EP4487165A1 - Wellenfrontmanipulator mit totalreflexion und reflexionshologramm - Google Patents

Wellenfrontmanipulator mit totalreflexion und reflexionshologramm

Info

Publication number
EP4487165A1
EP4487165A1 EP23708421.5A EP23708421A EP4487165A1 EP 4487165 A1 EP4487165 A1 EP 4487165A1 EP 23708421 A EP23708421 A EP 23708421A EP 4487165 A1 EP4487165 A1 EP 4487165A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
optical element
arrangement
manipulator
prism
wavefront manipulator
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
EP23708421.5A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Siemen KUEHL
Yi ZHONG
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
Carl Zeiss Jena GmbH
Original Assignee
VEB Carl Zeiss Jena GmbH
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 VEB Carl Zeiss Jena GmbH, Carl Zeiss Jena GmbH filed Critical VEB Carl Zeiss Jena GmbH
Publication of EP4487165A1 publication Critical patent/EP4487165A1/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
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/04—Prisms
    • G02B5/045—Prism arrays
    • 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
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G02B6/34—Optical coupling means utilising prism or grating
    • 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
    • G02B2027/011—Head-up displays characterised by optical features comprising device for correcting geometrical aberrations, distortion
    • 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
    • G02B2027/0123—Head-up displays characterised by optical features comprising devices increasing the field of view

Definitions

  • 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.
  • the documents DE 10 2007 022 247 A1, DE 10 2015 101 687 A1, DE 10 2017 212 451 A1 and DE 10 2017 222 621 A1 describe holographic imaging optics for head-up displays, in particular in connection with windshields.
  • Documents JP 2020-34602 A and JP 2008-158203 A disclose head-up displays for automobiles.
  • the document US 2006 / 0 132 914 A1 describes displaying an image against a background, particularly in the context of a head-mounted display.
  • the first object is achieved by a wavefront manipulator according to patent claim 1.
  • the other objects are achieved by an optical arrangement according to claim 17 and by a head-up display according to claim 19.
  • the dependent claims contain further advantageous developments of the invention.
  • the holographic arrangement is designed in such a way that it efficiently diffracts a wave which is totally reflected before it hits the hologram.
  • at least one hologram is designed to be efficient in reconstruction at the exposure wavelength for at least one angle that is greater than the critical angle of total reflection of the total reflecting surface of the optical element.
  • the wavefront manipulator is preferably designed as a transmission component, in particular with a refractive power.
  • the advantages of a reflection hologram are thus available with the number of holograms reduced by half. Up until now, two holograms have been required for a transmission component with reflection holograms for one wavelength.
  • the use of a plurality of prisms has the advantage that the individual prisms are wavelength-specific and/or angle-specific can be designed and in this way, on the one hand, can contribute to beam expansion and, on the other hand, to aberration correction.
  • the surfaces and/or elements of the prism can be designed for aberration correction, in particular in transmission and/or reflection.
  • at least one surface arranged in the beam path and/or one element of the prism can be designed as a free-form surface.
  • several surfaces and/or elements of the prism can interact to correct aberrations.
  • the prism and the holographic arrangement can be designed to work together for aberration correction.
  • the coupling surface and/or a reflective element of the prism and/or the holographic arrangement can be designed to interact for aberration correction.
  • the optical element may comprise a first side, e.g., in the form of a top, and a second side, e.g., in the form of a bottom, opposite the first side.
  • the coupling device and the holographic arrangement can be arranged on the first side.
  • the totally reflecting surface can be arranged on the second side. This allows a very compact arrangement to be implemented, which only requires total reflection within the optical element for beam deflection in the direction of the holographic arrangement.
  • the surfaces of the first side (upper side) and the second side (lower side) do not run parallel to one another in the area of the coupling device due to the at least one prism.
  • the coupling device and a coupling area formed thereby and a coupling-out area, which is designed to couple light waves out of the wavefront manipulator are arranged on opposite sides of the wavefront manipulator.
  • the coupling and decoupling areas can also be arranged on the same side.
  • the totally reflecting surface includes a decoupling area. The The totally reflecting surface thus at least partially forms a decoupling surface for light waves diffracted at the holographic arrangement.
  • the wavefront manipulator can have a decoupling region which at least partially encompasses the totally reflecting surface, the coupling device and the decoupling region overlapping at least partially in a direction perpendicular to a surface normal of the totally reflecting surface.
  • the optical element can comprise glass or plastic. It can comprise at least one of the following materials: polycarbonate (PC), polymethyl methacrylate (PMMA), cyclic olefin polymer (COP), cycloolefin copolymers (COC), triacetate (TAC), a transparent adhesive layer (OCA - Optically Clear Adhesive), borosilicate glass , one or more of the glass types B270, N-BK7, N-SF2, P-SF68, P-SK57Q1 , P-SK58A and P-BK7 or comparable glasses.
  • PC polycarbonate
  • PMMA polymethyl methacrylate
  • COP cyclic olefin polymer
  • COC cycloolefin copolymers
  • TAC triacetate
  • OCA transparent adhesive layer
  • borosilicate glass one or more of the glass types B270, N-BK7, N-SF2, P-SF68, P-SK57Q1 , P-SK58A and P-
  • These materials are particularly well suited for a transparent optical waveguide, which has good optical properties such as high transparency and homogeneity, for example in relation to the refractive index, and is inexpensive and easy to produce.
  • Some of the materials listed have a high refractive index compared to the environment, for example compared to air under standard conditions.
  • the optical element can be designed, in particular geometrically, in such a way that light waves between the coupling-in device and the holographic arrangement experience or pass through a specified number n of total resections within the optical element.
  • the holographic arrangement comprises at least one reflection hologram, which is designed to reflect a plurality of wavelengths or frequencies, ie in particular light of a defined color space or for multicolored images, and is diffraction-efficient for them (multiplex hologram).
  • the The holographic arrangement comprises a plurality of reflection holograms, which are each designed, ie efficient, for at least one wavelength or frequency, in particular a specified wavelength or frequency range, of light of one color of a color space.
  • the color space can be, for example, an RGB color space (RGB - Red Green Blue) or a CMY color space (CMY - Cyan Magenta Yellow).
  • the at least one prism can have a coupling surface for coupling light waves into the prism, which is designed as a flat surface or curved surface or aspherical surface or as a free-form surface.
  • the wave front manipulator can comprise a further optical element.
  • the further optical element can be part of the at least one primate or can be arranged free-standing in the beam path. It can be designed to be transmissive or reflective, for example as a free-form mirror.
  • the at least one prism can have a coupling surface for coupling light waves into the prism and the further optical element can be used as a reflective layer on a surface of the prism Beam path can be formed between the coupling surface of the prism and the totally reflecting surface.
