EP4305474A1 - Wellenfrontmanipulator für head-up-display mit holographischem element, optische anordnung und head-up-display - Google Patents

Wellenfrontmanipulator für head-up-display mit holographischem element, optische anordnung und head-up-display

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EP4305474A1
EP4305474A1 EP22710565.7A EP22710565A EP4305474A1 EP 4305474 A1 EP4305474 A1 EP 4305474A1 EP 22710565 A EP22710565 A EP 22710565A EP 4305474 A1 EP4305474 A1 EP 4305474A1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
holographic
arrangement
designed
manipulator
wavefront manipulator
Prior art date
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Pending
Application number
EP22710565.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Yi ZHONG
Marc Junghans
Daniel Thomae
Roman KLEINDIENST
Siemen KÜHL
Christoph ERLER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Jenoptik AG
Original Assignee
Carl Zeiss Jena GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Carl Zeiss Jena GmbH filed Critical Carl Zeiss Jena GmbH
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Pending legal-status Critical Current

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Definitions

  • the present invention relates to a wavefront manipulator for arrangement in the beam path of a head-up display (HUD) between a projection lens and a projection surface, in particular a curved projection surface.
  • the invention also relates to an optical arrangement and a head-up display.
  • Head-up displays are now being used in a wide variety of applications, including in connection with viewing windows of vehicles, for example on windshields of motor vehicles, windscreens or viewing windows of aircraft. These viewing panes and in particular windshields usually have a curved surface which is used as a projection surface for head-up displays.
  • a head-up display typically includes a picture generating unit (PGU) or projector, a projection surface, an eyebox, and a virtual image plane.
  • An image is generated by means of the imaging unit or the projector.
  • the image is projected on the projection surface and projected from the projection surface into the eyebox.
  • the eyebox is a plane or a spatial area in which the projected image can be perceived by an observer as a virtual image.
  • the virtual image plane ie the plane on which the virtual image is generated, is arranged on or behind the projection surface. Due to the curvature of the projection surface and due to compact arrangements in a small installation space with, under certain circumstances, strong tilting of individual components relative to one another and correspondingly complex folded beam paths, imaging errors or aberrations occur.
  • a windshield can generally be described as a free-form optical surface. If a head-up display is used in connection with a curved windshield or a curved viewing window, it is desirable to correct imaging errors that occur as a result of the curvature, the imaging errors that may occur due to the installation space, and imaging errors in the optical beam path that may be caused by the imaging unit .
  • the imaging errors or aberrations that can occur are, for example, distortion, defocus, tilting, astigmatism, curvature of the image plane, spherical aberrations, higher astigmatism and coma.
  • the object of the present invention is to provide an advantageous wavefront manipulator for arrangement in the beam path of a head-up display between a projection objective and a curved projection surface, which at least partially corrects the aforementioned aberrations. Further objects are to provide an advantageous optical arrangement for a head-up display on a curved projection surface and an advantageous head-up display.
  • the first object is achieved by a wavefront manipulator according to patent claim 1.
  • the other objects are achieved by an optical arrangement according to claim 12 and by a head-up display according to claim 16.
  • the dependent claims contain further advantageous developments of the invention.
  • the wave front manipulator according to the invention for arrangement in the beam path of a head-up display between an imaging unit (PGU - Picture Generating Unit) or a projection lens and a projection surface, for example a curved
  • Projection surface includes a holographic array.
  • the holographic arrangement includes at least two holographic elements.
  • the at least two holographic elements are arranged directly one behind the other in the beam path. In other words, no further optical element or component is arranged between the at least two holographic elements.
  • the at least two holographic elements are also designed to be reflective for at least one specified wavelength and one specified angle of incidence range. Light waves of at least one specified wavelength and the specified range of angles of incidence are therefore efficiently diffracted.
  • the holographic elements are preferably designed to be transmissive, in other words transmissive for
  • a first holographic element comprises at least one hologram associated with a hologram of a second holographic element for reflection.
  • the at least two holographic elements are designed in such a way that light reflected by a first holographic element has at least one wavelength and at least one angle of incidence is reflected by the second holographic element.
  • the use of reflection holograms has the advantage that the intrinsic properties of reflection holograms can be utilized. These have efficiency curves that fundamentally deviate from transmission holograms, with the efficiency curves of reflection holograms offering wavelength selectivity, which, among other things, can prevent the formation of double images.
  • the otherwise transmissive configuration and the use of reflection holograms reduce or avoid filter effects between the holograms.
  • the at least two holographic elements are preferably arranged one behind the other in the beam path such that light entering the wavefront manipulator is reflected by a first of the holographic elements and the light reflected by the first of the holographic elements is reflected by a second of the holographic elements.
  • the at least one holographic arrangement is preferably designed for the diffraction of light of a plurality of wavelengths.
  • several holograms, each of which diffracts light of one wavelength, and/or multiplex holograms, which diffract light of several wavelengths, can be arranged as hologram stacks.
  • the use of two at least partially reflective holographic elements arranged directly one behind the other has the advantage that the imaging quality can be significantly improved by the individual design of the holographic elements, particularly in connection with a head-up display.
  • the holographic elements take up almost no installation space, so that the wavefront manipulator according to the invention can significantly increase the imaging quality with only a small amount of installation space available, such as in a head-up display designed for a motor vehicle.
  • the holographic arrangement achieves a high refractive power, comparable to the refractive power that is achieved, for example, by an optical component designed to be transmissive and without chromatic aberration.
  • holographic arrangement thus enables a large field of view (FOV) with high efficiency at the same time and is therefore suitable for VR head-up displays (VR - virtual reality) or augmented reality - head-up displays (AR -HUD) with a large field of view and large numerical aperture.
  • VR - virtual reality VR - virtual reality
  • AR -HUD augmented reality - head-up displays
  • Head-up displays with curved projection surfaces represent further possible applications, for example head-up displays for windshields of vehicles, in particular motor vehicles, airplanes or ships, and generally for viewing windows.
  • a further advantage achieved by the holographic arrangement is that, due to the high diffraction angle of the holographic arrangement, the proportion of light from unused diffraction orders which is reflected into the eyebox is reduced. In addition, high-quality multicolored images can be generated.
  • the wavefront manipulator according to the invention comprises at least one optical element which has a freeform surface, ie an optically effective freeform surface, and is designed for arrangement in the beam path between the imaging unit and the holographic arrangement.
  • the optical element comprising the free-form surface contributes to an improvement in the resolution through a corresponding configuration of the free-form surface and allows a targeted correction of imaging errors.
  • the optical element takes up very little installation space due to the free-form surface. It therefore also contributes significantly to improving the imaging quality of a compact head-up display.
  • a free-form surface is to be understood as a complex surface that can be defined in particular by means of locally defined functions, in particular twice continuously differentiable locally defined functions.
  • suitable area-wise defined functions are (particularly piecewise) polynomial functions (particularly polynomial splines, such as bicubic splines, higher-degree splines of fourth degree or higher, or polynomial non-uniform rational B-splines (NURBS)).
  • Fliervon are to be distinguished from simple surfaces, such as e.g. B. spherical surfaces, aspherical surfaces, cylindrical surfaces, toric surfaces, which are described at least along a main meridian as a circle.
  • a free-form surface does not need to have axial symmetry and point symmetry and can have different values for the mean surface refractive index in different areas of the surface.
  • the optical element which has the free-form surface, can be designed to be reflective and/or transmissive.
  • a reflective configuration is particularly advantageous for use in compact head-up displays, since the optical element can in this way simultaneously contribute to beam deflection that is required anyway, even at high angles of incidence, without inducing additional image errors such as chromatic aberrations in particular.
  • the free-form surface is preferably designed to at least partially correct at least one aberration or imaging error. This can involve at least one of the imaging errors mentioned at the outset.
  • the aberration(s) can be caused by the projection surface, especially in the case of a curved one
  • Projection surface and / or caused by the imaging unit and / or by the geometry of the beam path, for example in a head-up display.
  • the resolution and thus the imaging quality can be optimized by means of the free-form surface.
  • the free-form surface preferably has a surface geometry which is derived from an imaging function that is dependent on at least one specified parameter.
  • the at least one defined parameter can result from an intended application of the wavefront manipulator result.
  • the radius of curvature of a windshield can be used as a parameter influencing the shape of the freeform surface.
  • the optical element can have a plurality of free-form surfaces, in particular in order to be able to carry out corrections of aberrations that are adapted to the respective application geometry. This enables, for example, in the context of an application in motor vehicles, the use of a uniform wave front manipulator, which can be adapted to the specific geometry of the existing windshield by the specific selection or arrangement of the free-form surfaces used.
  • each of the at least two holographic elements comprises a number, for example a plurality, of flograms.
  • Each flologram is recorded or generated with at least one specified wavelength.
  • a holographic element can, for example, comprise a number of flograms which can be arranged as a stack on top of one another.
  • a holographic element may have a number, preferably a plurality, of monochromatic flograms.
  • a holographic element can comprise at least one flologram which is recorded or generated with at least two defined wavelengths.
  • Such a flogram is preferably recorded with three different wavelengths of a defined color space, for example designed as an RGB flogram or CMY flogram or as a flogram formed from a number of individual wavelengths of another color space.
  • R stands for red, G for green, B for blue, C for cyan, M for magenta and Y for yellow.
  • At least one, preferably two, of the at least two holographic elements can therefore comprise at least two, preferably three, flograms which are designed to be reflective for wavelengths that differ from one another.
  • at least one, preferably two, of the at least two holographic elements can comprise at least one flogram which is reflective for at least two, preferably three, wavelengths that differ from one another is designed.
  • the holograms mentioned have been recorded with correspondingly different wavelengths.
  • the arrangement of the individual holograms of a holographic element or of all the holograms of the holographic arrangement can be used as a degree of freedom in order to avoid filter effects between the holograms.
