DE102014215137A1

DE102014215137A1 - Lichtformer für einen Bildgeber eines Sichtfeldanzeigegeräts und Sichtfeldanzeigegerät

Info

Publication number: DE102014215137A1
Application number: DE102014215137.6A
Authority: DE
Inventors: Reinhold Fiess; Stefanie Mayer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-08-01
Filing date: 2014-08-01
Publication date: 2016-02-04

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Lichtformer (102) für einen Bildgeber (104) eines Sichtfeldanzeigegeräts (100), wobei der Lichtformer (102) in einem Strahlengang (112) des Sichtfeldanzeigegeräts (100) anordenbar ist und einen Stapel aus zumindest einer Einfalls-Hologrammstruktur (120), sowie zumindest einer Ausfalls-Hologrammstruktur (122) aufweist, wobei die Einfalls-Hologrammstruktur (120) dazu ausgebildet ist, aus einer Lichtquellenrichtung unter einem Einfallswinkel (200) auf den Stapel einfallendes Licht (118) in eine Bildgeberrichtung abzulenken und die Ausfalls-Hologrammstruktur (122) dazu ausgebildet ist, aus der Bildgeberrichtung auf den Stapel einfallendes Licht (204) unter einem Ausfallswinkel (206) in eine Projektionsoptikrichtung abzulenken.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Lichtformer für einen Bildgeber eines Sichtfeldanzeigegeräts, auf ein Sichtfeldanzeigegerät sowie auf ein Verfahren zum Formen von Licht in einem Sichtfeldanzeigegerät.
Ein Bildgeber eines Sichtfeldanzeigegeräts wird durch eine Lichtquelle beleuchtet. Eine Bildinformation von dem Bildgeber wird über eine Projektionsoptik des Sichtfeldanzeigegeräts beispielsweise in ein Sichtfeld eines Fahrers eines Fahrzeugs eingeblendet.
Offenbarung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz ein Lichtformer für einen Bildgeber eines Sichtfeldanzeigegeräts, ein Sichtfeldanzeigegerät sowie ein Verfahren zum Formen von Licht in einem Sichtfeldanzeigegerät gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
Holografische Strukturen können richtungsselektiv ausgebildet werden. Dann wird Licht mit einer ersten Lichtrichtung in eine erste Richtung abgelenkt. Licht mit einer zweiten Lichtrichtung wird in eine andere Richtung abgelenkt. So können ungewollte Lichtanteile aus einem Strahlengang ausgekoppelt werden. Zusätzlich werden Abbildungsfehler durch die Struktur in Randnähe nicht größer.
Es wird ein Lichtformer für einen Bildgeber eines Sichtfeldanzeigegeräts vorgestellt, wobei der Lichtformer in einem Strahlengang des Sichtfeldanzeigegeräts anordenbar ist und einen Stapel aus zumindest einer Einfalls-Hologrammstruktur sowie zumindest einer Ausfalls-Hologrammstruktur aufweist, wobei die Einfalls-Hologrammstruktur dazu ausgebildet ist, aus einer Lichtquellenrichtung unter einem Einfallswinkel auf den Stapel einfallendes Licht in eine Bildgeberrichtung abzulenken und die Ausfalls-Hologrammstruktur dazu ausgebildet ist, aus der Bildgeberrichtung auf den Stapel einfallendes Licht unter einem Ausfallswinkel in eine Projektionsoptikrichtung abzulenken.
Weiterhin wird ein Sichtfeldanzeigegerät mit einem Lichtformer für einen Bildgeber des Sichtfeldanzeigegeräts vorgestellt, wobei der Lichtformer in einem Strahlengang des Sichtfeldanzeigegeräts angeordnet ist und einen Stapel aus zumindest einer Einfalls-Hologrammstruktur und zumindest einer Ausfalls-Hologrammstruktur aufweist, wobei die Einfalls-Hologrammstruktur dazu ausgebildet ist, von einer Lichtquelle des Sichtfeldanzeigegeräts unter einem Einfallswinkel auf den Stapel einfallendes Licht in Richtung des Bildgebers abzulenken und die Ausfalls-Hologrammstruktur dazu ausgebildet ist, aus Richtung des Bildgebers auf den Stapel einfallendes Licht unter einem Ausfallswinkel in Richtung einer Projektionsoptik des Sichtfeldanzeigegeräts abzulenken.
Ferner wird ein Verfahren zum Formen von Licht in einem Sichtfeldanzeigegerät vorgestellt, wobei das Verfahren einen Schritt des Ablenkens aufweist, in dem unter einem Einfallswinkel einfallendes Licht von einer Lichtquelle des Sichtfeldanzeigegeräts in Richtung eines Bildgebers des Sichtfeldanzeigegeräts abgelenkt wird und von dem Bildgeber reflektiertes Licht unter einem Ausfallswinkel in Richtung einer Projektionsoptik des Sichtfeldanzeigegeräts abgelenkt wird.
Unter einem Bildgeber kann ein Bauteil verstanden werden, das dazu ausgebildet ist, eine elektrische Bildinformation in eine optische Bildinformation zu wandeln. Ein Sichtfeldanzeigegerät kann als Head-Up-Display bezeichnet werden. Ein Strahlengang kann ein geplanter Weg von Lichtstrahlen innerhalb des Sichtfeldanzeigegeräts verstanden werden. Ein Stapel kann mehrere unmittelbar aufeinander angeordnete Lagen aufweisen. Eine Lichtquellenrichtung kann eine Richtung von dem Lichtformer zu einer Lichtquelle repräsentieren. Eine Bildgeberrichtung kann eine Richtung von dem Lichtformer zu dem Bildgeber repräsentieren. Eine Projektionsoptikrichtung kann eine Richtung von dem Lichtformer zu einer Projektionsoptik repräsentieren. Die Projektionsoptikrichtung kann mit einer Richtung des Strahlengangs übereinstimmen.
