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Die Erfindung betrifft ein holografisches Direktsichtdisplay, das insbesondere in einem Fahrzeug wie einem Kraftfahrzeug oder einem anderen Land-, Luft- oder Wasserfahrzeug einsetzbar ist. Die Erfindung richtet sich ferner auf ein zugehöriges Betriebsverfahren, eine entsprechend eingerichtete Steuereinheit sowie ein damit ausgestattetes Fahrzeug.
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Mit der zunehmenden Elektrifizierung der Fahrzeuge wird der Einsatz von energieeffizienten Displays immer wichtiger. Zusätzlich wird die Nachfrage nach innovativen Erlebniskonzepten mit der Digitalisierung unserer Welt immer größer. In diesem Spannungsfeld sind hocheffiziente holographische Displays, bei denen räumliche Phasenmodulation mittels elektrisch ansteuerbarer Pixel zur holografischen Rekonstruktion eines gewünschten Displaybilds genutzt wird, von hohem Interesse. Insbesondere lassen sich damit neben zweidimensionalen auch dreidimensionale Displaybilder ohne Einsatz von Zusatztechniken wie Autostereoskopie oder 3D-Brillen erzeugen.
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Eine praktische Realisierung eines holografischen Direktsichtdisplays (im Stand der Technik auch „Holo-Display“ genannt) ist jedoch mit etlichen technischen Schwierigkeiten verbunden. So ist bei derzeit und in absehbarer Zukunft technisch realisierbaren Pixelgrößen ein bestenfalls erreichbarer Betrachtungswinkel mit nur einigen wenigen Grad so klein, dass bei einem auf Reflexion basierenden Holo-Display die Lichtquelle sich praktisch direkt vor den Augen des Nutzers befinden müsste. Dies stellt insbesondere für den Einsatz in einem Fahrzeug einen großen Nachteil dar. Bei transmissiven Displays gehören unter anderem hohe Intensitätsverluste zu den bekannten Nachteilen.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine alternative und/oder verbesserte Displaytechnologie anzugeben, die sich insbesondere für den Einsatz in einem Fahrzeug eignet und gegenüber bekannten Displaykonzepten beispielsweise im Hinblick auf die Energieeffizienz, Ergonomie, die Darstellbarkeit von 3D-Inhalten, den Kontrast, die Sichtbarkeit, die Bildqualität und/oder andere Gesichtspunkte eine Verbesserung ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch ein holografisches Direktsichtdisplay gemäß Anspruch 1 sowie durch ein zugehöriges Betriebsverfahren, eine entsprechend eingerichtete Steuereinheit und ein damit ausgestattetes Fahrzeug gemäß den nebengeordneten Ansprüchen gelöst. Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Alle in den Ansprüchen und der nachfolgen Beschreibung für das holografische Direktsichtdisplay genannten weiterführenden Merkmale und Wirkungen gelten auch in Bezug auf das Betriebsverfahren, die Steuereinheit und das Fahrzeug, wie auch umgekehrt.
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Gemäß einem ersten Aspekt ist ein holografisches Direktsichtdisplay (hierin auch kurz „Holo-Display“ genannt) vorgesehen, das insbesondere zum Einsatz in einem Fahrzeug ausgelegt sein kann. Beim Fahrzeug kann es sich beispielsweise um ein Kraftfahrzeug, aber auch um ein beliebiges anderes Land-, Luft- oder Wasserfahrzeug handeln.
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Das hierin vorgestellte Holo-Display umfasst eine Displaylichtquelle, die zum Erzeugen von zumindest teilweise kohärentem Displaylicht ausgebildet ist, und ein dieser gegenüber angeordnetes zweidimensionales Mikrospiegelarray, von dem das Displaylicht direkt zu den Augen eines Nutzers (beispielsweise eines Fahrers oder eines anderen Insassen des Fahrzeugs) reflektiert wird. Dabei ist jeder Mikrospiegel als ein von den anderen Mikrospiegeln unabhängig elektrisch ansteuerbarer Displaypixel ausgebildet, indem er in einer zu seiner Spiegelfläche transversalen Richtung translatorisch verschiebbar ist, um dem daran reflektierten Displaylicht eine jeweils benötigte Phasenverschiebung zur holografischen Rekonstruktion eines gewünschten (zwei- oder dreidimensionalen) Displaybilds aufzuprägen. Zudem ist jeder Mikrospiegel zumindest um eine erste Drehachse (und gegebenenfalls zusätzlich um eine hierzu verschränkte zweite Drehachse) drehbar, um das Displaylicht zu einer jeweils aktuellen Augenposition des Nutzers zu reflektieren, wobei im Betrieb des Holo-Displays jeweils das gesamte Displaylichtstrahlenbündel vom Mikrospiegelarray abwechselnd je einem Auge des Nutzers bereitgestellt wird.
