DE102021106433A1

DE102021106433A1 - Wellenfrontmanipulator für Head-up-Display, optische Anordnung und Head-up-Display

Info

Publication number: DE102021106433A1
Application number: DE102021106433.3A
Authority: DE
Inventors: Artur Degen; Adrian Grewe; Roman Kleindienst
Original assignee: Carl Zeiss Jena GmbH
Current assignee: Jenoptik AG
Priority date: 2021-03-16
Filing date: 2021-03-16
Publication date: 2022-09-22
Also published as: WO2022194466A1; EP4308994A1; CN117099036A

Abstract

Es wird ein Wellenfrontmanipulator (3) zur Anordnung im Strahlengang (20) eines Head-up-Displays (10) zwischen einem Projektionsobjektiv (2) und einer gekrümmten Projektionsoberfläche (14) mit einer Anzahl an festgelegten Merkmalen beschrieben, wobei der Wellenfrontmanipulator (3) eine Mehrzahl optischer Elemente (7, 8, 9, 22) mit voneinander abweichenden Abbildungsfunktionen umfasst, wobei jede Abbildungsfunktionen mindestens einen durch mindestens ein festgelegtes Merkmal der gekrümmten Projektionsoberfläche (14) verursachten Abbildungsfehler zumindest teilweise korrigiert.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wellenfrontmanipulator zur Anordnung im Strahlengang eines Head-up-Displays (HUD) zwischen einem Projektionsobjektiv und einer gekrümmten Projektionsoberfläche. Die Erfindung betrifft darüber hinaus eine optische Anordnung und ein Head-up-Display.
Head-up-Displays kommen inzwischen im Rahmen vielfältiger Anwendungen zum Einsatz, unter anderem auch im Zusammenhang mit Sichtfenstern von Fahrzeugen, zum Beispiel an Windschutzscheiben von Kraftfahrzeugen, Frontscheiben oder Sichtfenstern von Flugzeugen, Hubschraubern oder Schiffen. Diese Sichtscheiben und insbesondere Windschutzscheiben weisen üblicherweise eine gekrümmte Oberfläche auf, welche als Projektionsoberfläche von Head-up-Displays genutzt wird.
Ein Head-up-Display umfasst üblicherweise einen Projektor, eine Projektionsoberfläche, eine Eyebox und eine virtuelle Bildebene. Mittels des Projektors wird eine Abbildung erzeugt. Die Abbildung wird auf die Projektionsoberfläche projiziert und von der Projektionsoberfläche in die Eyebox projiziert. Bei der Eyebox handelt es sich um eine Ebene oder einen Raumbereich, in welchem die projizierte Abbildung für einen Betrachter als virtuelles Bild wahrnehmbar ist. Die virtuelle Bildebene, also die Ebene auf der das virtuelle Bild erzeugt wird ist auf oder hinter der Projektionsoberfläche angeordnet.
Durch die Krümmung der Projektionsoberfläche kommt es zu Abbildungsfehlern oder Aberrationen. Wird ein Head-up-Display im Zusammenhang mit einer gekrümmten Windschutzscheibe oder einem gekrümmten Sichtfenster verwendet, so ist es erwünscht, durch die Krümmung auftretende Abbildungsfehler im optischen Strahlengang zu korrigieren. Eine Windschutzscheibe kann im Allgemeinen als Freiformfläche beschrieben werden. Dabei kann die Grundform der Windschutzscheibe als Torus betrachtet werden. Die Abbildungsfehler oder Aberrationen, die dabei auftreten können, sind Defokus, Kippung, Astigmatismus, Wölbung der Bildebene, sphärische Aberrationen, höherer Astigmatismus und Koma. Die zuvor genannte Reihenfolge der möglichen Abbildungsfehler entspricht dabei der Größe bzw. dem Ausmaß ihres Auftretens.
Im Falle eines Projektionssystems werden die genannten Abbildungsfehler und Aberrationen im Projektor korrigiert. Bei einem Head-up-Display können entsprechende Korrekturen prinzipiell im ganzen System erfolgen, vorzugsweise an bestimmten Stellen des optischen Systems. Head-up-Displays sind häufig mit einem planaren Pupillenexpander ausgestattet. Dabei handelt es sich um eine Vorrichtung zur Aufweitung des Strahlengangs, wobei die Pupille der optischen Anordnung vergrößert wird. Bei der Pupille kann es sich um eine reale, zum Beispiel durch eine Blende gebildete Pupille oder um eine virtuelle Pupille handeln. Die Pupille kann insbesondere mittels eines Wellenleiters vergrößert werden, wobei eine Einkoppelfläche des Strahlengangs in den Wellenleiter kleiner ist als eine Auskoppelfläche des Strahlengangs aus dem Wellenleiter.
Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen vorteilhaften Wellenfrontmanipulator zur Anordnung im Strahlengang eines Head-up-Displays zwischen einem Projektionsobjektiv und einer gekrümmten Projektionsoberfläche zur Verfügung zu stellen, welcher insbesondere durch die gekrümmte Projektionsoberfläche verursachte Abbildungsfehler zumindest teilweise korrigiert. Weitere Aufgaben bestehen darin, eine vorteilhafte optische Anordnung für ein Head-up-Display an einer gekrümmten Projektionsoberfläche sowie ein vorteilhaftes Head-up-Display zur Verfügung zu stellen.
Die erste Aufgabe wird durch einen Wellenfrontmanipulator gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Die weiteren Aufgaben werden durch eine optische Anordnung gemäß Patentanspruch 11 und durch ein Head-up-Display gemäß Patentanspruch 14 gelöst. Die abhängigen Ansprüche enthalten weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Der erfindungsgemäße Wellenfrontmanipulator ist zur Anordnung im Strahlengang eines Head-up-Displays zwischen einem Projektionsobjektiv und einer gekrümmten Projektionsoberfläche ausgelegt. Das Projektionsobjektiv kann Teil einer bildgebenden Einheit sein. Die gekrümmte Projektionsoberfläche weist festgelegte Merkmale auf, zum Beispiel einen festgelegten Krümmungsradius. Es kann sich bei dem Wellenfrontmanipulator mit andere Worten um ein optisches Korrektur-Bauteil zur Korrektur von Abbildungsfehlern zur Anwendung im Rahmen eines Head-up-Displays handeln. Das Projektionsobjektiv kann einen Pupillenexpander, vorzugsweise einen planaren Pupillenexpander, umfassen. Es kann auch ein Pupillenexpander zwischen dem Projektionsobjektiv und dem Wellenfrontmanipulator angeordnet sein. Die gekrümmte Projektionsoberfläche kann die Oberfläche einer Windschutzscheibe eines Fahrzeuges, beispielsweise eines Kraftfahrzeuges, eines Flugzeuges, eines Hubschraubers oder eines Schiffs, sein.
