EP4352554A1 - Optische anordnung und head-up-display mit mehreren bildebenen - Google Patents

Optische anordnung und head-up-display mit mehreren bildebenen

Info

Publication number
EP4352554A1
EP4352554A1 EP22734306.8A EP22734306A EP4352554A1 EP 4352554 A1 EP4352554 A1 EP 4352554A1 EP 22734306 A EP22734306 A EP 22734306A EP 4352554 A1 EP4352554 A1 EP 4352554A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
holographic
arrangement
designed
imaging device
imaging
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP22734306.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Yi ZHONG-SCHIPP
Siemen KÜHL
Xiang Lu
Marc Junghans
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
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Carl Zeiss Jena GmbH filed Critical Carl Zeiss Jena GmbH
Publication of EP4352554A1 publication Critical patent/EP4352554A1/de
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/0101—Head-up displays characterised by optical features
    • G02B27/0103—Head-up displays characterised by optical features comprising holographic elements
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/42—Diffraction optics, i.e. systems including a diffractive element being designed for providing a diffractive effect
    • G02B27/4205—Diffraction optics, i.e. systems including a diffractive element being designed for providing a diffractive effect having a diffractive optical element [DOE] contributing to image formation, e.g. whereby modulation transfer function MTF or optical aberrations are relevant
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/32—Holograms used as optical elements
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/0101—Head-up displays characterised by optical features
    • G02B27/0103—Head-up displays characterised by optical features comprising holographic elements
    • G02B2027/0105—Holograms with particular structures
    • G02B2027/0107—Holograms with particular structures with optical power
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/0179—Display position adjusting means not related to the information to be displayed
    • G02B2027/0185—Displaying image at variable distance

