CN117693696A - 光学组件和具有多个图像平面的抬头显示器 - Google Patents

Abstract

披露了一种用于投影表面(5)上的抬头显示器(10)的光学组件(11)，该光学组件包括图片生成装置(22)和至少一个波前操纵器(23)，该图片生成装置包括至少一个图片生成单元(26，27)，该至少一个波前操纵器布置在光束路径中在图片生成装置(22)与投影表面(5)之间。光学组件(11)被设计为在至少两个不同的图像平面中生成虚拟图像(8，18)，其中图片生成装置(22)至少具有第一区域(26，28)和第二区域(27，29)，图片生成装置(22)和波前操纵器(23)被设计为彼此结合以根据图片生成装置(22)的第一区域(26，28)中所生成的图片来在第一图像平面中生成虚拟图像(8)，并且根据图片生成装置(22)的第二区域(27，29)中所生成的图片来在第二图像平面中生成虚拟图像(18)。

Description

光学组件和具有多个图像平面的抬头显示器

本发明涉及一种用于抬头显示器(HUD)的光学组件和一种抬头显示器。

抬头显示器目前正被用于各种应用的情况下，尤其是还与交通工具的观察窗结合使用，例如在机动车辆的挡风玻璃、飞机的前屏或观察窗上。这些观察窗、特别是挡风玻璃通常具有用作抬头显示器的投影表面的弯曲表面。

抬头显示器通常包括图片生成单元(PGU)或投影仪、投影表面、眼动范围和虚拟图像平面。图像是借助于图片生成单元或投影仪在图片生成器平面中生成的。图像被投影到投影表面上，并从投影表面投影到眼动范围中。眼动范围是以下平面或空间区域：在该平面或该空间区域中，观察者可将所投影的图像感知为虚拟图像。虚拟图像平面、即生成虚拟图像的平面布置在投影表面上或投影表面后方。

传统的HUD系统仅具有一个图像平面和一个图片生成器平面(见图1)。考虑到市场对未来HUD系统的需求，有必要在HUD中实现具有不同图像距离的多于一个图像平面。为了降低成本并维持该系统的稳定性，有必要尽可能固定地安装HUD中的部件，并省去可移动零件。同时，安装空间需求也不应大幅增加。

在此背景下，本发明的目的是提供一种用于投影表面上的抬头显示器的有利光学组件以及一种有利抬头显示器，特别是能够在不同的图像平面中生成虚拟图像。

这些目的是通过如权利要求1所述的用于抬头显示器的光学组件和如权利要求15所述的抬头显示器来实现的。从属权利要求包含本发明的其他有利的配置。

根据本发明的用于投影表面上的抬头显示器的光学组件包括图片生成装置和至少一个波前操纵器，该至少一个波前操纵器布置在光束路径中在图片生成装置与投影表面之间。图片生成装置包括至少一个图片生成单元。根据本发明的光学组件被设计为在至少两个不同的图像平面中生成虚拟图像，也就是说在具有不同图像距离的图像平面中生成虚拟图像。在本上下文中，图像距离是虚拟图像的图像平面与眼动范围之间的距离。

为了生成至少两个不同的图像平面，图片生成装置至少具有第一区域和第二区域。图片生成装置和波前操纵器被设计为彼此结合以根据图片生成装置的第一区域中所生成的图片来在第一图像平面中生成虚拟图像，并根据图片生成装置的第二区域中所生成的图片来在第二图像平面中生成虚拟图像。换句话说，至少两个不同或偏离的图像平面沿着光轴位于距眼动范围或投影表面的偏离距离处。

根据本发明的光学组件的优点在于，可以在抬头显示器中实现具有不同图像距离的多个图像平面。在此过程中，为此所需的部件可以牢固地安装在抬头显示器中。因此，不需要可移动零件。这能够实现稳固的光学组件，并且因此能够实现对应稳固的抬头显示器。此外，根据本发明的光学组件可以经济有效地生产，并且可以可选地用少量费用即可改装现有的抬头显示器。

图片生成装置的第一区域和第二区域可以具有共用的图片生成器平面。换句话说，图片生成装置可以因此仅具有单一图片生成单元或部件，其仅具有例如一个分段图片生成器平面。在替代方案中，图片生成装置的第一区域可以具有第一图片生成器平面，并且图片生成装置的第二区域可以具有第二图片生成器平面。在这种变体中，第一图片生成器平面和第二图片生成器平面可以彼此不同。特别是，例如，可以存在两个不同的部件或图片生成单元，它们被布置在距波前操纵器的偏离距离处。这种变体特别适用于用另一个图片生成设备或单元来改装现有的抬头显示器，并且因此在抬头显示器中实现具有不同图像距离的多个图像平面。

至少一个波前操纵器优选地包括至少一个全息组件。至少一个全息组件优选地被设计为衍射具有多个波长的光。为此目的，各自衍射具有一个波长的光的多个全息图和/或衍射具有多个波长的光的多重全息图可以被布置为全息图堆叠体。另外或作为替代方案，至少一个波前操纵器包括至少一个具有自由形式表面的光学元件。有利地，具有自由形式表面的光学元件布置在光束路径中在图片生成装置与全息组件之间。可以存在多个自由形式表面，例如呈多个对应光学元件或一个具有多个自由形式表面的光学元件的形式。单独的自由形式表面可以各自被设计为对从图片生成装置的特定区域和/或特定图片生成单元发射的光进行光束整形。例如，可以存在第一图片生成单元或第一区域和布置在从所述第一图片生成单元或第一区域发射的光的光束路径中的第一自由形式表面、以及第二图片生成单元或第二区域和布置在从所述第二图片生成单元或第二区域发射的光的光束路径中的第二自由形式表面。

