DE102015215097A1

DE102015215097A1 - Projektionsvorrichtung für eine Bildgebereinheit eines Head-up-Displays, Bildgebereinheit, Verfahren zum Betreiben einer Projektionsvorrichtung und Verfahren zum Erzeugen eines Bildes in einem Head-up-Display

Info

Publication number: DE102015215097A1
Application number: DE102015215097.6A
Authority: DE
Inventors: Reinhold Fiess; Tobias Werner
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2015-08-07
Filing date: 2015-08-07
Publication date: 2017-02-09

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Projektionsvorrichtung für eine Bildgebereinheit (102) eines Head-up-Displays (100). Die Projektionsvorrichtung umfasst zumindest eine Lichtquelle zum Aussenden eines Lichtstrahls, zumindest eine Bilderzeugungseinheit zum Erzeugen eines Bildes (112) unter Verwendung des Lichtstrahls und zumindest eine Modulationseinheit, die ausgebildet ist, um durch Modulation des Lichtstrahls ein Specklemuster beim Erzeugen des Bildes (112) zu unterdrücken.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung oder einem Verfahren nach Gattung der unabhängigen Ansprüche. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Computerprogramm.
Aktuelle Head-up-Displays können eine Bildebene einer Bildgebereinheit, englisch picture generating unit oder kurz PGU genannt, mithilfe einer Head-up-Display-Optik auf ein virtuelles, vor einem Fahrzeug befindliches Bild abbilden. Der Fahrer nimmt dadurch das von der Bildgebereinheit erzeugte Bild vergrößert wahr. Dieses Bild kann mit einer Fahrszene überlagert sein und sich in definiertem Abstand vor einer Frontscheibe des Fahrzeugs auf einer virtuellen Leinwand befinden. Als bildgebende Elemente in der Bildgebereinheit können beispielsweise LCD-Module verwendet werden.
Offenbarung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz eine Projektionsvorrichtung für eine Bildgebereinheit eines Head-up-Displays, eine Bildgebereinheit für ein Head-up-Display, ein Verfahren zum Betreiben einer Projektionsvorrichtung für eine Bildgebereinheit eines Head-up-Displays sowie schließlich ein Verfahren zum Erzeugen eines Bildes in einem Head-up-Display gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Vorrichtung möglich.
Der hier beschriebene Ansatz schafft eine Projektionsvorrichtung für eine Bildgebereinheit eines Head-up-Displays, wobei die Projektionsvorrichtung folgende Merkmale aufweist:
zumindest eine Lichtquelle zum Aussenden eines Lichtstrahls;
zumindest eine Bilderzeugungseinheit zum Erzeugen eines Bildes unter Verwendung des Lichtstrahls; und
zumindest eine Modulationseinheit, die ausgebildet ist, um durch Modulation des Lichtstrahls ein Specklemuster beim Erzeugen des Bildes zu unterdrücken.
Unter einer Projektionsvorrichtung kann eine Vorrichtung zum Erzeugen und Projizieren eines Bildes zur Darstellung auf dem Head-up-Display verstanden werden. Beispielsweise kann es sich bei der Projektionsvorrichtung um einen Laserprojektor handeln. Unter einer Bildgebereinheit kann eine beispielsweise in ein Armaturenbrett eines Fahrzeugs integrierte Komponente des Head-up-Displays verstanden werden. Je nach Ausführungsform kann die Bildgebereinheit zusätzlich zur Projektionsvorrichtung verschiedene optische Elemente wie Spiegel, Linsen oder Hologramme zum Umlenken oder Fokussieren des Lichtstrahls, etwa auf eine Frontscheibe oder eine Combinerscheibe, aufweisen. Bei der Lichtquelle kann es sich insbesondere um eine Laserquelle in Form einer Laserdiode zum Aussenden eines Laserstrahls handeln. Beispielsweise kann die Projektionsvorrichtung zumindest drei solcher Lichtquellen zum Aussenden von Lichtstrahlen unterschiedlicher Wellenlängenbereiche aufweisen. Unter einer Bilderzeugungseinheit kann beispielsweise ein Digital-Light-Processing-Chip, kurz DLP-Chip, oder ein Liquid-Crystal-on-Silicon-Chip, kurz LCoS-Chip, verstanden werden. Beispielsweise kann die Bilderzeugungseinheit von dem Lichtstrahl hinterleuchtet werden. Unter einer Modulationseinheit kann eine Einheit zum Verändern von Phasenbedingungen bezüglich des Lichtstrahls verstanden werden. Beispielsweise kann es sich bei der Modulationseinheit um eine Streufläche, insbesondere um eine holografische Streufläche, handeln.
Unter einem Specklemuster, auch Lichtgranulation oder kurz Speckle genannt, kann ein körniges Interferenzphänomen verstanden werden, das zu einer Verschlechterung einer Darstellungsqualität des Bildes führen kann.
Der hier vorgestellte Ansatz beruht auf der Erkenntnis, dass es durch Integration einer geeigneten Lichtmodulationseinheit in eine Projektionsvorrichtung für ein Head-up-Display möglich ist, die Bildung von Specklemustern bereits beim Erzeugen von Bildern innerhalb der Projektionsvorrichtung wirksam zu unterdrücken. Dadurch kann die Darstellungsqualität des Head-up-Displays deutlich verbessert werden.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Projektionsvorrichtung mit zumindest einer Homogenisierungseinheit zum Homogenisieren des Lichtstrahls und, zusätzlich oder alternativ, mit einer Kollimationseinheit zum Kollimieren des Lichtstrahls realisiert sein. Unter einer Homogenisierungseinheit kann beispielsweise ein Mikrolinsenarray verstanden werden. Bei der Kollimationseinheit kann es sich etwa um eine Kollimationslinse handeln. Dadurch kann der Lichtstrahl innerhalb der Projektionsvorrichtung homogenisiert oder kollimiert werden.
Hierbei kann die Homogenisierungseinheit der Modulationseinheit nachgeschaltet sein. Zusätzlich oder alternativ kann die Kollimationseinheit der Modulationseinheit nachgeschaltet sein. Dadurch kann ein von der Modulationseinheit modulierter Lichtstrahl entweder homogenisiert oder kollimiert oder sowohl homogenisiert als auch kollimiert werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Kollimationseinheit zwischen der Homogenisierungseinheit und der Modulationseinheit angeordnet sein. Dadurch kann der Lichtstrahl zunächst kollimiert und anschließend homogenisiert werden. Dadurch kann eine besonders wirksame Unterdrückung des Specklemusters erreicht werden.
Es ist ferner vorteilhaft, wenn die Modulationseinheit als eine Streufläche mit einer elektrisch auslenkbaren Streuflächenmembran zum Modulieren des Lichtstrahls ausgeführt ist. Eine derartige Modulationseinheit bietet den Vorteil einer hohen Genauigkeit und einer langen Lebensdauer.
Zudem kann die Projektionsvorrichtung zumindest ein optisches Element zum Umlenken und/oder Fokussieren des Lichtstrahls auf die Bilderzeugungseinheit aufweisen. Bei dem optischen Element kann es sich etwa um eine Linse oder einen Spiegel handeln. Dadurch kann die Projektionsvorrichtung möglichst kompakt ausgeführt werden.