Der Stapel kann dazu ausgebildet sein, das aus der Lichtquellenrichtung einfallende Licht von einer ersten Seite des Stapels auf eine gegenüberliegende zweite Seite des Stapels zu leiten und dabei abzulenken. Alternativ oder ergänzend kann der Stapel dazu ausgebildet sein, das aus der Bildgeberrichtung einfallende Licht von der zweiten Seite des Stapels auf die erste Seite des Stapels zu leiten und dabei abzulenken. Der Lichtformer kann also zumindest halbdurchlässig sein. Damit können unerwünschte Lichtbestandteile sicher ausgefiltert werden.
Die Einfalls-Hologrammstruktur und alternativ oder ergänzend die Ausfalls-Hologrammstruktur kann dazu ausgebildet sein, das Licht wellenlängenselektiv zu beugen. Somit können unterschiedliche Wellenlängen in unterschiedliche Richtungen abgelenkt werden. Damit können unerwünschte Wellenlängen aus dem Licht ausgefiltert werden.
Die Einfalls-Hologrammstruktur und alternativ oder ergänzend die Ausfalls-Hologrammstruktur kann eine an die Projektionsoptik angepasste Ablenkcharakteristik aufweisen. Durch die Hologrammstrukturen können räumliche Lichtverteilungen realisiert werden. Beispielsweise können so Verzerrungen durch nachfolgende Bestandteile der Projektionsoptik korrigiert werden.
Die Einfalls-Hologrammstruktur und alternativ oder ergänzend die Ausfalls-Hologrammstruktur kann eine erste farbselektive Hologrammschicht und zumindest eine zweite farbselektive Hologrammschicht aufweisen, die gestapelt sind. Die erste Hologrammschicht ist dazu ausgebildet, Licht mit einem ersten Wellenlängenbereich abzulenken. Die zweite Hologrammschicht ist dazu ausgebildet, Licht mit einem zweiten Wellenlängenbereich abzulenken. Insbesondere können die Hologrammstrukturen auf Lichtfarben der Lichtquelle abgestimmte Brechungseigenschaften aufweisen. Dadurch können auf die Lichtfarben optimierte Brechungseigenschaften bereitgestellt werden.
Die Lichtquelle kann dazu ausgebildet sein, schmalbandiges Laserlicht zu emittieren. Laserlicht kann besonders energieeffizient bereitgestellt werden. Licht mit einem schmalen Frequenzband kann besonders gut an einer Hologrammstruktur gebrochen werden.
In dem Strahlengang kann zwischen der Lichtquelle und dem Lichtformer ein Despeckler angeordnet sein. Durch einen Despeckler können Speckle im Licht der Lichtquelle reduziert werden, wodurch eine verbesserte Bildqualität ermöglicht wird.
Der Bildgeber kann dazu ausgebildet sein, von dem Lichtformer einfallendes Licht als Bildinformation auf den Lichtformer zurückzureflektieren. Der Bildgeber kann dazu selektiv reflektiv geschalten werden. Durch die Reflexion kann ein helles Bild erzeugt werden.
Der hier vorgestellte Ansatz wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Darstellung eines Sichtfeldanzeigegeräts mit einem Lichtformer gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2 eine Darstellung eines Lichtformers gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
3 eine Teildarstellung eines Strahlengangs eines Sichtfeldanzeigegeräts gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
4 eine Prinzipdarstellung eines autostereoskopischen Strahlengangs an einem Lichtformer gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
5 eine Ablaufdarstellung einer Ansteuersequenz von Lichtquellen und dem Bildgeber eines Sichtfeldanzeigegeräts bei einem autostereoskopischen Ansatz gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
6 eine Ablaufdarstellung einer verlangsamten Ansteuersequenz von Lichtquellen und dem Bildgeber eines Sichtfeldanzeigegeräts bei einem autostereoskopischen Ansatz gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
7 eine Darstellung eines Lichtformers gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
8 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Formen von Licht 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 Darstellung eines Sichtfeldanzeigegeräts 100 mit einem Lichtformer 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Sichtfeldanzeigegerät 100 ist dazu ausgebildet, in einem Fahrzeug verbaut zu werden und grafische Informationen in ein Sichtfeld eines Fahrers des Fahrzeugs einzublenden. Dazu wird auf einem Bildgeber 104 des Sichtfeldanzeigegeräts 100 ein Bild 106 erzeugt, welches über eine Projektionsoptik 108 des Sichtfeldanzeigegeräts 100 beispielsweise auf eine Frontscheibe des Fahrzeugs projiziert wird, wo das Bild 106 als virtuelles Bild im Sichtfeld des Fahrers zu schweben scheint.
Der Bildgeber 104 ist in diesem Ausführungsbeispiel reflektierend ausgeführt. Das heißt, das Bild 106 wird auf einer Bildseite des Bildgebers 104 angezeigt. Eine Lichtquelle 110 beleuchtet die Bildseite und das Bild 106 wird als Reflexion entlang eines Strahlengangs 112 des Sichtfeldanzeigegeräts 100 geleitet. Der Strahlengang 112 ist innerhalb eines Gehäuses 114 des Sichtfeldanzeigegeräts 100 gefaltet. Dabei wird der Strahlengang 112 mehrfach durch Spiegel 108 abgelenkt, bis er durch ein Deckglas 116 aus dem Gehäuse 114 austritt.