  • the individual, differing holograms of a holographic element can be arranged next to one another and/or one behind the other in relation to a center line or center axis, which can coincide with the optical axis, or in relation to another specified geometric parameter of the holographic element.
  • the holographic arrangement can comprise a first holographic element and a second holographic element, wherein several of the holograms or all holograms of the respective holographic element are configured identically or the same with the exception of the wavelength for which they are designed.
  • several or all holograms of the first holographic element can be designed identically and differ from one another only in relation to the wavelength for which they are designed.
  • several or all holograms of the second holographic element can be designed identically and differ from one another only in relation to the wavelength for which they are designed.
  • the first holographic element is preferably arranged mirror-symmetrically to the second holographic element with respect to the arrangement of the individual holograms.
  • the first holographic element may comprise a red light, a green light, and a blue light hologram superimposed in the order named.
  • the second holographic element can also have a hologram recorded with red light, a hologram recorded with green light and a hologram recorded with blue light, which are also arranged one on top of the other in this order.
  • the first holographic element and the second holographic element are arranged one on top of the other or adjacent to one another such that, for example, the hologram of the first holographic element recorded with red light is arranged directly adjacent to the hologram of the second holographic element recorded with red light.
  • the arrangement of the holograms of the first holographic element may be identical to the arrangement of the holograms of the second holographic element with respect to a specified direction.
  • both holographic elements can have holograms arranged with respect to a specified direction in the order RGB (R - hologram recorded with red light, G - hologram recorded with green light, B - hologram recorded with blue light) so placed against each other that the hologram R of one holographic element is adjacent to the hologram B of the other holographic element.
  • RGB red light
  • a plurality of the holograms of at least one of the holographic elements is recorded with two construction wave fronts.
  • At least one construction wavefront of at least one hologram of the holographic elements is identical in terms of wavelength and incidence angle to at least one construction wavefront of another hologram of one of the holographic elements, in particular the first and/or the second holographic element.
  • the use of identical construction wavefronts for different wavelengths has the advantage that the required holograms can be produced with little effort and high precision.
  • the shared construction wavefront is preferably defined as a plane wave resulting in minimal filtering effect between leads to different wavelengths and also has the advantage that positioning tolerances of the holograms associated with one color can be chosen more generously compared to one another when using a non-planar wave. In other words, varying distances between the holograms in the direction of the optical axis and/or in the lateral direction, ie perpendicular to the optical axis, are possible without impairing the imaging quality.
  • the holographic arrangement in particular at least one of the holographic elements, can be designed in such a way that a free-form wave front is transformed into another free-form wave front.
  • the holographic arrangement, in particular at least one of the holographic elements can be designed in such a way that it transforms a spherical wave into a plane wave.
  • the holographic arrangement, in particular the holographic element has a high refractive power without increasing the volume and thus the required installation space.
  • the beam cross-section on the mirror is reduced, which means that both the size and the refractive power of the mirror can be reduced. This is also advantageous since the breaking forces can be better distributed in the system and this becomes less sensitive to tolerances.
  • At least one of the holographic elements can be designed in such a way that it transforms a free-form wavefront into a plane wavefront or transforms a spherical wave into a free-form wavefront.
  • At least one hologram can be recorded or exposed with waves that have at least one free-form wavefront. This allows various aberrations to be corrected and performance to be improved. Due to the fact that in such an embodiment light can be transformed with any wave front, as can also be generated by means of free-form surfaces, for example, the number of components having free-form surfaces, such as lenses and/or mirrors, can be reduced. Plane waves and/or spherical waves can also be used to expose the holograms.
  • Manufacturing costs can be reduced by using wavefronts that are designed as simply as possible to expose the holograms.
  • the direction of incidence of the construction wave front for the at least two holographic elements of the holographic arrangement can be used as a degree of freedom in order to avoid filter effects between different wavelengths.
  • the irradiation direction can also be chosen differently for each wavelength.
  • the construction wavefronts for the at least two wavelengths, preferably for the three wavelengths are the same construction wavefronts for each holographic element and differ only in the wavelength used.
  • the spacing and thickness of the flograms are negligible compared to the dimension of the wavefront manipulator or an optical assembly comprising the wavefront manipulator.
  • the holographic arrangement is therefore free from potentially by a
  • the design wavefronts of the holographic elements can also be used as a degree of freedom to compensate for material tolerances, for example to compensate for material shrinkage.
  • the general construction wavefronts differ slightly from each other.
  • the at least two holographic elements are preferably arranged at a distance of less than one millimeter from one another, in particular less than 0.5 millimeters, preferably less than 0.1 millimeters.
  • the distance is preferably zero or negligible.
  • the holographic arrangement can be designed in the form of a layer or a foil or a substrate, for example in the form of a volume hologram, or a plate. Additionally or alternatively, the holographic arrangement may have a planar surface or a curved one have surface. The holographic arrangement can be or will be arranged, for example, on a surface of a cover glass or another optical component that is present in any case. In this way, no additional installation space is required.
  • the wavefront manipulator can comprise a transmissive optical component, which is designed to be arranged in the beam path between the holographic arrangement and the projection surface.
  • the holographic arrangement can preferably be arranged on a surface of the optical component designed to be transmissive, which surface is remote from the projection surfaces.
  • Both the optical component equipped to be transmissive and the holographic arrangement can be curved, preferably with the same curvature.
  • Said transmissively equipped optical component can be, for example, a so-called glare trap (glare trap), which is usually arranged at a position between a windshield and a head-up display and which is designed to reflect sunlight in a specified direction, so that it does not reflect off the head-up display towards the eyebox.
  • the holographic arrangement and the glare trap are preferably configured with the same curvature and are arranged directly adjacent to one another.
  • the wavefront manipulator is preferably designed to generate or project multicolored images.
  • a multicolored image is understood to mean an image which, in at least one area of the image, in particular an area of an image plane, preferably at each pixel, depicts an image which has a number of colors.
  • each point of the image or image point can preferably have any color.
  • An image which has a plurality of colors can therefore be imaged in each area of the image by means of the wavefront manipulator.
  • the image or image plane is, for example, a virtual image or
  • At least one of the holographic elements is advantageously configured efficiently for a plurality of angles of incidence and/or for a plurality of angles of incidence that do not overlap one another.
  • the at least two holographic elements are preferably designed in such a way that a first holographic element comprises at least one hologram which is assigned to a hologram of a second holographic element, in particular assigned for reflection.
  • the at least two holographic elements are designed in such a way that light reflected by a first holographic element has at least one wavelength and at least one angle of incidence is reflected by the second holographic element.
  • Holograms assigned to one another are preferably designed to be efficient in terms of diffraction point by point in relation to one another.
  • the intensity of the 1st order of diffraction is set in relation to the sum of the intensity of the 1st order of diffraction and the intensity of the 0th order of diffraction, or the intensity of the 1st order of diffraction is set in relation to the total incident beam intensity.
  • point-by-point diffraction efficiency means that at least one point of the first holographic element is designed to bend light of at least one specified wavelength and a specified angle of incidence to a point on the second holographic element, which in turn bends the light diffracted by the first holographic element .
  • the first hologram may be designed to diffract waves of one wavelength and angle of incidence to the second hologram with an efficiency greater than 90 percent
  • the second hologram may be designed to diffract the waves diffracted by the first hologram with an efficiency greater than 90 percent percent in the final, desired direction. This favors projecting a multicolor image, particularly an aberration corrected multicolor image.
  • Mutually associated reflection holograms i.e. holograms, which are used to reflect wavelengths or frequencies that are coordinated with one another, i.e. identical wavelengths or frequencies or at least partially overlapping wavelength ranges or frequency ranges, and/or are designed for coordinated irradiation angle ranges or have at least point-wise mutual efficiency, can be arranged directly adjacent to one another within the holographic arrangement.
  • it can also be a first holographic element, which comprises a plurality of first flograms, which are each designed and efficient for different wavelengths or wavelength ranges
  • a second holographic element which comprises a plurality of second flograms, which are each assigned to the first flograms are designed or efficient for the same wavelengths or wavelength ranges as the first flograms.
  • the first holographic element and the second holographic element can preferably be arranged directly adjacent to one another.
  • the flograms are preferably designed to be transmissive for the wavelengths or frequencies of the color space used, for which they are not designed or efficient as reflection holograms.
  • the holographic arrangement is curved, ie it has at least one curved surface. This configuration has the advantage that, on the one hand, the curvature can be used to adapt to special installation space requirements and, on the other hand, the curvature can be used to correct imaging errors.
  • the curved holographic arrangement can function as a glare trap and minimize stray light or be arranged in a space-efficient manner in connection with a glare trap.
  • the wavefront manipulator according to the invention enables the light used to be deflected to a significantly greater or more extreme extent by the holographic elements than is possible with classic refractive optical components.
  • high-quality, multicolored images can be projected.
  • the optical arrangement according to the invention for a head-up display on a projection surface in other words optical arrangement of a head-up display for generating a virtual image on or behind a projection surface, for example a curved one
  • Projection surface includes an imaging unit and a wavefront manipulator previously described.
  • the imaging unit advantageously comprises a plane, that is to say it is spatially extended, with the plane being designed to emit light in a specified emission angle range and with a specified maximum bandwidth with regard to the wavelengths of the emitted light.
  • each light-emitting point of the plane emits light in the form of a scattering lobe or in a fixed angular range. This can be achieved, for example, by using a diffuser.
  • the imaging unit is preferably designed to emit laser light, in particular laser beams.
  • the imaging unit is advantageously designed to emit laser light in at least two, preferably at least three, different waves.
  • the optical arrangement according to the invention preferably has a volume of less than 15 liters, for example less than 10 liters, in other words it takes up an installation space of less than 15 liters, for example less than 10 liters.