Der hier vorgestellte Ansatz schafft ferner eine Bildgebereinheit für ein Head-up-Display, wobei die Bildgebereinheit zumindest eine Projektionsvorrichtung gemäß einer der vorstehenden Ausführungsformen aufweist.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Bildgebereinheit zumindest ein holografisches Element zum Projizieren eines von der Projektionsvorrichtung erzeugten Bildes in einen Sichtbereich eines Betrachters des Head-up-Displays aufweisen. Unter einem holografischen Element, auch holografisch-optisches Element oder kurz HOE genannt, kann beispielsweise ein Film oder eine Folie verstanden werden, in die etwa mittels Laserstrahlung eine optische Funktion eingeprägt wurde. Beispielsweise kann das holografische Element ausgebildet sein, um einfallende Lichtstrahlen eines bestimmten Wellenlängenbereichs zu beugen und einfallende Lichtstrahlen außerhalb dieses Wellenlängenbereichs durchzulassen. Durch die Verwendung einer holografischen Projektionsfläche mit angepasster optischer Funktion in Form des holografischen Elements kann eine hohe Effizienz des Gesamtsystems erreicht werden. Ferner kann durch diese Ausführungsform Crosstalkbildung durch Beugung an dem holografischen Element selbst vermieden werden. Von Vorteil ist auch, dass das holografische Element auf einen sehr kurzen Projektionsabstand ausgelegt sein kann, da die Einstrahlwinkel durch die Aufnahme des holografischen Elements bedingt sind, statt geometrisch zu einer gewünschten Abstrahlrichtung passen zu müssen. Durch diesen geringen Projektionsabstand kann der Bauraum der Bildgebereinheit reduziert werden.
Hierbei kann die Projektionsvorrichtung ausgebildet sein, um je nach Ausführungsform ein erstes Teilbild oder ein zweites Teilbild eines stereoskopischen Bildes zu erzeugen. Entsprechend kann das holografische Element einen ersten Teilabschnitt zum Projizieren des ersten Teilbildes in einen Strahlengang zu einem ersten Auge des Betrachters und, zusätzlich oder alternativ, einen zweiten Teilabschnitt zum Projizieren des zweiten Teilbildes in einen Strahlengang zu einem zweiten Auge des Betrachters aufweisen. Dadurch kann die Bildgebereinheit zur Realisierung eines autostereoskopischen Head-up-Displays verwendet werden. Vorteilhafterweise kann hierbei eine jeweilige Eyebox für das erste und das zweite Auge scharf begrenzt und homogen realisiert werden. Ferner können durch die Verwendung nur einer Projektionsvorrichtung Kosten und Bauraum gespart werden.
Von Vorteil ist auch, wenn zwischen dem ersten Teilabschnitt und dem zweiten Teilabschnitt ein Strahlteiler angeordnet ist, der ausgebildet ist, um ein von dem ersten Teilabschnitt projiziertes erstes Teilbild in eine von dem zweiten Teilabschnitt abgewandte Richtung zu reflektieren und, zusätzlich oder alternativ, ein von dem zweiten Teilabschnitt projiziertes zweites Teilbild auf eine dem ersten Teilabschnitt zugewandte Seite des Strahlteilers durchzulassen. Bei dem Strahlteiler kann es sich beispielsweise um einen holografischen, dielektrischen oder auf Basis von Wire-Grid-Technologie realisierten Strahlteiler handeln. Dadurch wird mit verhältnismäßig geringem Aufwand eine präzise Trennung der beiden Teilbilder ermöglicht.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Bildgebereinheit drehbar angeordnet sein. Zusätzlich oder alternativ kann auch das holografische Element drehbar angeordnet sein. Dadurch wird eine einfache mechanische Nachführung des Bildes oder der Teilbilder entsprechend einer Kopfbewegung des Betrachters ermöglicht. Beispielsweise kann hierbei das holografische Element als reflexives holografisches Element ausgebildet sein. Dadurch kann die mechanische Nachführung im Zusammenhang mit einem autostereoskopischen Head-up-Display erleichtert werden, da es hierzu ausreichen kann, lediglich das holografische Element zu drehen.
Zudem kann die Bildgebereinheit mit zumindest einer weiteren Projektionsvorrichtung realisiert sein. Hierbei kann die Projektionsvorrichtung ausgebildet sein, um das erste Teilbild zu erzeugen. Entsprechend kann die weitere Projektionsvorrichtung ausgebildet sein, um das zweite Teilbild zu erzeugen. Beispielsweise können die beiden Projektionsvorrichtungen unterschiedliche Abstrahlrichtungen aufweisen. Durch diese Ausführungsform können die beiden Teilbilder unabhängig voneinander erzeugt werden.
Des Weiteren schafft der hier beschriebene Ansatz eine Frontscheibe für ein Fahrzeug, wobei die Frontscheibe ein Hologramm zum Projizieren eines von einer Bildgebereinheit gemäß einer der vorstehenden Ausführungsform erzeugten Bildes in einen Sichtbereich eines Fahrers des Fahrzeugs aufweist. Unter einem Hologramm kann ein holografisch-optisches Element verstanden werden. Dadurch kann auf die Verwendung zusätzlicher Spiegel oder sonstiger Reflexionselemente zum Umlenken des Bildes verzichtet werden.
Zudem schafft der hier vorgeschlagene Ansatz ein Verfahren zum Betreiben einer Projektionsvorrichtung gemäß einer der vorstehenden Ausführungsformen, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
Aktivieren der Lichtquelle, um den Lichtstrahl auszusenden;
Ansteuern der Bilderzeugungseinheit, um unter Verwendung des Lichtstrahls das Bild zu erzeugen; und
Bereitstellen eines Modulationssignals, um den Lichtstrahl mittels der Modulationseinheit derart zu modulieren, dass beim Erzeugen des Bildes das Specklemuster unterdrückt wird.
Die Schritte des Ansteuerns und Bereitstellens können ansprechend auf das Aktivieren der Lichtquelle durchgeführt werden. Hierbei können die Schritte des Ansteuerns und Bereitstellens gleichzeitig durchgeführt werden.
Schließlich schafft der hier vorgestellte Ansatz ein Verfahren zum Erzeugen eines Bildes in einem Head-up-Display, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
Aussenden eines Lichtstrahls;
Erzeugen des Bildes unter Verwendung des Lichtstrahls; und
Modulieren des Lichtstrahls, um ein Specklemuster beim Erzeugen des Bildes zu unterdrücken.
Diese Verfahren können beispielsweise in Software oder Hardware oder in einer Mischform aus Software und Hardware beispielsweise in einem Steuergerät implementiert sein.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
1 eine schematische Darstellung eines Aufbaus eines Head-up-Displays mit einer Bildgebereinheit gemäß einem Ausführungsbeispiel;
2 eine schematische Darstellung einer prinzipiellen Funktionsweise eines autostereoskopischen Head-up-Displays mit einer Bildgebereinheit gemäß einem Ausführungsbeispiel;
3 eine schematische Darstellung einer Projektionsvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
4 eine schematische Darstellung einer Bildgebereinheit gemäß einem Ausführungsbeispiel;
5 eine schematische Darstellung einer Bildgebereinheit gemäß einem Ausführungsbeispiel;
6 eine schematische Darstellung einer Projektionsvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
7 eine schematische Darstellung einer Bildgebereinheit gemäß einem Ausführungsbeispiel;
8 eine schematische Darstellung einer Bildgebereinheit gemäß einem Ausführungsbeispiel;
8 eine schematische Darstellung einer drehbar angeordneten Bildgebereinheit mit zwei Projektionsvorrichtungen gemäß einem Ausführungsbeispiel;
9 eine schematische Darstellung einer Bildgebereinheit mit zwei Projektionsvorrichtungen gemäß einem Ausführungsbeispiel;
10 eine schematische Darstellung einer Bildgebereinheit mit zwei Projektionsvorrichtungen gemäß einem Ausführungsbeispiel;
11 eine schematische Darstellung einer drehbar angeordneten Bildgebereinheit gemäß einem Ausführungsbeispiel;
12 zeigt eine schematische Darstellung einer Bildgebereinheit mit drehbar angeordnetem holografischem Element gemäß einem Ausführungsbeispiel;
13 eine schematische Darstellung eines Strahlengangs beim Aufnehmen eines holografischen Elements gemäß einem Ausführungsbeispiel;
14 eine schematische Darstellung eines Strahlengangs beim Abspielen eines holografischen Elements gemäß einem Ausführungsbeispiel;
15 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben einer Projektionsvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
16 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Erzeugen eines Bilds in einem Head-up-Display gemäß einem Ausführungsbeispiel.
