CN117730528A - 投影装置和投影方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种投影装置，包括：图像模块(2)，该图像模块生成多色图像，使得生成具有第一波长的第一颜色子图像和具有第二波长的第二颜色子图像；投影单元(3)，该多色图像被馈送到该投影单元并且该投影单元将所述图像成像到出射光瞳(6)中，使得当观察者的眼睛(A)定位在出射光瞳(6)中并且观察者以预定观看角度看投影单元(3)时，观察者能够将该图像感知为虚拟图像，其中，投影单元(3)具有体积全息图，该体积全息图将多色图像偏转到出射光瞳(6)中用于成像目的，并且该体积全息图针对颜色子图像的每种波长都具有体积光栅，所述体积光栅具有相应的偏转效率曲线，该偏转效率曲线取决于观看角度并且针对预定观看角度最大，使得存在针对第一波长的第一偏转效率曲线与针对第二波长的偏转效率曲线的第一效率比率。在围绕预定观看角度的预定角度范围内，这些偏转效率曲线被设定为使得在预定角度范围内第一效率比率是恒定的。图像模块(2)被控制为使得当生成多色图像时，第一颜色子图像的亮度与第二颜色子图像的亮度的第一亮度比率与第一效率比率成反比，使得补偿了不同的偏转效率曲线，并且针对预定角度范围内的观看角度，观察者能够将多色图像感知为真色虚拟图像。

Description

投影装置和投影方法
本发明涉及一种全息投影装置和一种全息投影方法。
在这种全息投影装置的情况下，可以使用体积全息图来偏转要成像的图像。由于这种体积全息图的偏转效率根据用户的观看角度而针对不同波长变化，这可能具有以下不利影响：投影图像具有朝向边缘的不期望的颜色偏色，并且这种颜色偏色很快变得引起观察者的注意并且非常烦恼。在投影单元中通常使用三种波长，通常提供蓝色、绿色和红色的相应波长。然而，也有可能仅使用两种波长。
因此，以此为出发点，本发明的目的是提供一种尽可能消除这种困难的投影装置。此外，本发明提供了一种对应的投影方法。
在独立权利要求中限定了本发明。在从属权利要求中详细说明了有利的发展。
由于根据本发明的投影装置中的图像模块被控制为使得当生成多色图像时，第一颜色子图像的亮度与第二颜色子图像的亮度的第一亮度比率与第一效率比率成反比，因此补偿了不同的偏转效率曲线，并且针对预定角度范围的观看角度，观察者可以将多色图像感知为真色虚拟图像。因此，在图像生成期间会生成相反的颜色偏色，该相反的颜色偏色是基于用于偏转的体积全息图的体积光栅而存在的。这是可能的，因为在围绕预定观看角度的预定角度范围内，偏转效率曲线被设定为使得在预定角度范围内第一效率比率是恒定的。
因此，也可以说，根据本发明，针对不同波长的体积全息图的不同的与观看角度相关的偏转效率曲线被设定为使得在预定角度范围内第一效率比率是恒定的。同时，第一颜色子图像和第二颜色子图像在图像模块处的亮度被设定为使得在预定角度范围内，第一亮度比率与第一效率比率成反比。因此，针对在预定角度范围内的观看角度，不会出现不期望的颜色偏色。
体积光栅可以是反射式光栅，也可以是透射式光栅。同样，在图像波导的情况下，体积光栅也可以是侧光式光栅。
此外，体积光栅可以有利地形成在同一层中，这也被称为多路复用(multiplexing)。因此，可以以简单的方式容易地产生体积光栅。
当然，也可以针对每个体积光栅提供单独层。于是，这些层优选地彼此上下安装。
例如，体积光栅可以是通过曝光引入的体积光栅。通过曝光引入的体积光栅应优选地理解为意指体积光栅被曝光并且可选地被显影或漂白，使得然后存在通过曝光引入的稳定的体积光栅。
