DE102008039987A1

DE102008039987A1 - Projektionssystem für ein optisches Anzeigegerät sowie Head-Mounted Display mit einem solchen

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Publication number: DE102008039987A1
Application number: DE102008039987A
Authority: DE
Inventors: Hans-Jürgen DOBSCHAL; Karsten Lindig
Original assignee: Carl Zeiss AG
Current assignee: Tooz Technologies GmbH
Priority date: 2008-08-27
Filing date: 2008-08-27
Publication date: 2010-03-04
Anticipated expiration: 2028-08-28
Also published as: DE102008039987B4

Abstract

Ein Projektionssystem (10) für ein optisches Anzeigegerät, insbesondere für ein Head-Up Display oder ein Head-Mounted Display, umfasst ein bilderzeugendes System (10) mit einer ersten bilderzeugenden Anordnung (14, 16) mit einer Mehrzahl von ersten Bildpunkten (18), durch welche ein Bild (48) wiedergebende Strahlung abstrahlbar ist. Eine zweite bilderzeugende Anordnung (20, 22) hat eine Mehrzahl von zweiten Bildpunkten (24), welche für von der ersten bilderzeugenden Anordnung (14, 16) abgestrahlte Strahlung durchlässig sind. Die erste und die zweite bilderzeugende Anordnung (14, 16, 20, 22) sind in einer Richtung der von der ersten bilderzeugenden Anordnung (14, 16) abgestrahlten Strahlung voneinander beabstandet. Mittels einer Abbildungseinheit (36) ist von der ersten bilderzeugenden Anordnung (14, 16) abgestrahlte Strahlung derart auf die zweite bilderzeugende Anordnung (20, 22) leitbar, dass das von der ersten bilderzeugenden Anordnung (14, 16) erzeugte Bild (48) auf die zweite bilderzeugende Anordnung (20, 22) abgebildet wird. Ein optisches Element (38, 38', 38'') weist eine erste Stirnfläche (40), durch welche von der ersten bilderzeugenden Anordnung (14, 16) abgestrahlte Strahlung in das optische Element (38, 38', 38'') eintritt, und eine zweite Stirnfläche (42) auf, durch welche diese Strahlung aus dem optischen Element (38, 38', 38'') austritt. An der ersten Stirnfläche (40) ist eine erste Beugungsstruktur (44) und an der zweiten Stirnfläche (42) ist eine zweite ...

Description

Die Erfindung betrifft ein Projektionssystem für ein optisches Anzeigesystem, insbesondere für ein Head-Up Display oder ein Head-Mounted Display, welches umfasst:

a) ein bilderzeugendes System mit aa) einer ersten bilderzeugenden Anordnung mit einer Mehrzahl von ersten Bildpunkten, durch welche ein Bild wiedergebende Strahlung abstrahlbar ist; ab) einer zweiten bilderzeugenden Anordnung mit einer Mehrzahl von zweiten Bildpunkten, welche für von der ersten bilderzeugenden Anordnung abgestrahlte Strahlung durchlässig sind; wobei ac) die erste und die zweite bilderzeugende Anordnung in einer Richtung der von der ersten bilderzeugenden Anordnung abgestrahlten Strahlung voneinander beabstandet sind;
b) eine Abbildungseinheit, mittels welcher von der ersten bilderzeugenden Anordnung abgestrahlte Strahlung derart auf die zweite bilderzeugende Anordnung leitbar ist, dass das von der ersten bilderzeugenden Anordnung erzeugte Bild auf die zweite bilderzeugende Anordnung abgebildet wird.

Derartige Projektionssysteme werden insbesondere dazu genutzt, um in das vom Menschen mit seinen Augen erfasste Bild seiner Umgebung rechnergestützt erstellte Informationen einzuspielen. Beispielsweise können sie hierfür in so genannte Augmented oder Virtual Reality Displays (VRDs) integriert sein. Solche Displays, welche unter anderem als so genannte Head-Up Displays (HUDs) oder ähnlich einer Brille als so genannte Head-Mounted Displays (HMDs) ausgeführt sein können, überlagern das Bild eines bilderzeugenden Systems, wie z. B. eines Flüssigkristall-Paneels, mit dem vom Betrachter erfassten Bild der realen Welt.
Bei der Einkopplung eines virtuellen Bildes in ein Display vor einem realen Hintergrund muss berücksichtigt werden, dass die Leuchtdichtepegel und die Raumfrequenzen realer Hintergrundbildszenen, die das Auge eines Betrachters erreichen, sehr unterschiedlich ausfallen und beliebig komplex sein können. Der Kontrast des virtuellen Bildes, welches das reale Bild überlagern soll, muss daher hinreichend groß sein, damit der Betrachter das eingespielte virtuelle Bild vor dem realen Bild ausreichend wahrnehmen kann.
Ein Ansatz, den Kontrast zu erhöhen, besteht darin, mittels einer eingangs genannten Abbildungseinheit das von der ersten bilderzeugenden Anordnung erzeugte Bild bildpunktgenau auf die zweite bilderzeugende Anordnung abzubilden.
Unter einem Bildpunkt ist hier einerseits ein bestimmter Bereich eines Bildes zu verstehen, andererseits jedoch auch ein bestimmter Bereich der bilderzeugenden Anordnung, der eine Strahlung emittiert, welche die Information für die Darstellung dieses bestimmten Bereichs des Bildes in sich trägt. Ein Bildpunkt kann auch die Bedeutung eines Objektpunktes haben, wenn dieser Bildpunkt durch ein optisches System abgebildet wird.