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 eines Aufbaus eines Head-up-Displays 100 mit einer Bildgebereinheit 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Head-up-Display 100 ist in ein Fahrzeug 104 eingebaut. Die Bildgebereinheit 102 ist ausgebildet, um ein Bild zu erzeugen, das über eine Head-up-Display-Optik 106, hier einen Spiegel, auf eine Frontscheibe 108 des Fahrzeugs 104 projiziert wird, sodass ein Fahrer 110 das Bild auf einer virtuellen Leinwand 112 als virtuelles Bild hinter der Frontscheibe 108 wahrnimmt. Hierzu weist die Bildgebereinheit 102 beispielsweise einen Laserprojektor mit integrierter, zeitlich modulierter Streufläche zur Speckleunterdrückung auf, wie sie nachfolgend näher beschrieben wird.
Bei dem dargestellten virtuellen Bild handelt es sich um eine vergrößerte Abbildung eines von der Bildgebereinheit 102 erzeugten Bildes. Die Head-up-Display-Optik 106 ist ausgebildet, um die Abbildung entsprechend zu vergrößern. Hierbei nimmt die erforderliche Vergrößerung mit dem Abstand der virtuellen Leinwand 112 zu. Entsprechend sollte das von der Bildgebereinheit 102 erzeugte Bild stärker vergrößert werden, um in größerem Abstand das gewünschte Sichtfeld des Fahrers 110 einzunehmen. Bei Head-up-Displays beträgt der Abstand der virtuellen Leinwand 112 beispielsweise etwa 3 m und bei den Augmented Reality Bereich abdeckenden Head-up-Displays bis etwa 15 m.
Im umgekehrten Lichtweg kann die Vergrößerung der Head-up-Display-Optik 106 bei Einstrahlung von Sonnenlicht zu einer Fokussierung des Sonnenlichts auf der Bildgebereinheit 102 führen. Diese kann dadurch aufgeheizt werden und Temperaturen erreichen, die sie im schlimmsten Fall zerstören können. Vor allem bei auf LCD-Modulen basierenden Systemen kann eine derartige Temperaturerhöhung kritisch sein, da die LCD-Module bereits bei einer Temperatur von 100 °C permanenten Schaden nehmen können. Ab ca. 95 °C kann es zur Delamination der Polfilter kommen, ab ca. 105 °C kann ein isotroper Flüssigkristall entstehen und ab ca. 125 °C kann der Flüssigkristall permanenten Schaden nehmen.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer prinzipiellen Funktionsweise eines autostereoskopischen Head-up-Displays 100 mit einer Bildgebereinheit 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Im Unterschied zu 1 ist das in 2 gezeigte Head-up-Display 100 als autostereoskopisches Head-up-Display-System zur Erzeugung separater Teilbilder für das linke und das rechte Auge des Fahrers 110 realisiert. Dadurch kann ein 3-D-Effekt erzeugt werden. Die Bildgebereinheit 102 kann dazu bereits die beiden Teilbilder erzeugen. Über die Head-up-Display-Optik 106 wird das Licht der Teilbilder dann dem jeweiligen Auge in einer kleineren Eyebox zur Verfügung gestellt.
Hierbei können die beiden Teilbilder für linkes und rechtes Auge am Display der Bildgebereinheit 102 in unterschiedliche Richtungen abgestrahlt werden, um über die Head-up-Display-Optik 106 dem jeweiligen Auge zugeführt werden zu können. Dazu eignen sich beispielsweise projektionsbasierte Systeme auf Basis von DLP- oder LCoS-Projektoren. Eine entsprechende Bildgebereinheit kann beispielsweise auf zwei LED-Projektoren basieren.
3 zeigt eine schematische Darstellung einer Projektionsvorrichtung 300 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Bei der Projektionsvorrichtung 300 handelt es sich etwa um eine Komponente einer vorangehend anhand der 1 und 2 beschriebenen Bildgebereinheit. Die Projektionsvorrichtung 300 ist mit einer Lichtquelle 302, einer Bilderzeugungseinheit 304 sowie einer Modulationseinheit 306 realisiert. Die Lichtquelle 302 ausgebildet, um einen Lichtstrahl 308 auszusenden, der auf die Bilderzeugungseinheit 304 trifft. Mittels des Lichtstrahls 308 erzeugt die Bilderzeugungseinheit 304 ein Bild zur Darstellung über das Head-up-Display. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel befindet sich die Modulationseinheit 306 zwischen der Lichtquelle 302 und der Bilderzeugungseinheit 304 im Strahlengang des Lichtstrahls 308. Die Modulationseinheit 306 ist ausgebildet, um den Lichtstrahl 308 vor dem Auftreffen auf die Bilderzeugungseinheit 304 derart zu modulieren, dass beim Erzeugen des Bildes durch die Bilderzeugungseinheit 304 die Entstehung eines sichtbaren Specklemusters im Bild vermieden wird. Dabei entsteht das Specklemuster zwar immer noch, ändert sich aber zeitlich so schnell, dass das Auge im Mittel wieder homogene Flächen wahrnimmt.
Die Modulationseinheit 306 wird beispielsweise von einem Steuergerät 310 des Head-up-Displays mittels eines entsprechenden Modulationssignals 312 angesteuert.
4 zeigt eine schematische Darstellung einer Bildgebereinheit 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Bildgebereinheit 102 umfasst die Projektionsvorrichtung 300 und eine weitere Projektionsvorrichtung 400, die gemäß diesem Ausführungsbeispiel als LED-Projektoren mit einer Leuchtdiode als Lichtquelle 302 realisiert sind. Zusätzlich zur Lichtquelle 302 weisen die beiden Projektionsvorrichtungen 300, 400 zwei weitere Lichtquellen 402, 404 in Form von Leuchtdioden auf. Die drei Lichtquellen 302, 402, 404 senden Licht in den verschiedenen Grundfarben aus. Das Licht wird mittels dreier Linsen kollimiert und mit dielektrischen Spiegeln überlagert. Über ein TIR-Prisma 406 (TIR = Total Internal Reflection; „Totalreflexion“) wird das Licht auf einen DLP-Chip als Bilderzeugungseinheit 304 geleitet. Die Mikrospiegel auf der Bilderzeugungseinheit 304 lenken das Licht so um, dass es im TIR-Prisma 406 den Winkel der Totalreflexion überschreitet und dadurch in Richtung eines jeweiligen Objektivs 408 der Projektionsvorrichtungen 300, 400 abgelenkt wird. Die Projektionsvorrichtungen 300, 400 sind dabei leicht versetzt zueinander angeordnet, sodass die beiden Teilbilder auf einer Projektionsfläche 410 in leicht unterschiedliche Richtungen abstrahlen, um die entsprechende Eyebox zu treffen. Bei der Projektionsfläche 410 handelt es sich etwa um eine Streufläche oder einen Mikrolinsenarray.