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Um den Blick des Nutzers nach vorn, d. h. auf das Holo-Display und insbesondere auch durch die Frontscheibe des Fahrzeugs, nicht zu behindern und den Nutzer auch in seiner Bewegungsfreiheit nicht einzuschränken, ist die Displaylichtquelle dabei außerhalb eines Nutzer-Displayblickwinkels angeordnet, der einen Raumbereich zwischen einer für die Nutzeraugen vorbestimmten Eyebox des Holo-Displays und dem Mikrospiegelarray ausfüllt. Als Eyebox wird wie üblich ein zwei- oder dreidimensionaler Raumbereich bezeichnet, der für die Augen des Nutzers bestimmt ist und aus dem das Displaybild für ihn uneingeschränkt sichtbar ist.
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Eine Idee des vorliegend vorgestellten Holo-Displays besteht also darin, dass sein Mikrospiegelarray nicht nur für die Bilderzeugung ausgebildet ist und eingesetzt wird, sondern auch um das Displaylicht der Displaylichtquelle so umzulenken, dass es die Augen des Betrachters (d. h. Nutzers) trifft, auch wenn die Lichtquelle nicht direkt vor seiner Pupille, sondern außerhalb seines Blickwinkels (beispielsweise seitlich oder oberhalb seines Kopfs) positioniert ist. Eingangs erwähnte Nachteile des Stands der Technik lassen sich also über die bilderzeugende translatorische Verschiebung der einzelnen Mikrospiegel in Kombination mit deren Drehung für die Lichtumlenkung zu der jeweiligen Augenposition, beispielsweise basierend auf einem geeigneten Eyetracking-Signal, beheben.
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Die hierin vorgestellte Konstruktion des holografischen Direktsichtdisplays macht es möglich, nahezu verlustfrei die gesamte von der Displaylichtquelle erzeugte Lichtintensität für den Nutzer als Displaybild sichtbar zu machen, denn Lichtlenkung über Rotationswinkel einzelner Mikrospiegel ist extrem effizient. Gleichzeitig ist die Konstruktion im Hinblick auf den Nutzerkomfort vollkommen störfrei, ergonomisch und ermöglicht Erzeugung dreidimensionaler Displaybilder (d. h. dreidimensionaler Anzeigeobjekte) ohne Zusatztechnologien wie 3D-Brillen oder Autostereoskopie etc., sodass das vorgeschlagene Holo-Display sich auch in dieser Hinsicht bestens für den Einsatz in einem Fahrzeug eignet.
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Die zur Spiegelfläche transversale Richtung der translatorischen Verschiebung eines Mikrospiegels kann in einem einfachen Fall zeitlich konstant und/oder für alle Mikrospiegel des Mikrospiegelarrays gleich sein. Sie kann aber auch von Mikrospiegel zu Mikrospiegel, beispielsweise jeweils abhängig von seiner Drehlage, variieren, indem sie beispielsweise der Richtung seiner jeweiligen Flächennormalen entspricht.
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Die Displaylichtquelle kann beispielsweise als eine (oder mehrere) Laserlichtquelle(n) zur Erzeugung von Displaylicht einer (oder mehrerer) vorbestimmten Wellenlänge(n) ausgebildet sein.
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Insbesondere kann durch die genannte translatorische Verschiebung ein beliebiger Phasenversatz zwischen 0 und 2π Radian zwischen den einzelnen Pixeln/Mikrospiegeln erzeugbar sein. Je nach der Drehlage jedes einzelnen Mikrospiegels und je nachdem, wie die transversale Richtung seiner Verschiebung relativ dazu definiert ist, kann die Verschiebungsrichtung des Mikrospiegels im Allgemeinen von der Lichtausbreitungsrichtung des daran reflektierten Displaylichts abweichen. In diesem Fall erhält man die zur Phasenverschiebung beitragende Komponente der Verschiebung durch eine orthogonale Projektion auf die zugehörige Lichtausbreitungsrichtung gemäß dem Ein- und Ausfallswinkel des reflektierten Displaylichts.
