（8）的光学成像功能对应于由透镜和/或反射镜和/或散射玻璃片和/或棱镜所组成的组合的光学成像功能。

9.根据前述权利要求之一所述的显示装置（1），其特征在于，该全息光学元件（8）和该反射器（5）按照以下方式布置在该光路（12）中，即通过该光路（12）的第二片段所成像的光从该全息光学元件（8）指向该反射器（5）。

10.根据前述权利要求之一所述的显示装置（1），其特征在于，该全息光学元件的衍射效率与该反射器相协调，使得在来自该反射器的光射线直接穿过该全息光学元件的情况下不发生明显的光减弱。

11.根据前述权利要求之一所述的显示装置（1），其特征在于，该反射器（5）是反射镜。

12.根据前述权利要求之一所述的显示装置（1），其特征在于，该光路（12）的第三片段由该显示装置（1）的反射器（5）和另一常规光学元件（4）来限制，其中该全息光学元件（8）至少部分地布置在该光路（12）的第三片段的进行限制的光学元件（4，5）之间并与这两者空间分离地布置。

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