DE102019200957A1

DE102019200957A1 - Verfahren und Projektionsvorrichtung zum Erzeugen virtueller Bilder

Info

Publication number: DE102019200957A1
Application number: DE102019200957.3A
Authority: DE
Inventors: Tobias Werner; Benjamin Traenkle; Reinhold Fiess; Stefanie Hartmann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2019-01-25
Filing date: 2019-01-25
Publication date: 2020-07-30

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen virtueller Bilder (1), bei dem mittels einer Bilderzeugungseinrichtung (10) mit Lichtquellen (11) verschiedener Farben Bilder (21, 22) erzeugt werden, die mittels einer Abbildungsoptik (30) auf eine Reflexionsfläche (4) in einem Sichtfeld eines Betrachters (210) projiziert werden, wobei eine Position (P) eines Kopfes (215) des Betrachters (210) erfasst wird, und wobei die Bilder (21, 22) individuell für die verschiedenen Farben erzeugt und basierend auf der erfassten Position (P) des Kopfes des Betrachters vorverzerrt werden, wobei die Erzeugung der Bilder (21, 22) individuell für die verschiedenen Farben basierend auf der erfassten Position (P) des Kopfes des Betrachters korrigiert wird, sowie eine Projektionsvorrichtung (100) zum Erzeugen virtueller Bilder (1).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen virtueller Bilder sowie eine Projektionsvorrichtung, eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung.
Stand der Technik
Projektionsvorrichtungen zum Erzeugen virtueller Bilder können beispielsweise in Fahrzeugen eingesetzt werden, um für einen Fahrer ein virtuelles Bild in sein Sichtfeld bzw. in die Windschutzscheibe zu projizieren. Solche Projektionsvorrichtungen sind dabei auch unter dem Begriff Head-Up-Display bzw. HUD bekannt.
Neben der Verwendung einer herkömmlichen Abbildungsoptik mit beispielsweise Linsen werden bei solchen Projektionsvorrichtungen auch sog. holographische optische Elemente in der Abbildungsoptik verwendet. Aus der GB 2 213 951 A und der US 2008/0186547 A1 sind beispielsweise Projektionsvorrichtungen bekannt, bei denen holographische optische Elemente verwendet werden. Aus der DE 10 2013 212 667 A1 ist es beispielsweise bekannt, bei einer Projektionsvorrichtung Bilder separat für die beiden Augen eines Betrachters zu korrigieren.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß werden ein Verfahren und eine Projektionsvorrichtung zum Erzeugen virtueller Bilder sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zur Durchführung des Verfahrens mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Erzeugen virtueller Bilder, bei dem mittels einer Bilderzeugungseinrichtung mit Lichtquellen verschiedener Farben Bilder (im Sinne reeller Bilder) erzeugt werden, die mittels einer Abbildungsoptik auf eine Reflexionsfläche in einem Sichtfeld eines Betrachters projiziert werden. Dort sind die Bilder dann als virtuelle Bilder für den Betrachter sichtbar. Hierbei kann eine Projektionsvorrichtung, wie sie später noch erläutert wird, verwendet werden. Insbesondere kommt hierzu ein sog. Head-Up-Display, bevorzugt in einem Fahrzeug, in Betracht. Als Reflexionsfläche kann dann insbesondere die Windschutzscheibe des Fahrzeugs verwendet werden, denkbar und üblich ist jedoch auch eine separate Scheibe als Reflexionsfläche. Ebenso kann eine in Transmission wirkende Scheibe verwendet werden, welche beispielsweise durch Integration oder Auflamination einer holographischen Schicht eine optisch abbildende Funktion in Transmission erfüllt.
Als Abbildungsoptik wird hierbei insbesondere eine Abbildungsoptik mit wenigstens einem holographischen optischen Element verwendet, wie eingangs schon erwähnt. Solche holographischen optischen Elemente können beispielsweise als Volumenhologramme realisiert werden. Die Strahlumlenkung wird hierbei nicht durch Brechung vorgegeben, sondern durch Beugung am Volumengitter. Holographische optische Elemente lassen sich sowohl in Transmission als auch in Reflexion fertigen und durch eine freie Wahl von Ein- und Ausfall- bzw. Beugungswinkel ermöglichen sie neue Bauformen. Das holographische Beugungsgitter kann beispielsweise in eine dünne, photosensitive Folie belichtet werden.