Für eine bildpunktgenaue Abbildung des Bildes der ersten bilderzeugenden Anordnung auf die zweite bilderzeugende Anordnung muss letztere Bildpunkte aufweisen, die den Bildpunkten der ersten bilderzeugenden Anordnung entsprechen. Die zweite bilderzeugende Anordnung erzeugt jeweils ein Bild, welches der durch die Abbildungseinheit erzeugten Abbildung entspricht. Die Strahlung von einem Bildpunkt der ersten bilderzeugenden Anordnung wird bei dem Projektionssystem auf den entsprechenden Bildpunkt der zweiten bilderzeugenden Anordnung projiziert und durchstrahlt denselben. Anders ausgedrückt wird die zweite bilderzeugende Anordnung bildpunktgenau von derjenigen Strahlung beleuchtet, die von der ersten bilderzeugenden Anordnung stammt. Bildpunkte der ersten bilderzeugenden Anordnung, die im Gesamtbild dunkel erscheinen, emittieren Strahlung mit geringerer Intensität als Bildpunkte, die im Gesamtbild demgegenüber heller erscheinen. Folglich werden die entsprechenden Bildpunkte der zweiten bilderzeugenden Anordnung mit Strahlung geringerer oder höherer Intensität ausgeleuchtet. Im Ergebnis hat das durch die zweite bilderzeugende Anordnung erzeugte Bild ein höheres Kontrastverhältnis als das ursprüngliche Bild, welches durch die erste bilderzeugende Anordnung erzeugt wurde.
Aus der US 2006/0244921 A1 ist bekannt, zu diesem Zweck als bilderzeugende Anordnungen ein erstes und ein zweites Flüssigkristall-Paneel zu verwenden, welche derart überlappend hintereinander angeordnet sind, dass das erste Flüssigkristall-Paneel zur bildpunktgenauen Ausleuchtung des zweiten Flüssigkristall-Paneels dient. Bei einem Flüssigkristall-Paneel werden einzelne Bildpunkte üblicherweise als Pixel bezeichnet.
Wenn das durch das erste Flüssigkristall-Paneel erzielbare Kontrastverhältnis L:1 beträgt, so ist das Kontrastverhältnis bei dem Bild, welches im Ergebnis von dem zweiten Flüssigkristall-Paneel erzeugt wird, auf L²:1 erhöht. Dar auf wird weiter unten nochmals näher eingegangen.
Ein Projektionssystem der eingangs genannten Art mit einer Abbildungseinheit, welches diesem Ansatz folgt, ist aus der WO 2007/005023 A1 bekannt. Dort ist zwischen zwei hintereinander angeordneten Flüssigkristall-Paneelen zur Verbesserung der Abbildung noch ergänzend eine Mikrolinsen-Anordnung vorgesehen, um eine pixelgenaues Ausleuchten des vorderen Flüssigkristall-Paneels zu erreichen.
Ein ähnliches Projektionssystem ist aus der EP 0 829 747 A1 bekannt. Zwischen zwei hintereinander angeordneten Flüssigkristall-Paneelen ist in diesem Fall eine refraktive Übertragungslinse vorgesehen.
Es besteht der Wunsch nach einer in hohem Maße bildpunktgenauen Abbildung des von der ersten bilderzeugenden Anordnung erzeugten Bildes auf die zweite bilderzeugende Anordnung, um eine gute Kontraststeigerung für den Betrachter zu erreichen.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Projektionssystem der eingangs genannten Art zu schaffen, bei welchem eine qualitativ hochwertige Abbildung des von der ersten bilderzeugenden Anordnung erzeugten Bildes auf die zweiten bilderzeugende Anordnung bei hoher Pixelgenauigkeit erzielt wird.
Diese Aufgabe wird bei einem Projektionssystem der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass

c) die Abbildungseinheit wenigstens ein optisches Element umfasst, welches eine erste Stirnfläche, durch welche von der ersten bilderzeugenden Anordnung abgestrahlte Strahlung in das optische Element eintritt, und eine zweite Stirnfläche, durch welche diese Strahlung aus dem optischen Element austritt, aufweist;
d) an der ersten Stirnfläche eine erste Beugungsstruktur und an der zweiten Stirnfläche eine zweite Beugungsstruktur ausgebildet ist.

Erfindungsgemäß wird also ein diffraktives optisches Element zur Abbildung des von der ersten bilderzeugenden Anordnung erzeugten Bildes verwendet, welches an zwei Stirnflächen mit einer Beugungsstruktur versehen ist. Mittels eines derartigen optischen Elements kann eine hohe Abbildungsqualität und eine gute Kontraststeigerung erzielt werden.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Es ist insbesondere herstellungstechnisch günstig, wenn die erste Stirnfläche und die zweite Stirnfläche des optischen Elements parallel zueinander verlaufen.
Eine weitere Variante kann gebildet werden, indem das optische Element als optisches Medium zwischen der ersten und der zweiten Beugungsstruktur Luft umfasst. In diesem Fall ist das optische Element vorzugsweise als Hohlkörper ausgebildet, wobei dessen Hohlraum zumindest bereichsweise von den Stirnflächen des optischen Elements begrenzt ist. Alternativ kann eine Struktur mit einem Tragrahmen gewählt werden, welcher optische Baugruppen trägt, an denen ihrerseits die Beugungsstrukturen ausgebildet sind.
Alternativ kann das optische Element als optisches Medium zwischen der ersten und der zweiten Beugungsstruktur ein Glas, insbesondere Glasmaterial BK7, umfassen. Als Glasmaterial für das optische Medium kommen grundsätzlich alle aus gängigen Katalogen für optische Gläser bekannte Gläser in Betracht. In diesem Fall ist das optische Element vorzugsweise insgesamt als Glaskörper ausgebildet.
Bei einer weiteren Abwandlung kann das optische Element als optisches Medium zwischen der ersten und der zweiten Beugungsstruktur einen Kunststoff umfassen und entsprechend einen Kunststoffkörper zwischen den beiden Beugungsstrukturen aufweisen oder insgesamt als Kunststoffkörper ausgebildet sein. Als Kunstoffmaterial kommen beispielsweise Polymethylmethacrylat, Polycarbonat oder der optischen Kunststoff Zeonex^® der Zeon Chemicals L. P. in Frage.