Die Lichtquelle 110 ist in diesem Ausführungsbeispiel eine Laserlichtquelle 110. Damit ist die Lichtquelle 110 dazu ausgebildet, Licht 118 in einem schmalen Frequenzband zu emittieren. Da die Lichtquelle 110 näherungsweise eine Punktlichtquelle ist, bildet das Licht 118 einen Lichtkegel aus, der auf den Bildgeber 104 gerichtet ist. Zwischen der Lichtquelle 110 und dem Bildgeber 104 ist der Lichtformer 102 angeordnet. Der Lichtformer 102 ist also in dem Strahlengang 112 angeordnet.
Der Lichtformer 102 weist zumindest zwei Schichten 120, 122 auf, die unmittelbar aufeinander zu einem Stapel angeordnet sind. Die Schichten 120, 122 sind holografische Schichten 120, 122. Die erste Schicht 120 ist dazu ausgebildet, das Licht 118 von der Lichtquelle 110 um einen vorbestimmten Einfallswinkel auf den Bildgeber 104 abzulenken. Insbesondere ist die erste Schicht 120 dazu ausgebildet, das Licht 118 so abzulenken, dass es senkrecht auf den Bildgeber 104 einfällt. Die zweite Schicht 122 ist dazu ausgebildet, das von dem Bildgeber 104 reflektierte Licht, in dem eine Bildinformation des Bilds 106 enthalten ist, um einen vorbestimmten Ausfallswinkel in Richtung des Strahlengangs 112 und der Projektionsoptik 108 abzulenken. Der Ausfallswinkel ist dabei entgegengesetzt zu dem Einfallswinkel ausgerichtet.
Mit anderen Worten zeigt 1 ein Sichtfeldanzeigegerät 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit einem Lichtformer 102 für einen Bildgeber 104 des Sichtfeldanzeigegeräts 100. Der Lichtformer 102 ist in einem Strahlengang 112 des Sichtfeldanzeigegeräts 100 angeordnet. Der Lichtformer 102 weist einen Stapel aus zumindest einer Einfalls-Hologrammstruktur 120 und zumindest einer Ausfalls-Hologrammstruktur 122 auf. Die Einfalls-Hologrammstruktur 120 ist dazu ausgebildet, von einer Lichtquelle 110 des Sichtfeldanzeigegeräts 100 unter einem Einfallswinkel auf den Stapel einfallendes Licht 118 in Richtung des Bildgebers 104 abzulenken. Die Ausfalls-Hologrammstruktur 122 ist dazu ausgebildet, aus Richtung des Bildgebers 104 auf den Stapel einfallendes Licht unter einem Ausfallswinkel in Richtung einer Projektionsoptik 108 des Sichtfeldanzeigegeräts 100 abzulenken.
Es wird eine holografische Beleuchtungseinheit 102 für einen LCoS Bildgeber 102 im HUD 100 beziehungsweise holografischen Projektionsanzeigesystem 100 vorgestellt.
Ein Head-up Display (HUD) 100 besteht aus einer Lichtquelle 110, einem Display 104 und einer abbildenden Optik 108. Auf dem Display 104 wird der entsprechende Anzeigeinhalt visualisiert. Die nachfolgende HUD-Optik 108 erzeugt dann das gewünschte virtuelle Bild 106 für den Fahrer. Die Überlagerung des virtuellen Bildes 106 mit der Umgebung lässt sich über eine Combinerscheibe oder über die Windschutzscheibe erreichen. Der Fahrer sieht ein virtuelles Bild in einiger Entfernung (z. B. > 2,5 m).
Bei einem herkömmlichen HUD 100 kann als Lichtquelle 110 ein LED-Backlight verwendet werden. Dieses kann das Display hinterleuchten. Das LED-Backlight leuchtet aufgrund der Abstrahlcharakteristik der LEDs einen sehr großen Bereich des Raumwinkels aus. Durch diese Eigenschaft der LEDs wird nur ein geringer Teil des Lichtes in der HUD-Optik 108 genutzt und Streulicht entsteht.
Um die Lichtverteilung zur homogenisieren, kann beispielsweise eine Fresnellinse verwendet werden.
Bei dem hier vorgestellten Ansatz wird ein miniaturisierter Projektor 110, basierend auf Laser-Technologie eingesetzt.
Durch Verwendung des reflektierenden Imagers 104 kann die Hitzeproblematik durch Einkopplung von Sonnenlicht in die HUD-Optik vermieden werden.
Dargestellt ist ein vereinfachtes HUD-System 100 mit einem LCoS Bildgeber 104 mit der hier beschriebenen Beleuchtungseinheit 102. Dabei wird, wie bereits bekannt ein virtuelles Bild 106 erzeugt. Der Beobachter sieht dieses virtuelle Bild 106 in einem definierten Bereich (Eyebox).
Diese Beleuchtungseinheit 102 für den LCoS Bildgeber 104 besteht aus gestapelten Hologrammschichten 120, 122. Die optischen Funktionen der Einzelschichten 120, 122 sind in 2 dargestellt. Dabei ist vor allem die Trennung der Eingangsrichtung und der Ausgangsrichtung wichtig, was durch entsprechende Wahl der Winkel bei der Hologrammaufnahme sichergestellt werden kann. Um den Crosstalk zwischen Hologrammschichten 120, 122 zu vermeiden, sollte der Winkel zwischen dem Eingangsstrahl 118 und dem Ausgangstrahl 112 des Systems mindestens 40° betragen (> 40°).