Trotz der Vorteile der holographischen optischen Elemente bzw. der Volumenhologramme gibt es mitunter einige Einschränkungen bezüglich der Farbwiedergabe der holographischen optischen Elemente. Durch die Beugung, insbesondere am Volumengitter, sind holographische Systeme stärker mit chromatischen Fehlern behaftet als vergleichbare Systeme mit konventioneller, d.h. auf Brechung beruhender, Optik. Im Fall des Head-Up-Displays wirkt sich dies im Konkreten auf die sog. RGB-Spot-Überlagerung im virtuellen Bild aus unterschiedlichen Positionen des Betrachters bzw. Fahrers, insbesondere dessen Kopfes bzw. seiner Augen, aus. Für eine solche Projektionsvorrichtung bzw. ein Head-Up-Display gibt es einen bestimmten Bereich bzw. Sichtbereich, innerhalb dessen sich der Kopf bzw. die Augen des Betrachters befinden müssen, um das virtuelle Bild sehen zu können. Hierbei wird auch von der sog. Eyebox gesprochen, bei der Position des Kopfes bzw. der Augen innerhalb dieser Eyebox dann auch von der sog. Eyebox-Position.
Wie erwähnt, werden für die Erzeugung der Bilder Lichtquellen verschiedener Farben verwendet. Als Lichtquellen kommen hierbei bevorzugt Laser, insbesondere Laserdioden, in Betracht, als Farben typischerweise Rot, Grün und Blau. Hierbei müssen oder zumindest sollten die Spots (d.h. die Lichtpunkte) für Rot, Grün und Blau - bzw. allgemein die verschiedenen Farben - im virtuellen Bild nicht nur separat betrachtet geringe Grenzwerte bzw. Ausmaße erreichen (z.B. unterhalb des Auflösungsvermögens des menschlichen Auges liegen), sondern auch der gesamte RGB-Spot als Überlagerung der einzelnen Spots (bzw. allgemein die Überlagerung der Spots der verschiedenen Farben) muss bzw. soll die Grenzwerte einhalten.
Für holographische Systeme kann dies in der Regel nicht über die komplette Eyebox gewährleistet werden, weshalb es vor allem am Rand der Eyebox zu Abweichungen von diesen Grenzwerten kommt. Dies kann durch eine reduzierte Anforderung an die Auflösung des Systems gelöst werden, was aber eine Beeinträchtigung der Bildqualität nach sich zieht.
Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass eine Position eines Kopfes des Betrachters - insbesondere auch zumindest eines Auges oder auch beider Augen des Betrachters - erfasst wird, wobei die Bilder individuell für die verschiedenen Farben erzeugt und dabei basierend auf der erfassten Position des Kopfes bzw. eines oder beider Augen des Betrachters vorverzerrt werden.
Zur Erfassung der Position des Kopfes bzw. der Augen kann beispielsweise eine Kamera, wie sie in modernen Fahrzeugen mitunter ohnehin vorhanden ist, verwendet werden. Insbesondere kann hierbei ein Bild des Fahrers oder des Innenraums des Fahrzeugs erfasst werden, und mittels Bildanalyse kann dann auf die Position von Kopf bzw. Augen - insbesondere in Bezug zur Eyebox - geschlossen werden.
Damit ist ein Ausgleich der chromatischen Fehler bei insbesondere holographischen Systemen, aber auch konventionellen Systemen bzw. Abbildungsoptiken, und somit zur idealen RGB-Spot Darstellung aus allen Bereichen bzw. Positionen der Eyebox möglich. Dabei wird durch eine Kombination aus Fahrerbeobachtung und dynamischem, auf die jeweilige Farbe angepasstem Warping der zu erzeugenden Bilder eine Anpassung an die jeweilige Fahrerposition vorgenommen. Unter dem Begriff Warping ist dabei eine Vorverzerrung des erzeugten Bildes zu verstehen, um später im virtuellen Bild auftretende Verzerrungen auszugleichen.