Der erfindungsgemäße Wellenfrontmanipulator umfasst eine Mehrzahl optischer Elemente, also mindestens zwei optische Elemente, mit voneinander abweichenden Abbildungsfunktionen. Dabei korrigiert jede Abbildungsfunktion mindestens einen durch mindestens ein festgelegtes Merkmal der gekrümmten Projektionsoberfläche verursachten Abbildungsfehler zumindest teilweise. Hierzu sind die Abbildungsfunktionen auf mindestens ein festgelegtes Merkmal der gekrümmten Projektionsoberfläche abgestimmt. Die Abbildungsfunktionen können wellenlängenabhängig und/oder ortsabhängig, also abhängig von der Position des jeweiligen optischen Elements, ausgestaltet sein.
Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass sich einzelne Abbildungsfehler gezielter und präziser korrigieren lassen, wenn die Korrektur in einem bereits aufgeweiteten Strahlengang für einzelne Strahlenbündel vorgenommen wird. Je näher an der Projektionsoberfläche die Korrektur einzelner Abbildungsfehler erfolgt, desto präziser lässt sich eine feldabhängige Korrektur, also eine in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse ortsabhängige Korrektur, einzelner Abbildungsfehler vornehmen.
Die Abbildungsfunktionen können zunächst durch geeignete Simulationen ermittelt werden. Dabei können die Abbildungsfunktionen Polynome umfassen. Aus einer Abbildungsfunktion kann anschließend eine optische Struktur für ein optisches Element berechnet werden, sodass das optische Element die konkrete Abbildungsfunktion umsetzt oder implementiert. Bei der Struktur kann es sich um eine refraktive Struktur, zum Beispiel eine entsprechende Oberflächengeometrie einer asphärischen Linse, und/oder eine diffraktive Struktur handeln.
Die Optimierung der Abbildungsfunktion oder der Abbildungsfunktionen in Bezug auf die Korrektur von Abbildungsfehlern kann zunächst auf einen Ansatz der binären Optik (siehe zum Beispiel: Zemax OpticStudio 20.3 User Manual, September 2020), zum Beispiel Binary Optic 1, eingeschränkt sein. Die Oberflächenform und/oder die lokale Phasenänderung, welche zum Erreichen einer optimierten optischen Abbildungsfunktion erforderlich ist, kann über einen Polynom-Ansatz, wie er aus Modellen für eine flache Asphäre bekannt ist, ermittelt werden. Es kann beispielsweise der folgende Ansatz verwendet werden: $\begin{array}{l} z = \frac{c r^{2}}{1 + \sqrt{1 - (1 + k) c^{2} r^{2}}} + α_{1} r^{2} + α_{2} r^{4} + α_{3} r^{6} + α_{4} r^{8} + α_{5} r^{10} + α_{6} r^{12} + α_{7} r^{14} + \\ α_{8} r^{16} \end{array}$
Dabei repräsentiert z das Oberflächenprofil oder die Oberflächenvertiefung in Abhängigkeit von einem Radius r, wobei α_i Koeffizienten, c die Krümmung c=1/R bezogen auf den Krümmungsradius R und k die konische Konstante sind. Die Phasenänderung oder das Phasenprofil Φ kann mittels des folgenden Polynom-Ansatzes ausgedrückt werden: $Φ = M \sum_{i = 1}^{N} A_{i} E_{i} (x, y)$
Dabei ist M die Beugungsordnung, N die Anzahl der Polynome der Reihe, A_i ist der Koeffizient des i-ten Polynoms, die Polynome E(x,y) sind Potenzreihenentwicklungen in x und y.
Der erfindungsgemäße Wellenfrontmanipulator hat den Vorteil, dass er zwischen einem Projektionsobjektiv oder einer Eintrittspupille und dem Bildfeld, insbesondere der gekrümmten Projektionsoberfläche oder der Eyebox, angeordnet werden kann und damit die Möglichkeit bietet, ortsabhängige Abbildungsfehler, insbesondere in Bezug auf die Position im Bildfeld (im folgenden auch Feld genannt), mit hoher Präzision zu korrigieren. Eine Korrektur von Abbildungsfehlern kann somit außerhalb des Projektionsobjektivs in einem Abstand zu diesem an einer Position im Strahlengang erfolgen, wo der Strahlengang bereits aufgeweitet ist und daher eine gezieltere und präzisere Korrektur einzelner Abbildungsfehler als innerhalb des Projektionsobjektivs möglich ist.
In einer ersten Ausführungsvariante ist die Mehrzahl optischer Elemente mit voneinander abweichenden Abbildungsfunktionen in einer Ebene senkrecht zu einer optischen Achse nebeneinander als Segmente angeordnet. Es kann sich bei der Mehrzahl optischer Elemente um Segmente eines optischen Bauteils handeln, welches segmentiert ausgestaltet ist. Eine Segmentierung senkrecht zur optischen Achse ermöglicht es, in einem bereits aufgeweiteten Strahlengang ortsabhängige Korrekturen vorzunehmen. Es können insbesondere einzelne Segmente zur Korrektur ortsabhängiger spezifischer Abbildungsfehler ausgelegt sein. Da das Auftreten und die Zusammensetzung der verschiedenen Abbildungsfehler feldabhängig ist, also abhängig von der Position im Bildfeld, können die Abbildungsfehler an konkreten Feldpunkten mit ortsabhängigen Abbildungsfunktionen der einzelnen Segmente besser als bisher korrigiert werden. Jedes Segment kann somit zur Korrektur der jeweiligen feldabhängigen Abbildungsfehler ausgebildet sein.
In einer weiteren Variante, welche zusätzlich oder alternativ zu der Variante der Segmentierung verwirklicht sein kann, sind mindestens zwei der Mehrzahl optischer Elemente in Bezug auf eine optische Achse im Strahlengang hintereinander angeordnet. In dieser Variante sind die einzelnen optischen Elemente vorzugsweise analog zu den Segmenten mit Abbildungsfunktionen ausgestaltet, die zur Korrektur ortsabhängiger spezifischer Abbildungsfehler ausgelegt sind. Die Anordnung der optischen Elemente hintereinander bietet einerseits Vorteile im Hinblick auf die Ausnutzung des zur Verfügung stehenden Bauraums. Darüber hinaus kann eine gestufte Korrektur erfolgen. Es können also verschiedene Abbildungsfehler, die an einem konkreten Feldpunkt oder in einem bestimmten Feldbereich auftreten, nacheinander korrigiert werden.