Mit anderen Worten ist eine vereinfachte Skizze der Funktionsweise eines Head-up Displays 100 mit einem reflektierenden Phasenschiebeelement 104 als Bildgeber 104 und einer holografischen Beleuchtungseinheit 102 als Hologrammverbund dargestellt.
Der hier vorgestellte Ansatz kann bei allen Fahrzeugen mit einem Head-up Display verwendet werden. Eine kontaktanaloge Darstellung wird bezüglich Bauraumanforderung, Robustheit und Kosten in großen Stückzahlen höchstwahrscheinlich nur über autostereoskopische Ansätze realisierbar werden. Daher ist eine Nachführung ein wesentlicher Bestandteil des Systems.
In einem Ausführungsbeispiel wird das Bild 106 auf dem LCOS-Display 104 nicht über eine Projektionsoptik 108 auf einen Screen abgebildet, sondern direkt über die Lupenoptik des HUD 100, die die hier vorgestellte holografische Optik umfasst, betrachtet. Dabei sind große LCoS Displays 104 (2" bis 3") möglich. Die Lichtquelle 110 kann auch als Superlumineszenzdiode ausgeführt sein.
2 zeigt eine Darstellung eines Lichtformers 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Lichtformer 102 entspricht im Wesentlichen dem Lichtformer in 1. Der Lichtformer 102 kann wie der Lichtformer in 1 in einem Strahlengang eines Sichtfeldanzeigegeräts angeordnet werden. Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Stapel aus der Einfalls-Hologrammstruktur 120 und der Ausfalls-Hologrammstruktur 122 unmittelbar auf dem Bildgeber 104 angeordnet.
Einfallendes Licht 118 trifft aus einer Lichtquellenrichtung unter einem Einfallswinkel 200 auf die Einfalls-Hologrammstruktur 120. Das einfallende Licht 118 wird in der Einfalls-Hologrammstruktur 120 gebeugt und um den Einfallswinkel 200 in eine Bildgeberrichtung abgelenkt. Das aus der Einfalls-Hologrammstruktur 120 ausfallende Licht 202 durchdringt die Ausfalls-Hologrammstruktur 122 im Wesentlichen brechungsfrei und trifft auf den Bildgeber 104.
Auf dem Bildgeber 104 sind helle Bildbereiche reflektierend geschalten. Das aus dem Lichtformer 102 in der Bildgeberrichtung ausfallende Licht 202 wird in den reflektierenden Bildbereichen als reflektiertes Licht 204 aus der Bildgeberrichtung reflektiert. Dunkle Bildbereiche sind absorbierend geschalten. Alternativ können dunkle Bildbereiche das ausfallende Licht 202 zur Seite ablenken.
Das reflektierte Licht 204 trifft aus der Bildgeberrichtung auf die Ausfalls-Hologrammstruktur 122. Das reflektierte Licht 204 wird in der Ausfalls-Hologrammstruktur 122 gebeugt und um einen Ausfallswinkel 206 in eine Projektionsoptikrichtung abgelenkt. Das aus der Ausfalls-Hologrammstruktur 122 ausfallende Licht 208 durchdringt die Einfalls-Hologrammstruktur 120 im Wesentlichen brechungsfrei.
Der Einfallswinkel 200 und der Ausfallswinkel 206 addieren sich zu einem Gesamtablenkungswinkel 210 des Lichtformers 102.
Mit anderen Worten durchdringt das einfallende Licht 118 die beiden holografischen Schichten 120, 122 von einer Seite zur anderen Seite des Lichtformers 102 und wird dabei um den Einfallswinkel 200 abgelenkt. Das von dem Bildgeber 104 reflektierte Licht 204 durchdringt die beiden Schichten 120, 122 des Lichtformers 102 und wird dabei um den Ausfallswinkel 206 abgelenkt.
Die Einfalls-Hologrammstruktur 120 kann eine an die Lichtquelle angepasste Ablenkcharakteristik aufweisen. Damit werden die aus dem Lichtkegel herrührenden geringfügigen Unterschiede der Einfallswinkel 200 beim Auftreffen auf die Einfalls-Hologrammstruktur 120 ausgeglichen, um parallel ausfallendes Licht 202 zu erhalten.
Die Ausfalls-Hologrammstruktur 122 kann ebenfalls eine an die Projektionsoptik angepasste Ablenkcharakteristik aufweisen. Damit wird das parallel einfallende reflektierte Licht 204 mit geringfügig unterschiedlichen Ausfallswinkeln 206 abgelenkt, um eine gewünschte Strahlform des Strahlengangs zu erhalten. Beispielsweise können so Abbildungsfehler der nachfolgenden Projektionsoptik vorausgehend korrigiert werden.
Es wird ein Verbund aus einem reflexiven Flächenlichtmodulator 104 und einer holografischen Optik 102 vorgestellt. Der Flächenlichtmodulator 104 kann als SLM beziehungsweise Spatial Light Modulator bezeichnet werden und umfasst ein „Array“ zur Modulation eines Laserstrahls. Das Array kann als DLP Spiegelanordnung oder LCoS beziehungsweise Liquid Crystal on Silicon (Flüssigkristalle auf Siliziumsubstrat) ausgeführt sein.
