DE102014206867A1

DE102014206867A1 - Streuelement, Streukegelbereitstellungsvorrichtung sowie Verfahren zum Bereitstellen einer Bildinformation auf einem holografischen Streuelement

Info

Publication number: DE102014206867A1
Application number: DE102014206867.3A
Authority: DE
Inventors: Reinhold Fiess; Stefanie Mayer; Annette Frederiksen; Jan Weingarten
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-04-09
Filing date: 2014-04-09
Publication date: 2015-10-15

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Streuelement (102) als Projektionsfläche, welches ausgebildet ist, ein erstes Lichtbündel (104) unter einem ersten Einfallswinkel (α1) in einen Streukegel (106) zu streuen und zumindest ein zweites Lichtbündel (108) unter einem zweiten von dem ersten verschiedenen Einfallswinkel (α2) in den Streukegel (106) zu streuen.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Streuelement als Projektionsfläche, auf eine entsprechende Streukegelbereitstellungsvorrichtung zum Ausgeben eines optischen Signals auf einem Display und/oder einer Projektionsscheibe für ein Fahrzeug sowie auf ein entsprechendes Verfahren zum Bereitstellen einer Bildinformation auf einem holografischen Streuelement.
Die Verwendung von monochromatischem, kohärentem Licht führt bei Beleuchtung von streuenden Flächen zu Speckleerscheinungen. In der Holografie muss mit kohärenter Strahlung gearbeitet werden. Dies führt dazu, dass Hologramme ebenfalls eine körnige Struktur, im Folgenden Granulation genannt, aufweisen. Diese prägt sich besonders bei der holografischen Abbildung diffuser streuender Gegenstände aus. Holografische Streuscheiben können als Projektionsflächen genutzt werden. Dabei können diese Streuscheiben so konzipiert werden, dass sie das Licht in einen ganz bestimmten Winkelbereich lenken. Damit erreichen sie Vorteile im Bereich der Bildhelligkeit und der Störlichtanfälligkeit. Beispielsweise können sie für transparente Anzeigen (beispielsweise im Fahrzeug), als Projektionsfläche im Head-Up-Display oder für stereoskopische Displays genutzt werden. Hier wirkt sich die Granulation allerdings negativ hinsichtlich der Bildqualität aus. Diese Granulation tritt dabei sowohl bei der Rekonstruktion mit Laserlicht als auch mit LED-Licht auf, da bei der Belichtung, die durch Streuung entstehende Granulation, eingefroren wird, sozusagen handelt es sich um eingefrorene Speckle-Strukturen. Es gab bereits Überlegungen die Granulation bereits bei der Aufnahme des Hologramms durch Belichtung einer bewegten Streuscheibe zu reduzieren, allerdings verschwindet hierbei nicht nur die Granulation, sondern auch die Information. Weitere Untersuchungen legen nahe, dass eine Ausmittelung der Granulation nur bei der Wiedergabe möglich ist.
Hariharan, P. beschreibt in "Optical Holography Principles, techniques, and applied research" (1996; Cambridge Studies in Modern Optics. Seite 210f.) die Funktionsweise von Multiplexhologrammen. Zusätzlich besteht dabei noch die Möglichkeit, die Referenzwelle für unterschiedliche optische Zielfunktionen während der Aufnahme zu variieren.
Die EP 1517 309 A2 beschreibt ein Gerät und ein Verfahren zur Aufzeichnung und Wiedergabe von Multiplexhologrammen.
Offenbarung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz ein Streuelement als Projektionsfläche, weiterhin eine Streukegelbereitstellungsvorrichtung zum Ausgeben eines optischen Signals auf einem Display und/oder einer Projektionsscheibe für ein Fahrzeug sowie ein Verfahren zum Bereitstellen einer Bildinformation auf einem holografischen Streuelement gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
Durch die Überlagerung eines Abbilds einer Mehrzahl von Hologrammen kann eine Granulation für einen Betrachter reduziert werden. In einem Multiplexhologramm kann eine Mehrzahl von Hologrammen in einem Hologramm zusammengeführt werden, die für unterschiedliche Einfallswinkel eines Lichts eine unterschiedliche Rekonstruktion erzeugen. So kann gleichzeitig oder zeitlich hintereinander eine Mehrzahl von Hologrammen rekonstruiert werden und für einen Betrachter die Granulation verringert werden.
Es wird ein Streuelement als Projektionsfläche vorgestellt, welches ausgebildet ist, ein erstes Lichtbündel unter einem ersten Einfallswinkel in einen Streukegel zu streuen und zumindest ein zweites Lichtbündel unter einem zweiten von dem ersten verschiedenen Einfallswinkel in den Streukegel zu streuen.
Dabei können das erste Lichtbündel und das zweite Lichtbündel an der gleichen Position oder dem gleichen Ort auf dem Streuelement auftreffen. Unter einem Streuelement kann eine Streuscheibe verstanden werden. Das Lichtbündel kann ein Strahlenbündel repräsentieren, wobei das bezeichnete Lichtbündel durch eine optische Achse oder einen Mittelstrahl des Strahlenbündels repräsentiert werden kann, wobei der Einfallswinkel auf die optische Achse oder den Mittelstrahl des Lichtsbündels bezogen sein kann. Der Einfallswinkel kann auf eine Wirkebene des Streuelements bezogen sein. Das erste Lichtbündel und das zweite Lichtbündel können in einem Toleranzbereich (von beispielsweise 10 Prozent) eine gleiche Wellenlänge aufweisen. So kann es sich um ein kohärentes Licht handeln.