例如，用于产生通过曝光引入的体积光栅的曝光可以这样进行：将具有预定波长(例如532nm、460nm或640nm)的参考波以第一入射角(例如0°)引导到旨在通过曝光引入体积光栅的层(包括光敏体积全息材料或由其形成)上，同样地将具有相同波长的信号波以与第一入射角不同的第二入射角(例如60°)引导到该层上，参考波和信号波来自同一激光器，使得在该层的光敏体积全息材料上出现具有所期望数量的干涉最大值的干涉场或干涉体积，并且因此形成所期望的折射率调制。所产生的折射率变化在干涉最大值处最大，使得干涉最大值限定了折射率调制。
例如，光敏玻璃、重铬酸盐明胶或光聚合物可以用作光敏体积全息材料。例如，可以将它们施加到PC膜(聚碳酸酯膜)上，并在那里对应地进行曝光。
折射率调制这里应理解为特别意指最大折射率变化或改变的绝对值。
体积全息图可以嵌入透明载体中。然而，也可以在透明载体的界面上形成体积全息图。
透明载体也可以用作图像波导，其输入耦合区域与体积全息图间隔开，多色图像经由所述输入耦合区域耦合到图像波导中。在图像波导中，多色图像可以通过反射被引导到体积全息图。然后，体积全息图将所引导的光耦合出来到观察者。
透明载体可以例如是车辆的挡风玻璃或其他车窗。然而，也可以涉及平面平行板。此外，透明载体还可能具有曲面界面。体积全息图的透明载体也可以是光学系统的一部分，例如布置在车辆仪表板上并且从那里借助于挡风玻璃处的反射将光引导到观察者。
透明载体可以由玻璃或塑料制成。
特别是，投影装置可以被配置为使得所生成的虚拟图像是以与周围环境叠加的方式感知的。为此目的，体积全息图优选地还对于第一波长和第二波长是透射的。
预定角度范围可以是2°、3°、4°、5°、6°、7°、8°、9°、10°、11°、12°、13°、14°、15°、16°、17°、18°、19°或20°的角度范围。在水平方向和竖直方向上，预定角度范围可以不同。在这方面，例如，水平角度可以是14°至20°，并且竖直角度可以是5°至7.5°。预定观看角度可以位于预定角度范围的中心。然而，预定观看角度也可以位于预定角度范围的中心之外。
在预定角度范围内效率比率恒定这里应理解为特别意指预定角度范围内效率比率在多种波长之间(优选地相对于预定角度范围内效率比率的最大值)的变化不超过1％、2％、3％、4％、5％、6％、7％、8％、9％、10％、11％、12％、13％、14％、15％、16％或17％。
不言而喻，在不背离本发明的范围的情况下，上文提及的特征和下文仍要解释的特征不仅可以以指定的组合使用，而且还可以以其他组合使用或单独地使用。
下文将基于示例性实施例并参考附图更详细地解释本发明，这些附图同样披露了对本发明必不可少的特征。这些示例性实施例仅出于说明性目的而提供，不应被解释为限制性的。例如，对具有多个元件或部件的示例性实施例的描述不应被解释为是指所有这些元件或部件对于实现来说都是必要的。代替地，其他示例性实施例也可以包含替代性元件和部件、更少的元件或部件、或附加的元件或部件。除非另有说明，否则不同示例性实施例的元件或部件可以相互组合。针对示例性实施例之一描述的修改和变化也可以适用于其他示例性实施例。为了避免重复，在不同的图中相同或彼此对应的元件由相同的附图标记表示，并且不重复解释。在附图中：
图1示出了根据本发明的全息投影装置1的第一实施例的示意图；
图2示出了图1的投影装置1的放大细节图示；
图3示出了体积光栅针对三种不同波长的偏转效率的图示；
图4示出了有效偏转效率的图示，其中考虑了针对图3中多种波长的图像生成器的亮度缩放；
图5示出了根据本发明的全息投影装置1的另一个实施例；
图6示出了根据本发明的全息投影装置1的另一个实施例；
图7示出了根据本发明的全息投影装置1的另一个实施例，以及
图8示出了图7的投影装置1的局部截面图。
