EP4378161A1 - Projektionsvorrichtung und projektionsverfahren - Google Patents

Projektionsvorrichtung und projektionsverfahren

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EP4378161A1
EP4378161A1 EP22757232.8A EP22757232A EP4378161A1 EP 4378161 A1 EP4378161 A1 EP 4378161A1 EP 22757232 A EP22757232 A EP 22757232A EP 4378161 A1 EP4378161 A1 EP 4378161A1
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EP
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image
wavelength
color
viewing angle
efficiency
Prior art date
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Pending
Application number
EP22757232.8A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Daniel Thomae
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Jenoptik AG
Original Assignee
Carl Zeiss Jena GmbH
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Filing date
Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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    • G03H2240/53—Diffraction efficiency [DE]

Definitions

  • the present invention relates to a holographic projection device and a holographic projection method.
  • a volume hologram can be used to deflect the image to be imaged. Since the deflection efficiency of such volume holograms is different for different wavelengths depending on the viewing angle for a user, this can have the disadvantage that the projected image has an undesirable color cast towards the edge, which a viewer notices very quickly and is very annoying .
  • Three wavelengths are generally used in a projection unit, one wavelength each being generally provided for blue, green and red. However, only two wavelengths can also be used.
  • the image module in the projection device is controlled in such a way that when the multicolored image is generated, a first brightness ratio of the brightness of the first partial color image to the brightness of the second partial color image is inversely proportional to the first efficiency ratio, the different deflection efficiency curves are thus compensated and the viewer can see the multicolored image for viewing angles from the predetermined angle range as a true-color virtual image.
  • An opposite color cast is thus generated during image generation, which is present for the deflection due to the volume grating of the volume hologram. This is possible because the deflection efficiency curves for the predetermined angular range around the predetermined viewing angle are set in such a way that the first efficiency ratio is constant for the predetermined angular range.
  • the different deflection efficiency curves of the volume hologram which are dependent on the viewing angle, are set for different wavelengths in such a way that the first efficiency ratio is constant for the predetermined angular range.
  • the brightness on the image module for the first and second color sub-image is set in such a way that the first brightness ratio is inversely proportional to the first efficiency ratio for the predetermined angular range.
  • the volume gratings can be reflective or transmissive gratings.
  • the volume gratings in the case of a waveguide can also be edge-lit gratings.
  • volume gratings can advantageously be formed in the same layer, which is also referred to as multiplexing. With this, the volume gratings can easily be produced in a simple manner.
  • the volume gratings can be, for example, exposed volume gratings. This is preferably understood to mean that the volume grating is exposed and optionally developed or bleached, so that a stable exposed volume grating is then present.
  • the exposure to generate the exposed volume grating can be carried out, for example, in such a way that a reference wave with a predetermined wavelength (e.g. 532 nm, 460 nm or 640 nm) is incident at a first angle of incidence (e.g. 0°) on a layer (which is a photosensitive volume holographic material comprises or is formed from it) into which the volume grating is to be exposed is directed and that a signal wave with the same wavelength is also directed onto the layer at a second angle of incidence (e.g.
  • photosensitive glasses, dichromated gelatins or photopolymers can be used as photosensitive volume holographic materials. These can e.g. B. applied to a PC film (polycarbonate film) and exposed there accordingly.
  • the refractive index modulation is understood here to mean, in particular, the amount of the maximum change or variation in the refractive index.
  • the volume hologram can be embedded in a transparent carrier. However, it is also possible for the volume hologram to be formed in the interface of the transparent carrier.
  • the transparent carrier can also be used as an image guide, which has a coupling region spaced apart from the volume hologram, via which the multicolored image is coupled into the image guide.
  • the image guide the multicolored image can be guided through reflections up to the volume hologram.
  • the volume hologram then decouples the guided light to the viewer.
  • the transparent carrier can be, for example, a windscreen or some other pane of a vehicle. However, it can also be a plane-parallel plate. Furthermore, it is possible for the transparent carrier to have curved boundary surfaces.
  • the transparent carrier of the volume hologram can also be part of an optical system, which is arranged, for example, in the dashboard of a vehicle and directs the light from there to the viewer via the reflection on the windshield.
  • the transparent support can be made of glass or plastic.
  • the projection device can be designed in such a way that the generated virtual image can be perceived superimposed on the environment.
  • the volume hologram is preferably also transmissive for the first and second wavelength.
  • the predetermined angular range can be an angular range of 2°, 3°, 4°, 5°, 6°, 7°, 8°, 9°, 10°, 11°, 12°, 13°, 14°, 15°, 16°, 17°, 18°, 19° or 20°.
  • the predetermined angular range can differ in the horizontal and vertical directions.
  • the horizontal angle can be 14° - 20° and the vertical angle 5° -7.5°.
  • the predetermined viewing angle may be in the middle of the predetermined angle range. However, it can also lie outside the center of the predetermined angular range.
  • a constant efficiency ratio for the predetermined angular range is understood here in particular to mean that the efficiency ratio for the predetermined angular range varies between the wavelengths (preferably in relation to the maximum value of the efficiency ratio in the predetermined angular range) by no more than 1%, 2%, 3%, 4th %, 5%, 6%, 7%, 8%, 9%, 10%, 11%, 12%, 13%, 14%, 15%, 16% or 17% changes.
  • Embodiment with a variety of elements or components should not be interpreted in such a way that all of these elements or components are necessary for implementation. Rather, other embodiments may include alternative elements and components, fewer elements or components, or additional elements or components. Elements or components of different exemplary embodiments can be combined with one another unless otherwise stated. Modifications and variations that are described for one of the embodiments can also be applicable to other embodiments. To avoid repetition, the same or corresponding elements in different figures are denoted by the same reference symbols and are not explained more than once. From the figures show:
  • FIG. 1 shows a schematic view of a first embodiment of the holographic projection device 1 according to the invention
  • FIG. 2 shows an enlarged detailed illustration of the projection device 1 from FIG. 1 ;
  • FIG. 4 shows a representation of the effective deflection efficiency, taking into account the brightness scaling of the imager for the wavelengths of FIG. 3; 5 shows a further embodiment of the holographic projection device 1 according to the invention;
  • FIG. 6 shows a further embodiment of the holographic projection device 1 according to the invention.