Sowohl in dieser Variante als auch im Rahmen der Variante einer segmentierten Ausgestaltung können einzelne optische Elemente in Bezug aufeinander gekippt angeordnet sein und/oder zueinander kippbar ausgestaltet sein. Jedes Element kann mit anderen Worten eine Mittelachse umfassen, wobei in einer zueinander gekippten Position die Mittelachsen verschiedener optischer Elemente einen Winkel einschließen, der größer ist als 0 Grad. Eine gekippte Ausgestaltung oder Anordnung ermöglicht es, einen günstigen Winkel einzelner optischer Elemente in Bezug auf die gekrümmte Projektionsoberfläche einzustellen.
Im Zusammenhang einer Anwendung von Head-up-Displays in Kraftfahrzeugen ist ein Projektionsobjektiv eines Head-up-Displays üblicherweise in eine Konsole oder in eine Armatur integriert angeordnet. Die Oberfläche der Konsole oder der Armatur verläuft jedoch in der Regel nicht parallel zur Oberfläche der Windschutzscheibe, sondern ist in Bezug auf diese gekippt angeordnet. Aufgrund der Kippung der Windschutzscheibe und einer Auskoppelebene des Projektionsobjektivs zueinander ist eine Korrektur dieser Kippung erforderlich. Eine solche Korrektur kann mittels des erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulators erfolgen. Dabei kann insbesondere die zu korrigierende Kippung durch eine gekippte Anordnung mehrerer optischer Elemente des Wellenfrontmanipulators zueinander korrigiert werden.
Im Falle einer segmentierten Ausgestaltung kann eine Mehrzahl an Segmenten in der Form einer Matrix angeordnet sein, zum Beispiel in Form einer quadratischen Matrix. Die Segmente können zum Beispiel mindestens in der Form einer nxm-Matrix angeordnet sein, wobei n mindestens drei beträgt (n≥3) und m mindestens drei beträgt (m≥3). Die Anordnung kann beispielsweise in Form einer 3x3-Matrix oder einer 5x5-Matrix oder einer 7x7-Matrix oder einer 3x4-Matrix usw. ausgestaltet sein.
Einzelne Abbildungsfunktionen sind vorzugsweise feldabhängig, also ortsabhängig ausgestaltet und/oder vom Krümmungsradius der gekrümmten Projektionsoberfläche abhängig ausgestaltet. Hierdurch wird eine sehr gute Fehlerkorrektur erreicht.
Die Mehrzahl optischer Elemente mit voneinander abweichenden Abbildungsfunktionen können als refraktive und/oder diffraktive und/oder transmissive und/oder reflektive optische Elemente ausgestaltet sein. Eins oder mehrere der optischen Elemente können beispielsweise als asphärische Linsen ausgestaltet sein. In einer weiteren Variante kann die Mehrzahl optischer Elemente mit voneinander abweichenden Abbildungsfunktionen Freiformflächen umfassen, beispielsweise refraktive und/oder diffraktive Freiformflächen. Zusätzlich oder alternativ dazu kann die Mehrzahl optischer Elemente mit voneinander abweichenden Abbildungsfunktionen holographische Strukturen, beispielsweise mindestens ein Hologramm oder holographische Strukturelemente, und/oder mindestens einen Mangin-Spiegel, zum Beispiel einen diffraktiven Mangin-Spiegel, umfassen.
Vorzugsweise ist der Wellenfrontmanipulator dazu ausgelegt, eine maximale Ausdehnung eines Bildpunktes von 90 µm im halben Feld (half field) und/oder 120 µm im vollen oder ganzen Feld (full field) zu bewirken. Unter dem halben Feld wird in Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung die halbe Ausdehnung der Abbildung in einer Bildebene gemessen von der Bildmitte senkrecht zur optischen Achse verstanden. Unter dem vollen oder ganzen Feld wird in Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung die volle Ausdehnung der Abbildung in einer Bildebene gemessen von der Bildmitte senkrecht zur optischen Achse verstanden. Ein idealer Punkt wird also auf einen Bildpunkt mit einer maximalen Ausdehnung, zum Beispiel einem maximalen Durchmesser, von 90 µm im halben Feld und/oder von 120 µm im vollen Feld abgebildet. In vorteilhafteren Ausgestaltungen wird eine Einschränkung der Ausdehnung der einzelnen Bildpunkte auf maximal 70 µm, insbesondere maximal 50 µm, beispielsweise maximal 25 µm oder vorzugsweise maximal 10 µm im halben Feld und/oder vollen Feld bewirkt. Im vollen Feld ist auch eine Ausdehnung der einzelnen Bildpunkte von maximal 90 µm von Vorteil.
Vorzugsweise ist der Wellenfrontmanipulator dazu ausgelegt ist, ein Airy-Scheibchen mit einer Ausdehnung von weniger als 25 Mikrometer zu erzeugen. Er ist mit anderen Worten so ausgestaltet, dass die Größe des Airy-Scheibchens oder Beugungsscheibchens, also die Ausdehnung (z.B. der Durchmesser) eines beugungsbegrenzten Bildpunktes (Spot) eines Objektpunktes der Ausdehnung 0 weniger als 25 Mikrometer (25 µm), zum Beispiel 23 Mikrometer (23 µm), beträgt. Die Einschränkung der Ausdehnung der einzelnen Bildpunkte kann bezogen auf die Ausdehnung des Airy-Scheibchens angegeben werden, zum Beispiel mittels des Quotienten aus der Ausdehnung des erzielten Bildpunktes und der Ausdehnung, insbesondere dem Durchmesser, des Airy-Scheibchens. Im Falle eines Durchmessers des Airy-Scheibchens von 23 Mikrometern und eines Durchmessers eines Bildpunktes von 90 Mikrometern ergibt sich ein Durchmesser des Bildpunktes mit der Größe des 3,9-fachen Durchmessers des Airy-Scheibchens. Der Wellenfrontmanipulator ist bevorzugt dazu ausgelegt, eine Ausdehnung eines Bildpunktes auf weniger als die 4-fache Ausdehnung des Airy-Scheibchens im halben Feld und/oder auf weniger als die 5,5-fache Ausdehnung des Airy-Scheibchens im vollen Feld zu bewirken. Durch die beschriebene Einschränkung der Ausdehnung der Bildpunkte wird ein wesentlicher Bereich der Abbildungsfehlerkorrektur erreicht, wobei durch die Einschränkung der Ausdehnung der Bildpunkte insbesondere auch sphärische Aberrationen, Koma, Astigmatismus und Defokus zumindest reduziert werden.
