EP4308994A1 - Wellenfrontmanipulator für head-up-display, optische anordnung und head-up-display - Google Patents

Wellenfrontmanipulator für head-up-display, optische anordnung und head-up-display

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EP4308994A1
EP4308994A1 EP22708516.4A EP22708516A EP4308994A1 EP 4308994 A1 EP4308994 A1 EP 4308994A1 EP 22708516 A EP22708516 A EP 22708516A EP 4308994 A1 EP4308994 A1 EP 4308994A1
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EP
European Patent Office
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optical
projection surface
manipulator
display
head
Prior art date
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Pending
Application number
EP22708516.4A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Artur Degen
Adrian Grewe
Roman KLEINDIENST
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Jenoptik AG
Original Assignee
Carl Zeiss Jena GmbH
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Filing date
Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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    • G02B2027/0123—Head-up displays characterised by optical features comprising devices increasing the field of view
    • G02B2027/0125—Field-of-view increase by wavefront division

Definitions

  • Wavefront manipulator for head-up display optical assembly
  • Head-up display 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 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 airplanes, helicopters or ships. 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 projector, a projection surface, an eyebox, and a virtual image plane.
  • An image is generated by means of 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.
  • the curvature of the projection surface causes imaging errors or aberrations. If a head-up display is used in conjunction with a curved windshield or a curved viewing window, it is desirable to correct imaging errors in the optical beam path that occur as a result of the curvature.
  • a windshield can generally be described as a free-form surface.
  • the basic shape of the windshield can be viewed as a torus.
  • the imaging errors or aberrations that can occur are defocus, tilt, astigmatism, curvature of the image plane, spherical aberrations, higher astigmatism and coma.
  • the aforementioned order of the possible aberrations corresponds to the size or extent of their occurrence.
  • the imaging errors and aberrations mentioned are corrected in the projector.
  • corresponding corrections can be made in the entire system in the case of a flat-up display, preferably at specific points in the optical system.
  • Head-up displays are often equipped with a planar pupil expander. This is a device for widening the beam path, whereby the pupil of the optical arrangement is enlarged.
  • the pupil can be a real pupil, formed for example by a diaphragm, or a virtual pupil.
  • the pupil can be enlarged in particular by means of a waveguide, with a coupling-in area of the beam path into the waveguide being smaller than a coupling-out area of the beam path out of the waveguide.
  • 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 patent claim 11 and by a head-up display according to patent claim 14 .
  • the dependent claims contain further advantageous developments of the invention.
  • the wavefront manipulator according to the invention is designed to be arranged in the beam path of a head-up display between a projection lens and a curved projection surface.
  • the projection lens can be part of an imaging unit.
  • the curved projection surface has specified features, such as a specified radius of curvature.
  • the wavefront manipulator can be an optical correction component for correcting imaging errors for use in a head-up display.
  • the projection lens can include a pupil expander, preferably a planar pupil expander. A pupil expander can also be arranged between the projection lens and the wave front manipulator.
  • the curved projection surface may be the surface of a windshield of a vehicle, such as an automobile, an airplane, a helicopter, or a ship.
  • the wavefront manipulator according to the invention comprises a plurality of optical elements, ie at least two optical elements, with imaging functions that differ from one another.
  • each imaging function at least partially corrects at least one imaging error caused by at least one specified feature of the curved projection surface.
  • the mapping functions are matched to at least one specified feature of the curved projection surface.
  • the mapping functions can be wavelength-dependent and/or location-dependent, ie depending on the position of the respective optical element.
  • the present invention is based on the finding that individual aberrations can be corrected in a more targeted and precise manner if the correction is carried out in an already widened beam path for individual beams of rays.
  • the mapping functions can first be determined by suitable simulations.
  • the mapping functions can include polynomials.
  • An optical structure for an optical element can then be calculated from an imaging function, so that the optical element converts or implements the specific imaging function.
  • the structure can be a refractive structure, for example a corresponding surface geometry of an aspherical lens, and/or a diffractive structure.
  • the optimization of the imaging function or functions in relation to the correction of imaging errors can initially be restricted to a binary optics approach (see for example: Zemax OpticStudio 20.3 User Manual, September 2020), for example Binary Optio 1 .
  • the surface shape and/or the local phase change, which is required to achieve an optimized optical imaging function can be determined using a polynomial approach, as is known from models for a flat asphere.
  • the phase change or phase profile F can be expressed using the following polynomial approach:
  • N is the number of polynomials in the series
  • Ai is the coefficient of the ith polynomial
  • the polynomials Ei(x,y) are power series expansions in x and y.
  • the wavefront manipulator according to the invention has the advantage that it can be arranged between a projection lens or an entrance pupil and the image field, in particular the curved projection surface or the eyebox, and thus offers the possibility of location-dependent aberrations, in particular with regard to the position in the image field (in the following also called field) to correct with high precision.
  • a correction of aberrations can thus take place outside the projection lens at a distance from it at a position in the beam path where the beam path is already widened and therefore a more targeted and precise correction of individual aberrations than inside the projection lens is possible.
  • the plurality of optical elements with imaging functions that differ from one another are arranged next to one another as segments in a plane perpendicular to an optical axis.
  • the plurality of optical elements can be segments of an optical component which is designed in a segmented manner. Segmentation perpendicular to the optical axis makes it possible to make location-dependent corrections in an already widened beam path.
  • individual segments can be designed to correct location-dependent specific imaging errors. Because the appearance and composition of the various aberrations is field-dependent, i.e. dependent on the position in the image field, the aberrations at specific field points can be corrected better than before with location-dependent imaging functions of the individual segments. Each segment can thus be designed to correct the respective field-dependent aberrations.
  • At least two of the plurality of optical elements are arranged one behind the other in relation to an optical axis in the beam path.
  • the individual optical elements are preferably designed analogously to the segments with imaging functions that are designed to correct location-dependent specific imaging errors.
  • the arrangement of the optical elements one behind the other offers advantages with regard to the utilization of the available installation space.
  • a graduated correction can be made. Different imaging errors that occur at a specific field point or in a specific field area can therefore be corrected one after the other.
  • each element can comprise a central axis, with the central axes of different optical elements enclosing an angle that is greater than 0 degrees in a mutually tilted position.
  • a tilted configuration or arrangement makes it possible to set a favorable angle of individual optical elements in relation to the curved projection surface.
  • a projection lens of a head-up display is usually arranged in an integrated manner in a console or in an instrument panel.
  • the surface of the panel or fascia is typically not parallel to the surface of the windshield, but is relative to it arranged tilted. Due to the tilting of the windshield and a decoupling plane of the projection lens relative to one another, this tilting has to be corrected.
  • Such a correction can be made using the wavefront manipulator according to the invention.
  • the tilting to be corrected can be corrected by a tilted arrangement of a plurality of optical elements of the wavefront manipulator with respect to one another.
  • a plurality of segments may be arranged in the form of a matrix, for example a square matrix.
  • the segments may be arranged at least in the form of an nxm matrix, where n is at least three (n>3) and m is at least three (m>3).
  • the array may be in the form of a 3x3 matrix, or a 5x5 matrix, or a 7x7 matrix, or a 3x4 matrix, and so on.
  • Individual mapping functions are preferably field-dependent, that is designed to be location-dependent and/or designed to be dependent on the radius of curvature of the curved projection surface. Through this, a very good error correction is achieved.
  • the plurality of optical elements with imaging functions that differ from one another can be configured as refractive and/or diffractive and/or transmissive and/or reflective optical elements.
  • One or more of the optical elements can be designed as aspherical lenses, for example.
  • the plurality of optical elements with imaging functions that differ from one another can comprise free-form surfaces, for example refractive and/or diffractive free-form surfaces.
  • the plurality of optical elements with imaging functions that differ from one another can comprise holographic structures, for example at least one hologram or holographic structural elements, and/or at least one Mangin mirror, for example a diffractive Mangin mirror.
  • the wavefront manipulator is preferably designed to bring about a maximum expansion of a pixel of 90 ⁇ m in half field and/or 120 ⁇ m in full or full field.
  • half the field is understood to mean half the extent of the image in an image plane, measured from the center of the image perpendicular to the optical axis.
  • the full or entire field is understood to mean the full extent of the image in an image plane measured from the center of the image perpendicular to the optical axis. An ideal point is thus mapped onto a pixel with a maximum extension, for example a maximum diameter, of 90 pm in half the field and/or 120 pm in the full field.
  • the extent of the individual pixels is restricted to a maximum of 70 ⁇ m, in particular a maximum of 50 ⁇ m, for example a maximum of 25 ⁇ m or preferably a maximum of 10 ⁇ m in half the field and/or full field. In the full field, an expansion of the individual pixels of a maximum of 90 pm is also advantageous.
  • the wavefront manipulator is preferably designed to produce an Airy disk with an extension of less than 25 micrometers.
  • the size of the Airy disk or diffraction disk i.e. the extent (e.g. the diameter) of a diffraction-limited image point (spot) of an object point with the extent 0 is less than 25 micrometers (25 pm), for example 23 micrometers (23 pm), is.
  • the limitation of the expansion of the individual pixels can be specified in relation to the expansion of the Airy disk, for example by means of the quotient of the expansion of the image point achieved and the expansion, in particular the diameter, of the Airy disk.
  • the resulting pixel diameter is 3.9 times the diameter of the Airy disk.
  • the wavefront manipulator is preferably designed to expand an image point to less than 4 times the expansion of the Airy disk im half field and/or to less than 5.5 times the expansion of the full field Airy disk.
  • the wavefront manipulator may have a field of view (FOV) of at least +1-7.5 degrees by +1-4 degrees, preferably at least +/-12 degrees by +/-6 degrees.
  • the wavefront manipulator can be designed to provide an eyebox with an extension in a plane perpendicular to the optical axis of the eyebox of at least 120 millimeters by at least 60 millimeters (120mm x 60mm), preferably at least 150 millimeters by at least 150 millimeters (150mm x 150mm). to generate.