Definitions

  • the present invention relates to an optical arrangement for a head-up display (HUD) and a head-up display.
  • HUD 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 in an imaging plane 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.
  • the object of the present invention to provide an advantageous optical arrangement for a head-up display on a projection surface and an advantageous head-up display which, in particular, enable virtual images to be generated in different image planes.
  • the optical arrangement according to the invention for a head-up display on a projection surface comprises an imaging device and at least one wavefront manipulator arranged in the beam path between the imaging device and the projection surface.
  • the imaging device comprises at least one imaging unit.
  • the optical arrangement according to the invention is designed to generate virtual images in at least two different image planes, ie image planes with different image widths.
  • the image distance is the distance between the image plane of the virtual image and the eyebox.
  • the imaging device has at least a first area and a second area.
  • the imaging device and the wavefront manipulator are designed in combination with one another to generate virtual images in a first image plane from images generated in the first region of the imaging device and in the to generate images of virtual images generated in the second region of the imaging device in a second image plane.
  • the at least two different or deviating image planes are located at different distances from the eyebox or from the projection surface along the optical axis.
  • the optical arrangement according to the invention has the advantage that a plurality of image planes with different image widths can be implemented in the head-up display.
  • the components required for this can be permanently installed in the head-up display. So no moving parts are required. This enables a robust optical arrangement and thus a correspondingly robust head-up display.
  • the production of an optical arrangement according to the invention is possible at low cost and existing head-up displays can optionally be retrofitted with little effort.
  • the first area and the second area of the imaging device can have a common imaging plane.
  • the imaging device can therefore only have a single imaging unit or component, which only has a segmented image layer, for example.
  • the first region of the imaging device can have a first imaging plane and the second region of the imaging device can have a second imaging plane. In this variant you can become the first
  • Imaging level and the second imaging level differ from each other.
  • two different components or imaging units can be present, which are arranged at a different distance from the wavefront manipulator.
  • This variant is particularly suitable for retrofitting existing head-up displays with a further imaging device or unit and in this way realizing a plurality of image planes with different image widths in the head-up display.
  • the at least one wavefront manipulator preferably comprises at least one holographic arrangement.
  • the at least one holographic arrangement is preferably designed for the diffraction of light of a plurality of wavelengths.
  • a plurality of holograms each of which diffracts light of one wavelength, and/or multiplex holograms, which diffract light of a plurality of wavelengths, can be arranged as hologram stacks.
  • the at least one wave front manipulator comprises at least one optical element which has a free-form surface.
  • the optical element, which has a free-form surface is advantageously arranged in the beam path between the imaging device and the holographic arrangement.
  • a plurality of free-form surfaces can be present, for example in the form of a plurality of corresponding optical elements or an optical element which has a plurality of free-form surfaces.
  • the individual free-form surfaces can each be designed for beam shaping of emitted light of a specific area of the imaging device and/or a specific imaging unit.
  • a first imaging unit or a first area and a first free-form surface arranged in the beam path of the light emitted by it and a second imaging unit or a second area and a second free-form surface arranged in the beam path of the light emitted by it can be present .
  • Wave front manipulator can be realized, which corrects, among other things, image errors or aberrations that occur.
  • imaging errors such as distortion, defocus, tilting, astigmatism, curvature of the image plane, spherical aberrations, higher astigmatism and coma, etc. can be corrected.
  • 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.
  • this claims optical element requires 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 in the broader sense as a complex surface that can be represented in particular by means of functions defined in certain areas, in particular functions defined in different areas that can be continuously differentiated twice.
  • 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 wavefront manipulator comprises at least a first holographic arrangement and a second holographic arrangement, the first holographic arrangement being designed to generate virtual images in the first image plane from images generated in the first region of the imaging device, and the second holographic Arrangement is designed to generate virtual images in the second image plane from images generated in the second region of the imaging device.
  • the first holographic arrangement can be designed for the diffraction of light of at least one first wavelength.
  • the first holographic arrangement can be designed for the diffraction of light of three different wavelengths of a defined color space.
  • the second holographic arrangement can be designed for the diffraction of light of at least a second wavelength.
  • the second holographic assembly may be designed to diffract light of three wavelengths of a specified color space, but different from the wavelengths for which the first holographic assembly is designed. The difference between the first and the second wavelength must exceed a specified limit value.
  • the first holographic array may be configured to diffract red light of a first wavelength and the second holographic array may be configured to diffract red light of a second wavelength slightly different from the first wavelength.
  • the two wavelengths of the red light can differ from one another by at least 10 nanometers or at least 20 nanometers, for example.
  • the first holographic arrangement and the second holographic arrangement can be designed for the diffraction of green and blue light with specified wavelengths, the wavelengths of the individual colors for which the holographic arrangements are designed differ by a specified differential amount.
  • the holographic arrangement and/or the at least one optical element, which comprises a free-form surface can each be designed to be reflective and/or transmissive. This allows variable
  • a reflective design of the optical element, which has the free-form surface is particularly advantageous since the optical element can in this way simultaneously contribute to a beam deflection that is required anyway, even at high angles of incidence without doing so to induce 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 be at least one of the imaging errors already mentioned.
  • the imaging error(s) can be caused by the projection surface, particularly in the case of a curved projection surface, and/or by the imaging unit and/or by the geometry of the beam path, for example in the context of a flat-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.
  • 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.
  • the holographic arrangement can comprise at least two holographic elements.
  • the at least two holographic elements are preferably 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 can also be designed to be reflective for at least one specified wavelength and one specified angle of incidence range.
  • the holographic elements are preferably designed to be transmissive.
  • 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 a significant increase in the imaging quality can be achieved by means of the wavefront manipulator with only a small amount of available installation space, 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.
  • reflective holograms offer a wider angular spectrum with a high efficiency and higher wavelength selectivity for a defined wavelength.
  • the color channels can be separated from one another despite a wide range of angles of incidence.
  • the holographic arrangement thus enables a large field of view (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.
  • Head-up displays with curved projection surfaces represent further possible applications, for example head-up displays for windshields of vehicles, in particular motor vehicles, rail vehicles, aircraft or ships, and generally for viewing windows.
  • Another advantage, which is 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.
  • each of the at least two holographic elements comprises a number of holograms.
  • Each hologram is recorded or generated with at least one specified wavelength.
  • a holographic element can, for example, comprise a number of holograms which can be arranged one on top of the other as a stack.
  • a holographic element can have a number, preferably a plurality, of monochromatic holograms.
  • a holographic element can comprise at least one hologram which is recorded or generated with at least two specified wavelengths.
  • Such a hologram is preferably recorded with three different wavelengths of a defined color space, for example designed as an RGB hologram or CMY hologram or as a hologram formed from a number of individual wavelengths of a different 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, holograms 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 hologram which is designed to be reflective for at least two, preferably three, wavelengths that differ from one another.
  • 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 in such a way that, for example, the red light recorded hologram of the first holographic element is arranged immediately adjacent to the recorded with red light hologram of the second holographic element.
  • 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 commonly used construction wavefront is preferably defined as a plane wave, which leads to a minimal filter effect between different wavelengths and also has the advantage that positioning tolerances of the holograms assigned to one color relative to each other can be chosen more generously compared to using a non-plane wave. In other words, they are varying distances of the holograms to one another in the direction of the optical axis and/or in the lateral direction, i.e. perpendicular to the optical axis, is possible without impairing the imaging quality.
  • the holographic arrangement, in particular at least one of the holographic elements is preferably 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. Furthermore, 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. Furthermore, at least one of the holographic elements can be designed in such a way that a free-form wavefront is converted into a plane
  • Wavefront transformed or a spherical wave transformed into a freeform wavefront At least one hologram can be recorded or exposed with waves that are with at least one free-form wave. 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.
  • 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 irradiation direction can also be chosen differently for each wavelength.
  • the distance and the thickness of the holograms are negligible compared to the dimension or extent of the wavefront manipulator or an optical arrangement comprising the wavefront manipulator.
  • the holographic arrangement is therefore free from aberrations potentially caused by an extension in the direction of an optical axis.
  • 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. In this case, 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.
  • the holographic arrangement can have a flat surface or a curved 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 transmissive The optical component equipped 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.
  • glare trap so-called glare trap
  • the holographic arrangement and the glare trap are preferably designed with the same curvature and are arranged directly adjacent to one another.
  • the wavefront manipulator enables a significantly stronger or more extreme deflection of the light used through the holographic elements than with classic refractive optical ones
  • the imaging device advantageously comprises at least one 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 device is preferably designed to emit laser light, in particular laser beams.
  • the imaging device is advantageously designed to emit laser light in at least two, preferably at least three, different waves. These are preferably three different wavelengths of a defined color space, for example red, green and blue or cyan, magenta and yellow. Since the holographic elements are more sensitive to the wavelength compared to other optical components such as mirrors and lenses, it is advantageous if the imaging Device is designed with a fixed maximum bandwidth with respect to the wavelengths of the emitted light.
  • the optical arrangement according to the invention preferably has a volume of less than 10 liters, in other words it takes up an installation space of less than 10 liters.
  • 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 on multiple image planes.
  • the optical arrangement according to the invention is suitable for retrofitting in, for example
  • the wavefront manipulator in particular the at least one holographic arrangement, is designed to
  • the imaging device may include a plurality of imaging units.
  • a first imaging unit can have the first area and a second imaging unit can have the second area of the imaging device.
  • each imaging unit can be designed to generate virtual images in a defined image plane.
  • the wavefront manipulator can include a plurality of holographic arrangements, which are each designed to generate virtual images in a defined image plane.
  • the wavefront manipulator can include a plurality of optical elements which have a free-form surface and which are designed to generate virtual images in at least one defined image plane. Also in these variants is a simple and Inexpensive retrofitting of existing head-up display systems using suitable holographic arrangements and/or free-form elements is possible at low cost in order to implement a head-up display with more than one image plane in different image widths.
  • the head-up display according to the invention comprises an optical arrangement according to the invention as described above. It has the features and benefits already mentioned above.
  • the projection surface can be a surface of a windshield of a vehicle or a viewing window.
  • the projection surface or the viewing window can be curved.
  • the vehicle can be a motor vehicle, an airplane, a rail vehicle or a ship.
  • 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 head-up display according to the invention makes it possible to generate a virtual image on several image planes and with a large field of view.
  • rectangular virtual images may be generated having a field of view of, for example, at least 10 degrees, preferably at least 15 degrees by 5 degrees (FOV: 15° x 5°), and observable at specified distances from the eyebox, for example at a distance between 2 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. Furthermore, by adjusting the color mixing factor, for example the RGB color space, in the imaging unit, the whiteness uniformity can be adjusted.
  • the color mixing factor for example the RGB color space
  • 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 with an image plane for a windshield of a motor vehicle in a side view.
  • FIG. 2 schematically shows the beam path of a flat-up display according to the invention with two image planes for a windshield of a motor vehicle in a side view.