Durch ein holografisches Aufnahmeverfahren können Hologramme 120, 122 mit unterschiedlichen Abstrahlwinkeln 200, 206 erzeugt werden, die beispielsweise für Head-up Displays (HUD) mit verschiedenen Eyeboxen genutzt werden können.
Der hier vorgestellte Ansatz beschreibt eine holografische Beleuchtungseinheit 102 für einen reflektierenden Imager 104 mittels mehreren off Axis Hologrammen 120, 122, die von zumindest einer Laserquelle beleuchtet werden. Dabei kann der Imager 104 beispielsweise als LCoS (Liquid Crystal on Silicon) oder DLP (Digital Light Processing) ausgeführt sein. Durch die Verwendung geschachtelter Hologramme 120, 122, können Eingangsstrahlen 118 und Ausgangsstrahlen 208 entkoppelt werden. Ebenso können für die nachfolgende HUD-Optik beliebige Abstrahlcharakteristiken mit eingebaut werden. Die Verwendung eines Imagers 104 ermöglicht auch das Arbeiten in einem zeitsequenziellen Modus von rot, grün und blau.
Die gestapelte Hologrammstruktur 102 bewirkt eine Entkopplung von Eingangsstrahlrichtung und Ausgangsstrahlrichtung, um eine reflektive Funktionsweise zu ermöglichen. Hiermit kann der Imager 104 gleichmäßig mit einem off Axis Winkel ausgeleuchtet werden und die Abstrahlrichtung wie gewünscht erfolgen. Der Bildgeber 104 kann relativ zu einem Strahlengang des HUD verkippt sein. Die Hologrammstruktur 102 kann eine örtlich unterschiedliche Abstrahlcharakteristik aufweisen. Die Beleuchtung kann zum Beispiel mit schmalbandigen Laserquellen und einer Despeckler Einheit realisiert werden.
Das Gesamtsystem erreicht durch die hohe Reflektivität des Imagers 104 sowie durch schmalbandige Lichtquellen und durch einen zeitsequenziellen Betrieb ohne Farbfilter maximale Effizienz. Die sehr hohe Effizienz bezüglich Licht/Leistung/optischer Zielfunktion der Hologramme 120, 122 kann durch Wiedergabe mit schmalbandigem Laserlicht gewährleistet werden. Es kann eine sehr hohe Beugungseffizienz durch die Stapelung der optischen Funktionen erreicht werden.
Es sind hohe Helligkeiten erreichbar, was zu einer Tageslichttauglichkeit des HUD gewährleistet. Durch die Implementierung bekannter Despeckler kann ein specklefreies Bild erreicht werden. Despeckling ändert dabei nichts an der gewünschten optischen Zielverteilung und der Effizienz der Hologramme 120, 122.
Durch die holografischen Strukturen 120, 122 im Strahlengang ist eine gewünschte Strahlverteilung des Imagers 104 möglich. Mit der hier vorgestellten HUD-Optik können z. B. scharfe Eyeboxen realisiert werden.
Es ist das Ergebnis einer Simulation für einen Hologrammverbund 102 bestehend aus zwei holografischen Umlenkern 120, 122 (HOE1 und HOE2) mit einem Winkel Δθ von 100° zwischen Eingangsstrahl 118 und Ausgangsstrahl 208 dargestellt. Für das abgebildete monochrome System 102 wurde eine Beugungseffizienz von 89% berechnet. Hierfür sind insbesondere zwei Hologrammschichten 120, 122 für die unterschiedlichen Umlenkungen vorteilhaft.
Verknüpft man den beschriebenen Hologrammstapel 102 mit einem reflektierenden Imager 104 (LCoS), erhält man die oben genannten Vorteile.
3 zeigt eine Teildarstellung eines Strahlengangs 112 eines Sichtfeldanzeigegeräts gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Dabei ist ein Ausschnitt des Strahlengangs 112 dargestellt, in dem ein Lichtformer 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung angeordnet ist. Hier weiß die Lichtquelle 110 eine rote Lichtquelle 300, eine grüne Lichtquelle 302 und eine blaue Lichtquelle 304 auf. Mit anderen Worten weist die Lichtquelle 110 einer roten Laser 300, einen grünen Laser 302 und einen blauen Laser 304 auf. Die Laser 300, 302, 304 sind auf einen Strahlvereiniger 306 gerichtet. Hier ist der Strahlvereiniger 306 holografische ausgeführt und weist drei Schichten 308, 310, 312 auf. Jede der Schichten 108, 310, 312 ist auf eine spezifische Wellenlänge der Laser rot, grün und blau abgestimmt und weist ein wellenlängenselektives Beugungsverhalten auf. Der Strahlvereiniger 306 vereinigt die drei Laserstrahlen zu einem Strahl. Zwischen dem Strahlvereiniger 306 und dem Lichtformer 102 ist ein Despeckler 314 angeordnet.
Der verwendete Despeckler 314 ist ein Produkt der einen Diffusor mit definiertem Abstrahlwinkel umfasst. Durch elektroaktive Polymere wird dieser Diffusor beispielsweise zum Schwingen angeregt (400µm bei 300 Hz), sodass das bewegte Speckle-Muster des Lasers für das menschliche Auge nicht mehr Auflösbar ist. Das Auge sieht nur eine Mittelung des Bildes, welches specklefrei ist. Die Despeckle Einheiten sind mit unterschiedlichen Divergenzwinkeln erhältlich, der mit dem Aufweitungswinkel des Laserprojektors 110 übereinstimmen sollte.