  • a segmented wavefront manipulator can be used, for example, to reduce the size of the image point (spot size) of an ideal object point by 20 to 30 percent with just one segmented component for both a transmissive and a reflective design or arrangement.
  • a very good diffraction-limited correction can already be achieved with two optical elements with imaging functions that differ from one another, in particular if at least one of the elements is arranged tilted in the direction of the curved projection surface, for example the windshield.
  • the optical arrangement according to the invention for a flat-up display on a curved projection surface comprises a projection lens, for example with a planar pupil expander.
  • the optical arrangement according to the invention comprises a wavefront manipulator according to the invention as described above.
  • the wavefront manipulator is preferably designed for this purpose in the beam path in the direction of a curved projection surface from a pupil expander at a specified distance, for example at least 0.1 millimeter, in particular between 0.1 mm and 500 mm to be ranged.
  • the pupil expander is preferably arranged in the beam path between the projection lens and the wave front manipulator. The light is thus decoupled from the pupil expander in the direction of the wavefront manipulator.
  • the wavefront manipulator can therefore also be arranged spatially between the pupil expander and the projection objective, in particular if the pupil expander is designed to be transmissive.
  • the optical arrangement according to the invention has the advantage that it can at least partially correct aberrations caused by the curvature of the projection surface.
  • the optical arrangement has the features, properties and advantages already mentioned above in connection with the wavefront manipulator according to the invention.
  • an eyebox with an extension in a plane perpendicular to the optical axis of the eyebox of at least 120 millimeters by at least 60 millimeters (120mm x 60mm), preferably at least 150 millimeters by at least 150 millimeters (150mm x 150mm) can be generated.
  • a waveguide is arranged in the beam path between the projection lens and the wave front manipulator.
  • the waveguide is advantageously designed as a pupil expander. Using the waveguide, it is possible, for example when using the optical arrangement inside a motor vehicle, to take account of space-specific features and to ensure space-saving positioning of the optical arrangement without impairing the quality of the optical image.
  • At least one of the plurality of optical elements can be arranged in the beam path in front of and/or behind the waveguide.
  • the aberration correction can be optimized in a space-efficient manner.
  • the inventive head-up display includes a curved projection surface.
  • the head-up display includes a previously described optical arrangement according to the invention. It has the features, properties and advantages previously mentioned.
  • the curved projection surface can, for example, have a radius of curvature between 300 millimeters and 10000 millimeters, for example between 3000 millimeters and 7000 millimeters, in particular between 4000 millimeters and 6000 millimeters.
  • the curved projection surface is preferably a surface of a windshield of a vehicle or a surface of a viewing window.
  • the wavefront manipulator is at a distance d2 between 100 millimeters and 1000 millimeters (100 mm ⁇ d2 ⁇ 1000 mm), in particular between 250 millimeters and 500 millimeters (250 mm ⁇ d2 ⁇ 500 mm), with respect to the optical axis from the curved one Projection surface arranged.
  • a distance d3 between the curved projection surface and an eyebox i.e.
  • a plane or a spatial area in which the image projected onto the projection surface can be perceived by a viewer as a virtual image is preferably between 300 millimeters and 1000 millimeters (300 mm ⁇ d3 ⁇ 1000 mm), in particular between 600 millimeters and 700 millimeters (600 mm ⁇ d3 ⁇ 700 mm), for example at a distance of 650 millimeters.
  • the head-up display has an optical axis in the area of the curved projection surface, which characterizes the direction of incidence of light waves on the curved projection surface.
  • the optical elements each have a central axis.
  • the curved projection surface has a surface normal which encloses an angle between 0 degrees and 90 degrees with the central axis of a surface of at least one optical element of the plurality of optical elements of the wavefront manipulator facing the curved projection surface.
  • the optical element of the wavefront manipulator facing the curved projection surface is arranged tilted in the direction of the curved projection surface, ie facing towards it.
  • the wavefront manipulator can, for example, comprise at least two optical elements designed to be transmissive.
  • the beam path in the region of the decoupling from the projection lens can run in a direction of propagation facing away from the curved projection surface and can be deflected by means of at least one mirror, for example a Mangin mirror, and optionally guided through a free-form lens in the direction of the curved projection surface.
  • the present invention has the advantage that it is arranged at a distance from a projection lens by means of a
  • Wavefront manipulator improved aberration correction is made possible, the curvature of a surface on or behind which a virtual image is to be generated by a head-up display is taken into account.
  • the aberration correction can be carried out for each individual field segment and optimized in relation to it.
  • the segmentation of the wavefront manipulator can mediate well between field bundles, so that a very good aberration correction can be carried out in this way for the entire eyebox of a flat-up display with comparatively little effort.
  • the eyebox has a multiplied pupil that fills the eyebox as a result of pupil replication. Due to the segmentation within the wavefront manipulator, the individual segments can be adapted to a limited number of beams. In this way, aberrations can be better corrected. In addition, an adjustment to different eye pupil positions is possible.
  • 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 a motor vehicle with a flat-screen display according to the invention.
  • FIG. 2 schematically shows the beam path of the flat-up display shown in FIG.
  • FIG. 3 schematically shows an embodiment variant of a flat-up display according to the invention with an optical arrangement according to the invention and a wave front manipulator according to the invention, with simulated beam paths being shown.
  • Figure 4 shows schematically a further embodiment of a flat-up display according to the invention with a optical arrangement according to the invention and a wavefront manipulator according to the invention, with simulated beam paths being shown.
  • FIG. 5 schematically shows a further embodiment variant of a flat-up display according to the invention with an optical arrangement according to the invention and a wavefront manipulator according to the invention, with simulated beam paths being shown.
  • FIG. 6 schematically shows a further embodiment variant of a flat-up display according to the invention with an optical arrangement according to the invention and a wavefront manipulator according to the invention, with simulated beam paths being shown.
  • FIG. 7 schematically shows a further embodiment variant of a flat-up display according to the invention with an optical arrangement according to the invention and a wavefront manipulator according to the invention, with simulated
  • FIG. 8 schematically shows a further embodiment variant of a flat-up display according to the invention with an optical arrangement according to the invention and a wavefront manipulator according to the invention, with simulated beam paths being shown.
  • FIG. 9 schematically shows a further embodiment variant of a flat-up display according to the invention with an optical arrangement according to the invention and a wavefront manipulator according to the invention, with simulated beam paths being shown.
  • FIG. 10 schematically shows a further embodiment variant of a flat-up display according to the invention with an optical arrangement according to the invention and a wave front manipulator according to the invention, with simulated beam paths being shown.
  • Figure 11 shows schematically a further embodiment of a head-up display according to the invention with an optical arrangement according to the invention and a wave front manipulator according to the invention, with simulated
  • FIG. 12 schematically shows an arrangement of the individual components of a flat-up display according to the invention and an optical arrangement according to the invention in the beam path in the form of a block diagram.
  • Figure 1 shows schematically a motor vehicle 11 with a user sitting in it, for example a driver 12.
  • Motor vehicle 11 includes a windshield 13 with a curved projection surface 14. Both the outer surface and the inner surface of windshield 13 are curved, preferably in the same way extent curved.
  • a flat screen display 10 is integrated into a fitting 15 arranged in front of the user 12 .
  • the flat-screen display 10 is designed in such a way that it generates a virtual image 1 on the surface 14 of the windshield 13 or in front of the surface 14 of the windshield 13 in the direction of travel.
  • FIG. 2 shows schematically the beam path of a flat-up display 10 according to the invention.
  • the flat-up display 10 comprises an imaging unit with a projection objective 2, a waveguide 17 designed as a pupil expander and a pupil expander 17 in a defined, as small as possible , Distance di arranged wavefront manipulator 3.
  • the distance di can be at least 0.1 millimeters be, in particular between 0.1 mm and 500 mm.
  • the wavefront manipulator 3 can be arranged above or below the pupil expander 17 in the figure. In an arrangement below the pupil expander 17, the pupil expander decouples light downwards and the wavefront manipulator 3 reflects the light upwards through the pupil expander 17 to the windshield 13.
  • the wavefront manipulator 3 is arranged in the direction of an optical axis 21 of the wavefront manipulator 3 at a distance d2 from the projection surface 14 of the windshield 13 at an intersection 25 of the projection surface 14 with an optical axis 5 running in the direction of the eyebox, preferably at a distance of 100 millimeters up to 1000 millimeters, for example from 250 millimeters to 500 millimeters.
  • the projection surface 14 may have a radius of curvature between 300 millimeters and 10,000 millimeters.
  • Light beams are emitted in the direction of the wavefront manipulator 3 through the projection lens 2 .
  • a field-dependent correction of imaging errors, which are caused by the curved projection surface 14 of the windshield 13, is carried out by means of the wavefront manipulator 3.
  • the wavefront manipulator 3 directs light waves in the direction of the windshield 13 or the curved projection surface 14.
  • the light waves are reflected in the direction of an eyebox 4 on the curved projection surface 14.
  • the eyebox 4 forms the area in which a user 12 must or can be located in order to be able to perceive the virtual image 1 generated by the head-up display 10 .
  • the distance d3 between the eyebox 4 and the curved projection surface 14 in the area of the optical axis 5 is preferably between 600 millimeters and 700 millimeters.
  • the eyebox 4 can have a dimension of up to 150mm wide and up to 150mm high (150mm x 150mm), for example a dimension of 120mm x 60mm.
  • the imaging functions of the optical elements 8, 9 of the wave front manipulator 3 can be used for different eye pupil positions, ie different positions within the eyebox 4, be adjusted, in particular be optimized.
  • the wavefront manipulator 3 optionally includes an ideal lens 6 and a plurality of optical elements 8 and 9 with imaging functions that differ from one another.