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Insbesondere kann jeder einzelne Mikrospiegel innerhalb eines Verschiebungsintervalls translatorisch verschiebbar sein, das in orthogonaler Projektion auf die Lichtausbreitungsrichtung des daran reflektierten Displaylichts einer halben (oder gegebenenfalls der Hälfte der größten von mehreren) vorbestimmten Wellenlänge(n) des Displaylichts entspricht. Auf diese Weise lässt sich die Verschiebbarkeit der Mikrospiegel auf ein Minimum beschränken, das zur Erzeugung eines beliebigen Phasenversatzes zwischen den einzelnen Pixeln benötigt wird.
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Das Holo-Display kann insbesondere ferner eine Eyetracking-Einrichtung umfassen, die zum Ermitteln einer aktuellen Position eines jeden Auges des Nutzers ausgebildet ist. Hierzu kann sie beispielsweise eine oder mehrere Kameras aufweisen, die im oder am Mikrospiegelarray oder seitlich davon integriert oder montierbar sein können. Dabei ist jeder Mikrospiegel so zur Drehung zumindest um seine erste Drehachse ansteuerbar, dass das von der Displaylichtquelle erzeugte Displaylicht vom Mikrospiegelarray zu der jeweils aktuell ermittelten Position des betreffenden Auges des Nutzers reflektiert wird. Eine zu diesem Zweck verwendbare Eyetracking-Einrichtung für den Nutzer kann alternativ auch unabhängig vom Holo-Display, d. h. ohnehin, vorgesehen sein, wie beispielsweise an Bord eines Fahrzeugs als Bestandteil eines Fahrerüberwachungssystems etc.
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Insbesondere kann jeder Mikrospiegel des Mikrospiegelarrays zum optischen Abbilden der Displaylichtquelle ins jeweilige Auge des Nutzers ausgebildet sein. Hierzu kann er beispielsweise als ein geeigneter Hohlspiegel oder aber als ein sogenannter Fresnel-Spiegel mit der optischen Funktion eines solchen Hohlspiegels ausgebildet sein. Ähnlich dem Funktionsprinzip einer Fresnel-Linse lässt sich mit einem Fresnel-Spiegel bei einer deutlich flacheren Bauweise im Vergleich zu einem konventionellen Hohlspiegel weitgehend die gleiche Funktionalität erzielen.
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Wie bereits erwähnt, kann die genannte Drehbarkeit eines jeden Mikrospiegels des Mikrospiegelarrays eine Drehbarkeit um zwei zueinander verschränkte (d. h. gekreuzte, beispielsweise zueinander rechtwinklig angeordnete) Drehachsen umfassen: die oben genannte erste Drehachse und zusätzlich eine dazu verschränkte zweite Drehachse des jeweiligen Mikrospiegels. Durch Drehung der Mikrospiegel um je zwei unabhängige Drehachsen kann das Mikrospiegelarray an entsprechend mehrdimensionale Bewegungen der Nutzeraugen präzise angepasst werden.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Holo-Display ferner eine Kalibriereinrichtung, die dazu ausgebildet und eingerichtet ist, die Funktionalität des Mikrospiegelarrays im Hinblick auf eine einwandfreie Reflexion/Abbildung der Displaylichtquelle zu dem jeweiligen Auge des Nutzers zu überwachen und bei Bedarf zu korrigieren bzw. einzuregeln. Hierzu umfasst die Kalibriereinrichtung eine Infrarotlichtquelle, die derart neben der Displaylichtquelle angeordnet oder in dieser integriert ist, dass sie ein Infrarotlichtstrahlenbündel im Wesentlichen in gleicher Form und Richtung wie das von der Displaylichtquelle erzeugte Displaylichtstrahlenbündel emittiert. Ferner umfasst die Kalibriereinrichtung eine Kalibrier-Recheneinheit, die dazu ausgebildet und eingerichtet ist, beispielsweise von einer geeigneten Infrarotkamera Infrarotaufnahmen eines Raumbereichs mit der für die Nutzeraugen vorbestimmten Eyebox zu empfangen, darin eine Abbildung des Infrarotlichtstrahlenbündels in einem Gesicht des Nutzers zu detektieren, Abweichungen von einer vorbestimmten Abbildungsqualität festzustellen und bei festgestellten Abweichungen die Mikrospiegel zu einer solchen Drehung und/oder translatorischen Verschiebung anzusteuern, dass diese Abweichungen reduziert und idealerweise eliminiert werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Verfahren zum Betreiben eines hierin vorgestellten holografischen Direktsichtdisplays vorgesehen. Das Verfahren umfasst das Erzeugen des zumindest teilweise kohärenten Displaylichts durch die Displaylichtquelle und das Ansteuern der Mikrospiegel des Mikrospiegelarrays zu einer solchen Drehung um deren erste und/oder gegebenenfalls zweite Drehachse, dass das von der Displaylichtquelle erzeugte Displaylicht von dem Mikrospiegelarray abwechselnd zu je einem Auge des Nutzers reflektiert wird. Dabei wird jeder Mikrospiegel derart zu einer translatorischen Verschiebung in einer zu seiner Spiegelfläche transversalen Richtung angesteuert, dass dem daran reflektierten Displaylicht eine zur holografischen Rekonstruktion eines aktuellen zwei- oder dreidimensionalen Displaybilds benötigte Phasenverschiebung aufgeprägt wird. Beispielsweise kann die translatorische Verschiebung aller Mikrospiegel zur Erzeugung eines jeweils neuen Displaybilds in vorbestimmten Zeitabständen durchgeführt werden, die fürs menschliche Auge nicht auflösbar sind, wobei dazwischen jeweils eine Drehung aller Mikrospiegel zum Wechseln der Lichtlenkrichtung zum jeweils anderen Auge des Nutzers erfolgen kann.
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Bei einer spezifischen Ausgestaltung des Verfahrens kann neben der Drehung jedes Mikrospiegels zusätzlich auch seine translatorische Verschiebung in der genannten transversalen Richtung verwendet werden, um das von der Displaylichtquelle erzeugte Displaylicht von dem Mikrospiegelarray zu dem jeweiligen Auge des Nutzers zu lenken. Hierzu kann dem daran reflektierten Displaylicht neben der genannten Phasenverschiebung, die zur holografischen Rekonstruktion des jeweiligen Displaybilds benötigt wird, eine zusätzliche Phasenverschiebung aufgeprägt werden, die zur benötigten Lichtumlenkung zum jeweiligen Auge des Nutzers beiträgt. Dies kann beispielsweise zu einer Feineinstellung oder Nachjustierung der Lichtlenkfunktion des Mikrospiegelarrays, insbesondere beim weiter oben und nachfolgend beschriebenen Kalibrieren, eingesetzt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform wird ferner eine Kalibrierung der vom Mikrospiegelarray bewirkten Reflexion des von der Displaylichtquelle erzeugten Displaylichts zu dem jeweiligen Auge des Nutzers durchgeführt. Hierzu kann insbesondere die weiter oben und in den Ansprüchen genannte Kalibriereinrichtung zum Einsatz kommen. Das Kalibrieren umfasst folgende Schritte:
- - Erzeugen eines Infrarotlichtstrahlenbündels im Wesentlichen in gleicher Form und Richtung wie beim Displaylichtlichtstrahlenbündel;
- - Bereitstellen von Infrarotaufnahmen eines Raumbereichs mit der für die Nutzeraugen vorbestimmten Eyebox;
- - Detektieren einer Abbildung des Infrarotlichtstrahlenbündels in einem Gesicht des Nutzers in diesen Infrarotaufnahmen und Prüfen dieser Abbildung auf Abweichungen (beispielsweise Defokussierung) von einer vorbestimmten Abbildungsqualität; und
- - Ansteuern der Mikrospiegel beim Feststellen von Abweichungen von der vorbestimmten Abbildungsqualität zu einer solchen Drehung und/oder translatorischen Verschiebung, dass die festgestellten Abweichungen reduziert und idealerweise eliminiert werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Steuereinheit vorgesehen, die zur automatischen Durchführung des hierin vorgestellten Betriebsverfahrens für das Holo-Display ausgebildet und eingerichtet ist. Hierzu kann in der Steuereinheit beispielsweise ein entsprechendes Computerprogramm ablaufen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Fahrzeug, insbesondere ein Kraftfahrzeug oder ein beliebiges anderes Land-, Luft- oder Wasserfahrzeug vorgesehen. Die hierin verwendeten räumlichen Orientierungsbegriffe wie „oben“, „unten“, „darauf“, „darunter“, „seitlich“, „vorn“, „horizontal“, „vertikal“ etc. beziehen sich auf das übliche fahrzeugfeste kartesische Koordinatensystem mit zueinander senkrechten Längs-, Quer- und Höhenachsen des Fahrzeugs.