  • FIG. 7 shows a further embodiment of the holographic projection device 1 according to the invention
  • FIG. 8 shows a partial sectional view of the projection device 1 from FIG.
  • the holographic projection device 1 comprises an image module 2 for generating a multicolored image and a projection unit 3, which here comprises a holographic beam splitter 5 integrated into a windshield 4 of a vehicle, on which the multicolored image (representative the beam path of a light beam L is drawn in) in the direction of an exit pupil 6 of the projection unit 3 is deflected in such a way that a user who positions his eye A in the exit pupil 6 can perceive the multicolored image as a virtual image when he is looking along a predetermined direction 7 looks at the projection unit 3 (or here at the holographic beam splitter 5).
  • a projection unit 3 which here comprises a holographic beam splitter 5 integrated into a windshield 4 of a vehicle, on which the multicolored image (representative the beam path of a light beam L is drawn in) in the direction of an exit pupil 6 of the projection unit 3 is deflected in such a way that a user who positions his eye A in the exit pupil 6 can perceive the multicolored image as a virtual image when
  • the image module 2 can include an image generator 8 and a control unit 9 with a processor 10, the control unit 9 controlling the image generator 8 to generate the multicolored image.
  • the imaging device 8 can be an LCD module, an OLED module or an LCoS module or a tilting mirror matrix. Furthermore, the imager can
  • the system can also have a light source that is not directly assigned to the imager, such as a laser, for illuminating the imager, which is not shown.
  • the multicolored image is generated by means of the image generator 8 in that, for example, three partial color images are generated with different wavelengths. This can be, for example, a blue color sub-image with a wavelength of 460 nm, a green color sub-image with a wavelength of 532 nm and a red color sub-image with a wavelength of 640 nm.
  • the partial color images can be generated simultaneously or alternately so quickly one after the other that a user can only perceive the superimposition as a multicolored image. As can be seen in particular in the enlarged partial view of FIG.
  • the holographic beam splitter 5 has a photopolymer layer 11 in which a volume holographic grating is written for each of the three wavelengths.
  • the three grids are thus superimposed in the same volume (namely in the photopolymer layer 11), so that what is known as multiplexing occurs.
  • Each of the three volume holographic gratings is designed in such a way that it is reflective for one of the three wavelengths mentioned (for example with a bandwidth of ⁇ 3% of the central wavelength) and transmits the remaining wavelengths.
  • the reflection is to be understood as diffraction at the lattice structure of the volume hologram.
  • the reflectivity of the individual volume holographic gratings which corresponds to the diffraction efficiency, as will be described in detail below, is set such that there is an effective reflectivity of approximately 45%. This is mainly due to the fact that, for the purpose described, reflectivities of 100% are not permitted in the windshield 4 of the vehicle for safety reasons. For other applications where such security issues are not important, the volume holographic gratings may well be designed to have a reflectivity greater than 45%.
  • the holographic beam splitter 5 is designed for the predetermined viewing direction 7 with a predetermined viewing angle cd of 62.5° (relative to the normal 12, at the point where the normal 12 intersects the windshield 4).
  • deviating viewing directions 13 and 14 can also occur, for which the individual volume holographic gratings have different reflectivities, since for each of the volume holographic gratings there is a reflection efficiency profile that is dependent on the viewing angle and is different for the individual volume holographic gratings. This would lead, for example, to the perceptible virtual image having an increasing red cast as the angular deviation from the predetermined viewing angle increases.
  • With large exit pupils 6, as shown in FIGS. 1 and 2 these different viewing angles are already available to the user for different positions in the virtual image.
  • the predetermined viewing angle is only fulfilled when viewing the center of the image. Viewing direction 13 or 14 can already exist at the edge of the image, so that the individually perceived virtual image would already have a red cast away from the center of the image.
  • the viewing directions 13 and 14 thus define an angular range around the predetermined viewing direction 7 for which there should be at least one true-color projection of the virtual image into the exit pupil 6 .
  • This can be, for example, a range of ⁇ 2° based on the predetermined viewing angle cd.
  • the individual volume holographic gratings are designed in such a way that they have the diffraction efficiencies shown in FIG. 3 as a function of the viewing angle a, the viewing angle in degrees being plotted along the abscissa and the diffraction efficiency and thus the reflectivity in percent being plotted along the ordinate.
  • the curve K1 shows the diffraction efficiency of the grating for 460 nm
  • the curve K2 shows the diffraction efficiency for the wavelength 532 nm
  • the curve K3 shows the diffraction efficiency for the wavelength 640 nm.
  • Each of the curves K1-K3 has its maximum at the predetermined viewing angle cd of 62.5° and then falls in the diffraction efficiency as the viewing angle becomes larger or smaller, so that the diffraction efficiency curves shown in FIG. 3 are present.
  • the slope is now chosen so that for each viewing angle the ratio of the diffraction efficiencies is equal to the ratio of the diffraction efficiencies at the predetermined viewing angle cd.
  • the diffraction efficiency for the predetermined viewing angle cd is 66.4% for the wavelength 460 nm, 45.7% for the wavelength 523 nm and 18.8% for the wavelength 640 nm.
  • the diffraction efficiency adjustment is achieved by the volume holographic grating for the three wavelengths in a common material layer with the refractive index of 1, 5 and a layer thickness of 10 pm with a refractive index modulation of 0.015 for 460 nm, 0.0125 for 532 nm and 0.0085 for 640 nm can be written.
  • the diffraction efficiency curves of the curves K1, K2 and K3 are therefore in the ratio 2.4:1:0.7.
  • the control unit 9 controls the image generator 8 in such a way that the brightnesses for the blue, green and red color sub-image are exactly inversely proportional to the relationship described for the curves K1-K3.