  • the individual optical elements 8 and 9 can be designed as segments of an optical component 7 or as individual optical components.
  • a segmented configuration is shown in FIG. FIG. 4 shows an embodiment of the plurality of optical elements 8 and 9 as separate optical components.
  • the optical axis of the wave front manipulator 3 is marked with the reference number 21 in the figures.
  • the individual segments 8 , 9 are arranged within the optical component 7 in a plane perpendicular to the optical axis 21 .
  • the individual optical elements 8, 9 are preferably arranged in the form of a matrix, for example an n ⁇ m matrix m and n are advantageously at least 3.
  • the segments 8, 9 can be arranged, for example, in the form of a 3 ⁇ 3 matrix, a 5 ⁇ 5 Matrix, a 7x7 matrix or in the form of any other matrix arrangement.
  • Each segment 8, 9, ie each of the individual optical elements has an individual imaging function and at least partially corrects at least one imaging error caused by the curvature of the surface 14.
  • the individual imaging functions can, for example, be wavelength-dependent and/or field-dependent, i.e. location-dependent with regard to the position of the individual optical element 8, 9 in the matrix or more generally location-dependent with regard to the plane of the component 7 perpendicular to the optical axis 21.
  • FIGS. 4 to 6 show design variants in which two optical elements 8 and 9 are arranged one behind the other in the form of separate components in the beam path 20 .
  • the individual optical components 8 and 9 can in turn each additionally be designed in a segmented manner perpendicular to the optical axis 21, that is to say, for example, similarly to the optical component 7 which was described in connection with FIG.
  • a first optical element 8 and a second optical element 9 are each arranged perpendicular to the optical axis 21 and parallel to one another.
  • the optical elements 8 and 9 have imaging functions that differ from one another and are designed to correct specific imaging errors caused by the curvature of the surface 14 .
  • the use of a plurality of mapping functions that are independent of one another makes it possible to at least partially correct a plurality of mapping errors precisely.
  • the imaging functions of the optical elements 8 and 9 cause the beam path 20 to be lengthened. This contributes to an improved correction of imaging errors.
  • the optical elements 8 and 9 are arranged tilted relative to one another.
  • the optical elements 8 and 9 each have a central axis, which is identified by the reference number 28 for the optical element 8 and by the reference number 29 for the optical element 9 .
  • the central axes 28 and 29 enclose an angle ⁇ which is greater than 0° and smaller than 180°.
  • the optical elements 8 and 9 are each shown in a starting position with their central axis 28, 29 parallel to the optical axis 21 and in a tilted position. The tilting angles with respect to the starting positions are indicated by arrows with the reference numerals 18 and 19.
  • At least one of the optical elements 8 and 9 is in a tilted position.
  • at least one reflective optical element for example a mirror, preferably a Mangin mirror, is present in the wave front manipulator.
  • a waveguide 17, which is preferably designed as a pupil expander is present in the wave front manipulator.
  • the waveguide 17 is indicated only schematically in FIGS. 7 to 11; its real position in the beam path is shown schematically in FIGS.
  • the waveguide 17 can be part of the wavefront manipulator 3 .
  • the projection objective 2 and the lens 6 are positioned in FIGS. 7 to 11 merely for the purpose of illustration for the purpose of analyzing the basic beam path. The figures do not therefore reflect the real spatial arrangement of the components shown, but only the basic course of the rays.
  • the surface 14 of the windshield 13 facing the wave front manipulator 3 has a surface normal 16 in the area of the optical axis 5 .
  • the surface normal 16 encloses an angle between 0 degrees and 90 degrees with the central axis 29 of the optical element 9 facing the curved surface 14 . This tilting toward the windshield 13 enables improved aberration correction.
  • the wave front manipulator 3 comprises a reflective optical component 7 with a central axis 27, which is arranged slightly tilted in relation to the surface normal 16 of the curved projection surface 14 and in relation to the ideal lens 6.
  • a waveguide 17, indicated only schematically as a line, is arranged in the beam path 20 between the ideal lens 6 and the reflective optical component 7, ie the mirror.
  • the reflective optical component 7 is arranged slightly tilted in the other direction in relation to the curved projection surface 14.
  • the ideal lens 6 is not necessarily a component of the wave front manipulator 3.
  • the waveguide 17 can be part of the wavefront manipulator 3, but does not have to be. The same applies to the ideal lens 6.
  • the wave front manipulator 3 comprises a reflective optical component 7 which can correspond to a first optical element 8 and at least one asphere 22 which can correspond to a second optical element 9.
  • An asphere is understood to mean a lens with a rotationally symmetrical surface, the surface of which can have surface areas with radii of curvature that differ from one another.
  • Differently configured aspheres 22 are shown in FIGS.
  • the at least one asphere 22 or also another optical element can be arranged in the beam path 20 in front of or behind a waveguide 17 .
  • an asphere 22 is present in each case.
  • the asphere 22 is in the beam path 20 in front of the waveguide 17 and the reflective optical component 7 is arranged behind the waveguide 17 .
  • the optical component 7 designed to be reflective is arranged tilted by a fixed tilt angle in relation to the curved projection surface 14 .
  • the asphere 22 and the reflective optical component 7 are arranged behind the waveguide 17 in the beam path.
  • the waveguide 17 can be a component of the wavefront manipulator 3, but it does not have to be.
  • the reflective optical component 7 and the asphere 22 are tilted in relation to the curved projection surface 14 .
  • FIG. 12 schematically shows an arrangement of the individual components of a head-up display 10 according to the invention and an optical arrangement 23 according to the invention in the beam path 20 in the form of a block diagram.
  • Light waves emitted by a projection objective 2 are coupled into a waveguide 17 .
  • the light coupled out of the waveguide 17 is guided in the direction of the curved projection surface 14 by means of the wavefront manipulator 3, with aberrations being corrected.
  • the light reflected on the curved projection surface 14 then reaches the eyebox 4.
  • the wavefront manipulator 3 is constructed as described, for example, with reference to FIGS. It can include the waveguide 17, in particular the waveguide designed as a pupil expander. This variant is indicated by dashed lines in FIG.
  • the optical arrangement 23 according to the invention comprises a projection lens 2 and a
  • Wavefront manipulator 3 wherein the wavefront manipulator 3 may include a waveguide 17, but does not have to include.

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Abstract

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

Description

Wellenfrontmanipulator für Head-up-Display, 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 gekrümmten Projektionsoberfläche. Die Erfindung betrifft darüber hinaus eine optische Anordnung und ein Head-up- Display.
Head-up-Displays kommen inzwischen im Rahmen vielfältiger Anwendungen zum Einsatz, unter anderem auch im Zusammenhang mit Sichtfenstern von Fahrzeugen, zum Beispiel an Windschutzscheiben von Kraftfahrzeugen, Frontscheiben oder Sichtfenstern von Flugzeugen, Hubschraubern oder Schiffen. Diese Sichtscheiben und insbesondere Windschutzscheiben weisen üblicherweise eine gekrümmte Oberfläche auf, welche als Projektionsoberfläche von Head-up-Displays genutzt wird.
Ein Head-up-Display umfasst üblicherweise einen Projektor, eine Projektionsoberfläche, eine Eyebox und eine virtuelle Bildebene. Mittels des Projektors wird eine Abbildung erzeugt. Die Abbildung wird auf die Projektionsoberfläche projiziert und von der Projektionsoberfläche in die Eyebox projiziert. Bei der Eyebox handelt es sich um eine Ebene oder einen Raumbereich, in welchem die projizierte Abbildung für einen Betrachter als virtuelles Bild wahrnehmbar ist. Die virtuelle Bildebene, also die Ebene auf der das virtuelle Bild erzeugt wird ist auf oder hinter der Projektionsoberfläche angeordnet. Durch die Krümmung der Projektionsoberfläche kommt es zu Abbildungsfehlern oder Aberrationen. Wird ein Head-up-Display im Zusammenhang mit einer gekrümmten Windschutzscheibe oder einem gekrümmten Sichtfenster verwendet, so ist es erwünscht, durch die Krümmung auftretende Abbildungsfehler im optischen Strahlengang zu korrigieren. Eine Windschutzscheibe kann im Allgemeinen als Freiformfläche beschrieben werden. Dabei kann die Grundform der Windschutzscheibe als Torus betrachtet werden. Die Abbildungsfehler oder Aberrationen, die dabei auftreten können, sind Defokus, Kippung, Astigmatismus, Wölbung der Bildebene, sphärische Aberrationen, höherer Astigmatismus und Koma. Die zuvor genannte Reihenfolge der möglichen Abbildungsfehler entspricht dabei der Größe bzw. dem Ausmaß ihres Auftretens.
Im Falle eines Projektionssystems werden die genannten Abbildungsfehler und Aberrationen im Projektor korrigiert. Bei einem Flead-up-Display können entsprechende Korrekturen prinzipiell im ganzen System erfolgen, vorzugsweise an bestimmten Stellen des optischen Systems. Head-up- Displays sind häufig mit einem planaren Pupillenexpander ausgestattet. Dabei handelt es sich um eine Vorrichtung zur Aufweitung des Strahlengangs, wobei die Pupille der optischen Anordnung vergrößert wird. Bei der Pupille kann es sich um eine reale, zum Beispiel durch eine Blende gebildete Pupille oder um eine virtuelle Pupille handeln. Die Pupille kann insbesondere mittels eines Wellenleiters vergrößert werden, wobei eine Einkoppelfläche des Strahlengangs in den Wellenleiter kleiner ist als eine Auskoppelfläche des Strahlengangs aus dem Wellenleiter.