Streuflächen, die in enge Winkel abstrahlen, um schmale Eyeboxen zu erzeugen, können zu einer Granulation im Bildinhalt führen. Durch eine Streuung in Form eines Gauß-Profils kann ferner die Helligkeit zum Rand der Eyebox hin abnehmen. Dadurch kann der Fahrer unterschiedlich helle und somit inhomogene Bilder wahrnehmen, wenn er sein Auge innerhalb einer Eyebox bewegt. Bei der Verwendung von Mikrolinsenarrays lassen sich zudem chromatische Effekte beobachten, die zu Farbverläufen im Bild führen können. Außerdem können kleine Mikrolinsen unter Umständen beugend wirken und daher zu einem Übersprechen eines Teilbildes in das falsche Auge führen. Zudem kann die Abbildung der Mikrolinsenstruktur, insbesondere durch die Vergrößerung der Head-up-Display-Optik, als Linsengitter im Bild wahrgenommen werden. Durch die Verwendung einer holographischen Projektionsfläche in Verbindung mit einer laserbasierten Projektionsvorrichtung mit integrierter Speckleunterdrückung können derartige Einbußen in der Bildqualität größtenteils verhindert werden. Dazu ist anzumerken, dass der zuvor beschriebene Ansatz mit LED-Projektoren zu den genannten Problemen (Beugung, Übersprechen, Eyeboxinhomogenitäten, Abbildung der Linsenstruktur) führen kann. Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird diese Problematik durch den Einsatz einer holographischen Projektionsfläche gelöst, die wiederum Laserbeleuchtung mit schmalen Spektren der drei verwendeten Farben erfordert. Laserbeleuchtung bringt wiederum die Speckleproblematik mit sich, welche mit der Speckleunterdrückung gelöst wird.
5 zeigt eine schematische Darstellung einer Bildgebereinheit 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Im Unterschied zu 4 basiert die Bildgebereinheit 102 gemäß diesem Ausführungsbeispiel auf einem einzelnen Laserprojektor als Projektionsvorrichtung 300. Gezeigt ist eine Generierung eines einzelnen Teilbildes mittels der Projektionsvorrichtung 300. Dazu wird das Licht der drei Lichtquellen 302, 402, 404, hier Laserdioden, innerhalb der Projektionsvorrichtung 300 kollimiert und mit dielektrischen Spiegeln überlagert. Der vereinigte Strahl wird dann über die Bilderzeugungseinheit 304 in Form eines beweglich angeordneten Mikrospiegels umgelenkt, der durch seine Bewegung die Projektionsfläche 410 im Flying-Spot-Verfahren abrastert. Die drei Lichtquellen 302, 402, 404 werden zeitlich moduliert, um die einzelnen Pixel in den Grundfarben Rot, Grün und Blau auf die Projektionsfläche 410 zu schreiben. Dieses Verfahren ist sowohl mit einer Streufläche als auch mit einem Mikrolinsenarray als Projektionsfläche 410 realisierbar.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die Bildgebereinheit 102 statt der Projektionsfläche 410 ein holografisches Element auf. Durch die Verwendung eines solchen holografischen Elements können chromatische Effekte sowie die Abbildung eines Pixelrasters vermieden werden. Eine zusätzliche Granulation durch Specklebildung aufgrund der diskreten Wellenlängen des Laserlichtes kann durch die hier nicht dargestellte Modulationseinheit der Projektionsvorrichtung 300 unterdrückt werden.
6 zeigt eine schematische Darstellung einer Projektionsvorrichtung 300 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Bei der Projektionsvorrichtung 300 handelt es sich beispielsweise um eine Projektionsvorrichtung, wie sie vorangehend anhand der 1 bis 5 beschrieben ist. Die Projektionsvorrichtung 300 ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel als Laserbeamer realisiert. Dargestellt sind die drei Lichtquellen 302, 402, 404 in Form dreier Laserdioden, deren Licht den Lichtstrahl 308 ergibt. Vor jeder der drei Lichtquellen befindet sich eine Kollimationslinse 600 zum Kollimieren des jeweils ausgesandten Lichts. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel sendet die Lichtquelle 302 blaues Licht, die Lichtquelle 402 rotes Licht und die Lichtquelle 404 grünes Licht aus.
Ferner ist die Projektionsvorrichtung 300 mit einer optionalen Homogenisierungseinheit 602, hier einem Mikrolinsenarray, und einer optionalen Kollimationseinheit 604, hier einer Kollimationslinse, ausgeführt, die gemäß diesem Ausführungsbeispiel zwischen der Homogenisierungseinheit 602 und der Modulationseinheit 306 im Strahlengang des Lichtstrahls 308 angeordnet ist.
Wie in 6 gezeigt, kann die Projektionsvorrichtung 300 mit zumindest einem zusätzlichen optischen Element zum Umlenken oder Fokussieren des Lichtstrahls 308 realisiert sein. So umfasst die Projektionsvorrichtung 300 gemäß 6 beispielsweise eine der Homogenisierungseinheit 602 nachgeschaltete Projektionslinse 606, die ausgebildet ist, um den von der Homogenisierungseinheit 602 homogenisierten Lichtstrahl 308 auf einen Umlenkspiegel 608 zu projizieren. Der Umlenkspiegel 608 ist ausgebildet, um den Lichtstrahl 308 auf eine weitere Projektionslinse 610 umzulenken, die den Lichtstrahl 308 weiter auf die Bilderzeugungseinheit 304, hier beispielhaft als DLP-Chip realisiert, lenkt. Das TIR-Prisma 406 ist benachbart zur Bilderzeugungseinheit 304 angeordnet und ausgebildet, um den von der Bilderzeugungseinheit 304 ausgesandten Lichtstrahl 308 in das Objektiv 408 zu lenken. Über das Objektiv 408 tritt der Lichtstrahl 308 aus der Projektionsvorrichtung 300 aus.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird auf eine Laserprojektion mit integrierter Specklereduzierung zurückgegriffen, um die in diesem System entstehenden Specklemuster zu unterdrücken. 6 zeigt beispielhaft ein optisches Design einer entsprechenden Projektionsvorrichtung in Form eines Beamers.
Hierbei werden die mittels der drei Kollimationslinsen 600 kollimierten Strahlen dreier Laserdioden als Lichtquellen 302, 402, 404 in den verschiedenen Grundfarben mittels dielektrischer Spiegel überlagert und auf eine Streufläche als Modulationseinheit 306 geleitet. Die Modulationseinheit 306 ist ausgebildet, um den Lichtstrahl 308 in einen bestimmten Winkelbereich zu streuen. Dabei wird die Modulationseinheit 306 zeitlich schnell moduliert. Bei der Modulation handelt es sich etwa um eine hochfrequent variierte, mechanische Spannung an einer Streuflächenmembran der Modulationseinheit 306. Mit dieser Modulation wird auch das entstehende Specklemuster im wahrgenommenen Bild moduliert, wobei das menschliche Auge über die entstandenen Specklemuster integriert. Dadurch werden die wahrgenommenen Specklemuster effektiv unterdrückt oder zumindest reduziert.
Das durch die Modulationseinheit 306 aufgeweitete Licht wird mittels der Kollimationseinheit 604 wiederum kollimiert, mittels der Homogenisierungseinheit 602 in Form eines Mikrolinsenarrays homogenisiert und über die Projektionslinsen 606, 610 und den Umlenkspiegel 608 auf die Bilderzeugungseinheit 304 in Form des DLP-Chips gelenkt. Die einzelnen Mikrospiegel der Bilderzeugungseinheit 304 lenken das Licht aktiver Pixel so um, dass es über die Reflexion im TIR-Prisma 406 in Richtung des Objektivs 408 gelenkt wird.