  • FIG. 3 schematically shows the beam path for different object planes with the same optical components.
  • FIG. 4 schematically shows the beam path for the same object plane with different optical components.
  • FIG. 5 schematically shows a first embodiment variant of a flat-up display according to the invention with an optical arrangement according to the invention.
  • FIG. 6 schematically shows a second embodiment variant of a flat-up display according to the invention with an optical arrangement according to the invention.
  • FIG. 7 schematically shows a third embodiment variant of a flat-up display according to the invention with an optical arrangement according to the invention.
  • FIG. 8 schematically shows a fourth embodiment variant of a flat-up display according to the invention with an optical arrangement according to the invention.
  • FIG. 9 schematically shows a first variant of a holographic arrangement.
  • FIG. 10 schematically shows a second variant of a holographic arrangement.
  • FIG. 11 schematically shows the beam path within the holographic arrangement.
  • FIG. 1 schematically shows the beam path of a flat-screen display 10 with an image plane.
  • the flat-up display 10 comprises an imaging unit 1, a projection surface 5, for example in the form of a windshield of a motor vehicle, and a wavefront manipulator 7.
  • the projection surface 5, for example the windshield, can be curved.
  • the imaging unit 1 and the wavefront manipulator 7 are preferably integrated into a fitting (not shown).
  • the Flead-up Display 10 is designed in such a way that it generates a virtual image 8 on the projection surface 5, 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 beam path is marked with the reference number 6 .
  • the wavefront manipulator 7 comprises a holographic arrangement 4 and a reflective optical element 3, which has a free-form surface and is arranged in the beam path 6, starting from the imaging unit 1, between the imaging unit 1 and the holographic arrangement 4.
  • the optical element 3 is preferably designed as a free-form mirror.
  • the imaging unit 1 transmits light waves in the direction of the
  • Wave front manipulator 7 sent.
  • the image information to be output or the image generated by the imaging unit 1 is identified by an arrow with the reference number 2, the virtual image thereof with the reference number 8.
  • the wavefront manipulator 7 corrects imaging errors and, if necessary, widens the image
  • the wavefront manipulator 7 guides light waves in the direction of the projection surface 5, in particular the curved one
  • the light waves are reflected in the direction of an eyebox 9 on the projection surface 5 .
  • the eyebox 9 forms the area in which a user must or can be located in order to be able to perceive the virtual image 8 generated by the head-up display 10 .
  • An image plane is defined by the image width of the virtual image 8 .
  • FIG. 2 schematically shows the beam path of a head-up display 10 according to the invention with two image planes, the head-up display 10 comprising an optical arrangement 11 according to the invention.
  • a first image plane corresponds to the image plane defined by the virtual image 8 .
  • a second image plane is defined by a further virtual image 18 .
  • the corresponding beam path is marked with the reference number 16 marked.
  • the first image plane and the second image plane have different image widths.
  • the beam paths 6 and 16 can have a spatial superimposition.
  • FIGS. 3 and 4 illustrate the optical principle on which the invention is based.
  • FIG. 3 shows the beam path for images 15, 19 for different object distances or object distances s1 and s2 with the same optical components 12. If you use the same system (only one focal length f) for either different object distances (s1 and s2) or different imaging distances ( s1' and s2') are used, two different image planes result. This means that it is not possible to realize two imaging distances (s1' and s2') with sufficient quality using a single optical system with the same object distances (PGU).
  • FIG. 4 shows the beam path of images for the same object plane with different optical components 12a and 12b.
  • FIGS. 5 to 8 each show a head-up display 10 according to the invention with an optical arrangement 11 according to the invention and a projection surface 5.
  • the projection surface 5 can be, for example, a
  • the optical arrangement 11 comprises an imaging device 22 and a wavefront manipulator 23 arranged in the beam path between the imaging device 22 and the projection surface 5.
  • the wavefront manipulator 23 comprises a holographic arrangement 24 and at least one optical element 25, which has a free-form surface having.
  • the different image planes are realized by two imaging units 26 and 27, with the first imaging unit 26 forming a first area of the imaging device 22 and the second imaging unit 27 forming a second area of the imaging device 22.
  • the first imaging unit 26 and the second imaging unit 27 each have an imaging plane or object plane, which differ from one another.
  • the imaging plane of the second imaging unit 27 is placed closer to the free-form element 25 than the imaging plane of the first imaging unit 26.
  • the same holographic arrangement 24 and the same optical arrangement are used for the two generated virtual image planes Element 25, which is designed as a free-form mirror, used.
  • the wavelengths of the color space used for example for red-green-blue (RGB) are identical for the two image planes generated.
  • the rays of the beam path starting from the first area 26 of the imaging device 22 are identified by the reference number 31 and the beams of the beam path starting from the second area 27 of the imaging device 22 are identified by the reference number 32 by arrows.
  • three wavelengths of another color space can be used. An embodiment with fewer than three different wavelengths, for example with only one or only two wavelengths, is also possible. As can be seen in FIG. 5, a spatial superimposition of the beam paths is possible.
  • the variant shown in FIG. 6 differs from the variant shown in FIG. 5 in that instead of the two imaging units only one imaging unit is available.
  • the imaging device 22 has a first area 28 and a second area 29, with the first area 28 emitting light beams for imaging in a first image plane and the second area 29 emitting light beams for imaging in a second image plane, which extends from the first image plane differs emitted.
  • the imaging device 22 configured in this way can, for example, comprise individual segments which lie in the same imaging plane but are designed for generating virtual images in different image planes.
  • those for the different image planes within the framework of the wave front manipulator 23 are separated from one another by the fact that two different optical elements with free-form surfaces are present. Specifically, there is a first free-form mirror 20 and a second free-form mirror 30, with the first free-form mirror 20 projecting light beams emitted by the first region 28 in the direction of the holographic arrangement 24 and the second free-form mirror 30 projecting light beams emitted by the second region 29 in the direction of the holographic arrangement 24 projected.
  • only one free-form surface 25 with correspondingly designed areas can be provided.
  • the three light beams of the first beam path 31 impinging on the projection surface 5 on the left or further up are designed to generate a virtual image in a first image plane and the respective ones on the right or further down on the projection surface 5 impinging three light beams of the second beam path 32 shown as an example designed for generating a virtual image in a second image plane deviating from the first image plane.
  • the two virtual image planes In order to separate the beam paths of the variant shown in FIG. 6 at the free-form mirror 25 or the regions 20 and 30, the two virtual image planes must have a certain lateral distance from one another perpendicularly to the optical axis. This means, for example, that for the field of view (FoV) for the image plane, the vertical image position or the lookdown angle must be selected to be larger than in the variant shown in FIG. In this case, the two beam paths can be corrected with different free-form mirrors 20 and 30. In this way, two different image planes can be realized.
  • the imaging planes or object planes for the two virtual images can be arranged on the same imaging surface but also on different parts or areas, for example above or below one another or side by side.
  • the variant shown in FIG. 7 differs from the variant shown in FIG second holographic arrangement 35 includes.
  • the first holographic arrangement 34 is designed to generate virtual images in the first image plane from images generated in the first region 28 of the imaging device 22, and the second holographic arrangement 35 is designed to generate virtual images in the second region 29 of the imaging device 22 generated images to generate virtual images in the second image plane.
  • the light of a first color 31 emitted by the first region 28 has a wavelength that differs from light of a first color 36 emitted by the second region 29 by a wavelength difference that exceeds a specified limit, for example by more than 10 nanometers.
  • the light 31 and 36 can be red light.
  • the light of a second color 32 emitted by the first region 28 has a wavelength that differs from light of a second color 37 emitted by the second region 29 by a wavelength difference that exceeds a specified limit, for example by more than 10 nanometers.
  • the light 32 and 37 can be a green light.
  • the light of a third color 33 emitted by the first region 28 has a wavelength which differs from that emitted by the second region 29
  • Light of a third color 38 differs by a wavelength difference that exceeds a specified limit, for example by more than 10 nanometers.
  • the light 33 and 38 can be blue light.
  • the first area 28 and the second area 29 can also be designed to emit light of different color spaces, for example the first area 28 to emit light of the RGB color space and the second area 29 to emit light of the CMY color space.
  • the first holographic array 34 is inefficient for diffracting light emitted from the second region 29 and the second holographic array 35 is inefficient for the light emitted from the first region 28 .
  • the wavelengths emitted by the different areas are therefore chosen differently for the two virtual image planes.
  • two wavelength triplets of a fixed color space e.g. red, green and blue, are selected which differ from each other depending on the region from which they are emitted.
  • the first region 28 may emit red light of a wavelength that differs from the red light emitted by the second region 29 by a specified differential amount.
  • the two holographic arrangements 34 and 35 are arranged one behind the other in the beam path.
  • the gratings of the two wavelengths of an associated color can be written in the same hologram, i.e. the two blue holograms of the two holographic devices 34 and 35 can be written or exposed in two holograms (blue multiplex holograms) of a common holographic device.
  • there can be several multiplex holograms for example an RR' hologram, a GG' hologram and a BB' hologram (i.e. 6th
  • the embodiment variant shown in FIG. 8 combines various variants already explained with reference to FIGS.
  • the wavelengths emitted by the two imaging units 26 and 27 differ by a specified minimum amount.
  • the light emitted by the first imaging unit 26 is reflected in the direction of the holographic arrangement 24 by means of a first free-form mirror 20 .
  • the light emitted by the second imaging unit 27 is reflected by a second free-form mirror 30 through the holographic arrangement 24 or past it in the direction of the projection surface 5 .
  • the holographic arrangement 24 is only efficient for the diffraction of light wavelengths which are emitted by the first imaging unit 26.
  • the light emitted by the second imaging unit 27 has wavelengths that are not efficiently diffracted by the holographic arrangement 24 .
  • a free-form surface 20 and a holographic arrangement 24 adapted to the wavelengths are used for the beam path 31 of the light emitted by the imaging device 26 .
  • the holographic arrangement 24 shown in Figure 9 comprises a first holographic element 41 and a second holographic element 42.
  • the first holographic element 41 and the second holographic element 42 each have three monochromatic holograms arranged one on top of the other, of which one hologram taken with red light, reference numeral 51, hologram taken with green light, reference numeral 52, and hologram taken with blue light are identified by reference number 53.
  • the first holographic element 41 and the second holographic element 42 each have three monochromatic holograms arranged one on top of the other, of which one hologram taken with red light, reference numeral 51, hologram taken with green light, reference numeral 52, and hologram taken with blue light are identified by reference number 53.
  • the first holographic element 41 and the second holographic element 42 each have three monochromatic holograms arranged one on top of the other, of which one hologram taken with red light, reference numeral 51, hologram taken with green light, reference numeral 52,
  • the first holographic element 41 and the second holographic element 42 are arranged next to one another in such a way that the individual holograms are arranged mirror-symmetrically to one another.
  • the holograms 51 recorded with red light are arranged directly adjacent to one another.
  • the first holographic element 41 and the second holographic element 42 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 indicated by arrows referenced 49 and the ray path of the light exiting the holographic array 24 is indicated by arrows referenced 50.
  • the individual, mutually different holograms 51, 52 and 53 of the individual holographic elements 41 and 42 are along in relation to a center line or center axis 43, which can be an optical axis these arranged one behind the other. It can also be individual, differing holograms 51, 52 and 53 of the individual holographic elements 41 and
  • FIG. 10 shows a further embodiment variant of a wavefront manipulator 24 according to the invention. Deviating from the variant shown in FIG .
  • 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. 11 schematically shows the beam path within the holographic arrangement 24.
  • the first holographic element 41 and the second holographic element 42 are arranged at a distance from one another. However, this only serves to illustrate the beam path.
  • the incident light 49 is reflected wavelength-specifically for specific angles of incidence on the individual holograms 51-53 or the hologram grating structures 51-53, i.e. blue light with a specific angle of incidence on the holograms 53 recorded with blue light, green light of a specific angle of incidence on those with green Light recorded holograms 52 and red light corresponding to the holograms 51 recorded with red light.
  • the light 48 reflected by the first holographic element 41 is reflected at the second holographic element 42 and forms the wavefront 50 leaving the holographic arrangement.
  • the first holographic element 41 is designed to transform a spherical wave into a plane wave.
  • the holographic element 24 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.
  • the transmitting wavefront 48 is preferably flat. This minimizes the filtering effect between the wavelengths. In addition, this relaxes the positioning accuracy of the holographic elements 41 and 42 in the lateral direction relative to one another.
  • the first holographic element 41 acts like a concave mirror and the second holographic element 42 acts like a plane mirror.
  • the holographic arrangement has a total of 24, in particular the hologram stack consisting of the first holographic element 41 and the second holographic element 42, the function of a positive lens but with minimal volume.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Diffracting Gratings Or Hologram Optical Elements (AREA)
  • Holo Graphy (AREA)