Vor diesem Flintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen vorteilhaften Wellenfrontmanipulator zur Anordnung im Strahlengang eines Head-up-Displays zwischen einem Projektionsobjektiv und einer gekrümmten Projektionsoberfläche zur Verfügung zu stellen, welcher insbesondere durch die gekrümmte Projektionsoberfläche verursachte Abbildungsfehler zumindest teilweise korrigiert. Weitere Aufgaben bestehen darin, eine vorteilhafte optische Anordnung für ein Head-up-Display an einer gekrümmten Projektionsoberfläche sowie ein vorteilhaftes Head-up-Display zur Verfügung zu stellen.
Die erste Aufgabe wird durch einen Wellenfrontmanipulator gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Die weiteren Aufgaben werden durch eine optische Anordnung gemäß Patentanspruch 11 und durch ein Head-up-Display gemäß Patentanspruch 14 gelöst. Die abhängigen Ansprüche enthalten weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Der erfindungsgemäße Wellenfrontmanipulator ist zur Anordnung im Strahlengang eines Head-up-Displays zwischen einem Projektionsobjektiv und einer gekrümmten Projektionsoberfläche ausgelegt. Das Projektionsobjektiv kann Teil einer bildgebenden Einheit sein. Die gekrümmte Projektionsoberfläche weist festgelegte Merkmale auf, zum Beispiel einen festgelegten Krümmungsradius. Es kann sich bei dem Wellenfrontmanipulator mit andere Worten um ein optisches Korrektur-Bauteil zur Korrektur von Abbildungsfehlern zur Anwendung im Rahmen eines Head-up-Displays handeln. Das Projektionsobjektiv kann einen Pupillenexpander, vorzugsweise einen planaren Pupillenexpander, umfassen. Es kann auch ein Pupillenexpander zwischen dem Projektionsobjektiv und dem Wellenfrontmanipulator angeordnet sein. Die gekrümmte Projektionsoberfläche kann die Oberfläche einer Windschutzscheibe eines Fahrzeuges, beispielsweise eines Kraftfahrzeuges, eines Flugzeuges, eines Hubschraubers oder eines Schiffs, sein.
Der erfindungsgemäße Wellenfrontmanipulator umfasst eine Mehrzahl optischer Elemente, also mindestens zwei optische Elemente, mit voneinander abweichenden Abbildungsfunktionen. Dabei korrigiert jede Abbildungsfunktion mindestens einen durch mindestens ein festgelegtes Merkmal der gekrümmten Projektionsoberfläche verursachten Abbildungsfehler zumindest teilweise. Hierzu sind die Abbildungsfunktionen auf mindestens ein festgelegtes Merkmal der gekrümmten Projektionsoberfläche abgestimmt. Die Abbildungsfunktionen können wellenlängenabhängig und/oder ortsabhängig, also abhängig von der Position des jeweiligen optischen Elements, ausgestaltet sein.
Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass sich einzelne Abbildungsfehler gezielter und präziser korrigieren lassen, wenn die Korrektur in einem bereits aufgeweiteten Strahlengang für einzelne Strahlenbündel vorgenommen wird. Je näher an der Projektionsoberfläche die Korrektur einzelner Abbildungsfehler erfolgt, desto präziser lässt sich eine feldabhängige Korrektur, also eine in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse ortsabhängige Korrektur, einzelner Abbildungsfehler vornehmen.
Die Abbildungsfunktionen können zunächst durch geeignete Simulationen ermittelt werden. Dabei können die Abbildungsfunktionen Polynome umfassen. Aus einer Abbildungsfunktion kann anschließend eine optische Struktur für ein optisches Element berechnet werden, sodass das optische Element die konkrete Abbildungsfunktion umsetzt oder implementiert. Bei der Struktur kann es sich um eine refraktive Struktur, zum Beispiel eine entsprechende Oberflächengeometrie einer asphärischen Linse, und/oder eine diffraktive Struktur handeln.
Die Optimierung der Abbildungsfunktion oder der Abbildungsfunktionen in Bezug auf die Korrektur von Abbildungsfehlern kann zunächst auf einen Ansatz der binären Optik (siehe zum Beispiel: Zemax OpticStudio 20.3 User Manual, September 2020), zum Beispiel Binary Optio 1 , eingeschränkt sein. Die Oberflächenform und/oder die lokale Phasenänderung, welche zum Erreichen einer optimierten optischen Abbildungsfunktion erforderlich ist, kann über einen Polynom-Ansatz, wie er aus Modellen für eine flache Asphäre bekannt ist, ermittelt werden. Es kann beispielsweise der folgende Ansatz verwendet werden: Dabei repräsentiert z das Oberflächenprofil oder die Oberflächenvertiefung in Abhängigkeit von einem Radius r, wobei cn Koeffizienten, c die Krümmung c=1/R bezogen auf den Krümmungsradius R und k die konische Konstante sind. Die Phasenänderung oder das Phasenprofil F kann mittels des folgenden Polynom-Ansatzes ausgedrückt werden:
Dabei ist M die Beugungsordnung, N die Anzahl der Polynome der Reihe, Ai ist der Koeffizient des i-ten Polynoms, die Polynome Ei(x,y) sind Potenzreihenentwicklungen in x und y.
Der erfindungsgemäße Wellenfrontmanipulator hat den Vorteil, dass er zwischen einem Projektionsobjektiv oder einer Eintrittspupille und dem Bildfeld, insbesondere der gekrümmten Projektionsoberfläche oder der Eyebox, angeordnet werden kann und damit die Möglichkeit bietet, ortsabhängige Abbildungsfehler, insbesondere in Bezug auf die Position im Bildfeld (im folgenden auch Feld genannt), mit hoher Präzision zu korrigieren. Eine Korrektur von Abbildungsfehlern kann somit außerhalb des Projektionsobjektivs in einem Abstand zu diesem an einer Position im Strahlengang erfolgen, wo der Strahlengang bereits aufgeweitet ist und daher eine gezieltere und präzisere Korrektur einzelner Abbildungsfehler als innerhalb des Projektionsobjektivs möglich ist.
In einer ersten Ausführungsvariante ist die Mehrzahl optischer Elemente mit voneinander abweichenden Abbildungsfunktionen in einer Ebene senkrecht zu einer optischen Achse nebeneinander als Segmente angeordnet. Es kann sich bei der Mehrzahl optischer Elemente um Segmente eines optischen Bauteils handeln, welches segmentiert ausgestaltet ist. Eine Segmentierung senkrecht zur optischen Achse ermöglicht es, in einem bereits aufgeweiteten Strahlengang ortsabhängige Korrekturen vorzunehmen. Es können insbesondere einzelne Segmente zur Korrektur ortsabhängiger spezifischer Abbildungsfehler ausgelegt sein. Da das Auftreten und die Zusammensetzung der verschiedenen Abbildungsfehler feldabhängig ist, also abhängig von der Position im Bildfeld, können die Abbildungsfehler an konkreten Feldpunkten mit ortsabhängigen Abbildungsfunktionen der einzelnen Segmente besser als bisher korrigiert werden. Jedes Segment kann somit zur Korrektur der jeweiligen feldabhängigen Abbildungsfehler ausgebildet sein.
In einer weiteren Variante, welche zusätzlich oder alternativ zu der Variante der Segmentierung verwirklicht sein kann, sind mindestens zwei der Mehrzahl optischer Elemente in Bezug auf eine optische Achse im Strahlengang hintereinander angeordnet. In dieser Variante sind die einzelnen optischen Elemente vorzugsweise analog zu den Segmenten mit Abbildungsfunktionen ausgestaltet, die zur Korrektur ortsabhängiger spezifischer Abbildungsfehler ausgelegt sind. Die Anordnung der optischen Elemente hintereinander bietet einerseits Vorteile im Hinblick auf die Ausnutzung des zur Verfügung stehenden Bauraums. Darüber hinaus kann eine gestufte Korrektur erfolgen. Es können also verschiedene Abbildungsfehler, die an einem konkreten Feldpunkt oder in einem bestimmten Feldbereich auftreten, nacheinander korrigiert werden.
Sowohl in dieser Variante als auch im Rahmen der Variante einer segmentierten Ausgestaltung können einzelne optische Elemente in Bezug aufeinander gekippt angeordnet sein und/oder zueinander kippbar ausgestaltet sein. Jedes Element kann mit anderen Worten eine Mittelachse umfassen, wobei in einer zueinander gekippten Position die Mittelachsen verschiedener optischer Elemente einen Winkel einschließen, der größer ist als 0 Grad. Eine gekippte Ausgestaltung oder Anordnung ermöglicht es, einen günstigen Winkel einzelner optischer Elemente in Bezug auf die gekrümmte Projektionsoberfläche einzustellen.
Im Zusammenhang einer Anwendung von Head-up-Displays in Kraftfahrzeugen ist ein Projektionsobjektiv eines Head-up-Displays üblicherweise in eine Konsole oder in eine Armatur integriert angeordnet. Die Oberfläche der Konsole oder der Armatur verläuft jedoch in der Regel nicht parallel zur Oberfläche der Windschutzscheibe, sondern ist in Bezug auf diese gekippt angeordnet. Aufgrund der Kippung der Windschutzscheibe und einer Auskoppelebene des Projektionsobjektivs zueinander ist eine Korrektur dieser Kippung erforderlich. Eine solche Korrektur kann mittels des erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulators erfolgen. Dabei kann insbesondere die zu korrigierende Kippung durch eine gekippte Anordnung mehrerer optischer Elemente des Wellenfrontmanipulators zueinander korrigiert werden.
Im Falle einer segmentierten Ausgestaltung kann eine Mehrzahl an Segmenten in der Form einer Matrix angeordnet sein, zum Beispiel in Form einer quadratischen Matrix. Die Segmente können zum Beispiel mindestens in der Form einer nxm-Matrix angeordnet sein, wobei n mindestens drei beträgt (n>3) und m mindestens drei beträgt (m>3). Die Anordnung kann beispielsweise in Form einer 3x3-Matrix oder einer 5x5-Matrix oder einer 7x7- Matrix oder einer 3x4-Matrix usw. ausgestaltet sein.