至少一个全息组件和/或另一个自由形式元件可以在很小的安装空间内实现有利的波前操纵器，所述波前操纵器尤其校正产生的图片误差或像差。特别是，成像像差(比如畸变、散焦、倾斜、散光、图像平面曲率、球面像差、高阶散光和彗差，等等)可以借助于全息元件和/或自由形式表面进行校正。包括自由形式表面的光学元件借助于自由形式表面的对应配置有助于提高分辨率，并允许对成像像差进行针对性地校正。此外，由于自由形式表面，光学元件仅占用很小的安装空间。换句话说，光学元件还显著地有助于提高具有紧凑配置的抬头显示器的成像质量。

自由形式表面在更广泛的意义上应理解为是指复杂表面，该复杂表面特别地可以借助于区域定义函数、特别是二次连续可微的区域定义函数来表示。合适的区域定义函数的示例是(特别是分段的)多项式函数(特别是多项式样条，例如双三次样条、四阶或更高阶的高阶样条、或非均匀有理多项式B样条(NURBS))。这些复杂表面应区别于简单表面，例如球面表面、非球面表面、柱面表面以及复曲面，这些表面被描述为至少沿主子午线为圆。特别是，自由形式表面不需要具有轴对称性，并且不需要具有点对称性，并且可以在表面的不同区域中针对平均表面焦度值具有不同的值。

在有利的变体中，波前操纵器至少包括第一全息组件和第二全息组件，其中第一全息组件被设计为根据图片生成装置的第一区域中所生成的图片来在第一图像平面中生成虚拟图像，并且第二全息组件被设计为根据图片生成装置的第二区域中所生成的图片来在第二图像平面中生成虚拟图像。以这种方式，纯粹借助于对多个全息组件的适当配置，可以实现具有图像距离不同的多个图像平面的抬头显示器，而无需额外的安装空间。

特别是，第一全息组件可以被设计为衍射至少具有第一波长的光。例如，第一全息组件可以被设计为在限定的颜色空间中衍射具有三个不同波长的光。第二全息组件可以被设计为衍射至少具有第二波长的光。例如，第二全息组件可以被设计为在限定的颜色空间中衍射具有三个波长的光，但这些波长与第一全息组件所设计用于的波长不同。在这种情况下，第一波长与第二波长之间的差值必须超过限定的极限值。例如，第一全息组件可以被设计为衍射具有第一波长的红光，并且第二全息组件可以被设计为衍射具有与第一波长略有不同的第二波长的红光。例如，两个波长的红光可以彼此相差至少10纳米或至少20纳米。同样，第一全息组件和第二全息组件可以被设计为衍射具有限定的波长的绿光和蓝光，其中全息组件所设计用于的单独的颜色的波长再次相差限定的绝对差值。

全息组件和/或至少一个包括自由形式表面的光学元件可以各自被配置为是反射的和/或透射的。这能够在很小的安装空间内实现可变的光束路径，特别是折叠光束路径。具有自由形式表面的光学元件的反射配置与具有紧凑配置的抬头显示器的应用结合是特别有利的，因为以这种方式，光学元件可以同时有助于无论如何(即使在高入射角的情况下)都是必要的光束偏转，而不会在此过程中引起额外的图像误差，特别是比如色差。

优选地，自由形式表面被设计为至少部分地校正至少一种像差或一种成像像差。这可以是上述成像像差中的至少一种。成像像差可能由投影表面引起，特别是在弯曲投影表面的情况下，和/或可能由图片生成单元和/或光束路径的几何形状引起，例如在抬头显示器的情况下。此外，可以借助于自由形式表面优化分辨率以及因此成像质量。

优选地，自由形式表面的表面几何形状是由取决于至少一个限定的参数的成像函数导出的。至少一个限定的参数可以产生于波前操纵器的设想应用。例如，挡风玻璃的曲率半径可以用作影响自由形式表面的形状的参数。光学元件可以具有多个自由形式表面，特别是以便能够执行适于相应的应用几何形状的像差校正。例如，在机动车辆中的应用的情况下，可以使用均匀的波前操纵器，其可以借助于所使用的自由形式表面的特定选择或布置来适于当前挡风玻璃的特定几何形状。

下文描述了可以在本发明的范围内使用的全息组件的有利特性和特征。

全息组件可以包括至少两个全息元件。至少两个全息元件优选地相继地紧接着布置在光束路径中。换句话说，至少两个全息元件之间没有布置其他光学元件或部件。此外，至少两个全息元件可以被配置为针对至少一个限定的波长和限定的入射角范围是反射的。否则，全息元件优选地具有透射式设计。

