DE102016213335A1

DE102016213335A1 - Projektionselement, Projektionssystem und Verfahren zum Projizieren

Info

Publication number: DE102016213335A1
Application number: DE102016213335.7A
Authority: DE
Inventors: Reinhold Fiess; Tobias Werner
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-07-21
Filing date: 2016-07-21
Publication date: 2018-01-25

Abstract

Die Erfindung betrifft ein holografisches Projektionselement (308) für ein Projektionssystem (100), das eine Ablenkeinheit zum zweiachsigen Lenken eines modulierbaren Laserstrahls (304) auf das Projektionselement (308) aufweist, wobei das Projektionselement (308) eine Mehrzahl von Pixeln aufweist, die je eine unterschiedliche, insbesondere voneinander unabhängige holografische Beugungsstruktur und/oder je eine unterschiedliche, insbesondere voneinander unabhängige holografische Funktion aufweisen.

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.
In einem Projektionssystem wird ein Bild auf einer Streufläche, wie beispielsweise einer Mattscheibe angezeigt. Die Streufläche streut das auf sie einfallende Licht idealerweise in einem homogenen Streukegel. Wenn Strukturen der Streufläche eine Größe aufweisen, die im Bereich einer Wellenlänge des zu streuenden Lichts liegt, können durch Auslöschungen von Wellenfronten Speckle in den Streukegeln erkennbar sein.
Offenbarung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz ein Projektionselement für ein Projektionssystem, weiterhin ein Projektionssystem mit einem solchen Projektionselement, ein Verfahren zum Projizieren eines Bilds und ein Verfahren zum Herstellen eines Projektionselements sowie schließlich ein entsprechendes Computerprogramm gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Vorrichtung möglich.
Ein Lichtstrahl, insbesondere ein Laserstrahl kann anstatt durch eine Streuung durch eine Refraktion in einer optischen Linse oder eine Beugung an einem optischen Gitter zu einem Abstrahlkegel aufgeweitet werden. Das optische Gitter kann ein Hologramm sein. In das Hologramm kann bei der Herstellung eine Beugungsvorschrift geschrieben werden. In benachbarte Hologramme können unterschiedliche Beugungsvorschriften geschrieben werden. Für eine Gruppe von Bildpunkten oder auch für jeden einzelnen Bildpunkt kann ein eigenes Hologramm verwendet werden.
Es wird ein holografisches Projektionselement für ein Projektionssystem mit einer Ablenkeinheit zum zweiachsigen Lenken eines modulierbaren Laserstrahls auf das Projektionselement vorgestellt, wobei das Projektionselement eine Mehrzahl von Pixeln aufweist, die je eine unterschiedliche, insbesondere voneinander unabhängige holografische Beugungsstruktur und/oder je eine unterschiedliche, insbesondere voneinander unabhängige holografische Funktion aufweisen.
Unter einem Projektionselement kann ein flächiges optisches Element verstanden werden. Ein Projektionssystem kann beispielsweise ein Sichtfeldanzeigegerät sein. Ein Pixel kann ein Bereich des Projektionselements sein, der dazu ausgebildet ist, einen oder mehrere Bildpunkte eines projizierten Bilds abzubilden. Das Projektionselement kann eben sein. Eine Beugungsstruktur kann eine Gitterstruktur sein, die durch Interferenzeffekte das Licht formt. Durch die Beugungsstruktur kann eine holografische Funktion realisiert sein.
Zumindest mehrere, insbesondere drei benachbarte, sich überlappend oder überdeckend angeordnete Pixel können als Pixelgruppe gruppiert sein. Die Pixel der Pixelgruppe können jeweils eine eigene wellenlängenselektive holografische Beugungsstruktur aufweisen. Durch die Wellenlängenselektivität wird ein Überlagern der Pixel ermöglicht. Damit können verschiedenfarbige Laserstrahlen in die gleiche Richtung gebeugt werden und ein farbiges Bild projiziert werden.
Die Pixel der Pixelgruppe können jeweils einen wellenlängenabhängigen Flächeninhalt aufweisen. Da das menschliche Auge eine wellenlängenabhängige Lichtempfindlichkeit aufweist, können die Farben der Laser unterschiedlich viel Beugungsfläche zugewiesen bekommen. Damit können Laser mit innerhalb eines Toleranzbereichs von beispielsweise 20 Prozent gleicher Leuchtdichte für die verschiedenen Farben verwendet werden.
Die Pixel können zumindest teilweise überlappend angeordnet sein. In einem Überlappungsbereich zweier benachbarter Pixel können die holografischen Beugungsstrukturen der Pixel ineinander übergehen. Die einzelnen Beugungsstrukturen stören sich nicht. Da die einzelnen Beugungsstrukturen ähnlich sind, kann in den Überlappungsbereichen ein fließender Übergang erreicht werden.
Weiterhin wird ein Projektionssystem mit einem holografischen Projektionselement gemäß dem hier vorgestellten Ansatz vorgestellt. Das Projektionssystem weist eine Ablenkeinheit zum zweiachsigen Lenken eines modulierbaren Laserstrahls auf das Projektionselement auf.
Das Projektionssystem kann ein holografisch optisches Element aufweisen, das dazu ausgebildet ist, ein durch den Laserstrahl auf das Projektionselement projiziertes Bild in einen Betrachtungsbereich des Projektionssystems zu lenken. Das holografisch optische Element kann als teildurchlässiger Spiegel zum Einspiegeln des Bilds auf dem Projektionselement in ein Blickfeld eines Betrachters verwendet werden.
Das holografisch optische Element kann als Kugelwellenumlenker ausgebildet sein. Damit kann das Element einfach hergestellt werden.
Das Element kann eine Mehrzahl von Pixeln aufweisen, die je eine unterschiedliche, insbesondere voneinander unabhängige holografische Beugungsstruktur und/oder je eine unterschiedliche, insbesondere voneinander unabhängige holografische Funktion aufweisen. Das Element kann anforderungsgemäß gestaltet werden. Durch einzelne Pixel können komplexe optische Beugungen abgebildet werden.
Die Ablenkeinheit kann einen in zwei Achsen beweglichen Ablenkspiegel aufweisen. Der Laserstrahl kann eine geringere Fläche aufweisen, als eine Fläche des Ablenkspiegels. Der Spiegel kann über zwei Antriebseinheiten in den zwei Achsen bewegt werden. Die Ablenkeinheit kann als Scanner bezeichnet werden.
Das Projektionssystem kann eine Lasereinheit zum Bereitstellen des Laserstrahls aufweisen. Der Laserstrahl kann aus zumindest drei modulierbaren Sublaserstrahlen kollimiert werden. Die Lasereinheit kann für jeden Sublaserstrahl eine steuerbare Laserquelle mit unterschiedlicher Wellenlänge aufweisen. Die Sublaserstrahlen können über teildurchlässige Spiegel kollimiert werden. Die Laserquellen können insbesondere einen roten, einen grünen und einen blauen Sublaserstrahl bereitstellen.