  • the optical element, the holographic arrangement and the at least one prism are preferably formed in one piece as a monolithic component or are firmly connected to one another to form a component.
  • the resulting fixed geometric arrangement of the individual components in relation to one another has the advantages already mentioned.
  • the wavefront manipulator according to the invention can be designed for a head-up display, in particular for arrangement in the beam path between an imaging unit and a projection surface. Further application options are in the field of data glasses, cameras and projectors.
  • the optical arrangement according to the invention e.g. for a head-up display on a projection surface, comprises an imaging unit and a wavefront manipulator as described above.
  • the imaging unit can be arranged directly on a surface of the at least one prism.
  • the imaging unit advantageously includes an object plane, that is to say it is spatially extended, with the object 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.
  • the imaging unit is preferably designed to generate a multicolored image.
  • each light-emitting point on the object plane emits light in the form of a scattering lobe or in a specified angular range.
  • the imaging unit is preferably designed to emit laser light, in particular laser beams.
  • the imaging unit is advantageously designed to emit laser light in at least two, preferably at least three, different waves. These are preferably three different wavelengths of one specified color space, for example red, green and blue or cyan, magenta and yellow. Since the holographic elements are more sensitive to the bandwidth of each wavelength compared to other optical components such as mirrors and lenses, it is advantageous if the imaging unit is designed as a laser scanner with a sharp bandwidth for each color.
  • 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.
  • the optical arrangement according to the invention has the features and advantages already mentioned above in connection with the wavefront manipulator according to the invention. In particular, it offers a very compact arrangement, which therefore only takes up a small amount of space and at the same time ensures a very high imaging quality.
  • Both the wavefront manipulator according to the invention and the optical arrangement according to the invention are suitable for retrofitting in connection with head-up displays in, for example, motor vehicles, airplanes or VR arrangements, for example VR glasses.
  • the head-up display according to the invention comprises a projection surface and an optical arrangement according to the invention as described above.
  • the projection surface which is curved for example, can be a windshield of a vehicle, for example a motor vehicle, an airplane or a ship. However, the projection surface can also be another viewing window, for example a viewing window of VR glasses.
  • the curved projection surface can be viewed as a free-form surface, for example.
  • imaging errors or aberrations caused thereby are compensated for and a tilted image plane of a virtual image is also generated.
  • 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 through a wavefront manipulator according to the invention in a side view.
  • FIG. 2 schematically shows a head-up display according to the invention with a wavefront manipulator according to the invention in a first variant.
  • FIG. 3 schematically shows a head-up display according to the invention with a wavefront manipulator according to the invention in an alternative first variant.
  • FIG. 4 schematically shows a head-up display according to the invention with a wavefront manipulator according to the invention in a second variant.
  • FIG. 5 schematically shows a head-up display according to the invention with a wavefront manipulator according to the invention in an alternative second variant.
  • FIG. 6 schematically shows a head-up display according to the invention with a wavefront manipulator according to the invention in a third variant.
  • figure ? shows schematically a head-up display according to the invention with a wavefront manipulator according to the invention in an alternative third variant.
  • FIG. 8 schematically shows a head-up display according to the invention with a wavefront manipulator according to the invention in a fourth variant.
  • FIG. 9 schematically shows a head-up display according to the invention with a wavefront manipulator according to the invention in an alternative fourth variant.
  • FIG. 10 schematically shows a head-up display according to the invention with a wavefront manipulator according to the invention in a fifth variant.
  • FIG. 11 schematically shows a head-up display according to the invention with a wavefront manipulator according to the invention in an alternative fifth variant.
  • FIG. 12 schematically shows an optical arrangement according to the invention with a wavefront manipulator according to the invention in the form of a block diagram.
  • FIG. 1 schematically shows the beam path through a wavefront manipulator according to the invention in a side view.
  • the wavefront manipulator 1 comprises a holographic arrangement 2 and an optical element 3.
  • the optical element 3 has a first side 4, which forms the bottom in the figure shown, and a second side 5, which forms the top in the figure shown.
  • the holographic arrangement 2 is arranged on the first side 4, ie the underside.
  • the optical element 3 has a coupling device 7 .
  • the in-coupling device 7, not shown in detail in FIG. 1, comprises at least one prism and is designed in such a way that it enables the light 6 to be in-coupled at an angle, so that the in-coupled light beams can be totally reflected on the second side 5 of the optical element 3.
  • the holographic arrangement 2 is arranged next to the coupling device 7 in FIG.
  • the light beams 6 totally reflected on the second side 5 impinge on the holographic arrangement 2 at an angle of incidence for which the holographic arrangement 2 is diffraction-efficient.
  • the holographic arrangement 2 comprises at least one reflection hologram.
  • the light reflected or diffracted by the holographic arrangement 2 is refracted on the second side 5 of the optical element 2 and coupled out of the wave front manipulator 1 .
  • the second side 5 thus includes a decoupling area.
  • the wavefront manipulator is thus designed as a transmission component with refractive power.
  • the holographic arrangement 2 comprises at least one hologram which, when exposed, has its exposure wavelength is diffraction efficient for at least one specified angle, which is greater than the critical angle of total internal reflection of the optical element 3.
  • the holographic arrangement 2 can comprise at least one hologram which is diffraction efficient for a plurality of wavelengths in a defined color space.
  • the holographic arrangement 2 can also comprise a plurality of holograms, each of which is diffraction-efficient for at least one wavelength of a specified color space and at least one specified angle of incidence range.
  • the plurality of holograms can be arranged next to one another or in the form of a hologram stack, ie as a stack on top of one another.
  • the wavefront manipulator 1 Compared to conventional hologram arrangements formed from reflection holograms, the wavefront manipulator 1 according to the invention has the advantage that only half the number of holograms is required in order to be able to use the advantages of reflection holograms. As a result, costs are reduced and at the same time accuracy is improved, since imaging errors, which can arise as a result of the arrangement of the holograms on top of one another, are avoided.
  • the optical element 3 can be embodied as a substrate or waveguide. However, an additional substrate can also be present and the optical element 3 can be in the form of a film or layer. In principle, the optical element 3 can comprise glass or plastic or consist of these materials. The material of the optical element can include at least one of the materials already listed above.
  • the tendentially undesirable zeroth diffraction order which forms stray light, remains in the optical element 3 and/or an additional substrate due to the total reflection and can be suitably guided to a side surface or an edge into a beam trap (beam dump).
  • beam trap beam dump
  • the wavefront manipulator shown in FIG. 1 can be used in a head-up display, for example. This application is used below for various exemplary embodiments. This does not rule out other applications, for example in other optical arrangements or optical systems.
  • FIG. 2 schematically shows a head-up display according to the invention.
  • the head-up display 22 includes an inventive optical arrangement 10 and a projection surface in the form of a windshield 11.