Abstract

Es wird eine optische Anordnung (11) für ein Head-up-Display (10) an einer Projektionsoberfläche (5) offenbart, welche eine bildgebende Vorrichtung (22), welche mindestens eine bildgebende Einheit (26, 27) umfasst, und mindestens einen im Strahlengang zwischen der bildgebenden Vorrichtung (22) und der Projektionsoberfläche (5) angeordneten Wellenfrontmanipulator (23) umfasst. Die optische Anordnung (11) ist dazu ausgelegt, virtuelle Abbildungen (8, 18) in mindestens zwei unterschiedlichen Bildebenen zu generieren, wobei die bildgebende Vorrichtung (22) mindestens einen ersten Bereich (26, 28) und einen zweiten Bereich (27, 29) aufweist, wobei die bildgebende Vorrichtung (22) und der Wellenfrontmanipulator (23) in Kombination miteinander dazu ausgelegt sind, aus in dem ersten Bereich (26, 28) der bildgebenden Vorrichtung (22) generierten Bildern virtuelle Abbildungen (8) in einer ersten Bildebene zu generieren und aus in dem zweiten Bereich (27, 29) der bildgebenden Vorrichtung (22) generierten Bildern virtuelle Abbildungen (18) in einer zweiten Bildebene zu generieren.