  • the optical arrangement according to the invention has the features and advantages already mentioned above in connection with the wavefront manipulator according to the invention. In particular, it offers a head-up display that is very compact, ie takes up only a small amount of space, and at the same time ensures a very high imaging quality.
  • the use of a wavefront manipulator according to the invention a space-efficient arrangement of the imaging unit, in particular an arrangement below the wavefront manipulator, since the holographic arrangement can be operated in transmission.
  • Both the wavefront manipulator according to the invention and the optical arrangement according to the invention are suitable for retrofitting in, for example, motor vehicles, airplanes or VR arrangements, for example VR glasses.
  • the head-up display according to the invention comprises a curved projection surface and an optical arrangement according to the invention as described above.
  • the curved projection surface is, for example, a windshield of a vehicle, for example an automobile, an airplane or a ship.
  • the curved projection surface can also be another viewing window, for example a viewing window of VR glasses.
  • the viewing window can be glasses, in particular data glasses, a transparent screen that can be worn on the head, AR glasses or an AR helmet, a visor or an eyepiece of a microscope.
  • the curved projection surface can be viewed as a free-form surface, for example.
  • the wavefront manipulator according to the invention compensates for imaging errors or aberrations caused thereby.
  • the flat-up display according to the invention makes it possible to generate a virtual image with a large field of view.
  • a rectangular virtual image can be generated, which has a field of view of, for example, at least 10 degrees, preferably at least 15 degrees by 5 degrees (FOV: 15° x 5°), and is observable at a certain distance away from the eyebox, for example at a distance between 6 meters and 12 meters.
  • the eyebox can measure up to 150mm x 150mm.
  • the brightness and the uniformity of the virtual image can be optimized by appropriate construction waves of the holographic elements.
  • the color mixing factor for example the RGB color space
  • the whiteness uniformity can be adjusted.
  • the term "and/or" when used in a series of two or more items means that each of the listed items can be used alone, or any combination of two or more of the listed items can be used.
  • composition A alone; B alone; C alone; A and B in combination; A and C in combination; B and C in combination; or A, B, and C in combination when describing a composition containing components A, B and/or C, composition A alone; B alone; C alone; A and B in combination; A and C in combination; B and C in combination; or A, B, and C in combination.
  • FIG. 1 schematically shows the beam path of a head-up display according to the invention for a windshield of a motor vehicle in a side view.
  • FIG. 2 schematically shows the beam path of the flat-up display shown in FIG. 1, including a virtual image in a perspective view.
  • FIG. 3 schematically shows a holographic arrangement of a first variant of a wavefront manipulator according to the invention.
  • FIG. 4 schematically shows a holographic arrangement of a second variant of a wavefront manipulator according to the invention.
  • FIG. 5 schematically shows the beam path within the holographic arrangement.
  • FIG. 6 schematically shows a further embodiment variant of a head-up display according to the invention.
  • FIG. 7 schematically shows an optical arrangement according to the invention with a wavefront manipulator according to the invention in the form of a block diagram.
  • Figures 1 and 2 show schematically the beam path of a Flead-up display 10 according to the invention
  • Projection surface 4 for example the windshield
  • the imaging unit 1 and the wavefront manipulator 7 are preferably integrated into a fitting (not shown).
  • the flat-up display 10 is designed in such a way that it generates a virtual image 6 on the projection surface 4, in particular on the surface of the windshield or in the outside area of the vehicle, for example behind the surface of the windshield in the direction of travel.
  • the wave front manipulator 7 comprises a holographic arrangement 3 and a reflective optical element 2 which has a free-form surface and in the beam path 8 starting from the imaging unit 1 between the imaging unit
  • Light waves are emitted in the direction of the wavefront manipulator 7 by the imaging unit 1 .
  • the wavefront manipulator 7 is used to correct aberrations and, if necessary, to widen the beam path.
  • the wavefront manipulator 7 guides light waves in the direction of the projection surface 4, in particular the curved projection surface.
  • the light waves are reflected in the direction of an eye box 5 on the projection surface 4 .
  • the eyebox 5 forms the area in which a user must or can be located in order to be able to perceive the virtual image 6 generated by the head-up display 10 .
  • FIG. 3 schematically shows a holographic arrangement 3 of a wave front manipulator 7 according to the invention.
  • the wave front manipulator 7 has the holographic arrangement 3 .
  • the holographic arrangement 3 comprises a first holographic element 11 and a second holographic element 12.
  • the first holographic element 11 and the second holographic element 12 each have three monochromatic holograms arranged one on top of the other, of which a hologram recorded with red light is an example are denoted by reference numeral 13, a hologram recorded with green light by reference numeral 14, and a hologram recorded with blue light by reference numeral 15.
  • the first holographic element 11 and the second holographic element 12 are arranged next to one another in such a way that the individual holograms are arranged mirror-symmetrically to one another.
  • the holograms 13 recorded with red light are direct arranged adjacent to each other.
  • the first holographic element 11 and the second holographic element 12 can be in close contact with each other or can be arranged at a negligible distance from each other, preferably at a distance of less than 1 millimeter.
  • the incident light waves in the form of rays are identified by arrows with the reference number 19 and the beam path of the light leaving the wave front manipulator 7 is identified by arrows with the reference number 20.
  • the individual, mutually different holograms 13, 14 and 15 of the individual holographic elements 11 and 12 are along in relation to a center line or center axis 22, which can be an optical axis these arranged one behind the other.
  • Individual holograms 13, 14 and 15, which differ from one another, of the individual holographic elements 11 and 12 can also be arranged laterally to one another in relation to a center line or center axis 22.
  • Figure 4 shows a further embodiment variant of a wavefront manipulator 7 according to the invention.
  • the first holographic element 11 and the second holographic element 12 each comprise only one hologram, which, however, is recorded with light of a number of different wavelengths .
  • the variant shown is an example of two RGB holograms.
  • the holograms include, for example, hologram grating structures generated with red light, hologram grating structures recorded with green light, and hologram grating structures recorded with blue light.
  • FIG. 5 schematically shows the beam path within the holographic arrangement 3.
  • the first holographic element 11 and the second holographic element 12 are arranged at a distance from one another. However, this only serves to illustrate the beam path.
  • the incident light 19 is wavelength-specific for specific angles of incidence on the individual Holograms 13-15 or the hologram grating structures 13-15 are reflected, i.e. blue light with a specific angle of incidence on the holograms 15 recorded with blue light, green light of a specific angle of incidence range on the holograms 14 recorded with green light and red light correspondingly on those with red light recorded holograms 13.
  • incident light 19 first transmits the second holographic element 12 and is reflected on the first holographic element 11.
  • the light 21 reflected by the first holographic element 11 is reflected by the second holographic element 12 and forms the wavefront 20 leaving the wavefront manipulator 7.
  • the wavefront manipulator 7 comprises, in addition to the holographic arrangement 3, an optical element 2 already described in connection with FIGS. 1 and 2, which comprises a free-form surface and is preferably designed to be reflective.
  • FIG. 6 schematically shows a further embodiment variant of a head-up display according to the invention, in particular for a motor vehicle application.
  • the head-up display 10 shown in FIG. 6 has a curved transmissive optical component 9, preferably a so-called glare trap.
  • the holographic arrangement 10 has a curvature corresponding to the geometry of the glare trap and is arranged directly on it. This has the advantage that a high imaging quality is achieved with only a very small installation space.
  • FIG. 7 schematically shows an optical arrangement 23 according to the invention with a wavefront manipulator 7 according to the invention in the form of a block diagram.
  • the optical arrangement 23 comprises an imaging unit 1 and a wavefront manipulator 7 according to the invention, which are arranged one behind the other in a beam path 8 .
  • the Wave front manipulator 7 comprises a holographic arrangement 3 already described and optionally an optical element 2 already described in connection with FIGS. 1 and 2, which has a free-form surface and is preferably configured as a free-form mirror.
  • the optical element 2 is arranged in a beam path between the imaging unit 1 and the holographic arrangement 3 .
  • a transmissive optical component 9 already described in connection with FIG. 6, in particular a glare trap can be present, which is arranged in a beam path between the holographic arrangement 3 and a projection surface.
  • the optional components 2 and 9 are drawn in broken lines in FIG.

Abstract

Es wird ein Wellenfrontmanipulator (7) zur Anordnung im Strahlengang (8, 19, 20) eines Head-up-Displays (10) zwischen einer bildgebenden Einheit (1) und einer Projektionsoberfläche (4) beschrieben. Der Wellenfrontmanipulator (7) umfasst eine holographische Anordnung (3), welche mindestens zwei holographische Elemente (11, 12) umfasst, wobei die mindestens zwei holographischen Elemente (11, 12) im Strahlengang (8, 19, 20) unmittelbar hintereinander angeordnet sind und für mindestens eine festgelegte Wellenlänge und einen festgelegten Einstrahlwinkelbereich reflektiv ausgestaltet sind.

Description

Wellenfrontmanipulator für Head-up-Display mit holographischem Element, optische Anordnung und Head-up-Display Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wellenfrontmanipulator zur Anordnung im Strahlengang eines Head-up-Displays (HUD) zwischen einem Projektionsobjektiv und einer Projektionsoberfläche, insbesondere 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. 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 eine bildgebende Einheit (PGU - picture generating unit) oder einen Projektor, eine Projektionsoberfläche, eine Eyebox und eine virtuelle Bildebene. Mittels der bildgebenden Einheit oder 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 und durch kompakte Anordnungen auf geringem Bauraum mit unter Umständen starken Verkippungen einzelner Komponenten zueinander und entsprechend komplex gefalteten Strahlengängen kommt es zu Abbildungsfehlern oder Aberrationen. Eine Windschutzscheibe kann im Allgemeinen als optische Freiformfläche beschrieben werden. 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, die genannten bauraumbedingt unter Umständen auftretenden Abbildungsfehler sowie gegebenenfalls durch die bildgebende Einheit hervorgerufene Abbildungsfehler im optischen Strahlengang zu korrigieren. Die Abbildungsfehler oder Aberrationen, die dabei auftreten können, sind zum Beispiel Verzeichnung, Defokus, Kippung, Astigmatismus, Wölbung der Bildebene, sphärische Aberrationen, höherer Astigmatismus und Koma. Im Zusammenhang mit Head-up-Displays, insbesondere für
Fahrzeuganwendungen, sind zudem ein möglichst großes Sichtfeld, eine möglichst große Eyebox sowie eine gleichmäßige, helle und mehrfarbige Abbildung erwünscht.