Bei dem Streuelement kann es sich um ein holografisches optisches Element, im Speziellen eine holografische Streuscheibe, handeln. Insbesondere kann es sich bei dem Streuelement um ein Multiplexhologramm handeln. Vorteilhaft kann auf diese Weise kostengünstig eine transparente Projektionsfläche geschaffen werden.
Es wird eine Streukegelbereitstellungsvorrichtung vorgestellt zum Ausgeben eines optischen Signals auf einem Display und ergänzend oder alternativ einer Projektionsscheibe für ein Fahrzeug, wobei die Streukegelbereitstellungsvorrichtung die folgenden Merkmale aufweist:
eine Variante eines hier vorgestellten Streuelements; und
eine optische Einrichtung zum Bereitstellen des ersten Lichtbündels auf das Streuelement und des zweiten Lichtbündels auf das Streuelement.
Unter einer Streukegelbereitstellungsvorrichtung kann eine optische Vorrichtung verstanden werden, welche ein holografisches Streuelement oder eine holografische Streuscheibe umfasst. Durch den Einsatz eines Multiplexhologramms kann eine Granulation im Vergleich zu einer einfachen holografischen Streuscheibe verringert werden.
Günstig ist es auch, wenn die optische Einrichtung ein reflektives Element umfasst, welches das erste Lichtbündel unter dem ersten Einfallswinkel und das zweite Lichtbündel unter dem zweiten Einfallswinkel auf den gleichen Ort des Streuelements lenkt oder reflektiert, um das erste Lichtbündel und das zweite Lichtbündel in den Streukegel zu streuen. Durch ein reflektives Element wie beispielsweise einen Spiegel kann vorteilhaft eine kompakte Bauform erzielt werden.
Ferner kann die optische Einrichtung ausgebildet sein, ein auftreffendes Lichtbündel mit einem ersten optischen Element zu einem ersten Zeitpunkt in eine erste Richtung als das erste Lichtbündel auf das reflektive Element zu leiten und mit dem ersten optischen Element zu einem zweiten Zeitpunkt in eine von der ersten Richtung verschiedene zweite Richtung als das zweite Lichtbündel zu leiten. So kann ein Lichtbündel aufgespalten werden und eine Mehrzahl von Lichtbündeln erzeugt werden, die zusammen mit einem weiteren optischen Element wie beispielsweise dem reflektiven Element in einer Mehrzahl von Einstrahlwinkeln auf das Streuelement auf den gleichen Ort oder die gleiche Stelle treffen. Dabei kann die Ablenkung in die Mehrzahl von Lichtbündeln zeitlich sequenziell oder alternativ mit einem anderen optischen Element gleichzeitig erfolgen.
Das erste optische Element kann als eine Flüssiglinse ausgebildet sein. Ergänzend oder alternativ kann das erste optische Element als ein diffraktives optisches Element ausgebildet sein. Das erste optische Element kann eine Flüssiglinse und ergänzend oder alternativ ein diffraktives optisches Element umfassen. Unter einer Flüssiglinse kann eine aus verschiedenen Flüssigkeiten bestehende optische Linse mit elektrisch variierbarer Brennweite und ergänzend oder alternativ variierbarem Verschwenken oder Verschieben verstanden werden. Eine Flüssiglinse kann auch als „Liquid Lense“ bezeichnet werden. Vorteilhaft kann durch ein elektrisches Steuersignal die Brennweite und ergänzend oder alternativ das Verschwenken der Flüssiglinse schnell variiert werden, um zu verschiedenen Zeitpunkten das auftreffende Lichtbündel in unterschiedliche Richtungen abzulenken.
Das erste Lichtbündel kann von einer ersten Lichtquelle bereitgestellt werden und das zweite Lichtbündel kann von einer zweiten Lichtquelle bereitgestellt werden. Eine Vielzahl von Lichtquellen kann eine Vielzahl von Lichtbündeln bereitstellen. Dabei können die Lichtbündel in verschiedene Richtungen abgestrahlt werden. Die Lichtbündel können in unterschiedlichen Einfallswinkeln auf das Streuelement strahlen oder gelenkt werden.
In einer Ausführungsform kann die erste Lichtquelle und ergänzend oder alternativ die zweite Lichtquelle eine Diode und ergänzend oder alternativ ein Projektor und ergänzend oder alternativ eine Lasereinrichtung sein. Die Diode kann auch als LED bezeichnet werden. Dabei kann es sich bei der Diode um eine Superlumineszenzdiode handeln. Unter einer Lasereinrichtung kann ein Laser oder eine einen Laserstrahl emittierende Einrichtung verstanden werden.