Einzelne Abbildungsfunktionen sind vorzugsweise feldabhängig, also ortsabhängig ausgestaltet und/oder vom Krümmungsradius der gekrümmten Projektionsoberfläche abhängig ausgestaltet. Flierdurch wird eine sehr gute Fehlerkorrektur erreicht.
Die Mehrzahl optischer Elemente mit voneinander abweichenden Abbildungsfunktionen können als refraktive und/oder diffraktive und/oder transmissive und/oder reflektive optische Elemente ausgestaltet sein. Eins oder mehrere der optischen Elemente können beispielsweise als asphärische Linsen ausgestaltet sein. In einer weiteren Variante kann die Mehrzahl optischer Elemente mit voneinander abweichenden Abbildungsfunktionen Freiformflächen umfassen, beispielsweise refraktive und/oder diffraktive Freiformflächen. Zusätzlich oder alternativ dazu kann die Mehrzahl optischer Elemente mit voneinander abweichenden Abbildungsfunktionen holographische Strukturen, beispielsweise mindestens ein Hologramm oder holographische Strukturelemente, und/oder mindestens einen Mangin- Spiegel, zum Beispiel einen diffraktiven Mangin-Spiegel, umfassen. Vorzugsweise ist der Wellenfrontmanipulator dazu ausgelegt, eine maximale Ausdehnung eines Bildpunktes von 90 pm im halben Feld (half field) und/oder 120 pm im vollen oder ganzen Feld (full field) zu bewirken. Unter dem halben Feld wird in Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung die halbe Ausdehnung der Abbildung in einer Bildebene gemessen von der Bildmitte senkrecht zur optischen Achse verstanden. Unter dem vollen oder ganzen Feld wird in Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung die volle Ausdehnung der Abbildung in einer Bildebene gemessen von der Bildmitte senkrecht zur optischen Achse verstanden. Ein idealer Punkt wird also auf einen Bildpunkt mit einer maximalen Ausdehnung, zum Beispiel einem maximalen Durchmesser, von 90 pm im halben Feld und/oder von 120 pm im vollen Feld abgebildet. In vorteilhafteren Ausgestaltungen wird eine Einschränkung der Ausdehnung der einzelnen Bildpunkte auf maximal 70 pm, insbesondere maximal 50 pm, beispielsweise maximal 25 pm oder vorzugsweise maximal 10 pm im halben Feld und/oder vollen Feld bewirkt. Im vollen Feld ist auch eine Ausdehnung der einzelnen Bildpunkte von maximal 90 pm von Vorteil.
Vorzugsweise ist der Wellenfrontmanipulator dazu ausgelegt ist, ein Airy- Scheibchen mit einer Ausdehnung von weniger als 25 Mikrometer zu erzeugen. Er ist mit anderen Worten so ausgestaltet, dass die Größe des Airy- Scheibchens oder Beugungsscheibchens, also die Ausdehnung (z.B. der Durchmesser) eines beugungsbegrenzten Bildpunktes (Spot) eines Objektpunktes der Ausdehnung 0 weniger als 25 Mikrometer (25 pm), zum Beispiel 23 Mikrometer (23 pm), beträgt. Die Einschränkung der Ausdehnung der einzelnen Bildpunkte kann bezogen auf die Ausdehnung des Airy- Scheibchens angegeben werden, zum Beispiel mittels des Quotienten aus der Ausdehnung des erzielten Bildpunktes und der Ausdehnung, insbesondere dem Durchmesser, des Airy-Scheibchens. Im Falle eines Durchmessers des Airy-Scheibchens von 23 Mikrometern und eines Durchmessers eines Bildpunktes von 90 Mikrometern ergibt sich ein Durchmesser des Bildpunktes mit der Größe des 3,9-fachen Durchmessers des Airy-Scheibchens. Der Wellenfrontmanipulator ist bevorzugt dazu ausgelegt, eine Ausdehnung eines Bildpunktes auf weniger als die 4-fache Ausdehnung des Airy-Scheibchens im halben Feld und/oder auf weniger als die 5,5-fache Ausdehnung des Airy- Scheibchens im vollen Feld zu bewirken. Durch die beschriebene Einschränkung der Ausdehnung der Bildpunkte wird ein wesentlicher Bereich der Abbildungsfehlerkorrektur erreicht, wobei durch die Einschränkung der Ausdehnung der Bildpunkte insbesondere auch sphärische Aberrationen, Koma, Astigmatismus und Defokus zumindest reduziert werden.
Weiterhin kann der Wellenfrontmanipulator ein Sichtfeld (FOV - field of view) von mindestens +1-7,5 Grad mal +1-4 Grad, vorzugsweise mindestens +/-12 Grad mal +/-6 Grad aufweisen. Zudem kann der Wellenfrontmanipulator dazu ausgebildet sein, eine Eyebox einer Ausdehnung in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse der Eyebox von mindestens 120 Millimetern mal mindestens 60 Millimetern (120mm x 60mm), vorzugsweise mindestens 150 Millimetern mal mindestens 150 Millimetern (150mm x 150mm), zu generieren.
Mit Hilfe eines segmentiert ausgestalteten Wellenfrontmanipulators kann zum Beispiel mit lediglich einem segmentierten Bauteil sowohl für eine transmissive als auch eine reflektive Ausgestaltung bzw. Anordnung eine Verringerung der Größe des Bildpunktes (Spotgröße) eines idealen Objektpunktes um 20 bis 30 Prozent erreicht werden. Eine sehr gute beugungsbegrenzte Korrektur kann bereits mit zwei optischen Elementen mit voneinander abweichenden Abbildungsfunktionen erreicht werden, insbesondere wenn mindestens eins der Elemente in Richtung der gekrümmten Projektionsoberfläche, beispielsweise der Windschutzscheibe, gekippt angeordnet ist.
Die erfindungsgemäße optische Anordnung für ein Flead-up-Display an einer gekrümmten Projektionsoberfläche, beispielsweise einer Windschutzscheibe eines Fahrzeuges mit einer gekrümmten Projektionsoberfläche, umfasst ein Projektionsobjektiv, zum Beispiel mit einem planaren Pupillenexpander. Die erfindungsgemäße optische Anordnung umfasst einen zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator. Der Wellenfrontmanipulator ist bevorzugt dazu ausgelegt im Strahlengang in Richtung einer gekrümmten Projektionsoberfläche von einem Pupillenexpander in einem festgelegten Abstand, zum Beispiel mindestens 0,1 Millimeter, insbesondere zwischen 0,1 Millimeter und 500 Millimeter, angeordnet zu werden. Der Pupillenexpander ist vorzugsweise im Strahlengang zwischen dem Projektionsobjektiv und dem Wellenfrontmanipulator angeordnet. Das Licht wird also von dem Pupillenexpander in Richtung des Wellenfrontmanipulators ausgekoppelt. Der Wellenfrontmanipulator kann also auch räumlich zwischen dem Pupillenexpander und dem Projektionsobjektiv angeordnet sein, insbesondere falls der Pupillenexpander transmissiv ausgestaltet ist.
Die erfindungsgemäße optische Anordnung hat den Vorteil, dass durch sie Abbildungsfehler, welche durch die Krümmung der Projektionsoberfläche verursacht werden, zumindest teilweise korrigiert werden können. Dabei hat die optische Anordnung die oben bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator genannten Merkmale, Eigenschaften und Vorteile. Insbesondere kann eine Eyebox einer Ausdehnung in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse der Eyebox von mindestens 120 Millimetern mal mindestens 60 Millimetern (120mm x 60mm), vorzugsweise mindestens 150 Millimetern mal mindestens 150 Millimetern (150mm x 150mm) erzeugt werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist ein Wellenleiter im Strahlengang zwischen dem Projektionsobjektiv und dem Wellenfrontmanipulator angeordnet. Der Wellenleiter ist vorteilhafterweise als Pupillenexpander ausgestaltet. Mittels des Wellenleiters ist es möglich, beispielsweise bei einer Verwendung der optischen Anordnung innerhalb eines Kraftfahrzeuges, bauraumspezifischen Besonderheiten Rechnung zu tragen und eine platzsparende Positionierung der optischen Anordnung ohne eine Beeinträchtigung der Qualität der optischen Abbildung zu gewährleisten.
Mindestens eins der Mehrzahl der optischen Elemente kann im Strahlengang vor und/oder hinter dem Wellenleiter angeordnet sein. Hierdurch lässt sich die Abbildungsfehlerkorrektur bauraumeffizient optimieren.
Das erfindungsgemäße Head-up-Display umfasst eine gekrümmte Projektionsoberfläche. Das Head-up-Display umfasst eine zuvor beschriebene erfindungsgemäße optische Anordnung. Es hat die zuvor bereits genannten Merkmale, Eigenschaften und Vorteile. Die gekrümmte Projektionsoberfläche kann beispielsweise einen Krümmungsradius zwischen 300 Millimetern und 10000 Millimetern, zum Beispiel zwischen 3000 Millimetern und 7000 Millimetern, insbesondere zwischen 4000 Millimetern und 6000 Millimetern, aufweisen. Bei der gekrümmten Projektionsoberfläche handelt es sich vorzugsweise um eine Oberfläche einer Windschutzscheibe eines Fahrzeuges oder eine Oberfläche eines Sichtfensters.
Vorzugsweise ist der Wellenfrontmanipulator in Bezug auf die optische Achse in einem Abstand d2 zwischen 100 Millimetern und 1000 Millimetern (100 mm < d2 ^ 1000 mm), insbesondere zwischen 250 Millimetern und 500 Millimetern (250 mm < d2 ^ 500 mm), von der gekrümmten Projektionsoberfläche angeordnet. Zusätzlich oder alternativ dazu ist bevorzugt ein Abstand d3 zwischen der gekrümmten Projektionsoberfläche und einer Eyebox, also einer Ebene oder einem Raumbereich in welchem die auf die Projektionsoberfläche projizierte Abbildung für einen Betrachter als virtuelles Bild wahrnehmbar ist, zwischen 300 Millimetern und 1000 Millimetern (300 mm < d3 ^ 1000 mm), insbesondere zwischen 600 Millimetern und 700 Millimetern (600 mm < d3 ^ 700 mm), beispielsweise in einem Abstand von 650 Millimetern, vorgesehen.