  • a viewer or an eye box 12 identify the area from which a viewer through the head-up display 22 behind the projection surface 11 projected virtual image is perceptible.
  • the optical arrangement 10 according to the invention comprises an imaging unit 21 and a wavefront manipulator 1 according to the invention.
  • the wavefront manipulator 1 according to the invention comprises, in addition to the wavefront manipulator 1 already described with reference to FIG Unit 21 and the coupling device 7 is arranged.
  • the further optical element 23 is designed as a free-form mirror. It is designed for beam deflection and aberration correction. Further aberration corrections can be carried out using the prisms of the in-coupling device 7 and the holographic arrangement 2 .
  • the coupling device 7 is designed as an arrangement of a plurality of prisms, in particular as a microprism arrangement.
  • the prisms cause light waves to be coupled in on the first side 4 of the optical element 2 at an angle which enables total reflection on the second side 5 .
  • the holographic arrangement 2 is integrated into the optical element 3 and extends over the entire first side 4 or forms it. Light coming from the further optical element 23, which was previously reflected from the imaging unit 21 at the further optical element 23, is transmitted via the coupling device 7, i.e. the microprism array, in the direction of the second side 5 into the optical element
  • the light first transmits through the holographic arrangement 2, preferably without filtering effects occurring in the process. Since the holographic arrangement 2 is designed as a reflection hologram and is diffraction-efficient only for light coming from the direction of the second side 5 in reflection, no diffraction occurs during transmission, but only for light coming from the second side 5 . The light diffracted by the holographic arrangement 2 then strikes the second side 5, is refracted there and is coupled out of the wave front manipulator in the direction of the projection surface 11, for example the windshield.
  • the alternative variant shown in FIG. 3 differs from the variant shown in FIG.
  • the arrangement is mirror-symmetrical to the variant shown in FIG. While in Figure 2 the imaging unit 1 emits light to the left and the coupling device is arranged in the left area of the first side 4, in Figure 3 the imaging unit 21 emits light to the right in the direction of the further optical element 23 arranged on the right in this variant , and is extended from this in the direction of a in the right area of the first page
  • FIGS. 4 to 9 show three further embodiment variants, each in two alternatives, in which a monolithic or a single prism is used as the coupling device 7 instead of a plurality of prisms.
  • the optical element 3 with the coupling device 7 and the holographic arrangement 2 are designed as a monolithic component, that is to say in one piece.
  • you can the components mentioned must be firmly connected to one another.
  • a monolithic configuration has the advantage that a precise arrangement of the components mentioned relative to one another can be ensured during production, ie they are robust with regard to their further installation within the scope of an optical component or an optical arrangement. No additional adjustment is required and no additional manufacturing-related aberrations occur.
  • a prism 7 is arranged on the first side 4 or encompassed by it.
  • the prism 7 has a coupling surface 8 .
  • the in-coupling surface 8 is designed for in-coupling light, for example an imaging unit 21 , into the wavefront manipulator 1 .
  • the coupling surface 8 is preferably designed as a transmissive free-form surface. Aberrations can be corrected by means of the free-form surface 8 .
  • the coupling-in surface 8 can be curved, in particular convexly curved. After passing through the prism 7, light coupled in via the coupling surface 8 is transmitted through the holographic arrangement 2, is totally reflected on the second side 5 of the optical element 3 and is then, as already explained with reference to FIGS second page 5 bent.
  • the variant shown in FIG. 5 differs from the variant shown in FIG. While in FIG. 4 the imaging unit 21 and the prism 7 are arranged on the left below the holographic arrangement 2, the prism 7 and the imaging unit 21 are arranged on the right below the holographic arrangement 2 in FIG.
  • the prism 7 has a reflective element 9 in the form of a reflection layer 9 in addition to a curved coupling surface 8 designed, for example, as a free-form surface on.
  • the reflection layer 9 can be designed as an optical element arranged directly on a surface of the prism 7 or can be integrated into the prism 7 .
  • the reflective element 9 can be flat, that is to say designed as a flat reflective surface or as a free-form surface.
  • the in-coupling surface 8 and the reflective surface 9 are arranged relative to one another on the prism 7 such that light coupled in through the in-coupling surface 8 is reflected on the reflective surface 9 in such a way that it transmits the holographic arrangement 2 at an angle of incidence in the direction of the second side 5, which is greater than the critical angle of total reflection on the second side 5.
  • the prism 7, as a coupling device thus ensures on the one hand that light is coupled in at an angle which enables total reflection on the second side 5 and also offers two surfaces, namely the coupling surface 8 and the reflective surface 9, for aberration correction.
  • the coupling surface 8 is concavely curved.
  • the variant shown in FIG. 7 differs from the variant shown in FIG. 6 only in the geometric arrangement of the imaging unit 21 and the prism 7 in relation to the projection surface 11. While in FIG. 6 light is coupled into the prism 7 coming from the right and is reflected on a reflection surface 9 arranged on the left, light from the left is coupled into the prism by the imaging unit 21 in FIG.
  • the imaging unit 21 is arranged directly on a coupling surface 8 of the prism 7 .
  • the coupling surface 8 can be designed as a flat surface.
  • the prism 7 has a reflective surface 9, for example in the form of a layer. Analogously to the embodiment variants shown in FIGS. 6 and 7, this reflective surface 9 is designed to direct a coupled light into the prism 7 in the direction of the second side 5 to lead to a total reflection there. Unlike those in the figure
  • the reflective surface 9 is curved in FIGS. 8 and 9, for example as a curved free-form surface. While in Figure 8 the imaging unit 21 radiates light from the right into the prism 7 and is reflected by the reflecting surface 9 from the left in the direction of the second surface 5, in Figure 9 the imaging unit 21 directs light to the right into the Prism 7 coupled and reflected to the left by the reflection surface 9 in the direction of the second surface 5.
  • the light is totally reflected once within the optical element 3 .
  • several total reflections within the optical element are also possible.
  • only total reflection has the advantage that no further aberrations are caused by the simple beam deflection.
  • the light beams coupled in via the coupling surface 8 are, after the first total reflection on the second side 5, transmitted by the holographic arrangement 2 in the direction of the reflective element 9, reflected by the latter, and then by the holographic arrangement 2 transmitted in the direction of the second side 5 and reflected by the holographic arrangement 2 after a second total reflection on the second side 5 .
  • the coupling surface 8 and/or the reflective element 9 can be designed for aberration correction.
  • they are designed to work together for aberration correction.
  • they can be in the form of free-form surfaces and/or include at least one hologram. This refinement offers the advantages of a reduction in installation space and improved correction of imaging errors.
  • multiple surfaces and / or elements of the prism can be designed so that they Aberration Correction Collaboration.