Das Projektionssystem kann ein weiteres Projektionselement gemäß dem hier vorgestellten Ansatz aufweisen. Die Ablenkeinheit kann dazu ausgebildet sein, den Laserstrahl und/oder einen weiteren Laserstrahl auf das weitere Projektionselement zu lenken. Auf dem Projektionselement kann ein erstes Teilbild projiziert werden. Auf dem weiteren Projektionselement kann ein zweites Teilbild projiziert werden. Das erste Teilbild kann für ein erstes Auge eines Betrachters bereitgestellt werden. Das zweite Teilbild kann für ein zweites Auge des Betrachters bereitgestellt werden. Dadurch kann ein räumliches Sehen ermöglicht werden.
Ferner wird ein Verfahren zum Projizieren eines Bilds vorgestellt, wobei in einem Schritt des Rasterns Bildpunkte des Bilds unter Verwendung eines zweiachsig ablenkbaren, modulierbaren Laserstrahls auf Pixel eines holografischen Projektionselements gemäß dem hier vorgestellten Ansatz gerastert werden.
Weiterhin wird ein Verfahren zum Herstellen eines holografischen Projektionselements vorgestellt, wobei in einem Schritt des Belichtens eine Mehrzahl von Pixeln des Projektionselements mit je einer unterschiedlichen, insbesondere voneinander unabhängigen holografischen Beugungsstruktur und/oder je einer unterschiedlichen, insbesondere voneinander unabhängigen holografischen Funktion belichtet werden.
Dieses Verfahren kann beispielsweise in Software oder Hardware oder in einer Mischform aus Software und Hardware beispielsweise in einem Steuergerät implementiert sein.
Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt oder Computerprogramm mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger oder Speichermedium wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung, Umsetzung und/oder Ansteuerung der Schritte des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, insbesondere wenn das Programmprodukt oder Programm auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.
Ausführungsbeispiele des hier vorgestellten Ansatzes sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
1 eine Darstellung eines schematischen Aufbaus eines Head-Up Displays gemäß einem Ausführungsbeispiel;
2 eine Darstellung der prinzipiellen Funktionsweise eines autostereoskopischen Head-Up Displays gemäß einem Ausführungsbeispiel;
3 eine schematische Darstellung eines Bildgebers für ein Head-Up Display gemäß einem Ausführungsbeispiel;
4 eine Darstellung eines Aufnahmeprinzips Aufnahmeprinzip einer pixelweise geschriebenen Projektionsfläche gemäß einem Ausführungsbeispiel;
5 eine Darstellung einer Funktionsweise einer pixelweise geschriebenen holografischen Projektionsfläche gemäß einem Ausführungsbeispiel;
6 eine Darstellung einer prinzipiellen Funktionsweise eines Projektionssystems gemäß einem Ausführungsbeispiel;
7 eine Darstellung einer Projektionsfläche gemäß einem Ausführungsbeispiel;
8 eine Darstellung eines Bestrahlens einer holografisch optischen Element-Projektionsfläche gemäß einem Ausführungsbeispiel;
9 einen Ausschnitt einer holografisch optischen Element-Projektionsfläche gemäß einem Ausführungsbeispiel;
10 eine Darstellung einer Simulation eines Laserprojektions-HUDs gemäß einem Ausführungsbeispiel;
11 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Projizieren eines Bilds gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
12 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen eines holografischen Projektionselements 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 Darstellung eines schematischen Aufbaus eines Head-Up Displays 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Head-Up Display 100 bildet die Bildebene einer Bildgebereinheit 102 (PGU, Picture Generating Unit) mithilfe einer Optik 104 (HUD-Optik) auf ein virtuelles, vor einem Fahrzeug 106 befindliches Bild 108 ab. Der Fahrer 110 nimmt dadurch ein vergrößertes Bild 108 wahr, das von der PGU 102 erzeugt wurde. Dieses Bild 108 ist mit der Fahrszene überlagert und befindet sich in definiertem Abstand von der Frontscheibe 112 auf der virtuellen Leinwand 114. Dabei können LCD-Module als bildgebendes Element in der PGU 102 verwendet werden.
Das dargestellte virtuelle Bild 108 ist eine vergrößerte Abbildung des von der PGU 102 erzeugten Displays. Daher benötigt die HUD-Optik 104 eine bestimmte Vergrößerung. Die notwendige Vergrößerung nimmt mit dem Abstand der virtuellen Leinwand 114 zu, da das von der PGU 102 erzeugte Bild stärker vergrößert wird, um in größerem Abstand das gewünschte Sichtfeld des Fahrers einzunehmen. Die virtuelle Leinwand 114 kann in einem Abstand von bis zu 15 m angenommen werden.
Im umgekehrten Lichtweg führt die Vergrößerung der HUD-Optik 104 bei Einstrahlung von Sonnenlicht zu einer Fokussierung des Sonnenlichtes auf dem Bildgeber 102. Dieser wird dadurch aufgeheizt und erreicht Temperaturen, die den Bildgeber 102 zerstören können. Vor allem bei auf LCD-Modulen basierenden Systemen 100 ist die Temperaturerhöhung kritisch, da das Modul bereits bei einer Temperatur von 100°C permanenten Schaden nehmen kann (ca. 95°C: Delamination der Polfilter, 105°C: isotroper Flüssigkristall, 125°C: permanenter Flüssigkristallschaden).
Für die Problematik der Sonnenlichteinstrahlung ist in aktuell in der Entwicklung befindlichen LCD-Systemen mit großer Leinwanddistanz noch keine befriedigende Lösung gefunden.
2 zeigt eine Darstellung der prinzipiellen Funktionsweise eines autostereoskopischen Head-Up Displays 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Head-Up Display 100 entspricht im Wesentlichen dem Head-Up Display in 1. Autostereoskopische HUD-Systeme 100 arbeiten mit separaten Teilbildern für linkes und rechtes Auge, durch die ein 3D-Effekt ähnlich dem vom Kino bekannten 3D-Effekt, erzeugt werden kann. Die Bildgebereinheit 102 erzeugt dazu bereits die beiden Teilbilder. Über die HUD-Optik 104 wird das Licht der Teilbilder dann dem jeweiligen Auge 110 in einer kleineren Eyebox zur Verfügung gestellt. Bei solchen autostereoskopischen Ansätzen werden die beiden Teilbilder für linkes und rechtes Auge 110 am Display der Bildgebereinheit 102 in unterschiedliche Richtungen abgestrahlt, um über die HUD-Optik 104 dem jeweiligen Auge 110 zugeführt zu werden. Für jedes Auge 110 wird dann ein entsprechendes Teilbild in einer eigenen kleinen Eyebox wiedergegeben.