在图1所示的实施例中，根据本发明的全息投影装置1包括用于生成多色图像的图像模块2以及投影单元3，该投影单元在这种情况下包括全息分束器5，该全息分束器集成在车辆的挡风玻璃4中，多色图像(作为代表描绘了光束L的光束路径)在该分束器处向投影单元3的出射光瞳6的方向偏转，使得将其眼睛A定位在出射光瞳6中的用户在其沿预定观看方向7看投影单元3(或在这种情况下看全息分束器5)时，可以将多色图像感知为虚拟图像。
图像模块2可以包括图像生成器8和具有处理器10的控制单元9，其中控制单元9控制图像生成器8以生成多色图像。图像生成器8可以是LCD模块、OLED模块、LCoS模块或倾斜反射镜矩阵。此外，图像生成器还可以包括漫射板，这里未描绘。该系统同样可以具有光源，例如激光器，该光源不直接分配给图像生成器，而是用于照亮图像生成器，该光源未描绘。
多色图像借助于图像生成器8生成，其中例如，生成具有不同波长的三种颜色子图像。例如，这三种颜色子图像可以是波长为460nm的蓝色子图像、波长为532nm的绿色子图像和波长为640nm的红色子图像。这些颜色子图像可以同时生成，也可以在时间上快速交替生成，以至于对于用户而言，仅可感知到作为多色图像的叠加体。
如特别是从图2中的放大局部视图显而易见的，全息分束器5包括光聚合物层11，针对三种波长中的每种波长，体积全息光栅被写入该光聚合物层中。因此，三个光栅叠加在同一体积中(具体是在光聚合物层11中)，使得存在所谓的多路复用。三个体积全息光栅中的每个体积全息光栅被配置为使得其针对上述三种波长之一(例如，带宽为中心波长的±3％)是反射的，而对其余波长进行透射。在这种情况下，反射应理解为体积全息图的光栅结构处的衍射。在这种情况下，各个体积全息光栅的反射率(对应于衍射效率，也将在下文中详细描述)被设定为使得存在约45％的有效反射率。这主要源于以下事实：为了在车辆的挡风玻璃4中使用的概述目的，出于安全原因，反射率不允许达到100％。针对这种安全方面不重要的其他应用，体积全息光栅当然可以被设计成具有大于45％的反射率。
全息分束器5被设计用于预定观看角度α1为62.5°(相对于法线12与挡风玻璃4相交的点处的法线12)的预定观看方向7。然而，也可能出现偏离该观看方向的观看方向13和14，针对这两个观看方向，各个体积全息光栅具有不同的反射率，这是因为由于针对每个体积全息光栅，存在与观看角度相关的反射效率曲线，并且该与观看角度相关的反射效率曲线针对各个体积全息光栅是不同的。这具有以下影响：例如，随着与预定观看角度的角度偏差增加，可感知的虚拟图像的红色偏色增加。如图1和图2所示，在大的出射光瞳6的情况下，针对虚拟图像中的不同位置，已经存在用户的这些不同观看角度。在这方面，仅当观看图像中心时才满足预定观看角度。观看方向13或14可能已经存在于图像边缘，使得个体感知到的虚拟图像已经具有背离图像中心的红色偏色。
因此，观看方向13和14限定了围绕预定观看方向7的角度范围，在该角度范围内，应存在虚拟图像到出射光瞳6的至少一个真色投影。例如，这可能涉及相对于预定观看角度α1的±2°的范围。
为此目的，各个体积全息光栅被配置为使得其衍射效率如图3所示随观看角度α而变，观看角度(以度为单位)沿横坐标绘制，衍射效率以及因此反射率(以百分比为单位)沿纵坐标绘制。曲线K1示出了光栅针对460nm的衍射效率，曲线K2示出了针对532nm的波长的衍射效率，并且曲线K3示出了针对640nm的波长的衍射效率。每条曲线K1-K3在62.5°的预定观看角度α1处具有其最大值，然后衍射效率随着观看角度的增加或减小而下降，使得存在图3所示的衍射效率曲线。然后，该下降被选择为使得针对每个观看角度，衍射效率的比率等于预定观看角度α1的衍射效率的比率。在这里以示例性方式描述的示例的情况下，预定观看角度α1的衍射效率针对460nm的波长为66.4％，针对523nm的波长为45.7％，针对640nm的波长为18.8％。衍射效率适配是通过将针对三种波长的体积全息光栅写入公共材料层来实现的，该公共材料层的折射率为1.5且层厚度为10μm，其中折射率调制针对460nm为0.015、针对532nm为0.0125、针对640nm为0.0085。因此，曲线K1、K2和K3的衍射效率曲线的比率为2.4∶1∶0.7。