Weiterhin kann der Wellenfrontmanipulator ein Sichtfeld (FOV - field of view) von mindestens +/-7,5 Grad mal +/-4 Grad, vorzugsweise mindestens +/-12 Grad mal +/-6 Grad aufweisen. Zudem kann der Wellenfrontmanipulator dazu ausgebildet sein, eine Eyebox einer Ausdehnung in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse der Eyebox von mindestens 120 Millimetern mal mindestens 60 Millimetern (120mm x 60mm), vorzugsweise mindestens 150 Millimetern mal mindestens 150 Millimetern (150mm x 150mm), zu generieren.
Mit Hilfe eines segmentiert ausgestalteten Wellenfrontmanipulators kann zum Beispiel mit lediglich einem segmentierten Bauteil sowohl für eine transmissive als auch eine reflektive Ausgestaltung bzw. Anordnung eine Verringerung der Größe des Bildpunktes (Spotgröße) eines idealen Objektpunktes um 20 bis 30 Prozent erreicht werden. Eine sehr gute beugungsbegrenzte Korrektur kann bereits mit zwei optischen Elementen mit voneinander abweichenden Abbildungsfunktionen erreicht werden, insbesondere wenn mindestens eins der Elemente in Richtung der gekrümmten Projektionsoberfläche, beispielsweise der Windschutzscheibe, gekippt angeordnet ist.
Die erfindungsgemäße optische Anordnung für ein Head-up-Display an einer gekrümmten Projektionsoberfläche, beispielsweise einer Windschutzscheibe eines Fahrzeuges mit einer gekrümmten Projektionsoberfläche, umfasst ein Projektionsobjektiv, zum Beispiel mit einem planaren Pupillenexpander. Die erfindungsgemäße optische Anordnung umfasst einen zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator. Der Wellenfrontmanipulator ist bevorzugt dazu ausgelegt im Strahlengang in Richtung einer gekrümmten Projektionsoberfläche von einem Pupillenexpander in einem festgelegten Abstand, zum Beispiel mindestens 0,1 Millimeter, insbesondere zwischen 0,1 Millimeter und 500 Millimeter, angeordnet zu werden. Der Pupillenexpander ist vorzugsweise im Strahlengang zwischen dem Projektionsobjektiv und dem Wellenfrontmanipulator angeordnet. Das Licht wird also von dem Pupillenexpander in Richtung des Wellenfrontmanipulators ausgekoppelt. Der Wellenfrontmanipulator kann also auch räumlich zwischen dem Pupillenexpander und dem Projektionsobjektiv angeordnet sein, insbesondere falls der Pupillenexpander transmissiv ausgestaltet ist.
Die erfindungsgemäße optische Anordnung hat den Vorteil, dass durch sie Abbildungsfehler, welche durch die Krümmung der Projektionsoberfläche verursacht werden, zumindest teilweise korrigiert werden können. Dabei hat die optische Anordnung die oben bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator genannten Merkmale, Eigenschaften und Vorteile. Insbesondere kann eine Eyebox einer Ausdehnung in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse der Eyebox von mindestens 120 Millimetern mal mindestens 60 Millimetern (120mm x 60mm), vorzugsweise mindestens 150 Millimetern mal mindestens 150 Millimetern (150mm x 150mm) erzeugt werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist ein Wellenleiter im Strahlengang zwischen dem Projektionsobjektiv und dem Wellenfrontmanipulator angeordnet. Der Wellenleiter ist vorteilhafterweise als Pupillenexpander ausgestaltet. Mittels des Wellenleiters ist es möglich, beispielsweise bei einer Verwendung der optischen Anordnung innerhalb eines Kraftfahrzeuges, bauraumspezifischen Besonderheiten Rechnung zu tragen und eine platzsparende Positionierung der optischen Anordnung ohne eine Beeinträchtigung der Qualität der optischen Abbildung zu gewährleisten.
Mindestens eins der Mehrzahl der optischen Elemente kann im Strahlengang vor und/oder hinter dem Wellenleiter angeordnet sein. Hierdurch lässt sich die Abbildungsfehlerkorrektur bauraumeffizient optimieren.
Das erfindungsgemäße Head-up-Display umfasst eine gekrümmte Projektionsoberfläche. Das Head-up-Display umfasst eine zuvor beschriebene erfindungsgemäße optische Anordnung. Es hat die zuvor bereits genannten Merkmale, Eigenschaften und Vorteile. Die gekrümmte Projektionsoberfläche kann beispielsweise einen Krümmungsradius zwischen 300 Millimetern und 10000 Millimetern, zum Beispiel zwischen 3000 Millimetern und 7000 Millimetern, insbesondere zwischen 4000 Millimetern und 6000 Millimetern, aufweisen. Bei der gekrümmten Projektionsoberfläche handelt es sich vorzugsweise um eine Oberfläche einer Windschutzscheibe eines Fahrzeuges oder eine Oberfläche eines Sichtfensters.
Vorzugsweise ist der Wellenfrontmanipulator in Bezug auf die optische Achse in einem Abstand d₂ zwischen 100 Millimetern und 1000 Millimetern (100 mm ≤ d₂ ≤ 1000 mm), insbesondere zwischen 250 Millimetern und 500 Millimetern (250 mm ≤ d₂ ≤ 500 mm), von der gekrümmten Projektionsoberfläche angeordnet. Zusätzlich oder alternativ dazu ist bevorzugt ein Abstand d₃ zwischen der gekrümmten Projektionsoberfläche und einer Eyebox, also einer Ebene oder einem Raumbereich in welchem die auf die Projektionsoberfläche projizierte Abbildung für einen Betrachter als virtuelles Bild wahrnehmbar ist, zwischen 300 Millimetern und 1000 Millimetern (300 mm ≤ d₃ ≤ 1000 mm), insbesondere zwischen 600 Millimetern und 700 Millimetern (600 mm ≤ d₃ ≤ 700 mm), beispielsweise in einem Abstand von 650 Millimetern, vorgesehen.
In einer weiteren Ausgestaltungsvariante umfasst das Head-up-Display im Bereich der gekrümmten Projektionsoberfläche eine optische Achse, welche die Einfallsrichtung von Lichtwellen auf die gekrümmte Projektionsoberfläche kennzeichnet. Die optischen Elemente weisen jeweils eine Mittelachse auf. Die gekrümmte Projektionsoberfläche weist im Bereich eines Schnittpunktes mit der optischen Achse eine Oberflächennormale auf, welche einen Winkel zwischen 0 Grad und 90 Grad mit der Mittelachse eines der gekrümmten Projektionsoberfläche zugewandten Oberfläche mindestens eines optischen Elements der Mehrzahl an optischen Elementen des Wellenfrontmanipulators einschließt. Es ist also mit anderen Worten das der gekrümmten Projektionsoberfläche zugewandte optische Element des Wellenfrontmanipulators in Richtung der gekrümmten Projektionsoberfläche, also zu dieser hingewandt, gekippt angeordnet.