Ferner kann das Streuelement um eine Achse bewegbar sein. Das Streuelement kann ausgebildet sein, zu dem ersten Zeitpunkt in einer ersten Position des Streuelements das erste Lichtbündel unter dem ersten Einfallswinkel in den Streukegel zu streuen und zu dem zweiten Zeitpunkt in einer zweiten Position des Streuelements zumindest das zweite Lichtbündel unter dem zweiten Einfallswinkel in den Streukegel zu streuen. So können das erste Lichtbündel und das zweite Lichtbündel eine gleiche optische Achse oder einen gleichen Mittelstrahl aufweisen. Ein voneinander verschiedener Einstrahlwinkel kann durch eine Positionsänderung oder ein Kippen des Streuelements erzielt werden. So kann das optische Element oder das Streuelement eine Bewegungseinrichtung zum Einstellen von der ersten Position und zumindest der zweiten Position aufweisen.
Es wird ein Verfahren zum Bereitstellen einer Bildinformation auf einem holografischen Streuelement vorgestellt, wobei das Verfahren den folgenden Schritt umfasst:
Streuen eines ersten Lichtbündels an dem holografischen Streuelement unter einem ersten Einfallswinkel in einen Streukegel und zumindest eines zweiten Lichtbündels an dem holografischen Streuelement unter einem zweiten von dem ersten verschiedenen Einfallswinkel in den Streukegel.
Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form eines Verfahrens kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden.
Das Verfahren kann einen Schritt des Bereitstellens des ersten Lichtbündels in dem ersten Einfallswinkel auf einen Ort auf dem holografischen Streuelement und des zweiten Lichtbündels in dem zweiten Einfallswinkel auf den Ort auf dem holografischen Streuelement umfassen.
Es wird ferner ein Verwenden eines Multiplexhologramms als ein Streuelement in einem Fahrzeug vorgestellt.
Der hier vorgestellte Ansatz schafft ferner eine Vorrichtung, die ausgebildet ist, um die Schritte einer Variante eines hier vorgestellten Verfahrens in entsprechenden Einrichtungen durchzuführen, anzusteuern bzw. umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form einer Vorrichtung kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden.
Unter einer Vorrichtung kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Die Vorrichtung kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen der Vorrichtung beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt oder Computerprogramm mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger oder Speichermedium wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung, Umsetzung und/oder Ansteuerung der Schritte des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, insbesondere wenn das Programmprodukt oder Programm auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.
Der hier vorgestellte Ansatz wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Streukegelbereitstellungsvorrichtung mit einem Streuelement als Projektionsfläche gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2 eine fotografische Darstellung von Speckleerscheinungen oder Granulation gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
3 eine fotografische Darstellung eines Vergleichs eines einzelnen Hologramms mit Granulation und eine Überlagerung von einer Vielzahl von Hologrammen gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
4 eine schematische Darstellung eines Streuelements mit drei Lichtbündeln mit unterschiedlichen Einstrahlwinkeln und resultierendem Streukegel gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
5 eine schematische Darstellung eines Streuelements mit Lichtbündeln und Streukegel gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
6 eine schematische Darstellung eines beweglichen Streuelements gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
7 eine schematische Darstellung eines Streuelements mit drei Lichtbündeln mit unterschiedlichen Einstrahlwinkeln und resultierenden Streukegeln gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
8 eine schematische Darstellung einer Streukegelbereitstellungsvorrichtung mit einem Spiegel gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
9 eine schematische Darstellung einer Streukegelbereitstellungsvorrichtung mit drei Lichtquellen gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
10 eine schematische Darstellung einer Streukegelbereitstellungsvorrichtung als Hintergrundbeleuchtung für ein Display gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
11 eine schematische Darstellung einer Streukegelbereitstellungsvorrichtung für eine granulatfreie, stereoskopische Anzeige gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
12 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Bereitstellen einer Bildinformation auf einem holografischen Streuelement gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Streukegelbereitstellungsvorrichtung 100 mit einem Streuelement 102 als Projektionsfläche gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Streuelement 102 wird auch als Streuscheibe 102 bezeichnet. Das Streuelement 102 ist ausgebildet, ein erstes Lichtbündel 104, welches unter einem ersten Einfallswinkel α₁ auf das Streuelement 102 trifft, in einen Streukegel 106 zu streuen und gleichzeitig ein zweites Lichtbündel 108, welches unter einem zweiten Einfallswinkel α₂ auf das Streuelement 102 trifft, in den Streukegel 106 zu streuen. Dabei werden die Einfallswinkel α₁, α₂ auf eine Wirkebene 110 des Streuelements 102 bezogen. Der Streukegel 106 ist definiert durch einen Ausfallswinkel 112 bezogen auf eine Mittelachse 114 des Streukegels und die Wirkebene 110 des Streuelements 102 sowie einen Öffnungswinkel 116.
Die Streukegelbereitstellungsvorrichtung 100 umfasst weiterhin eine optische Einrichtung 118 zum Bereitstellen des ersten Lichtbündels 104 auf das Streuelement 102 und des zweiten Lichtbündels 108 auf das Streuelement 102. Die optische Einrichtung 118 ist ausgebildet zumindest zwei Lichtbündel 104, 108 bereitzustellen. In einem nicht gezeigten Ausführungsbeispiel ist die optische Einrichtung 118 ausgebildet, eine Vielzahl von Lichtbündeln 104, 108 bereitzustellen, sodass eine Vielzahl von Lichtbündeln 104, 108 unter einer Vielzahl verschiedener Einfallswinkel α_x auf einen gemeinsamen Ort des Streuelements 102 treffen und gleichzeitig oder alternativ eine Vielzahl von Lichtbündeln 104, 108 auf eine Vielzahl von Orten oder Punkten auf das Streuelement 102 treffen, um eine flächige Ausleuchtung oder eine flächige visuelle Information für einen Betrachter bereitzustellen.