使用相继地紧接着布置并被配置为至少部分反射的两个全息元件的优点是，特别是与抬头显示器结合，可以借助于全息元件的单独配置而大幅提高成像质量。为此目的，全息元件几乎不占用安装空间，因此，当仅有很少可用的安装空间时，比如在为机动车辆而设计的抬头显示器的情况下，例如，成像质量的显著提高可以借助于波前操纵器来实现。全息组件实现了高屈光力，特别是与例如通过配置为是透射的而无色差的光学部件实现的屈光力相当。与透射全息图相比，针对限定的波长的反射全息图提供了更宽的角光谱、高的效率和更高的波长选择性。结果，尽管入射角光谱较宽，颜色通道仍可以彼此分离。因此，全息组件能够在高效率的同时实现大视场(FOV)，并因此适合于具有大视场和大数值孔径的VR抬头显示器(VR-虚拟现实)和增强现实抬头显示器(AR-HUD)。其他的应用可能性是由具有弯曲投影表面的抬头显示器提供的，例如用于交通工具(特别是机动车辆、轨道车辆、飞机或船舶)的挡风玻璃的抬头显示器、以及一般用于观察窗的抬头显示器。

由全息组件实现的另一个优点是，由于全息组件的高衍射角，降低了来自未使用的衍射级的光中的反射到眼动范围的比例。此外，可以生成高质量的多色图像表示。

优选地，至少两个全息元件中的每一个都包括数个全息图。在这种情况下，每个全息图都是用至少一个限定的波长来记录或生成的。例如，全息元件可以包括多个全息图，该多个全息图可以彼此上下布置为堆叠体。举例来说，全息元件可以具有数个、优选地多个单色全息图。在替代方案中，全息元件可以包括至少一个全息图，该至少一个全息图是用至少两个限定的波长来记录或生成的。优选地，这种全息图是用限定的颜色空间的三个不同波长来记录的，例如被配置为RGB全息图或CMY全息图、或配置为由不同颜色空间的数个单独波长形成的全息图。在上述示例中，R代表红色，G代表绿色，B代表蓝色，C代表青色，M代表洋红色，Y代表黄色。

因此，至少两个全息元件中的至少一个、优选地两个可以包括至少两个、优选地三个全息图，这些全息图被配置为针对相互不同的波长是反射的。另外或作为替代方案，至少两个全息元件中的至少一个、优选地两个可以包括至少一个全息图，该至少一个全息图被配置为针对至少两个、优选地三个相互不同的波长是反射的。换句话说，上述全息图是用相应的相互不同的波长来记录的。

全息元件的单独的全息图或全息组件的全部全息图的布置可以用作自由度，以便避免全息图之间的滤波效应。全息元件的单独的、相互不同的全息图可以关于中心线或中心轴(可以与光轴重合)、或关于全息元件的一些其他限定的几何参数而彼此相邻和/或彼此一前一后布置。

全息组件可以包括第一全息元件和第二全息元件，相应全息元件的多个全息图或所有全息图被配置为是相同的或一样的，但这些全息图所设计用于的波长除外。换句话说，第一全息元件的多个或所有全息图可以被配置为是相同的，并且可以仅在这些全息图所设计用于的波长方面彼此不同。同样，第二全息元件的多个或所有全息图可以被配置为是相同的，并且可以仅在这些全息图所设计用于的波长方面彼此不同。

优选地，第一全息元件相对于第二全息元件、关于单独的全息图的布置镜像对称地布置。例如，第一全息元件可以包括用红光记录的全息图、用绿光记录的全息图以及用蓝光记录的全息图，这些全息图以上述顺序彼此上下布置。第二全息元件同样可以包括用红光记录的全息图、用绿光记录的全息图以及用蓝光记录的全息图，这些全息图同样以这个顺序彼此上下布置。在镜像对称布置的情况下，第一全息元件和第二全息元件以如下方式彼此上下或彼此相邻布置：例如，第一全息元件的用红光记录的全息图与第二全息元件的用红光记录的全息图直接相邻布置。在替代方案中，第一全息元件的全息图的布置可以关于限定的方向与第二全息元件的全息图的布置相同。例如，两个全息元件都可以具有以RGB(R：用红光记录的全息图，G：用绿光记录的全息图，B：用蓝光记录的全息图)顺序关于限定的方向布置的全息图，这些全息图被布置为彼此抵靠，其方式为使得一个全息元件的全息图R与另一个全息元件的全息图B相邻。任何其他相互不同的布置同样也是可能的，例如RGB邻接或邻近GBR等。

在另一个有利的变体中，这些全息元件中的至少一个全息元件的多个全息图是用两个设计波前来记录的。在后者中，这些全息元件的至少一个全息图的至少一个设计波前在波长和入射角方面与这些全息元件之一(特别是第一全息元件和/或第二全息元件)的另一个全息图的至少一个设计波前相同。针对不同的波长使用相同的设计波前的优点是，可以使得所需的全息图的生产费用少且精度高。

共同使用的设计波前被优选地限定为平面波，该平面波使得不同波长之间的滤波效应最小，并且另外的优点是，与使用非平面波相比，可以更宽松地选择分配给一种颜色的全息图相对于彼此的定位公差。换句话说，全息图之间在光轴方向和/或侧向方向(也就是说，垂直于光轴)上的变化距离是可能的，而不会对成像质量产生不利影响。

全息组件(特别是至少一个全息元件)优选地被配置为使得将球面波转换为平面波。结果，全息组件(特别是全息元件)具有高的屈光力，而体积以及因此所需的安装空间不会增加。此外，反射镜上的光束截面会减小，其结果是可以降低反射镜的大小和屈光力。这是另外的优点，因为屈光力可以更好地分布在系统中，并且该系统对公差变得不那么敏感。此外，至少一个全息元件可以被配置为使得将自由形式波前转换为平面波前、或将球面波转换为自由形式波前。至少一个全息图可以用具有至少一个自由形式波的波来记录或曝光。结果，可以校正各种像差，并且可以提高性能。由于在这种配置下，可以转换具有任意波前的光，比如也可以借助于自由形式表面来生成，因此例如可以降低具有自由形式表面的部件(比如透镜元件和/或反射镜)的数量。