  • the brightness ratio for the blue, green and red color partial image is therefore 0.4:1:1.4, so that after deflection at the holographic gratings in the photopolymer layer 11 there is effective reflectivity (i.e. with brightness correction), as in Fig. 4 is shown schematically.
  • the viewing angle in degrees is plotted along the ordinate and the diffraction efficiency, taking into account brightness correction, in percent along the abscissa.
  • the three curves K1', K2' and K3' are more or less superimposed for the desired viewing angle range, so that the virtual image is projected with true colors.
  • the user only sees a certain decrease in brightness as the distance from the center increases, but this is much less disturbing than the color cast effect described.
  • the maximum reflectivity for the predetermined viewing angle cd is approximately 46%, so that the transmission is at least 54%.
  • the projection device 1 according to the invention can have further optical elements, for example for minimizing aberrations. So mirrors and lenses can be used.
  • an optical system 15 made up of a plurality of optically active surfaces can be arranged between the image generator 8 and the holographic beam splitter 5, which is shown here schematically as a lens. These optics 15 are necessary for the correction of optical aberrations, such as dynamic distortion, which inevitably occur in the system shown in FIG. 1 when imaging the image generator 8 via the volume hologram 5 as the only effective surface.
  • the volume hologram 5 can also be placed in the optical system 15 so that the conventional Fresnel reflex is used on the windshield 4 to reflect the image into the driver's field of vision. If the volume hologram is placed in the optical system 15, the diffraction efficiency of the volume hologram can be greater than 46%.
  • FIG. 6 also shows a modification in which the light from the image generator 8 is coupled into the windshield 4 via a coupling element 16 (e.g. deflecting mirror) and is guided there by at least one reflection to the photopolymer layer 11, on which the coupling described is carried out.
  • a coupling element 16 e.g. deflecting mirror
  • any other transparent body can also be used for the projection device 1 according to the invention.
  • This transparent body can be designed as a plane-parallel plate.
  • at least one boundary surface for example the front and/or rear side
  • at least one boundary surface for example the front and/or rear side
  • the photopolymer layer 11 can be embedded in the transparent body as shown with the windshield in Figs. 1, 2, 5 and 6. However, it is also possible that the photopolymer layer is formed on the front or back of the transparent body. Furthermore, a cover layer can also be provided on the photopolymer layer 11 .
  • the projection device 1 according to the invention can also be designed to be placed on the user's head and for this purpose have a holding device 32 which can be placed on the user's head and which can be designed, for example, in the manner of a conventional eyeglass frame.
  • the projection device 1 can have a first and a second spectacle lens 33 , 34 which are fastened to the holding device 32 .
  • the lenses 33, 34 can be designed, for example, as sports glasses, sunglasses and/or glasses to correct ametropia, with the user having the first lens
  • the image module 2 can be arranged in the area of the right-hand side of the spectacles of the holding device 32, as shown schematically in FIG.
  • the first spectacle lens 33 has a rear side 37 and a front side 38 .
  • the back 37 and the front 38 are curved here. However, it is also possible that they are flat.
  • the curvature can be a spherical curvature or an aspheric curvature. If the virtual image is to be visible in superimposition with the environment, an effective deflection efficiency in the range of, for example, 50% can again be present. If the surroundings should not be visible, the deflection efficiency can be chosen to be larger.

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Abstract

Es wird bereitgestellt eine Projektionsvorrichtung mit einem Bildmodul (2), das ein mehrfarbiges Bild dadurch erzeugt, dass ein erstes Farbteilbild mit einer ersten Wellenlänge und ein zweites Farbteilbild mit einer zweiten Wellenlänge erzeugt werden, einer Projektionseinheit (3), der das mehrfarbige Bild zugeführt wird und die es in eine Austrittspupille (6) so abbildet, dass es ein Betrachter als virtuelles Bild wahrnehmen kann, wenn sein Auge (A) in der Austrittspupille (6) positioniert ist und er unter einem vorbestimmten Betrachtungswinkel auf die Projektionseinheit (3) blickt, wobei die Projektionseinheit (3) ein Volumenhologramm aufweist, das das mehrfarbige Bild zur Abbildung in die Austrittspupille (6) umlenkt, wobei das Volumenhologramm für jede Wellenlänge der Farbteilbilder ein Volumengitter aufweist, das jeweils eine vom Betrachtungswinkel abhängigen Umlenkeffizienzverlauf aufweist, der für den vorbestimmten Betrachtungswinkel maximal ist, so dass ein erstes Effizienzverhältnis des ersten Umlenkeffizienzverlaufs für die erste Wellenlänge zum Umlenkeffizienzverlauf der zweiten Wellenlänge vorliegt, wobei die Umlenkeffizienzverläufe für einen vorbestimmten Winkelbereich um den vorbestimmten Betrachtungswinkel so eingestellt sind, dass das erste Effizienzverhältnis für den vorbestimmten Winkelbereich konstant ist, wobei das Bildmodul (2) so angesteuert wird, dass bei der Erzeugung des mehrfarbigen Bildes ein erstes Helligkeitsverhältnis der Helligkeit des ersten Farbteilbildes zur Helligkeit des zweiten Farbteilbildes umgekehrt proportional zum ersten Effizienzverhältnis ist, so dass die unterschiedlichen Umlenkeffizienzverläufe kompensiert werden und der Betrachter das mehrfarbige Bild für Betrachtungswinkel aus dem vorbestimmten Winkelbereich als farbechtes virtuelles Bild wahrnehmen kann.

Description

Carl Zeiss Jena GmbH
Proiektionsvorrichtung und Proiektionsverfahren
Die vorliegende Erfindung betrifft eine holographische Projektionsvorrichtung sowie ein holographisches Projektionsverfahren.