Bei konventionellen Flying-Spot-Laserprojektoren ist die Integration einer derartigen Specklereduzierung in der Regel nur schwer oder nicht realisierbar, da der Lichtstrahl durchgehend kollimiert bleiben sollte, um, über die Bilderzeugungseinheit 304 umgelenkt, die Projektionsfläche der Bildgebereinheit abrastern zu können. Erst durch eine homogenisierte Beleuchtung eines Bildgeberchips, d. h. der Bilderzeugungseinheit 304, wird die Möglichkeit geschaffen, innerhalb der Hinterleuchtung dieses Chips die Modulationseinheit 306, etwa in Form einer modulierten Streufläche, einzubringen.
Alternativ ist die Projektionsvorrichtung 300 mit einem LCoS-Chip als Bilderzeugungseinheit 304 realisiert. Vorteilhafterweise können für eine Positionsvorrichtung 300 gemäß dem in 6 gezeigten Ausführungsbeispiel kleine, kostengünstige DLP-Chips als Bilderzeugungseinheit 304 verwendet werden, da diese über das Objektiv des Beamers vorvergrößert werden können, bevor die Vergrößerung durch die abbildende Head-up-Display-Optik stattfindet.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Laserbeleuchtung von sich aus polarisiert, sodass bei Verwendung eines auf polarisiertem Licht basierenden LCoS-Chips eine hohe Effizienz erreicht werden kann. Der Füllfaktor eines solchen LCoS-Chips kann gegenüber dem Füllfaktor eines DLP-Chips erhöht sein. Durch das Umklappen der einzelnen kleinen Spiegelflächen des DLP-Chips können bei Laserbeleuchtung ebenfalls Speckleeffekte auftreten, die durch die Modulationseinheit 306 kompensiert werden können. Durch die Verwendung eines reflektiv arbeitenden LCoS-Chips als Modulationseinheit 306 kann hingegen die Specklebildung durch die Kanten der einzelnen Spiegelflächen und ein daraus resultierender Specklekontrast des Systems weiter vermindert werden.
7 zeigt eine schematische Darstellung einer Bildgebereinheit 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Bildgebereinheit 102 entspricht im Wesentlichen der anhand von 5 beschriebenen Bildgebereinheit, mit dem Unterschied, dass die Bildgebereinheit 102 gemäß dem in 7 gezeigten Ausführungsbeispiel ein holografisches Element 700 als Projektionsfläche zum Projizieren eines von der Projektionsvorrichtung 300 erzeugten Bildes, genauer zweier Teilbilder eines stereoskopischen Bildes, in einen Sichtbereich des Betrachters des Head-up-Displays aufweist. Gemäß 7 ist die Projektionsvorrichtung 300 angeordnet, um das holografische Element 700 mit dem die beiden Teilbilder repräsentierenden Lichtstrahl 308 zu beleuchten.
Das holografische Element 700 ist ausgebildet, um den Lichtstrahl 308 in einen ein erstes Teilbild des stereoskopischen Bildes repräsentierenden ersten Teilstrahl 702 und einen ein zweites Teilbild des stereoskopischen Bildes repräsentierenden zweiten Teilstrahl 704 zu teilen. Das Teilen des Lichtstrahls 308 in die beiden Teilstrahlen 702, 704 erfolgt derart, dass der erste Teilstrahl 702 in einen Strahlengang zu einem linken Auge des Betrachters, gekennzeichnet durch den Buchstaben L, und der zweite Teilstrahl 704 in einen Strahlengang zu einem rechten Auge des Betrachters, gekennzeichnet durch den Buchstaben R, gelenkt wird.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist das holografische Element 700 mit einem ersten Teilabschnitt 706 und einem an den ersten Teilabschnitt 706 angrenzenden zweiten Teilabschnitt 708 zum Teilen des Lichtstrahls 308 ausgebildet. Beispielsweise entsprechen die beiden Teilabschnitte 706, 708 zwei in etwa gleich großen Hälften des holografischen Elements 700. Zwischen den beiden Teilabschnitten 706, 708 ist auf einer von der Projektionsvorrichtung 300 abgewandten Seite des holografischen Elements 700 ein Strahlteiler 710 angeordnet. Beispielhaft ist der Strahlteiler 710 gemäß 7 im Wesentlichen senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene des holografischen Elements 700 ausgerichtet. Der Strahlteiler 710 ist ausgebildet, um den von dem ersten Teilabschnitt 706 durchgelassenen ersten Teilstrahl 702 in eine von dem zweiten Teilabschnitt 708 abgewandte Richtung in den Strahlengang zum linken Auge zu reflektieren und den von dem zweiten Teilabschnitt 708 durchgelassenen zweiten Teilstrahl 704 auf eine dem ersten Teilabschnitt 706 zugewandte Seite des Strahlteilers 710 durchzulassen, sodass der zweite Teilstrahl 704 in den Strahlengang zum rechten Auge gelenkt wird.
Die Bildgebereinheit 102 dient beispielsweise zur Realisierung eines autostereoskopischen Laserprojektions-Head-up-Displays mit nur einem Projektor und integrierter Specklereduktion. In 7 ist beispielhaft ein entsprechender Aufbau der Bildgebereinheit 102 gezeigt. Dabei wird ein von der als Laserprojektor realisierten Projektionsvorrichtung 300 erzeugtes Bild auf das holografische Element 700 projiziert, das in die zwei Teilabschnitte 706, 708 untergliedert ist. Die eine Bildhälfte repräsentiert das erste Teilbild, während die andere Bildhälfte das zweite Teilbild repräsentiert.
Das ursprüngliche Bild der Projektionsvorrichtung 300 kann je nach Ausführungsbeispiel horizontal oder vertikal geteilt werden. Die beiden Teilbilder werden beispielsweise mithilfe eines holografischen Strahlteilers 710 überlagert.
Durch die Verwendung des holografischen Elements 700 zur Trennung der beiden Teilbilder können stark voneinander abweichende Abstrahlrichtungen der Teilbilder erreicht werden, obwohl beide Teilbilder durch die Projektionsvorrichtung 300 aus dem gleichen Punkt heraus projiziert werden. Dadurch kann ein refraktives Umlenken der beiden Teilbilder entfallen, wodurch die Abbildung der beiden Teilbilder verbessert werden kann.
Der Strahlteiler 710 ist derart an dem holografischen Element 700 angeordnet, dass er für das vom ersten Teilabschnitt 706 kommende Teilbild als Spiegel wirkt. Das vom zweiten Teilabschnitt 708 kommende Licht tritt unter einem anderen, etwa um eine Oberflächennormale gespiegelten Winkel auf den Strahlteiler 710. Durch die Winkelselektivität des holografischen Strahlteilers 710 ist der Strahlteiler 710 für das vom zweiten Teilabschnitt 708 kommende Licht nicht wirksam. Das Licht wird also durchgelassen. Durch den holografischen Strahlteiler 710 und der damit verbundenen Winkelselektivität wird die Bildung eines Doppelbildes vermieden.