  • the prism and the holographic arrangement can be designed to work together for aberration correction.
  • the coupling surface and/or a reflective element of the prism and/or the holographic arrangement can be designed to interact for aberration correction.
  • FIG. 12 schematically shows an optical arrangement 10 according to the invention with a wavefront manipulator 1 according to the invention in the form of a block diagram.
  • the optical arrangement 10 according to the invention comprises an imaging unit 21 and a wavefront manipulator 1 according to the invention, which are arranged one behind the other in a beam path 6 .
  • the wave front manipulator 1 comprises a holographic arrangement 2 already described and an optical element 3 which has a coupling device 7 .

Landscapes

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

Abstract

Es wird ein Wellenfrontmanipulator (1) beschrieben, welcher eine holographische Anordnung (2) und ein optisches Element (3) umfasst, wobei das optische Element (3) mindestens eine für einen festgelegten Einfallswinkelbereich totalreflektierende Fläche (5) zum Einstrahlen von Lichtwellen auf die holographische Anordnung (2) umfasst und wobei die holographische Anordnung (2) mindestens ein Reflexionshologramm zur Reflexion von mittels des optischen Elements (3) auf die holographische Anordnung (2) eingestrahlten Lichtwellen umfasst. Das optische Element (3) umfasst eine Einkoppeleinrichtung (7) zum Einkoppeln von Lichtwellen in den Wellenfrontmanipulator (1), welche mindestens ein Prisma umfasst.

Description

Wellenfrontmanipulator mit Totalreflexion und Reflexionshologramm
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wellenfrontmanipulator, zum Beispiel zur Anordnung im Strahlengang eines Head-up-Displays (HUD) zwischen einem Projektionsobjektiv und einer Projektionsoberfläche, insbesondere einer gekrümmten Projektionsoberfläche. Die Erfindung betrifft darüber hinaus eine optische Anordnung und ein Head-up-Display.
Head-up-Displays kommen inzwischen im Rahmen vielfältiger Anwendungen zum Einsatz, unter anderem auch im Zusammenhang mit Sichtfenstern von Fahrzeugen, zum Beispiel an Windschutzscheiben von Kraftfahrzeugen, Frontscheiben oder Sichtfenstern von Flugzeugen. Diese Sichtscheiben und insbesondere Windschutzscheiben weisen üblicherweise eine gekrümmte Oberfläche auf, welche als Projektionsoberfläche von Head-up-Displays genutzt wird.
Ein Head-up-Display umfasst üblicherweise eine bildgebende Einheit (PGU - picture generating unit) oder einen Projektor, eine Projektionsoberfläche, eine Eyebox und eine Bildebene der virtuellen Abbildung. Mittels der bildgebenden Einheit oder des Projektors wird eine Abbildung erzeugt. Die Abbildung wird auf die Projektionsoberfläche projiziert und von der Projektionsoberfläche in die Eyebox projiziert. Bei der Eyebox handelt es sich um eine Ebene oder einen Raumbereich, in welchem die projizierte Abbildung für einen Betrachter als virtuelles Bild wahrnehmbar ist. Die Bildebene der virtuellen Abbildung, also die Ebene auf oder in der das virtuelle Bild erzeugt wird, ist auf oder hinter der Projektionsoberfläche angeordnet. Durch die Krümmung der Projektionsoberfläche und durch kompakte Anordnungen auf geringem Bauraum mit unter Umständen starken Verkippungen einzelner Komponenten zueinander und entsprechend komplex gefalteten Strahlengängen kommt es zu Abbildungsfehlern oder Aberrationen. Eine Windschutzscheibe kann im Allgemeinen als optische Freiformfläche beschrieben werden. Wird ein Head-up-Display im Zusammenhang mit einer gekrümmten Windschutzscheibe oder einem gekrümmten Sichtfenster verwendet, so ist es erwünscht, durch die Krümmung auftretende Abbildungsfehler, die genannten bauraumbedingt unter Umständen auftretenden Abbildungsfehler sowie gegebenenfalls durch die bildgebende Einheit hervorgerufene Abbildungsfehler im optischen Strahlengang zu korrigieren. Die Abbildungsfehler oder Aberrationen, die dabei auftreten können, sind zum Beispiel Verzeichnung, Defokus, Kippung, Astigmatismus, Wölbung der Bildebene, sphärische Aberrationen, höherer Astigmatismus und Koma. Im Zusammenhang mit Head-up-Displays, insbesondere für Fahrzeuganwendungen, sind zudem ein möglichst großes Sichtfeld, eine möglichst große Eyebox sowie eine gleichmäßige, helle und mehrfarbige Abbildung, bevorzugt mehrfarbig in jedem Bildpunkt, erwünscht. Entsprechende Anforderungen sind auch im Zusammenhang mit anderen optischen Anwendungen zu erfüllen und durch geeignete Wellenfrontmanipulatoren umzusetzen.
In den Dokumenten DE 10 2007 022 247 A1 , DE 10 2015 101 687 A1 , DE 10 2017 212 451 A1 und DE 10 2017 222 621 A1 werden holographische Abbildungsoptiken für Head-up-Displays, insbesondere im Zusammenhang mit Windschutzscheiben, beschrieben. Im Zusammenhang mit Head-up- Displays und anderen optischen Anwendungen ist es neben einer hohen Abbildungsqualität vielfach erwünscht, dass die verwendeten Komponenten fest verbaut bzw. fest zueinander angeordnet sind, insbesondere um die Kosten zu reduzieren und die Stabilität des Systems zu erhalten.
Die Dokumente JP 2020- 34 602 A und JP 2008-158203 A offenbaren Head- up-Displays für Kraftfahrzeuge. Das Dokument US 2006 / 0 132 914 A1 beschreibt das Anzeigen einer Abbildung vor einem Hintergrund, insbesondere im Rahmen eines Head-Mounted-Displays.
Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen vorteilhaften Wellenfrontmanipulator zur Verfügung zu stellen. Weitere Aufgaben bestehen darin, eine vorteilhafte optische Anordnung sowie ein vorteilhaftes Head-up-Display zur Verfügung zu stellen.
Die erste Aufgabe wird durch einen Wellenfrontmanipulator gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Die weiteren Aufgaben werden durch eine optische Anordnung gemäß Patentanspruch 17 und durch ein Head-up-Display gemäß Patentanspruch 19 gelöst. Die abhängigen Ansprüche enthalten weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Der erfindungsgemäße Wellenfrontmanipulator umfasst eine holographische Anordnung und ein optisches Element, zum Beispiel einen Wellenleiter. Das optische Element umfasst mindestens eine für einen festgelegten Einfallswinkelbereich totalreflektierende Fläche zum Einstrahlen von Lichtwellen auf die holographische Anordnung. Bei der totalreflektierenden Fläche kann es sich um eine Oberfläche handeln. Die holographische Anordnung umfasst mindestens ein Reflexionshologramm zur Reflexion von mittels des optischen Elements auf die holographische Anordnung eingestrahlten Lichtwellen. Das optische Element umfasst eine Einkoppeleinrichtung zum Einkoppeln von Lichtwellen in den Wellenfrontmanipulator, insbesondere in Richtung der totalreflektierenden Fläche. Die Einkoppeleinrichtung umfasst mindestens ein Prisma.