In einem Ausführungsbeispiel ist das Streuelement 102 als ein holografisches optisches Element (HOE) ausgebildet. In einem besonders günstigen Ausführungsbeispiel ist das Streuelement 102 als ein Multiplexhologramm ausgebildet.
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Realisierung von granulationsfreien holografischen Streuscheiben 102 für eine verbesserte Bildqualität. In einem Ausführungsbeispiel wird ein Multiplexhologramm als Streuscheibe 102 verwendet. Das Multiplexhologramm erzeugt bei unterschiedlichen Einfallswinkeln α₁, α₂ die gleiche Rekonstruktion, das heißt die gleiche Streufunktion. Jedes Hologramm hat seine eigene Granulation. Beim Abspielen wird, beispielsweise durch Nutzung einer adaptiven Optik, eine Mittelung über die verschiedenen Hologramme erreicht, wodurch die Granulation abnimmt.
Vorteilhaft wird die effiziente Strahlumverteilung von Volumenhologrammen in die gewünschte Winkelverteilung und Richtung genutzt. Ein Anwendungsgebiet sind beispielsweise örtlich begrenzte Eyeboxen für Anzeigesysteme in einem Fahrzeug. Dabei werden vorteilhaft störende Granulationserscheinungen im Bild vermieden und die Bildqualität verbessert.
2 zeigt eine fotografische Darstellung 220 von Speckleerscheinungen oder Granulation gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei der Verwendung von monochromatischem, kohärentem Licht zur Beleuchtung von streuenden Flächen sind sogenannte Speckleerscheinungen, wie diese in der fotografischen Darstellung 220 gezeigt werden, zu beobachten. Speckleerscheinungen werden auch als Specklemuster, Lichtgranulation, Granulation oder kurz Speckle bezeichnet. Darunter werden die körnigen Interferenzphänomene verstanden, die sich bei hinreichend kohärenter Beleuchtung optisch rauer Objektoberflächen beobachten lassen, wobei unter einer optisch rauen Oberfläche Unebenheiten in der Größenordnung der Wellenlänge des Lichts verstanden werden. Bei der Anwendung eines holografischen optischen Elements als eine Streuscheibe wirken sich die Speckleerscheinungen negativ hinsichtlich der zu erzielenden Bildqualität aus. Einer Überlagerung einer Mehrzahl solcher Bilder verbessert durch eine Verringerung der Granulation oder Verringerung der Speckleerscheinungen die Bildqualität, wie dies in der folgenden 3 dargestellt ist.
3 zeigt eine fotografische Darstellung 322, 324 eines Vergleichs eines einzelnen Hologramms mit Granulation und eine Überlagerung von einer Vielzahl von Hologrammen gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In 3 sind zwei fotografische Darstellungen 322, 324 nebeneinander gegenübergestellt. Dabei zeigt die linke Darstellung 322 eine Rekonstruktion eines einzelnen Hologramms und die rechte Darstellung 324 zeigt eine Rekonstruktion von 25 Einzelhologrammen desselben Abbilds in einem Bild überlagert. Dabei ist eine deutliche Reduktion der Granulation zu erkennen.
4 zeigt eine schematische Darstellung eines Streuelements 102 mit drei Lichtbündeln 104 mit unterschiedlichen Einstrahlwinkeln α₁, α₂, α₃ und resultierenden Streukegeln 106 in einem Winkelbereich gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei dem Streuelement 102 kann es sich um ein Ausführungsbeispiel eines in 1 gezeigten Streuelements 102 handeln. Der Übersichtlichkeit halber ist das Streuelement 102 dreimal nebeneinander dargestellt. Der Streukegel 106 weist in allen drei Darstellungen dabei den gleichen Öffnungswinkel und den gleichen Ausfallwinkel zur Wirkebene des Streuelements 102 auf. Dabei wird aus Gründen der Übersichtlichkeit auf eine Darstellung der entsprechenden Bezugszeichen für den Öffnungswinkel 116 und den Ausfallwinkel 112, wie diese in 1 gezeigt sind, verzichtet. In der linken Darstellung des Streuelements 102 trifft das erste Lichtbündel 104 in einem ersten Einfallswinkel α₁ auf auf die Streuscheibe 102, in der mittleren Darstellung trifft das zweite Lichtbündel 108 in einem zweiten Einfallswinkel α₂ auf auf das Streuelement 102 und in der rechten Darstellung trifft ein drittes Lichtbündel 426 in einem dritten Einfallswinkel α₃ auf auf das Streuelement 102. Alle drei Lichtbündel 104, 108, 426 werden an dem Streuelement 102 beziehungsweise von der Streuscheibe 102 zu einem Streukegel 106 gestreut.