Bei einer solchen holographischen Projektionsvorrichtung kann ein Volumenhologramm zur Umlenkung des abzubildenden Bildes benutzt werden. Da die Umlenkeffizienz solcher Volumenhologramme in Abhängigkeit des Betrachtungswinkels für einen Benutzer für unterschiedliche Wellenlängen unterschiedlich ist, kann dies in nachteiliger Art und Weise dazu führen, dass das projizierte Bild zum Rand hin einen unerwünschten Farbstich aufweist, der einem Betrachter sehr schnell auffällt und sehr störend ist. In einer Projektionseinheit werden in der Regel drei Wellenlängen verwendet, wobei in der Regel jeweils eine Wellenlänge für blau, grün und rot vorgesehen ist. Es können jedoch auch nur zwei Wellenlängen verwendet werden.
Ausgehend hiervon ist es daher Aufgabe der Erfindung, eine Projektionsvorrichtung bereitzustellen, bei der diese Schwierigkeit möglichst behoben ist. Ferner soll ein entsprechendes Projektionsverfahren bereitgestellt werden.
Die Erfindung ist in den unabhängigen Ansprüchen definiert. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Da das Bildmodul bei der erfindungsgemäßen Projektionsvorrichtung so angesteuert wird, dass bei Erzeugung des mehrfarbigen Bildes ein erstes Helligkeitsverhältnis der Helligkeit des ersten Farbteilbildes zur Helligkeit des zweiten Farbteilbildes umgekehrt proportional zum ersten Effizienzverhältnis ist, werden somit die unterschiedlichen Umlenkeffizienzverläufe kompensiert und der Betrachter kann das mehrfarbige Bild für Betrachtungswinkel aus dem vorbestimmten Winkelbereich als farbechtes virtuelles Bild wahrnehmen. Es wird somit eine entgegengesetzte Farbstichigkeit bei der Bilderzeugung erzeugt, die aufgrund der Volumengitter des Volumenhologramms für die Umlenkung vorliegt. Dies ist möglich, da die Umlenkeffizienzverläufe für den vorbestimmten Winkelbereich um den vorbestimmten Betrachtungswinkel so eingestellt sind, dass das erste Effizienzverhältnis für den vorbestimmten Winkelbereich konstant ist. Man kann somit auch sagen, dass erfindungsgemäß die unterschiedlichen vom Betrachtungswinkel abhängigen Umlenkeffizienzverläufe des Volumenhologramms für verschiedene Wellenlängen so eingestellt werden, dass das erste Effizienzverhältnis für den vorbestimmten Winkelbereich konstant ist. Gleichzeitig wird die Helligkeit am Bildmodul für das erste und zweite Farbteilbild so eingestellt, dass das erste Helligkeitsverhältnis umgekehrt proportional zum ersten Effizienzverhältnis für den vorbestimmten Winkelbereich ist. Somit tritt für Betrachtungswinkel innerhalb des vorbestimmten Winkelbereiches kein unerwünschter Farbstrich auf.
Die Volumengitter können reflektive oder transmissive Gitter sein. Ebenso können die Volumengitter im Falle eines Bildleiters (engl. Waveguides) auch Edge-Lit-Gitter sein.
Ferner können die Volumengitter vorteilhaft in derselben Schicht ausgebildet sein, was auch als Multiplexing bezeichnet wird. Damit können die Volumengitter leicht in einfacher Art und Weise hergestellt werden.
Natürlich ist es auch möglich, für jedes Volumengitter eine separate Schicht vorzusehen. Diese Schichten sind dann bevorzugt aufeinander angebracht.
Die Volumengitter können beispielsweise einbelichtete Volumengitter sein. Darunter wird hierbei bevorzugt verstanden, dass das Volumengitter belichtet und gegebenenfalls entwickelt oder gebleicht ist, so dass dann ein stabiles einbelichtetes Volumengitter vorliegt.
Die Belichtung zur Erzeugung des einbelichteten Volumengitters kann beispielsweise so durchgeführt werden, dass eine Referenzwelle mit einer vorbestimmten Wellenlänge (z.B. 532 nm, 460 nm oder 640 nm) unter einem ersten Einfallswinkel (z.B. von 0°) auf eine Schicht (die ein fotosensitive volumenholographische Material aufweist oder aus diesem gebildet ist), in die das Volumengitter einbelichtet werden soll, gerichtet wird und dass eine Signalwelle mit der gleichen Wellenlänge unter einem zweiten Einfallswinkel (z.B. von 60°), der sich vom ersten Einfallswinkel unterscheidet, ebenfalls auf die Schicht gerichtet wird, wobei die Referenzwelle und die Signalwelle vom selben Laser stammen, so dass ein Interferenzfeld bzw. Interferenzvolumen mit der gewünschten Anzahl von Interferenzmaxima über das fotosensitive volumenholographische Material der Schicht entsteht und somit eine gewünschte Brechzahlmodulation ausgebildet wird. An den Interferenzmaxima ist die erzeugte Brechzahländerung maximal, so dass die Interferenzmaxima die Brechzahlmodulation festlegen. Als fotosensitive volumenholographische Materialen können beispielsweise fotosensitive Gläser, Dichromat-Gelatinen oder Fotopolymere verwendet werden. Diese können z. B. auf eine PC-Folie (Polycarbonat-Folie) aufgebracht und dort entsprechend belichtet werden.
Unter der Brechzahlmodulation wird hier insbesondere der Betrag der maximalen Brechzahländerung bzw. -Variation verstanden.
Das Volumenhologramm kann in einem transparenten Träger eingebettet sein. Es ist jedoch auch möglich, dass das Volumenhologramm in der Grenzfläche des transparenten Trägers ausgebildet ist.
Der transparente Träger kann auch als Bildleiter genutzt werden, der einen vom Volumenhologramm beabstandeten Einkoppelbereich aufweist, über den das mehrfarbige Bild in den Bildleiter eingekoppelt wird. Im Bildleiter kann die Führung des mehrfarbigen Bildes durch Reflexionen bis zum Volumenhologramm erfolgen. Das Volumenhologramm koppelt das geführte Licht dann zum Betrachter aus.