Vorzugsweise ist das Prisma als von dem optischen Element, insbesondere dem Wellenleiter, separates Bauteil ausgebildet. Das Prisma kann unmittelbar an dem optischen Element und/oder unmittelbar an der holographischen Anordnung angeordnet sein. Vorteilhafterweise weist in dieser Variante die Grenzfläche zwischen dem Prisma und dem optischen Element und/oder der holographischen Anordnung keinen Brechzahlsprung auf. Zumindest sollte eine Brechzahländerung an der Grenzfläche möglichst gering sein, zum Beispiel weniger als 0,1 , vorzugsweise weniger als 0,05 betragen.
Das optische Element, insbesondere der Wellenleiter kann eine Oberseite und eine Unterseite aufweisen, welche zur Totalreflexion von Lichtwellen zwischen ihnen ausgebildet sind. Die Oberseite und die Unterseite können durch Seitenflächen miteinander verbunden sein. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist das Prisma bevorzugt an der Oberseite oder der Unterseite angeordnet, also mit anderen Worten nicht an einer der Seitenflächen. Im Fall einer einstückigen Ausgestaltung von optischem Element, insbesondere Wellenleiter, und Prisma, also ein einer Ausgestaltung, in der das Prisma integraler Bestandteil des optischen Elements, insbesondere des Wellenleiters, ist, kann das Prisma so angeordnet oder ausgebildet sein, dass es an der Oberseite oder der Unterseite von der jeweiligen Seite hervorsteht, also auf der Oberseite oder der Unterseite geometrisch herausragt. Durch die beschriebenen Ausgestaltungen ist verglichen mit einer Einkopplung an einer der Seitenflächen eine vergrößerte Einkoppelfläche und größerer Winkelbereich für die Einkopplung realisierbar.
Der erfindungsgemäße Wellenfrontmanipulator hat den Vorteil, dass er eine Verwendung von Reflexionshologrammen mit einer reduzierten Anzahl an dafür erforderlichen Hologrammen ermöglicht. Üblicherweise werden transmittierende holographische Komponenten unter Verwendung von Reflexionshologrammen durch zwei nacheinander angeordnete Reflexionshologramme (sogenanntes z-Hologramme) realisiert, wobei die einzelnen Hologramme für eine bestimmte Wellenlänge effizient sind. Für eine mehrfarbige Anwendung, zum Beispiel mittels Wellenlängen aus drei Farben bzw. Wellenlängen eines festgelegten Farbraums (z.B. RGB-Anwendungen) sind dementsprechend 6 Hologramme erforderlich. Dabei gestaltet sich die Integration der Hologramme zu einem Hologramm-Stack oder Hologramm- Stapel in der Regel als sehr aufwendig. Durch den sehr komplexen Stack- Aufbau und die Verwendung einer Vielzahl an Hologrammen wird unter anderem durch Matenalabsorption das Transmissionsvermögen deutlich reduziert. Zudem können sich die Hologramme gegenseitig filtern. Um diese Nachteile zu überwinden ermöglicht der erfindungsgemäße Wellenfrontmanipulator eine Reduzierung der Anzahl der Hologramme, ohne die Funktionalität des Wellenfrontmanipulators zu beeinträchtigen. Durch die verringerten Filtereffekte wird vielmehr eine verbesserte Funktionalität erreicht.
Mittels der totalreflektierenden Fläche des optischen Elements wird eine Strahlumlenkung, welche herkömmlicherweise durch ein Reflexionshologramm erreicht wird, realisiert. Durch die Anordnung des optischen Elements im Strahlengang derart, dass durch das optische Element totalreflektiertes Licht in die holographische Anordnung zur Reflexion durch diese eingestrahlt wird, kann erfindungsgemäß unter Ausnutzung der Totalreflexion die Hälfte der sonst erforderlichen Hologramme eingespart werden. Dabei werden die Kosten deutlich reduziert. Durch die geringere Anzahl an Komponenten werden zudem mögliche Filtereffekte und Aberrationen reduziert. Vorzugsweise ist mindestens eins der Hologramme, insbesondere eine Mehrzahl der Hologramme oder alle Hologramme, zur Aberrationskorrektur ausgelegt. Hierzu kann mindestens eins der Hologramme mit Freiform-Konstruktionswellenfronten aufgenommen bzw. geschrieben sein, also mit Lichtwellen, deren Wellenfronten Freiformflächen bilden.
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulators ist die holographische Anordnung so ausgelegt, dass sie eine Welle, welche, bevor sie auf das Hologramme trifft, totalreflektiert wird, effizient beugt. Vorzugsweise ist mindestens ein Hologramm so ausgelegt, dass es bei Rekonstruktion mit der Belichtungswellenlänge für mindestens einen Winkel effizient ist, welcher größer ist als der Grenzwinkel der Totalreflexion der totalreflektierenden Fläche des optischen Elements.
Vorteilhafterweise ist die holographische Anordnung im Strahlengang dem optischen Element nachgeordnet angeordnet. Alternativ dazu kann die holographische Anordnung im Strahlengang so angeordnet sein, dass sie Lichtwellen im Strahlengang unmittelbar hinter der Einkoppeleinrichtung, also vor einer ersten Totalreflexion und/oder vor einer zweiten Totalreflexion innerhalb des optischen Elements, transmittiert und im Strahlengang hinter der totalreflektierenden Fläche reflektiert. Mit anderen Worten kann die holographische Anordnung zwar geometrisch und im Strahlengang zwischen der Einkoppeleinrichtung und der totalreflektierenden Fläche angeordnet sein, allerdings als Element, welches in dieser Strahlrichtung Lichtwellen lediglich transmittiert ohne eine Beugungseffizienz aufzuweisen. Optional können Lichtwellen nach der ersten Totalreflexion die holographische Anordnung nochmals transmittieren, vorzugsweise in Richtung einer zum Beispiel zur Aberrationskorrektur ausgelegten, insbesondere reflektiven, Fläche des Prismas, und erst nach einer zweiten Totalreflexion an der totalreflektierenden Fläche reflektieren. Die zur Aberrationskorrektur ausgelegte Fläche des Prismas kann als Freiformfläche ausgebildet sein und/oder mindestens ein Hologramm umfassen. Diese Ausgestaltung bietet die Vorteile einer Bauraumreduzierung und einer verbesserten Korrektur von Abbildungsfehlern.