Für die Lichtbündel 104, 108, 426 ist in den Figuren immer eine Referenzwelle dargestellt, die einen Mittelstrahl des Lichtbündels repräsentiert. Je nach Ausführungsbeispiel handelt es sich bei einem Lichtbündel 104, 108, 426 um eine Vielzahl von parallelen Lichtstrahlen oder um ein kegelförmiges Lichtbündel. Wenn ein Winkel oder eine Position bezeichnet oder gezeichnet ist, so wird in der Regel von einem idealen Strahl als Referenzwelle ausgegangen.
Bei der Aufnahme der holografischen Streuscheibe 102 werden mehrere gleiche Hologramme (gleicher Streukegel 106) mit unterschiedlichem Einfallswinkel α₁, α₂, α₃ der Referenzwelle aufgenommen. Bei der Wiedergabe wird lediglich dafür gesorgt, dass die hier beispielsweise dargestellten drei Hologramme der Streuscheibe 102 nacheinander innerhalb der Integrationszeit des Auges (ca. 15 Hz) abgespielt werden. Um eine effiziente Funktionsweise dieser Hologramme zu gewährleisten, erfüllen die Lichtquellen eine gewisse Anforderung an Bandbreite, das heißt < 5nm. Geeignete Lichtquellen sind hierbei zum Beispiel Laserdioden und Superlumineszenz-Dioden. Aufgrund von Entwicklungen im Consumer-Bereich (zum Beispiel Projektoren für Handys) stehen solche Lichtquellen als RGB-Modul in Zukunft zur Verfügung.
5 zeigt eine schematische Darstellung eines Streuelements 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei dem Streuelement 102 kann es sich um ein Ausführungsbeispiel eines in 1 oder in 4 gezeigten Streuelements 102 handeln. Der Übersichtlichkeit halber ist das Streuelement 102 dreimal nebeneinander dargestellt. In der linken Darstellung des Streuelements 102 trifft das erste Lichtbündel 104 in einem ersten Einfallswinkel α₁ auf auf das Streuelement 102, in der mittleren Darstellung trifft das zweite Lichtbündel 108 in einem zweiten Einfallswinkel α₂ auf auf das Streuelement 102 und in der rechten Darstellung trifft ein drittes Lichtbündel 426 in einem dritten Einfallswinkel α₃ auf auf das Streuelement 102. Alle drei Lichtbündel 104, 108, 426 werden an dem Streuelement 102 beziehungsweise von dem Streuelement 102 zu einem Streukegel 106 gestreut, wobei der Ausfallwinkel des Streukegels 106 je nach Einfallswinkel verschieden ist.
Eine Möglichkeit den Einfallswinkel bei der Rekonstruktion des Hologramms einzustellen besteht darin, das Hologramm zu verdrehen. Dafür müssen die Streukegel 106 bei der Aufnahme entsprechend ausgelegt sein. Bei der Wiedergabe wird nun die Orientierung des Hologramms verändert. Bei fixer Rekonstruktionswelle wird somit der Einfallswinkel auf das Hologramm variiert und somit werden nacheinander die unterschiedlichen Hologramme abgespielt. In 5 und 6 ist dies beispielhaft für drei Hologramme gezeigt.
Der Nachteil dieses Ansatzes besteht darin, dass das Hologramm bewegt werden muss und sich damit die Lage des Bildes verändert. Damit kann es beispielsweise nur begrenzt als transparente direkt sichtbare Anzeige genutzt werden. Auch die Bildschärfe leidet bei diesem Ansatz.
6 zeigt eine schematische Darstellung eines beweglichen Streuelements 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei dem Streuelement 102 kann es sich um ein Ausführungsbeispiel eines in 1 oder in 4 gezeigten Streuelements 102 handeln. Insbesondere kann es sich um eine Überlagerung der drei in 5 gezeigten Darstellungen eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung handeln. Ein räumlich fixiertes Lichtbündel 104 wird von dem Streuelement 102 in einen Streukegel 106 gestreut, wobei das Streuelement 102 drei verschiedene Positionen einnimmt. Durch eine Veränderung eines Neigungswinkels des Streuelements 102 werden drei verschiedene Hologramme rekonstruiert, wobei der Streukegel im Raum konstant bleibt.
7 zeigt eine schematische Darstellung eines Streuelements 102 mit drei Lichtbündeln 104, 108, 426 mit unterschiedlichen Einstrahlwinkeln α₁, α₂, α₃ und resultierenden Streukegeln 106 in einem Streukegel 106 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Von den Lichtbündeln 104, 108, 426 ist jeweils eine Referenzwelle dargestellt. Bei dem Streuelement 102 kann es sich um ein Ausführungsbeispiel eines in 1 oder 4 bis 6 gezeigten Streuelements 102 handeln. Der Übersichtlichkeit halber ist das Streuelement 102 dreimal nebeneinander dargestellt. In der linken Darstellung des Streuelements 102 trifft das erste Lichtbündel 104 in einem ersten Einfallswinkel α₁ auf auf das Streuelement 102, in der mittleren Darstellung trifft das zweite Lichtbündel 108 in einem zweiten Einfallswinkel α₂ auf auf das Streuelement 102 und in der rechten Darstellung trifft ein drittes Lichtbündel 426 in einem dritten Einfallswinkel α₃ auf auf das Streuelement 102. Alle drei Lichtbündel 104, 108, 426 werden an dem Streuelement 102 beziehungsweise von dem Streuelement 102 zu einem Streukegel 106 gestreut, wobei der Ausfallwinkel des Streukegels 106 für die drei Lichtbündel 104, 108, 426 identisch ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist das Streu Element 102 unbeweglich montiert und der Einfaltswinkel der Lichtbündel 104, 108, 426 ist veränderlich.