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Das Fahrzeug umfasst einen Insassenraum, der nach oben zumindest teilweise von einem Dachhimmel begrenzt ist; einen im Insassenraum angeordneten Fahrzeugsitz mit einer Kopfstütze; sowie ein holografisches Direktsichtdisplay der hierin vorgestellten Art, das zur Verwendung durch einen Nutzer auf dem genannten Fahrzeugsitz ausgelegt ist. Insbesondere kann im Fahrzeug ferner die oben genannte Steuereinheit vorgesehen sein. Dabei ist die Displaylichtquelle außerhalb eines Nutzer-Displayblickwinkels angeordnet, der einen Raumbereich zwischen einer für die Nutzeraugen im Insassenraum vorbestimmten Eyebox und dem Mikrospiegelarray ausfüllt. Insbesondere kann die Displaylichtquelle hierzu am oder im Dachhimmel oder an, in oder auf der Kopfstütze des Fahrzeugsitzes angeordnet sein.
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Die obigen Aspekte der Erfindung und deren Ausführungsformen und spezifische Ausgestaltungen werden nachfolgend anhand von in den beigefügten Zeichnungen dargestellten Beispielen näher erläutert. Die Zeichnungen sind stark vereinfachte schematische Illustrationen des grundsätzlichen optischen Aufbauprinzips, d. h. insbesondere nicht als maßstabsgetreu zu verstehen. Es zeigen:
- 1 einen seitlichen Längsschnitt eines Holo-Displays hierin vorgestellter Art in einem Kraftfahrzeug, wobei die Displaylichtquelle im Bereich eines Dachhimmels oder einer Kopfstütze eines Nutzers angeordnet ist;
- 2a eine Draufsicht auf ein Holo-Display hierin vorgestellter Art in einer Betriebsstellung seines Mikrospiegelarrays, bei der das Displaylicht zu einem rechten Auge des Nutzers reflektiert wird;
- 2b eine Draufsicht auf das Holo-Display der 2a in einer durch Drehung seiner Mikrospiegel erhaltenen weiteren Betriebsstellung, bei der das Displaylicht zu einem linken Auge des Nutzers reflektiert wird;
- 2c eine Draufsicht auf das Holo-Display der 2b mit Verschiebungsintervallen einzelner Mikrospiegel in zu deren Spiegelflächen transversalen Richtungen zur Erzeugung von Phasenmustern zur holografischen Displaybilderzeugung; und
- 3a-3c Phasendiagramme zur Erläuterung einer Ausführungsform des Betriebsverfahrens eines Holo-Displays hierin vorgestellter Art mit einer Superposition (3c) zweier Phasenmuster, von denen das erste (3a) der holografischen Bilderzeugung und das zweite (3b) einer ergänzenden Feineinstellung der Lichtlenkung zusätzlich zur Drehung einzelner Mikrospiegel dient.
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Alle weiter oben in der Beschreibung und in den nachfolgenden Ansprüchen erwähnten verschiedenen Ausführungsformen, Varianten und spezifischen Ausgestaltungsmerkmale des holografischen Direktsichtdisplays, seines Betriebsverfahrens, der Steuereinheit und des Fahrzeugs gemäß den obigen Aspekten der Erfindung können bei den in den 1 bis 3c gezeigten Beispielen implementiert sein. Sie werden daher nachfolgend nicht alle nochmals wiederholt. Das Gleiche gilt entsprechend für die weiter oben bereits angegebenen Begriffsdefinitionen und Wirkungen in Bezug auf einzelne Merkmale, die in den 1-3c gezeigt sind.