针对全息组件的至少两个全息元件的设计波前的入射方向可以用作自由度，以便避免不同波长之间的滤波效应。针对每个波长，也可以不同地选择入射方向。优选地，针对至少两个波长的设计波前、优选地针对这三个波长的设计波前，针对每个全息元件都是相同的设计波前，并且仅所使用的波长不同。

全息图之间的距离及其厚度与波前操纵器或包括波前操纵器的光学组件的尺寸或范围相比，可忽略不计。因此，全息组件没有可能由在光轴方向上的范围引起的像差。全息元件的设计波前还可以用作用于补偿材料公差(例如用于补偿材料收缩)的自由度。在这种情况下，一般的设计波前彼此略有不同。

优选地，至少两个全息元件被布置为彼此相距小于一毫米、特别是小于0.5毫米、优选地小于0.1毫米的距离。该距离优选地是零或可忽略不计的。结果，首先可以实现高的成像质量；另外，单独的全息元件不必随后在其相对于彼此的位置方面进行调整。

全息组件可以被配置为呈层或膜或基板(例如呈体积全息图)或板的形式。另外或作为替代方案，全息组件可以具有平面表面或弯曲表面。例如，全息组件可以布置在或已布置在盖板玻璃或无论如何都存在的一些其他光学部件的表面处或其上。以这种方式，不占用额外的安装空间。例如，波前操纵器可以包括光学部件，该光学部件被配置为是透射的，并被设计为布置在光束路径中在全息组件与投影表面之间。在这种情况下，全息组件可以优选地布置在被配置为是透射的的光学部件的背离投影表面的表面处。被构造为是透射的的光学部件以及全息组件都可以被配置为是弯曲的，优选地具有相同的曲率。例如，上述被构造为是透射的的光学部件可以是所谓的眩光阱，该眩光阱通常布置在挡风玻璃与抬头显示器之间的位置处，并且被设计为沿限定的方向反射阳光，使得阳光不会经由抬头显示器朝眼动范围的方向反射。在这个配置变体中，全息组件和眩光阱优选地被配置为具有相同的曲率并被布置为彼此直接相邻。

总之，借助于全息元件，波前操纵器能够使所使用的光的偏转比传统折射光学部件的偏转大得多或更极端。此外，能够投影高质量的多色图像。

图片生成装置有利地包括至少一个平面，也就是说在空间上延伸的平面，该平面被设计为在限定的发射角范围内发射光，并具有与所发射的光的波长有关的限定的最大带宽。优选地，平面中的每个发光点以散射叶的形式或在限定的角度范围内发射光。例如，这可以通过使用漫射器来实现。优选地，图片生成装置被设计为发射激光，特别是激光束。有利地，图片生成装置被设计为发射至少两个、优选地至少三个不同波的激光。优选地，这涉及限定的颜色空间中的三个不同波长，例如红色、绿色和蓝色或青色、洋红色和黄色。由于全息元件与其他光学部件(比如反射镜和透镜元件)相比，在波长方面更敏感，因此例如，有利的是图片生成装置被配置为具有与所发射的光的波长相关的限定的最大带宽。

根据本发明的光学组件的体积优选地小于10升、也就是说换句话说，占用的安装空间小于10升。该光学组件特别提供了构造非常紧凑的抬头显示器，也就是说只占用小的安装空间，并且同时确保在多个图像平面中非常高的成像质量。根据本发明的光学组件适合于加装在例如机动车辆、飞机或VR组件(例如VR眼镜)中。

在另一个变体中，波前操纵器、特别是至少一个全息组件被设计为光谱地分离不同图像平面的图像，或通过为各个图像平面生成不同的偏振态来分离所述图像。

图片生成装置可以包括多个图片生成单元。特别是，第一图片生成单元可以具有图片生成装置的第一区域，并且第二图片生成单元可以具有图片生成装置的第二区域。换句话说，每个图片生成单元可以被设计为在限定的图像平面中生成虚拟图像。这种配置特别允许对现有的抬头显示器进行简单且经济有效地的改装。

进一步，波前操纵器可以包括多个全息组件，这些全息组件各自被设计为在限定的图像平面中生成虚拟图像。同样，波前操纵器可以包括多个光学元件，这些光学元件具有自由形式表面并且被设计为在至少一个限定的图像平面中生成虚拟图像。这些变体还允许借助于合适的全息组件和/或自由形式元件以经济有效的方式对现有的抬头显示器系统进行简单且经济有效的改装，以便实现在不同图像距离上具有多于一个图像平面的抬头显示器。

根据本发明的抬头显示器包括上述根据本发明的光学组件。该抬头显示器具有上文已经指定的特征和优点。投影表面可以是交通工具的挡风玻璃的表面或观察窗的表面。投影表面或观察窗可以具有弯曲的配置。交通工具可以是机动车辆、飞机、轨道车辆或船舶。观察窗可以是眼镜(特别是智能眼镜)、头戴式透明屏幕、AR眼镜或AR头盔、面罩或显微镜的目镜。