3 zeigt eine schematische Darstellung eines Bildgebers 102 für ein Head-Up Display 100 (asHUD) gemäß einem Ausführungsbeispiel. Der Bildgeber 102 entspricht dabei im Wesentlichen den in den 1 und 2 dargestellten Bildgebern. Der Bildgeber 102 basiert auf der Verwendung von Laserprojektoren. Innerhalb des Projektors werden drei Laserquellen 300 kollimiert und mittels wellenlängenselektiver Spiegel 302 überlagert. Der vereinigte Strahl 304 wird dann von einem Mikrospiegel 306 umgelenkt und über die Projektionsfläche 308 gerastert. Diese Projektionsfläche 308 kann alternativ auch als holografische Projektionsfläche oder holografisches Projektionselement bezeichnet werden. Die Laserquellen 300 werden für jedes Pixel ein- oder ausgeschaltet, um das jeweilige Pixel zu schreiben (was auch als Flying Spot Verfahren bezeichnet wird). Das Laserprojektions-HUD 100 ist ein Projektionsansatz für eine Bildgebereinheit 102, die auf der Aussendung von Laserlicht beruht. Das Licht 304 dreier Laserquellen 300 wird dazu innerhalb eines Beamers 102 kollimiert und mit dielektrischen Spiegeln 302 überlagert. Der aus dem Licht der drei Laserquellen 300 vereinigte Strahl 304 wird dann über einen Mikrospiegel 306 umgelenkt, der durch seine Bewegung ein holografisches Projektionselement 308 beziehungsweise eine holografische Projektionsfläche 308 abrastert. Die Laserquellen 300 des Projektors 102 werden dann zeitlich moduliert, um die einzelnen Pixel in den Grundfarben Rot, Grün und Blau auf die Projektionsfläche 308 zu schreiben. Dieser Vorgang wird als Flying Spot Verfahren bezeichnet. Dadurch, dass der Laserstrahl 304 bei nicht benötigten Pixeln komplett ausgeschaltet wird, kann ein hoher Kontrast erreicht werden. Insbesondere ein optischer Effekt, bei dem in dunkler Fahrszene noch ein grauer Bereich um die dargestellte Bildinformation sichtbar ist (der umgangssprachlich auch als „Postkarteneffekt“ bezeichnet wird), kann so vermieden werden.
Im Falle der Realisierung mit einer Streufläche können unter Laserlicht Specklemuster im Bild auftreten. Zudem wird die Formbarkeit der generierten Eyebox durch das Gaussprofil des Streuverhaltens der Streufläche limitiert. Wird eine solche Streufläche mit LED-Licht hinterleuchtet, kann insbesondere bei der Generierung von schmalen Eyeboxen, wie sie für autostereoskopische HUDs 100 benötigt werden, weiterhin eine Granulation im Bild auftauchen. Die Verwendung einer Streufläche reduziert außerdem den Schachbrettkontrast des Bildes.
Eine Alternative zur Verwendung von Streuflächen ist speziell bei den Flying Spot Laserprojektionen 102 der Einsatz von Mikrolinsenarrays. Der Laserstrahl 304 wird dann über die einzelnen Mikrolinsen bewegt und zeitlich moduliert, um in die Linsen jeweils einen oder mehrere Pixel des Bildes zu schreiben. Anders als bei Streuflächen wird hier der Laserstrahl 304 nicht gestreut, sondern aufgeweitet. Das Auge des Beobachters befindet sich im aufgeweiteten Laserstrahl 310 und die Eyebox wird durch den Durchmesser des Strahls am Ort der Eyebox definiert. Der aufgeweitete Laserstrahl 310 kann als auf dem Projektionselement 308 sichtbares Bild 310 bezeichnet werden.
Ein solcher Ansatz kann eine hohe Bildqualität erreichen. Dafür sind der Laserprojektor 102, die Mikrolinsen und die HUD-Optik aufeinander eingestellt, um unter anderem chromatische Effekte oder Beugungseffekte zu verhindern. Die sonst bei Laserbeleuchtung so störende Problematik in Hinsicht auf Specklebildung wird hier vermieden, da der Beobachter in einen aufgeweiteten Strahl 310 schaut, dessen Wellenfront nicht gestreut wurde und nicht mit sich selbst interferieren konnte.
Auch bei der Flying Spot Projektion bildet die Optik des Head-Up Displays 100 die Ebene des Mikrolinsenarrays oder ein durch das Array erzeugtes Zwischenbild auf die virtuelle Leinwand ab, um ein vergrößertes virtuelles Bild zu erzeugen.
Die HUD-Optik bestimmt wesentlich den notwendigen Bauraum. Bei konventionellen Konzepten wird die Größe der verwendeten Spiegel außerdem maßgeblich von der Anforderung an das Blickfeld bestimmt, das das virtuelle Bild für den Betrachter einnehmen soll. Insbesondere die Dimension des letzten Spiegels vor der Windschutzscheibe hängt unmittelbar mit dem Blickfeld zusammen. Ein Blickfeld kann dabei vom Beobachter aus beispielsweise 9° × 4° betragen.
Es wird ferner eine specklefreie holografische Projektionsfläche 308 beziehungsweise Projektionselement 308 für ein Flying Spot Laser-HUD 100 vorgestellt. Das Laser HUD 100 weist dabei eine holografische Laserprojektions-Bildgebereinheit 102 auf.
Bei dem holografischen HUD 100 mit einem scannenden Projektionssystem 102 kann jeweils das Projektionselement 308 über die Frontscheibe abgebildet werden oder die Frontscheibe dient selbst als holografische Projektionsfläche 308 für ein projektionsbasiertes System 100. Dabei können Speckle-Muster verhindert werden, da die Streuung im holografischen Element 308 keine Durchmischung der eingestrahlten Phasenfront mit sich bringt. Unter einem Speckle-Muster kann in diesem Zusammenhang eine feine Struktur im Bild verstanden werden, die von einem Betrachter des Bildes als Inhomogenität wahrgenommen wird und durch Interferenzen von vielen gestreuten Lichtwellen entstehen. Einmal ausgebildet gestaltet sich die Reduktion solcher Speckle-Muster als schwierig. Insbesondere für Speckle-Muster bei scannenden Projektionssystemen stellt das Eliminieren der Speckle-Muster eine Herausforderung dar, da eine zeitliche Durchmischung des Speckle-Musters durch den sequenziellen Bildaufbau limitiert ist.
Weiterhin wird gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel ein specklefreies Projektionssystem 100 auf Basis eines Flying Spot Laser-Projektors 102 und einer speziellen holografischen Projektionsfläche 308 vorgestellt. Ein derartiges Head-Up Display 100 ist mit einer holografischen Frontscheibe kombinierbar, um die Funktion der Abbildungsoptik teilweise oder vollständig in die Frontscheibe zu integrieren.