Alternativ ist der Strahlteiler 710 beispielsweise auf dielektrischer Basis oder auf Basis von Wire-Grid-Technologie realisiert.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist ein Laserprojektions-Head-up-Display einen Laserbeamer mit integrierter, zeitlich modulierter Streufläche zur Speckleunterdrückung und eine holografische Streufläche mit speziell auf die Head-up-Display-Optik angepasster optischer Funktion auf. Im Falle der Realisierung eines autostereoskopischen Head-up-Displays ist diese holografische Streufläche in der Lage, einzelne, scharf begrenzte Eyeboxen für beide Augen auszubilden. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist das autostereoskopische Head-up-Display mit nur einem Laserbeamer als Projektionsvorrichtung realisiert.
Durch die Verwendung von Streuflächen bei projektionsbasierten Bildgebereinheiten können Effekte wie beispielsweise Granulation im Bild, Kontrastminderung oder Auflösungsverluste entstehen. Ferner kann die Formbarkeit der Eyeboxen bei autostereoskopischen Head-up-Displays eingeschränkt sein. Auf Mikrolinsenarrays basierende Projektionsflächen können ebenfalls zu Einschränkungen in der Eyeboxformung sowie unter anderem zu chromatischen Effekten führen. Bei autostereoskopischen Head-up-Displays kann durch Beugung an den Mikrolinsenstrukturen zudem Crosstalk entstehen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel basiert ein entsprechendes Head-up-Display auf einer Laserprojektion als Projektionsvorrichtung, die mit einer holografischen Streufläche kombiniert wird. Die Projektionsvorrichtung ist mit einem bildgebenden Chip, vorangehend auch Bilderzeugungseinheit genannt, ausgeführt und beinhaltet eine effektive Specklereduzierung durch eine innerhalb des Laserprojektors befindliche Modulationseinheit in Form einer zeitlich modulierten Streufläche. In die beispielsweise holografische Streufläche ist eine speziell an die Head-up-Display-Optik angepasste Funktion eingebracht, die zu scharf abgegrenzten und homogenen Eyeboxen führt.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Bildgebereinheit 102 mit einem weiteren Hologramm in Form des holografischen Elements 700 realisiert. Dadurch ist es möglich, eine autostereoskopische Bildgebereinheit mit nur einer Projektionseinheit zu realisieren.
Durch die Verwendung des holografischen Elements 700 können scharfe Eyeboxen erzeugt werden. Zudem kann Crosstalk vermieden werden.
8 zeigt eine schematische Darstellung einer Bildgebereinheit 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel. In 8 ist ein Bildgeberkonzept eines autostereoskopischen Head-up-Displays mit einem einzelnen Laserbeamer als Projektionsvorrichtung 300 und drei Hologrammteilen zur Eyeboxgenerierung und zur Überlagerung der beiden Teilbilder dargestellt. Im Unterschied zu der in 7 gezeigten Bildgebereinheit weist die Bildgebereinheit 102 gemäß 8 ein Reflexionshologramm als holografisches Element 700 auf. Hierbei ist die Projektionsvorrichtung 300 derart gegenüber einer den Strahlteiler 710 aufweisenden Seite des holografischen Elements 700 angeordnet, dass sich die Projektionsvorrichtung 300 in einer Ebene mit dem Strahlteiler 710 befindet. Dadurch wird verhindert, dass der Strahlteiler 710 das von der Positionsvorrichtung 300 erzeugte Bild abschattet. Entsprechend wird der von der Projektionsvorrichtung 300 ausgesandte Lichtstrahl 308 von beiden Teilabschnitten 706, 708 in Richtung des Strahlteilers 710 reflektiert.
Bei der Aufnahme eines solchen reflektiv arbeitenden holografischen Elements 700 ist es erforderlich, dass die Referenzwelle auf einer dem Strahlteiler 710 gegenüberliegenden Seite des holografischen Elements 700 auftrifft. Dadurch lässt sich das holografische Element 700 reflektiv abspielen.
9 zeigt eine schematische Darstellung einer Bildgebereinheit 102 mit zwei Projektionsvorrichtungen 300, 400 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Hierbei ist die Projektionsvorrichtung 300 ausgebildet, um das holografische Element 700 mit einem das erste Teilbild des stereoskopischen Bildes repräsentierenden ersten Lichtstrahl 900 zu beleuchten. Analog dazu ist die weitere Projektionsvorrichtung 400 ausgebildet, um das holografische Element 700 mit einem das zweite Teilbild des stereoskopischen Bildes repräsentierenden zweiten Lichtstrahl 902 zu hinterleuchten. Das holografische Element 700 ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel ausgebildet, um den ersten Lichtstrahl 900 in den Strahlengang zum rechten Auge und den zweiten Lichtstrahl 902 in den Strahlengang zum linken Auge umzulenken. Bei den beiden Projektionsvorrichtungen 300, 400 handelt es sich etwa um zwei Laserbeamereinheiten.
Die in 9 gezeigte Bildgebereinheit 102 wird beispielsweise zur Realisierung eines autostereoskopischen Head-up-Displays verwendet, um getrennte Teilbilder für linkes und rechtes Auge in scharf begrenzten, homogenen Eyeboxen zu erzeugen. In 9 ist schematisch das Prinzip einer derartigen Bildgebereinheit dargestellt, die mittels der zwei Projektionsvorrichtungen 300, 400 jeweils eine Eyebox mit jeweils einem Teilbild erzeugt. Das holografische Element 700 arbeitet bedingt durch die Aufnahmekonstellation winkelselektiv. Das heißt, das Teilbild der Projektionsvorrichtung 300 wird vom Teilbild der weiteren Projektionsvorrichtung 400 getrennt behandelt, da die Projektionsvorrichtungen 300, 400 aus verschiedenen Winkeln auf das das holografische Element 700 projizieren. Dadurch leitet dieses das entsprechende Teilbild dem jeweiligen Auge innerhalb der Eyebox weiter.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die beiden Projektionsvorrichtungen 300, 400 als Laserbeamereinheiten ausgebildet, um das holografische Element 700 derart zu bespielen, dass es für jedes Beamerbild eine eigene, definierte Eyebox je Auge erzeugt. Hierbei sind die Teilbilder durch die Winkelselektivität des holografischen Elements 700 voneinander getrennt.
10 zeigt eine schematische Darstellung einer Bildgebereinheit 102 mit zwei Projektionsvorrichtungen 300, 400 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Bildgebereinheit 102 entspricht im Wesentlichen der anhand von 9 beschriebenen Bildgebereinheit, mit dem Unterschied, dass das holografische Element 700 gemäß diesem Ausführungsbeispiel als Reflexionshologramm ausgeführt ist. In 10 ist schematisch das reflektive Abspielen des holografischen Elements 700 für ein autostereoskopisches Head-up-Display mit zwei Projektionseinheiten in Form der Projektionsvorrichtungen 300, 400 gezeigt. Hierbei werden die beiden Lichtstrahlen 900, 902 von dem holografischen Element 700 in den entsprechenden Strahlengang zum linken bzw. rechten Auge des Betrachters reflektiert.
11 zeigt eine schematische Darstellung einer drehbar angeordneten Bildgebereinheit 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Bei der Bildgebereinheit 102 handelt es sich beispielsweise um eine Bildgebereinheit, wie sie vorangehend anhand von 9 beschrieben ist. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist die Bildgebereinheit 102 um eine durch ein Zentrum des holografischen Elements 700 verlaufende Drehachse 1100 drehbar in dem Head-up-Display angeordnet. Mögliche Drehrichtungen sind mit einem Doppelpfeil markiert.