根据本发明的抬头显示器使得可以在多个图像平面中生成具有大视场的虚拟图片。例如，可以生成矩形虚拟图片，矩形虚拟图片的视场为例如至少10度、优选地至少15度乘以5度(FOV：15°×5°)，并且可在远离眼动范围的特定距离处(例如在2米与12米之间的距离处)观察到。眼动范围的尺寸可以高达150mm×150mm。

虚拟图片的亮度和均匀度可以借助于全息元件的对应设计波来优化。此外，白度的均匀性可以通过在图片生成单元中设定颜色混合(例如RGB颜色空间)的系数来设定。

下文基于示例性实施例参考附图更详细地解释本发明。尽管借助于优选的示例性实施例对本发明进行了更具体的说明和描述，但是本发明不受所披露的示例的限制，并且在不脱离本发明的保护范围的情况下，本领域技术人员可以从本发明衍生出其他变体。

附图不一定在每个细节上都准确并且按比例绘制，并且为了更清楚，附图可以以放大或缩小的形式呈现。因此，此处披露的功能细节不应被理解为限制性的，而仅仅是为本技术领域的技术人员以各种方式使用本发明提供指导的说明性基础。

当在两个或更多个元素的系列中使用时，此处使用的表述“和/或”意指可以单独使用所列出的任何元素，或者可以使用所列出的元素中的两个或更多个元素的任何组合。例如，如果描述组合物包含组分A、B和/或C，则该组合物可以包含：单独的A；单独的B；单独的C；A和B一起；A和C一起；B和C一起；或A、B和C一起。

图1以侧视图示意性地示出了用于机动车辆的挡风玻璃的具有一个图像平面的抬头显示器的光束路径。

图2以侧视图示意性地示出了根据本发明的用于机动车辆的挡风玻璃的具有两个图像平面的抬头显示器的光束路径。

图3示意性地示出了在相同光学部件的情况下针对不同物体平面的光束路径。

图4示意性地示出了在不同光学部件的情况下针对相同物体平面的光束路径。

图5示意性地示出了根据本发明的抬头显示器的第一实施例变体，该抬头显示器具有根据本发明的光学组件。

图6示意性地示出了根据本发明的抬头显示器的第二实施例变体，该抬头显示器具有根据本发明的光学组件。

图7示意性地示出了根据本发明的抬头显示器的第三实施例变体，该抬头显示器具有根据本发明的光学组件。

图8示意性地示出了根据本发明的抬头显示器的第四实施例变体，该抬头显示器具有根据本发明的光学组件。

图9示意性地示出了全息组件的第一变体。

图10示意性地示出了全息组件的第二变体。

图11示意性地示出了全息组件内的光束路径。

图1示意性地示出了具有一个图像平面的抬头显示器10的光束路径。抬头显示器10包括图片生成单元1、投影表面5(例如呈机动车辆的挡风玻璃的形式)和波前操纵器7。投影表面5(例如挡风玻璃)可以以弯曲的方式配置。在应用于交通工具的情况下，图片生成单元1和波前操纵器7优选地以集成在配件(未示出)中的方式布置。抬头显示器10被配置为使得在投影表面5上、特别是在挡风玻璃的表面上或在交通工具的外部区域中(例如沿行进方向在挡风玻璃的表面后方)生成虚拟图片8。光束路径被附图标记6标识。

在所示的配置变体中，波前操纵器7包括全息组件4和光学元件3，该光学元件被配置为是反射的并且具有自由形式表面并且布置在从图片生成单元1开始的光束路径6中在图片生成单元1与全息组件4之间。光学元件3优选地被配置为自由形式反射镜。

图片生成单元1朝波前操纵器7的方向发射光波。要输出的图像信息或图片生成单元1所生成的图片被具有附图标记2的箭头标识，而其虚拟图像被附图标记8标识。波前操纵器7用于校正成像像差，并且可选地用于扩展光束路径。波前操纵器7朝投影表面5、特别是弯曲投影表面的方向引导光波。在投影表面5处，光波朝眼动范围9的方向反射。在这种情况下，眼动范围9形成了以下区域：用户必须或可以位于该区域中，以便能够感知抬头显示器10所生成的虚拟图像8。图像平面由虚拟图像8的图像距离限定。

图2示意性地示出了根据本发明的具有两个图像平面的抬头显示器10的光束路径，其中抬头显示器10包括根据本发明的光学组件11。第一图像平面对应于虚拟图像8所限定的图像平面。第二图像平面由另一个虚拟图像18限定。对应的光束路径被附图标记16标识。第一图像平面和第二图像平面具有偏离的图像距离。在这种情况下，光束路径6和16可能具有空间叠加。

图3和图4解释了本发明所基于的光学原理。如果以简化的方式将光学系统视为具有焦距f和光轴13的单一透镜元件12，则会出现图3所描绘的物体(图片生成器)14、17与图像(虚拟图片)15、19之间的成像状态。图3示出了在相同光学部件12的情况下针对不同物体距离或物体间距s1和s2的图像15、19的光束路径。如果针对不同的物体间距(s1和s2)或针对不同的图像间距(s1'和s2')使用相同的系统(仅一个焦距f)，则会产生两个不同的图像平面。也就是说，借助于单一光学系统在相同物体间距(PGU)的情况下不可能实现具有足够质量的两个图像间距(s1'和s2')。