Mit anderen Worten besteht eine Idee des in 7 gezeigten Ausführungsbeispiels darin, das Hologramm 102 fix zu lassen und den Strahl 104, 108, 426 der Rekonstruktionswelle im Winkel α₁, α₂, α₃ zu ändern. Dies kann auch durch ein Bewegen der Lichtquelle erreicht werden, allerdings mit den bekannten Nachteilen durch bewegte Teile. Daher wird in 8 ein Ansatz mit einer adaptiven Optik vorgeschlagen. Dabei können beispielsweise als adaptive Optik beispielsweise Flüssiglinsen (Liquid Lenses) zum Einsatz kommen, die neben der Fokussierung auch die Richtung (Tilt, Verschwenken) ändern können:
8 zeigt eine schematische Darstellung einer Streukegelbereitstellungsvorrichtung 100 mit einem Spiegel 828 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei der Streukegelbereitstellungsvorrichtung 100 kann es sich um die in 1 gezeigte Streukegelbereitstellungsvorrichtung 100 handeln. Die Streukegelbereitstellungsvorrichtung 100 umfasst ein Streuelement 102, auf die drei Lichtbündel 104, 108, 426 mit unterschiedlichen Einstrahlwinkeln α₁, α₂, α₃ treffen und jeweils zu einem Streukegel 106 gestreut werden. Weiterhin umfasst die Streukegelbereitstellungsvorrichtung 101 reflektives Element 828 sowie ein erstes optisches Element 830. Das reflektive Element 828 sowie das erste optische Element 830 sind Elemente 828, 830 der optischen Einrichtung 118. In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel ist das reflektive Element 828 als ein Spiegel 828 ausgebildet. Das erste optische Element 830 ist in dem in 8 gezeigten Ausführungsbeispiel als eine Flüssiglinse 830 ausgebildet. Das reflektive Element 828 ist ausgebildet, das erste Lichtbündel 104 unter dem ersten Einfallswinkel α₁ und das zweite Lichtbündel 108 unter dem zweiten Einfallswinkel α₂ auf den gleichen Ort des Streuelements 102 zu lenken oder zu reflektieren, um das erste Lichtbündel 104 und das zweite Lichtbündel 108 an dem Streuelement 102 in den Streukegel 106 zu streuen. In dem in 8 gezeigten Ausführungsbeispiel ist das reflektive Element 828 ausgebildet, das dritte Lichtbündel 426 unter dem dritten Einfaltswinkel α₃ auf den gleichen Ort des Streu Elements 102 zu lenken oder zu reflektieren. Dabei kann das reflektive Element 828 eine annähernd paraboloide oder ellipsoide Form aufweisen. Die optische Einrichtung 118 ist ausgebildet, ein auftreffendes Lichtbündel 832 mit dem ersten optischen Element 830 zu einem ersten Zeitpunkt in eine erste Richtung als das erste Lichtbündel 104 auf das reflektive Element 828 zu leiten und mit dem ersten optischen Element 830 zu einem zweiten Zeitpunkt in eine von der ersten Richtung verschiedene zweite Richtung als das zweite Lichtbündel 108 zu leiten.
Durch eine Flüssiglinse 830 wird der Strahl 832 in der Richtung verändert. Anschließend kann, wie in 8 dargestellt, ein Spiegel 828 (beispielsweise ein Ellipsoid-Spiegel) genutzt werden, um die Strahlen 104, 108, 426 auf den gleichen Punkt auf der holografischen Projektionsfläche 102 zu lenken, aber unter verschiedenen Winkeln α₁, α₂, α₃. Zusätzlich kann hier der Winkel α₁, α₂, α₃ adaptiv angepasst werden für unterschiedliche Konfigurationen.
Die Referenzwelle 832 wird in einem nicht gezeigten Ausführungsbeispiel ebenso durch einen Beamer (beispielsweise Laserprojektor) erzeugt, der dann auf der Streuscheibe 102 eine entsprechende Information darstellt. Wie in 5 bis 8 gezeigt, wird das Hologramm gedreht oder der Beamer projiziert über die adaptive Linse 830 auf die holografische Streufläche 102. Mit einer adaptiven Anpassung durch eine steuerbare Linse 830 kann nun auch gleichzeitig der Beamer direkt auf der holografischen Streuscheibe 102 scharf gestellt werden und gleichzeitig aus den unterschiedlichen Richtungen auf diese Streuscheibe projizieren. Damit sind ebenfalls unterschiedliche Abstände und Winkelkonfigurationen vom Beamer zur holografischen Projektionsfläche 102 möglich.
In einem nicht gezeigten Ausführungsbeispiel werden die drei Hologramme gleichzeitig abgespielt, in dem man beispielsweise statt der Flüssiglinse 830 ein diffraktives optisches Element in Form eines Beamsplitters verwendet. Eine solche Konfiguration wird allerdings für einen bestimmten Beamer (die Referenzwelle) entsprechend designed werden.