Mittels eines optischen Elements mit den oben angegebenen Merkmalen wird in der Regel eine Abbildung erzeugt, die einem Bild der ersten bilderzeugenden Anordnung entspricht, welches an zwei senkrecht zueinander stehenden Spiegelebenen gespiegelt wurde. In diesem Fall müssen die erste und die zweite bilderzeugende Anordnung unterschiedlich angesteuert werden. Beispielsweise kann die erste bilderzeugende Anordnung derart angesteuert werden, dass sie ein an zwei Spiegelebenen gespiegeltes Bild erzeugt, wogegen die zweite bilderzeugende Anordnung ein Bild in zutreffender Ausrichtung erzeugt. Damit ist eine pixelgenaue Übereinstimmung zwischen der Abbildung und dem von der zweiten bilderzeugenden Anordnung erzeugten Bild gewährleistet. Dies erfordert jedoch einen nicht unbeträchtlichen Rechenaufwand für die Ansteuerung der ersten und der zweiten bilderzeugenden Anordnung.
Demgegenüber ist es vorteilhaft, wenn das optische Element zwei Halbelemente umfasst und die erste Beugungsstruktur durch Teilbeugungsstrukturen an jeweils ersten Stirnflächen jedes der beiden Halbelemente und die zweite Beugungsstruktur durch Teilbeugungsstrukturen an jeweils den zweiten Stirnflächen jedes der beiden Halbelemente gebildet ist und zwischen den beiden Halbelementen wenigstens eine Spiegel fläche angeordnet ist, so dass aus einem der Halbelemente austretende Strahlung, die auf die Spiegelfläche trifft, wieder in dieses Halbelement reflektiert wird. Durch ein derart ausgebildetes Element, welches aus zwei solchen Halbelementen zusammengefügt ist, kann eine Abbildung erzielt werden, welche einem Bild der ersten bilderzeugenden Anordnung entspricht, das nur an einer Spiegelebene gespiegelt wurde. Der Rechenaufwand zur Erzeugung eines entsprechenden Bildes mit der ersten bilderzeugenden Anordnung ist dementsprechend weniger hoch.
Es ist günstig, wenn die Spiegelfläche plan ist. Neben einer gerichteten Weiterleitung eines Lichtstrahls können die beiden Halbelemente dann gut über die Spiegelfläche miteinander verbunden, beispielsweise verkittet, werden. Dabei kann entweder nur ein Halbelement mit einer Spiegelschicht versehen sein, die in zwei Richtungen reflektiert, oder beide Halbelemente können jeweils eine nach innen reflektierende Spiegelfläche aufweisen. In letzterem Fall sind die Halbelemente in dem optischen Elements so angeordnet, dass ihre Spiegelflächen sich gegenüberliegen und vorzugsweise aneinander anliegen.
Bei einer alternativen Ausführungsform umfasst das optische Element vier Viertelelemente, wobei die erste Beugungsstruktur durch Teilbeugungsstrukturen an jeweils ersten Stirnflächen jedes der vier Viertelelemente und die zweite Beugungsstruktur durch Teilbeugungsstrukturen an jeweils den zweiten Stirnflächen jedes der vier Viertelelemente gebildet ist und zwischen jeweils zweien der Viertelelemente wenigstens eine Spiegelfläche angeordnet ist, so dass aus einem der Viertelelemente austretende Strahlung, die auf die jeweilige Spiegelfläche trifft, wieder in dieses Viertelelement reflektiert wird. Mittels eines derartigen optischen Elements ist eine Abbildung des von der ersten bilderzeugenden Anordnung erzeugten Bildes möglich, welche diesem Bild pixelgenau ohne Spiegelung entspricht. Somit können die erste und die zweite bilderzeugende Anordnung in gleicher Weise angesteuert werden, was den Rechenaufwand nochmals verringert.
Dabei ist es günstig, wenn wenigstens eine der Spiegelflächen plan ist. Jeweils zwei Viertelelemente können dann gut über die Spiegelfläche miteinander verbunden, beispielsweise verkittet, werden. Wenn beispielsweise die Spiegelfläche jedes der vier Viertelelemente plan ist, kann das optische Element baulich einfach aus vier plan aneinander anliegenden Teilen zusammengefügt sein.
Im Hinblick auf die üblichen Größen von bekannten bilderzeugenden Anordnungen kann es für eine gute Abbildung von Vorteil sein, wenn die Abbildungseinheit mehrere optische Elemente umfasst.
Vorzugsweise ist die erste Beugungsstruktur und/oder die zweite Beugungsstruktur nach Art einer Zonenplatte ausgebildet.
Besonders kontrastreiche Bilder lassen sich erzielen, wenn die erste bilderzeugende Anordnung und die zweite bilderzeugende Anordnung jeweils ein Flüssigkristall-Paneel ist.
Weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Head-Mounted Display zu schaffen, bei welchem ein kontrastreiches Bild in das von dem Benutzer des Head-Mounted Displays real wahrgenommene Bild eingespielt wird.
Diese Aufgabe wir durch ein Head-Mounted Display mit dem oben erläuterten Projektionssystem gelöst.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert; in diesen zeigen:
1 schematisch ein Head-Mounted Display mit einem Projektionssystem, welches eine Abbildungseinheit umfasst;
2 eine perspektivische Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines optischen Elements der Abbildungseinheit von 1;
3 eine perspektivische Ansicht eines Stapels aus mehreren optischen Elementen gemäß 2;
4 eine perspektivische Ansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels eines optischen Elements der Abbildungseinheit von 1, bei welchem zwei Halbelemente miteinander verbunden sind;
5 eine perspektivische Ansicht jeweils eines Abschnitts der beiden Halbelemente nach 4;
6 schematisch eine Draufsicht auf eine Stirnseite eines Stapels aus mehreren optischen Elementen von 4;
7 eine perspektivische Ansicht eines dritten Ausführungsbeispiels eines optischen Elements der Abbildungseinheit von 1, bei welchem vier Viertelelemente miteinander verbunden sind;
8 eine perspektivische Ansicht jeweils eines Abschnitts der Viertelelemente nach 7; und
9 schematisch eine Draufsicht auf eine Stirnseite ei nes Stapels aus mehreren optischen Elementen von 7.