Description

Optische Anordnung und Head-up-Display mit mehreren Bildebenen
Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Anordnung für ein Head-up- Display (HUD) 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 in einer Bildgeberebene 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.
In traditionellen HUD-Systemen gibt es nur eine Bildebene und nur eine Bildgeberebene (siehe Figur 1). Aufgrund der Anforderungen des Marktes an zukünftige HUD-Systeme ist es erforderlich, mehr als eine Bildebene mit verschiedenen Bildweiten im HUD zu realisieren. Um die Kosten zu reduzieren und die Stabilität des Systems zu erhalten, ist es erforderlich, dass die Komponenten im HUD möglichst fest verbaut sind und auf bewegliche Teile verzichtet wird. Gleichzeitig sollten die Bauraumanforderungen nicht wesentlich ansteigen.
Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine vorteilhafte optische Anordnung für ein Head-up-Display an einer Projektionsoberfläche und ein vorteilhaftes Head-up-Display zur Verfügung zu stellen, welche insbesondere die Erzeugung virtueller Abbildungen in verschiedenen Bildebenen ermöglichen.
Diese Aufgaben werden durch eine optische Anordnung für ein Head-up- Display gemäß Patentanspruch 1 und durch ein Head-up-Display gemäß Patentanspruch 15 gelöst. Die abhängigen Ansprüche enthalten weitere, vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung.
Die erfindungsgemäße optische Anordnung für ein Head-up-Display an einer Projektionsoberfläche umfasst eine bildgebende Vorrichtung und mindestens einen im Strahlengang zwischen der bildgebenden Vorrichtung und der Projektionsoberfläche angeordneten Wellenfrontmanipulator. Die bildgebende Vorrichtung umfasst mindestens eine bildgebende Einheit. Die erfindungsgemäße optische Anordnung ist dazu ausgelegt, virtuelle Abbildungen in mindestens zwei unterschiedlichen Bildebenen, also Bildebenen mit verschiedenen Bildweiten, zu generieren. Die Bildweite ist im vorliegenden Zusammenhang der Abstand zwischen der Bildebene der virtuellen Abbildung und der Eyebox.
Zum Generieren von mindestens zwei unterschiedlichen Bildebenen weist die bildgebende Vorrichtung mindestens einen ersten Bereich und einen zweiten Bereich auf. Die bildgebende Vorrichtung und der Wellenfrontmanipulator sind in Kombination miteinander dazu ausgelegt, aus in dem ersten Bereich der bildgebenden Vorrichtung generierten Bildern virtuelle Abbildungen in einer ersten Bildebene zu generieren und aus in dem zweiten Bereich der bildgebenden Vorrichtung generierten Bildern virtueller Abbildungen in einer zweiten Bildebene zu generieren. Die mindestens zwei unterschiedlichen bzw. voneinander abweichenden Bildebenen befinden sich mit anderen Worten in voneinander abweichenden Entfernungen von der Eyebox oder von der Projektionsoberfläche entlang der optischen Achse.
Die erfindungsgemäße optische Anordnung hat den Vorteil, dass eine Mehrzahl an Bildebenen mit verschiedenen Bildweiten in dem Head-up- Display realisiert werden können. Dabei können die hierzu erforderlichen Komponenten in dem Head-up-Display fest verbaut sein. Es sind also keine beweglichen Teile erforderlich. Hierdurch werden eine robuste optische Anordnung und damit ein entsprechend robustes Head-up-Display ermöglicht. Darüber hinaus ist die Herstellung einer erfindungsgemäßen optischen Anordnung kostengünstig möglich und es können bestehende Head-up-Displays gegebenenfalls mit geringem Aufwand nachgerüstet werden.
Der erste Bereich und der zweite Bereich der bildgebenden Vorrichtung können eine gemeinsame Bildgeberebene aufweisen. Die bildgebende Vorrichtung kann also mit anderen Worten lediglich eine einzelne bildgebende Einheit oder Komponente aufweisen, welche lediglich eine zum Beispiel segmentierte Bildeberebene aufweist. Alternativ dazu kann der erste Bereich der bildgebenden Vorrichtung eine erste Bildgeberebene aufweisen und der zweite Bereich der bildgebenden Vorrichtung eine zweite Bildgeberebene aufweisen. In dieser Variante können sich die erste
Bildgeberebene und die zweite Bildgeberebene voneinander unterscheiden. Insbesondere können zum Beispiel zwei unterschiedliche Komponenten oder bildgebende Einheiten vorhanden sein, welche in einem voneinander abweichenden Abstand von dem Wellenfrontmanipulator angeordnet sind. Diese Variante eignet sich besonders dazu, bestehende Head-up-Displays mit einer weiteren bildgebenden Einrichtung oder Einheit nachzurüsten und auf diese Weise mehrere Bildebenen mit verschiedenen Bildweiten in dem Head-up-Display zu realisieren. Vorzugsweise umfasst der mindestens eine Wellenfrontmanipulator mindestens eine holographische Anordnung. 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. Zusätzlich oder alternativ dazu umfasst der mindestens eine Wellenfrontmanipulator mindestens ein optisches Element, welches eine Freiformfläche aufweist. Vorteilhafterweise ist das optische Element, welches eine Freiformfläche aufweist, im Strahlengang zwischen der bildgebenden Vorrichtung und der holographischen Anordnung angeordnet. Es können mehrere Freiformflächen vorhanden sein, zum Beispiel in Form einer Mehrzahl an entsprechenden optischen Elementen oder einem optischen Element, welches eine Mehrzahl an Freiformflächen aufweist. Die einzelnen Freiformflächen können jeweils zur Strahlformung von emittiertem Licht eines konkreten Bereichs der bildgebenden Vorrichtung und/oder einer konkreten bildgebenden Einheit ausgelegt sein. Zum Beispiel kann eine erste bildgebende Einheit oder ein erster Bereich und eine im Strahlengang des von dieser oder diesem emittierten Lichts angeordnete erste Freiformfläche und eine zweite bildgebende Einheit oder ein zweiter Bereich und eine im Strahlengang des von dieser oder diesem emittierten Lichts angeordnete zweite Freiformfläche vorhanden sein.
Durch mindestens eine holographische Anordnung und/oder ein weiteres Freiformelement kann auf geringem Bauraum ein vorteilhafter
Wellenfrontmanipulator realisiert werden, welcher unter anderem auftretende Bildfehler oder Aberrationen korrigiert. Unter Zuhilfenahme von holographischen Elementen und/oder Freiformflächen können insbesondere Abbildungsfehler wie etwa Verzeichnung, Defokus, Kippung, Astigmatismus, Wölbung der Bildebene, sphärische Aberrationen, höherer Astigmatismus und Koma etc. korrigiert werden. 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, wie z.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. In einer vorteilhaften Variante umfasst der Wellenfrontmanipulator mindestens eine erste holographische Anordnung und eine zweite holographische Anordnung, wobei die erste holographische Anordnung dazu ausgelegt ist, aus in dem ersten Bereich der bildgebenden Vorrichtung generierten Bildern virtuelle Abbildungen in der ersten Bildebene zu generieren, und die zweite holographische Anordnung dazu ausgelegt ist, aus in dem zweiten Bereich der bildgebenden Vorrichtung generierten Bildern virtuelle Abbildungen in der zweiten Bildebene zu generieren. Auf diese Weise kann, ohne dass zusätzlich Bauraum beansprucht wird, allein durch eine geeignete Ausgestaltung mehrerer holographischer Anordnungen ein Head-up-Display mit mehreren Bildebenen mit verschiedenen Bildweiten realisiert werden.
Insbesondere kann die erste holographische Anordnung für die Beugung von Licht mindestens einer ersten Wellenlänge ausgelegt sein. Beispielsweise kann die erste holographische Anordnung für die Beugung von Licht dreier verschiedener Wellenlängen eines festgelegten Farbraums ausgelegt sein. Die zweite holographische Anordnung kann für die Beugung von Licht mindestens einer zweiten Wellenlänge ausgelegt sein. Zum Beispiel kann die zweite holographische Anordnung für die Beugung von Licht dreier Wellenlängen eines festgelegten Farbraums ausgelegt sein, welche sich jedoch von den Wellenlängen unterscheiden, für welche die erste holographische Anordnung ausgelegt ist. Die Differenz der ersten und der zweiten Wellenlänge muss dabei einen festgelegten Grenzwert überschreiten. Zum Beispiel kann die erste holographische Anordnung für die Beugung von rotem Licht einer ersten Wellenlänge ausgelegt sein und die zweite holographische Anordnung für die Beugung von rotem Licht einer sich von der ersten Wellenlänge leicht unterscheidenden zweiten Wellenlänge ausgelegt sein. Die beiden Wellenlängen des roten Lichtes können sich zum Beispiel um mindestens 10 Nanometer oder mindestens 20 Nanometer voneinander unterscheiden. Analog können die erste holographische Anordnung und die zweite holographische Anordnung für die Beugung von grünem und blauem Licht mit festgelegten Wellenlängen ausgelegt sein, wobei sich die Wellenlängen der einzelnen Farben, für welche die holographischen Anordnungen ausgelegt sind, wiederum um einen festgelegten Differenzbetrag unterscheiden.
Die holographische Anordnung und/oder das mindestens eine optische Element, welches eine Freiformfläche umfasst, können jeweils reflektiv und/oder transmissiv ausgestaltet sein. Hierdurch lassen sich variable
Strahlengänge, insbesondere gefaltete Strahlengänge, auf geringem Bauraum umsetzen. Im Zusammenhang mit einer Anwendung für kompakt ausgestaltete Head-up-Displays ist eine reflektive Ausgestaltung des optischen Elements, welches die Freiformfläche aufweist, 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 bereits 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 Flead-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.
Im Folgenden werden vorteilhafte Eigenschaften und Merkmale einer holographischen Anordnung beschrieben, welche im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. Die holographische Anordnung kann mindestens zwei holographische Elemente umfassen. Die mindestens zwei holographischen Elemente sind vorzugsweise 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 können darüber hinaus für mindestens eine festgelegte Wellenlänge und einen festgelegten Einstrahlwinkelbereich reflektiv ausgestaltet sein. Vorzugsweise sind die holographischen Elemente im Übrigen transmissiv ausgestaltet.
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 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 numerischer Apertur. Weitere Anwendungsmöglichkeiten stellen Head-up- Displays mit gekrümmten Projektionsoberflächen dar, beispielsweise Head- up-Displays für Windschutzscheiben von Fahrzeugen, insbesondere Kraftfahrzeugen, Schienenfahrzeugen, 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.
Vorzugsweise umfasst jedes der mindestens zwei holographischen Elemente eine Anzahl an Hologrammen. Dabei ist jedes Hologramm mit mindestens einer festgelegten Wellenlänge aufgenommen bzw. generiert. Ein holographisches Element kann zum Beispiel mehrere Hologramme umfassen, welche als Stapel aufeinander angeordnet sein können.
Beispielsweise kann ein holographisches Element eine Anzahl, vorzugsweise eine Mehrzahl, monochromatischer Hologramme ausweisen. Alternativ dazu kann ein holographisches Element mindestens ein Hologramm umfassen, welches mit mindestens zwei festgelegten Wellenlängen aufgenommen bzw. generiert ist. Vorzugsweise ist ein solches Hologramm mit drei unterschiedlichen Wellenlängen eines festgelegten Farbraums aufgenommen, beispielsweise als RGB-Hologramm oder CMY-Hologramm oder als aus einer Anzahl an einzelnen Wellenlängen eines anderen Farbraums gebildetes Hologramm 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, Hologramme 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 Hologramm 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, ist bevorzugt so ausgestaltet, 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 mit mindestens einer Freiform-Welle sind, 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.
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 Hologramme 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.
Insgesamt ermöglicht der 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 bildgebende Vorrichtung umfasst vorteilhafterweise mindestens 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 Vorrichtung dazu ausgelegt, Laserlicht, insbesondere Laserstrahlen, auszusenden. Vorteilhafterweise ist die bildgebende Vorrichtung 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 bezüglich der Wellenlänge sind, ist es von Vorteil, wenn die bildgebende Vorrichtung mit einer festgelegten maximalen Bandbreite bezüglich der Wellenlängen des ausgesandten Lichts ausgestaltet ist.