Zusätzlich bietet dieses Verfahren die Möglichkeit, Schwankungen der Wellenlänge, wie diese insbesondere bei Laserdioden, in der Regel bedingt durch Temperaturwechsel auftreten, mit auszugleichen. Die Erzeugung der Bilder kann also individuell für die verschiedenen Farben weiterhin basierend auf einer Temperatur der Lichtquellen korrigiert werden. Hierzu kann insbesondere auf (bekannte) Kennlinien der Laser zurückgegriffen werden. Zur Erfassung der Temperatur können geeignete Temperatursensoren vorgesehen sein.
Ebenso kann die Veränderung der Temperatur von holographisch optischen Elementen - oder allgemein von Komponenten der Abbildungsoptik - einen Einfluss auf deren optische Funktion ausüben, der sich auf die unterschiedlichen optischen Funktionen für die verschiedenen Farben verschieden auswirkt. Die Erzeugung der Bilder kann daher auch individuell für die verschiedenen Farben basierend auf der Temperatur der holographisch optischen Elemente bzw. von Komponenten der Abbildungsoptik erfolgen.
Auch im konventionellen Head-Up-Display werden durch die Abbildungsoptik und die Reflexionsfläche bzw. die Windschutzscheibe verursachte Verzerrungen des Bildes durch Vorverzerren des Bildinhaltes ausgeglichen (konventionelles Warping). Da diese Kompensation statisch ist und sich nicht auf die Kopfposition angepasst wird, kann nur ein statischer Anteil der Verzerrung ausgeglichen werden. Das Bild wird typischerweise kompensiert, um bei Betrachtung von einem zentralen Punkt innerhalb der Eyebox aus ein entzerrungsfreies Bild zu gewährleisten. Durch die Anpassung der Warping-Funktion an die Kopfposition können nunmehr aber auch dynamische Anteile der Verzerrung ausgeglichen werden, welche bei Bewegung der Beobachterposition durch die Eyebox auftreten.
Vorzugsweise wird, wie schon erwähnt, bei der Erfassung der Position des Kopfes eine Position eines Auges des Betrachters erfasst. Dann ist es besonders bevorzugt, wenn die Bilder nur für einen das (betreffende) Auge betreffenden Sichtbereich des Betrachters erzeugt werden. Die Eyebox kann somit also eingeschränkt werden.
Alternativ ist es aber auch besonders bevorzugt, wenn bei der Erfassung der Position des Kopfes eine Position beider Augen des Betrachters erfasst wird. Dann können insbesondere auch mittels der Bilderzeugungseinrichtung separate Bilder für die beiden Augen erzeugt werden, wobei die Bilder individuell für die verschiedenen Farben basierend auf der erfassten Position beider Augen des Betrachters individuell für zumindest eines der beiden Augen, insbesondere aber für beide Augen, vorverzerrt werden.
Mit andern Worten wird also das farbspezifische, dynamische Warping in einem stereoskopischen System eingesetzt, bei dem separate Bilder (dann im Sinne von Teilbildern) für das linke und das rechte Auge des Betrachters realisiert werden. In diesem System lassen sich die Teilbilder getrennt vorverzerren, wodurch die Farbüberlagerung noch effizienter an die Positionen der Augen angepasst werden kann.
Besonders zweckmäßig ist es bei solchen stereoskopischen Systemen auch, wenn die Bilder weiterhin hinsichtlich eines Abstandes der virtuellen Bilder vom Betrachter korrigiert bzw. vorverzerrt werden. Insbesondere kann damit also eine Wölbung der virtuellen Bilder - und somit einer virtuellen Leinwand - durch den stereoskopischen Effekt kompensiert werden. Dieser stereoskopische Ausgleich einer Leinwandwölbung ist auch auf konventionelle, d.h. nicht holographische Systeme bzw. Abbildungsoptiken, anwendbar.