Der Wellenfrontmanipulator kann beispielsweise mindestens zwei transmissiv ausgestaltete optische Elemente umfassen. Zusätzlich oder alternativ dazu kann der Strahlengang im Bereich der Auskopplung aus dem Projektionsobjektiv in eine von der gekrümmten Projektionsoberfläche abgewandte Ausbreitungsrichtung verlaufen und mittels mindestens eines Spiegels, beispielsweise eines Mangin-Spiegels, umgelenkt werden und optional durch eine Freiformlinse in Richtung der gekrümmten Projektionsoberfläche geführt werden.
Die vorliegende Erfindung hat insgesamt den Vorteil, dass mittels eines von einem Projektionsobjektiv beabstandet angeordneten Wellenfrontmanipulators eine verbesserte Abbildungsfehlerkorrektur ermöglicht wird, wobei die Krümmung einer Oberfläche, auf oder hinter welcher durch ein Head-up-Display ein virtuelles Bild erzeugt werden soll, berücksichtigt wird. Dabei kann die Abbildungsfehlerkorrektur für jedes einzelne Feldsegment vorgenommen und in Bezug auf dieses optimiert werden. Die Segmentierung des Wellenfrontmanipulators kann in diesem Fall gut zwischen Feldbündeln vermitteln, so dass mit vergleichsweise geringem Aufwand auf diese Weise für die gesamte Eyebox eines Head-up-Displays eine sehr gute Abbildungsfehlerkorrektur erfolgen kann.
Die Eyebox weist ab einer bestimmten Größe infolge der Pupillenreplikation eine vervielfältigte Pupille auf, die die Eyebox ausfüllt. Durch die Segmentierung im Rahmen des Wellenfrontmanipulators können die einzelnen Segmente auf eine begrenzte Anzahl an Strahlenbündeln angepasst werden. So können Abbildungsfehler besser korrigiert werden. Zudem ist eine Anpassung auf verschiedene Augenpupillenstellungen möglich.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher erläutert. Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wird, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
Die Figuren sind nicht notwendigerweise detailgetreu und maßstabsgetreu und können vergrößert oder verkleinert dargestellt sein, um einen besseren Überblick zu bieten. Daher sind hier offenbarte funktionale Einzelheiten nicht einschränkend zu verstehen, sondern lediglich als anschauliche Grundlage, die dem Fachmann auf diesem Gebiet der Technik Anleitung bietet, um die vorliegende Erfindung auf vielfältige Weise einzusetzen.
Der hier verwendete Ausdruck „und/oder“, wenn er in einer Reihe von zwei oder mehreren Elementen benutzt wird, bedeutet, dass jedes der aufgeführten Elemente alleine verwendet werden kann, oder es kann jede Kombination von zwei oder mehr der aufgeführten Elemente verwendet werden. Wird beispielsweise eine Zusammensetzung beschrieben, die die Komponenten A, B und/oder C, enthält, kann die Zusammensetzung A alleine; B alleine; C alleine; A und B in Kombination; A und C in Kombination; B und C in Kombination; oder A, B, und C in Kombination enthalten.

1 zeigt schematisch ein Kraftfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Head-up-Display.
2 zeigt schematisch den Strahlengang des in der 1 gezeigten Head-up-Displays.
3 zeigt schematisch eine Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen Head-up-Displays mit einer erfindungsgemäße optischen Anordnung und einem erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator, wobei simulierte Strahlengänge gezeigt sind.
4 zeigt schematisch eine weitere Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen Head-up-Displays mit einer erfindungsgemäße optischen Anordnung und einem erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator, wobei simulierte Strahlengänge gezeigt sind.
5 zeigt schematisch eine weitere Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen Head-up-Displays mit einer erfindungsgemäße optischen Anordnung und einem erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator, wobei simulierte Strahlengänge gezeigt sind.
6 zeigt schematisch eine weitere Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen Head-up-Displays mit einer erfindungsgemäße optischen Anordnung und einem erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator, wobei simulierte Strahlengänge gezeigt sind.
7 zeigt schematisch eine weitere Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen Head-up-Displays mit einer erfindungsgemäße optischen Anordnung und einem erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator, wobei simulierte Strahlengänge gezeigt sind.
8 zeigt schematisch eine weitere Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen Head-up-Displays mit einer erfindungsgemäße optischen Anordnung und einem erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator, wobei simulierte Strahlengänge gezeigt sind.
9 zeigt schematisch eine weitere Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen Head-up-Displays mit einer erfindungsgemäße optischen Anordnung und einem erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator, wobei simulierte Strahlengänge gezeigt sind.
10 zeigt schematisch eine weitere Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen Head-up-Displays mit einer erfindungsgemäße optischen Anordnung und einem erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator, wobei simulierte Strahlengänge gezeigt sind.
11 zeigt schematisch eine weitere Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen Head-up-Displays mit einer erfindungsgemäße optischen Anordnung und einem erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator, wobei simulierte Strahlengänge gezeigt sind.
12 zeigt schematisch eine Anordnung der einzelnen Komponenten eines erfindungsgemäßen Head-up-Displays und einer erfindungsgemäßen optischen Anordnung im Strahlengang in Form eines Blockdiagramms.

Die 1 zeigt schematisch ein Kraftfahrzeug 11 mit einem darin sitzenden Nutzer, beispielsweise einem Fahrer 12. Das Kraftfahrzeug 11 umfasst eine Windschutzscheibe 13 mit einer gekrümmten Projektionsoberfläche 14. Dabei ist sowohl die Außenoberfläche als auch die Innenoberfläche der Windschutzscheibe 13 gekrümmt ausgestaltet, vorzugsweise im gleichen Ausmaß gekrümmt. Ein Head-up-Display 10 ist in eine vor dem Nutzer 12 angeordnet Armatur 15 integriert angeordnet. Das Head-up-Display 10 ist so ausgestaltet, dass es auf der Oberfläche 14 der Windschutzscheibe 13 oder in Fahrtrichtung vor der Oberfläche 14 der Windschutzscheibe 13 ein virtuelles Bild 1 erzeugt.
Die 2 zeigt schematisch den Strahlengang eines erfindungsgemäßen Head-up-Displays 10. Das Head-up-Display 10 umfasst eine bildgebende Einheit mit einem Projektionsobjektiv 2, einen als Pupillenexpander ausgestalteten Wellenleiter 17 und einen von dem Pupillenexpander 17 in einem festgelegten, möglichst geringen, Abstand d₁ angeordneten Wellenfrontmanipulator 3. Der Abstand d₁ kann mindestens 0,1 Millimeter betragen, insbesondere zwischen 0,1 mm und 500 mm betragen. Der Wellenfrontmanipulator 3 kann in der Figur über oder unter dem Pupillenexpander 17 angeordnet sein. Bei einer Anordnung unter dem Pupillenexpander 17 koppelt der Pupillenexpander Licht nach unten aus und der Wellenfrontmanipulator 3 spiegelt das Licht nach oben durch den Pupillenexpander 17 hindurch zu der Windschutzscheibe 13.