Bevorzugt ist der Wellenfrontmanipulator als Transmissionskomponente, insbesondere mit Brechkraft, ausgelegt. Es stehen somit die Vorteile eines Reflexionshologramms mit einer um die Hälfte reduzierten Anzahl an Hologrammen zur Verfügung. Bisher werden für eine Transmissionskomponente mit Reflexionshologrammen für eine Wellenlänge zwei Hologramme benötigt.
Die Einkoppeleinrichtung kann eine Mehrzahl an Prismen umfassen. Die Prismen können in einer Reihe oder als Gitter auf einer Einkoppelfläche angeordnet sein. Sie können zum Beispiel als Prisma-Array, insbesondere als Mikroprisma-Array, ausgebildet sein. Die Abmessungen der einzelnen Prismen können im Mikrometerbereich liegen. Die laterale bzw. dazu senkrechte Ausdehnung der einzelnen Prismen kann zwischen 5 Mikrometern und 1 Millimeter betragen, zum Beispiel zwischen 5pm und 50pm, zwischen 50pm und 200pm, zwischen 200pm und 500pm oder zwischen 500pm und 1 mm. Die Verwendung einer Mehrzahl an Prismen hat den Vorteil, dass die einzelnen Prismen wellenlängenspezifisch und/oder einfallswinkelspezifisch ausgelegt sein können und auf diese Weise einerseits zur Strahlaufweitung und andererseits zur Aberrationskorrektur beitragen können. Zudem können zum Beispiel die Flächen und/oder Elemente des Prismas zur Aberrationskorrektur ausgelegt sein, insbesondere in Transmission und/oder Reflektion. Dazu kann mindestens eine im Strahlengang angeordnete Fläche und/oder ein Element des Prismas als Freiformfläche ausgebildet sein. Weiterhin können mehrere Flächen und/oder Elemente des Prismas zur Aberrationskorrektur zusammenwirken. Vorteilhafterweise können das Prisma und die holographische Anordnung so ausgelegt sein, dass sie zur Aberrationskorrektur Zusammenwirken. Zum Beispiel können die Einkoppelfläche und/oder ein reflektives Element des Prismas und/oder die holographische Anordnung zum Zusammenwirken zur Aberrationskorrektur ausgebildet sein.
Das optische Element kann eine erste Seite, z.B. in Form einer Oberseite, und eine der ersten Seite gegenüber liegende zweite Seite, z.B. in Form einer Unterseite, umfassen. Die Einkoppeleinrichtung und die holographische Anordnung können an der ersten Seite angeordnet sein. Die totalreflektierende Fläche kann an der zweiten Seite angeordnet sein. Hierdurch lässt sich eine sehr kompakte Anordnung realisieren, welche lediglich eine Totalreflexion innerhalb des optischen Elements zur Strahlumlenkung in Richtung der holographischen Anordnung erfordert. Die Oberflächen der ersten Seite (Oberseite) und der zweiten Seite (Unterseite) verlaufen im Bereich der Einkoppeleinrichtung aufgrund des mindestens einen Prismas nicht parallel zueinander.
Im Falle einer Ausgestaltung als Transmissionselement sind die Einkoppeleinrichtung und ein dadurch gebildeter Einkoppelbereich und ein Auskoppelbereich, welcher zum Auskoppeln von Lichtwellen aus dem Wellenfrontmanipulator ausgelegt ist, an einander gegenüberliegenden Seiten des Wellenfrontmanipulators angeordnet. Der Ein- und Auskoppelbereich können ansonsten auch an derselben Seite angeordnet sein. Vorzugsweise umfasst die totalreflektierende Fläche einen Auskoppelbereich. Die totalreflektierende Fläche bildet also zumindest teilweise eine Auskoppelfläche für an der holographischen Anordnung gebeugte Lichtwellen.
In einer weiteren Variante kann der Wellenfrontmanipulator einen Auskoppelbereich aufweisen, welcher zumindest teilweise die totalreflektierende Fläche umfasst, wobei die Einkoppeleinrichtung und der Auskoppelbereich sich zumindest teilweise in einer Richtung senkrecht zu einer Oberflächennormale der totalreflektierenden Fläche überlappen.
Das optische Element kann Glas oder Kunststoff umfassen. Es kann mindestens eines der folgenden Materialien umfassen: Polycarbonat (PC), Polymethylmethacrylat (PMMA), Cyclic Olefin Polymer (COP), Cycloolofin- Copolymere (COC), Triacetat (TAC), eine transparente Klebeschicht (OCA - Optically Clear Adhesive), Borosilikatglas, ein oder mehrere der Glastypen B270, N-BK7, N-SF2, P-SF68, P-SK57Q1 , P-SK58A und P-BK7 oder vergleichbare Gläser. Diese Materialien sind besonders gut für einen transparenten Lichtwellenleiter geeignet, welcher gute optische Eigenschaften wie hohe Transparenz, Homogenität, zum Beispiel in Bezug auf den Brechungsindex, aufweist und dabei preiswert und leicht herzustellen ist. Die aufgeführten Materialien weisen zum Teil einen hohen Brechungsindex im Vergleich zur Umgebung auf, zum Beispiel im Vergleich zu Luft unter Standardbedingungen.
Das optische Element kann, insbesondere geometrisch, so ausgelegt sein, dass Lichtwellen zwischen der Einkoppeleinrichtung und der holographischen Anordnung eine festgelegte Anzahl n an Totalresektionen innerhalb des optische Elements erfahren bzw. durchlaufen. Bevorzugt ist n kleiner als 5 (n<5), im besten Fall gleich 1 (n=1 ).
In einer vorteilhaften Variante umfasst die holographische Anordnung mindestens ein Reflexionshologramm, welches zur Reflektion einer Mehrzahl an Wellenlängen bzw. Frequenzen, also insbesondere von Licht eines festgelegten Farbraums bzw. für mehrfarbige Abbildungen, ausgelegt und für diese beugungseffizient ist (Multiplex-Hologramm). Alternativ dazu kann die holographische Anordnung eine Mehrzahl an Reflexionshologrammen umfassen, welche jeweils für mindestens eine Wellenlänge bzw. Frequenz, insbesondere einen festgelegten Wellenlängen- bzw. Frequenzbereich, von Licht einer Farbe eines Farbraums ausgelegt, also effizient, sind. Bei dem Farbraum kann es sich zum Beispiel um einen RGB-Farbraum (RGB - Rot Grün Blau) oder einen CMY-Farbraum (CMY - Cyan Magenta Gelb) handeln.