Gegenstand der Erfindung ist weiterhin eine Projektionsvorrichtung zum Erzeugen virtueller Bilder, mit einer Bilderzeugungseinrichtung mit Lichtquellen verschiedener Farben, die dazu eingerichtet ist, Bilder zu erzeugen, mit einer Abbildungsoptik, mittels welcher die Bilder auf eine Reflexionsfläche in einem Sichtfeld eines Betrachters projizierbar sind. Dabei ist eine Erfassungsvorrichtung, beispielsweise eine Kamera, vorgesehen, die dazu eingerichtet ist, eine Position eines Kopfes, insbesondere der Augen, des Betrachters zu erfassen, wobei die Bilderzeugungseinrichtung dazu eingerichtet ist, die Bilder individuell für die verschiedenen Farben zu erzeugen und basierend auf der erfassten Position des Kopfes des Betrachters vorzuverzerren.
Die Projektionsvorrichtung ist dabei zudem insbesondere dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen. Hinsichtlich weiterer Vorteile und Ausgestaltungen sei zur Vermeidung von Wiederholungen daher auf obige Erläuterungen zum Verfahren verwiesen, die hier entsprechend gelten.
Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät eines Head-Up-Displays, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, bei Verwendung in oder mit einer Projektionsvorrichtung mit Erfassungsvorrichtung ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
Auch die Implementierung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines Computerprogramms mit Programmcode zur Durchführung aller Verfahrensschritte ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere magnetische, optische und elektrische Speicher, wie z.B. Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
Figurenliste

1 zeigt schematisch einen Aufbau einer erfindungsgemäßen Projektionsvorrichtung in einer bevorzugten Ausführungsform mit einem Strahlenverlauf.
2 zeigt schematisch einen Aufbau einer erfindungsgemäßen Projektionsvorrichtung in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform mit einem Strahlenverlauf.
3 zeigt eine Erzeugung von virtuellen Bildern bei einer nicht erfindungsgemäßen Projektionsvorrichtung.
4 zeigt schematisch einen Teil einer erfindungsgemäßen Projektionsvorrichtung in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform.
5 zeigt schematisch einen Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform.

Ausführungsform(en) der Erfindung
In 1 ist schematisch ein Aufbau einer erfindungsgemäßen Projektionsvorrichtung 100 zum Erzeugen virtueller Bilder in einer bevorzugten Ausführungsform mit einem Strahlenverlauf dargestellt. Die Darstellung virtueller Bilder kann für verschiedene Anwendungszwecke verwendet werden, jedoch ist die Verwendung in einem Fahrzeug 200 besonders vorteilhaft, da hier ein virtuelles Bild erzeugt werden kann, das aus Sicht eines Betrachters bzw. Fahrers 210 vor dem Fahrzeug 200 zu schweben scheint. Hierbei ist ein solches virtuelles Bild bzw. eine dadurch gebildete virtuelle Leinwand mit 1 bezeichnet. Insbesondere handelt es sich bei der Projektionsvorrichtung 100 dabei um ein sog. autostereoskopisches Head-Up-Display.
In der hier gezeigten Darstellung werden zunächst mittels einer Bilderzeugungsvorrichtung 10 Bilder 21 und 22 im Sinne von Teilbildern erzeugt. Dies kann insbesondere unter Verwendung von Laserdioden mit verschiedenen Farben bzw. Wellenlängen des erzeugten Lichts als Lichtquellen erfolgen. Beispielhaft sind drei solcher Laserdioden 11 gezeigt. Die Bilder 21, 22 selbst werden durch geeignete Ansteuerung der Laserdioden 11 durch beispielsweise eine Recheneinheit 10 sowie ggf. einer Ablenkvorrichtung, um die Licht- bzw. Laserstrahlen abzulenken, erzeugt.
Die Bilder 21, 22 werden in verschiedene Richtungen abgestrahlt und dann auf eine Abbildungsoptik 30 gegeben, die in der gezeigten Darstellung als eine Spiegeloptik mit einem holografischen optischen Element 31 ausgeführt ist. Es versteht sich, dass auch eine andere Abbildungsoptik verwendet werden kann.
Mittels der Abbildungsoptik 30 sind die Bilder 21, 22 auf eine Reflexionsfläche 4 projizierbar, die hier als eine Windschutzscheibe des Fahrzeugs ausgebildet ist. Allgemein kann es sich bei der Reflexionsfläche aber auch um einen sog. Combiner handeln, worunter eine zumindest teildurchlässige Umlenkscheibe zu verstehen ist, von der aus Licht in Richtung eines Betrachters umgelenkt wird.