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1 zeigt in einer stark vereinfachten seitlichen Längsschnittdarstellung ein Ausführungsbeispiel eines Fahrzeugs 1 mit einem darin integrierten holografischen Direktsichtdisplay 2 (kurz: Holo-Display) gemäß den obigen Aspekten der Erfindung. Das Fahrzeug 1 ist in diesem Beispiel ein Kraftfahrzeug, das in 1 nur durch seine Frontscheibe 3 und ein Dachhimmel 4 angedeutet ist, die einen Insassenraum 5 nach vorn und nach oben begrenzen. Wie bereits erwähnt, beziehen sich alle räumlichen Orientierungsbegriffe wie „oben“, „unten“, „darauf“, „darunter“, „seitlich“, „vorn“, „horizontal“, „vertikal“ etc. auf das übliche fahrzeugfeste kartesische Koordinatensystem K mit zueinander senkrechten Längs-, Quer- und Höhenachsen X, Y, Z des Fahrzeugs 1.
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Im Insassenraum 5 des Fahrzeugs 1 befindet sich ein Fahrzeugsitz (nicht extra dargestellt) mit einer Kopfstütze 6 für einen Fahrzeuginsassen, beispielsweise den Fahrer, der in diesem Beispiel Nutzer des Holo-Displays 2 ist und in 1 allein durch seine Augen A angedeutet ist. Das Holo-Display 2 umfasst eine Displaylichtquelle 7 und ein dieser gegenüber im Blickfeld des Nutzers, beispielsweise im Bereich einer nicht näher dargestellten Instrumententafel, angeordnetes zweidimensionales Mikrospiegelarray 8.
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Das zweidimensionale Mikrospiegelarray 8 umfasst eine Vielzahl von unabhängig voneinander elektrisch ansteuerbareren Mikrospiegeln 9, die separat in 2a-2c aus Darstellungsgründen stark vergrößert und mit einer rein symbolischen Anzahl von fünf gezeigt sind. Jeder Mikrospiegel 9 bildet ein Displaypixel, indem er in einer zu seiner Spiegelfläche transversalen Richtung (vgl. 2c) translatorisch verschiebbar ist, um dem daran reflektierten Displaylicht L eine Phasenverschiebung zur holografischen Rekonstruktion eines gewünschten Displaybilds aufzuprägen. Wie in 2a durch einen Drehpfeil angedeutet, ist jeder Mikrospiegel 9 zudem zumindest um eine erste Drehachse D drehbar, um das von der Displaylichtquelle 7 erzeugte Displaylicht L abwechselnd zu je einem Auge AL (linkes Auge) und AR (rechtes Auge) des Nutzers zu reflektieren.
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Die Displaylichtquelle 7 ist in diesem Beispiel als eine Laserlichtquelle zur Erzeugung von zumindest teilweise kohärentem Displaylicht L einer vorbestimmten Wellenlänge λ ausgebildet. Um die nötige Umlenkung durch die Mikrospiegel 9 möglichst gering zu halten, ist es von Vorteil, die Displaylichtquelle 7 in der Nähe der Augen A des Nutzers zu positionieren, jedoch außerhalb eines Nutzer-Displayblickwinkels, der einen Raumbereich zwischen seinen Augen A und dem Mikrospiegelarray 8 ausfüllt. Wie in 1 gezeigt, kann die Displaylichtquelle 7 beispielsweise im oder am Dachhimmel 4 oder alternativ in oder an der Kopfstütze 6 montiert/integriert sein, um den Blick des Nutzers nach vorn auf das Mikrospiegelarray 8 und durch die Frontscheibe 3 sowie seine Bewegungsfreiheit nicht einzuschränken.