Die erfindungsgemäße optische Anordnung weist vorzugsweise ein Volumen von weniger als 10 Litern auf, nimmt also mit anderen Worten einen Bauraum von weniger als 10 Litern ein. Sie bietet insbesondere ein Head-up- Display, welches sehr kompakt ausgestattet ist, also einen nur geringen Bauraum einnimmt, und gleichzeitig eine sehr hohe Abbildungsqualität auf mehreren Bildebenen gewährleistet. Die erfindungsgemäße optische Anordnung eignet sich für eine Nachrüstung in beispielsweise
Kraftfahrzeugen, Flugzeugen oder VR-Anordnungen, zum Beispiel VR- Brillen.
In einer weiteren Variante ist der Wellenfrontmanipulator, insbesondere die mindestens eine holographische Anordnung, dazu ausgelegt, die
Abbildungen der verschiedenen Bildebenen spektral zu trennen oder durch Erzeugen von unterschiedlichen Polarisationszuständen für die verschiedenen Bildebenen zu trennen. Die bildgebende Vorrichtung kann eine Mehrzahl an bildgebenden Einheiten umfassen. Insbesondere kann eine erste bildgebende Einheit den ersten Bereich und eine zweite bildgebende Einheit den zweiten Bereich der bildgebenden Vorrichtung aufweisen. Es kann mit anderen Worten jede bildgebende Einheit zum Generieren von virtuellen Abbildungen in einer festgelegten Bildebene ausgelegt sein. Eine solche Ausgestaltung ermöglicht insbesondere ein einfaches und kostengünstiges Nachrüsten bestehender Head-up-Displays.
Weiterhin kann der Wellenfrontmanipulator eine Mehrzahl an holographischen Anordnungen umfassen, welche jeweils zum Generieren von virtuellen Abbildungen in einer festgelegten Bildebene ausgelegt sind. Ebenso kann der Wellenfrontmanipulator eine Mehrzahl an optischen Elementen umfassen, welche eine Freiformfläche aufweisen und welche zum Generieren von virtuellen Abbildungen in mindestens einer festgelegten Bildebene ausgelegt sind. Auch in diesen Varianten ist ein einfaches und kostengünstiges Nachrüsten bestehender Head-up-Display-Systeme durch geeignete holographische Anordnungen und/oder Freiformelemente kostengünstig möglich, um ein Head-up-Display mit mehr als einer Bildebene in verschiedenen Bildweiten zu realisieren.
Das erfindungsgemäße Head-up-Display umfasst eine zuvor beschriebene erfindungsgemäße optische Anordnung. Es hat die oben bereits genannten Merkmale und Vorteile. Bei der Projektionsoberfläche kann es sich um eine Oberfläche einer Windschutzscheibe eines Fahrzeuges oder ein Sichtfenster handeln. Die Projektionsoberfläche oder das Sichtfenster können gekrümmt ausgestaltet sein. Bei dem Fahrzeug kann es sich um ein Kraftfahrzeug, ein Flugzeug, ein Schienenfahrzeug oder ein Schiff handeln. 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-Helm, ein Visier oder ein Okular eines Mikroskops handeln.
Das erfindungsgemäße Head-up-Display ermöglicht das Erzeugen eines virtuellen Bildes auf mehreren Bildebenen und mit einem großen Sichtfeld. Zum Beispiel können rechteckige virtuelle Bilder erzeugt werden, welches ein Sichtfeld von zum Beispiel mindestens 10 Grad, vorzugsweise mindestens 15 Grad mal 5 Grad (FOV: 15° x 5°), aufweisen und in bestimmten Abständen von der Eyebox entfernt beobachtbar ist, zum Beispiel in einem Abstand zwischen 2 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 Head-up-Displays mit einer Bildebene für eine Windschutzscheibe eines Kraftfahrzeugs in einer Seitenansicht.
Figur 2 zeigt schematisch den Strahlengang eines erfindungsgemäßen Flead-up-Displays mit zwei Bildebenen für eine Windschutzscheibe eines Kraftfahrzeugs in einer Seitenansicht. Figur 3 zeigt schematisch den Strahlengang für unterschiedliche Objektebenen mit den gleichen optischen Komponenten.
Figur 4 zeigt schematisch den Strahlengang für die gleiche Objektebene mit unterschiedlichen optischen Komponenten. Figur 5 zeigt schematisch eine erste Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen Flead-up-Displays mit einer erfindungsgemäßen optischen Anordnung.
Figur 6 zeigt schematisch eine zweite Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen Flead-up-Displays mit einer erfindungsgemäßen optischen Anordnung. Figur 7 zeigt schematisch eine dritte Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen Flead-up-Displays mit einer erfindungsgemäßen optischen Anordnung.
Figur 8 zeigt schematisch eine vierte Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen Flead-up-Displays mit einer erfindungsgemäßen optischen Anordnung.
Figur 9 zeigt schematisch eine erste Variante einer holographischen Anordnung.
Figur 10 zeigt schematisch eine zweite Variante einer holographischen Anordnung.
Figur 11 zeigt schematisch den Strahlengang innerhalb der holographischen Anordnung.
Die Figur 1 zeigt schematisch den Strahlengang eines Flead-up-Displays 10 mit einer Bildebene. Das Flead-up-Display 10 umfasst eine bildgebende Einheit 1 , eine Projektionsoberfläche 5, zum Beispiel in Form einer Windschutzscheibe eines Kraftfahrzeugs, und einen Wellenfrontmanipulator 7. Die Projektionsoberfläche 5, 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 5, insbesondere auf der Oberfläche der Windschutzscheibe oder im Außenbereich des Fahrzeugs, zum Beispiel in Fahrtrichtung hinter der Oberfläche der Windschutzscheibe, ein virtuelles Bild 8 erzeugt. Der Strahlengang ist mit der Bezugsziffer 6 gekennzeichnet.
In der gezeigten Ausgestaltungsvariante umfasst der Wellenfrontmanipulator 7 eine holographische Anordnung 4 und ein reflektiv ausgestaltetes optisches Element 3, welches eine Freiformfläche aufweist und im Strahlengang 6 ausgehend von der bildgebenden Einheit 1 zwischen der bildgebenden Einheit 1 und der holographischen Anordnung 4 angeordnet ist. Das optische Element 3 ist vorzugsweise als Freiformspiegel ausgestaltet. Durch die bildgebende Einheit 1 werden Lichtwellen in Richtung des
Wellenfrontmanipulators 7 ausgesendet. Die abzugebende Bildinformation bzw. das von der bildgebenden Einheit 1 generierte Bild ist durch einem Pfeil mit der Bezugsziffer 2 gekennzeichnet, die virtuelle Abbildung davon mit der Bezugsziffer 8. Mittels des Wellenfrontmanipulators 7 erfolgt eine Korrektur von Abbildungsfehlern und gegebenenfalls eine Aufweitung des
Strahlenganges. Der Wellenfrontmanipulator 7 leitet Lichtwellen in Richtung der Projektionsoberfläche 5, insbesondere der gekrümmten
Projektionsoberfläche. An der Projektionsoberfläche 5 werden die Lichtwellen in Richtung einer Eyebox 9 reflektiert. Die Eyebox 9 bildet dabei den Bereich, in welchem sich ein Nutzer befinden muss oder kann, um das durch die Head-up-Display 10 erzeugte virtuelle Abbildung 8 wahrnehmen zu können. Durch die Bildweite der virtuellen Abbildung 8 wird eine Bildebene festgelegt.
Die Figur 2 zeigt schematisch den Strahlengang eines erfindungsgemäßen Head-up-Displays 10 mit zwei Bildebenen, wobei das Head-up-Display 10 eine erfindungsgemäße optische Anordnung 11 umfasst. Eine erste Bildebene entspricht der durch die virtuelle Abbildung 8 festgelegten Bildebene. Eine zweite Bildebene wird durch eine weitere virtuelle Abbildung 18 festgelegt. Der entsprechende Strahlengang ist mit der Bezugsziffer 16 gekennzeichnet. Die erste Bildebene und die zweite Bildebene weisen voneinander abweichende Bildweiten auf. Die Strahlengänge 6 und 16 können dabei eine räumliche Überlagerung aufweisen. Die Figuren 3 und 4 veranschaulichen das der Erfindung zugrunde liegende optische Prinzip. Betrachtet man das optische System vereinfachend als einzelne Linse 12 mit einer Brennweite f und einer optischen Achse 13, ergibt sich der Abbildungszustand zwischen Objekt (Bildgeber) 14, 17 und Abbildung (virtuelles Bild) 15, 19, wie in der Figur 3 dargestellt. Die Figur 3 zeigt den Strahlengang für Abbildungen 15, 19 für unterschiedliche Objektentfernungen bzw. Objektweiten s1 und s2 mit den gleichen optischen Komponenten 12. Wenn man dasselbe System (nur eine Brennweite f) für entweder unterschiedliche Objektentfernungen (s1 und s2) oder unterschiedliche Abbildungsentfernungen (s1‘ und s2‘) verwendet, ergeben sich zwei unterschiedliche Bildebenen. Das heißt, es ist nicht möglich, zwei Abbildungsentfernungen (s1‘ und s2‘) durch ein einzelnes optisches System mit gleichen Objektabständen (PGU) in ausreichender Qualität zu realisieren.
Wenn die gleiche Bildgeber-Ebene der bildgebende Einheit 1 für beide virtuellen Bilder 15 und 19 verwendet wird, werden zwei unterschiedliche Abbildungssysteme 12a und 12b benötigt. Das bedeutet, dass die Komponenten 12a und 12b und die Positionen der Komponenten 12a und 12b unterschiedlich sein können wie in der Figur 4 dargestellt. Die Figur 4 zeigt den Strahlengang von Abbildungen für gleiche Objektebene mit unterschiedlichen optischen Komponenten 12a und 12b.
Ausführungsvarianten der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden anhand der Figuren 5 bis 8 näher erläutert. Die Figuren 5 bis 8 zeigen jeweils ein erfindungsgemäßes Head-up-Display 10 mit einer erfindungsgemäßen optischen Anordnung 11 und einer Projektionsoberfläche 5. Bei der Projektionsoberfläche 5 kann es sich zum Beispiel um eine
Windschutzscheibe oder ein Sichtfenster handeln. Die optische Anordnung 11 umfasst jeweils eine bildgebende Vorrichtung 22 und einen im Strahlengang zwischen der bildgebenden Vorrichtung 22 und der Projektionsoberfläche 5 angeordneten Wellenfrontmanipulator 23. In den gezeigten Varianten umfasst der Wellenfrontmanipulator 23 jeweils eine holographische Anordnung 24 und mindestens ein optisches Element 25, welche eine Freiformfläche aufweist.
In der in der Figur 5 gezeigten Variante werden die verschiedenen Bildebenen durch zwei bildgebende Einheiten 26 und 27 realisiert, wobei die erste bildgebende Einheit 26 einen ersten Bereich der bildgebende Vorrichtung 22 bildet und die zweite bildgebende Einheit 27 einen zweiten Bereich der bildgebenden Vorrichtung 22 bildet. Die erste bildgebende Einheit 26 und die zweite bildgebende Einheit 27 weisen jeweils eine Bildgeberebene oder Objektebene auf, welche sich voneinander unterscheiden. In der gezeigten Variante ist die Bildgeberebene der zweiten bildgebenden Einheit 27 dichter an dem Freiformelement 25 platziert, als die Bildgeberebene der ersten bildgebenden Einheit 26. In der in der Figur 5 gezeigten Variante werden für die zwei erzeugten virtuellen Bildebenen dieselbe holographische Anordnung 24 und dasselbe optische Element 25, welches als Freiformspiegel ausgestaltet ist, benutzt. Darüber hinaus sind die Wellenlängen des verwendeten Farbraums, zum Beispiel für rot-grün-blau (RGB) für die beiden erzeugten Bildebenen identisch. In dem gezeigten Beispiel sind die Strahlen des Strahlengangs ausgehend von dem ersten Bereich 26 der bildgebenden Vorrichtung 22 mit der Bezugsziffer 31 und die Strahlen des Strahlengangs ausgehend von dem zweiten Bereich 27 der bildgebenden Vorrichtung 22 mit der Bezugsziffer 32 durch Pfeile gekennzeichnet. Alternativ zu dem RGB-Farbraum können drei Wellenlängen eines anderen Farbraums verwendet werden. Es ist auch eine Ausgestaltung mit weniger als drei verschiedenen Wellenlängen, zum Beispiel mit nur einer oder nur zwei Wellenlängen möglich. Wie in der Figur 5 ersichtlich, ist eine räumliche Überlagerung der Strahlengänge möglich.
Die in der Figur 6 gezeigte Variante unterscheidet sich von der in der Figur 5 gezeigten Variante dadurch, dass anstelle der zwei bildgebenden Einheiten lediglich eine bildgebende Einheit vorhanden ist. Die bildgebende Vorrichtung 22 weist in dieser Variante einen ersten Bereich 28 und einen zweiten Bereich 29 auf, wobei der erste Bereich 28 Lichtstrahlen für eine Abbildung in einer ersten Bildebene emittiert und der zweite Bereich 29 Lichtstrahlen für eine Abbildung in einer zweiten Bildebene, welche sich von der ersten Bildebene unterscheidet, emittiert. Die so ausgestaltete bildgebende Vorrichtung 22 kann zum Beispiel einzelne Segmente umfassen, welche in derselben Bildgeberebene liegen, aber für das Generieren von virtuellen Abbildungen in verschiedenen Bildebenen ausgelegt sind.