Die Abbildungsoptik 30 kann insbesondere eines oder mehrere Hologramme oder einen holographischen Waveguide aufweisen. Dabei ist es auch möglich, ein Hologramm als Teil des Abbildungssystems am Ort der Reflexionsfläche bzw. Windschutzscheibe 4 zu platzieren oder darin einzubetten.
In der hier gezeigten Darstellung sind Strahlenverläufe für beide Bilder 21 und 22 gezeigt, die für die beiden Augen 211 und 212 des Betrachters 210 bestimmt sind. Die Bilder 21, 22 bzw. die damit erzeugten virtuellen Bilder können verschiedene Bereiche abdecken. Es versteht sich jedoch, wie eingangs auch beschrieben, dass auch nur ein Bild verwendet werden kann, das für beide Augen gleichermaßen bestimmt ist und einen entsprechend größeren Bereich abdeckt.
Ebenso kann aber auch nur eines der beiden Bilder verwendet werden, wodurch die Eyebox verkleinert werden kann.
Weiterhin ist eine eine Kamera aufweisende Erfassungsvorrichtung 50 dargestellt, mittels welcher eine Position eines Kopfes 215 des Betrachters 210, und insbesondere dessen Augen 211 und 212 erfasst werden kann. Hierbei ist insbesondere die Position des Kopfes bzw. der Augen relativ zu den Strahlengängen für die Bilder 21, 22 relevant.
In 2 ist schematisch ein Aufbau einer erfindungsgemäßen Projektionsvorrichtung 100' in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform dargestellt. Die Darstellung entspricht, von der konkreten Ausführung der Abbildungsoptik 30' abgesehen, im Grunde der Projektionsvorrichtung 100 gemäß 1, wobei jedoch nicht sämtliche Bestandteile dargestellt sind. Die konkrete Ausgestaltung der Abbildungsoptik ist vorliegend jedoch nicht relevant.
Hier ist nunmehr zudem eine sog. Eyebox 220 gezeigt, die einem Bereich oder Sichtbereich des Betrachters entspricht, innerhalb dessen die mittels der Projektionsvorrichtung 110' darzustellenden virtuellen Bilder 1 zu sehen sind. insbesondere sind hierbei zwei virtuelle Bilder 111 und 112 innerhalb der Eyebox 220 gezeigt, die für die beiden Augen des Betrachters, wie er in 1 gezeigt ist, vorgesehen sind, und die zusammen dann ein insbesondere dreidimensionales, virtuelles Bild bzw. eine virtuelle Leinwand 1 ergeben.
Ergänzend zu der virtuellen Leinwand 1 ist zudem eine gekrümmte virtuelle Leinwand 1' dargestellt. Die virtuelle Leinwand als Abbildungsebene des optischen Systems ist hier zunächst ungewollt gekrümmt. Mit Hilfe des vorgeschlagenen Verfahrens können die Bildpunkte der einzelnen Teilbilder jedoch abhängig von der Position des Kopfes bzw. der Augen des Betrachters derart verschoben werden, dass eine stereoskopische Disparität entsteht, welche die Abweichung der gekrümmten virtuellen Leinwand 1' zur gewünschten Leinwand 1 korrigiert. Dadurch entsteht der Bildeindruck einer nicht gewölbten Leinwand.
In 3 ist eine Erzeugung von virtuellen Bildern bei einer nicht erfindungsgemäßen Projektionsvorrichtung zur Erläuterung des dem vorgeschlagenen Verfahrens zugrundeliegenden Problems dargestellt. Hierzu sind simulierte Spots bzw. Spotgrößen einer Projektionsvorrichtung mit holographischem optischem Element in der Abbildungsoptik gezeigt.
In 3a sind hierzu die Ergebnisse für einen Bereich im Zentrum der bereits erwähnten Eyebox dargestellt. Die Spots für Rot, Grün und Blau sind in der Darstellung überlagert und kaum voneinander zu unterscheiden. Typische Spotgrößen bewegen sich zwischen 214 µm und 520 µm.