In den Dokumenten DE 102007022247 A1 , DE 102015 101 687 A1 , DE 102017212451 A1 und DE 102017222621 A1 werden Head-up-
Displays für Fahrzeuge beschrieben, wobei in DE 102007022247 A1 und DE 102017212451 A1 holographische optische Elemente zur Anwendung kommen. 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 zuvor genannte 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 12 und durch ein Head-up-Display gemäß Patentanspruch 16 gelöst. Die abhängigen Ansprüche enthalten weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Der erfindungsgemäße Wellenfrontmanipulator zur Anordnung im Strahlengang eines Head-up-Displays zwischen einer bildgebenden Einheit (PGU - Picture-Generating-Unit) beziehungsweise einem Projektionsobjektiv und einer Projektionsoberfläche, beispielsweise einer gekrümmten
Projektionsoberfläche, umfasst eine holographische Anordnung. Die holographische Anordnung umfasst mindestens zwei holographische Elemente. Die mindestens zwei holographischen Elemente sind im Strahlengang unmittelbar hintereinander angeordnet. Es ist mit anderen Worten kein weiteres optisches Element oder Bauteil zwischen den mindestens zwei holographischen Elementen angeordnet. Die mindestens zwei holographischen Elemente sind darüber hinaus für mindestens eine festgelegte Wellenlänge und einen festgelegten Einstrahlwinkelbereich reflektiv ausgestaltet. Lichtwellen der mindestens einen festgelegten Wellenlänge und des festgelegten Einstrahlwinkelbereichs werden also effizient gebeugt. Vorzugsweise sind die holographischen Elemente im Übrigen transmissiv ausgestaltet, mit anderen Worten transmissiv für
Wellenlängen, welche nicht der mindestens einen festgelegten Wellenlänge entsprechen und einen Einstrahlwinkel außerhalb des festgelegten Einstrahlwinkelbereichs aufweisen.
Vorzugsweise umfasst ein erstes holographisches Element mindestens ein Hologramm, welches einem Hologramm eines zweiten holographischen Elements zur Reflexion zugeordnet ist. Die mindestens zwei holographischen Elemente sind mit anderen Worten so ausgebildet, dass von einem ersten holographischen Element reflektiertes Licht mindestens einer Wellenlänge und mindestens eines Einstrahlwinkels von dem zweiten holographischen Element reflektiert wird. Die Verwendung von Reflexionshologrammen hat den Vorteil, dass die intrinsischen Eigenschaften von Reflexionshologrammen nutzbar gemacht werden können. Diese weisen von Transmissionshologrammen grundsätzlich abweichende Effizienzkurven auf, wobei die Effizienzkurven von Reflexionshologrammen eine Wellenlängenselektivität bieten, wodurch unter anderem der Entstehung von Doppelbildern vorgebeugt werden kann. Durch die im Übrigen transmissive Ausgestaltung und die Verwendung von Reflexionshologrammen werden Filtereffekte zwischen den Hologrammen reduziert oder vermieden. Bevorzugt sind die mindestens zwei holographischen Elemente im Strahlengang so unmittelbar hintereinander angeordnet, dass in den Wellenfrontmanipulator eintretendes Licht von einem ersten der holographischen Elemente reflektiert wird und das von dem ersten der holographischen Elemente reflektierte Licht von einem zweiten der holographischen Elemente reflektiert wird.
Die mindestens eine holographische Anordnung ist bevorzugt für die Beugung von Licht einer Mehrzahl an Wellenlängen ausgelegt. Hierzu können mehrere Hologramme, die jeweils Licht einer Wellenlänge beugen, und/oder Multiplex- Hologramme, die Licht mehrerer Wellenlängen beugen, als Hologramm- Stacks angeordnet sein.
Die Verwendung von zwei unmittelbar hintereinander angeordneten zumindest teilweise reflektiv ausgestalteten holographischen Elementen hat den Vorteil, dass insbesondere im Zusammenhang mit einem Head-up- Display die Abbildungsqualität durch die individuelle Ausgestaltung der holographischen Elemente erheblich verbessert werden kann. Dazu wird durch die holographischen Elemente nahezu kein Bauraum beansprucht, sodass mittels des erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulators bei nur geringem verfügbarem Bauraum, wie beispielsweise bei einem für ein Kraftfahrzeug ausgelegten Head-up-Display, eine deutliche Erhöhung der Abbildungsqualität erzielt werden kann. Durch die holographische Anordnung wird insbesondere eine hohe Brechkraft erreicht, vergleichbar mit der Brechkraft wie sie beispielsweise durch eine transmissiv ausgestaltete optische Komponente ohne chromatische Aberration erreicht wird. Verglichen mit Transmissionshologrammen bieten reflektive Hologramme für eine definierte Wellenlänge ein breiteres Winkelspektrum mit einer hohen Effizienz und einer höheren Wellenlängenselektivität. Dadurch können die Farbkanäle trotz eines breiten Einfallswinkelspektrums voneinander getrennt werden. Die holographische Anordnung ermöglicht also ein großes Sichtfeld (Field of View- FOV) bei gleichzeitig hoher Effizienz und eignet sich damit sowohl für VR- Head-up-Displays (VR - Virtuelle Realität) bzw. Augmented Reality - Head- up-Displays (AR-HUD) mit einem großen Sichtfeld und großer nummerischer Apertur. Weitere Anwendungsmöglichkeiten stellen Head-up-Displays mit gekrümmten Projektionsoberflächen dar, beispielsweise Head-up-Displays für Windschutzscheiben von Fahrzeugen, insbesondere Kraftfahrzeugen, Flugzeugen oder Schiffen, sowie allgemein für Sichtfenster.
Ein weiterer Vorteil, welcher durch die holographische Anordnung erreicht wird, besteht darin, dass aufgrund des hohen Beugungswinkels der holographischen Anordnung der Anteil des Lichts aus ungenutzten Beugungsordnungen, welches in die Eyebox reflektiert wird, reduziert wird. Darüber hinaus können qualitativ hochwertige mehrfarbige Abbildungen erzeugt werden.
In einer bevorzugten Variante umfasst der erfindungsmäße Wellenfrontmanipulator mindestens ein optisches Element, welches eine Freiformfläche aufweist, also eine optisch wirksame Freiformfläche, und zur Anordnung im Strahlengang zwischen der bildgebenden Einheit und der holographischen Anordnung ausgelegt ist. Das die Freiformfläche umfassende optische Element trägt durch eine entsprechende Ausgestaltung der Freiformfläche zu einer Verbesserung der Auflösung bei und erlaubt eine gezielte Korrektur von Abbildungsfehlern. Darüber hinaus beansprucht das optische Element aufgrund der Freiformfläche nur sehr wenig Bauraum. Es trägt also auch erheblich zu einer Verbesserung der Abbildungsqualität eines kompakt ausgestalteten Head-up-Displays bei.
Unter einer Freiformfläche ist im weiteren Sinn eine komplexe Fläche zu verstehen, die sich insbesondere mittels gebietsweise definierter Funktionen, insbesondere zweimal stetig differenzierbarer gebietsweise definierter Funktionen darstellen lässt. Beispiele für geeignete gebietsweise definierte Funktionen sind (insbesondere stückweise) polynomiale Funktionen (insbesondere polynomiale Splines, wiez.B. bikubische Splines, höhergradige Splines vierten Grades oder höher, oder polynomiale non-uniform rational B- Splines (NURBS)). Fliervon zu unterscheiden sind einfache Flächen, wie z. B. sphärische Flächen, asphärische Flächen, zylindrische Flächen, torische Flächen, die zumindest längs eines Hauptmeridians als Kreis beschrieben sind. Eine Freiformfläche braucht insbesondere keine Achsensymmetrie und keine Punktsymmetrie aufzuweisen und kann in unterschiedlichen Bereichen der Fläche unterschiedliche Werte für den mittleren Flächenbrechwert aufweisen.
Das optische Element, welches die Freiformfläche aufweist, kann reflektiv und/oder transmissiv ausgestaltet sein. Im Zusammenhang mit einer
Anwendung für kompakt ausgestaltete Head-up-Displays ist eine reflektive Ausgestaltung besonders vorteilhaft, da das optische Element auf diese Weise gleichzeitig zu einer ohnehin erforderlichen Strahlumlenkung auch unter hohen Einfallswinkeln beitragen kann ohne dabei zusätzliche Bildfehler wie insbesondere chromatische Aberrationen zu induzieren. Vorzugsweise ist die Freiformfläche dazu ausgebildet, mindestens eine Aberration bzw. einen Abbildungsfehler zumindest teilweise zu korrigieren. Dabei kann es sich um mindestens einen der eingangs genannten Abbildungsfehler handeln. Der bzw. die Abbildungsfehler kann/können durch die Projektionsoberfläche verursacht sein, insbesondere im Falle einer gekrümmten
Projektionsoberfläche, und/oder durch die bildgebende Einheit und/oder durch die Geometrie des Strahlenganges, beispielsweise im Rahmen eines Head- up-Displays, verursacht sein. Mittels der Freiformfläche kann darüber hinaus die Auflösung und damit die Abbildungsqualität optimiert werden.