Die einzelnen Hologramme können als Hologramm-Stack angeordnet sein. Die erwähnten Hologramme sind jeweils für mindestens einen festgelegten Einstrahlwinkelbereich ausgelegt, also effizient. Die holographische Anordnung kann unmittelbar an dem optischen Element angeordnet sein oder in das optische Element integriert sein. Zum Beispiel kann die holographische Anordnung mindestens ein Reflexionshologramm umfassen, welches an einer der totalreflektierenden Fläche gegenüber liegenden Fläche des optischen Elements angeordnet ist und welches Lichtwellen in einem Einfallswinkel, welcher größer ist als der Grenzwinkel der Totalreflexion der totalreflektierenden Fläche, reflektiert.
Das mindestens eine Prisma kann eine Einkoppelfläche zum Einkoppeln von Lichtwellen in das Prisma aufweisen, welche als ebene Fläche oder gekrümmte Fläche oder asphärische Fläche oder als Freiformfläche ausgestaltet ist. Dies hat den Vorteil, dass eine ortsfeste Anordnung der einzelnen Komponenten gewähreistet ist, also kein weiteres Justieren erforderlich ist und somit eine Fehleranfälligkeit im Zusammenhang mit einer Montage reduziert wird.
In einer weiteren Variante kann der Wellenfrontmanipulator ein weiteres optisches Element umfassen. Das weitere optische Element kann Bestandteil des mindestens einen Primas sein oder freistehend im Strahlengang angeordnet sein. Es kann transmissiv oder reflektiv, z.B. als Freiformspiegel, ausgestaltet sein. Das mindestens eine Prisma kann eine Einkoppelfläche zum Einkoppeln von Lichtwellen in das Prisma aufweisen und das weitere optische Element kann als Reflexionsschicht an einer Fläche des Prismas im Strahlengang zwischen der Einkoppelfläche des Prismas und der totalreflektierenden Fläche ausgebildet sein.
Bevorzugt sind das optische Element, die holographische Anordnung und das mindestens eine Prisma einstückig als ein monolithisches Bauteil ausgebildet oder zu einem Bauteil fest miteinander verbunden. Die dadurch erzielte feste geometrische Anordnung der einzelnen Komponenten zueinander hat die bereits genannten Vorteile.
Der erfindungsgemäße Wellenfrontmanipulator kann für ein Head-up-Display ausgelegt sein, insbesondere zur Anordnung im Strahlengang zwischen einer bildgebenden Einheit und einer Projektionsfläche. Weitere Anwendungsoptionen liegen im Bereich von Datenbrillen, Kameras und Projektoren.
Die erfindungsgemäße optische Anordnung, z.B. für ein Head-up-Display an einer Projektionsoberfläche, umfasst eine bildgebende Einheit und einen zuvor beschriebenen Wellenfrontmanipulator. Die bildgebende Einheit kann unmittelbar an einer Fläche des mindestens einen Prismas angeordnet sein. Die bildgebende Einheit umfasst vorteilhafterweise eine Objektebene, ist also räumlich ausgedehnt, wobei die Objektebene dazu ausgelegt ist Licht in einem festgelegten Abstrahlwinkelbereich und mit einer festgelegten maximalen Bandbreite bezüglich der Wellenlängen des ausgesandten Lichts auszusenden. Bevorzugt ist die bildgebende Einheit zum Erzeugen einer mehrfarbigen Abbildung ausgelegt.
Zum Beispiel strahlt jeder lichtaussendende Punkt der Objektebene Licht in Form einer Streukeule oder in einem festgelegten Winkelbereich ab. Dies kann zum Beispiel durch die Verwendung eines Diffusors erreicht werden. Vorzugsweise ist die bildgebende Einheit dazu ausgelegt, Laserlicht, insbesondere Laserstrahlen, auszusenden. Vorteilhafterweise ist die bildgebende Einheit dazu ausgelegt, Laserlicht in mindestens zwei, vorzugsweise mindestens drei, unterschiedlichen Wellen auszusenden. Dabei handelt es sich vorzugsweise um drei unterschiedliche Wellenlängen eines festgelegten Farbraums, zum Beispiel Rot, Grün und Blau oder Cyan, Magenta und Gelb. Da die holographischen Elemente verglichen mit anderen optischen Bauteilen, wie beispielsweise Spiegeln und Linsen, sensitiver in Bezug auf die Bandbreite jeder Wellenlänge sind, ist es von Vorteil, wenn die bildgebende Einheit als Laserscanner mit einer scharfen Bandbreite für jede Farbe ausgestaltet ist.
Die erfindungsgemäße optische Anordnung weist vorzugsweise ein Volumen von weniger als 10 Litern auf, nimmt also mit anderen Worten einen Bauraum von weniger als 10 Litern ein. Die erfindungsgemäße optische Anordnung hat die oben bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator genannten Merkmale und Vorteile. Sie bietet insbesondere eine sehr kompakt ausgestaltete Anordnung, welche also einen nur geringen Bauraum einnimmt und gleichzeitig eine sehr hohe Abbildungsqualität gewährleistet.
Sowohl der erfindungsgemäße Wellenfrontmanipulator als auch die erfindungsgemäße optische Anordnung eignen sich für eine Nachrüstung im Zusammenhang mit Head-up-Displays in beispielsweise Kraftfahrzeugen, Flugzeugen oder VR-Anordnungen, zum Beispiel VR-Brillen.
Das erfindungsgemäße Head-up-Display umfasst eine Projektionsoberfläche und eine zuvor beschriebene erfindungsgemäße optische Anordnung. Bei der beispielsweise gekrümmten Projektionsoberfläche kann es sich um eine Windschutzscheibe eines Fahrzeugs, zum Beispiel eines Kraftfahrzeugs, eines Flugzeugs oder eines Schiffs, handeln. Es kann sich bei der Projektionsoberfläche aber auch um ein anderes Sichtfenster handeln, beispielsweise ein Sichtfenster einer VR-Brille. Die gekrümmte Projektionsoberfläche kann beispielweise als Freiformfläche betrachtet werden. Mittels des erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulators werden hierdurch verursachte Abbildungsfehler bzw. Aberrationen kompensiert und zudem eine gekippte Bildebene einer virtuellen Abbildung erzeugt. 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 durch einen erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator in einer Seitenansicht.
Figur 2 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Head-up-Display mit einem erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator in einer ersten Variante. Figur 3 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Head-up-Display mit einem erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator in einer alternativen ersten Variante.
Figur 4 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Head-up-Display mit einem erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator in einer zweiten Variante.
Figur 5 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Head-up-Display mit einem erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator in einer alternativen zweiten Variante.
Figur 6 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Head-up-Display mit einem erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator in einer dritten Variante.
Figur ? zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Head-up-Display mit einem erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator in einer alternativen dritten Variante.
Figur 8 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Head-up-Display mit einem erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator in einer vierten Variante.