如果针对两个虚拟图片15和19使用图片生成单元1的相同图片生成器平面，则需要两个不同的成像系统12a和12b。这意味着，部件12a和12b以及部件12a和12b的位置可能不同，如图4所描绘的。图4示出了在不同光学部件12a和12b的情况下针对相同物体平面的图像的光束路径。

下面基于图5至图8来更详细地解释本发明的实施例变体。图5至图8各自示出了根据本发明的抬头显示器10，该抬头显示器具有根据本发明的光学组件11、和投影表面5。例如，投影表面5可以是挡风玻璃或观察窗。

在各自情况下，光学组件11都包括图片生成装置22和波前操纵器23，该波前操纵器布置在光束路径中在图片生成装置22与投影表面5之间。在所示的变体中，波前操纵器23在各自情况下都包括全息组件24和至少一个具有自由形式表面的光学元件25。

在图5所示的变体中，各个图像平面由两个图片生成单元26和27实现，其中第一图片生成单元26形成了图片生成装置22的第一区域，并且第二图片生成单元27形成了图片生成装置22的第二区域。第一图片生成单元26和第二图片生成单元27具有彼此不同的相应图片生成器平面或物体平面。在所示的变体中，第二图片生成单元27的图片生成器平面放置得比第一图片生成单元26的图片生成器平面更靠近自由形式元件25。在图5所示的变体中，针对两个生成的虚拟图像平面，使用了相同的全息组件24和相同的光学元件25，该光学元件被配置为自由形式反射镜。此外，所利用的颜色空间的波长，例如针对红-绿-蓝(RGB)，对于两个生成的图像平面是相同的。在所示的示例中，从图片生成装置22的第一区域26射出的光束路径光线被具有附图标记31的箭头标识，并且从图片生成装置22的第二区域27射出的光束路径光线被具有附图标记32的箭头标识。不同颜色空间的三个波长可以用作RGB颜色空间的替代方案。具有少于三个不同波长(例如仅具有一个波长或仅具有两个波长)的配置是可能的。从图5中可以明显看出，光束路径的空间叠加是可能的。

图6所示的变体与图5所示的变体的不同之处在于仅存在一个图片生成单元而不是两个图片生成单元。在这个变体中，图片生成装置22具有第一区域28和第二区域29，其中第一区域28发射用于第一图像平面中的图像的光线，并且第二区域29发射用于第二图像平面中的图像的光线，该第二图像平面与第一图像平面不同。这样配置的图片生成装置22例如可以包括单独的区段，这些区段位于相同的图像生成器平面中，但被设计为用于在不同的图像平面中生成虚拟图像。

在图6所示的变体中，波前操纵器23范围内的各个图像平面借助于具有自由形式表面的两个不同光学元件而彼此分开。具体来说，存在第一自由形式反射镜20和第二自由形式反射镜30，其中第一自由形式反射镜20将第一区域28所发送的光线朝全息组件24的方向投影，并且第二自由形式反射镜30将第二区域29所发送的光线朝全息组件24的方向投影。作为所示变体的替代方案，可以仅设置一个具有对应配置区域的自由形式表面25。在图5和图6中，在附图的左侧或更高处入射到投影表面5上的第一光束路径31的三条光线被设计为在第一图像平面中生成虚拟图像，而在右侧或更低处入射到投影表面5上的第二光束路径32的三条光线(以示例性方式示出)在各自情况下被设计为在偏离第一图像平面的第二图像平面中生成虚拟图像。

为了在自由形式反射镜25或者图6所示变体中的区域20和30处分离光束路径，两个虚拟图像平面必须在垂直于光轴的方向上彼此具有一定的侧向间距。例如，这意味着，图像平面的俯视角或视场(FOV)的竖直图像位置必须选择得比图5所示的变体中的大。在这种情况下，可以通过不同的自由形式反射镜20和30来校正两个光束路径。以这种方式，可以实现两个偏离的图像平面。两个虚拟图片的图像生成器平面或物体平面可以布置在相同的图片生成器区域，但也可以布置在不同的部分或区域，例如彼此上下布置或者彼此侧向相邻布置。

图7所示的变体与图6所示的变体不同之处在于，首先，图片生成装置的两个区域28和29被设计为发射偏离光波，并且波前操纵器23包括第一全息组件34和第二全息组件35。在这种情况下，第一全息组件34被设计为根据图片生成装置22的第一区域28中所生成的图片来在第一图像平面中生成虚拟图像，并且第二全息组件35被设计为根据图片生成装置22的第二区域29中所生成的图片来在第二图像平面中生成虚拟图像。

第一区域28所发射的第一颜色光31的波长与第二区域29所发射的第一颜色光36的波长相差超过限定的极限值的波长差值，例如相差超过10纳米。光31和36可以是红光。第一区域28所发射的第二颜色光32的波长与第二区域29所发射的第二颜色光37的波长相差超过限定的极限值的波长差值，例如相差超过10纳米。光32和37可以是绿光。第一区域28所发射的第三颜色光33的波长与第二区域29所发射的第三颜色光38的波长相差超过限定的极限值的波长差值，例如相差超过10纳米。光33和38可以是蓝光。第一区域28和第二区域29也可以被设计为从偏离的颜色空间发射光；例如，第一区域28可以被设计为从RGB颜色空间发射光，并且第二区域29可以被设计为从CMY颜色空间发射光。