Vorzugsweise weist die Freiformfläche eine Oberflächengeometrie auf, welche aus einer von mindestens einem festgelegten Parameter abhängigen Abbildungsfunktion abgeleitet ist. Der mindestens eine festgelegte Parameter kann sich aus einer vorgesehenen Anwendung des Wellenfrontmanipulators ergeben. Zum Beispiel kann der Krümmungsradius einer Windschutzscheibe als die Form der Freiformfläche beeinflussender Parameter verwendet werden. Das optische Element kann mehrere Freiformflächen aufweisen, insbesondere um an die jeweilige Anwendungsgeometrie angepasste Korrekturen von Aberrationen vornehmen zu können. Dies ermöglicht zum Beispiel im Rahmen einer Anwendung in Kraftfahrzeugen die Verwendung eines einheitlichen Wellenfrontmanipulators, welcher durch die konkrete Auswahl oder Anordnung der verwendeten Freiformflächen an die konkrete Geometrie der vorhandenen Windschutzscheibe angepasst werden kann.
Vorzugsweise umfasst jedes der mindestens zwei holographischen Elemente eine Anzahl, zum Beispiel eine Mehrzahl, an Flologrammen. Dabei ist jedes Flologramm mit mindestens einer festgelegten Wellenlänge aufgenommen bzw. generiert. Ein holographisches Element kann zum Beispiel mehrere Flologramme umfassen, welche als Stapel aufeinander angeordnet sein können. Beispielsweise kann ein holographisches Element eine Anzahl, vorzugsweise eine Mehrzahl, monochromatischer Flologramme ausweisen. Alternativ dazu kann ein holographisches Element mindestens ein Flologramm umfassen, welches mit mindestens zwei festgelegten Wellenlängen aufgenommen bzw. generiert ist. Vorzugsweise ist ein solches Flologramm mit drei unterschiedlichen Wellenlängen eines festgelegten Farbraums aufgenommen, beispielsweise als RGB-Flologramm oder CMY-Flologramm oder als aus einer Anzahl an einzelnen Wellenlängen eines anderen Farbraums gebildetes Flologramm ausgestaltet. In den genannten Beispielen steht R für Rot, G für Grün, B für Blau, C für Cyan, M für Magenta und Y für Yellow bzw. Gelb.
Es kann also mindestens eins, vorzugsweise zwei, der mindestens zwei holographischen Elemente mindestens zwei, vorzugsweise drei, Flologramme umfassen, welche für voneinander abweichende Wellenlängen reflektiv ausgestaltet sind. Zusätzlich oder alternativ dazu kann mindestens ein, vorzugsweise zwei, der mindestens zwei holographischen Elemente mindestens ein Flologramm umfassen, welches für mindestens zwei, vorzugsweise drei, voneinander abweichende Wellenlängen reflektiv ausgestaltet ist. Mit anderen Worten sind die genannten Hologramme mit entsprechend voneinander abweichenden Wellenlängen aufgenommen worden. Die Anordnung der einzelnen Hologramme eines holographischen Elements oder der Gesamtheit der Hologramme der holographischen Anordnung kann als Freiheitsgrad verwendet werden um Filtereffekte zwischen den Hologrammen zu vermeiden. Die einzelnen, sich voneinander unterscheidenden Hologramme eines holographischen Elements können in Bezug auf eine Mittellinie bzw. Mittelachse, welche mit der optischen Achse zusammenfallen kann, oder in Bezug auf einen anderen festgelegten geometrischen Parameter des holographischen Elements nebeneinander und/oder hintereinander angeordnet sein. Die holographische Anordnung kann ein erstes holographisches Element und ein zweites holographisches Element umfassen, wobei mehrere der Hologramme oder alle Hologramme des jeweiligen holographischen Elements mit Ausnahme der Wellenlänge, für die sie ausgelegt sind, identisch oder gleich ausgestaltet sind. Mit anderen Worten können mehrere oder alle Hologramme des ersten holographischen Elements identisch ausgestaltet sein und sich nur in Bezug auf die Wellenlänge, für die sie ausgelegt sind, voneinander unterscheiden. Analog können mehrere oder alle Hologramme des zweiten holographischen Elements identisch ausgestaltet sein und sich nur in Bezug auf die Wellenlänge, für die sie ausgelegt sind, voneinander unterscheiden.
Vorzugsweise ist das erste holographische Element in Bezug auf die Anordnung der einzelnen Hologramme spiegelsymmetrisch zu dem zweiten holographischen Element angeordnet. Zum Beispiel kann das erste holographische Element ein mit rotem Licht, ein mit grünem Licht und ein mit blauem Licht aufgenommenes Hologramm umfassen, welche in der genannten Reihenfolge aufeinander angeordnet sind. Das zweite holographische Element kann ebenfalls ein mit rotem Licht, ein mit grünem Licht und ein mit blauem Licht aufgenommenes Hologramm aufweisen, welche ebenfalls in dieser Reihenfolge aufeinander angeordnet sind. Das erste holographische Element und das zweite holographische Element sind im Falle einer spiegelsymmetrischen Anordnung so aufeinander oder zueinander benachbart angeordnet, dass beispielsweise das mit rotem Licht aufgenommene Hologramm des ersten holographischen Elements zu dem mit rotem Licht aufgenommenen Hologramm des zweiten holographischen Elements unmittelbar benachbart angeordnet ist. Alternativ dazu kann die Anordnung der Hologramme des ersten holographischen Elements mit der Anordnung der Hologramme des zweiten holographischen Elements in Bezug auf eine festgelegte Richtung identisch sein. Zum Beispiel können beide holographischen Elemente in Bezug auf eine festgelegte Richtung in der Reihenfolge RGB (R - mit rotem Licht aufgenommenes Hologramm, G - mit grünem Licht aufgenommenes Hologramm, B - mit blauem Licht aufgenommenes Hologramm) angeordnete Hologramme aufweisen, die so aneinander angeordnet sind, dass das Hologramm R des einen holographischen Elements an dem Hologramm B des anderen holographischen Elements angrenzt. Beliebige andere, voneinander abweichende Anordnungen sind ebenfalls möglich, zum Beispiel RGB an GBR angrenzend oder anliegend u.s.w..
In einer weiteren vorteilhaften Variante ist eine Mehrzahl der Hologramme mindestens eines der holographischen Elemente mit zwei Konstruktionswellenfronten aufgenommen. Davon ist mindestens eine Konstruktionswellenfront mindestens eines Hologramms der holographischen Elemente bezüglich der Wellenlänge und des Einstrahlwinkels identisch mit mindestens einer Konstruktionswellenfront eines anderen Hologramms eines der holographischen Elemente, insbesondere des ersten und/oder des zweiten holographischen Elements. Die Verwendung identischer Konstruktionswellenfronten für verschiedene Wellenlängen hat den Vorteil, dass die erforderlichen Hologramme mit geringem Aufwand und hoher Präzision hergestellt werden können.
Die gemeinsam verwendete Konstruktionswellenfront ist bevorzugt definiert als ebene Welle, welche zu einem minimalen Filtereffekt zwischen verschiedenen Wellenlängen führt und zudem den Vorteil hat, dass Positioniertoleranzen der einer Farbe zugeordneten Hologramme zueinander verglichen mit der Verwendung einer nicht-ebenen Welle großzügiger gewählt werden können. Es sind mit anderen Worten variierende Abstände der Hologramme zueinander in Richtung der optischen Achse und/oder in lateraler Richtung, also senkrecht zur optischen Achse, ohne eine Beeinträchtigung der Abbildungsqualität möglich.
Die holographische Anordnung, insbesondere mindestens eins der holographischen Elemente, kann so ausgestaltet sein, dass eine Freiform- Wellenfront in eine andere Freiformwellenfront transformiert wird. Die holographische Anordnung, insbesondere mindestens eins der holographischen Elemente, kann so ausgestaltet sein, dass es eine Kugelwelle in eine ebene Welle transformiert. Dadurch hat die holographische Anordnung, insbesondere das holographische Element, eine große Brechkraft, ohne das Volumen und damit den erforderlichen Bauraum zu vergrößern. Weiterhin verringert sich der Strahlquerschnitt auf dem Spiegel, wodurch sowohl die Größe als auch die Brechkraft des Spiegels reduziert werden kann. Dieses ist zudem vorteilhaft, da die Brechkräfte im System besser verteilt werden können und dieses toleranzunempfindlicher wird. Weiterhin kann mindestens eins der holographischen Elemente so ausgestaltet sein, dass es eine Freiform-Wellenfront in eine ebene Wellenfront transformiert oder eine Kugelwelle in eine Freiform-Wellenfront transformiert. Mindestens ein Hologramm kann mit Wellen, die mindestens eine Freiform- Wellenfront aufweisen, aufgenommen bzw. belichtet sein. Hierdurch können verschiedene Aberrationen korrigiert und die Performance verbessert werden. Dadurch, dass bei einer solchen Ausgestaltung Licht mit einer beliebigen Wellenfront, wie sie zum Beispiel auch mittels Freiformflächen erzeugt werden kann, transformiert werden kann, kann die Anzahl der Freiformflächen aufweisenden Komponenten, wie Linsen und/oder Spiegel, reduziert werden. Zur Belichtung der Hologramme können auch ebene Wellen und/oder Kugelwellen verwendet werden. Durch die Verwendung möglichst einfach ausgestalteter Wellenfronten zur Belichtung der Hologramme können die Herstellungskosten reduziert werden. Die Einstrahlrichtung der Konstruktionswellenfront für die mindestens zwei holographischen Elemente der holographischen Anordnung kann als Freiheitsgrad verwendet werden um Filtereffekte zwischen verschiedenen Wellenlängen zu vermeiden. Die Einstrahlrichtung kann für jede Wellenlänge auch unterschiedlich gewählt werden. Vorzugsweise sind die Konstruktionswellenfronten für die mindestens zwei Wellenlängen, vorzugsweise dafür die drei Wellenlängen, die gleichen Konstruktionswellenfronten für jedes holographische Element und unterscheiden sich lediglich in der verwendeten Wellenlänge.