Beim hier vorgeschlagenen Konzept kann dadurch auf die eigentliche HUD-Optik verzichtet werden, wodurch sich der für die Realisierung eines hier vorgeschlagenen Projektionssystems notwendige Bauraum wesentlich reduziert. Gleichzeitig kann weiterhin eine Bilddistanz realisiert werden, die außerhalb der Windschutzscheibe liegt, indem die Laserstrahlen 304 eines Flying Spot Projektors 102 derart aufgeweitet werden, dass sie für den Benutzer aus einer Quelle in größerer Distanz zu kommen scheinen. Dadurch wird das Umfokussieren zwischen der Fahrszene und dem virtuellen Bild erleichtert. Trotz des Ansatzes einer Laserprojektion werden außerdem Speckle-Muster vermieden, die aus anderen laserbasierten Systemen bekannt sind.
Durch den streuflächenfreien Ansatz mit einem Flying Spot Projektionssystem 102, werden nur diejenigen Pixel des virtuellen Bildes mit Licht versorgt, die aktuell benötigt werden. Dadurch kann ein sehr hoher Kontrast erreicht werden. Durch die Verwendung einer angepassten holografischen Projektionsfläche 308 können die Grundfarben der Bilddarstellung unabhängig voneinander behandelt und auf das System 100 angepasst werden. In einer weiteren Ausführungsform kann das hier vorgestellte Konzept verwendet werden, um kleine Eyeboxen für ein autostereoskopisches System zu generieren.
4 zeigt eine Darstellung eines Aufnahmeprinzips einer pixelweise geschriebenen Projektionsfläche 308 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Projektionsfläche 308 entspricht im Wesentlichen der Projektionsfläche in 3. Das Hologramm wird dabei in räumlich getrennte oder überlappende Bereiche 400 unterteilt, in die getrennt voneinander optische Funktionen in holografische Beugungsstrukturen einbelichtet werden. Dargestellt sind die Objektwelle 402 und die Referenzwelle 404 bei der Belichtung eines Pixels 400 des holografisch optischen Elements 308 (HOE).
Die Projektionsfläche 308 weist voneinander unabhängige, holografische Funktionen beziehungsweise holografische Beugungsstrukturen in einzelnen Pixeln 400 auf und wird mittels eines Flying Spot Laserprojektors beleuchtet. Die einzelnen Pixel 400 für die Grundfarben Rot, Grün und Blau können dabei unabhängig voneinander positioniert und jeweils auf den Laser des Projektors angepasst werden.
5 zeigt eine Darstellung einer Funktionsweise einer pixelweise geschriebenen holografischen Projektionsfläche 308 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Projektionsfläche 308 entspricht dabei im Wesentlichen der Projektionsfläche in 4. Die einzelnen Flächenelemente 400 des Hologramms wirken unabhängig voneinander. Im einzelnen Flächenelement 400 wird dabei die Punktlichtquelle der Laserdiode 300 holografisch umgelenkt, wobei die Phasenfront 500 einer Punktlichtquelle erhalten bleibt.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird vorliegend eine holografische Projektionsfläche oder ein holografisches Projektionselement 308 mit pixelweisen optischen Funktionen vorgestellt.
Dieses Ausführungsbeispiel basiert auf der Verwendung einer holografischen Projektionsfläche 308 mit einzelnen, pixelweisen optischen Funktionen beziehungsweise holografische Beugungsstrukturen in Verbindung mit einem Projektionssystem. Dazu wird jedes Pixel 400 des holografischen Projektionselements 308 bei der der Aufnahme nacheinander und einzeln belichtet. In 4 ist schematisch der Belichtungsvorgang eines solchen holografischen Projektionselements 308 dargestellt. Die einzelnen als Pixel 400 wirkenden Flächenelemente 400 des holografischen Projektionselements 308 können dabei mit Kugelwellenfronten beleuchtet werden. Je nach Orientierung der auftreffenden Lichtwellen bei der Aufnahme kann für jedes Pixel 400 eine frei definierbare Abstrahlrichtung beim späteren Abspielen des holografischen Projektionselements 308 erreicht werden. Für eine Serienfertigung genügt es, ein Masterhologramm pixelweise aufzunehmen und entsprechend zu vervielfältigen.
Das holografische Projektionselement 308 zur Aufweitung der Laserstrahlen kann derart realisiert werden, dass die optische Funktion bei der Aufnahme lokal unterschiedlich eingeschrieben wird. Das bedeutet, dass das Hologramm aus ineinander überlaufenden oder getrennten Pixeln 400 besteht, die voneinander unabhängige optische Funktionen haben können. Das holografische Projektionselement 308 kann als transmissives Hologramm oder in einem weiteren Ausführungsbeispiel als reflexives Hologramm ausgeführt sein.
Dieses Verfahren zum Herstellen des holografischen Projektionselements erlaubt die Realisierung eines hohen Freiheitsgrads bei der optischen Funktion des gesamten Hologramms, wobei die unterschiedlichen Stellen 400 optimal auf die benötigte optische Funktion für die dort auftreffenden Laserstrahlen angepasst werden können.
Die Hologramme wirken auf die verschiedenen Laserstrahlen mit unterschiedlichen Wellenlängen des Laserprojektors (Rot, Grün, Blau) mit verschiedenen optischen Funktionen. Durch die Wellenlängenselektivität der Hologramme können die unterschiedlichen Funktionen in dieselbe holografische Schicht des holografischen Projektionselements 308 geschrieben werden. Durch den spektralen Abstand der drei Farben stören sich die optischen Funktionen für die verschiedenen Farben weitestgehend nicht. Die Laserstrahlen, die sich über das geschriebene holografische Projektionselement 308 bewegen, weisen dabei am Ort des Hologramms einen Strahldurchmesser in Größe der dort geschriebenen Pixel auf, damit die Laserstrahlen nicht über mehrere Pixel 400 dieses holografische Projektionselement 308 aufgeweitet sind, was zu einem Doppelbild und damit zur Reduktion der verfügbaren Auflösung führen würde.
In 5 ist das Abspielen der holografischen Projektionsfläche 308 schematisch veranschaulicht. Wird das holografische Projektionselement 308 vom durch die Aufnahme bestimmten Ursprung der Referenzwelle 404 aus beleuchtet, so formt jedes Pixel 400 die eintreffenden Lichtwellen entsprechend der Aufnahmebedingung um. Die Phasenfront 500 wird dabei umgelenkt und die Form der Phasenfront 500 entspricht der einer Punktlichtquelle 300. Im Falle eines auftreffenden Laserstrahls eines Flying Spot Projektors wird dabei die Phasenfront 500 aufgeweitet und die Bildung von Speckel-Mustern vermieden, die bei streuenden Projektionsflächen entstehen.
Durch die Wellenlängenselektivität des holografischen Projektionselements 308 wirken die eingeschriebenen Pixel 400 jeweils nur auf eine Lichtfarbe. Dadurch können die Pixel 400 für die drei Grundfarben des Bildes unabhängig voneinander eingeschrieben werden. Es ist dadurch auch beispielsweise möglich, unterschiedliche große Pixel 400 für die verschiedenen Farben zu realisieren oder die Pixel 400 gegeneinander zu verschieben. Die einzelnen Pixel 400 können dadurch sehr gut an das jeweilige Strahlprofil des jeweiligen Lasers eines Flying Spot Projektors angepasst werden. Mit einer Spotgröße des Laserprojektors von 180 µm könnte bei einem holografischen Projektionselement 308 von 180 mm × 80 mm beispielsweise eine Auflösung von 1000 mal 444 Pixeln erreicht werden.