In 3b sind die entsprechenden Ergebnisse am Rand bzw. einer Ecke der Eyebox dargestellt. Die Spots bzw. Spotgrößen, für Rot, Grün und Blau mit 14, 13 bzw. 15 bezeichnet, stellen die Größe des RGB-Gesamtspots dar und sind durch die suboptimale Überlagerung der einzelnen Farben stark vergrößert gegenüber der zentralen Position in der Eyebox, wie in 3a zu sehen. Anzumerken ist hierzu, dass in 3b eine andere Skalierung als in 3a gewählt ist.
In 4 ist schematisch ein Teil einer erfindungsgemäßen Projektionsvorrichtung in einer bevorzugten Ausführungsform dargestellt, und zwar insbesondere die Eyebox 220 vor der Reflexionsfläche 4. In 4a ist dabei das linke Auge 211 mit dem zugehörigen virtuellen Bild bzw. Teilbild 111 gezeigt, in 4b das rechte Auge 212 mit dem zugehörigen virtuellen Bild bzw. Teilbild 112 bzw. 112'.
Da sich das linke Auge 211 zentral innerhalb der Eyebox 220 befindet, treten hier keine bzw. kaum Abweichungen der Position der Spots der einzelnen Farben auf, wie auch in 3a zu sehen.
Das rechte Auge 212 hingegen befindet sich hingegen am Rand der Eyebox 220, sodass hier im - nicht erfindungsgemäß vorverzerrten- Bild bzw. Teilbild 112' deutlich sichtbare Abweichungen der Position der Spots der einzelnen Farben auftreten, wie auch in 3a zu sehen. Durch die Vorverzerrung gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren bei der Erzeugung des zugrundeliegenden Bildes hingegen kann ein deutlich besseres Bild bzw. Teilbild 112 ohne bzw. mit allenfalls sehr geringen Abweichungen der Position der Spots der einzelnen Farben erhalten werden.
Im gezeigten Fall ist daher nur für das Bild für das rechte Auge eine Korrektur nötig, für das Bild für das linke Auge hingegen nicht. Es versteht sich jedoch, dass je nach Position der Augen auch für beide Bilder eine Korrektur nötig bzw. erwünscht sein kann.
In 5 ist schematisch ein Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform dargestellt. Die Position P des Kopfes bzw. der Augen des Betrachters wird mittels einer Erfassungsvorrichtung wie einer Kamera, insbesondere Fahrerbeobachtungskamera, erfasst. Mittels Bildverarbeitung kann dann die genaue Position P des Kopfes bzw. der Augen bestimmt werden.
In einem holographischen Head-Up Display können die auftretenden roten, grünen und blauen Bildpunkte für eine zentrale Position in der Eyebox durch Systemoptimierung sehr gut überlagert werden. Wird das Auge jedoch aus der zentralen Position bewegt, laufen die Bildpunkte der einzelnen Farben auseinander und führen zu einem deutlich vergrößerten RGB-Spot, wie oben erläutert.
Das Auseinanderlaufen der Bildpunkte kann nicht nur durch das Abbilden über die Hologramme, sondern auch durch das Verhalten der verwendeten Laserdioden bei schwankender Temperatur verursacht werden, sodass zweckmäßigerweise auch die aktuelle Temperatur T berücksichtigt wird.
Abhängig von der Position P werden dann die Bildpunkte durch Anpassung des Bildinhaltes aufeinander geschoben. Die Korrektur findet insbesondere statt, indem die Vorverzerrung der einzelnen Farben vorgenommen wird, um in beiden Bildern einen im Kompromiss günstigsten Fall zu erreichen.
Neben der Position P und der Temperatur T können zudem auch die Kennlinien K der Laserdioden, sowie simulativ und/oder messtechnisch gewonnene Daten M über das Systemverhalten der Projektionsvorrichtung genutzt werden, um die Parameter des Warpings, d.h. der Vorverzerrung des Bildes, zu berechnen. Das Warping kann beispielsweise als eine auf Polynomen basierende 2D-Bildtransformation realisiert werden, deren Polynomkoeffizienten abhängig von den eingehenden Parametern durch eine Look-Up-Tabelle bestimmt oder selbst wiederum über im Entwicklungsprozess bestimmte Fit-Funktionen berechnet werden.