Der Abstand und die Dicke der Flologramme sind vernachlässigbar verglichen mit der Dimension bzw. der Ausdehnung des Wellenfrontmanipulators oder einer den Wellenfrontmanipulator umfassenden optischen Anordnung. Die holographische Anordnung ist daher frei von potenziell durch eine
Ausdehnung in Richtung einer optischen Achse verursachte Aberrationen. Die Konstruktionswellenfronten der holographischen Elemente können darüber hinaus als Freiheitsgrad zur Kompensation von Materialtoleranzen verwendet werden, zum Beispiel zur Kompensation von Materialschrumpfungen. In diesem Fall weichen die allgemeinen Konstruktionswellenfronten leicht voneinander ab.
Vorzugsweise sind die mindestens zwei holographischen Elemente in einem Abstand von weniger als einem Millimeter, insbesondere von weniger als 0,5 Millimetern, vorzugsweise von weniger als 0,1 Millimetern, zueinander angeordnet. Der Abstand ist bevorzugt Null oder vernachlässigbar. Dadurch wird einerseits eine hohe Abbildungsqualität erreicht, zudem müssen die einzelnen holographischen Elemente in Bezug auf ihre Position zueinander nicht nachträglich justiert werden.
Die holographische Anordnung kann in Form einer Schicht oder einer Folie oder eines Substrats, zum Beispiel in Form eines Volumenhologramms, oder einer Platte ausgestaltet sein. Zusätzlich oder alternativ dazu kann die holographische Anordnung eine ebene Oberfläche oder eine gekrümmte Oberfläche aufweisen. Die holographische Anordnung kann zum Beispiel an oder auf einer Oberfläche eines Deckglases oder eines anderen ohnehin vorhandenen optischen Bauteils angeordnet sein oder werden. Es wird auf diese Weise kein zusätzlicher Bauraum beansprucht. Zum Beispiel kann der Wellenfrontmanipulator ein transmissiv ausgestaltetes optisches Bauteil umfassen, welches dazu ausgelegt ist, im Strahlengang zwischen der holographischen Anordnung und der Projektionsoberfläche angeordnet zu werden. In diesem Fall kann die holographische Anordnung vorzugsweise an einer der Projektionsoberflächen abgewandte Oberfläche des transmissiv ausgestalteten optischen Bauteils angeordnet sein. Sowohl das transmissiv ausgestattete optische Bauteil als auch die holographische Anordnung können gekrümmt, vorzugsweise mit der gleichen Krümmung, ausgestaltet sein. Das genannte transmissiv ausgestattete optische Bauteil kann zum Beispiel ein sogenanntes Glare-Trap (Blendfalle) sein, welches üblicherweise an einer Position zwischen einer Windschutzscheibe und einem Head-up-Display angeordnet wird und welches dazu ausgelegt ist, Sonnenlicht in eine festgelegte Richtung zu reflektieren, sodass es nicht über das Head-up- Display in Richtung der Eyebox reflektiert wird. In dieser Ausgestaltungsvariante sind die holographische Anordnung und das Glare- Trap vorzugsweise mit der gleichen Krümmung ausgestaltet und direkt aneinander anliegend angeordnet.
Vorzugsweise ist der Wellenfrontmanipulator dazu ausgelegt, mehrfarbige Abbildungen zu erzeugen oder zu projizieren. Unter einer mehrfarbigen Abbildung wird eine Abbildung verstanden, welche in mindestens einem Bereich der Abbildung, insbesondere einem Bereich einer Abbildungsebene, vorzugsweise an jedem Bildpunkt, ein Bild abbildet, welches mehrere Farben aufweist. Vorzugsweise kann bei einer mehrfarbigen Abbildung jeder Punkt der Abbildung oder Bildpunkt eine beliebige Farbe aufweisen. Es ist also mittels des Wellenfrontmanipulators in jedem Bereich der Abbildung ein Bild, welches mehrere Farben aufweist, abbildbar. Die Abbildung oder Abbildungsebene ist zum Beispiel eine virtuelle Abbildung oder
Abbildungsebene. Vorteilhafterweise ist mindestens eines der holographischen Elemente, vorzugsweise zwei der holographischen Elemente, für eine Mehrzahl an Einstrahlwinkeln und/oder für eine Mehrzahl an einander nicht überlappenden Einstrahlwinkelbereichen effizient ausgestaltet. Die mindestens zwei holographischen Elemente sind vorzugsweise so ausgestaltet, dass ein erstes holographisches Element mindestens ein Hologramm umfasst, welches einem Hologramm eines zweiten holographischen Elements zugeordnet ist, insbesondere zur Reflexion zugeordnet ist. Die mindestens zwei holographischen Elemente sind mit anderen Worten so ausgebildet, dass von einem ersten holographischen Element reflektiertes Licht mindestens einer Wellenlänge und mindestens eines Einstrahlwinkels von dem zweiten holographischen Element reflektiert wird. Bevorzugt sind einander zugeordnete Hologramme in Bezug aufeinander punktweise beugungseffizient ausgestaltet. Zur Bestimmung der Beugungseffizienz wird entweder die Intensität der 1. Beugungsordnung ins Verhältnis zur Summe aus der Intensität der 1. Beugungsordnung und der Intensität der 0. Beugungsordnung gesetzt oder die Intensität der 1. Beugungsordnung ins Verhältnis zur gesamten Einstrahlintensität gesetzt. Punktweise beugungseffizient bedeutet also mit anderen Worten, dass mindestens ein Punkt des ersten holographischen Elements dazu ausgelegt ist, Licht mindestens einer festgelegten Wellenlänge und eines festgelegten Einstrahlwinkelbereichs zu einem Punkt des zweiten holographischen Elements zu beugen, welcher das von dem ersten holographischen Element gebeugte Licht seinerseits beugt. Zum Beispiel kann das erste Hologramm dazu ausgelegt sein, Wellen einer Wellenlänge und eines Einstrahlwinkels mit einer Effizienz von über 90 Prozent zu dem zweiten Hologramm zu beugen und das zweite Hologramm dazu ausgelegt sein, die von dem ersten Hologramm gebeugten Wellen mit einer Effizienz von über 90 Prozent in die endgültige, gewünschte Richtung zu beugen. Dies begünstigt das Projizieren einer mehrfarbigen Abbildung, insbesondere einer abbildungsfehlerkorrigierten mehrfarbigen Abbildung.
Einander zugeordnete Reflexionshologramme, also Hologramme, welche zur Reflexion von aufeinander abgestimmten Wellenlängen bzw. Frequenzen, also identische Wellenlängen oder Frequenzen oder einander zumindest teilweise überlappende Wellenlängenbereiche oder Frequenzbereiche, und/oder für aufeinander abgestimmte Einstrahlwinkelbereiche ausgelegt sind oder zumindest eine punktweise gegenseitige Effizienz aufweisen, können innerhalb der holographischen Anordnung unmittelbar aneinander anliegend angeordnet sein. Es kann aber auch ein erstes holografisches Element, welches eine Mehrzahl an ersten Flologrammen umfasst, welche jeweils für unterschiedliche Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche ausgelegt sind und effizient sind, und ein zweites holografisches Element, welches eine Mehrzahl an zweiten Flologrammen umfasst, welche jeweils den ersten Flologrammen zugeordnet sind, also für dieselben Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche wie die ersten Flologramme ausgelegt oder effizient sind, umfassen. Dabei können das erste holographische Element und das zweite holographische Element vorzugsweise unmittelbar aneinander anliegend angeordnet sein. Um Filterungseffekte zu vermeiden, sind die Flologramme vorzugsweise für die Wellenlängen bzw. Frequenzen des verwendeten Farbraums, für welche sie nicht als Reflexionshologramme ausgelegt bzw. effizient sind, transmissiv ausgelegt. In einer weiteren Variante ist die holographische Anordnung gekrümmt ausgestaltet ist, d.h. sie weist mindestens eine gekrümmte Oberfläche auf. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass einerseits mittels der Krümmung eine Anpassung an spezielle Bauraumerfordernisse erfolgen kann und andererseits mittels der Krümmung eine Korrektur von Abbildungsfehlern vorgenommen werden kann. Zudem kann die gekrümmt ausgestaltete holographische Anordnung als Glare-Trap fungieren und Störlicht minimieren oder im Zusammenhang mit einem Glare-Trap bauraumeffizient angeordnet werden. Insgesamt ermöglicht der erfindungsgemäße Wellenfrontmanipulator durch die holographischen Elemente eine deutlich stärkere oder extremere Umlenkung des verwendeten Lichts als es mit klassischen refraktiven optischen Komponenten möglich ist. Zudem sind qualitativ hochwertige mehrfarbige Abbildungen projizierbar. Die erfindungsgemäße optische Anordnung für ein Head-up-Display an einer Projektionsoberfläche, mit anderen Worten optische Anordnung eines Head- up-Displays zum Erzeugen einer virtuellen Abbildung an oder hinter einer Projektionsoberfläche, beispielweise einer gekrümmten
Projektionsoberfläche, umfasst eine bildgebende Einheit und einen zuvor beschriebenen Wellenfrontmanipulator. Die bildgebende Einheit umfasst vorteilhafterweise eine Ebene, ist also räumlich ausgedehnt, wobei die Ebene dazu ausgelegt ist Licht in einem festgelegten Abstrahlwinkelbereich und mit einer festgelegten maximalen Bandbreite bezüglich der Wellenlängen des ausgesandten Lichts auszusenden. Vorzugsweise strahlt jeder lichtaussendende Punkt der Ebene Licht in Form einer Streukeule oder in einem festgelegten Winkelbereich ab. Dies kann zum Beispiel durch die Verwendung eines Diffusors erreicht werden. Vorzugsweise ist die bildgebende Einheit dazu ausgelegt, Laserlicht, insbesondere Laserstrahlen, auszusenden. Vorteilhafterweise ist die bildgebende Einheit dazu ausgelegt, Laserlicht in mindestens zwei, vorzugsweise mindestens drei, unterschiedlichen Wellen auszusenden. Dabei handelt es sich vorzugsweise um drei unterschiedliche Wellenlängen eines festgelegten Farbraums, zum Beispiel Rot, Grün und Blau oder Cyan, Magenta und Gelb. Da die holographischen Elemente verglichen mit anderen optischen Bauteilen, wie beispielsweise Spiegeln und Linsen, sensitiver in Bezug auf die Bandbreite jeder Wellenlänge sind, ist es von Vorteil, wenn die bildgebende Einheit als Laserscanner mit einer scharfen Bandbreite für jede Farbe ausgestaltet ist.