Der Wellenfrontmanipulator 3 ist in Richtung einer optischen Achse 21 des Wellenfrontmanipulators 3 in einem Abstand d₂ von der Projektionsoberfläche 14 der Windschutzscheibe 13 an einem Schnittpunkt 25 der Projektionsoberfläche 14 mit einer in Richtung der Eyebox verlaufenden optischen Achse 5 angeordnet, vorzugsweise in einem Abstand von 100 Millimetern bis 1000 Millimetern, zum Beispiel von 250 Millimetern bis 500 Millimetern. Die Projektionsoberfläche 14 kann einen Krümmungsradius zwischen 300 Millimetern und 10000 Millimetern aufweisen.
Durch das Projektionsobjektiv 2 werden Lichtstrahlen in Richtung des Wellenfrontmanipulators 3 ausgesendet. Mittels des Wellenfrontmanipulators 3 erfolgt eine feldabhängige Korrektur von Abbildungsfehlern, welche durch die gekrümmte Projektionsoberfläche 14 der Windschutzscheibe 13 hervorgerufen werden. Der Wellenfrontmanipulator 3 leitet Lichtwellen in Richtung der Windschutzscheibe 13 bzw. der gekrümmten Projektionsoberfläche 14. An der gekrümmten Projektionsoberfläche 14 werden die Lichtwellen in Richtung einer Eyebox 4 reflektiert. Die Eyebox 4 bildet dabei den Bereich, in welchem sich ein Nutzer 12 befinden muss oder kann, um das durch das Head-up-Display 10 erzeugte virtuelle Bild 1 wahrnehmen zu können. Der Abstand d₃ zwischen der Eyebox 4 und der gekrümmten Projektionsoberfläche 14 im Bereich der optischen Achse 5 liegt vorzugsweise zwischen 600 Millimetern und 700 Millimetern.
Die Eyebox 4 kann eine Abmessung von bis zu 150 mm Breite und bis zu 150 mm Höhe (150mm x 150mm), zum Beispiel eine Abmessung von 120mm x 60mm, aufweisen. Die Abbildungsfunktionen der optischen Elemente 8, 9 des Wellenfrontmanipulators 3 können für verschiedene Augenpupillenstellungen, also verschiedene Positionen innerhalb der Eyebox 4, angepasst sein, insbesondere optimiert sein.
In den in den 3 ff. gezeigten Ausführungsvarianten umfasst der Wellenfrontmanipulator 3 jeweils optional ein ideale Linse 6 und eine Mehrzahl optischer Elemente 8 und 9 mit voneinander abweichenden Abbildungsfunktionen. Die einzelnen optischen Elemente 8 und 9 können als Segmente eines optischen Bauteils 7 ausgestaltet sein oder als jeweils einzelne optische Bauteile. In der in der 3 ist eine segmentierte Ausgestaltung gezeigt. In der 4 ist eine Ausgestaltung der Mehrzahl optischer Elemente 8 und 9 als separate optische Bauteile gezeigt.
In der in der 3 gezeigten Variante ist ausgehend von dem Projektionsobjektiv 2 in Richtung des Strahlenganges 20 optional eine Linse 6, die hier lediglich zur Veranschaulichung zum Zweck der Analyse des grundsätzlichen Stahlenganges eingezeichenet ist, und dahinter ein segmentiert aufgebautes optisches Bauteil 7 angeordnet. Die optische Achse des Wellenfrontmanipulators 3 ist in den Figuren mit der Bezugsziffer 21 gekennzeichnet. Die einzelnen Segmente 8, 9 sind im Rahmen des optischen Bauteils 7 in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse 21 angeordnet. Dabei sind die einzelnen optischen Elemente 8, 9 vorzugsweise in Form einer Matrix, zum Beispiel einer nxm-Matrix angeordnet. m und n betragen dabei vorteilhafter Weise mindestens 3. Die Segmente 8, 9 können zum Beispiel in Form einer 3x3-Matrix, einer 5x5-Matrix, einer 7x7-Matrix oder in Form einer anderen beliebigen Matrix-Anordnung angeordnet sein.
Jedes Segment 8, 9, also jedes der einzelnen optischen Elemente weist eine individuelle Abbildungsfunktion auf und korrigiert mindestens einen Abbildungsfehler, der durch die Krümmung der Oberfläche 14 hervorgerufen wird, zumindest teilweise. Die einzelnen Abbildungsfunktionen können beispielsweise wellenlängenabhängig und/oder feldabhängig, also ortsabhängig im Hinblick auf die Position des einzelnen optischen Elements 8, 9 in der Matrix oder allgemeiner ortsabhängig im Hinblick auf die Ebene des Bauteils 7 senkrecht zur optischen Achse 21 ausgestaltet sein.
Die 4 bis 6 zeigen Ausgestaltungsvarianten, in welchen jeweils zwei optische Elemente 8 und 9 in Form von separaten Bauteilen im Strahlengang 20 hintereinander angeordnet vorhanden sind. Die einzelnen optischen Bauteile 8 und 9 können ihrerseits jeweils zusätzlich senkrecht zur optischen Achse 21 segmentiert ausgestaltet sein, also beispielsweise ähnlilch dem optischen Bauteil 7, welches im Zusammenhang mit der 3 beschrieben wurde.
In den in den 4 und 5 gezeigten Varianten sind ein erstes optisches Element 8 und ein zweites optisches Element 9 jeweils senkrecht zur optischen Achse 21 und parallel zueinander angeordnet. Die optischen Elemente 8 und 9 weisen voneinander abweichende Abbildungsfunktionen auf und sind dazu ausgelegt, spezifische durch die Krümmung der Oberfläche 14 hervorgerufene Abbildungsfehler zu korrigieren. Die Verwendung mehrerer voneinander unabhängiger Abbildungsfunktionen ermöglicht es, eine Mehrzahl an Abbildungsfehlern präzise zumindest teilweise zu korrigieren.
In der in der 5 gezeigten Variante bewirken die Abbildungsfunktionen der optischen Elemente 8 und 9 eine Verlängerung des Strahlenganges 20. Dies trägt zu einer verbesserten Korrektur von Abbildungsfehlern bei.