9 zeigt eine schematische Darstellung einer Streukegelbereitstellungsvorrichtung 100 mit drei Lichtquellen gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Streukegelbereitstellungsvorrichtung 100 umfasst ein Streuelement 102. Bei dem Streuelement 102 kann es sich um ein Ausführungsbeispiel eines in 1 beziehungsweise 4 bis 8 gezeigten Streuelements 102 handeln. Die vereinfachte schematische Darstellung zeigt für jede der drei Lichtquellen jeweils drei Referenzwellen, die unter einem unterschiedlichen Einfaltswinkel auf das Streuelement 102 Treffern. Dabei trifft sich an drei Orten auf der Streuscheibe 102 jeweils ein Strahl der drei Lichtquellen. Das heißt, an drei Orten auf der Streuscheibe 102 Treffern jeweils drei Strahlen von drei unterschiedlichen Lichtquellen ein und werden jeweils zu einem Streukegel gestreut. Exemplarisch sind für einen Streukegel 106 die Begrenzungslinien des den Streu Kegel 106 begrenzenden Winkelbereichs in 9 eingezeichnet.
Mit anderen Worten ist in 9 ein Ansatz dargestellt, bei dem mehrere Beamer die gleiche HOE-Streuscheibe 102 beleuchten. Hierdurch werden die verschiedenen Granulationsmuster gleichzeitig rekonstruiert und daher durch Überlagerung gemittelt. Weiterhin wird der bei möglicher Verwendung von einem Laser-Beamer auftretende Speckle-Effekt dadurch reduziert.
10 zeigt eine schematische Darstellung einer Streukegelbereitstellungsvorrichtung 100 als Hintergrundbeleuchtung für ein Display 1040 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Streukegelbereitstellungsvorrichtung 100 weist ein Streuelement 102 auf, welches an einer von einem Betrachter abgewandten Seite des Displays 1040 angeordnet ist. Das Display 1040 wird von drei LEDs 1042a 1042b und 1042c beleuchtet.
Wie in 10 gezeigt, kann die beschriebene Multiplexanordnung in Kombination mit geeigneten Lichtquellen (LED, Laser etc.) als Backlight für ein LCD-Display 1040 verwendet werden. Das in Transmission rekonstruierte Hologramm sorgt dabei für eine Hinterleuchtung des LCD-Displays 1040. Der Streukegel 106 wird dabei durch die Aufnahmekonfiguration des Hologramms definiert. Zusätzlich ist hier noch eine Alternative zur beschriebenen Rekonstruktion mit einer Flüssiglinse aufgezeigt. Dabei werden die verschiedenen Rekonstruktionswellen 104, 108, 426 durch mehrere LED-Arrays 1042 realisiert. Auch hier wird durch die Überlagerung der Bilder die Granulation reduziert.
11 zeigt eine schematische Darstellung einer Streukegelbereitstellungsvorrichtung 100 für eine granulatfreie, stereoskopische Anzeige gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Wie in 10 ist ein Streuelement 102 auf einer von einem Betrachter abgewandten Seite eines Displays 1040 angeordnet. Drei Lichtbündel 104, 108, 426 werden von drei LED-Arrays 1042 realisiert. Die drei Lichtbündel 104, 108, 426 strahlen unter drei voneinander verschiedenen Einstrahlwinkeln α₁, α₂, α₃ auf das Streuelement 102. Drei weitere LED-Arrays 1044 strahlen unter drei voneinander verschiedenen Einstrahlwinkeln β₁, β₂, β₃ auf das Streuelement 102. Die drei Lichtbündel 104, 108, 426 werden zu einem Streukegel 106 gestreut. Die drei von den weiteren LED Arrays 1144a, 1144b und 1144c ausgehenden Lichtbündel werden zu einem Streukegel 1046 gestreut. Der Streukegel 1046 wird von einem linken Auge 1048 des Betrachters und der Streukegel 106 von einem rechten Auge 1050 des Betrachters wahrgenommen. So werden in Richtung der beiden Augen 1048, 1050 zwei voneinander verschiedene Darstellungen projiziert, wodurch eine stereoskopischer Darstellung erzielt wird.
Wie in 11 dargestellt, eignet sich ein Aspekt der vorgestellten Erfindung auch für stereoskopisches Sehen ohne Granulation. Für rechtes und linkes Auge sind hier im Hologramm unterschiedliche Streukegel 106, 1046 abgespeichert. Diese werden mit unterschiedlichen Referenzwellen abgespielt. Bei Multiplexanordnungen für stereoskopisches Sehen ist die benötigte Anzahl der Hologramme zur Granulatreduktion nicht doppelt so groß, sondern kann um einen Faktor ~ sqrt(2) reduziert werden.
12 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 1200 zum Bereitstellen einer Bildinformation auf einem holografischen Streuelement gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei dem Streuelement kann es sich um ein in den vorangegangenen Figuren beschriebenes Streuelement 102 handeln. Das in 12 gezeigte Ausführungsbeispiel des Verfahrens 1200 zum Bereitstellen einer Bildinformation auf einem Streuelement umfasst einen Schritt 1260 des Streuens eines ersten Lichtbündels an dem Streuelement unter einem ersten Einfallswinkel in einen Streukegel und zumindest eines zweiten Lichtbündels an dem holografischen Streuelement unter einem zweiten von dem ersten verschiedenen Einfallswinkel in den Streukegel.