Die erfindungsgemäße optische Anordnung weist vorzugsweise ein Volumen von weniger als 15 Litern, z.B. weniger als 10 Litern auf, nimmt also mit anderen Worten einen Bauraum von weniger als 15 Litern, z.B. weniger als 10 Litern ein. Die erfindungsgemäße optische Anordnung hat die oben bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator genannten Merkmale und Vorteile. Sie bietet insbesondere ein Head-up- Display, welches sehr kompakt ausgestattet ist, also einen nur geringen Bauraum einnimmt, und gleichzeitig eine sehr hohe Abbildungsqualität gewährleistet. Darüber hinaus ermöglicht die Verwendung eines erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulators eine bauraumeffiziente Anordnung der bildgebenden Einheit, insbesondere eine Anordnung unterhalb des Wellenfrontmanipulators, da die holographische Anordnung in Transmission betrieben werden kann.
Sowohl der erfindungsgemäße Wellenfrontmanipulator als auch die erfindungsgemäße optische Anordnung eignen sich für eine Nachrüstung in beispielsweise Kraftfahrzeugen, Flugzeugen oder VR-Anordnungen, zum Beispiel VR-Brillen.
Das erfindungsgemäße Head-up-Display umfasst eine gekrümmte Projektionsoberfläche und eine zuvor beschriebene erfindungsgemäße optische Anordnung. Bei der gekrümmten Projektionsoberfläche handelt es sich zum Beispiel um eine Windschutzscheibe eines Fahrzeugs, zum Beispiel eines Kraftfahrzeugs, eines Flugzeugs oder eines Schiffs. Es kann sich bei der gekrümmten Projektionsoberfläche aber auch um ein anderes Sichtfenster handeln, beispielsweise ein Sichtfenster einer VR-Brille. Bei dem Sichtfenster kann es sich um eine Brille, insbesondere um eine Datenbrille, einen am Kopf tragbaren transparenten Bildschirm, eine AR-Brille oder einen AR-Flelm, ein Visier oder ein Okular eines Mikroskops handeln. Die gekrümmte Projektionsoberfläche kann beispielweise als Freiformfläche betrachtet werden. Mittels des erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulators werden hierdurch verursachte Abbildungsfehler bzw. Aberrationen kompensiert. Das erfindungsgemäße Flead-up-Display ermöglicht das Erzeugen eines virtuellen Bildes mit einem großen Sichtfeld. Zum Beispiel kann ein rechteckiges virtuelles Bild erzeugt werden, welches ein Sichtfeld von zum Beispiel mindestens 10 Grad, vorzugsweise mindestens 15 Grad mal 5 Grad (FOV: 15° x 5°), aufweist und in einem bestimmten Abstand von der Eyebox entfernt beobachtbar ist, zum Beispiel in einem Abstand zwischen 6 Metern und 12 Metern. Die Eyebox kann eine Abmessung von bis zu 150mm x 150mm aufweisen. Durch entsprechende Konstruktionswellen der holographischen Elemente kann die Helligkeit und die Einheitlichkeit des virtuellen Bildes optimiert werden. Darüber hinaus kann durch Einstellen des Faktors der Farbmischung, beispielsweise des RGB-Farbraums in der bildgebenden Einheit die Gleichmäßigkeit des Weißgrades eingestellt werden.
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.
Figur 1 zeigt schematisch den Strahlengang eines erfindungsgemäßen Head-up-Displays für eine Windschutzscheibe eines Kraftfahrzeugs in einer Seitenansicht. Figur 2 zeigt schematisch den Strahlengang des in der Figur 1 gezeigten Flead-up-Displays einschließlich eines virtuellen Bildes in einer perspektivischen Ansicht. Figur 3 zeigt schematisch eine holographische Anordnung einer ersten Variante eines erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulators.
Figur 4 zeigt schematisch eine holographische Anordnung einer zweiten Variante eines erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulators.
Figur 5 zeigt schematisch den Strahlengang innerhalb der holographischen Anordnung.
Figur 6 zeigt schematisch zeigt schematisch eine weitere Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen Head-up- Displays.
Figur 7 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße optische Anordnung mit einen erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator in Form eines Blockdiagramms.
Die Figuren 1 und 2 zeigen schematisch den Strahlengang eines erfindungsgemäßen Flead-up-Displays 10. Das Flead-up-Display 10 umfasst eine bildgebende Einheit 1 , eine Projektionsoberfläche 4, zum Beispiel in Form einer Windschutzscheibe eines Kraftfahrzeugs, und einen Wellenfrontmanipulator 7. Die Projektionsoberfläche 4, zum Beispiel die Windschutzscheibe, kann gekrümmt ausgestaltet sein. Im Falle einer Anwendung für ein Fahrzeug sind die bildgebende Einheit 1 und der Wellenfrontmanipulator 7 vorzugsweise in eine nicht gezeigte Armatur integriert angeordnet. Das Flead-up-Display 10 ist so ausgestaltet, dass es auf der Projektionsoberfläche 4, insbesondere auf der Oberfläche der Windschutzscheibe oder im Außenbereich des Fahrzeugs, zum Beispiel in Fahrtrichtung hinter der Oberfläche der Windschutzscheibe, ein virtuelles Bild 6 erzeugt. In der gezeigten Ausgestaltungsvariante umfasst der Wellenfrontmanipulator 7 eine holographische Anordnung 3 und ein reflektiv ausgestaltetes optisches Element 2, welches eine Freiformfläche aufweist und im Strahlengang 8 ausgehend von der bildgebenden Einheit 1 zwischen der bildgebenden Einheit
1 und der holographischen Anordnung 3 angeordnet ist. Das optische Element
2 ist vorzugsweise als Freiformspiegel ausgestaltet.
Durch die bildgebende Einheit 1 werden Lichtwellen in Richtung des Wellenfrontmanipulators 7 ausgesendet. Mittels des Wellenfrontmanipulators 7 erfolgt eine Korrektur von Abbildungsfehlern und gegebenenfalls eine Aufweitung des Strahlenganges. Der Wellenfrontmanipulator 7 leitet Lichtwellen in Richtung der Projektionsoberfläche 4, insbesondere der gekrümmten Projektionsoberfläche. An der Projektionsoberfläche 4 werden die Lichtwellen in Richtung einer Eyebox 5 reflektiert. Die Eyebox 5 bildet dabei den Bereich, in welchem sich ein Nutzer befinden muss oder kann, um das durch das Head-up-Display 10 erzeugte virtuelle Bild 6 wahrnehmen zu können.
Die Figur 3 zeigt schematisch eine holographische Anordnung 3 eines erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulators 7. Der Wellenfrontmanipulator 7 weist die holographische Anordnung 3 auf. Die holographische Anordnung 3 umfasst ein erstes holographisches Element 11 und ein zweites holographisches Element 12. Das erste holographische Element 11 und das zweite holographische Element 12 weisen in der gezeigten Ausführungsvariante jeweils drei aufeinander angeordnete monochromatische Hologramme auf, von welchen beispielhaft ein mit rotem Licht aufgenommenes Hologramm mit der Bezugsziffer 13, ein mit grünem Licht aufgenommenes Hologramm mit der Bezugsziffer 14 und ein mit blauem Licht aufgenommenes Hologramm mit der Bezugsziffer 15 gekennzeichnet sind. Das erste holographische Element 11 und das zweite holographische Element 12 sind so aneinander angeordnet, dass die einzelnen Hologramme spiegelsymmetrisch zueinander angeordnet sind. In der gezeigten Variante sind die mit rotem Licht aufgenommenen Hologramme 13 unmittelbar zueinander benachbart angeordnet. Das erste holographische Element 11 und das zweite holographische Element 12 können unmittelbar aneinander anliegen oder in einem vernachlässigbaren Abstand zueinander angeordnet sein, vorzugweise in einem Abstand von weniger als 1 Millimeter.
In den Figuren 3 und 4 sind die einfallenden Lichtwellen in Form von Strahlen durch Pfeile mit der Bezugsziffer 19 gekennzeichnet und der Strahlengang des den Wellenfrontmanipulator 7 verlassenden Lichts durch Pfeile mit der Bezugsziffer 20 gekennzeichnet. Die einzelnen, sich voneinander unterscheidenden Hologramme 13, 14 und 15 der einzelnen holographischen Elemente 11 und 12 sind in der in der Figur 3 gezeigten Variante in Bezug auf eine Mittellinie bzw. Mittelachse 22, bei welcher es sich um eine optische Achse handeln kann, entlang dieser hintereinander angeordnet. Es können auch einzelne, sich voneinander unterscheidende Hologramme 13, 14 und 15 der einzelnen holographischen Elemente 11 und 12 in Bezug auf eine Mittellinie bzw. Mittelachse 22 lateral zueinander angeordnet sein.