6 zeigt eine Darstellung einer prinzipiellen Funktionsweise eines Projektionssystems 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Projektionssystem 100 entspricht dabei im Wesentlichen den in den 1 und 2 dargestellten Projektionssystemen. Es kommt dabei ein Flying Spot Laserprojektor 102 zum Einsatz. Die Laserstrahlen des Projektors 102 werden durch ein holografisches Projektionselement 308 geformt und treffen dann auf ein weiteres Hologramm 600, das in die Windschutzscheibe 112 integriert ist. Das Windschutzscheibenhologramm 600 lenkt dann den durch die Strahlformung aufgeweiteten Laserstrahl 310 zur Eyebox 602 um. Der Beobachter 110 sieht dann Bildpunkte aus der virtuell abgebildeten Strahltaille des Laserstrahls 304 auf der virtuellen Leinwand 114 vor dem Fahrzeug 106. Unter einer Strahltaille (auch als Fokus bezeichnet) wird hierbei die schmalste Stelle eines Gauß’schen Strahls verstanden, bis zu deren Erreichen sich der Strahl näherungsweise linear verjüngt, und speziell nach der die Breite des Strahls ebenso wieder linear anwächst.
In einem Ausführungsbeispiel ist die holografische Projektionsfläche 308 in einem Head-Up Display 100 mit Frontscheibenhologramm 600 und einem Flying Spot Projektor 102 angeordnet. Im Strahlengang zwischen dem Projektor 102 und der Windschutzscheibe 112 befindet sich dabei die holografische Projektionsfläche 308, die die Strahlen 304 derart aufweitet, dass sie am Ort des Beobachterauges 110 zu einer Eyebox 602 aufgeweitet sind und zusätzlich die Strahltaille des Strahls 310 in einer größeren Entfernung liegt. Der Beobachter 110 blickt dann in den Laserstrahl 310 und sieht eine scheinbare Lichtquelle am Ort der virtuell abgebildeten Strahltaille, die ein Pixel des virtuellen Bildes 108 darstellt.
Durch die Aufweitung der einzelnen Laserstrahlen 304 kann im Gegensatz zu streuflächenbasierten Systemen die Bildung von Speckle-Effekten vermieden werden.
Durch die Unabhängigkeit der holografischen Pixel der einzelnen Grundfarben können die Pixel einzeln auf den jeweiligen farbigen Laserstrahl 304 angepasst werden. Es ist dabei beispielsweise auch möglich, verschieden große Pixel für die unterschiedlichen Grundfarben zu wählen oder die Pixel räumlich unterschiedlich zu positionieren.
Mit anderen Worten zeigt 6 ein Laserprojektions-HUD 100 mit Windschutzscheibenhologramm 600. In dem Ausführungsbeispiel wird der Laserstrahl 304 des Flying Spot Projektors 102 durch ein Hologramm 600 in der Windschutzscheibe 112 so umgelenkt, dass sich die aufgeweiteten Strahlen 310 der verschiedenen Bildpunkte am Ort des Beobachterauges 110 zu einer Eyebox 602 überlagern. Dabei wird der Flying Spot Projektor 102 eingesetzt, um gescannte Laserstrahlen 304 für den Bildaufbau zu erzeugen.
Die einzelnen Strahlen 304 treffen auf ein holografisches Projektionselement 308, das ihren Strahl aufweitet. Ein zweites Hologramm 600, das in die Windschutzscheibe 112 eingebettet ist, lenkt die Laserstrahlen 310 in Richtung des Beobachterauges 110 um. Durch den gesamten optischen Weg des Laserlichts beginnend an der Laserdiode bis hin zum Beobachterauge 110 wird eine gewünschte Strahlform erzeugt. Diese Strahlform ist derart ausgelegt, dass der Strahl am Ort des Beobachterauges 110 zu einer Eyebox 602 aufgeweitet ist und gleichzeitig die Strahltaille dieses letzten Strahlabschnitts virtuell vor dem Fahrzeug 106 auf der virtuellen Leinwand 114 liegt. Der gescannte Laserstrahl 304 ist innerhalb des Projektors 102 am Ort des Mikrospiegels ausreichend klein, um die räumliche Dimension des Mikrospiegels nicht zu überschreiten.
Da dieses System 100 auf eine zusätzliche abbildende Optik verzichtet und diese Funktion in das Hologramm 600 innerhalb der Frontscheibe 112 ausgelagert ist, wird nur ein geringer Bauraum benötigt. Das holografische Projektionselement 308 wirkt dabei als holografische Projektionsfläche 308, die über die Frontscheibe 112 abgebildet wird. Da der Bauraum durch die Wahl einer größeren Projektionsfläche 308 nur unwesentlich vergrößert wird, kann bewusst auf ein holografisches Projektionselement 308 mit größeren Pixeln zurückgegriffen werden. Dadurch kann der scannende Laserstrahl 304 eine größere Spotgröße auf der Projektionsfläche 308 aufweisen, wodurch das Projektionssystem 100 einfacher zu realisieren ist. Die Strahltaille des Projektors 102 kann so beispielsweise näher an den scannenden Mikrospiegel gelegt werden. Dadurch kann der scannende Mikrospiegel kleiner dimensioniert werden, da die Spotgröße auf dem Mikrospiegel abnimmt.
Da die holografische Projektionsfläche 308 einzelne holografische Funktionen für die einzelnen Pixel besitzt, kann jedes Pixel auch derart ausgelegt sein, dass eine virtuelle Lichtquelle entsteht, die sich außerhalb der Ebene der Projektionsfläche 308 selbst befindet. Die Ebene der virtuellen Lichtquelle stellt dann die Abbildungsebene 114 für die holografische Vergrößerungsoptik 600 in der Frontscheibe 112 dar. Die Ebene der holografischen Projektionsfläche 308 kann damit außerhalb der Abbildungsebene 114 liegen.
Das verwendete Windschutzscheibenhologramm 600 kann als einfacher Kugelwellenumlenker realisiert sein. Der Ursprung der Kugelwelle der Referenzwelle kann beispielsweise am Ort des Mikrospiegels des Projektors 102 liegen. Alle von diesem Punkt kommenden Laserstrahlen 304 werden dann durch das Hologramm 600 effizient umgelenkt. Durch die Aufweitung des Laserstrahls 304 am holografischen Projektionselement 308 wird der Winkel der auf das Windschutzscheibenhologramm 600 eintreffenden Wellenfront leicht vergrößert, liegt aber immer noch sehr nahe am aufgenommenen Winkel, wodurch das Hologramm 600 weiterhin effizient betrieben wird.