In 1 ist mit 2 insgesamt ein Head-Mounted Display (HMD) bezeichnet, welches der Übersichtlichkeit halber lediglich in Form eines durch Begrenzungslinien 4 und 6 begrenzten Abschnitts 8 angedeutet ist. Das Head-Mounted Display 2 umfasst ein Projektionssystem 10 zum Anzeigen eines Bildes. Letzteres kann auch in so genannten Head-Up Displays verwendet werden. Das Projektionssystem 10 umfasst ein bilderzeugendes System 12, welches beim in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ein erstes Flüssigkristall-Paneel 14 umfasst. Dieses wird nachstehend als erstes LCD-Paneel 14 bezeichnet.
Das erste LCD-Paneel 14 umfasst eine Anordnung 16 mit einer Mehrzahl von Flüssigkristallzellen 18, von denen in 1 lediglich vier Flüssigkristallzellen 18.1, 18.2, 18.3 und 18.4 mit einem Bezugszeichen versehen sind.
In einem Abstand von dem ersten LCD-Paneel 14 ist ein zweites LCD-Paneel 20 angeordnet, welches eine zweite Anordnung 22 mit einer Mehrzahl von Flüssigkristallzellen 24 umfasst, von denen lediglich vier Flüssigkristallzellen 24.1, 24.2, 24.3 und 24.4 mit einem Bezugszeichen versehen sind.
Bei den Flüssigkristallzellen 18 und 24 kann es sich beispielsweise um TFT-Zellen handeln, welche jeweils einen Kondensator und einen Dünnschichttransistor umfassen. Aber auch alle anderen bekannten Techniken im Hinblick auf Flüssigkristallzellen sind geeignet. Bei dem ersten und dem zweiten LCD-Paneel 14, 20 handelt es sich beispielsweise jeweils um ein LCD-Paneel mit einer Fläche von 4 × 3 mm² mit 640 × 480 Flüssigkristallzellen 18 bzw. 24. Jede Flüssigkristallzelle 18 bzw. 24 der Flüssigkristallzellen-Anordnungen 16 und 22 bildet dabei einen Bildpunkt des zugehörigen LCD-Paneels 14 bzw. 20.
Die Flüssigkristallzellen 18 und 24 werden mittels einer Steuereinheit 26 aufeinander abgestimmt angesteuert; darauf wird weiter unten nochmals näher eingegangen.
Auf einer ersten Seite 14a des LCD-Paneels 14 kann dieses im Bereich der Flüssigkristallzellen-Anordnung 16 mit den Flüssigkristallzellen 18 mit polarisiertem Licht ausgeleuchtet werden. Dazu ist auf der ersten Seite 14a des LCD-Paneels 14 eine Lichtquelle 28 mit einem Polarisationsfilter 30 angeordnet, welche die Flüssigkristallzellen-Anordnung 16 abdeckt. Das auf das LCD-Paneel 14 treffende polarisierte Licht ist in 1 durch Pfeile 32 angedeutet. Die Lichtquelle 28 wird ebenfalls mittels der Steuereinheit 26 angesteuert.
Das polarisierte Licht 32 tritt durch solche Flüssigkristallzellen 18 hindurch, die mittels der Steuereinheit 26 auf jeweils eine benötigte Durchlässigkeit für dieses Licht geschaltet sind und in 1 durch die Flüssigkristallzellen 18.1 bis 18.4 dargestellt sind. Auf der der ersten Seite 14a des LCD-Paneels 14 gegenüberliegenden zweiten Seite 14b des LCD-Paneels 14 wird dieses Licht 32 als Licht 34 abgegeben, welche ein von der ersten Flüssigkristallzellen-Anordnung 16 erzeugtes Bild wiedergibt. Die Intensität von Licht 32 der Lichtquelle 28, das durch die auf Sperren geschalteten Flüssigkristallzellen 18 (in 1 dunkel dargestellt) hindurch tritt, ist nach seinem Durchtritt durch diese Flüssigkristallzellen 18 entsprechend stark verringert.
Die Intensität des jeweiligen von einer Flüssigkristallzelle 18 der ersten Flüssigkristallzellen-Anordnung 16 durchgelassenen Lichts und damit das erzielbare Kontrastverhältnis Leuchtdichte_max:Leuchtdichte_min oder einfacher L_max:L_min ist in 1 bildhaft durch die hell, jedoch nicht weiß, dargestellten Flüssigkristallzellen 18.1 bis 18.4 und die dunkel, jedoch nicht schwarz, dargestellten übrigen Flüssigkristallzellen 18 veranschaulicht. Üblicherweise wird das Kontrastverhältnis in der Form L:1 angegeben. In diesem Fall Ist L = L_max/L_min.
In dem Strahlungsweg des auf der zweiten Seite 14b des ersten LCD-Paneels 14 abgegebenen Lichts 34 ist eine Abbildungseinheit 36 angeordnet, mittels welcher das von der ersten Flüssigkristallzellen-Anordnung 16 des ersten LCD-Paneels 14 erzeugte Bild auf die Flüssigkristallzellen-Anordnung 22 des zweiten LCD-Paneels 20 abgebildet wird.
Bei einem ersten Ausführungsbeispiel umfasst die Abbildungseinheit 36 ein optisches Element 38, welches in 2 schematisch gezeigt ist.
Das optische Element 38 ist beim hier erläuterten Ausführungsbeispiel als Stab mit konstantem quadratischem Querschnitt und einer ersten Stirnfläche 40 sowie einer zweiten Stirnfläche 42 ausgebildet. Die Abmessungen der Stirnflächen 40 und 42 stimmen überein und sind so gewählt, dass sie der Gesamtfläche der Flüssigkristallzellen 18 der Anordnung 16 des ersten LCD-Paneels 14 entsprechen.
Von dem ersten LCD-Paneel 14 abgegebenes Licht 34 tritt durch die erste Stirnfläche 40 in das optische Element 38 ein und verlässt dieses wieder durch die zweite Stirnfläche 42.