Der transparente Träger kann beispielsweise eine Windschutzscheibe oder eine sonstige Scheibe eines Fahrzeugs sein. Es kann sich aber auch um eine planparallele Platte handeln. Ferner ist es möglich, dass der transparente Träger gekrümmte Grenzflächen aufweist. Der transparente Träger des Volumenhologramms kann auch Teil eines Optiksystems sein, welches z.B. im Armaturenbrett eines Fahrzeugs angeordnet ist und von dort das Licht über die Reflexion an der Frontscheibe zum Betrachter lenkt.
Der transparente Träger kann aus Glas oder aus Kunststoff hergestellt sein.
Insbesondere kann die Projektionsvorrichtung so ausgebildet sein, dass das erzeugte virtuelle Bild in Überlagerung mit der Umgebung wahrnehmbar ist. Dazu ist das Volumenhologramm bevorzugt auch für die erste und zweite Wellenlänge transmissiv.
Bei dem vorbestimmten Winkelbereich kann es sich um einen Winkelbereich von 2°, 3°, 4°, 5°, 6°, 7°, 8°, 9°, 10°, 11 °, 12°, 13°, 14°, 15°, 16°, 17°, 18°, 19° oder 20° handeln. Der vorbestimmte Winkelbereich kann in horizontaler und vertikaler Richtung unterschiedlich sein. So kann z.B. der horizontale Winkel 14° - 20° und der vertikale Winkel 5° -7,5° betragen. Der vorbestimmte Betrachtungswinkel kann in der Mitte des vorbestimmten Winkelbereiches liegen. Er kann jedoch auch außerhalb der Mitte des vorbestimmten Winkelbereiches liegen. Unter einem konstanten Effizienzverhältnis für den vorbestimmten Winkelbereich wird hier insbesondere verstanden, dass das Effizienzverhältnis für den vorbestimmten Winkelbereich sich zwischen den Wellenlängen (bevorzugt bezogen auf den Maximalwert des Effizienzverhältnisses im vorbestimmten Winkelbereich) um nicht mehr als 1%, 2%, 3%, 4%, 5%, 6%, 7%, 8%, 9%, 10%, 11 %, 12%, 13%, 14%, 15%, 16% oder 17% ändert.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, die ebenfalls erfindungswesentliche Merkmale offenbaren, noch näher erläutert. Diese Ausführungsbeispiele dienen lediglich der Veranschaulichung und sind nicht als einschränkend auszulegen. Beispielsweise ist eine Beschreibung eines
Ausführungsbeispiels mit einer Vielzahl von Elementen oder Komponenten nicht dahingehend auszulegen, dass alle diese Elemente oder Komponenten zur Implementierung notwendig sind. Vielmehr können andere Ausführungsbeispiele auch alternative Elemente und Komponenten, weniger Elemente oder Komponenten oder zusätzliche Elemente oder Komponenten enthalten. Elemente oder Komponenten verschiedener Ausführungsbeispiele können miteinander kombiniert werden, sofern nichts anderes angegeben ist. Modifikationen und Abwandlungen, welche für eines der Ausführungsbeispiele beschrieben werden, können auch auf andere Ausführungsbeispiele anwendbar sein. Zur Vermeidung von Wiederholungen werden gleiche oder einander entsprechende Elemente in verschiedenen Figuren mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet und nicht mehrmals erläutert. Von den Figuren zeigen:
Fig. 1 eine schematische Ansicht einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen holographischen Projektionsvorrichtung 1 ; Fig. 2 eine vergrößerte Detaildarstellung der Projektionsvorrichtung 1 von Fig. 1 ;
Fig. 3 eine Darstellung der Umlenkeffizienz der Volumengitter für drei unterschiedliche
Wellenlängen; Fig. 4 eine Darstellung der effektiven Umlenkeffizienz unter Berücksichtigung der Helligkeitsskalierung des Bildgebers für die Wellenlängen von Fig. 3; Fig. 5 eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen holographischen Projektionsvorrichtung 1 ;
Fig. 6 eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen holographischen Projektionsvorrichtung 1 ;
Fig. 7 eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen holographischen Projektionsvorrichtung 1 , und Fig. 8 eine Teilschnittansicht der Projektionsvorrichtung 1 von Fig. 7.
Bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform umfasst die erfindungsgemäße holographische Projektionsvorrichtung 1 ein Bildmodul 2 zur Erzeugung eines mehrfarbigen Bildes sowie eine Projektionseinheit 3, die hier einen in eine Windschutzscheibe 4 eines Fahrzeugs integrierten holographischen Strahlteiler 5 umfasst, an dem das mehrfarbige Bild (stellvertretend ist der Strahlengang eines Lichtbündels L eingezeichnet) in Richtung zu einer Austrittspupille 6 der Projektionseinheit 3 so umgelenkt wird, dass ein Benutzer, der sein Auge A in der Austrittspupille 6 positioniert, das mehrfarbige Bild als virtuelles Bild wahrnehmen kann, wenn er entlang einer vorbestimmten Blickrichtung 7 auf die Projektionseinheit 3 (bzw. hier auf den holographischen Strahlteiler 5) blickt.