In einem Ausführungsbeispiel ist auch das Hologramm 600 der Windschutzscheibe 112 durch ein geschriebenes Hologramm realisiert, bei dem jedes Flächenelement des Hologramms 600 ein eigenes, bei der Hologrammaufnahme separat belichtetes Pixel mit unabhängiger optischer Funktion darstellt.
In einem alternativen Ausführungsbeispiel wird auf das holografische Projektionselement 308 vor dem Projektor 102 verzichtet. Der Laserprojektor 102 projiziert dabei direkt auf die Frontscheibe 112, deren holografische Pixelstrukturen 600 den Laserstrahl 304 aufweiten und in Richtung des Fahrerauges 110 leiten. Die Frontscheibe 112 wirkt in diesem Fall als specklefreie Projektionsfläche 600.
In einem Ausführungsbeispiel ist statt des strahlformenden holografischen Projektionselements 308 zwischen dem Laserprojektor 102 und dem Windschutzscheibenhologramm 600 ein Mikrolinsenarray angeordnet. Die Mikrolinsen des Arrays übernehmen dann die Aufgabe der Strahlaufweitung des Laserstrahls 304 ähnlich der Ausführungsform mit einem zweiten Hologramm.
In einem Ausführungsbeispiel ist die Funktion des Hologramms 600 in der Windschutzscheibe 112 in eine Combinerscheibe integriert. Dadurch ist es nicht erforderlich das HUD-System 100 auf die jeweilige Windschutzscheibe 112 anzupassen und es wird keine spezielle Windschutzscheibe 112 mit holografischer Funktion benötigt.
In einem Ausführungsbeispiel ist die durch die aufgeweiteten Laserstrahlen 310 erzeugte Eyebox 602 kleiner dimensioniert und nur für ein einzelnes Auge 110 ausgelegt. Ein zweiter Projektor erzeugt dann eine zweite Eyebox für das zweite Auge. Die holografischen Projektionselemente 308, 600, insbesondere das Windschutzscheibenhologramm 600 weisen dazu eine unterschiedliche optische Funktion für die beiden Augen auf. Da die holografischen Projektionselemente 308, 600 winkelselektiv sind, kann die Bestrahlung des Windschutzscheibenhologramms 600 aber aus verschiedenen Winkeln für die beiden Eyeboxen 602 erfolgen. Durch die verschiedenen Einfallswinkel wirkt das Windschutzscheibenhologramm 600 dann mit unterschiedlicher optischer Funktion auf die beiden Teilbilder.
7 zeigt eine Darstellung einer Projektionsfläche 308 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die holografische Projektionsfläche 308 entspricht dabei im Wesentlichen den in den vorhergehenden Figuren dargestellten Projektionsflächen. Es ist das Verhalten der holografisch optischen Element(HOE)-Projektionsfläche 308 beim Auftreffen des Laserstrahls zwischen zwei geschriebene Pixel 400 dargestellt. Die holografische Projektionsfläche 308 ist hier in vier geschriebene, quadratische Pixel 400 unterteilt. Strahlt der Laserstrahl zwischen zwei Pixel 400, so wird jedes Pixel 400 über die abbildende Linse 700 seinen eigenen Bildpunkt 702 bzw. 702‘ erzeugen. Die einzelnen Bildpunkte 702 und 702‘ bleiben dabei specklefrei.
Durch das Einbelichten von einzelnen holografischen Pixeln 400 in eine holografische Projektionsfläche 308 können die Pixel 400 in beliebiger Anordnung eingeschrieben werden und können sich insbesondere auch überlappen. Dadurch können auch bei Einbelichtung von runden oder ovalen Pixeln 400 undefinierte Zwischenbereiche zwischen den einzelnen Pixeln 400 vermieden werden. Es können dabei negative, von auf Mikrolinsenarrays basierenden Systemen bekannte Effekte wie beispielsweise Tiling vermieden werden.
Durch die Einbelichtung der holografischen Pixel 400 in eine flache holografische Schicht, das holografische Projektionselement 308, werden störende Kanteneffekte zwischen den Pixeln 400 vermieden. Dies bietet einen Vorteil beispielsweise gegenüber auf Mikrolinsen basierende Projektionsflächen, bei denen Rauigkeiten an den Kanten Speckle-Muster verursachen können. Insbesondere bei MLA-Projektionsflächen mit gegenüber dem Laserstrahldurchmesser kleinen Mikrolinsen treten solche Effekte auf.
Durch die auf einem holografischen Effekt beruhende Aufweitung der einzelnen Pixel kann der Laserstrahl im Vergleich zu einer refraktiv arbeitenden Mikrolinse stärker aufgeweitet werden. Dadurch kann die Aufweitung in einer einzelnen holografischen Schicht, das holografische Projektionselement 308, erfolgen, während mikrolinsenbasierte Systeme in der Regel eine mehrstufige Aufweitung über mehrere Mikrolinsenarrays benötigen.
Trifft der Laserstrahl zwischen zwei eingeschriebene Pixel 400 der holografischen Projektionsfläche 308, so rekonstruiert der Laser beide Bildpunkte 400 der beiden Pixel 400. Dieser Fall ist in 7 veranschaulicht. Darin wird der aufgeweitete Laserstrahl über eine Linse 700 abgebildet. Die beiden Hologrammpixel 400 werden dabei jeweils in einen anderen Punkt 702 bzw. 702‘ abgebildet. Da die beiden Pixel 400 jeweils von einem Teil einer einzelnen, intakten Phasenfront getroffen werden, rekonstruieren sie ihre Bildpunkte 702 bzw. 702‘ jeweils specklefrei. Im ungünstigsten Falle würden auf diese Art vier Pixel 400 gleichzeitig rekonstruiert, was effektiv die dargestellte Auflösung des Bildes halbieren würde. Eine geringe Verschiebung führt zu einem leichten, um nur ein Pixel versetztes Doppelbild eines Bildpunktes 702 bzw. 702‘.
8 zeigt eine Darstellung eines Bestrahlens einer holografisch optischen Element(HOE)-Projektionsfläche bzw. ein holografisches Projektionselement 308 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die holografische Projektionsfläche 308 entspricht dabei im Wesentlichen den in den vorhergehenden Figuren dargestellten Projektionsflächen. Die Projektionsfläche 308 wird dabei zwischen zwei Pixeln 400 bestrahlt. Schreibt der Flying Spot Projektor 102 einen Bildpunkt zwischen zwei Pixel 400, der holografisch optischen Element(HOE)-Projektionsfläche 308, so trifft auf jeden der beiden Pixel 400 ein Teil der Phasenfront des Lasers 304. Das einzelne Pixel 400 wird dabei immer noch mit einer einzelnen, intakten Phasenfront bespielt und es findet keine Streuung oder Zerstörung der Phase statt. Damit ist der einzelne rekonstruierte Bildpunkt eines Pixels 400 weiterhin specklefrei.