In einer weiteren Ausgestaltungsvariante umfasst das Head-up-Display im Bereich der gekrümmten Projektionsoberfläche eine optische Achse, welche die Einfallsrichtung von Lichtwellen auf die gekrümmte Projektionsoberfläche kennzeichnet. Die optischen Elemente weisen jeweils eine Mittelachse auf. Die gekrümmte Projektionsoberfläche weist im Bereich eines Schnittpunktes mit der optischen Achse eine Oberflächennormale auf, welche einen Winkel zwischen 0 Grad und 90 Grad mit der Mittelachse eines der gekrümmten Projektionsoberfläche zugewandten Oberfläche mindestens eines optischen Elements der Mehrzahl an optischen Elementen des Wellenfrontmanipulators einschließt. Es ist also mit anderen Worten das der gekrümmten Projektionsoberfläche zugewandte optische Element des Wellenfrontmanipulators in Richtung der gekrümmten Projektionsoberfläche, also zu dieser hingewandt, gekippt angeordnet. Der Wellenfrontmanipulator kann beispielsweise mindestens zwei transmissiv ausgestaltete optische Elemente umfassen. Zusätzlich oder alternativ dazu kann der Strahlengang im Bereich der Auskopplung aus dem Projektionsobjektiv in eine von der gekrümmten Projektionsoberfläche abgewandte Ausbreitungsrichtung verlaufen und mittels mindestens eines Spiegels, beispielsweise eines Mangin-Spiegels, umgelenkt werden und optional durch eine Freiformlinse in Richtung der gekrümmten Projektionsoberfläche geführt werden.
Die vorliegende Erfindung hat insgesamt den Vorteil, dass mittels eines von einem Projektionsobjektiv beabstandet angeordneten
Wellenfrontmanipulators eine verbesserte Abbildungsfehlerkorrektur ermöglicht wird, wobei die Krümmung einer Oberfläche, auf oder hinter welcher durch ein Head-up-Display ein virtuelles Bild erzeugt werden soll, berücksichtigt wird. Dabei kann die Abbildungsfehlerkorrektur für jedes einzelne Feldsegment vorgenommen und in Bezug auf dieses optimiert werden. Die Segmentierung des Wellenfrontmanipulators kann in diesem Fall gut zwischen Feldbündeln vermitteln, so dass mit vergleichsweise geringem Aufwand auf diese Weise für die gesamte Eyebox eines Flead-up-Displays eine sehr gute Abbildungsfehlerkorrektur erfolgen kann.
Die Eyebox weist ab einer bestimmten Größe infolge der Pupillenreplikation eine vervielfältigte Pupille auf, die die Eyebox ausfüllt. Durch die Segmentierung im Rahmen des Wellenfrontmanipulators können die einzelnen Segmente auf eine begrenzte Anzahl an Strahlenbündeln angepasst werden. So können Abbildungsfehler besser korrigiert werden. Zudem ist eine Anpassung auf verschiedene Augenpupillenstellungen möglich.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher erläutert. Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wird, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. Die Figuren sind nicht notwendigerweise detailgetreu und maßstabsgetreu und können vergrößert oder verkleinert dargestellt sein, um einen besseren Überblick zu bieten. Daher sind hier offenbarte funktionale Einzelheiten nicht einschränkend zu verstehen, sondern lediglich als anschauliche Grundlage, die dem Fachmann auf diesem Gebiet der Technik Anleitung bietet, um die vorliegende Erfindung auf vielfältige Weise einzusetzen.
Der hier verwendete Ausdruck „und/oder“, wenn er in einer Reihe von zwei oder mehreren Elementen benutzt wird, bedeutet, dass jedes der aufgeführten Elemente alleine verwendet werden kann, oder es kann jede Kombination von zwei oder mehr der aufgeführten Elemente verwendet werden. Wird beispielsweise eine Zusammensetzung beschrieben, die die Komponenten A, B und/oder C, enthält, kann die Zusammensetzung A alleine; B alleine; C alleine; A und B in Kombination; A und C in Kombination; B und C in Kombination; oder A, B, und C in Kombination enthalten.
Figur 1 zeigt schematisch ein Kraftfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Flead-up-Display.
Figur 2 zeigt schematisch den Strahlengang des in der Figur 1 gezeigten Flead-up-Displays.
Figur 3 zeigt schematisch eine Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen Flead-up-Displays mit einer erfindungsgemäße optischen Anordnung und einem erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator, wobei simulierte Strahlengänge gezeigt sind.
Figur 4 zeigt schematisch eine weitere Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen Flead-up-Displays mit einer erfindungsgemäße optischen Anordnung und einem erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator, wobei simulierte Strahlengänge gezeigt sind. Figur 5 zeigt schematisch eine weitere Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen Flead-up-Displays mit einer erfindungsgemäße optischen Anordnung und einem erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator, wobei simulierte Strahlengänge gezeigt sind.
Figur 6 zeigt schematisch eine weitere Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen Flead-up-Displays mit einer erfindungsgemäße optischen Anordnung und einem erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator, wobei simulierte Strahlengänge gezeigt sind.
Figur 7 zeigt schematisch eine weitere Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen Flead-up-Displays mit einer erfindungsgemäße optischen Anordnung und einem erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator, wobei simulierte
Strahlengänge gezeigt sind.
Figur 8 zeigt schematisch eine weitere Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen Flead-up-Displays mit einer erfindungsgemäße optischen Anordnung und einem erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator, wobei simulierte Strahlengänge gezeigt sind.
Figur 9 zeigt schematisch eine weitere Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen Flead-up-Displays mit einer erfindungsgemäße optischen Anordnung und einem erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator, wobei simulierte Strahlengänge gezeigt sind. Figur 10 zeigt schematisch eine weitere Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen Flead-up-Displays mit einer erfindungsgemäße optischen Anordnung und einem erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator, wobei simulierte Strahlengänge gezeigt sind.
Figur 11 zeigt schematisch eine weitere Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen Head-up-Displays mit einer erfindungsgemäße optischen Anordnung und einem erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator, wobei simulierte
Strahlengänge gezeigt sind.
Figur 12 zeigt schematisch eine Anordnung der einzelnen Komponenten eines erfindungsgemäßen Flead-up-Displays und einer erfindungsgemäßen optischen Anordnung im Strahlengang in Form eines Blockdiagramms.
Die Figur 1 zeigt schematisch ein Kraftfahrzeug 11 mit einem darin sitzenden Nutzer, beispielsweise einem Fahrer 12. Das Kraftfahrzeug 11 umfasst eine Windschutzscheibe 13 mit einer gekrümmten Projektionsoberfläche 14. Dabei ist sowohl die Außenoberfläche als auch die Innenoberfläche der Windschutzscheibe 13 gekrümmt ausgestaltet, vorzugsweise im gleichen Ausmaß gekrümmt. Ein Flead-up-Display 10 ist in eine vor dem Nutzer 12 angeordnet Armatur 15 integriert angeordnet. Das Flead-up-Display 10 ist so ausgestaltet, dass es auf der Oberfläche 14 der Windschutzscheibe 13 oder in Fahrtrichtung vor der Oberfläche 14 der Windschutzscheibe 13 ein virtuelles Bild 1 erzeugt.
Die Figur 2 zeigt schematisch den Strahlengang eines erfindungsgemäßen Flead-up-Displays 10. Das Flead-up-Display 10 umfasst eine bildgebende Einheit mit einem Projektionsobjektiv 2, einen als Pupillenexpander ausgestalteten Wellenleiter 17 und einen von dem Pupillenexpander 17 in einem festgelegten, möglichst geringen, Abstand di angeordneten Wellenfrontmanipulator 3. Der Abstand di kann mindestens 0,1 Millimeter betragen, insbesondere zwischen 0,1 mm und 500 mm betragen. Der Wellenfrontmanipulator 3 kann in der Figur über oder unter dem Pupillenexpander 17 angeordnet sein. Bei einer Anordnung unter dem Pupillenexpander 17 koppelt der Pupillenexpander Licht nach unten aus und der Wellenfrontmanipulator 3 spiegelt das Licht nach oben durch den Pupillenexpander 17 hindurch zu der Windschutzscheibe 13.
Der Wellenfrontmanipulator 3 ist in Richtung einer optischen Achse 21 des Wellenfrontmanipulators 3 in einem Abstand d2 von der Projektionsoberfläche 14 der Windschutzscheibe 13 an einem Schnittpunkt 25 der Projektionsoberfläche 14 mit einer in Richtung der Eyebox verlaufenden optischen Achse 5 angeordnet, vorzugsweise in einem Abstand von 100 Millimetern bis 1000 Millimetern, zum Beispiel von 250 Millimetern bis 500 Millimetern. Die Projektionsoberfläche 14 kann einen Krümmungsradius zwischen 300 Millimetern und 10000 Millimetern aufweisen.
Durch das Projektionsobjektiv 2 werden Lichtstrahlen in Richtung des Wellenfrontmanipulators 3 ausgesendet. Mittels des Wellenfrontmanipulators 3 erfolgt eine feldabhängige Korrektur von Abbildungsfehlern, welche durch die gekrümmte Projektionsoberfläche 14 der Windschutzscheibe 13 hervorgerufen werden. Der Wellenfrontmanipulator 3 leitet Lichtwellen in Richtung der Windschutzscheibe 13 bzw. der gekrümmten Projektionsoberfläche 14. An der gekrümmten Projektionsoberfläche 14 werden die Lichtwellen in Richtung einer Eyebox 4 reflektiert. Die Eyebox 4 bildet dabei den Bereich, in welchem sich ein Nutzer 12 befinden muss oder kann, um das durch das Head-up-Display 10 erzeugte virtuelle Bild 1 wahrnehmen zu können. Der Abstand d3 zwischen der Eyebox 4 und der gekrümmten Projektionsoberfläche 14 im Bereich der optischen Achse 5 liegt vorzugsweise zwischen 600 Millimetern und 700 Millimetern.