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Zum Holo-Display 2 gehört in diesem Beispiel ferner eine Eyetracking-Einrichtung 10, die zum Ermitteln einer aktuellen Position eines jeden Auges AL und AR des Nutzers ausgebildet ist. Hierzu kann sie beispielsweise eine oder mehrere Kameras aufweisen, die im oder am Mikrospiegelarray 8 oder seitlich davon oder an einer anderen geeigneten Position im Fahrzeug 1 integriert oder montiert sein können. Dabei ist jeder Mikrospiegel 9 so zur Drehung zumindest um seine erste Drehachse D ansteuerbar, dass das von der Displaylichtquelle 7 erzeugte Displaylicht L vom Mikrospiegelarray 8 zu der jeweils aktuell ermittelten Position des betreffenden Auges AL/AR des Nutzers reflektiert wird. Eine zu diesem Zweck verwendbare Eyetracking-Einrichtung 10 kann als Bestandteil des Holo-Displays 2 oder auch ohnehin an Bord des Fahrzeugs 1, beispielsweise als Bestandteil eines Fahrerüberwachungssystems, vorgesehen sein.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel eines Betriebsverfahrens für ein Holo-Display 2 gemäß den oben und in den Ansprüchen beschriebenen Aspekten der Erfindung mit Bezug auf 1, 2a-2c und 3 beschrieben. Das Verfahren kann beispielsweise von einer geeigneten Steuereinheit 11 (s. 1) automatisch ausgeführt werden. 2a bis 2c zeigen das Holo-Display 2 jeweils in einer Draufsicht, bei der die Zeichnungsebene am Beispiel des Fahrzeugs 1 der 1 parallel zu einer Ebene liegt, die von seiner Längsachse X und seiner Querachse Y aufgespannt ist, wie in 2a angedeutet.
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Im Betrieb des Holo-Displays 2 wird von der Displaylichtquelle 7 zumindest teilweise kohärentes Displaylicht L erzeugt. Die Mikrospiegel 9 des Mikrospiegelarrays 8 werden zu einer solchen Drehung zumindest um deren erste Drehachse D angesteuert, dass das von der Displaylichtquelle 7 erzeugte Displaylicht L von dem Mikrospiegelarray 8 abwechselnd zu je einem Auge AL und AR des Nutzers reflektiert wird. Dabei zeigt 2a eine Betriebsstellung des Mikrospiegelarrays 8, bei der das Displaylicht L zum rechten Auge AR des Nutzers reflektiert wird. 2b zeigt eine durch Drehung der Mikrospiegel 9 um deren erste Drehachse D erhaltene weitere Betriebsstellung, bei der das Displaylicht L zum linken Auge AL des Nutzers reflektiert wird. Wie weiter oben erwähnt, können die Mikrospiegel 9 zusätzlich jeweils um eine weitere Drehachse drehbar sein, die zu deren Drehachse D verschränkt ist, um die Anpassung an aktuelle Augenpositionen um weitere Bewegungsfreiheitsgrade zu erweitern.
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Wie in 2c durch Doppelpfeile angedeutet, lassen sich dabei die einzelnen Mikrospiegel 9 (d. h. Pixel) transversal zur Displayebene jeweils um eine halbe vorbestimmte Wellenlänge λ/2 des Displaylichts L (gemessen jeweils in Lichtausbreitungsrichtung) bewegen. Damit kann man einen Phasenversatz von maximal 2π zwischen den einzelnen Pixeln generieren und somit ein holographisches Bild über Interferenz der einzelnen Pixel erzeugen. Wie nachfolgend erläutert, kann die in 2c gezeigte translatorische Verschiebung der Mikrospiegel 9 optional zusätzlich auch zu einer Feinanpassung der Umlenkrichtung der Mikrospiegel 9, beispielsweise für die hierin weiter oben und in den Ansprüchen genannte Kalibrierung und vieles mehr, genutzt werden:
- So zeigen 3a bis 3c jeweils ein Phasendiagramm zur Erläuterung einer spezifischen Ausgestaltung des Betriebsverfahrens des Holo-Displays 2 mit einer Superposition (3c) zweier Phasenmuster, von denen das erste ( 3a) der holografischen Bilderzeugung und das zweite (3b) einer ergänzenden Feineinstellung der Lichtlenkung zusätzlich zu einer Drehung einzelner Mikrospiegel 9 dient. Diese Lichtlenkung durch transversale Verschiebung ist möglich, da man die Phasen für verschiedene Lichtmanipulationen addieren kann (Superpositionsprinzip). So kann man ein bestimmtes Phasenmuster für die Bilderzeugung (3a) mit einem weiteren Phasenmuster für eine Gesamtablenkung (3b) des Displaylichtbündels L addieren, und die Superposition dieser beiden Phasenmuster (3c) erzeugt ein im Winkelraum entsprechend verschobenes Displaybild des Holo-Displays.