Das Bildmodul 2 kann einen Bildgeber 8 sowie eine Steuereinheit 9 mit einem Prozessor 10 umfassen, wobei die Steuereinheit 9 den Bildgeber 8 zur Erzeugung des mehrfarbigen Bildes ansteuert. Bei dem Bildgeber 8 kann es sich um ein LCD-Modul, ein OLED-Modul oder ein LCoS-Modul oder um eine Kippspiegelmatrix handeln. Ferner kann der Bildgeber eine
Mattscheibe aufweisen, die hier nicht eingezeichnet ist. Ebenso kann das System eine nicht direkt dem Bildgeber zugeordnete Lichtquelle, wie z.B. Laser, zur Beleuchtung des Bildgebers aufweisen, welche nicht eingezeichnet ist. Das mehrfarbige Bild wird mittels des Bildgebers 8 dadurch erzeugt, dass beispielsweise drei Farbteilbilder mit unterschiedlichen Wellenlängen erzeugt werden. Dabei kann es sich z.B. um ein blaues Farbteilbild mit einer Wellenlänge von 460 nm, ein grünes Farbteilbild mit einer Wellenlänge von 532 nm und ein rotes Farbteilbild mit einer Wellenlänge von 640 nm handeln. Die Farbteilbilder können gleichzeitig oder alternierend zeitlich so schnell hintereinander erzeugt werden, dass für einen Benutzer nur die Überlagerung als mehrfarbiges Bild wahrnehmbar ist. Der holographische Strahlteiler 5 weist, wie insbesondere in der vergrößerten Teilansicht von Fig. 2 ersichtlich ist, eine Fotopolymerschicht 11 auf, in der für jede der drei Wellenlängen ein volumenholographisches Gitter geschrieben ist. Die drei Gitter überlagern sich damit im gleichen Volumen (nämlich in der Fotopolymerschicht 11 ), so dass ein sogenanntes Multiplexing vorliegt. Jedes der drei volumenholographischen Gitter ist so ausgebildet, dass es für eine der drei genannten Wellenlängen (beispielsweise mit einer Bandbreite von ± 3 % der Zentralwellenlänge) reflektiv ist und die restlichen Wellenlängen transmittiert. Die Reflexion ist dabei als Beugung an der Gitterstruktur des Volumenhologramms zu verstehen. Dabei wird die Reflektivität der einzelnen volumenholographischen Gitter, was der Beugungseffizienz entspricht, wie nachfolgend noch im Detail beschrieben wird, so eingestellt, dass eine effektive Reflektivität von ca. 45% vorliegt. Dies ist hauptsächlich darin begründet, dass für den geschilderten Verwendungszweck in der Windschutzscheibe 4 des Fahrzeuges Reflektivitäten von 100% aus Sicherheitsgründen nicht zulässig sind. Für andere Anwendungen, bei denen solche Sicherheitsaspekte keine Rolle spielen, können die volumenholographischen Gitter sehr wohl so ausgelegt sein, dass sie eine Reflektivität von größer als 45% aufweisen.
Der holographische Strahlteiler 5 ist für die vorbestimmte Betrachtungsrichtung 7 mit einem vorbestimmten Betrachtungswinkel cd von 62,5° (bezogen auf die Normale 12, an der Stelle, wo die Normale 12 die Windschutzscheibe 4 schneidet) ausgelegt. Jedoch können auch davon abweichende Betrachtungsrichtungen 13 und 14 auftreten, für die die einzelnen volumenholographischen Gitter unterschiedliche Reflektivitäten aufweisen, da für jedes der volumenholographischen Gitter ein vom Betrachtungswinkel abhängiger Reflexionseffizienzverlauf vorliegt, der für die einzelnen volumenholographischen Gitter unterschiedlich ist. Dies würde dazu führen, dass beispielsweise das wahrnehmbare virtuelle Bild mit größer werdender Winkelabweichung vom vorbestimmten Betrachtungswinkel einen zunehmenden Rotstich aufweist. Bei großen Austrittspupillen 6, wie sie in den Fig. 1 und 2 gezeigt sind, liegen diese unterschiedlichen Betrachtungswinkel für den Benutzer schon für unterschiedliche Positionen im virtuellen Bild vor. So ist der vorbestimmte Betrachtungswinkel nur bei Betrachtung der Bildmitte erfüllt. Am Bildrand kann schon die Blickrichtung 13 oder 14 vorliegen, so dass das einzelne wahrgenommene virtuelle Bild abseits der Bildmitte schon einen Rotstich aufweisen würde.
Die Blickrichtungen 13 und 14 definieren somit einen Winkelbereich um die vorbestimmte Betrachtungsrichtung 7, für den mindestens eine farbechte Projektion des virtuellen Bildes in die Austrittspupille 6 vorliegen sollte. Dabei kann es sich z.B. um einen Bereich von ± 2° bezogen auf den vorbestimmten Betrachtungswinkel cd handeln. Die einzelnen volumenholographischen Gitter sind dazu so ausgebildet, dass sie die in Fig. 3 gezeigten Beugungseffizienzen in der Abhängigkeit des Betrachtungswinkels a aufweisen, wobei entlang der Abszisse der Betrachtungswinkel in Grad und entlang der Ordinate die Beugungseffizienz und somit die Reflektivität in Prozent aufgetragen sind. Die Kurve K1 zeigt die Beugungseffizienz des Gitters für 460 nm, die Kurve K2 zeigt die Beugungseffizienz für die Wellenlänge 532 nm und die Kurve K3 zeigt die Beugungseffizienz für die Wellenlänge 640 nm. Jeder der Kurven K1-K3 hat ihr Maximum bei dem vorbestimmten Betrachtungswinkel cd von 62,5° und fällt dann mit größer oder kleiner werdendem Betrachtungswinkel in der Beugungseffizienz ab, so dass die in Fig. 3 gezeigten Beugungseffizienzverläufe vorliegen. Der Abfall ist nun so gewählt, dass für jeden Betrachtungswinkel das Verhältnis der Beugungseffizienzen gleich ist zum Verhältnis der Beugungseffizienzen beim vorbestimmten Betrachtungswinkel cd. Bei dem hier exemplarisch beschriebenen Beispiel beträgt die Beugungseffizienz für den vorbestimmten Betrachtungswinkel cd für die Wellenlänge 460 nm 66,4%, für die Wellenlänge 523 nm 45,7% und für die Wellenlänge 640 nm 18,8%. Die Beugungseffizienzanpassung wird erreicht, indem die volumenholografischen Gitter für die drei Wellenlängen in eine gemeinsame Materialschicht mit der Brechzahl von 1 ,5 und einer Schichtdicke von 10 pm mit einer Brechzahlmodulation von 0,015 für 460 nm, 0,0125 für 532 nm und 0,0085 für 640 nm geschrieben werden. Die Beugungseffizienzverläufe der Kurven K1 , K2 und K3 verhalten sich daher wie 2,4:1 :0,7.