Optional umfasst das Verfahren einen Schritt 1262 des Bereitstellens des ersten Lichtbündels in dem ersten Einfallswinkel auf einen Ort auf dem holografischen Streuelement und des zweiten Lichtbündels in dem zweiten Einfallswinkel auf den Ort auf dem holografischen Streuelement.
Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden.
Ferner können die hier vorgestellten Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden.
Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1517309 A2 [0004]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Hariharan, P. beschreibt in “Optical Holography Principles, techniques, and applied research” (1996; Cambridge Studies in Modern Optics. Seite 210f.) [0003]

Claims

Streuelement (102) als Projektionsfläche, welches ausgebildet ist, ein erstes Lichtbündel (104) unter einem ersten Einfallswinkel (α₁) in einen Streukegel (106) zu streuen und zumindest ein zweites Lichtbündel (108) unter einem zweiten von dem ersten verschiedenen Einfallswinkel (α₂) in den Streukegel (106) zu streuen.
Streuelement (102) gemäß Anspruch 1, bei dem es sich um ein holografisches optisches Element, insbesondere eine holografische Streuscheibe und/oder ein Multiplexhologramm, handelt.
Streukegelbereitstellungsvorrichtung (100) zum Ausgeben eines optischen Signals auf einem Display und/oder einer Projektionsscheibe für ein Fahrzeug, wobei die Streukegelbereitstellungsvorrichtung (100) die folgenden Merkmale aufweist: ein Streuelement (102) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche; und eine optische Einrichtung (118) zum Bereitstellen des ersten Lichtbündels (104) auf das Streuelement (102) und des zweiten Lichtbündels (108) auf das Streuelement (102).
Streukegelbereitstellungsvorrichtung (100) gemäß Anspruch 3, wobei die optische Einrichtung (118) ein reflektives Element (828) umfasst, welches das erste Lichtbündel (104) unter dem ersten Einfallswinkel (α₁) und das zweite Lichtbündel (108) unter dem zweiten Einfallswinkel (α₂) auf den gleichen Ort des Streuelements (102) lenkt, um das erste Lichtbündel (104) und das zweite Lichtbündel (108) in den Streukegel (106) zu streuen.
Streukegelbereitstellungsvorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 3 bis 4, wobei die optische Einrichtung (118) ausgebildet ist, ein auftreffendes Lichtbündel (832) mit einem ersten optischen Element (830) zu einem ersten Zeitpunkt in eine erste Richtung als das erste Lichtbündel (104) auf ein reflektives Element (828) zu leiten und mit dem ersten optischen Element (830) zu einem zweiten Zeitpunkt in eine von der ersten Richtung verschiedene zweite Richtung als das zweite Lichtbündel (108) zu leiten.
Streukegelbereitstellungsvorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 4 bis 5, bei dem das erste optische Element (830) als eine Flüssiglinse (830) und/oder als ein diffraktives optisches Element (830) ausgebildet ist.
Streukegelbereitstellungsvorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 3 bis 6, bei dem das erste Lichtbündel (104) von einer ersten Lichtquelle (1042a) und das zweite Lichtbündel (108) von einer zweiten Lichtquelle (1042b) bereitgestellt werden.
Streukegelbereitstellungsvorrichtung (100) gemäß Anspruch 7, bei dem die erste Lichtquelle (1042a) und/oder die zweite Lichtquelle (1042b) eine Diode und/oder ein Projektor und/oder eine Lasereinrichtung ist.
Streukegelbereitstellungsvorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 3 bis 8, bei dem das Streuelement (102) um eine Achse bewegbar ist und ausgebildet ist, zu dem ersten Zeitpunkt in einer ersten Position des Streuelements (102) das erste Lichtbündel (104) unter dem ersten Einfallswinkel (α₁) in den Streukegel (106) zu streuen und zu dem zweiten Zeitpunkt in einer zweiten Position des Streuelements (102) zumindest das zweite Lichtbündel (108) unter dem zweiten Einfallswinkel (α₂) in den Streukegel (106) zu streuen.
Verfahren (1200) zum Bereitstellen einer Bildinformation auf einem Streuelement (102), wobei das Verfahren (1200) einen Schritt des Streuens (1260) eines ersten Lichtbündels (104) an dem Streuelement (102) unter einem ersten Einfallswinkel (α₁) in einen Streukegel (106) und zumindest eines zweiten Lichtbündels (108) an dem Streuelement (102) unter einem zweiten von dem ersten verschiedenen Einfallswinkel (α₂) in den Streukegel (106) aufweist.
Verfahren (1200) gemäß Anspruch 10, mit einem Schritt (1262) des Bereitstellens des ersten Lichtbündels (104) in dem ersten Einfallswinkel (α₁) auf einen Ort auf dem Streuelement (102) und des zweiten Lichtbündels (108) in dem zweiten Einfallswinkel (α₂) auf den Ort auf dem Streuelement (102).
Verwenden eines Multiplexhologramms als ein Streuelement (102) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 2 in einem Fahrzeug.