Dadurch können die Eyeboxen für beide Augen nachgeführt werden, wenn der Beobachter seinen Kopf bewegt. Um die Augenpositionen zu bestimmen, ist das Head-up-Display gemäß einem Ausführungsbeispiel mit einem sogenannten Head-Tracking-System realisiert. Das Head-Tracking-System umfasst zumindest eine Kamera zum Filmen des Fahrers. Hierbei werden die Positionen des Kopfes oder der Augen des Fahrers mithilfe einer entsprechenden Bildverarbeitung berechnet. Diese Daten werden an die Bildgebereinheit 102 weitergegeben, die die Eyeboxen durch eine entsprechende Drehbewegung um die Drehachse 1100 der ermittelten Bewegung des Fahrers nachführt. Handelt es sich bei dem holografischen Element 700 um ein transmissiv arbeitendes Hologramm, so wird beispielsweise die gesamte Bildgebereinheit nachgeführt, um über die Optik die Eyeboxen zu bewegen, wie es in 11 gezeigt ist. Die Drehachse 1100 verläuft dabei durch das Zentrum des holografischen Elements 700 und liegt senkrecht in der Ebene des holografischen Elements 700. Handelt es sich hingegen bei dem holografischen Element 700 um ein reflektiv arbeitendes Hologramm, so kann gemäß einem Ausführungsbeispiel auch nur das holografische Element 700 um die eigene Achse gedreht werden, wie nachfolgend anhand von 12 beschrieben.
12 zeigt eine schematische Darstellung einer Bildgebereinheit 102 mit drehbar angeordnetem holografischem Element 700 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Bei der Bildgebereinheit 102 handelt es sich beispielsweise um eine vorangehend anhand von 10 beschriebene Bildgebereinheit. Die Bildgebereinheit 102 ist gemäß dem in 12 gezeigten Ausführungsbeispiel fest im Head-up-Display angeordnet. Um die Nachführung der von den beiden Projektionsvorrichtungen 300, 400 ausgesandten Lichtstrahlen zu gewährleisten, ist lediglich das holografische Element 700 um die Drehachse 1100 drehbar in der Bildgebereinheit 102 angeordnet. Mögliche Drehrichtungen sind mit einem Doppelpfeil markiert. Die Drehachse 1100 verläuft hier ebenfalls durch das Zentrum des holografischen Elements 700 und liegt dabei in der Haupterstreckungsebene des holografischen Elements 700.
Bei den beiden vorangehend anhand der 11 und 12 beschriebenen Nachführkonzepten handelt es sich beispielsweise um mechanische Nachführungen. Hierbei wird bei der Verwendung eines transmissiven holografischen Elements 700 die gesamte Bildgebereinheit 102 um das Zentrum des holografischen Elements 700 gedreht, um die Abstrahlrichtungen des holografischen Displays so zu ändern, dass über die Head-up-Display-Optik andere Eyeboxpositionen getroffen werden. Hingegen genügt es bei der Verwendung eines reflexiven holografischen Elements 700, das holografische Element 700 selbst zu drehen.
13 zeigt eine schematische Darstellung eines Strahlengangs beim Aufnehmen eines holografischen Elements 700 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Gezeigt ist eine Rückwärtsaufnahme des holografischen Elements 700, hier eines Transmissionshologramms, über die abbildende Head-up-Display-Optik 106 und die Frontscheibe 108. Die Head-up-Display Optik 106 weist gemäß diesem Ausführungsbeispiel einen ersten Spiegel 1300 und einen gegenüber dem ersten Spiegel 1300 angeordneten zweiten Spiegel 1302 auf. Der erste Spiegel 1300 ist ausgebildet, um einen von der Frontscheibe 108 reflektierten Lichtstrahl auf den zweiten Spiegel 1302 zu reflektieren. Der zweite Spiegel 1302 ist ausgebildet, um den von dem ersten Spiegel 1300 reflektierten Lichtstrahl auf das holografische Element 700 zu lenken.
An einer Position einer späteren Eyebox des Head-up-Displays ist eine Streufläche 1304 angeordnet. Die Streufläche 1304 ist ausgebildet, um einen Laserstrahl als Objektwelle 1306 auszusenden. Die Objektwelle 1306 wird über die Frontscheibe 108 in die Head-up-Display-Optik 106 gelenkt. Gleichzeitig wird eine dem zweiten Spiegel 1302 zugewandte Oberfläche des holografischen Elements 700 mit einer Referenzwelle 1308 beleuchtet. Zusammen mit der Referenzwelle 1308 wird eine optische Funktion zum Erzeugen der Eyebox in das holografische Element 700 eingeprägt.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem holografischen Element 700 um eine auf das Head-up-Display angepasste holografische Projektionsfläche zum Erzeugen der Eyebox für den Fahrer. Das Head-up-Display ist beispielsweise als Laserprojektions-Head-up-Display mit integrierter Specklereduktion realisiert. In 13 ist beispielhaft die Aufnahme eines solchen Hologramms dargestellt. An Position der späteren Eyebox des Head-up-Displays ist die Streufläche 1304 angeordnet, deren Größe der zu erzeugenden Eyebox entspricht. Die Streufläche 1304 wird mit Laserlicht beleuchtet. Das Licht der Streufläche 1304 wird über die Frontscheibe 108 und die Head-up-Display-Optik 106 auf das holografische Element 700 geleitet und bildet dort zusammen mit der zusätzlich eingestrahlten Referenzwelle 1308 ein optisches Phasenmuster, das in das holografische Element 700 eingeprägt wird. Bei der Referenzwelle 1308 handelt es sich um eine konvergente Welle, deren Zentrum auf einer dem zweiten Spiegel 1302 abgewandten Seite des holografischen Elements 700 liegt und dem späteren Ort der Projektionsvorrichtung, etwa eines Laserbeamers, entspricht.
Die so aufgenommene optische Funktion des optischen Elements 700 lässt sich anschließend wieder abspielen, indem die Projektionsvorrichtung auf eine von dem zweiten Spiegel 1302 abgewandte Rückseite des holografischen Elements 700 projiziert. Jeder einzelne Ort auf der Projektionsfläche in Form des holografischen Elements 700 strahlt dann derart ab, dass er die gesamte Eyebox flutet. Die Projektionsvorrichtung selbst bringt den Bildinhalt auf die Projektionsfläche auf, die diesen über die Head-up-Display-Optik 106 ins Fahrerauge leitet. Das komplette System mit abspielender Projektionsvorrichtung ist in 14 gezeigt.
14 zeigt eine schematische Darstellung eines Strahlengangs beim Abspielen eines holografischen Elements 700 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Der in 14 gezeigte Strahlengang entspricht im Wesentlichen dem in 13 dargestellten Strahlengang. Das rückwärts über die Head-up-Display-Optik 106 aufgenommene holografische Element 700 wird abgespielt, indem die Rückseite des holografischen Elements 700 mit dem Lichtstrahl 308 in Form einer inversen Referenzwelle bestrahlt wird. Dadurch wird am holografischen Element 700 eine Abstrahlcharakteristik erzeugt, die über die Head-up-Display-Optik 106 die Eyebox rekonstruiert.
Die Projektionsvorrichtung 300, die hier auf einer von dem zweiten Spiegel 1302 abgewandten Seite des holografischen Elements 700, d. h. der Rückseite des holografischen Elements 700 gegenüberliegend, angeordnet ist, ist gemäß einem Ausführungsbeispiel schräg zum holografischen Element 700 ausgerichtet. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird eine Scheimpflugoptik verwendet, um eine Off-Axis-Projektion zu realisieren. Hierbei kann das Objektiv der Projektionsvorrichtung 300 ebenfalls off-axis zu einem Bildgeberchip platziert sein. Dadurch können Trapezverzerrung und Unschärfe an den Bildrändern vermieden werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist das Head-up-Display mit einer holografischen Frontscheibe 108 kombiniert. Hierzu ist ein entsprechendes Hologramm in die Frontscheibe 108 eingebracht. Durch die Integration einer zusätzlichen optischen Funktion in das Hologramm in der Frontscheibe 108 kann beispielsweise ein Spiegel der eigentlichen Head-up-Display-Optik 106 ersetzt werden, wodurch sich der Bauraum deutlich reduzieren lässt.