An der ersten Stirnfläche 40 des optischen Elements 38 ist eine Beugungsstruktur 44 ausgebildet, welche nach Art einer an und für sich bekannten Zonenplatte ausgebildet ist. Opti sche Elemente mit derartigen Beugungsstrukturen werden auch als holographische optische Elemente (HOE) bezeichnet. Durch die Beugungsstruktur 44 werden Strahlen, die auf diese auftreffen, auf einen Fokuspunkt F kollimiert, der im Inneren des optischen Elements 38 vor dessen zweiter Stirnfläche 42 liegt. Diese Strahlen wandern weiter zur zweiten Stirnfläche 42 des optischen Elements 38, an welcher eine zweite Beugungsstruktur 46 ausgebildet, welche ebenfalls nach Art einer an und für sich bekannten Zonenplatte ausgebildet ist. Durch die zweite Beugungsstruktur 46 werden die Strahlen erneut gebeugt. Strahlen, welche von ein und derselben Flüssigkristallzelle 18 des ersten LCD-Paneels 14 stammen, werden dabei durch die zweite Beugungsstruktur 46 jeweils auf einen gemeinsamen Fokuspunkt kollimiert, welcher in Strahlungsrichtung hinter der zweiten Stirnfläche 42 des optischen Elements 38 angeordnet ist. Das zweite LCD-Paneel 20 ist in einem entsprechenden Abstand von der zweiten Stirnfläche 42 des optischen Elements 38 angeordnet, so dass dieser Fokuspunkt in der durch die erste Seite 20a des zweiten LCD-Paneels 20 gebildeten Ebene liegt.
Das von dem ersten LCD-Paneel 14 erzeugte ursprüngliches Bild 48, wie es auf die erste Stirnfläche 40 des optischen Elements 38 gelangt, ist durch geometrische Figuren in Form eines Quadrates 50, eines Kreises 52, eines Sterns 54 und eines Fünfecks 56 veranschaulicht. In analoger Weise ist die 58 dieses Bildes 48, wie sie das optische Element 38 durch die zweite Stirnfläche 42 des optischen Elements verlässt und auf das zweite LCD-Paneel 20 gelangt, durch die entsprechenden geometrischen Figuren dargestellt, welche jedoch nicht eigens mit einem Bezugzeichen versehen sind.
In 2 ist mit 60 ein nicht raumfestes, an das optische Element 38 gekoppeltes Koordinatensystem bezeichnet. Unter Bezugnahme auf dieses Koordinatensystem 60 ist die auf das zweite LCD-Paneel 20 treffende 58 gegenüber dem ursprünglichen Bild 48 an einer yz-Ebene und einer xz-Ebene gespiegelt, deren Schnittlinie mit der nicht eigens gezeigten optischen Achse des optischen Elements 38 zusammenfällt.
Dies hat zur Folge, dass Licht, welches von ein und derselben Flüssigkristallzelle 18 der Flüssigkristallzellen-Anordnung 16 des ersten LCD-Paneels 14 stammt, auf eine ”Ziel”-Flüssigkristallzelle 24 der zweiten Flüssigkristallzellen-Anordnung 22 des zweiten LCD-Paneels 20 fokussiert wird, welche eine gegenüber der Position der fraglichen Flüssigkristallzelle 18 im ersten LCD-Paneels 14 entsprechend an den zwei Spiegelebenen gespiegelte Position im zweiten LCD-Paneel 20 einnimmt. Daher wird das zweite LCD-Paneel 20 derart angesteuert, dass es ein entsprechend gespiegeltes Bild erzeugt.
Dabei werden die Flüssigkristallzellen 18, 24 der beiden Flüssigkristallzellen-Anordnungen 16, 22 mittels der Steuereinheit 26 beispielsweise derart angesteuert, dass auf der Seite 14b des ersten LCD-Paneels 14 ein Bild erzeugt wird, welches einem Betrachter auf der Seite 34 des LCD-Paneels 14 gegenüber einem tatsächlich zu erzeugendem Zielbild in der xz- und der yz-Ebene gespiegelt erscheint. Das auf der zweiten Seite 20b des zweiten LCD-Paneels 20 mittels der zweiten Flüssigkristallzellen-Anordnung 22 erzeugte Bild wird so für den das Head-Mounted Display 2 nutzenden Betrachter korrekt dargestellt.
Wie in 1 zu erkennen ist, strahlt die zweite Flüssigkristallzellen-Anordnung 22 des zweiten LCD-Paneels 20 auf dessen zweiter Seite 20b über ihre auf Durchlass geschalteten Flüssigkristallzellen 24 das Bild mit nun erhöhtem Kontrastverhältnis auf eine Optik 62, mittels welcher dieses Bild in einen für den Benutzer des HMDs oder HUDs visuell erfassbaren Bereich eingeblendet wird.
Alternativ zur oben erläuterten Ansteuerung der LCD-Paneels 16, 20 kann auch die Optik 62 so eingerichtet sein, dass sie das abzubildende Bild für den Betrachter mit korrigiertem Seitenverhältnis in den für den Benutzer visuell erfassbaren Bereich des HMDs oder HUDs einblendet.
Wie oben erwähnt, sind Flüssigkristallzellen 18 innerhalb der Flüssigkristallzellen-Anordnung 16 des ersten LCD-Paneels 14 zur Erzeugung eines Bildes jeweils in einen für das polarisierte Licht 32 durchlässigen Zustand oder in einen dafür undurchlässigen Sperrzustand geschaltet. Die zweite Flüssigkristallzellen-Anordnung 22 des zweiten LCD-Paneels 20 wird durch Licht, welches die zweite Stirnfläche 42 des optischen Elements 38 verlässt, von ihrer dem optischen Element 38 zugewandten ersten Seite 20a her ausgeleuchtet. Dabei werden die in entsprechender Position auf Durchlass geschalteten Flüssigkristallzellen 24 mit Licht höherer Intensität beleuchtet, wogegen die in ihrem Sperrzustand befindlichen Flüssigkristallzellen 24 nur mit bereits sehr stark abgeschwächtem Licht beaufschlagt werden.