Für die Poylnomfunktion kann beispielsweise der in nachfolgender Gleichung gezeigte Ansatz verfolgt werden. Durch gemessene, simulierte oder anderweitig ermittelte Stützstellen (x_i', y_i') im Bild im Vergleich zur gewünschten Sollposition (x_i, y_i) lassen sich die Parameter {a₀, a₁,..., a_p} und {b₀, b₁,..., b_p} bestimmen, durch die sich eine Vorschrift zur Bildtransformation ergibt. Diese Parameter definieren selbst wiederum Stützstellen einer Transformation, welche die Kopf- bzw. Augenposition mit den zugehörigen Parametern verknüpft. $x' = a_{0} + a_{1} x + a_{2} y + a_{3} x y + a_{4} x^{2} + a_{5} y^{2} + \dots + a_{p - 1} x^{m} + a_{p} y^{m}$
$y' = b_{0} + b_{1} x + b_{2} y + b_{3} x y + b_{4} x^{2} + b_{5} y^{2} + \dots + b_{p - 1} x^{m} + b_{p} y^{m}$
Das vorgeschlagene Verfahren des farbspezifischen, dynamischen Warpings lässt sich, wie dargestellt, auf ein stereoskopisches Head-Up-Display anwenden, bei dem separate Teilbilder für das linke und das rechte Auge erzeugt werden. Hierzu können also Parameter P₁₁₁ für das Warping für das linke Bild bzw. Auge und Parameter P₁₁₂ für das Warping für das rechte Bild bzw. Auge erzeugt und zur Korrektur der Bilder verwendet werden.
Damit können die Bilder entsprechend vorverzerrt werden, sodass verbesserte virtuelle Bilder 111 für das linke Auge bzw. 112 für das rechte Auge erhalten werden. Durch die angepassten Warping-Funktionen wird sowohl eine korrekte RGB-Überlagerung erreicht, als auch eine Korrektur der Verzerrung des Bildes vorgenommen.
Das vorgeschlagene Verfahren ermöglicht insbesondere eine stufenweise Anpassung der Position der einzelnen Bildpunkte in Schritten des Pixelabstandes der Bildpunkte im virtuellen Bild. Die Schrittweite ist daher von der Auflösung des erzeugten Bildes und damit von der Anzahl der vom Bildgeber des Systems erzeugten Pixel abhängig.
Durch das dynamische Stereo-Warping wird es ebenfalls ermöglicht, Abweichungen in der virtuellen Leinwanddistanz auszugleichen, welche zu einer gewölbten Leinwandwandebene führen, wie in 2 gezeigt. Die Leinwand dieses Systems ist ungewollt gewölbt, wobei die wahrgenommene Wölbung der Leinwand mit der Augenposition innerhalb der Eyebox variiert. Diese Wölbung manifestiert sich in einem unterschiedlichen Abstand der virtuellen Leinwand für unterschiedliche Bereiche des virtuellen Bildes.
Mit Hilfe der Position der Augen kann im dynamischen Warping die Darstellung einer stereoskopischen Disparität (d.h. der Verschiebung der Objektpunkte in den Teilbildern gegeneinander) integriert werden, welche der Leinwandwölbung entgegenwirkt. Durch den durch die stereoskopische Disparität entstehenden Tiefeneffekt erscheint die Leinwand für den Nutzer nicht mehr gewölbt. Diese Anpassung der Warping-Funktion beinhaltet insbesondere ebenfalls eine korrekte Berechnung der Perspektive aus den verschiedenen Kopfpositionen.