In der in der 6 gezeigten Variante sind die optischen Elemente 8 und 9 zueinander verkippt angeordnet. Die optischen Elemente 8 und 9 weisen jeweils eine Mittelachse auf, die für der optische Element 8 mit der Bezugsziffer 28 und für der optische Element 9 mit der Bezugsziffer 29 gekennzeichnet ist. Die Mittelachsen 28 und 29 schließen in der zueinander verkippten Position einen Winkel α ein, der größer ist als 0° und kleiner ist als 180°. Es sind in der 6 die optischen Elemente 8 und 9 jeweils in einer Ausgangsposition mit ihrer Mittelachse 28, 29 parallel zur optischen Achse 21 und in einer gekippten Position gezeigt. Die Kippwinkel in Bezug auf die Ausgangspositionen sind durch Pfeile mit den Bezugsziffern 18 und 19 gekennzeichnet. In dieser Ausführungsvariante befindet sich mindestens eins der optischen Elemente 8 und 9 in einer gekippten Position.
In den in den 7 bis 11 gezeigten Ausführungsvarianten ist mindestens ein reflektives optisches Element, beispielsweise ein Spiegel, vorzugsweise ein Mangin-Spiegel in dem Wellenfrontmanipulator vorhanden. Darüber hinaus ist ein Wellenleiter 17 vorhanden, der vorzugsweise als Pupillenexpander ausgestaltet ist. Der Wellenleiter 17 ist in den 7 bis 11 lediglich schematisch angedeutet, seine reale Position im Strahlengang ist schematisch in den 2 und 12 gezeigt. Der Wellenleiter 17 kann Bestandteil des Wellenfrontmanipulators 3 sein. Das Projektionsobjektiv 2 und die Linse 6 sind in den 7 bis 11 lediglich zur Veranschaulichung zum Zweck der Analyse des grundsätzlichen Stahlenganges positioniert. Die Figuren spiegeln also nicht die reale räumliche Anordnung der gezeigten Bauteile wider, sondern lediglich den prinzipiellen Stahlengang.
Die dem Wellenfrontmanipulator 3 zugewandte Oberfläche 14 Windschutzscheibe 13 weist im Bereich der optischen Achse 5 eine Oberflächennormale 16 auf. Die Oberflächennormale 16 schließt mit der Mittelachse 29 des der gekrümmten Oberfläche 14 zugewandten optischen Elements 9 einen Winkel zwischen 0 Grad und 90 Grad ein. Diese Kippung zur Windschutzscheibe 13 hin ermöglicht eine verbesserte Abbildungsfehlerkorrektur.
In der in der 7 gezeigten Ausführungsvariante umfasst der Wellenfrontmanipulator 3 ein reflektiv ausgestaltetes optisches Bauteil 7 mit einer Mittelachse 27, welches in Bezug auf die Oberflächennormale 16 der gekrümmten Projektionsoberfläche 14 und in Bezug auf die ideale Linse 6 leicht gekippt angeordnet. Ein lediglich schematisch als Linie angedeuteter Wellenleiter 17 ist im Strahlengang 20 zwischen der idealen Linse 6 und dem reflektiv ausgestalteten optischen Bauteil 7, also dem Spiegel, angeordnet. In der in der 8 gezeigten Variante ist abweichend von der in der 7 gezeigten Variante das reflektiv ausgestaltete optische Bauteil 7 in Bezug auf die gekrümmte Projektionsoberfläche 14 in die andere Richtung leicht gekippt angeordnet.
Die ideale Linse 6 ist in den in den 7 bis 11 gezeigten Ausführungsvarianten nicht zwingend Bestandteil des Wellenfrontmanipulators 3. Dieser kann in den 7 und 8 lediglich das reflektive optische Bauteil 7, also den Spiegel, umfassen, welches segmentiert ausgestaltet ist und einzelne optische Elemente mit voneinander abweichenden Abbildungsfunktionen aufweist. Der Wellenleiter 17 kann, muss aber nicht Bestandteil des Wellenfrontmanipulators 3 sein. Das Gleiche gilt für die ideale Linse 6.
In den in den 9 bis 11 gezeigten Varianten umfasst der Wellenfrontmanipulator 3 ein reflektiv ausgestaltetes optisches Bauteil 7, welches einem ersten optischen Element 8 entsprechen kann, und mindestens eine Asphäre 22, welche einem zweiten optischen Element 9 entsprechen kann. Unter einer Asphäre wird eine Linse mit einer rotationssymmetrischen Oberfläche verstanden, deren Oberfläche Oberflächenbereiche mit voneinander abweichenden Krümmungsradien aufweisen kann. Es sind in den 9 bis 11 verschieden ausgestaltete Asphären 22 gezeigt. Die mindestens eine Asphäre 22 oder auch ein anderes optisches Element kann im Strahlengang 20 vor oder hinter einem Wellenleiter 17 angeordnet sein.
In den in den 9 und 10 gezeigten Varianten ist jeweils eine Asphäre 22 vorhanden. Die Asphäre 22 ist im Strahlengang 20 vor dem Wellenleiter 17 und das reflektiv ausgestaltete optische Bauteil 7 ist hinter dem Wellenleiter 17 angeordnet. Das reflektiv ausgestaltete optische Bauteil 7 ist in Bezug auf die gekrümmte Projektionsoberfläche 14 um einen festgelegten Kippwinkel gekippt angeordnet. In der 11 sind die Asphäre 22 und das reflektiv ausgestaltete optische Bauteil 7 im Strahlengang hinter dem Wellenleiter 17 angeordnet. In dieser Variante kann der Wellenleiter 17 Bestandteil des Wellenfrontmanipulators 3 sein, muss es aber nicht zwingend. In den in den 9 bis 11 gezeigten Varianten sind das reflektiv ausgestaltete optische Bauteil 7 und die Asphäre 22 in Bezug auf die gekrümmte Projektionsoberfläche 14 gekippt angeordnet. Zusätzlich ist die jeweils gezeigte Asphäre 22 in Bezug auf das reflektiv ausgestaltete optische Bauteil 7 zu diesem verkippt angeordnet.