于是为了获得真色投影，控制单元9控制图像生成器8，使得蓝色子图像、绿色子图像和红色子图像的亮度与所述曲线K1-K3的比率恰好成反比。因此，蓝色子图像、绿色子图像和红色子图像的亮度比率为0.4∶1∶1.4，使得在光聚合物层11中的全息光栅处发生偏转之后，存在如图4示意性所示的有效反射率(即，具有亮度校正)。在图4中，观看角度(以度为单位)沿纵坐标绘制，并且考虑了亮度校正的衍射效率(以百分比为单位)沿横坐标绘制。三条曲线KI′、K2′和K3′在所期望的观看角度范围内几乎彼此重叠，使得存在虚拟图像的真色投影。用户仅仅看到亮度随着距中心的距离的增加而有一定下降，但这比所述的颜色偏色影响的干扰要小得多。
此外，从图4中还可以看出，预定观看角度α1的最大反射率为约46％，并且因此透射率为至少54％。
当然，根据本发明的投影装置1还可以包括甚至更多的光学元件，以例如使像差最小化。在这方面，可以使用反射镜和透镜。如图5示意性图示的，例如，包括多个光学有效表面的光学单元15可以布置在图像生成器8与全息分束器5之间，这里光学单元15示意性地描绘为透镜。该光学单元15对于校正光学像差(比如动态畸变)是必要的，这些光学像差在图像生成器8在作为唯一有效表面的体积全息图5上进行成像期间不可避免地会出现在图1所描绘的系统中。在这种情况下，也可以将体积全息图5置于光学系统15中，使得在挡风玻璃4处使用传统的菲涅尔反射来将图像镜面反射到驾驶员的视野中。如果将体积全息图置于光学系统15中，体积全息图的衍射效率可以大于46％。
此外，图6示出了变型，其中来自图像生成器8的光经由耦合元件16(例如偏转反射镜)耦合到挡风玻璃4中，并且在挡风玻璃中借助于至少一次反射被引导到光聚合物层11，在该光聚合物层处进行所述的耦合输出。
代替挡风玻璃4，任何其他透明体也可以用于根据本发明的投影装置1。该透明体可以被配置为平面平行板。然而，至少一个界面(例如前侧面和/或后侧面)也可以以曲面形式来配置。
如图1、图2、图5和图6中的挡风玻璃所示，光聚合物层11可以嵌入透明体中。然而，光聚合物层也可以形成在透明体的前侧面或后侧面上。此外，在光聚合物层11上还可以设置有封盖层。
根据本发明的投影装置1也可以被配置为可安装在用户的头部上，并且为此目的可以包括固持装置32，该固持装置可安装在用户的头部上并且可以例如以传统眼镜镜架的方式来配置。在这种情况下，投影装置1可以包括第一眼镜镜片33和第二眼镜镜片34，该第一眼镜镜片和该第二眼镜镜片附接到固持装置32上。具有眼镜镜片33、34的固持装置32可以例如被配置为运动护目镜或眼镜、太阳镜和/或用于矫正视力缺陷的眼镜，虚拟图像可以经由第一眼镜镜片33叠加到用户的视野上。
如图7示意性图示的，图像模块2可以布置在固持装置32的右眼镜镜腿的区域中。
如可以从图8的示意性局部放大截面图中最佳可见，第一眼镜镜片33包括后侧面37和前侧面38。后侧面37和前侧面38这里是曲面的。然而，后侧面和前侧面也可能是平面的。曲率可以是球面曲率或非球面曲率。
如果虚拟图像旨在以与周围环境叠加的方式可见，则可以同样存在例如在50％的范围内的有效偏转效率。如果周围环境旨在不可见，则所选择的偏转效率可以更高。

Claims (8)

1.一种投影装置，包括：
图像模块(2)，该图像模块通过生成具有第一波长的第一颜色子图像和具有第二波长的第二颜色子图像来生成多色图像，