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In 3a-3b ist diese grundlegende Funktionsweise in einer einfachen 2D-Simulation veranschaulicht. Ein Pixelarray aus rein beispielhaft 10 Pixeln sendet Kugelwellen aus, welche sich je nach lokalen Phasenunterschieden zwischen den einzelnen Kugelwellen im Raum gegenseitig verstärken oder auslöschen. Im Fernfeld entstehen entsprechende Beugungsmuster. Diese Beugungsmuster sind von der Phasendifferenz der einzelnen Pixel zueinander abhängig, die durch deren transversale Verschiebung steuerbar ist. So wird in diesem Beispiel das obere Phasenmuster (3a) genutzt, um die gewünschte Bildinformation zu erzeugen, und das untere Phasenmuster (3b) für eine Winkelverschiebung des reflektierten Displaylichts L.
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Dadurch dass der größte Teil der Lichtlenkung in diesem Beispiel über die Spiegeldrehung (wie in 2a-2b veranschaulicht) implementiert ist, müssen nur noch kleinere Ablenkwinkel über die in 3a-3c veranschaulichte holographische Funktion realisiert werden. Dies hat zur Folge, dass Pixelgrößen von beispielsweise ca. 50 µm bei einem rein beispielhaften Betrachtungsabstand von ca. 1 m ausreichen würden. Man kann also für den Nutzer einen Bildeindruck erzeugen, bei dem sowohl der Konvergenzwinkel der Augen als auch die Fokusinformation stimmig sind. Für ein Display (d. h. Mikrospiegelarray 8) mit einer Größe von etwa 200x100mm braucht man hierzu rein beispielhaft ca. 4000x2000 Pixel (Mikrospiegel 9).
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Wollte man hingegen die gesamte Lichtlenkung über die holographische Funktion erzeugen, bräuchte man Pixelgrößen im Bereich von etwa 2,5 µm. Die daraus resultierende Pixelanzahl wäre für ein Holo-Display mit typischen Maßen von 200x100mm bei etwa 3,2 GPixel und somit weit jenseits jeglicher aktueller und in mittlerer Zukunft erreichbarer Fertigungsgrenzen.
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Der eingangs erwähnte Nachteil eines sehr geringen Betrachtungswinkels bei herkömmlichen holografischen Direktsichtdisplays wird bei der vorliegend vorgestellten Konstruktion somit über die Zusatzfunktion der Lichtumlenkung mittels der drehbaren Mikrospiegel 9 in Kombination mit dem Eyetracking-Signal einer geeigneten Eyetracking-Einrichtung 10 behoben. Mit anderen Worten wird das Mikrospiegelarray 8 nicht nur für die Bilderzeugung genutzt, sondern auch um das Displaylicht L von der Displaylichtquelle 7 so umzulenken, dass es die Augen AL bzw. AR des Betrachters trifft, auch wenn die Displaylichtquelle 7 nicht direkt vor der Pupille des jeweiligen Auges AL/AR positioniert ist.
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Mit den hierin vorgestellten Konstruktionsideen für ein Holo-Display 2 ist auch sein Einsatz in Fahrzeugen realisierbar und eröffnet dabei neue Dimensionen im Hinblick auf die Energieeffizienz und Anzeigemöglichkeiten.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Fahrzeug
- 2
- holografisches Direktsichtdisplay (kurz: Holo-Display)
- 3
- Frontscheibe
- 4
- Dachhimmel
- 5
- Insassenraum
- 6
- Kopfstütze
- 7
- Displaylichtquelle
- 8
- Mikrospiegelarray
- 9
- Mikrospiegel
- 10
- Eyetracking-Einrichtung
- 11
- Steuereinheit
- L
- Displaylicht(-Strahlenbündel)
- D
- erste Drehachse eines Mikrospiegels
- K
- fahrzeugfestes Koordinatensystem
- X, Y, Z
- Längs-, Quer- und Höhenachse des Fahrzeugs
- A
- Augen des Nutzers
- AL, AR
- linkes bzw. rechtes Auge