Das Laserlicht trifft nun als Eingangstrahl 118 auf den Lichtformer 102. Die Eingangs-Hologrammstruktur 120 und die Ausgangs-Hologrammstruktur 122 weisen hier ebenfalls je drei wellenlängenselektive beziehungsweise farbselektive Hologrammschichten 316, 318, 320 auf. Jede der Hologrammschichten 316, 318, 23 320 ist auf eine spezifische Wellenlänge von Licht abgestimmt. Dabei ist die erste Hologrammschicht 316 auf rotes Licht, die zweite Hologrammschicht 318 auf grünes Licht und die dritte Hologrammschicht 320 auf blaues Licht abgestimmt. Die erste Hologrammschicht 316 ist dazu ausgebildet, einfallendes rotes Licht um den Eingangswinkel auf den Bildgeber 104 abzulenken, beziehungsweise reflektiertes rotes Licht um den Ausgangswinkel als Teil des Ausgangsstrahls 208 in Projektionsoptikrichtung abzulenken. Die zweite Hologrammschicht 318 ist dazu ausgebildet, einfallendes grünes Licht um den Eingangswinkel auf den Bildgeber 104 abzulenken, beziehungsweise reflektiertes grünes Licht um den Ausgangswinkel als Teil des Ausgangsstrahls 208 in Projektionsoptikrichtung abzulenken. Die dritte Hologrammschicht 320 ist dazu ausgebildet, einfallendes blaues Licht um den Eingangswinkel auf den Bildgeber 104 abzulenken, beziehungsweise reflektiertes blaues Licht um den Ausgangswinkel als Teil des Ausgangsstrahls 208 in Projektionsoptikrichtung abzulenken. Zusammen gesehen ergibt sich aus der Wirkung der drei Schichten 316, 308, 320 das in 2 beschriebene Beugungsverhalten der Hologrammstrukturen 120, 122.
Mit anderen Worten zeigt 3 eine Systemskizze für eine RGB-Beleuchtungseinheit eines HUD Bildgebers 104 (LCoS) und einen holografischen Strahlvereiniger 306.
Eine Wellenlängentrennung rot, grün und blau kann wie in 3 erfolgen. Durch Multiplexing können auch mehrere optische Funktionen unterschiedlichster Wellenlängen in einer holografischen Schicht 120, 122 mit geringem Effizienzverlust realisiert werden. Die Wiedergabe der Hologramme 120, 122 kann mit einer kommerziell erhältlichen Despeckling Einheit 314 erfolgen. Zusätzlich kann die Strahlvereinigung 306 vor der Despeckling Einheit 314 des roten, grünen und blauen Laserlichts durch einen holografischen Strahlvereiniger 306 realisiert werden.
Die Beugungs-Effizienzen der Einzelschichten 316, 318, 320 des Hologrammstapels 102 sind für rot bei einer Aufnahmewellenlänge λ_A = 633 nm, für grün bei einer Aufnahmewellenlänge λ_A = 532 nm und für blau bei einer Aufnahmewellenlänge λ_A = 450 nm für Rekonstruktionswellen mit variierenden Einfallswinkeln θ_Rek simuliert worden. Da es sich beim verwendeten Hologrammtyp um ein Transmissionsgitter handelt, werden neben den jeweiligen Sollwellenlängen auch die anderen Wellenlängen mit abweichenden Ausfallswinkeln am Gitter gebeugt. Die dadurch vorkommenden Störeffekte durch Farbverschiebungen (Regenbogeneffekt) können durch den Hologrammstapel 102 reduziert bzw. verhindert werden.
Aus den Ergebnissen der Simulation mit Raytrace berechnet sich die Beugungseffizienz der gesamten beschriebenen holografischen Beleuchtungseinheit 102 zu 32,979%. Dieser Wert ergibt sich aus den gebeugten Anteilen (T1) und den transmittierten Anteilen (T0) der einzelnen Wellenlängen an den Einzelschichten 316, 318, 320. Besonders vorteilhaft ist insbesondere die Kombination aus schmalbandigem Laserlicht, Despeckler Einheit 314 und einem dadurch sehr effizienten Hologrammstapel 102 zur Beleuchtung eines reflektierenden Imagers 104. Zusätzlich können beliebige optische Funktionen in den Hologrammstapel 102 gespeichert werden, was eine gezielte Strahlführung durch die HUD-Optik ermöglicht.
4 zeigt eine Prinzipdarstellung eines autostereoskopischen Strahlengangs 400 an einem Lichtformer 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Lichtformer 102 entspricht im Wesentlichen einem Lichtformer, wie er in den vorhergehenden Figuren der beschrieben ist. Der Lichtformer 102 ist hier in einem geringen Abstand zu einem Bildgeber 104 angeordnet. Der Lichtformer 102 weist hier zwei unterschiedliche Beugungscharakteristiken auf. Dabei ist eine Beugungscharakteristik für ein Bild des rechten Auges ausgebildet. Die andere Beugungscharakteristik ist für das Bild des rechten Auges ausgebildet. Für das rechte Bild wird der Lichtformer 102 von einer rechten Lichtquelle 110 angeleuchtet. Für das linke Bild wird der Lichtformer 102 von einer linken Lichtquelle 110 angeleuchtet. Die Lichtquellen 110 weisen wie in 3 jeweils drei separate Lichtquellen für die Farben rot, grün und blau auf. In diesem Ausführungsbeispiel weist das Licht der rechten Lichtquelle 110 einen flacheren Einfallswinkel auf, als das Licht der linken Lichtquelle 110. Das aus dem Lichtformer 102 ausfallende Licht für das rechte Bild weist einen flacheren Austrittswinkel auf, als dass aus dem Lichtformer 102 ausfallende Licht für das linke Bild.