9 zeigt einen Ausschnitt einer holografisch optischen Element(HOE)-Projektionsfläche 308 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Projektionsfläche 308 entspricht dabei im Wesentlichen den in den vorhergehenden Figuren dargestellten Projektionsflächen. Die Projektionsfläche 308 weist sich überlappende, runde Pixel 400 auf. Durch die Überlappung werden ungenutzte und undefinierte Zwischenbereiche zwischen den Pixeln vermieden. Das Zentrum 900 eines jeden Pixels 400 enthält nur die optische Funktion des Pixels. Im Randbereich 902 findet ein Übergang zur optischen Funktion des Nachbarpixels 400 statt. Der Übergang bezieht sich auf die Beugungseffizienz der beiden eingeschriebenen Pixelhologramme.
Anstatt die Pixel 400 vollständig voneinander zu trennen, können die Pixel 400 auch bewusst überlappend angeordnet werden. In 9 ist eine Projektionsfläche 308 mit sich überlappenden Pixeln 400 dargestellt. Die Pixel 400 sind dabei kreisförmig und in einem quadratischen Gitter angeordnet. Das Zentrum 900 eines jeden Pixels 400 enthält dabei nur die holografische Funktion dieses einen Pixels 400. Zum nächsten Pixel hin nimmt die Beugungseffizienz dieser optischen Funktion ab und die Beugungseffizienz der optischen Funktion des Nachbarpixels 400 nimmt zu. Da das Nachbarpixel 400 eine sehr ähnliche optische Funktion besitzt, findet ein fließender Übergang 902 der Pixel 400 ineinander statt. Es treten damit keine störenden Effekte durch undefinierte Zwischenregionen zwischen den Pixeln 400 oder durch von Mikrolinsenarrays bekannte Zwischenkanten auf.
Der scannende Laserstrahl 304 kann so angesteuert werden, dass die Intensität des Laserspots bis zum Rand des Pixels 400 auf den Faktor 1/e seiner Peakintensität abgenommen hat. Der Rand des Pixels 400 kann dabei definiert werden als die Position, bei der die Beugungseffizienz auf Faktor 1/e des Maximalwertes abgesunken ist. Die Laserspotgröße bzw. -fläche stimmt dann in etwa mit der Pixelgröße bzw. -fläche der holografischen Projektionsfläche 308 überein. Alternativ kann der Laserspot auch kleiner gewählt werden, um die Pixel schärfer voneinander abzugrenzen.

10 zeigt eine Darstellung einer Simulation eines Laserprojektions-HUDs 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Projektionssystem 100 entspricht dabei im Wesentlichen dem in den 6 dargestellten Projektionssystem. Das System 100 wurde auf eine kleine Eyebox 602 für ein Auge ausgelegt. Dargestellt sind Lichtstrahlen einer geometrischen Berechnung, die keine gaussförmige Ausbreitung der Strahlen beinhaltet. Aus diesem Grund weichen die nach geometrischer Strahlenoptik berechneten Ergebnisse von denen der Berechnung der Gaussstrahlen ab, auf die das System 100 ausgelegt wurde. Die Abbildung der 10 verdeutlicht dennoch den Aufbau und die Platzierung der verwendeten optischen Elemente. Die erreichten Systemparameter sind der nachfolgend wiedergegebenen Tabelle zu entnehmen.

Parameter	Wert	Beschreibung
VID	3 m	virtuelle Leinwanddistanz
FOV	9° × 4° (horizontal × vertikal)	Field of View (= Sichtfeld)
EB	40 mm × 40 mm (horizontal × vertikal)	Eyeboxgröße
LD	1,5 µm × 1,5 µm	Emitterfläche der Laserdiode
MS	1 mm × 1 mm	Dimension der Mikrospiegel
Spot MS	692 µm × 979 µm (horizontal × vertikal)	Spotdurchmesser am Mikrospiegel
Spot HOE	183 µm × 183 µm (horizontal × vertikal)	Spotdurchmesser am Zwischen-HOE (holografisch-optischen Element)

Durch die Verwendung eines Hologramms 600 in der Windschutzscheibe 112 und durch den Verzicht auf weitere Abbildungsspiegel wird das Blickfeld im Wesentlichen durch die Größe des Frontscheibenhologramms 600 limitiert. Durch die Integration großer Hologramme 600 in die Windschutzscheibe 112 können damit sehr große Blickfelder realisiert werden, ohne den eigentlichen Bauraum des HUDs 100 wesentlich zu erhöhen.
Durch das Wegfallen zusätzlicher Abbildungsoptik wird der Bauraum des Systems 100 durch eine vergrößerte holografische Projektionsfläche 308 nur geringfügig vergrößert. Es ist dadurch beispielsweise möglich, eine größere Projektionsfläche 308 mit größeren holografischen Pixeln zu wählen. Dadurch wird die Herstellung der holografischen Projektionsfläche 308 ermöglicht bzw. vereinfacht, da größere Pixel technisch besser einbelichtet werden können.
Durch die Möglichkeit der Wahl einer holografischen Projektionsfläche 308 mit größeren Pixeln ohne eine drastische Zunahme des Bauraums werden geringere Anforderungen an den Strahldurchmesser des Flying Spot Lasers 304 am Ort der Projektionsfläche 308 gestellt. Das Projektionssystem 100 kann dadurch optimiert werden und kann beispielsweise besonders scharfe Pixel projizieren.
Das vorgeschlagene Konzept gemäß den beschriebenen Ausführungsbeispielen bietet außerdem die bekannten Vorteile eines Flying Spot Laserprojektionssystems und die bekannten Vorteile holografischer HUD-Ansätze.
Durch die Realisierung des Systems 100 ohne Streufläche kann eine hohe Systemeffizienz gegenüber streuflächenbasierten Systemen realisiert werden.
Durch die Verwendung von holografischen Elementen, die nur auf Laserlicht 304 bestimmter Wellenlängen und bestimmter Einfallswinkel reagieren, wird das System 100 robust gegenüber rückwärts eingestrahltem Sonnenlicht.
Durch den Verzicht auf die konventionelle HUD-Optik wird der Bauraum des Systems 100 wesentlich reduziert und es werden die Kosten und der Aufwand für mechanische Halterungen reduziert.
Durch die Verwendung des Flying Spot Projektionsverfahrens, das den Laserstrahl 304 zeitlich moduliert und bei nicht benötigten Pixeln komplett abschaltet, kann ein sehr hoher Kontrast erreicht werden. Insbesondere kann dadurch der vorstehend bereits genannte optische Effekt, bei dem in dunkler Fahrszene noch ein grauer Bereich um die dargestellte Bildinformation sichtbar ist („Postkarteneffekt“), vermieden werden.
Durch die Verwendung von polarisiertem Laserlicht 304 kann die Polarisationsrichtung an die Windschutzscheibe 112 angepasst werden, um eine hohe Effizienz zu erreichen.