In der in der Figur 6 gezeigten Variante werden die für die verschiedenen Bildebenen im Rahmen des Wellenfrontmanipulators 23 dadurch voneinander getrennt, dass zwei unterschiedliche optische Elemente mit Freiformflächen vorhanden sind. Konkret ist ein erster Freiformspiegel 20 und ein zweiter Freiformspiegel 30 vorhanden, wobei der erste Freiformspiegel 20 von dem ersten Bereich 28 ausgesendete Lichtstrahlen in Richtung der holographischen Anordnung 24 projiziert und der zweite Freiformspiegel 30 von dem zweiten Bereich 29 emittierte Lichtstrahlen in Richtung der holographischen Anordnung 24 projiziert. Alternativ zu der gezeigten Variante kann lediglich eine Freiformfläche 25 mit entsprechend ausgestalteten Bereichen vorgesehen sein. In den Figuren 5 und 6 sind die in den Abbildungen links bzw. weiter oben auf die Projektionsoberfläche 5 auftreffenden drei Lichtstrahlen des ersten Strahlengangs 31 für das Generieren einer virtuellen Abbildung in einer ersten Bildebene ausgelegt und die jeweils rechts bzw. weiter unten auf die Projektionsoberfläche 5 auftreffenden drei beispielhaft gezeigten Lichtstrahlen des zweiten Strahlengangs 32 für das Generieren einer virtuellen Abbildung in einer von der ersten Bildebene abweichenden zweiten Bildebene ausgelegt.
Um die Strahlengänge der in der Figur 6 gezeigten Variante an dem Freiformspiegel 25 bzw. den Bereichen 20 und 30 zu trennen, müssen die zwei virtuellen Bildebenen eine gewisse laterale Entfernung senkrecht zur optischen Achse voneinander aufweisen. Das bedeutet zum Beispiel, dass für das Sichtfeld (FoV) für die Bildebene die vertikale Bildposition bzw. der Lookdown-Winkel größer gewählt werden muss, als in der in der Figur 5 gezeigten Variante. In diesem Fall können die zwei Strahlengänge mit verschiedenen Freiformspiegeln 20 und 30 korrigiert werden. Auf diese Weise lassen sich zwei voneinander abweichende Bildebenen realisieren. Die Bildgeberebenen bzw. Objektebenen für die zwei virtuellen Bilder können auf derselben Bildgeber-Fläche aber auch auf unterschiedlichen Teilen oder Bereichen, beispielsweise oberhalb oder unterhalb einander oder seitlich nebeneinander angeordnet sein.
Die in der Figur 7 gezeigte Variante unterscheidet sich von der in der Figur 6 gezeigten Variante dadurch, dass einerseits die zwei Bereiche 28 und 29 der bildgebenden Vorrichtung zum Emittierten von voneinander abweichenden Lichtwellen ausgelegt sind und dass der Wellenfrontmanipulator 23 eine erste holographische Anordnung 34 und eine zweite holographische Anordnung 35 umfasst. Die erste holographische Anordnung 34 ist dabei dazu ausgelegt, aus in dem ersten Bereich 28 der bildgebenden Vorrichtung 22 generierten Bildern virtuelle Abbildungen in der ersten Bildebene zu generieren und die zweite holographische Anordnung 35 ist dazu ausgelegt, aus in dem zweiten Bereich 29 der bildgebenden Vorrichtung 22 generierten Bildern virtuelle Abbildungen in der zweiten Bildebene zu generieren.
Das von dem ersten Bereich 28 emittierte Licht einer ersten Farbe 31 weist eine Wellenlänge auf, die sich von durch den zweiten Bereich 29 emittiertem Licht einer ersten Farbe 36 um eine Wellenlängendifferenz unterscheidet, die einen festgelegten Grenzwert überschreitet, zum Beispiel um mehr als 10 Nanometer. Bei dem Licht 31 und 36 kann es sich um rotes Licht handeln. Das von dem ersten Bereich 28 emittierte Licht einer zweiten Farbe 32 weist eine Wellenlänge auf, die sich von durch den zweiten Bereich 29 emittiertem Licht einer zweiten Farbe 37 um eine Wellenlängendifferenz unterscheidet, die einen festgelegten Grenzwert überschreitet, zum Beispiel um mehr als 10 Nanometer. Bei dem Licht 32 und 37 kann es sich um grünes Licht handeln. Das von dem ersten Bereich 28 emittierte Licht einer dritten Farbe 33 weist eine Wellenlänge auf, die sich von durch den zweiten Bereich 29 emittiertem Licht einer dritten Farbe 38 um eine Wellenlängendifferenz unterscheidet, die einen festgelegten Grenzwert überschreitet, zum Beispiel um mehr als 10 Nanometer. Bei dem Licht 33 und 38 kann es sich um blaues Licht handeln. Der erste Bereich 28 und der zweite Bereich 29 können auch zum Emittieren von Licht voneinander abweichender Farbräumen ausgelegt sein, zum Beispiel der erste Bereich 28 zum Emittieren von Licht des RGB-Farbraums und der zweite Bereich 29 zum Emittieren von Licht des CMY-Farbraums.
Vorzugsweise ist die erste holographische Anordnung 34 nicht effizient für die Beugung von Licht, welches von dem zweiten Bereich 29 emittiert wird und die zweite holographische Anordnung 35 ist nicht effizient für das Licht, welches von dem ersten Bereich 28 emittiert wird. Die von den verschiedenen Bereich emittierten Wellenlängen sind daher für die zwei virtuellen Bildebenen unterschiedlich gewählt. Vorzugsweise werden zwei Wellenlängen-Triplets eines festgelegten Farbraums, beispielsweise Rot, Grün und Blau ausgewählt, welche sich voneinander je nach dem Bereich, von welchem sie emittiert werden, unterscheiden. Zum Beispiel kann der erste Bereich 28 rotes Licht einer Wellenlänge emittieren, welche sich um einen festgelegten Differenzbetrag von dem roten Licht unterscheidet, welches von dem zweiten Bereich 29 emittiert wird. In der gezeigten Variante sind die beiden holographischen Anordnungen 34 und 35 im Strahlengang hintereinander angeordnet. Es ist prinzipiell auch eine Anordnung nebeneinander möglich. Alternativ dazu können die Gitter der zwei Wellenlängen einer zugehörigen Farbe in dasselbe Hologramm geschrieben sein, d.h. die beiden blauen Hologramme der beiden holographischen Anordnungen 34 und 35 können in zwei Hologramme (blaue Multiplex- Hologramme) einer gemeinsamen holographischen Anordnung geschrieben bzw. belichtet sein. Analog zu dem in der Figur 10 gezeigten Beispiel können mehrere Multiplex-Hologramme vorhanden sein, zum Beispiel ein RR‘- Hologramm, ein GG‘-Hologramm und ein BB‘-Hologramm (d.h. 6
Hologramme als ein Stack) oder eine andere geeignete Kombination. Dadurch kann die Anzahl der holographischen Anordnungen reduziert werden ohne die Funktionalität zu beschränken. Die in der Figur 8 gezeigte Ausführungsvariante kombiniert verschiedene bereits anhand der Figuren 5 bis 7 erläuterte Varianten. Es sind zwei verschiedene bildgebende Einheiten 26 und 27 vorhanden, welche so positioniert sind, dass sich ihre Bildgeberebenen voneinander unterscheiden. Darüber hinaus unterscheiden sich die von den beiden bildgebenden Einheiten 26 und 27 emittierten Wellenlängen um einen festgelegten Mindestbetrag. Das von der ersten bildgebenden Einheit 26 emittierte Licht wird mittels eines ersten Freiformspiegels 20 in Richtung der holographischen Anordnung 24 reflektiert. Das von der zweiten bildgebenden Einheit 27 emittierte Licht wird mittels eines zweiten Freiformspiegels 30 durch die holographische Anordnung 24 hindurch oder an dieser vorbei in Richtung der Projektionsoberfläche 5 reflektiert. In der in der Figur 8 gezeigten Variante ist die holographische Anordnung 24 lediglich effizient für die Beugung von Lichtwellenlängen, welche von der ersten bildgebenden Einheit 26 emittiert werden. Das von der zweiten bildgebenden Einheit 27 emittierte Licht besitzt Wellenlängen, die durch die holographische Anordnung 24 nicht effizient gebeugt werden. Das bedeutet, dass für die Lichtformung von dem mittels der zweiten bildgebenden Einheit 27 emittiertem Licht 33 nur eine Freiformfläche 30 verwendet wird. Für den Strahlengang 31 des durch die bildgebende Vorrichtung 26 emittierten Lichts wird hingegen eine Freiformfläche 20 sowie eine an die Wellenlängen angepasste holographische Anordnung 24 verwendet.
Im Folgenden werden anhand der Figuren 9 bis 11 Varianten für eine Ausgestaltung geeigneter holographischer Anordnungen 24 erläutert.
Die in der Figur 9 gezeigte holographische Anordnung 24 umfasst ein erstes holographisches Element 41 und ein zweites holographisches Element 42. Das erste holographische Element 41 und das zweite holographische Element 42 weisen in der gezeigten Ausführungsvariante jeweils drei aufeinander angeordnete monochromatische Hologramme auf, von welchen beispielhaft ein mit rotem Licht aufgenommenes Hologramm mit der Bezugsziffer 51, ein mit grünem Licht aufgenommenes Hologramm mit der Bezugsziffer 52 und ein mit blauem Licht aufgenommenes Hologramm mit der Bezugsziffer 53 gekennzeichnet sind. Das erste holographische Element
41 und das zweite holographische Element 42 sind so aneinander angeordnet, dass die einzelnen Hologramme spiegelsymmetrisch zueinander angeordnet sind. In der gezeigten Variante sind die mit rotem Licht aufgenommenen Hologramme 51 unmittelbar zueinander benachbart angeordnet. Das erste holographische Element 41 und das zweite holographische Element 42 können unmittelbar aneinander anliegen oder in einem vernachlässigbaren Abstand zueinander angeordnet sein, vorzugweise in einem Abstand von weniger als 1 Millimeter.
In den Figuren 9 und 10 sind die einfallenden Lichtwellen in Form von Strahlen durch Pfeile mit der Bezugsziffer 49 gekennzeichnet und der Strahlengang des die holographische Anordnung 24 verlassenden Lichts durch Pfeile mit der Bezugsziffer 50 gekennzeichnet. Die einzelnen, sich voneinander unterscheidenden Hologramme 51, 52 und 53 der einzelnen holographischen Elemente 41 und 42 sind in der in der Figur 9 gezeigten Variante in Bezug auf eine Mittellinie bzw. Mittelachse 43, bei welcher es sich um eine optische Achse handeln kann, entlang dieser hintereinander angeordnet. Es können auch einzelne, sich voneinander unterscheidende Hologramme 51, 52 und 53 der einzelnen holographischen Elemente 41 und
42 in Bezug auf eine Mittellinie bzw. Mittelachse 43 lateral zueinander angeordnet sein.
Die Figur 10 zeigt eine weitere Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulators 24. Abweichend von der in der Figur 9 gezeigten Variante umfassen das erste holographische Element 41 und das zweite holographische Element 42 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 11 zeigt schematisch den Strahlengang innerhalb der holographischen Anordnung 24. Zur Veranschaulichung sind dabei das erste holographische Element 41 und das zweite holographische Element 42 in einem Abstand zueinander angeordnet. Dies dient jedoch lediglich der Illustration des Strahlenganges. Das einfallende Licht 49 wird dabei wellenlängenspezifisch für bestimmte Einfallswinkelbereiche an den einzelnen Hologrammen 51-53 oder den Hologrammgitterstrukturen 51-53 reflektiert, also blaues Licht mit einem bestimmten Einfallswinkel an den mit blauem Licht aufgenommenen Hologrammen 53, grünes Licht eines bestimmten Einfallswinkelbereichs an den mit grünem Licht aufgenommenen Hologrammen 52 und rotes Licht entsprechend an den mit rotem Licht aufgenommenen Hologrammen 51. In der gezeigten Variante transmittiert einfallendes Licht 49 zunächst das zweite holographische Element 42 und wird an dem ersten holographischen Element 41 reflektiert. Das durch das erste holographische Element 41 reflektierte Licht 48 wird an dem zweiten holographischen Element 42 reflektiert und bildet die die holografische Anordnung verlassende Wellenfront 50.
Das erste holographische Element 41 ist so ausgestaltet, dass es eine Kugelwelle in eine ebene Welle transformiert. Dadurch hat das holographische Element 24 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. Die übertragende Wellenfront 48 ist vorzugsweise eben. Dadurch wird die Filterwirkung zwischen den Wellenlängen minimiert. Zudem entspannt dieses die Positioniergenauigkeit der holographischen Elemente 41 und 42 in lateraler Richtung zueinander. Im Vergleich zu traditionellen Komponenten, wirkt das erste holographische Element 41 wie ein Konkav-Spiegel und das zweiten holographische Element 42 wie ein Plan-Spiegel. Insgesamt hat die holographischen Anordnung 24, insbesondere das Hologramm-Stack bestehend aus dem ersten holographische Element 41 und dem zweiten holographische Element 42, die Funktion einer Positivlinse, aber mit minimalem Volumen.
Bezugszeichenliste:
1 bildgebende Einheit
2 abzugebende Bildinformation
3 optisches Element mit Freiformfläche
4 holographische Anordnung
5 Projektionsoberfläche
6 Strahlengang
7 Wellenfrontmanipulator
8 virtuelle Abbildung, Bildebene
9 Eyebox
10 Head-up-Display
11 optische Anordnung
12 Linse
13 optische Achse
14 Objekt
15 Abbildung
16 Strahlengangl
17 Objekt
18 virtuelle Abbildung, Bildebene
19 Abbildung
20 Freiformspiegel
22 bildgebende Vorrichtung
23 Wellenfrontmanipulator
24 holographische Anordnung
25 optisches Element mit Freiformfläche
26 bildgebende Einheit
27 bildgebende Einheit
28 erster Bereich
29 zweiter Bereich
30 Freiformspiegel
31 Strahlengang
32 Strahlengang
33 Strahlengang 34 erste holographische Anordnung
35 zweite holographische Anordnung
41 erstes holographisches Element
42 zweites holographisches Element 43 Mittellinie
48 Strahlengang
49 Strahlengang
50 Strahlengang
51 mit rotem Licht aufgenommenes Hologramm 52 mit grünem Licht aufgenommenes Hologramm
53 mit blauem Licht aufgenommenes Hologramm s1 Objektweite s2 Objektweite s1‘ Bildweite s2‘ Bildweite