Dadurch, dass das von der ersten Flüssigkristallzellen-Anordnung 16 erzeugte Bild mit einem Kontrastverhältnis von L:1 durch die Abbildungseinheit 38 bildpunktgenau auf die entsprechend angesteuerte zweite Flüssigkristallzellen-Anordnung 20 abgebildet wird, deren Flüssigkristallzellen 24 wie oben erläutert gegenüber dem ersten LCD-Paneel 14 gespiegelt angesteuert werden, ist das mit der zweiten Flüssigkristallzellen-Anordnung 22 erzielbare Kontrastverhältnis auf L²:1 erhöht. Dies ist in 1 dadurch veranschaulicht, dass die auf Durchlass geschalteten Flüssigkristallzellen 24.1, 24.2, 24.3 und 24.4 der zweiten Flüssigkristallzellen-Anordnung 22 weiß und die übrigen sich im Sperr zustand befindlichen Flüssigkristallzellen 24 schwarz dargestellt sind.
Bei einem in der Praxis erprobten Ausführungsbeispiel wurde die an der ersten Stirnfläche 40 des optischen Elements 38 ausgebildeten erste Beugungsstruktur 44 holographisch mittels Interferenzlithographie mit der Funktion Quellpunkt LC: x = –0,30 mm; y = 0,27 mm; z = 6,16 mm; sowie Quellpunkt LD: senkrecht auftreffende Planwelle (divergent) erstellt. Die an der zweiten Stirnfläche 42 des optischen Elements 38 ausgebildete zweite Beugungsstruktur wurde als DOE-Struktur hergestellt, welche folgender Funktion genügt:
mit j = ((m + n)2 + m + 3n)/2und folgenden Koeffizienten des allgemeinen XY-Polynoms:
C1: 1,5480E-02
C2: 7,9773E-02
C3: –7,5875E-02
C4: –2,4280E-03
C5: –7,5966E-02
C6: –6,2189E-04
C7: 3,9754E-04
C8: –3,8987E-04
C9: –6,3130E-04
C10: 1,3610E-04
C11: –3,6515E-05
C12: 2,4363E-04
C13: –1,6425E-04
C14: 3,6679E-04
C15: 6,0189E-06
C16: –8,0466E-06
C17: 1,3278E-05
C18: 2,7279E-05
C19: –1,3837E-04
C20: 1,4226E-04.
Die oberen Schranken M und N liegen dabei im Bereich von 1 bis 20, vorzugsweise von 4 bis 8.
Innerhalb des Projektionssystems 10 sind das erste und das zweite LCD-Paneel 14 und 20 derart parallel zueinander angeordnet, dass die zwischen der zweiten Seite 14b des ersten LCD-Paneels 14 und der ersten Seite 20a des zweiten LCD-Paneels 20 ein Abstand von 13 mm verbleibt. Das optische Element 38 hat in Richtung seiner optischen Achse eine Länge von 7,6 mm und ist von der ersten Seite 20a des zweiten LCD-Paneels 20 in einem Abstand von 4,4 mm angeordnet.
Das optische Element 38 ist aus dem Glasmaterial BK7 gefertigt. Andere bekannte optische Materialien wie insbesondere optische Kunststoffe sind jedoch ebenfalls für das optische Element 38 geeignet. Bei einer hier nicht gezeigten Abwandlung ist das optische Element 38 als Hohlkörper ausgebildet, so dass das zwischen der ersten Beugungsstruktur 44 und der zweiten Beugungsstruktur 46 vorhandene optische Medium anstelle eines Feststoffs, wie beispielsweise Glas oder Kunststoff, ein Fluid, wie z. B. Luft oder eine geeignete Flüssigkeit, sein kann.
In 3 ist ein Stapel 64 aus in einer 3×4-Matrix angeordneten zwölf optischen Elementen 38 gezeigt, von denen le diglich eines mit einem Bezugzeichen versehen ist. Der Stapel 64 ist bei einem abgewandelten Ausführungsbeispiel des Projektionssystems 10 anstelle des einzelnen optischen Elements 38 von der Abbildungseinheit 36 umfasst. In dem Stapel 64 sind die optischen Elemente 38 mittels eines an und für sich bekannten optischen Kitts miteinander verbunden.
Bei einer derartigen Abbildungseinheit 36 ist zu beachten, dass auf jede erste Stirnfläche 40 jedes optischen Elements 38 im Stapel 64 nunmehr lediglich ein Teilbild des von dem ersten LCD-Paneel 14 abgestrahlten Bildes 48 trifft und jedes Teilbild die zugehörige zweite Stirnfläche 42 des entsprechenden optischen Elements 38 in den jedem optischen Element 38 zugeordneten Spiegelebenen gespiegelt verlässt. Dementsprechend musst die Ansteuerung des zweiten LCD-Paneels 20 für jeden Teilbildbereich daran angepasst und beide LCD-Paneels 16 und 20 aufeinander abgestimmt werden. In 3 sind entsprechende Teilbilder und Teilabbildungen wieder durch ein Quadrat 50, einen Kreis 52, einen Stern 54 und ein Fünfeck 56 veranschaulicht.
In 4 ist als zweites Ausführungsbeispiel ein zwei Teile umfassendes optisches Element 38' gezeigt. Dieses zweiteilige optische Element 38' ist aus zwei Halbelementen 66 und 68 zusammengefügt. An deren ersten Stirnflächen 70 und 72 ist jeweils eine Teilbeugungsstruktur 74 bzw. 76 ausgebildet, welche zusammengefügt die erste Beugungsstruktur 44 des zweiteiligen optischen Elements 38' bilden. In entsprechender Weise ist an den zweiten Stirnflächen 78 und 80 des zweiteiligen optischen Elements 38' jeweils eine Teilbeugungsstruktur 82 bzw. 84 ausgebildet, welche zusammengefügt die zweite Beugungsstruktur 46 des zweiteiligen optischen Elements 38' bilden.
Zwischen den Halbelementen 66 und 68 ist eine Spiegelschicht 86 angeordnet, welche eine erste Spiegelfläche 88, die dem ersten Halbelement 66 zugewandt ist, und eine zweite Spiegelfläche 90, die dem zweiten Halbelement 68 zugewandt ist, aufweist. Durch die Spiegelflächen 88 und 90 wird aus einem der Halbelemente 66, 68 austretendes Licht, welches auf die entsprechende Spiegelfläche 88 bzw. 90 trifft, jeweils wieder in dieses Halbelement 66, 68 reflektiert. Dies ist in 4 durch gestrichelte Linien angedeutet.