Die Simulation einer konkreten Auslegung des Systems 100 findet sich in 10. Die in der Abbildung eingezeichneten Lichtstrahlen 304 wurden durch geometrische Strahlenoptik berechnet, ohne die gaussförmige Ausbreitung der einzelnen Strahlen 304 zu berücksichtigen. Da es sich tatsächlich aber um sich gaussförmig ausbreitende Laserstrahlen 304 handelt, wurde für die Auslegung der optischen Komponenten wie beispielsweise der holografischen Projektionselemente 308, 600 auf entsprechende Berechnungen zurückgegriffen. Die Abbildung veranschaulicht den Systemaufbau und die Positionierung der einzelnen Elemente 308, 600, allerdings weichen die dargestellten Ergebnisse für die Lichtstrahlen 304 von den tatsächlichen ab.
In der vorstehend genannten Tabelle finden sich einige Kenngrößen des simulierten Systems 100. Darin ist erkennbar, dass der Strahldurchmesser am Ort des Mikrospiegels unter einem Millimeter beträgt. Damit ist die Anforderung erfüllt, dass der zu scannende Laserstrahl 304 die Dimension des Mikrospiegels nicht überschreitet. Der Abstand der Strahltaille der Laserstrahlen 304 der fünf verschiedenen simulierten Displaypunkte beträgt maximal 8 mm von der in 3 m befindlichen virtuellen Leinwand 114. Die wahrgenommene Entfernung des Bildes weicht also nur unwesentlich von den angestrebten 3 m Leinwanddistanz ab.
Die pixelweisen holografischen Funktionen des holografischen Projektionselementes 308 lenken die Laserstrahlen 304 um und weiten sie auf. Der Betrachter schaut dann in den aufgeweiteten Laserstrahl.
Im vorliegenden hier beschriebenen Ausführungsbeispiel wird, wie in der Tabelle kurz beschrieben, eine virtuelle Leinwanddistanz von 3 m und ein Sichtbereich (Field of View) von 9° × 4° (horizontal × vertikal) verwendet. Die Eyeboxgröße (Größe des Augenfeldes) beträgt 40 mm × 40 mm (horizontal × vertikal) und die Emitterfläche der Laserdiode beträgt 1,5 µm × 1,5 µm. Die Dimension des Mikrospiegels beträgt 1 mm × 1 mm und der Spotdurchmesser am Mikrospiegel beträgt 692 µm × 979 µm (horizontal × vertikal). Der Spotdurchmesser am Zwischen-HOE beträgt hier 183 µm × 183 µm (horizontal × vertikal).
11 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 1100 zum Projizieren eines Bilds gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Verfahren weist einen Schritt 1105 des Rasterns auf. Im Schritt 1105 des Rasterns werden Bildpunkte des Bilds unter Verwendung eines zweiachsig ablenkbaren, modulierbaren Laserstrahls auf Pixel einer holografischen Projektionsfläche gemäß dem hier vorgestellten Ansatz gerastert.
12 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 1100 zum Herstellen eines holografischen Projektionselements gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Verfahren 1200 umfasst einen Schritt 1205 des Belichtens einer Mehrzahl von Pixeln des Projektionselements mit je einer unterschiedlichen, insbesondere voneinander unabhängigen holografischen Beugungsstruktur und/oder je einer unterschiedlichen, insbesondere voneinander unabhängigen holografischen Funktion belichtet 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

Holografisches Projektionselement (308) für ein Projektionssystem (100), wobei das Projektionselement (308) eine Mehrzahl von Pixeln (400) aufweist, die je eine unterschiedliche, insbesondere voneinander unabhängige holografische Beugungsstruktur und/oder je eine unterschiedliche, insbesondere voneinander unabhängige holografische Funktion aufweisen.
Projektionselement (308) gemäß Anspruch 1, bei dem zumindest mehrere, insbesondere drei Pixel (400) als Pixelgruppegruppiert sind, wobei die Pixel (400) jeweils eine eigene wellenlängenselektive holografische Beugungsstruktur aufweisen.
Projektionselement (308) gemäß Anspruch 2, bei dem die Pixel (400) jeweils einen wellenlängenabhängigen Flächeninhalt aufweisen.
Projektionselement (308) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem die Pixel (400) zumindest teilweise überlappend angeordnet sind, wobei insbesondere in einem Überlappungsbereich (902) zweier benachbarter Pixel (400) die holografischen Beugungsstrukturen der Pixel (400) ineinander übergehen.
Projektionssystem (100) mit einem holografischen Projektionselement (308) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Projektionssystem (100) eine Ablenkeinheit (306) zum zweiachsigen Lenken eines modulierbaren Laserstrahls (304) auf das Projektionselement (308) aufweist.
Projektionssystem (100) gemäß Anspruch 5, mit einem holografischen optischen Element (600), das dazu ausgebildet ist, ein durch den Laserstrahl (304) auf das Projektionselement (308) projiziertes Bild (310) in einen Betrachtungsbereich (602) des Projektionssystems (100) zu lenken.
Projektionssystem (100) gemäß Anspruch 6, bei dem das Element (600) als Kugelwellenumlenker ausgebildet ist.
Projektionssystem (100) gemäß Anspruch 6, bei dem das Element (600) eine Mehrzahl von Pixeln aufweist, die je eine unterschiedliche, insbesondere voneinander unabhängige holografische Beugungsstruktur und/oder je eine unterschiedliche, insbesondere voneinander unabhängige holografische Funktion aufweisen.
Projektionssystem (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem die Ablenkeinheit (306) als ein in zwei Achsen beweglicher Ablenkspiegel (306) ausgebildet ist, wobei der Laserstrahl (304) eine geringere Fläche aufweist, als eine Fläche des Ablenkspiegels (306).
Projektionssystem (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, mit einer Lasereinheit (102) zum Bereitstellen des Laserstrahls (304), der aus zumindest drei modulierbaren Sublaserstrahlen kollimiert ist, wobei die Lasereinheit (102) für jeden Sublaserstrahl eine steuerbare Laserquelle (300) mit unterschiedlicher Wellenlänge aufweist.
Projektionssystem (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche 5 bis 10, mit einem weiteren Projektionselement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 und wobei die Ablenkeinheit (306) dazu ausgebildet ist, den Laserstrahl (304) und/oder einen weiteren Laserstrahl auf das weitere Projektionselement zu lenken.
Verfahren (1000) zum Projizieren eines Bilds (310), wobei Bildpunkte des Bilds (310) unter Verwendung eines zweiachsig ablenkbaren, modulierbaren Laserstrahls (304) auf Pixel (400) eines holografischen Projektionselements (308) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 gerastert werden.
Verfahren (1200) zum Herstellen eines holografischen Projektionselements (308), wobei eine Mehrzahl von Pixeln (400) des Projektionselements (308) mit je einer unterschiedlichen, insbesondere voneinander unabhängigen holografischen Beugungsstruktur und/oder je einer unterschiedlichen, insbesondere voneinander unabhängigen holografischen Funktion belichtet werden.
Computerprogramm, das dazu eingerichtet ist, ein Verfahren (1100, 1200) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche auszuführen.
Maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogramm nach Anspruch 14 gespeichert ist.