15 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 1500 zum Betreiben einer Projektionsvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Verfahren 1500 kann beispielsweise im Zusammenhang mit einer vorangehend anhand der 1 bis 14 beschriebenen Projektionsvorrichtung durchgeführt werden. Das Verfahren 1500 umfasst einen Schritt 1510, in dem die Lichtquelle der Projektionsvorrichtung aktiviert wird, um einen Lichtstrahl, insbesondere beispielsweise einen Laserstrahl, auszusenden. In einem weiteren Schritt 1520 wird die Bilderzeugungseinheit angesteuert, um unter Verwendung des Lichtstrahls ein Bild zu erzeugen. Schließlich wird in einem Schritt 1530 ein Modulationssignal bereitgestellt, das dazu dient, den Lichtstrahl mittels der Modulationseinheit der Projektionsvorrichtung derart zu modulieren, dass beim Erzeugen des Bildes die Entstehung eines Specklemusters im Bild unterdrückt wird.
16 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 1600 zum Erzeugen eines Bildes in einem Head-up-Display gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Verfahren 1600 kann beispielsweise im Zusammenhang mit einem vorangehend anhand der 1 bis 14 beschriebenen Head-up-Display durchgeführt werden. Hierzu wird in einem Schritt 1610 ein Lichtstrahl ausgesandt. In einem Schritt 1620 wird das Bild unter Verwendung des Lichtstrahls erzeugt. Schließlich wird in einem Schritt 1630 der Lichtstrahl moduliert, um die Entstehung eines Specklemusters beim Erzeugen des Bildes zu unterdrücken.
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

Projektionsvorrichtung (300) für eine Bildgebereinheit (102) eines Head-up-Displays (100), wobei die Projektionsvorrichtung (300) folgende Merkmale aufweist: zumindest eine Lichtquelle (302; 402, 404) zum Aussenden eines Lichtstrahls (308; 900); zumindest eine Bilderzeugungseinheit (304) zum Erzeugen eines Bildes (112) unter Verwendung des Lichtstrahls (308; 900); und zumindest eine Modulationseinheit (306), die ausgebildet ist, um durch Modulation des Lichtstrahls (308; 900) ein Specklemuster beim Erzeugen des Bildes (112) zu unterdrücken.
Projektionsvorrichtung (300) gemäß Anspruch 1, mit zumindest einer Homogenisierungseinheit (602) zum Homogenisieren des Lichtstrahls (308; 900) und/oder zumindest einer Kollimationseinheit (604) zum Kollimieren des Lichtstrahls (308; 900).
Projektionsvorrichtung (300) gemäß Anspruch 2, bei der die Homogenisierungseinheit (602) und/oder die Kollimationseinheit (604) der Modulationseinheit (306) nachgeschaltet ist.
Projektionsvorrichtung (300) gemäß Anspruch 2 oder 3, bei der die Kollimationseinheit (604) zwischen der Homogenisierungseinheit (602) und der Modulationseinheit (306) angeordnet ist.
Projektionsvorrichtung (300) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei der die Modulationseinheit (306) als eine Streufläche mit einer elektrisch auslenkbaren Streuflächenmembran zum Modulieren des Lichtstrahls (308; 900) ausgeführt ist.
Projektionsvorrichtung (300) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, mit zumindest einem optischen Element (406; 608, 610) zum Umlenken und/oder Fokussieren des Lichtstrahls (308; 900) auf die Bilderzeugungseinheit (304).
Bildgebereinheit (102) für ein Head-up-Display (100), wobei die Bildgebereinheit (102) zumindest eine Projektionsvorrichtung (300) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche aufweist.
Bildgebereinheit (102) gemäß Anspruch 7, mit zumindest einem holografischen Element (700) zum Projizieren eines von der Projektionsvorrichtung (300) erzeugten Bildes (112) in einen Sichtbereich eines Betrachters (110) des Head-up-Displays (100).
Bildgebereinheit (102) gemäß Anspruch 8, bei der die Projektionsvorrichtung (300) ausgebildet ist, um ein erstes Teilbild und/oder ein zweites Teilbild eines stereoskopischen Bildes (112) zu erzeugen, wobei das holografische Element (700) einen ersten Teilabschnitt (706) zum Projizieren des ersten Teilbildes in einen Strahlengang zu einem ersten Auge des Betrachters (110) und/oder einen zweiten Teilabschnitt (708) zum Projizieren des zweiten Teilbildes in einen Strahlengang zu einem zweiten Auge des Betrachters (110) aufweist.
Bildgebereinheit (102) gemäß Anspruch 9, mit einem zwischen dem ersten Teilabschnitt (706) und dem zweiten Teilabschnitt (708) angeordneten Strahlteiler (710), der ausgebildet ist, um ein von dem ersten Teilabschnitt (706) projiziertes erstes Teilbild in eine von dem zweiten Teilabschnitt (708) abgewandte Richtung zu reflektieren und/oder ein von dem zweiten Teilabschnitt (708) projiziertes zweites Teilbild auf eine dem ersten Teilabschnitt (706) zugewandte Seite des Strahlteilers (710) durchzulassen.
Bildgebereinheit (102) gemäß Anspruch 9 oder 10, mit zumindest einer weiteren Projektionsvorrichtung (400), wobei die Projektionsvorrichtung (300) ausgebildet ist, um das erste Teilbild zu erzeugen, und die weitere Projektionsvorrichtung (400) ausgebildet ist, um das zweite Teilbild zu erzeugen.
Bildgebereinheit (102) gemäß einem der Ansprüche 7 bis 11, bei der die Bildgebereinheit (102) und/oder das holografische Element (700) drehbar angeordnet ist.
Frontscheibe (108) für ein Fahrzeug (104), wobei die Frontscheibe (108) ein Hologramm zum Projizieren eines von einer Bildgebereinheit (102) gemäß einem der Ansprüche 7 bis 12 erzeugten Bildes (112) in einen Sichtbereich eines Fahrers (110) des Fahrzeugs (104) aufweist.
Verfahren (1500) zum Betreiben einer Projektionsvorrichtung (300) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Verfahren (1500) folgende Schritte umfasst: Aktivieren (1510) der Lichtquelle (302; 402, 404), um den Lichtstrahl (308; 900) auszusenden; Ansteuern (1520) der Bilderzeugungseinheit (304), um unter Verwendung des Lichtstrahls (308; 900) das Bild (112) zu erzeugen; und Bereitstellen (1530) eines Modulationssignals (312), um den Lichtstrahl (308; 900) mittels der Modulationseinheit (306) derart zu modulieren, dass beim Erzeugen des Bildes (112) das Specklemuster unterdrückt wird.
Verfahren (1600) zum Erzeugen eines Bildes (112) in einem Head-up-Display (100), wobei das Verfahren (1600) folgende Schritte umfasst: Aussenden (1610) eines Lichtstrahls (308; 900); Erzeugen (1620) des Bildes (112) unter Verwendung des Lichtstrahls (308; 900); und Modulieren (1630) des Lichtstrahls (308; 900), um ein Specklemuster beim Erzeugen des Bildes (112) zu unterdrücken.