投影单元(3)，该多色图像被馈送到该投影单元并且该投影单元将所述图像成像到出射光瞳(69)中，使得当观察者的眼睛(A)定位在该出射光瞳(6)中并且该观察者以预定观看角度(α1)看该投影单元(3)时，该观察者能够将所述图像感知为虚拟图像，
其中，该投影单元(3)具有体积全息图，该体积全息图将该多色图像偏转到该出射光瞳(6)中用于成像目的，
其中，该体积全息图针对这些颜色子图像的每种波长都具有体积光栅，所述体积光栅具有相应的偏转效率曲线，该偏转效率曲线取决于观看角度并且针对该预定观看角度(α1)最大，使得存在针对该第一波长的第一偏转效率曲线与针对该第二波长的偏转效率曲线的第一效率比率，
其中，在围绕该预定观看角度(α1)的预定角度范围内，这些偏转效率曲线被设定为使得在该预定角度范围内该第一效率比率是恒定的，
其中，该图像模块(2)被控制为使得当生成该多色图像时，该第一颜色子图像的亮度与该第二颜色子图像的亮度的第一亮度比率与该第一效率比率成反比，使得补偿了不同的偏转效率曲线，并且针对该预定角度范围内的观看角度，该观察者能够将该多色图像感知为真色虚拟图像。
2.如权利要求1所述的投影装置，
其中，所有体积光栅在同一层(11)中形成。
3.如权利要求1或2所述的投影装置，其中，
这些体积光栅被配置为反射式体积光栅。
4.如前述权利要求中任一项所述的投影装置，其中，
该体积全息图嵌入透明载体中。
5.如前述权利要求中任一项所述的投影装置，其中，
该投影单元具有图像波导，该多色图像被耦合到该图像波导中并且在该图像波导中借助于反射被引导到该体积全息图，从而使得该多色图像偏转，因此实现从该图像波导的耦合输出。
6.如前述权利要求中任一项所述的投影装置，其中，
该图像模块还生成具有第三波长的第三颜色子图像，其中，基于针对该第三波长的体积光栅的偏转效率曲线，存在针对该第一波长的第一偏转效率曲线与针对该第三波长的偏转效率曲线的第二效率比率，并且在围绕该预定观看角度(α1)的预定角度范围内，这些偏转效率曲线被设定为使得在该预定角度范围内该第二效率比率是恒定的，
其中，该图像模块(2)被控制为使得当生成该多色图像时，该第一颜色子图像的亮度与该第三颜色子图像的亮度的第二亮度比率与该第二效率比率成反比。
7.如权利要求6所述的投影装置，其中，
该第一波长位于蓝色波长范围内，该第二波长位于绿色波长范围内，并且该第三波长位于红色波长范围内。
8.一种投影方法，其中，
通过生成具有第一波长的第一颜色子图像和具有第二波长的第二颜色子图像来生成多色图像，
该多色图像被馈送到投影单元(3)，该投影单元将所述图像成像到出射光瞳(69)中，使得当观察者的眼睛(A)定位在该出射光瞳(6)中并且该观察者以预定观看角度(α1)看该投影单元(3)时，该观察者能够将所述图像感知为虚拟图像，
其中，该投影单元(3)具有体积全息图，该体积全息图将该多色图像偏转到该出射光瞳(6)中用于成像目的，
其中，该体积全息图针对这些颜色子图像的每种波长都具有体积光栅，所述体积光栅具有相应的偏转效率曲线，该偏转效率曲线取决于观看角度并且针对该预定观看角度(α1)最大，使得存在针对该第一波长的第一偏转效率曲线与针对该第二波长的偏转效率曲线的第一效率比率，
其中，在围绕该预定观看角度(α1)的预定角度范围内，这些偏转效率曲线被设定为使得在该预定角度范围内该第一效率比率是恒定的，
其中，当生成该多色图像时，该第一颜色子图像的亮度与该第二颜色子图像的亮度的第一亮度比率与该第一效率比率成反比，使得补偿了不同的偏转效率曲线，并且针对该预定角度范围的观看角度，该观察者能够将该多色图像感知为真色虚拟图像。
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