Mit dem vorgeschlagenen, farbspezifischen dynamischen Stereo-Warping kann also eine gewölbte Leinwandebene durch den stereoskopischen Effekt korrigiert werden. Dadurch wird es beispielsweise ermöglicht, im optischen Designprozess einen Schwerpunkt auf geringe Bildpunktgröße zu Ungunsten der Leinwandwölbung zu legen, da die Leinwandwölbung durch das Warping korrigiert werden kann. Die Performance des Systems kann dadurch insgesamt verbessert werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

GB 2213951 A [0003]
US 2008/0186547 A1 [0003]
DE 102013212667 A1 [0003]

Claims

Verfahren zum Erzeugen virtueller Bilder (1, 111, 112), bei dem mittels einer Bilderzeugungseinrichtung (10) mit Lichtquellen (11) verschiedener Farben Bilder (21, 22) erzeugt werden, die mittels einer Abbildungsoptik (30, 30') auf eine Reflexionsfläche (4) in einem Sichtfeld eines Betrachters (210) projiziert werden, dadurch gekennzeichnet, dass eine Position (P) eines Kopfes (215) des Betrachters (210) erfasst wird, wobei die Bilder (21, 22) individuell für die verschiedenen Farben erzeugt und basierend auf der erfassten Position (P) des Kopfes des Betrachters vorverzerrt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei als Abbildungsoptik (30, 30') eine Abbildungsoptik mit wenigstens einem holographischen optischen Element (31) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei bei der Erfassung der Position (P) des Kopfes eine Position eines Auges (211, 212) des Betrachters erfasst wird, und wobei die Bilder (112, 112) nur für einen das Auge betreffenden Sichtbereich des Betrachters erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei bei der Erfassung der Position (P) des Kopfes eine Position beider Augen (111, 112) des Betrachters erfasst wird, wobei mittels der Bilderzeugungseinrichtung (10) separate Bilder (21, 22) für die beiden Augen (211, 212) erzeugt werden, wobei die Bilder (21, 22) individuell basierend auf der erfassten Position (P) wenigstens eines der Augen vorverzerrt werden.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Bilder basierend auf der erfassten Position (P) beider Augen des Betrachters individuell für beide Augen (211, 212) vorverzerrt werden.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Bilder weiterhin hinsichtlich eines Abstandes der virtuellen Bilder (1) vom Betrachter 210) vorverzerrt werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Bilder weiterhin basierend auf einer Temperatur (T) der Lichtquellen (11) vorverzerrt werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Bilder weiterhin basierend auf einer Temperatur (T) wenigstens einer Komponente der Abbildungsoptik, insbesondere eines oder mehrerer holographisch optischer Elemente, vorverzerrt werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei als Lichtquellen (11) Laser, insbesondere Laserdioden, verwendet werden, und wobei insbesondere die Bilder weiterhin basierend auf Kennlinien (K) der Laser vorverzerrt werden.
Projektionsvorrichtung (100, 100') zum Erzeugen virtueller Bilder (1, 111, 112), mit einer Bilderzeugungseinrichtung (10) mit Lichtquellen (11) verschiedener Farben, die dazu eingerichtet ist, Bilder (21, 22) zu erzeugen, mit einer Abbildungsoptik (30, 30'), mittels welcher die Bilder (21, 22) auf eine Reflexionsfläche (4) in einem Sichtfeld eines Betrachters (210) projizierbar sind, gekennzeichnet durch eine Erfassungsvorrichtung (50), die dazu eingerichtet ist, eine Position (P) eines Kopfes (215) des Betrachters (210) zu erfassen, wobei die Bilderzeugungseinrichtung (10) dazu eingerichtet ist, die Bilder (21, 22) individuell für die verschiedenen Farben zu erzeugen und basierend auf der erfassten Position (P) des Kopfes des Betrachters vorzuverzerren.
Projektionsvorrichtung (100, 100') nach Anspruch 10, die dazu eingerichtet ist, alle Verfahrensschritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 2 bis 9 durchzuführen.
Recheneinheit (19), die dazu eingerichtet ist, bei Verwendung in oder mit einer Projektionsvorrichtung (100, 100') nach Anspruch 10 zu veranlassen, alle Verfahrensschritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 durchzuführen.
Computerprogramm, das eine Recheneinheit (19) bei Verwendung in oder mit einer Projektionsvorrichtung (100, 100') nach Anspruch 10 dazu veranlasst, alle Verfahrensschritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 durchzuführen, wenn es auf der Recheneinheit (19) ausgeführt wird.
Maschinenlesbares Speichermedium mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm nach Anspruch 13.