Bei einer in 5 gezeigten Abwandlung ist die Spiegelschicht 86 aus zwei Teilspiegelschichten 86a, 86b gebildet, von denen jeweils eine an einem der Halbelemente 66, 68 angebracht ist. In 5 sind die Halbelemente 66, 68 zur Verdeutlichung voneinander getrennt gezeigt. Im Gebrauch des zweiteiligen optischen Elements 38' sind diese entsprechend über die Außenflächen ihrer Spiegelschichten 86a, 86b miteinander verbunden.
Mit diesem zweiteiligen optischen Element 38' wird ein auf dessen erste Stirnfläche 40 treffendes Bild nur noch in der yz-Ebene gespiegelt, die durch die optische Achse des zweiteiligen optischen Elements 38' verläuft.
Entsprechend werden die Flüssigkristallzellen 18, 24 der beiden Flüssigkristallzellen-Anordnungen 16, 22 mittels der Steuereinheit 26 derart angesteuert, dass auf der Seite 14b des ersten LCD-Paneels 14 ein Bild erzeugt wird, welches einem Betrachter auf der Abstrahlseite 14b des LCD-Paneels 14 in der yz-Ebene gespiegelt erscheint, wenn die Abbildungseinheit 36 lediglich ein einziges zweiteiliges optisches Element 38' umfasst.
In 6 ist ein Stapel 92 aus in einer 3×4-Matrix angeordneten zwölf zweiteiligen optischen Elementen 38' in einer Draufsicht auf die ersten Stirnseiten 40 der zweiteiligen optischen Elemente 38' gezeigt, von denen wiederum nur eines mit Bezugszeichen versehen ist. Der Stapel 92 ist bei einem weiteren Ausführungsbeispiel des Projektionssystems 10 von der Abbildungseinheit 36 umfasst. In dem Stapel 92 sind die zweitteiligen optischen Elemente 38' mittels eines an und für sich bekannten optischen Kitts miteinander verbunden.
Auch bei einer derartigen Abbildungseinheit 36 ist zu beachten, dass auf jede erste Stirnfläche 40 jedes zweiteiligen optischen Elements 38' im Stapel 92 lediglich ein Teilbild des von dem ersten LCD-Paneel 14 abgestrahlten Bildes 48 trifft und jedes Teilbild die zugehörige zweite Stirnfläche 42 des entsprechenden zweiteiligen optischen Elements 38' in den entsprechend zugeordneten yz-Spiegelebenen gespiegelt verlässt. Daher musst auch hier die Ansteuerung des zweiten LCD-Paneels 20 an jeden Teilbildbereich angepasst und beide LCD-Paneels 16 und 20 aufeinander abgestimmt werden.
In 7 ist als drittes Ausführungsbeispiel ein vier Teile umfassendes optisches Element 38'' gezeigt. Dieses vierteilige optische Element 38'' ist aus vier Viertelelementen 94, 96, 98 und 100 zusammengefügt. An deren ersten Stirnflächen 102, 104, 106 bzw. 108 ist jeweils eine Teilbeugungsstruktur 110, 112, 114 bzw. 116 ausgebildet, welche zusammengefügt die erste Beugungsstruktur 44 des vierteiligen optischen Elements 38'' bilden. In entsprechender Weise ist an den zweiten Stirnflächen 118, 120, 122 und 124 des vierteiligen optischen Elements 38'' jeweils eine Teilbeugungsstruktur 126, 128, 130 bzw. 132 ausgebildet, welche zusammengefügt die zweite Beugungsstruktur 46 des vierteiligen optischen Elements 38'' bilden.
Wie auch in 8 zu erkennen ist, ist zwischen jeweils zwei Viertelelementen 94, 96, 98 und 100 jeweils eine Spiegelschicht 134, 136, 138 bzw. 140 angeordnet, so dass das aus einem der Viertelelemente 94, 96, 98 bzw. 100 austretendes Licht, welches auf eine entsprechende Spiegelschicht 134, 136, 138, 140 trifft, wieder in das entsprechende Viertelelement 94, 96, 98 bzw. 100 reflektiert wird. Die in 8 voneinander getrennt dargestellten Viertelelemente 94, 96, 98 und 100 sind bei Gebrauch des vierteiligen optischen Elements 38'' wie in 7 dargestellt zusammengefügt und mittels eines an und für sich bekannten optischen Kitts verbunden.
Mit diesem vierteiligen optischen Element 38'' wird eine 1:1 Abbildung eines auf dessen erste Stirnfläche 40 treffenden Bildes ohne Spiegelung erzeugt, was in 7 durch die entsprechenden geometrischen 50, 52, 54 und 56 angedeutet ist.
In diesem Fall wird also wieder jeweils von ein und derselben Flüssigkristallzelle 18 der ersten Flüssigkristallzellen-Anordnung 16 stammendes Licht auf eine einzige ”Ziel”-Flüssigkristallzelle 24 der zweiten Flüssigkristallzellen-Anordnung 22 des zweiten LCD-Paneels 20 fokussiert. Die Position dieser ”Ziel”-Flüssigkeitszelle 24 innerhalb der zweiten Flüssigkristallzellen-Anordnung 22 des zweiten LCD-Paneels 20 entspricht dabei jedoch derjenigen der Flüssigkristallzelle 18 in der ersten Flüssigkristallzellen-Anordnung 16 des ersten LCD-Paneels 14, von welcher das fokussierte Licht stammt.
Entsprechend werden die Flüssigkristallzellen 18, 24 der beiden Flüssigkristallzellen-Anordnungen 16, 22 mittels der Steuereinheit 26 identisch angesteuert, wenn die Abbildungseinheit 36 lediglich ein einziges vierteiliges optisches Element 38'' umfasst, so dass ein Betrachter auf jeder Flüssigkristallzellen-Anordnung 16 und 22 aus der gleichen Richtung das gleiche Bild erkennen würde.