Claims

Patentansprüche
1. Optische Anordnung (11) für ein Head-up-Display (10) an einer Projektionsoberfläche (5), welche eine bildgebende Vorrichtung (22), welche mindestens eine bildgebende Einheit (26, 27) umfasst, und mindestens einen im Strahlengang zwischen der bildgebenden Vorrichtung (22) und der Projektionsoberfläche (5) angeordneten Wellenfrontmanipulator (23) umfasst dadurch gekennzeichnet, dass die optische Anordnung (11) dazu ausgelegt ist, virtuelle Abbildungen (8, 18) in mindestens zwei unterschiedlichen Bildebenen zu generieren, wobei die bildgebende Vorrichtung (22) mindestens einen ersten Bereich (26, 28) und einen zweiten Bereich (27, 29) aufweist, wobei die bildgebende Vorrichtung (22) und der Wellenfrontmanipulator (23) in Kombination miteinander dazu ausgelegt sind, aus in dem ersten Bereich (26, 28) der bildgebenden Vorrichtung (22) generierten Bildern virtuelle Abbildungen (8) in einer ersten Bildebene zu generieren und aus in dem zweiten Bereich (27, 29) der bildgebenden Vorrichtung (22) generierten Bildern virtuelle Abbildungen (18) in einer zweiten Bildebene zu generieren.
2. Optische Anordnung (11 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der erste Bereich (28) und der zweite Bereich (29) der bildgebenden Vorrichtung (22) eine gemeinsame Bildgeberebene aufweisen oder der erste Bereich (26) der bildgebenden Vorrichtung (22) eine erste Bildgeberebene aufweist und der zweite Bereich (27) der bildgebenden Vorrichtung (22) eine zweite Bildgeberebene aufweist, wobei sich die erste Bildgeberebene und die zweite Bildgeberebene voneinander unterscheiden.
3. Optische Anordnung (11 ) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Wellenfrontmanipulator (23) mindestens eine holographische Anordnung (24) und/oder mindestens ein optisches Element (25), welches eine Freiformfläche aufweist, umfasst.
4. Optische Anordnung (11 ) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine holographische Anordnung (24) für die Beugung von Licht einer Mehrzahl an Wellenlängen ausgelegt ist.
5. Optische Anordnung (11 ) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenfrontmanipulator (23) mindestens eine erste holographische Anordnung (34) und eine zweite holographische Anordnung (35) umfasst, wobei die erste holographische Anordnung (34) dazu ausgelegt ist, aus in dem ersten Bereich (28) der bildgebenden Vorrichtung (22) generierten Bildern virtuelle Abbildungen (8) in der ersten Bildebene zu generieren, und die zweite holographische Anordnung (35) dazu ausgelegt ist, aus in dem zweiten Bereich (29) der bildgebenden Vorrichtung generierten Bildern virtuelle Abbildungen (18) in der zweiten Bildebene zu generieren.
6. Optische Anordnung (11 ) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste holographische Anordnung (34) für die Beugung von Licht mindestens einer ersten Wellenlänge ausgelegt ist und die zweite holographische Anordnung (35) für die Beugung von Licht mindestens einer zweiten Wellenlänge ausgelegt ist, wobei die Differenz der ersten und der zweiten Wellenlänge einen festgelegten Grenzwert überschreitet.
7. Optische Anordnung (11 ) nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die holographische Anordnung (24) und/oder das mindestens eine optische Element (25) reflektiv und/oder transmissiv ausgestaltet sind.
8. Optische Anordnung (11 ) nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die holographische Anordnung (24) mindestens zwei holographische Elemente (41, 42) umfasst, welche im Strahlengang (48, 49, 50) unmittelbar hintereinander angeordnet sind.
9. Optische Anordnung (11 ) nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die holographische Anordnung (24) mindestens zwei holographische Elemente (41, 42) umfasst, welche für mindestens eine festgelegte
Wellenlänge und einen festgelegten Einstrahlwinkelbereich reflektiv ausgestaltet sind.
10. Optische Anordnung (11 ) nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die holographische Anordnung (24) mindestens zwei holographische
Elemente (41, 42) umfasst, wobei mindestens ein holographisches Element (41, 42) mehrere Hologramme (51, 52, 53) umfasst, welche als Stapel aufeinander angeordnet sind, oder mindestens ein holographisches Element (41, 42) mindestens ein Hologramm (51, 52, 53) umfasst, welches mit mindestens zwei festgelegten Wellenlängen aufgenommen ist.
11. Optische Anordnung (11) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenfrontmanipulator (23) dazu ausgelegt ist, die Abbildungen der verschiedenen Bildebenen spektral zu trennen oder durch Erzeugen von unterschiedlichen Polarisationszuständen für die verschiedenen Bildebenen zu trennen.
12. Optische Anordnung (11) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die bildgebende Vorrichtung (22) eine Mehrzahl an bildgebenden Einheiten (26, 27) umfasst.
13. Optische Anordnung (11) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenfrontmanipulator (23) eine Mehrzahl an holographischen Anordnungen (34, 35) umfasst, welche jeweils zum Generieren von virtuellen Abbildungen (8, 18) in einer festgelegten Bildebene ausgelegt sind.
14. Optische Anordnung (11) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenfrontmanipulator (23) eine Mehrzahl an optischen Elementen (20, 25, 30) umfasst, welche eine Freiformfläche aufweisen und welche jeweils zum Generieren von virtuellen Abbildungen in mindestens einer festgelegten Bildebene ausgelegt sind.
15. Head-up-Display (10), welches eine Projektionsoberfläche (5) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das Head-up-Display (10) eine optische Anordnung (11) nach einem der Ansprüche 1 bis 14 umfasst.
16. Head-up-Display (10) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Projektionsoberfläche (5) eine Oberfläche einer Windschutzscheibe eines Fahrzeugs oder ein Sichtfenster handelt.
EP22734306.8A 2021-06-22 2022-06-21 Optische anordnung und head-up-display mit mehreren bildebenen Pending EP4352554A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102021116146.0A DE102021116146A1 (de) 2021-06-22 2021-06-22 Optische Anordnung und Head-up-Display mit mehreren Bildebenen
PCT/EP2022/066787 WO2022268751A1 (de) 2021-06-22 2022-06-21 Optische anordnung und head-up-display mit mehreren bildebenen

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP4352554A1 true EP4352554A1 (de) 2024-04-17

Family

ID=82258482

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP22734306.8A Pending EP4352554A1 (de) 2021-06-22 2022-06-21 Optische anordnung und head-up-display mit mehreren bildebenen

Country Status (7)

Country Link
US (1) US20240126077A1 (de)
EP (1) EP4352554A1 (de)
JP (1) JP2024524975A (de)
KR (1) KR20240022615A (de)
CN (1) CN117693696A (de)
DE (1) DE102021116146A1 (de)
WO (1) WO2022268751A1 (de)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102022134945A1 (de) 2022-12-28 2024-07-04 E-Lead Electronic Co., Ltd. Schutzvisier für Schutzhelme, Schutzhelm und Head-up-Display

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102007022247B4 (de) * 2006-05-09 2021-02-25 Hologram Industries Research Gmbh Holographische Abbildungsoptik und Darstellungsvorrichtung mit einer solchen
JP6749334B2 (ja) * 2015-10-09 2020-09-02 マクセル株式会社 投影光学系及びヘッドアップディスプレイ装置
JP6726674B2 (ja) * 2015-10-15 2020-07-22 マクセル株式会社 情報表示装置
DE102016223381A1 (de) 2016-11-25 2018-05-30 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Anzeigevorrichtung und Blickfeldanzeigesystem für ein Kraftfahrzeug sowie Verfahren zum Betreiben eines solchen
WO2018109902A1 (ja) * 2016-12-15 2018-06-21 アルプス電気株式会社 画像表示装置
JP6601431B2 (ja) * 2017-02-03 2019-11-06 株式会社デンソー ヘッドアップディスプレイ装置
JP6601438B2 (ja) * 2017-02-21 2019-11-06 株式会社デンソー ヘッドアップディスプレイ装置
DE102017212445A1 (de) * 2017-07-20 2019-01-24 Robert Bosch Gmbh Head-up-Display-Einheit und Verfahren zum Herstellen einer Head-up-Display-Einheit
DE102017212451A1 (de) 2017-07-20 2019-01-24 Robert Bosch Gmbh Projektionsvorrichtung
DE102017213146A1 (de) 2017-07-31 2019-01-31 Robert Bosch Gmbh Projektionsvorrichtung
DE102017222621A1 (de) * 2017-12-13 2019-06-13 Robert Bosch Gmbh Projektionsvorrichtung mit einer Bilderzeugungseinheit
US20200018977A1 (en) * 2018-07-13 2020-01-16 Conserve & Associates , Inc. Display device and automobile head-up display system using the same
GB2576738B (en) * 2018-08-29 2020-08-19 Envisics Ltd Head-up display

Also Published As

Publication number Publication date
JP2024524975A (ja) 2024-07-09
US20240126077A1 (en) 2024-04-18
CN117693696A (zh) 2024-03-12
WO2022268751A1 (de) 2022-12-29
KR20240022615A (ko) 2024-02-20
DE102021116146A1 (de) 2022-12-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP4305474A1 (de) Wellenfrontmanipulator für head-up-display mit holographischem element, optische anordnung und head-up-display
DE102015122055B4 (de) Optisches System sowie Verfahren zum Übertragen eines Quellbildes
DE112017006376B4 (de) Blickfeldanzeigevorrichtung
DE3886558T2 (de) Holographisches Sichtanzeigesystem.
DE3523032C2 (de)
DE69224112T2 (de) Anzeigen betreffende Verbesserungen
DE102017222621A1 (de) Projektionsvorrichtung mit einer Bilderzeugungseinheit
DE102011075884A1 (de) HUD mit holographischen optischen Elementen
DE102014100340A1 (de) Head-Up-Display-Vorrichtung
EP3593192B1 (de) Anzeigevorrichtung und verfahren zur projektion von anzeigeinformation in einem fahrzeug
DE102007022247B4 (de) Holographische Abbildungsoptik und Darstellungsvorrichtung mit einer solchen
DE102015101687A1 (de) Verfahren und Vorrichtungen zur Dateneinspiegelung
EP3807695B1 (de) Lichtwellenleiter für ein anzeigegerät
WO2022057983A1 (de) Gerät zum generieren eines virtuellen bildes mit einem verstellmechanismus für entspiegelungslamellen
DE102017212451A1 (de) Projektionsvorrichtung
DE102022214243A1 (de) Störlichtfilter für holographische huds
EP4352554A1 (de) Optische anordnung und head-up-display mit mehreren bildebenen
DE102016107011A1 (de) Optische Anordnung für einen Scheinwerfer und Scheinwerfer mit der optischen Anordnung
DE102017213114A1 (de) Sichtfeldanzeigegerät
DE102017212454A1 (de) Projektionsvorrichtung
DE102017223273A1 (de) Projektionsvorrichtung aufweisend ein Hologramm
WO2017055149A1 (de) Vorrichtung zur datenprojektion
DE102022214244A1 (de) Minimierung von blendreflexen eines huds durch gezielte entspiegelung
DE102020209021A1 (de) Holografische Projektionsfläche für eine Projektionsvorrichtung und Projektionsvorrichtung
DE102007011561A1 (de) Einrichtung zur Korrektur der Wellenlängenabhängigkeit in beugungsbasierten optischen Systemen

Legal Events

Date Code Title Description
STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: UNKNOWN

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE INTERNATIONAL PUBLICATION HAS BEEN MADE

PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: REQUEST FOR EXAMINATION WAS MADE

17P Request for examination filed

Effective date: 20240110

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR

DAV Request for validation of the european patent (deleted)
DAX Request for extension of the european patent (deleted)