Die 12 zeigt schematisch eine Anordnung der einzelnen Komponenten eines erfindungsgemäßen Head-up-Displays 10 und einer erfindungsgemäßen optischen Anordnung 23 im Strahlengang 20 in Form eines Blockdiagramms. Von einem Projektionsobjektiv 2 ausgesandte Lichtwellen werden in einen Wellenleiter 17 eingekoppelt. Das aus dem Wellenleiter 17 ausgekoppelte Licht wird mittels des Wellenfrontmanipulators 3 in Richtung der gekrümmten Projektionsoberfläche 14 geleitet, wobei Abbildungsfehler korrigiert werden. Das an der gekrümmten Projektionsoberfläche 14 reflektierte Licht gelangt anschlließend zur Eyebox 4. Der Wellenfrontmanipulator 3 ist wie beispielsweise anhand der 3 bis 11 beschrieben, aufgebaut. Er kann den Wellenleiter 17, insbesondere den als Pupillenexpander ausgestalteten Wellenleiter, umfassen. Diese Variante ist in der 12 gestrichelt angedeutet. Die erfindungsgemäße optische Anordnung 23 umfasst ein Projektionsobjektiv 2 und einen Wellenfrontmanipulator 3, wobei der Wellenfrontmanipulator 3 einen Wellenleiter 17 umfassen kann, aber nicht umfassen muss.
Bezugszeichenliste

1: virtuelles Bild
2: Projektionsobjektiv
3: Wellenfrontmanipulator
4: Eyebox
5: optische Achse
6: ideale Linse
7: optisches Bauteil
8: optisches Element
9: optisches Element
10: Head-up-Display
11: Kraftfahrzeug
12: Nutzer/Fahrer
13: Windschutzscheibe
14: gekrümmte Projektionsoberfläche
15: Armatur
16: Oberflächennormale
17: Wellenleiter / Pupillenexpander
18: Kippwinkel
19: Kippwinkel
20: Strahlengang
21: optische Achse des Wellenfrontmanipulators
22: Asphäre
23: optische Anordnung
25: Schnittpunkt der optische Achse 5 mit der gekrümmten Projektionsoberfläche 14
27: Mittelachse
28: Mittelachse
29: Mittelachse
d1: Abstand
d2: Abstand
d3: Abstand
α: Winkel

Claims

Wellenfrontmanipulator (3) zur Anordnung im Strahlengang (20) eines Head-up-Displays (10) zwischen einem Projektionsobjektiv (2) und einer gekrümmten Projektionsoberfläche (14) mit einer Anzahl an festgelegten Merkmalen, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenfrontmanipulator (3) eine Mehrzahl optischer Elemente (7, 8, 9, 22) mit voneinander abweichenden Abbildungsfunktionen umfasst, wobei jede Abbildungsfunktionen mindestens einen durch mindestens ein festgelegtes Merkmal der gekrümmten Projektionsoberfläche (14) verursachten Abbildungsfehler zumindest teilweise korrigiert.
Wellenfrontmanipulator (3) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl optischer Elemente (7, 8, 9, 22) mit voneinander abweichenden Abbildungsfunktionen in einer Ebene senkrecht zu einer optischen Achse (21) als Segmente angeordnet ist.
Wellenfrontmanipulator (3) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei der Mehrzahl optischer Elemente (7, 8, 9, 22) in Bezug auf eine optische Achse (21) im Strahlengang (20) hintereinander angeordnet sind.
Wellenfrontmanipulator (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei der Mehrzahl optischer Elemente (7, 8, 9, 22) in Bezug aufeinander gekippt angeordnet sind.
Wellenfrontmanipulator (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 in Verbindung mit Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl an Segmenten in der Form einer Matrix angeordnet ist.
Wellenfrontmanipulator (3) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Segmente mindestens in der Form einer nxm-Matrix angeordnet sind, wobei n mindestens 3 beträgt und m mindestens 3 beträgt.
Wellenfrontmanipulator (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Abbildungsfunktionen von dem Krümmungsradius der gekrümmten Projektionsoberfläche (14) abhängig und/oder feldabhängig ausgestaltet sind.
Wellenfrontmanipulator (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl optischer Elemente (7, 8, 9, 22) mit voneinander abweichenden Abbildungsfunktionen als refraktive und/oder diffraktive und/oder transmissive und/oder reflektive optische Elemente ausgestaltet sind.
Wellenfrontmanipulator (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl optischer Elemente (7, 8, 9, 22) mit voneinander abweichenden Abbildungsfunktionen Freiformflächen umfassen und/oder holographische Strukturen und/oder mindestens einen Mangin-Spiegel umfassen.
Wellenfrontmanipulator (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenfrontmanipulator (3) dazu ausgelegt ist, ein Airy-Scheibchen mit einer Ausdehnung von weniger als 25 Mikrometer zu erzeugen und/oder der Wellenfrontmanipulator (3) dazu ausgelegt ist, eine Ausdehnung eines Bildpunktes auf weniger als die 4-fache Ausdehnung des Airy-Scheibchens im halben Feld und/oder auf weniger als die 5,5-fache Ausdehnung des Airy-Scheibchens im vollen Feld zu bewirken.
Optische Anordnung (23) für ein Head-up-Display (10) an einer gekrümmten Projektionsoberfläche (14), welche ein Projektionsobjektiv (2) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Anordnung einen Wellenfrontmanipulator (3) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 umfasst.
Optische Anordnung (23) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wellenleiter (17) im Strahlengang (20) zwischen dem Projektionsobjektiv (2) und dem Wellenfrontmanipulator (3) angeordnet ist.
Optische Anordnung (23) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eins der Mehrzahl optischer Elemente (7, 8, 9, 22) im Strahlengang (20) vor und/oder hinter dem Wellenleiter (17) angeordnet ist.
Head-up-Display (10), welches eine gekrümmte Projektionsoberfläche (14) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das Head-up-Display (10) eine optische Anordnung (23) nach einem der Ansprüche 11 bis 13 umfasst.
Head-up-Display (10) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenfrontmanipulator (3) in Bezug auf die optische Achse (21) in einem Abstand d₂ von 100 Millimetern bis 1000 Millimetern von einer gekrümmten Projektionsoberfläche (14) angeordnet ist und/oder ein Abstand d₃ zwischen der gekrümmten Projektionsoberfläche (14) und einer Eyebox (4) zwischen 300 Millimetern und 1000 Millimetern vorgesehen ist.
Head-up-Display (10) nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die gekrümmte Projektionsoberfläche (14) einen Krümmungsradius zwischen 300 Millimetern und 10000 Millimetern aufweist.
Head-up-Display (10) nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Head-up-Display (10) im Bereich der gekrümmten Projektionsoberfläche (14) eine optische Achse (21) umfasst, die optischen Elemente (7, 8, 9, 22) jeweils eine Mittelachse (27, 28, 29) aufweisen und die gekrümmte Projektionsoberfläche (14) eine Oberflächennormale (16) im Bereich der optischen Achse (21) aufweist, welche einen Winkel zwischen 0 Grad und 90 Grad mit der Mittelachse (27, 28, 29) eines der gekrümmten Projektionsoberfläche (14) zugewandten optischen Elements (7, 8, 9, 22) der Mehrzahl optischer Elemente des Wellenfrontmanipulators (3) einschließt.