优选地，第一全息组件34对第二区域29所发射的光的衍射效率不高，并且第二全息组件35对第一区域28所发射的光的衍射效率不高。因此，针对两个虚拟图像平面，各个区域所发射的波长被选择为是不同的。优选地，选择限定的颜色空间的两个波长三元组，例如红色、绿色和蓝色，所述波长三元组取决于它们从哪个区域发射而彼此不同。例如，第一区域28可以发射红光，其波长与第二区域29所发射的红光相差限定的绝对差值。在所示的变体中，两个全息组件34和35相继地布置在光束路径中。原则上，也可以彼此相邻布置。在替代方案中，将相关联颜色的两个波长的光栅写入相同的全息图中，也就是说，两个全息组件34和35中的两个蓝色全息图可以写入或曝光在联合全息组件的两个全息图(蓝色多重全息图)中。与图10所示的示例类似，可以存在多个多重全息图，例如RR'全息图、GG'全息图和BB'全息图(即，6个全息图作为堆叠体)或任何其他合适的组合。这可以在不限制功能的情况下减少全息组件的数量。

图8所示的实施例变体结合了已经基于图5至图7解释过的各种变体。存在两个不同的图片生成单元26和27，并且它们被定位为使得它们的图像生成器平面彼此不同。此外，两个图片生成单元26和27所发射的波长相差限定的最小绝对值。第一图片生成单元26所发射的光借助于第一自由形式反射镜20朝全息组件24的方向反射。第二图片生成单元27所发射的光借助于第二自由形式反射镜30被反射穿过全息组件24或者朝投影表面5的方向反射经过该全息组件。在图8所示的变体中，全息组件24仅高效地衍射第一图片生成单元26所发射的光波长。第二图片生成单元27所发射的光的波长不能被全息组件24高效衍射。这意味着，仅一个自由形式表面30用于对借助于第二图片生成单元27发射的光33进行光整形。相比之下，自由形式表面20和与波长相匹配的全息组件24用于图片生成装置26所发射的光的光束路径31。

下面，基于图9至图11来解释合适的全息组件24的配置的变体。

图9所示的全息组件24包括第一全息元件41和第二全息元件42。在所示的实施例变体中，第一全息元件41和第二全息元件42各自具有彼此上下布置的三个单色全息图，举例来说，其中用红光记录的全息图被附图标记51标识，用绿光记录的全息图被附图标记52标识，用蓝光记录的全息图被附图标记53标识。第一全息元件41和第二全息元件42被布置为彼此抵靠，其方式为使得单独的全息图相对于彼此镜像对称地布置。在所示的变体中，用红光记录的全息图51被布置为彼此直接相邻。第一全息元件41和第二全息元件42可以彼此直接相邻，或可以被布置为彼此相距可忽略的距离、优选地小于1毫米的距离。

在图9和图10中，呈光束形式的入射光波被具有附图标记49的箭头标识，并且离开全息组件24的光的光束路径被具有附图标记50的箭头标识。在图9所示的变体中，单独的全息元件41和42的单独的、相互不同的全息图51、52和53关于中心线或中心轴43(可以是光轴)沿着该中心线或中心轴彼此一前一后布置。单独的全息元件41和42的单独的、相互不同的全息图51、52和53也可以相对于彼此关于中心线或中心轴43侧向布置。

图10示出了根据本发明的波前操纵器24的另一个实施例变体。与图9所示的变体不同的是，第一全息元件41和第二全息元件42各自仅包括一个全息图，但该全息图分别用具有多个不同波长的光来记录。举例来说，所示的变体涉及两个RGB全息图。例如，全息图具有用红光产生的全息光栅结构、用绿光记录的全息光栅结构以及用蓝光记录的全息光栅结构。

图11示意性地示出了全息组件24内的光束路径。为说明的目的，这里第一全息元件41和第二全息元件42被布置为彼此相距一定距离。然而，这仅用于说明光束路径。在这种情况下，入射光49在单独的全息图51-53或全息光栅结构51-53处针对特定入射角范围、波长特定地被反射，也就是说在用蓝光记录的全息图53处的具有特定入射角的蓝光，在用绿光记录的全息图52处的在特定入射角范围内的绿光，以及在用红光记录的全息图51处的相应的红光。在所示的变体中，入射光49首先透射穿过第二全息元件42，并且在第一全息元件41处被反射。由第一全息元件41反射的光48在第二全息元件42处被反射，并且形成了离开全息组件的波前50。

第一全息元件41被配置为使得将球面波转换为平面波。结果，全息元件24具有高的屈光力，而体积以及因此所需的安装空间不会增加。此外，反射镜上的光束截面会减小，其结果是可以降低反射镜的大小和屈光力。这是另外的优点，因为屈光力可以更好地分布在系统中，并且该系统对公差变得不那么敏感。所透射的波前48优选是平面的。结果，波长之间的滤波效应最小。此外，这放宽了全息元件41和42在侧向方向上相对于彼此的定位精度。与传统的部件相比，第一全息元件41表现得像凹面反射镜，并且第二全息元件42表现得像平面反射镜。总之，全息组件24、特别是由第一全息元件41和第二全息元件42构成的全息图堆叠体具有正透镜的功能，但体积最小。附图标记清单：