Um nun zu einer farbechten Projektion zu kommen, steuert die Steuereinheit 9 den Bildgeber 8 so an, dass die Helligkeiten für das blaue, grüne und rote Farbteilbild genau umgekehrt proportional zum beschriebenen Verhältnis der Kurven K1-K3 sind. Das Helligkeitsverhältnis für das blaue, grüne und rote Farbteilbild beträgt daher 0,4:1 :1 ,4, so dass nach der Umlenkung an den holographischen Gittern in der Fotopolymerschicht 11 eine effektive Reflektivität (also mit Helligkeitskorrektur) vorliegt, wie in Fig. 4 schematisch gezeigt ist. In Fig. 4 sind der Betrachtungswinkel in Grad entlang der Ordinate und die Beugungseffizienz unter Berücksichtigung der Helligkeitskorrektur in Prozent entlang der Abszisse aufgetragen. Die drei Kurven K1 ‘, K2‘ und K3‘ liegen für den gewünschten Betrachtungswinkelbereich quasi übereinander, so dass eine farbechte Projektion des virtuellen Bildes vorliegt. Der Benutzer sieht lediglich einen gewissen Helligkeitsabfall mit größerem Abstand von der Mitte, was jedoch sehr viel weniger störend ist als der beschriebene Farbsticheffekt.
Wie Fig. 4 ferner entnommen werden kann, beträgt die maximale Reflektivität für den vorbestimmten Betrachtungswinkel cd ca. 46 %, so dass die Transmission mindestens 54 % beträgt. Natürlich ist es möglich, dass die erfindungsgemäße Projektionsvorrichtung 1 noch weitere optische Elemente beispielsweise zur Aberrationsminimierung aufweist. So können Spiegel und Linsen verwendet werden. Wie in Fig. 5 schematisch dargestellt ist, kann beispielsweise zwischen dem Bildgeber 8 und dem holographischen Strahlteiler 5 eine Optik 15 aus mehreren optisch wirksamen Flächen angeordnet sein, die hier schematisch als Linse eingezeichnet ist. Diese Optik 15 ist zur Korrektur von optischen Aberrationen, wie der dynamischen Verzeichnung, nötig, welche im gezeichneten System von Fig. 1 bei der Abbildung des Bildgebers 8 über das Volumenhologramm 5 als einzig wirksamer Fläche unweigerlich auftreten. Dabei kann das Volumenhologramm 5 auch in das Optiksystem 15 verlegt werden, so dass an der Windschutzscheibe 4 der herkömmliche Fresnelreflex zur Einspiegelung des Bildes in das Sichtfeld des Fahrers genutzt wird. Wird das Volumenhologramm in das Optiksystem 15 verlegt, kann die Beugungseffizienz des Volumenhologramms größer als 46 % sein.
Ferner ist in Fig. 6 eine Abwandlung gezeigt, bei der das Licht des Bildgebers 8 über ein Einkoppelelement 16 (beispielsweise Umlenkspiegel) in die Windschutzscheibe 4 eingekoppelt wird und in dieser durch mindestens eine Reflexion bis zur Fotopolymerschicht 11 geführt wird, an der die beschriebene Auskopplung durchgeführt wird.
Statt der Windschutzscheibe 4 kann auch jeder andere transparente Körper für die erfindungsgemäße Projektionsvorrichtung 1 verwendet werden. Dieser transparente Körper kann als planparallele Platte ausgebildet sein. Es ist jedoch auch möglich, dass mindestens eine Grenzfläche (beispielsweise Vorder- und/oder Rückseite) gekrümmt ausgebildet ist.
Die Fotopolymerschicht 11 kann in dem transparenten Körper, wie mit der Windschutzscheibe in Fig. 1 , 2, 5 und 6 gezeigt, eingebettet sein. Es ist jedoch auch möglich, dass die Fotopolymerschicht auf der Vorderseite oder Rückseite des transparenten Körpers ausgebildet ist. Ferner kann noch eine Deckschicht auf der Fotopolymerschicht 11 vorgesehen sein.
Die erfindungsgemäße Projektionsvorrichtung 1 kann auch als auf den Kopf des Benutzers aufsetzbar ausgebildet sein und dazu eine auf den Kopf des Benutzers aufsetzbare Haltevorrichtung 32 aufweisen, die z.B. in Art eines herkömmlichen Brillengestells ausgebildet sein kann. In diesem Fall kann die Projektionsvorrichtung 1 ein erstes und ein zweites Brillenglas 33, 34, die an der Haltevorrichtung 32 befestigt sind, aufweisen. Die Haltevorrichtung
32 mit den Brillengläsern 33, 34 kann z.B. als Sportbrille, Sonnenbrille und/oder Brille zur Korrektur einer Fehlsichtigkeit ausgebildet sein, wobei dem Benutzer über das erste Brillenglas
33 das virtuelle Bild in sein Gesichtsfeld eingespiegelt werden kann. Das Bildmodul 2 kann im Bereich des rechten Brillenbügels der Haltevorrichtung 32 angeordnet sein, wie in Fig. 7 schematisch dargestellt ist.
Wie am besten aus der vergrößerten, schematischen Teilschnittansicht in Fig. 8 ersichtlich ist, weist das erste Brillenglas 33 eine Rückseite 37 und eine Vorderseite 38 auf. Die Rückseite 37 und die Vorderseite 38 sind hier gekrümmt. Es ist jedoch auch möglich, dass sie plan sind. Bei der Krümmung kann es sich um eine sphärische Krümmung oder eine asphärische Krümmung handeln. Falls das virtuelle Bild in Überlagerung mit der Umgebung sichtbar sein soll, kann wiederum eine effektive Umlenkeffizienz im Bereich von beispielsweise 50% vorliegen. Falls die Umgebung nicht sichtbar sein soll, kann die Umlenkeffizienz größer gewählt werden.