Die Figur 4 zeigt eine weitere Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulators 7. Abweichend von der in der Figur 3 gezeigten Variante umfassen das erste holographische Element 11 und das zweite holographische Element 12 jeweils nur ein Hologramm, welches jedoch jeweils mit Licht einer Anzahl an unterschiedlichen Wellenlängen aufgenommen ist. In der gezeigten Variante handelt es sich beispielhaft um zwei RGB- Hologramme. Die Hologramme weisen zum Beispiel mit rotem Licht erzeugte Hologrammgitterstrukturen, mit grünem Licht aufgenommene Hologrammgitterstrukturen und mit blauem Licht aufgenommene Hologrammgitterstrukturen auf.
Die Figur 5 zeigt schematisch den Strahlengang innerhalb der holographischen Anordnung 3. Zur Veranschaulichung sind dabei das erste holographische Element 11 und das zweite holographische Element 12 in einem Abstand zueinander angeordnet. Dies dient jedoch lediglich der Illustration des Strahlenganges. Das einfallende Licht 19 wird dabei wellenlängenspezifisch für bestimmte Einfallswinkelbereiche an den einzelnen Hologrammen 13-15 oder den Hologrammgitterstrukturen 13-15 reflektiert, also blaues Licht mit einem bestimmten Einfallswinkel an den mit blauem Licht aufgenommenen Hologrammen 15, grünes Licht eines bestimmten Einfallswinkelbereichs an den mit grünem Licht aufgenommenen Hologrammen 14 und rotes Licht entsprechend an den mit rotem Licht aufgenommenen Hologrammen 13. In der gezeigten Variante transmittiert einfallendes Licht 19 zunächst das zweite holographische Element 12 und wird an dem ersten holographischen Element 11 reflektiert. Das durch das erste holographische Element 11 reflektierte Licht 21 wird an dem zweiten holographischen Element 12 reflektiert und bildet die den Wellenfrontmanipulator 7 verlassende Wellenfront 20.
In einer bevorzugten Ausführungsvariante umfasst der erfindungsgemäße Wellenfrontmanipulator 7 zusätzlich zu der holographischen Anordnung 3 ein im Zusammenhang mit den Figuren 1 und 2 bereits beschriebenes optisches Element 2, welches eine Freiformfläche umfasst und vorzugsweise reflektiv ausgestaltet ist.
Die Figur 6 zeigt schematisch eine weitere Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen Head-up-Displays, insbesondere für eine Kraftfahrzeuganwendung. Zusätzlich zu den bereits beschriebenen Komponenten weist das in der Figur 6 gezeigte Head-up-Display 10 ein gekrümmt ausgestaltetes transmissives optisches Bauteil 9 auf, vorzugsweise ein sogenanntes Glare-Trap. In der gezeigten Variante weist die holographische Anordnung 10 eine der Geometrie des Glare-Traps entsprechende Krümmung auf und ist unmittelbar an diesem angeordnet. Dies hat den Vorteil, dass mit nur sehr geringem Bauraum eine hohe Abbildungsqualität erreicht wird. Die Figur 7 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße optische Anordnung 23 mit einen erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator 7 in Form eines Blockdiagramms. Die erfindungsgemäße optische Anordnung 23 umfasst eine bildgebende Einheit 1 und einen erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator 7, welche in einem Strahlengang 8 hintereinander angeordnet sind. Der Wellenfrontmanipulator 7 umfasst eine bereits beschriebene holographische Anordnung 3 und optional ein im Zusammenhang mit den Figuren 1 und 2 bereits beschriebenes optisches Element 2, welches eine Freiformfläche aufweist und bevorzugt als Freiformspiegel ausgestaltet ist. Dabei ist das optische Element 2 in einem Strahlengang zwischen der bildgebenden Einheit 1 und der holographischen Anordnung 3 angeordnet. Zusätzlich kann ein im Zusammenhang mit der Figur 6 bereits beschriebenes transmissives optisches Bauteil 9, insbesondere ein Glare-Trap, vorhanden sein, welches in einem Strahlengang zwischen der holographischen Anordnung 3 und einer Projektionsoberfläche angeordnet ist. Die optionalen Bauteile 2 und 9 sind in der Figur 7 in gestrichelten Linien gezeichnet.
Bezuqszeichenliste
1 bildgebende Einheit
2 optisches Element 3 holographische Anordnung
4 Projektionsoberfläche
5 Eyebox
6 virtuelles Bild
7 Wellenfrontmanipulator 8 Strahlengang
9 transmissives optisches Bauteil / Glare-Trap
10 Head-up-Display
11 erstes holographisches Element
12 zweites holographisches Element 13 Hologramm
14 Hologramm
15 Hologramm
19 Strahlengang
20 Strahlengang 21 Strahlengang
22 Mittelachse
23 optische Anordnung

Claims

Patentansprüche
1. Wellenfrontmanipulator (7) zur Anordnung im Strahlengang (8, 19, 20) eines Head-up-Displays (10) zwischen einer bildgebenden Einheit (1) und einer Projektionsoberfläche (4), dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenfrontmanipulator (7) eine holographische Anordnung (3) umfasst, welche mindestens zwei holographische Elemente (11, 12) umfasst, wobei die mindestens zwei holographischen Elemente (11, 12) im Strahlengang (8, 19, 20) unmittelbar hintereinander angeordnet sind und für mindestens eine festgelegte Wellenlänge und einen festgelegten Einstrahlwinkelbereich reflektiv ausgestaltet sind.
2. Wellenfrontmanipulator (7) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenfrontmanipulator (7) mindestens ein optisches Element (2) umfasst, welches eine Freiformfläche aufweist und zur Anordnung im Strahlengang (8, 19, 20) zwischen der bildgebenden Einheit (1) und der holographischen Anordnung (3) ausgelegt ist.
3. Wellenfrontmanipulator (7) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der mindestens zwei holographischen Elemente (11, 12) eine Anzahl an Hologrammen (13-15) umfasst.
4. Wellenfrontmanipulator (7) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eins der mindestens zwei holographischen Elemente (11, 12) mindestens zwei Hologramme (13-15) umfasst, welche für voneinander abweichende Wellenlängen reflektiv ausgestaltet sind, und/oder mindestens eins der mindestens zwei holographischen Elemente (11, 12) mindestens ein Hologramm (13-15) umfasst, welches für mindestens zwei voneinander abweichende Wellenlängen reflektiv ausgestaltet ist.
5. Wellenfrontmanipulator (7) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das erste holographische Element (11) in Bezug auf die Anordnung der einzelnen Hologramme (13-15) in Bezug auf eine festgelegte Richtung identisch oder spiegelsymmetrisch zu dem zweiten holographischen Element (12) angeordnet ist.
6. Wellenfrontmanipulator (7) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl der Hologramme (13-15) mindestens eines der holographischen Elemente (11, 12) mit zwei Konstruktionswellenfronten aufgenommen ist, wovon mindestens eine Konstruktionswellenfront mindestens eines Hologramms (13-15) der holographischen Elemente (11,
12) bezüglich der Wellenlänge und des Einstrahlwinkels identisch ist mit mindestens einer Konstruktionswellenfront eines anderen Hologramms (13- 15) eines der holographischen Elemente (11 , 12).
7. Wellenfrontmanipulator (7) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei holographischen Elemente (11, 12) in einem Abstand von weniger als 1 Millimeter zueinander angeordnet sind.
8. Wellenfrontmanipulator (7) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die holographische Anordnung (3) in Form einer Schicht oder einer Folie oder eines Substrats oder einer Platte ausgestaltet ist und/oder eine ebene oder eine gekrümmte Oberfläche aufweist.
9. Wellenfrontmanipulator (7) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 in Verbindung mit Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (2) reflektiv und/oder transmissiv ausgestaltet ist.
10. Wellenfrontmanipulator (7) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 in Verbindung mit Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Freiformfläche des optischen Elements (2) dazu ausgebildet ist, mindestens eine Aberration zumindest teilweise zu korrigieren.
11. Wellenfrontmanipulator (7) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenfrontmanipulator (7) ein transmissiv ausgestaltetes optisches Bauteil (9) umfasst, welches dazu ausgelegt ist, im Strahlengang (8, 19, 20) zwischen der holographischen Anordnung (3) und der Projektionsoberfläche (4) angeordnet zu werden.
12. Wellenfrontmanipulator (7) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenfrontmanipulator (7) dazu ausgelegt ist, mehrfarbige Abbildungen zu projizieren.
13. Wellenfrontmanipulator (7) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der holographischen Elemente (11, 12) für eine Mehrzahl an Einstrahlwinkeln und/oder für eine Mehrzahl an einander nicht überlappenden Einstrahlwinkelbereichen effizient ausgestaltet ist.
14. Wellenfrontmanipulator (7) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die holographische Anordnung (3) gekrümmt ausgestaltet ist.
15. Optische Anordnung (23) für ein Head-up-Display (10) an einer Projektionsoberfläche (4), welche eine bildgebende Einheit (1) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Anordnung (23) einen Wellenfrontmanipulator (7) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14 umfasst.
16. Optische Anordnung (23) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die bildgebende Einheit (1) eine Ebene umfasst, die dazu ausgelegt ist Licht in einem festgelegten Abstrahlwinkelbereich und mit einer festgelegten maximalen Bandbreite bezüglich der Wellenlängen des ausgesandten Lichts auszusenden.
17. Optische Anordnung (23) nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die bildgebende Einheit (1) dazu ausgelegt ist Laserlicht in mindestens zwei unterschiedlichen Wellenlängen auszusenden.
18. Optische Anordnung (23) nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Anordnung ein Volumen von weniger als 10 Litern aufweist.
19. Head-up-Display (10), welches eine Projektionsoberfläche (4) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das Head-up-Display (10) eine optische Anordnung (23) nach einem der Ansprüche 15 bis 18 umfasst.
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