Die Eyebox 4 kann eine Abmessung von bis zu 150 mm Breite und bis zu 150 mm Höhe (150mm x 150mm), zum Beispiel eine Abmessung von 120mm x 60mm, aufweisen. Die Abbildungsfunktionen der optischen Elemente 8, 9 des Wellenfrontmanipulators 3 können für verschiedene Augenpupillenstellungen, also verschiedene Positionen innerhalb der Eyebox 4, angepasst sein, insbesondere optimiert sein.
In den in den Figuren 3 ff. gezeigten Ausführungsvarianten umfasst der Wellenfrontmanipulator 3 jeweils optional ein ideale Linse 6 und eine Mehrzahl optischer Elemente 8 und 9 mit voneinander abweichenden Abbildungsfunktionen. Die einzelnen optischen Elemente 8 und 9 können als Segmente eines optischen Bauteils 7 ausgestaltet sein oder als jeweils einzelne optische Bauteile. In der in der Figur 3 ist eine segmentierte Ausgestaltung gezeigt. In der Figur 4 ist eine Ausgestaltung der Mehrzahl optischer Elemente 8 und 9 als separate optische Bauteile gezeigt.
In der in der Figur 3 gezeigten Variante ist ausgehend von dem Projektionsobjektiv 2 in Richtung des Strahlenganges 20 optional eine Linse 6, die hier lediglich zur Veranschaulichung zum Zweck der Analyse des grundsätzlichen Stahlenganges eingezeichenet ist, und dahinter ein segmentiert aufgebautes optisches Bauteil 7 angeordnet. Die optische Achse des Wellenfrontmanipulators 3 ist in den Figuren mit der Bezugsziffer 21 gekennzeichnet. Die einzelnen Segmente 8, 9 sind im Rahmen des optischen Bauteils 7 in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse 21 angeordnet. Dabei sind die einzelnen optischen Elemente 8, 9 vorzugsweise in Form einer Matrix, zum Beispiel einer nxm-Matrix angeordnet m und n betragen dabei vorteilhafter Weise mindestens 3. Die Segmente 8, 9 können zum Beispiel in Form einer 3x3-Matrix, einer 5x5-Matrix, einer 7x7-Matrix oder in Form einer anderen beliebigen Matrix-Anordnung angeordnet sein.
Jedes Segment 8, 9, also jedes der einzelnen optischen Elemente weist eine individuelle Abbildungsfunktion auf und korrigiert mindestens einen Abbildungsfehler, der durch die Krümmung der Oberfläche 14 hervorgerufen wird, zumindest teilweise. Die einzelnen Abbildungsfunktionen können beispielsweise wellenlängenabhängig und/oder feldabhängig, also ortsabhängig im Hinblick auf die Position des einzelnen optischen Elements 8, 9 in der Matrix oder allgemeiner ortsabhängig im Hinblick auf die Ebene des Bauteils 7 senkrecht zur optischen Achse 21 ausgestaltet sein. Die Figuren 4 bis 6 zeigen Ausgestaltungsvarianten, in welchen jeweils zwei optische Elemente 8 und 9 in Form von separaten Bauteilen im Strahlengang 20 hintereinander angeordnet vorhanden sind. Die einzelnen optischen Bauteile 8 und 9 können ihrerseits jeweils zusätzlich senkrecht zur optischen Achse 21 segmentiert ausgestaltet sein, also beispielsweise ähnlilch dem optischen Bauteil 7, welches im Zusammenhang mit der Figur 3 beschrieben wurde.
In den in den Figuren 4 und 5 gezeigten Varianten sind ein erstes optisches Element 8 und ein zweites optisches Element 9 jeweils senkrecht zur optischen Achse 21 und parallel zueinander angeordnet. Die optischen Elemente 8 und 9 weisen voneinander abweichende Abbildungsfunktionen auf und sind dazu ausgelegt, spezifische durch die Krümmung der Oberfläche 14 hervorgerufene Abbildungsfehler zu korrigieren. Die Verwendung mehrerer voneinander unabhängiger Abbildungsfunktionen ermöglicht es, eine Mehrzahl an Abbildungsfehlern präzise zumindest teilweise zu korrigieren.
In der in der Figur 5 gezeigten Variante bewirken die Abbildungsfunktionen der optischen Elemente 8 und 9 eine Verlängerung des Strahlenganges 20. Dies trägt zu einer verbesserten Korrektur von Abbildungsfehlern bei.
In der in der Figur 6 gezeigten Variante sind die optischen Elemente 8 und 9 zueinander verkippt angeordnet. Die optischen Elemente 8 und 9 weisen jeweils eine Mittelachse auf, die für der optische Element 8 mit der Bezugsziffer 28 und für der optische Element 9 mit der Bezugsziffer 29 gekennzeichnet ist. Die Mittelachsen 28 und 29 schließen in der zueinander verkippten Position einen Winkel a ein, der größer ist als 0° und kleiner ist als 180°. Es sind in der Figur 6 die optischen Elemente 8 und 9 jeweils in einer Ausgangsposition mit ihrer Mittelachse 28, 29 parallel zur optischen Achse 21 und in einer gekippten Position gezeigt. Die Kippwinkel in Bezug auf die Ausgangspositionen sind durch Pfeile mit den Bezugsziffern 18 und 19 gekennzeichnet. In dieser Ausführungsvariante befindet sich mindestens eins der optischen Elemente 8 und 9 in einer gekippten Position. In den in den Figuren 7 bis 11 gezeigten Ausführungsvarianten ist mindestens ein reflektives optisches Element, beispielsweise ein Spiegel, vorzugsweise ein Mangin-Spiegel in dem Wellenfrontmanipulator vorhanden. Darüber hinaus ist ein Wellenleiter 17 vorhanden, der vorzugsweise als Pupillenexpander ausgestaltet ist. Der Wellenleiter 17 ist in den Figuren 7 bis 11 lediglich schematisch angedeutet, seine reale Position im Strahlengang ist schematisch in den Figuren 2 und 12 gezeigt. Der Wellenleiter 17 kann Bestandteil des Wellenfrontmanipulators 3 sein. Das Projektionsobjektiv 2 und die Linse 6 sind in den Figuren 7 bis 11 lediglich zur Veranschaulichung zum Zweck der Analyse des grundsätzlichen Stahlenganges positioniert. Die Figuren spiegeln also nicht die reale räumliche Anordnung der gezeigten Bauteile wider, sondern lediglich den prinzipiellen Stahlengang.
Die dem Wellenfrontmanipulator 3 zugewandte Oberfläche 14 Windschutzscheibe 13 weist im Bereich der optischen Achse 5 eine Oberflächennormale 16 auf. Die Oberflächennormale 16 schließt mit der Mittelachse 29 des der gekrümmten Oberfläche 14 zugewandten optischen Elements 9 einen Winkel zwischen 0 Grad und 90 Grad ein. Diese Kippung zur Windschutzscheibe 13 hin ermöglicht eine verbesserte Abbildungsfehlerkorrektur.
In der in der Figur 7 gezeigten Ausführungsvariante umfasst der Wellenfrontmanipulator 3 ein reflektiv ausgestaltetes optisches Bauteil 7 mit einer Mittelachse 27, welches in Bezug auf die Oberflächennormale 16 der gekrümmten Projektionsoberfläche 14 und in Bezug auf die ideale Linse 6 leicht gekippt angeordnet. Ein lediglich schematisch als Linie angedeuteter Wellenleiter 17 ist im Strahlengang 20 zwischen der idealen Linse 6 und dem reflektiv ausgestalteten optischen Bauteil 7, also dem Spiegel, angeordnet. In der in der Figur 8 gezeigten Variante ist abweichend von der in der Figur 7 gezeigten Variante das reflektiv ausgestaltete optische Bauteil 7 in Bezug auf die gekrümmte Projektionsoberfläche 14 in die andere Richtung leicht gekippt angeordnet. Die ideale Linse 6 ist in den in den Figuren 7 bis 11 gezeigten Ausführungsvarianten nicht zwingend Bestandteil des Wellenfrontmanipulators 3. Dieser kann in den Figuren 7 und 8 lediglich das reflektive optische Bauteil 7, also den Spiegel, umfassen, welches segmentiert ausgestaltet ist und einzelne optische Elemente mit voneinander abweichenden Abbildungsfunktionen aufweist. Der Wellenleiter 17 kann, muss aber nicht Bestandteil des Wellenfrontmanipulators 3 sein. Das Gleiche gilt für die ideale Linse 6.
In den in den Figuren 9 bis 11 gezeigten Varianten umfasst der Wellenfrontmanipulator 3 ein reflektiv ausgestaltetes optisches Bauteil 7, welches einem ersten optischen Element 8 entsprechen kann, und mindestens eine Asphäre 22, welche einem zweiten optischen Element 9 entsprechen kann. Unter einer Asphäre wird eine Linse mit einer rotationssymmetrischen Oberfläche verstanden, deren Oberfläche Oberflächenbereiche mit voneinander abweichenden Krümmungsradien aufweisen kann. Es sind in den Figuren 9 bis 11 verschieden ausgestaltete Asphären 22 gezeigt. Die mindestens eine Asphäre 22 oder auch ein anderes optisches Element kann im Strahlengang 20 vor oder hinter einem Wellenleiter 17 angeordnet sein.