Claims

Patentansprüche
1. Projektionsvorrichtung mit einem Bildmodul (2), das ein mehrfarbiges Bild dadurch erzeugt, dass ein erstes
Farbteilbild mit einer ersten Wellenlänge und ein zweites Farbteilbild mit einer zweiten Wellenlänge erzeugt werden, einer Projektionseinheit (3), der das mehrfarbige Bild zugeführt wird und die es in eine Austrittspupille (69) so abbildet, dass es ein Betrachter als virtuelles Bild wahrnehmen kann, wenn sein Auge (A) in der Austrittspupille (6) positioniert ist und er unter einem vorbestimmten Betrachtungswinkel (co) auf die Projektionseinheit (3) blickt, wobei die Projektionseinheit (3) ein Volumenhologramm aufweist, das das mehrfarbige Bild zur Abbildung in die Austrittspupille (6) umlenkt, wobei das Volumenhologramm für jede Wellenlänge der Farbteilbilder ein Volumengitter aufweist, das jeweils eine vom Betrachtungswinkel abhängigen Umlenkeffizienzverlauf aufweist, der für den vorbestimmten Betrachtungswinkel (cd) maximal ist, so dass ein erstes Effizienzverhältnis des ersten Umlenkeffizienzverlaufs für die erste Wellenlänge zum Umlenkeffizienzverlauf der zweiten Wellenlänge vorliegt, wobei die Umlenkeffizienzverläufe für einen vorbestimmten Winkelbereich um den vorbestimmten Betrachtungswinkel (cd) so eingestellt sind, dass das erste
Effizienzverhältnis für den vorbestimmten Winkelbereich konstant ist, wobei das Bildmodul (2) so angesteuert wird, dass bei der Erzeugung des mehrfarbigen Bildes ein erstes Helligkeitsverhältnis der Helligkeit des ersten Farbteilbildes zur Helligkeit des zweiten Farbteilbildes umgekehrt proportional zum ersten Effizienzverhältnis ist, so dass die unterschiedlichen Umlenkeffizienzverläufe kompensiert werden und der Betrachter das mehrfarbige Bild für Betrachtungswinkel aus dem vorbestimmten Winkelbereich als farbechtes virtuelles Bild wahrnehmen kann.
2. Projektionsvorrichtung nach Anspruch 1 , wobei alle Volumengitter in derselben Schicht (11 ) gebildet sind.
3. Projektionsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Volumengitter als reflektive Volumengitter ausgebildet sind.
4. Projektionsvorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, wobei das Volumenhologramm in einem transparenten Träger eingebettet ist.
Projektionsvorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, wobei die Projektionseinheit einen Bildleiter aufweist, in dem das mehrfarbige Bild eingekoppelt und mittels Reflexion bis zum Volumenhologramm geführt wird, das die Umlenkung des mehrfarbigen Bildes und dadurch die Auskopplung aus dem Bildleiter bewirkt.
Projektionsvorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, wobei das Bildmodul ferner ein drittes Farbteilbild mit einer dritten Wellenlänge erzeugt, wobei aufgrund des Umlenkeffizienzverlaufs des Volumengitters für die dritte Wellenlänge ein zweites Effizienzverhältnis des ersten Umlenkeffizienzverlaufs für die erste Wellenlänge zum Umlenkeffizienzverlauf der dritten Wellenlänge vorliegt und die Umlenkeffizienzverläufe für den vorbestimmten Winkelbereich um den vorbestimmten Betrachtungswinkel (cd) so eingestellt sind, dass das zweite Effizienzverhältnis für den vorbestimmten Winkelbereich konstant ist, wobei das Bildmodul (2) so angesteuert wird, dass bei der Erzeugung des mehrfarbigen Bildes ein zweites Helligkeitsverhältnis der Helligkeit des ersten Farbteilbildes zur Helligkeit des dritten Farbteilbildes umgekehrt proportional zum zweiten Effizienzverhältnis ist.
Projektionsvorrichtung nach Anspruch 6, wobei die erste Wellenlänge im blauen Wellenlängenbereich, die zweite Wellenlänge im grünen Wellenlängenbereich und die dritte Wellenlänge im roten Wellenlängenbereich liegt.
Projektionsvorfahren, bei dem ein mehrfarbiges Bild dadurch erzeugt wird, dass ein erstes Farbteilbild mit einer ersten Wellenlänge und ein zweites Farbteilbild mit einer zweiten Wellenlänge erzeugt werden, das mehrfarbige Bild einer Projektionseinheit (3) zugeführt wird, die es in eine Austrittspupille (69) so abbildet, dass es ein Betrachter als virtuelles Bild wahrnehmen kann, wenn sein Auge (A) in der Austrittspupille (6) positioniert ist und er unter einem vorbestimmten Betrachtungswinkel (cd) auf die Projektionseinheit (3) blickt, wobei die Projektionseinheit (3) ein Volumenhologramm aufweist, das das mehrfarbige Bild zur Abbildung in die Austrittspupille (6) umlenkt, wobei das Volumenhologramm für jede Wellenlänge der Farbteilbilder ein Volumengitter aufweist, das jeweils eine vom Betrachtungswinkel abhängigen Umlenkeffizienzverlauf aufweist, der für den vorbestimmten Betrachtungswinkel (cd) maximal ist, so dass ein erstes Effizienzverhältnis des ersten Umlenkeffizienzverlaufs für die erste Wellenlänge zum Umlenkeffizienzverlauf der zweiten Wellenlänge vorliegt, wobei die Umlenkeffizienzverläufe für einen vorbestimmten Winkelbereich um den vorbestimmten Betrachtungswinkel (co) so eingestellt sind, dass das erste Effizienzverhältnis für den vorbestimmten Winkelbereich konstant ist, wobei bei der Erzeugung des mehrfarbigen Bildes ein erstes Helligkeitsverhältnis der Helligkeit des ersten Farbteilbildes zur Helligkeit des zweiten Farbteilbildes umgekehrt proportional zum ersten Effizienzverhältnis ist, so dass die unterschiedlichen Umlenkeffizienzverläufe kompensiert werden und der Betrachterdas mehrfarbige Bild für Betrachtungswinkel aus dem vorbestimmten Winkelbereich als farbechtes virtuelles Bild wahrnehmen kann.
EP22757232.8A 2021-07-30 2022-07-22 Projektionsvorrichtung und projektionsverfahren Pending EP4378161A1 (de)

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