5 zeigt eine Ablaufdarstellung einer Ansteuersequenz 500 von Lichtquellen und dem Bildgeber eines Sichtfeldanzeigegeräts bei einem autostereoskopischen Ansatz gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Ansteuersequenz 500 kann auf einem Sichtfeldanzeigegerät gemäß dem hier vorgestellten Ansatz ausgeführt werden. Mit der hier vorgestellten Ansteuersequenz 500 werden innerhalb einer Durchlaufzeit 502 eines Einzelbilds sechs unterschiedliche Teilbilder 504, 506, 508, 510, 512, 514 nacheinander dargestellt. Anschließend beginnt die Abfolge erneut. Dabei wird im ersten Teilbild 504 ein roter Bildinhalt eines linken Bilds dargestellt im zweiten Teilbild 506 wird ein grüner Bildinhalt eines rechten Bilds dargestellt. Im dritten Teilbild 508 wird ein blauer Bildinhalt des linken Bilds dargestellt. Im vierten Teilbild 510 wird der rote Bildinhalt des rechten Bilds dargestellt. Im fünften Teilbild 512 wird der grüne Bildinhalt des linken Bilds dargestellt. Im sechsten Teilbild 514 wird der blaue Bildinhalt des rechten Bilds dargestellt. Anschließend beginnt die Durchlaufzeit eines nachfolgenden Einzelbilds mit dem ersten Teilbild 504, in dem ein roter Bildinhalt eines linken Bilds des nachfolgenden Einzelbilds dargestellt wird.
Mit anderen Worten zeigt 5 eine Standard-Ansteuersequenz 500, die optimiert für minimalen Farbsaum bei Bewegung (Color Brake up) ist.
6 zeigt eine Ablaufdarstellung einer verlangsamten Ansteuersequenz 600 von Lichtquellen und dem Bildgeber eines Sichtfeldanzeigegeräts bei einem autostereoskopischen Ansatz gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Ansteuersequenz 600 kann auf einem Sichtfeldanzeigegerät gemäß dem hier vorgestellten Ansatz ausgeführt werden. Mit der hier dargestellten Ansteuersequenz 600 werden innerhalb einer Durchlaufzeit 502 eines Einzelbilds im Gegensatz zu dem in 5 dargestellten Ansatz lediglich vier unterschiedliche Teilbilder 504, 506, 512, 514 dargestellt. Im ersten Teilbild 504 wird also wie in 5 ein roter Bildinhalt eines linken Bilds dargestellt. Im zweiten Teilbild 506 wird ebenfalls ein grüner Bildinhalt eines rechten Bilds dargestellt. Im Gegensatz zu 5 folgt nun das sechste Teilbild 514, in dem ein blauer Bildinhalt des rechten Bilds dargestellt wird. Anschließend folgt das fünfte Teilbild 512, in dem ein grüner Bildinhalt des linken Bilds dargestellt wird. Im darauf folgenden Einzelbild wiederholt sich diese Ansteuersequenz 600.
Durch den hier vorgestellten Ansatz kann ein autostereoskopisches HUD (Head Up Display) zeitsequenziell umgesetzt werden.
Mit anderen Worten zeigt 6 eine Ansteuersequenz 600 bei Tieftemperatur, die optimiert für Farbkontrast bei höherer Schaltzeit ist, da die tiefe Temperatur eine geringere Display Framerate bewirkt.
7 zeigt eine Darstellung eines Lichtformers 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Lichtformer entspricht im Wesentlichen der Darstellung in 2. Hier trifft das einfallende Licht 118 in einem anderen Winkel, als einem vorgegebenen Winkel 700 auf die Einfalls-Hologrammstruktur 120. Der vorgegebene Winkel 700 ist hier wesentlich flacher, als der Winkel des einfallenden Lichts 112. der vorgegebene Winkel 700 ist hier durch eine gestrichelte Linie gezeigt. Dadurch wird das einfallende Licht 112 an der Einfalls-Hologrammstruktur 120 stärker gebrochen, sodass das aus der Einfalls-Hologrammstruktur 120 austretende Licht 702 von der Ausfalls-Hologrammstruktur 122 ebenfalls gebrochen wird. Daher trifft das aus der Ausfalls-Hologrammstruktur 122 austretende Licht 704 unter einem so flachen Winkel auf den Bildgeber 104, dass es nicht mehr durch den Lichtformer 102 zurückreflektiert werden kann.
Die hohe Winkelselektivität von Transmissionsgittern 120, 122 verhindert, dass Licht abweichend vom Sollwinkel von den nachfolgenden Schichten 122 gebeugt wird. Dies hier am Beispiel eines Hologrammverbunds 102 (holografischer Umlenker HOE1, rot, grün, blau) für eine grüne Rekonstruktionswelle (λ = 532 nm) dargestellt. Im beschriebenen Beispiel wird dabei das grüne Licht in einen Winkel abweichend vom Sollwinkel 700 gelenkt und kann daher von den nachfolgenden Schichten 122 nicht mehr gebeugt werden. Die Braggbedingung für das Gitter ist für die Wellenlänge und den Winkel nicht mehr erfüllt. Wird der Hologrammverbund 102, z. B. bestehend aus einem holografischen Umlenker (HOE1) in rot, grün und blau, aus der richtigen Richtung mit den richtigen Wellenlängen rekonstruiert nimmt das Licht den gewünschten Verlauf.