In 9 ist ein Stapel 142 aus in einer 3×4-Matrix angeordneten zwölf vierteiligen optischen Elementen 38'' in einer Draufsicht auf die ersten Stirnseiten 40 der vierteiligen optischen Elemente 38'' gezeigt. Erneut ist nur ein optisches Element 38''' mit Bezugszeichen versehen. Dieser Stapel 142 ist bei einem weiteren Ausführungsbeispiel des Projektionssystems 10 von der Abbildungseinheit 36 umfasst. In dem Stapel 142 sind die vierteiligen optischen Elemente 38'' mittels eines an und für sich bekannten optischen Kitts miteinander verbunden.
Auch bei einer derartigen Abbildungseinheit 36 können das erste und das zweite LCD-Paneel 14, 20 identisch angesteuert werden, da eine dem ursprünglichen Bild 48 entsprechende 58 ohne Spiegelung auf das zweite LCD-Paneel 20 abgebildet wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 2006/0244921 A1 [0007]
- WO 2007/005023 A1 [0009]
- EP 0829747 A1 [0010]

Claims

Projektionssystem für ein optisches Anzeigegerät, insbesondere für ein Head-Up Display oder ein Head-Mounted Display, welches umfasst: a) ein bilderzeugendes System (10) mit aa) einer ersten bilderzeugenden Anordnung (14, 16) mit einer Mehrzahl von ersten Bildpunkten (18), durch welche ein Bild (48) wiedergebende Strahlung abstrahlbar ist; ab) einer zweiten bilderzeugenden Anordnung (20, 22) mit einer Mehrzahl von zweiten Bildpunkten (24), welche für von der ersten bilderzeugenden Anordnung (14, 16) abgestrahlte Strahlung durchlässig sind; wobei ac) die erste und die zweite bilderzeugende Anordnung (14, 16, 20, 22) in einer Richtung der von der ersten bilderzeugenden Anordnung (14, 16) abgestrahlten Strahlung voneinander beabstandet sind; b) eine Abbildungseinheit (36), mittels welcher von der ersten bilderzeugenden Anordnung (14, 16) abgestrahlte Strahlung derart auf die zweite bilderzeugende Anordnung (20, 22) leitbar ist, dass das von der ersten bilderzeugenden Anordnung (14, 16) erzeugte Bild (48) auf die zweite bilderzeugende Anordnung (20, 22) abgebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass c) die Abbildungseinheit (36) wenigstens ein optisches Element (38, 38', 38'') umfasst, welches eine erste Stirnfläche (40), durch welche von der ersten bilderzeugenden Anordnung (14, 16) abgestrahlte Strahlung in das optische Element (38, 38', 38'') eintritt, und eine zweite Stirnfläche (42), durch welche diese Strahlung aus dem optischen Element (38, 38', 38'') austritt, aufweist; d) an der ersten Stirnfläche (40) eine erste Beugungsstruktur (44) und an der zweiten Stirnfläche (42) eine zweite Beugungsstruktur (46) ausgebildet ist.
Projektionssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Stirnfläche (40) und die zweite Stirnfläche (42) des optischen Elements (38, 38', 38'') parallel zueinander verlaufen.
Projektionssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (38, 38', 38'') als optisches Medium zwischen der ersten und der zweiten Beugungsstruktur (44, 46) Luft umfasst.
Projektionssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (38, 38', 38'') als optisches Medium zwischen der ersten und der zweiten Beugungsstruktur (44, 46) ein Glas, insbesondere Glasmaterial BK7, umfasst.
Projektionssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (38, 38', 38'') als optisches Medium zwischen der ersten und der zweiten Beugungsstruktur (44, 46) einen Kunststoff umfasst.
Projektionssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da durch gekennzeichnet, dass das optische Element (38') zwei Halbelemente (66, 68) umfasst und die erste Beugungsstruktur (44) durch Teilbeugungsstrukturen (74, 76) an jeweils ersten Stirnflächen (70, 72) jedes der beiden Halbelemente (66, 68) und die zweite Beugungsstruktur (46) durch Teilbeugungsstrukturen (82, 84) an jeweils den zweiten Stirnflächen (78, 80) jedes der beiden Halbelemente (66, 68) gebildet ist und zwischen den beiden Halbelementen (66, 68) wenigstens eine Spiegelfläche (88, 90) angeordnet ist, so dass aus einem der Halbelemente (66, 68) austretende Strahlung, die auf die Spiegelfläche (88, 90) trifft, wieder in dieses Halbelement (66, 68) reflektiert wird.
Projektionssystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiegelfläche (88, 90) plan ist.
Projektionssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (38'') vier Viertelelemente (94, 96, 98, 100) umfasst, wobei die erste Beugungsstruktur (44) durch Teilbeugungsstrukturen (110, 112, 114, 116) an jeweils ersten Stirnflächen (102, 104, 106, 108) jedes der vier Viertelelemente (94, 96, 98, 100) und die zweite Beugungsstruktur (46) durch Teilbeugungsstrukturen (126, 128, 130, 132) an jeweils den zweiten Stirnflächen (118, 120, 122, 124) jedes der vier Viertelelemente (94, 96, 98, 100) gebildet ist und zwischen jeweils zweien der Viertelelemente (94, 96, 98, 100) wenigstens eine Spiegelfläche (134, 136, 138, 140) angeordnet ist, so dass aus einem der Viertelelemente (94, 96, 98, 100) austretende Strahlung, die auf die jeweilige Spiegelfläche (134, 136, 138, 140) trifft, wieder in dieses Viertelelement (94, 96, 98, 100) reflektiert wird.
Projektionssystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine der Spiegelflächen (134, 136, 138, 140) plan ist.
Projektionssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Abbildungseinheit (36) mehrere optische Elemente (38, 38', 38'') umfasst.
Projektionssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Beugungsstruktur (44) und/oder die zweite Beugungsstruktur (46) nach Art einer Zonenplatte ausgebildet sind ist.
Projektionssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die erste bilderzeugende Anordnung (14, 16) und die zweite bilderzeugende Anordnung (20, 22) jeweils ein Flüssigkristall-Paneel (14, 22) ist.
Head-Mounted Display mit einem Projektionssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 12.