In den in den Figuren 9 und 10 gezeigten Varianten ist jeweils eine Asphäre 22 vorhanden. Die Asphäre 22 ist im Strahlengang 20 vor dem Wellenleiter 17 und das reflektiv ausgestaltete optische Bauteil 7 ist hinter dem Wellenleiter 17 angeordnet. Das reflektiv ausgestaltete optische Bauteil 7 ist in Bezug auf die gekrümmte Projektionsoberfläche 14 um einen festgelegten Kippwinkel gekippt angeordnet. In der Figur 11 sind die Asphäre 22 und das reflektiv ausgestaltete optische Bauteil 7 im Strahlengang hinter dem Wellenleiter 17 angeordnet. In dieser Variante kann der Wellenleiter 17 Bestandteil des Wellenfrontmanipulators 3 sein, muss es aber nicht zwingend. In den in den Figuren 9 bis 11 gezeigten Varianten sind das reflektiv ausgestaltete optische Bauteil 7 und die Asphäre 22 in Bezug auf die gekrümmte Projektionsoberfläche 14 gekippt angeordnet. Zusätzlich ist die jeweils gezeigte Asphäre 22 in Bezug auf das reflektiv ausgestaltete optische Bauteil 7 zu diesem verkippt angeordnet. Die Figur 12 zeigt schematisch eine Anordnung der einzelnen Komponenten eines erfindungsgemäßen Head-up-Displays 10 und einer erfindungsgemäßen optischen Anordnung 23 im Strahlengang 20 in Form eines Blockdiagramms. Von einem Projektionsobjektiv 2 ausgesandte Lichtwellen werden in einen Wellenleiter 17 eingekoppelt. Das aus dem Wellenleiter 17 ausgekoppelte Licht wird mittels des Wellenfrontmanipulators 3 in Richtung der gekrümmten Projektionsoberfläche 14 geleitet, wobei Abbildungsfehler korrigiert werden. Das an der gekrümmten Projektionsoberfläche 14 reflektierte Licht gelangt anschließend zur Eyebox 4. Der Wellenfrontmanipulator 3 ist wie beispielsweise anhand der Figuren 3 bis 11 beschrieben, aufgebaut. Er kann den Wellenleiter 17, insbesondere den als Pupillenexpander ausgestalteten Wellenleiter, umfassen. Diese Variante ist in der Figur 12 gestrichelt angedeutet. Die erfindungsgemäße optische Anordnung 23 umfasst ein Projektionsobjektiv 2 und einen
Wellenfrontmanipulator 3, wobei der Wellenfrontmanipulator 3 einen Wellenleiter 17 umfassen kann, aber nicht umfassen muss.
Bezuqszeichenliste
1 virtuelles Bild
2 Projektionsobjektiv 3 Wellenfrontmanipulator
4 Eyebox
5 optische Achse
6 ideale Linse
7 optisches Bauteil 8 optisches Element
9 optisches Element
10 Head-up-Display
11 Kraftfahrzeug
12 Nutzer/Fahrer 13 Windschutzscheibe
14 gekrümmte Projektionsoberfläche
15 Armatur
16 Oberflächennormale
17 Wellenleiter/ Pupillenexpander 18 Kippwinkel
19 Kippwinkel
20 Strahlengang
21 optische Achse des Wellenfrontmanipulators
22 Asphäre 23 optische Anordnung
25 Schnittpunkt der optische Achse 5 mit der gekrümmten Projektionsoberfläche 14
27 Mittelachse
28 Mittelachse 29 Mittelachse di Abstand d2 Abstand d3 Abstand a Winkel

Claims

Patentansprüche
1. Wellenfrontmanipulator (3) zur Anordnung im Strahlengang (20) eines Head-up-Displays (10) zwischen einem Projektionsobjektiv (2) und einer gekrümmten Projektionsoberfläche (14) mit einer Anzahl an festgelegten Merkmalen, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenfrontmanipulator (3) eine Mehrzahl optischer Elemente (7, 8, 9, 22) mit voneinander abweichenden Abbildungsfunktionen umfasst, wobei jede Abbildungsfunktionen mindestens einen durch mindestens ein festgelegtes Merkmal der gekrümmten Projektionsoberfläche (14) verursachten Abbildungsfehler zumindest teilweise korrigiert.
2. Wellenfrontmanipulator (3) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl optischer Elemente (7, 8, 9, 22) mit voneinander abweichenden Abbildungsfunktionen in einer Ebene senkrecht zu einer optischen Achse (21 ) als Segmente angeordnet ist.
3. Wellenfrontmanipulator (3) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei der Mehrzahl optischer Elemente (7, 8, 9, 22) in Bezug auf eine optische Achse (21 ) im Strahlengang (20) hintereinander angeordnet sind.
4. Wellenfrontmanipulator (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei der Mehrzahl optischer Elemente (7, 8, 9, 22) in Bezug aufeinander gekippt angeordnet sind.
5. Wellenfrontmanipulator (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 in Verbindung mit Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl an Segmenten in der Form einer Matrix angeordnet ist.
6. Wellenfrontmanipulator (3) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Segmente mindestens in der Form einer nxm-Matrix angeordnet sind, wobei n mindestens 3 beträgt und m mindestens 3 beträgt.
7. Wellenfrontmanipulator (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Abbildungsfunktionen von dem Krümmungsradius der gekrümmten Projektionsoberfläche (14) abhängig und/oder feldabhängig ausgestaltet sind.
8. Wellenfrontmanipulator (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl optischer Elemente (7, 8, 9, 22) mit voneinander abweichenden Abbildungsfunktionen als refraktive und/oder diffraktive und/oder transmissive und/oder reflektive optische Elemente ausgestaltet sind.
9. Wellenfrontmanipulator (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl optischer Elemente (7, 8, 9, 22) mit voneinander abweichenden Abbildungsfunktionen Freiformflächen umfassen und/oder holographische Strukturen und/oder mindestens einen Mangin-Spiegel umfassen.
10. Wellenfrontmanipulator (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenfrontmanipulator (3) dazu ausgelegt ist, ein Airy-Scheibchen mit einer Ausdehnung von weniger als 25 Mikrometer zu erzeugen und/oder der Wellenfrontmanipulator (3) dazu ausgelegt ist, eine Ausdehnung eines Bildpunktes auf weniger als die 4-fache Ausdehnung des Airy-Scheibchens im halben Feld und/oder auf weniger als die 5,5-fache Ausdehnung des Airy- Scheibchens im vollen Feld zu bewirken.
11. Optische Anordnung (23) für ein Head-up-Display (10) an einer gekrümmten Projektionsoberfläche (14), welche ein Projektionsobjektiv (2) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Anordnung einen Wellenfrontmanipulator (3) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 umfasst.
12. Optische Anordnung (23) nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass ein Wellenleiter (17) im Strahlengang (20) zwischen dem Projektionsobjektiv (2) und dem Wellenfrontmanipulator (3) angeordnet ist.
13. Optische Anordnung (23) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eins der Mehrzahl optischer Elemente (7, 8, 9, 22) im Strahlengang (20) vor und/oder hinter dem Wellenleiter (17) angeordnet ist.
14. Head-up-Display (10), welches eine gekrümmte Projektionsoberfläche (14) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das Head-up-Display (10) eine optische Anordnung (23) nach einem der Ansprüche 11 bis 13 umfasst.
15. Head-up-Display (10) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenfrontmanipulator (3) in Bezug auf die optische Achse (21 ) in einem Abstand d2 von 100 Millimetern bis 1000 Millimetern von einer gekrümmten Projektionsoberfläche (14) angeordnet ist und/oder ein Abstand d3 zwischen der gekrümmten Projektionsoberfläche (14) und einer Eyebox (4) zwischen 300 Millimetern und 1000 Millimetern vorgesehen ist.
16. Head-up-Display (10) nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die gekrümmte Projektionsoberfläche (14) einen Krümmungsradius zwischen 300 Millimetern und 10000 Millimetern aufweist.
17. Head-up-Display (10) nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Head-up-Display (10) im Bereich der gekrümmten Projektionsoberfläche (14) eine optische Achse (21) umfasst, die optischen Elemente (7, 8, 9, 22) jeweils eine Mittelachse (27, 28, 29) aufweisen und die gekrümmte Projektionsoberfläche (14) eine Oberflächennormale (16) im Bereich der optischen Achse (21) aufweist, welche einen Winkel zwischen 0 Grad und 90 Grad mit der Mittelachse (27, 28, 29) eines der gekrümmten Projektionsoberfläche (14) zugewandten optischen Elements (7, 8, 9, 22) der Mehrzahl optischer Elemente des Wellenfrontmanipulators (3) einschließt.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2213951B (en) 1987-12-17 1991-09-18 Gec Avionics Head-up displays
US7098871B1 (en) 1998-08-05 2006-08-29 Microvision, Inc. Optical scanning system with correction
DE102004012032A1 (de) 2004-03-11 2005-09-29 Carl Zeiss Jena Gmbh Anzeigevorrichtung und Anzeigeverfahren
DE102004050574B4 (de) 2004-10-15 2017-10-19 Continental Automotive Gmbh Vorrichtung zur Darstellung von optischen Informationen mittels eines virtuellen Bildes, insbesondere in einem Kraftfahrzeug
CN106896506B (zh) * 2017-04-28 2019-07-26 京东方科技集团股份有限公司 一种平视显示装置、平视显示方法及车辆
WO2019238889A1 (de) * 2018-06-15 2019-12-19 Continental Automotive Gmbh Gerät zum erzeugen eines virtuellen bildes mit variabler projektionsdistanz
DE102018213061A1 (de) 2018-08-03 2020-01-30 Continental Automotive Gmbh Gerät zum Generieren eines virtuellen Bildes mit Störlichtunterdrückung
US20220091417A1 (en) * 2018-11-30 2022-03-24 Koito Manufacturing Co., Ltd. Head-up display

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