8 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 800 zum Formen von Licht gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das hier vorgestellte Verfahren 800 kann beispielsweise in einem Sichtfeldanzeigegerät, wie es beispielsweise in 1 dargestellt ist, ausgeführt werden. Das Verfahren 800 weist einen Schritt 802 des Ablenkens auf. Im Schritt 802 des Ablenkens wird aus einer Lichtquellenrichtung unter einem Einfallswinkel einfallendes Licht in eine Bildgeberrichtung abgelenkt. Aus der Bildgeberrichtung reflektiertes Licht wird unter einem Ausfallswinkel in einer Projektionsoptikrichtung abgelenkt.
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.

Claims

Lichtformer (102) für einen Bildgeber (104) eines Sichtfeldanzeigegeräts (100), wobei der Lichtformer (102) in einem Strahlengang (112) des Sichtfeldanzeigegeräts (100) anordenbar ist und einen Stapel aus zumindest einer Einfalls-Hologrammstruktur (120), sowie zumindest einer Ausfalls-Hologrammstruktur (122) aufweist, wobei die Einfalls-Hologrammstruktur (120) dazu ausgebildet ist, aus einer Lichtquellenrichtung unter einem Einfallswinkel (200) auf den Stapel einfallendes Licht (118) in eine Bildgeberrichtung abzulenken und die Ausfalls-Hologrammstruktur (122) dazu ausgebildet ist, aus der Bildgeberrichtung auf den Stapel einfallendes Licht (204) unter einem Ausfallswinkel (206) in eine Projektionsoptikrichtung abzulenken.
Lichtformer (102) gemäß Anspruch 1, bei dem der Stapel dazu ausgebildet ist, das aus der Lichtquellenrichtung einfallende Licht (118) und/oder das aus der Bildgeberrichtung einfallende Licht (204) von einer Seite des Stapels auf eine gegenüberliegende Seite des Stapels zu leiten und dabei abzulenken.
Lichtformer (102) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem die Einfalls-Hologrammstruktur (120) und/oder die Ausfalls-Hologrammstruktur (122) dazu ausgebildet ist, das Licht wellenlängenselektiv zu beugen.
Lichtformer (102) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem die Einfalls-Hologrammstruktur (120) und/oder die Ausfalls-Hologrammstruktur (122) eine an die Projektionsoptik (108) angepasste Ablenkcharakteristik aufweist.
Lichtformer (102) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem die Einfalls-Hologrammstruktur (120) und/oder die Ausfalls-Hologrammstruktur (122) eine erste farbselektive Hologrammschicht (316, 318, 320) und zumindest eine zweite farbselektive Hologrammschicht (316, 318, 320) aufweist, die gestapelt sind, wobei die erste Hologrammschicht (316) dazu ausgebildet ist, Licht mit einem ersten Wellenlängenbereich abzulenken und die zweite Hologrammschicht (318) dazu ausgebildet ist, Licht mit einem zweiten Wellenlängenbereich abzulenken.
Sichtfeldanzeigegerät (100) mit einem Lichtformer (102) für einen Bildgeber (104) des Sichtfeldanzeigegeräts (100), wobei der Lichtformer (102) in einem Strahlengang (112) des Sichtfeldanzeigegeräts (100) angeordnet ist und einen Stapel aus zumindest einer Einfalls-Hologrammstruktur (120) und zumindest einer Ausfalls-Hologrammstruktur (122) aufweist, wobei die Einfalls-Hologrammstruktur (120) dazu ausgebildet ist, von einer Lichtquelle (110) des Sichtfeldanzeigegeräts (100) unter einem Einfallswinkel (200) auf den Stapel einfallendes Licht (118) in Richtung des Bildgebers (104) abzulenken und die Ausfalls-Hologrammstruktur (122) dazu ausgebildet ist, aus Richtung des Bildgebers (104) auf den Stapel einfallendes Licht (204) unter einem Ausfallswinkel (206) in Richtung einer Projektionsoptik (108) des Sichtfeldanzeigegeräts (100) abzulenken.
Sichtfeldanzeigegerät (100) gemäß Anspruch 6, bei dem in dem Strahlengang (112) zwischen der Lichtquelle (110) und dem Lichtformer (102) ein Despeckler (314) angeordnet ist.
Sichtfeldanzeigegerät (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem die Lichtquelle (110) dazu ausgebildet ist, schmalbandiges Laserlicht (118) zu emittieren.
Sichtfeldanzeigegerät (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem der Bildgeber (104) dazu ausgebildet ist, von dem Lichtformer (102) einfallendes Licht (202) als Bildinformation (204) auf den Lichtformer (102) zurückzureflektieren.
Verfahren (800) zum Formen von Licht in einem Sichtfeldanzeigegerät (100), wobei das Verfahren (800) einen Schritt (802) des Ablenkens aufweist, in dem aus einer Lichtquellenrichtung unter einem Einfallswinkel (200) einfallendes Licht (118) in eine Bildgeberrichtung abgelenkt wird und aus der Bildgeberrichtung reflektiertes Licht (204) unter einem Ausfallswinkel (206) in einer Projektionsoptikrichtung abgelenkt wird.