1 图片生成单元

2 要输出的图像信息

3 具有自由形式表面的光学元件

4 全息组件

5 投影表面

6 光束路径

7 波前操纵器

8 虚拟图像，图像平面

9 眼动范围

10 抬头显示器

11 光学组件

12 透镜元件

13 光轴

14 物体

15 图像16光束路径1

17物体

18虚拟图像，图像平面

19 图像

20 自由形式反射镜

22 图片生成装置

23 波前操纵器

24 全息组件25具有自由形式表面的光学元件26 图片生成单元

27 图片生成单元

28 第一区域

29 第二区域

30 自由形式反射镜

31 光束路径

32 光束路径

33 光束路径

34 第一全息组件

35 第二全息组件

41 第一全息元件

42 第二全息元件

43 中心线

48 光束路径

49 光束路径

50 光束路径

51 用红光记录的全息图

52 用绿光记录的全息图

53 用蓝光记录的全息图

s1 物体距离

s2 物体距离

s1'图像距离

s2'图像距离。

Claims (16)

1.一种用于投影表面(5)上的抬头显示器(10)的光学组件(11)，该光学组件包括图片生成装置(22)和至少一个波前操纵器(23)，该图片生成装置包括至少一个图片生成单元(26，27)，该至少一个波前操纵器布置在光束路径中在该图片生成装置(22)与该投影表面(5)之间，

其特征在于，

该光学组件(11)被设计为在至少两个不同的图像平面中生成虚拟图像(8，18)，其中该图片生成装置(22)至少具有第一区域(26，28)和第二区域(27，29)，该图片生成装置(22)和该波前操纵器(23)被设计为彼此结合以根据该图片生成装置(22)的第一区域(26，28)中所生成的图片来在第一图像平面中生成虚拟图像(8)，并且根据该图片生成装置(22)的第二区域(27，29)中所生成的图片来在第二图像平面中生成虚拟图像(18)。

2.如权利要求1所述的光学组件(11)，

其特征在于，

该图片生成装置(22)的第一区域(28)和第二区域(29)具有共用的图片生成器平面，或者该图片生成装置(22)的第一区域(26)具有第一图片生成器平面，并且该图片生成装置(22)的第二区域(27)具有第二图片生成器平面，其中该第一图片生成器平面和该第二图片生成器平面彼此不同。

3.如权利要求1或2所述的光学组件(11)，

其特征在于，

该至少一个波前操纵器(23)包括至少一个全息组件(24)和/或至少一个具有自由形式表面的光学元件(25)。

4.如权利要求3所述的光学组件(11)，

其特征在于，

该至少一个全息组件(24)被设计为衍射具有多个波长的光。

5.如权利要求3或4所述的光学组件(11)，

其特征在于，

该波前操纵器(23)至少包括第一全息组件(34)和第二全息组件(35)，其中该第一全息组件(34)被设计为根据该图片生成装置(22)的第一区域(28)中所生成的图片来在该第一图像平面中生成虚拟图像(8)，并且该第二全息组件(35)被设计为根据该图片生成装置的第二区域(29)中所生成的图片来在该第二图像平面中生成虚拟图像(18)。

6.如权利要求5所述的光学组件(11)，

其特征在于，

该第一全息组件(34)被设计为衍射至少具有第一波长的光，并且该第二全息组件(35)被设计为衍射至少具有第二波长的光，其中该第一波长与该第二波长之间的差值超过限定的极限值。

7.如权利要求3至6中任一项所述的光学组件(11)，

其特征在于，

该全息组件(24)和/或该至少一个光学元件(25)被配置为是反射的和/或透射的。

8.如权利要求3至7中任一项所述的光学组件(11)，

其特征在于，

该全息组件(24)包括至少两个全息元件(41，42)，该至少两个全息元件相继地紧接着布置在光束路径(48，49，50)中。

9.如权利要求3至8中任一项所述的光学组件(11)，

其特征在于，

该全息组件(24)包括至少两个全息元件(41，42)，该至少两个全息元件被配置为针对至少一个限定的波长和限定的入射角范围是反射的。

10.如权利要求3至9中任一项所述的光学组件(11)，

其特征在于，

该全息组件(24)包括至少两个全息元件(41，42)，其中至少一个全息元件(41，42)包括多个全息图(51，52，53)，该多个全息图彼此上下布置为堆叠体，或者至少一个全息元件(41，42)包括至少一个全息图(51，52，53)，该至少一个全息图是使用至少两个限定的波长来记录的。

11.如权利要求1至10中任一项所述的光学组件(11)，

其特征在于，

该波前操纵器(23)被设计为光谱地分离不同图像平面的图像，或通过为各个图像平面生成不同的偏振态来分离所述图像。

12.如权利要求1至11中任一项所述的光学组件(11)，

其特征在于，

该图片生成装置(22)包括多个图片生成单元(26，27)。

13.如权利要求1至12中任一项所述的光学组件(11)，

其特征在于，

该波前操纵器(23)包括多个全息组件(34，35)，这些全息组件各自被设计为在限定的图像平面中生成虚拟图像(8，18)。

14.如权利要求1至13中任一项所述的光学组件(11)，

其特征在于，

该波前操纵器(23)包括多个光学元件(20，25，30)，这些光学元件具有自由形式表面并且各自被设计为在至少一个限定的图像平面中生成虚拟图像。

15.一种抬头显示器(10)，包括投影表面(5)，

其特征在于，

该抬头显示器(10)包括如权利要求1至14中任一项所述的光学组件(11)。

16.如权利要求15所述的抬头显示器(10)，

其特征在于，

该投影表面(5)是交通工具的挡风玻璃的表面或观察窗的表面。