Figur 9 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Head-up-Display mit einem erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator in einer alternativen vierten Variante.
Figur 10 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Head-up-Display mit einem erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator in einer fünften Variante. Figur 11 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Head-up-Display mit einem erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator in einer alternativen fünften Variante.
Figur 12 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße optische Anordnung mit einen erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator in Form eines Blockdiagramms.
Die Figur 1 zeigt schematisch den Strahlengang durch einen erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator in einer Seitenansicht. Der Wellenfrontmanipulator 1 umfasst eine holographische Anordnung 2 und ein optisches Element 3. Das optische Element 3 weist eine erste Seite 4, welche in der gezeigten Figur die Unterseite bildet, und eine zweite Seite 5, welche in der gezeigten Figur die Oberseite bildet, auf. In der gezeigten Variante ist die holographische Anordnung 2 an der ersten Seite 4, also der Unterseite, angeordnet. In dem Bereich, in welchem Lichtstrahlen 6 an der ersten Seite 4 in das optische Element 3 eingekoppelt werden, weist das optische Element 3 eine Einkoppeleinrichtung 7 auf. Die in der Figur 1 nicht genauer gezeigte Einkoppeleinrichtung 7 umfasst mindestens ein Prisma und ist so ausgebildet, dass sie ein Einkoppeln des Lichts 6 in einem Winkel ermöglicht, sodass die eingekoppelten Lichtstrahlen an der zweiten Seite 5 des optischen Elements 3 totalreflektiert werden können.
Die holographische Anordnung 2 ist in der Figur 1 neben der Einkoppeleinrichtung 7 angeordnet. Die an der zweiten Seite 5 totalreflektierten Lichtstrahlen 6 treffen in einem Einfallswinkel auf die holographische Anordnung 2, für welchen die holographische Anordnung 2 beugungseffizient ist. Die holographische Anordnung 2 umfasst mindestens ein Reflexionshologramm. Das durch die holographische Anordnung 2 reflektierte bzw. gebeugte Licht wird an der zweiten Seite 5 des optischen Elements 2 gebrochen und aus dem Wellenfrontmanipulator 1 ausgekoppelt. Die zweite Seite 5 umfasst also einen Auskoppelbereich. Der Wellenfrontmanipulator ist somit als Transmissionskomponente mit Brechkraft ausgelegt. Die holographische Anordnung 2 umfasst mindestens ein Hologramm, welches bei einer Belichtung mit dessen Belichtungswellenlänge für mindestens einen festgelegten Winkel beugungseffizient ist, welcher größer ist als der Grenzwinkel der Totalreflexion des optischen Elements 3.
Die holographische Anordnung 2 kann mindestens ein Hologramm umfassen, welches für eine Mehrzahl an Wellenlängen eines festgelegten Farbraums beugungseffizient ist. Die holographische Anordnung 2 kann auch eine Mehrzahl an Hologrammen umfassen, welche jeweils für mindestens eine Wellenlänge eines festgelegten Farbraums und mindestens einen festgelegten Einstrahlwinkelbereich beugungseffizient sind. Die Mehrzahl an Hologrammen kann nebeneinander oder in Form eines Hologramm-Stack, also als Stapel aufeinander, angeordnet sein.
Der erfindungsgemäße Wellenfrontmanipulator 1 hat im Vergleich zu herkömmlichen aus Reflexionshologrammen gebildeten Hologramm- Anordnungen den Vorteil, dass nur die Hälfte der Anzahl an Hologrammen benötigt wird, um die Vorteile von Reflexionshologrammen nutzen zu können. Dadurch werden Kosten reduziert und gleichzeitig wird die Genauigkeit verbessert, da Abbildungsfehler, welche durch die Anordnung der Hologramme aufeinander entstehen können, vermieden werden.
Grundsätzlich kann das optische Element 3 als Substrat oder Wellenleiter ausgebildet sein. Es kann aber auch ein zusätzliches Substrat vorhanden sein und das optische Element 3 kann als Folie oder Schicht ausgebildet sein. Grundsätzlich kann das optische Element 3 Glas oder Kunststoff umfassen oder aus diesen Materialien bestehen. Dabei kann das Material des optischen Elements mindestens eins der oben bereits aufgezählten Materialien umfassen.
Die tendenziell unerwünschte nullte Beugungsordnung, welche Störlicht bildet, verbleibt aufgrund der Totalreflexion in dem optischen Element 3 und/oder einem zusätzlichen Substrat und kann geeignet zu einer Seitenfläche oder einem Rand hin in eine Strahlfalle (beam dump) geführt werden. Dies ist insbesondere vorteilhaft, da das Licht der nullten Ordnung in der Regel nicht genutzt wird und dementsprechend Störlicht darstellt. Prinzipiell kann der in der Figur 1 gezeigte Wellenfrontmanipulator zum Beispiel in einem Head-up-Display Anwendung finden. Diese Anwendung wird im Folgenden für verschiedene Ausführungsbeispiele herangezogen. Dies schließt andere Anwendungen zum Beispiel in anderen optischen Anordnungen oder optischen Systemen nicht aus.
Die Figur 2 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Head-up-Display. Das Head-up-Display 22 umfasst eine erfindungsgemäße optische Anordnung 10 und eine Projektionsfläche in Form einer Windschutzscheibe 11. Ein Betrachter bzw. eine Eyebox 12 kennzeichnen den Bereich, aus welchem für einen Betrachter eine durch das Head-up-Display 22 hinter die Projektionsfläche 11 projizierte virtuelle Abbildung wahrnehmbar ist.
Die erfindungsgemäße optische Anordnung 10 umfasst eine bildgebende Einheit 21 und einen erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator 1. Der erfindungsgemäße Wellenfrontmanipulator 1 umfasst zusätzlich zu dem bereits anhand der Figur 1 im Hinblick auf seinen prinzipiellen Aufbau beschriebenen Wellenfrontmanipulator 1 ein weiteres optisches Element 23, welches im Strahlengang zwischen der bildgebenden Einheit 21 und der Einkoppeleinrichtung 7 angeordnet ist. Das weitere optische Element 23 ist in der gezeigten Variante als Freiformspiegel ausgestaltet. Es ist zur Strahlumlenkung und Aberrationskorrektur ausgelegt. Weitere Aberrationskorrekturen können mittels der Prismen der Einkoppeleinrichtung 7 und der holographischen Anordnung 2 erfolgen.
In der gezeigten Variante ist die Einkoppeleinrichtung 7 als Anordnung einer Mehrzahl an Prismen, insbesondere als Mikroprismen-Anordnung, ausgestaltet. Dabei bewirken die Prismen ein Einkoppeln von Lichtwellen an der ersten Seite 4 des optischen Elements 2 in einem Winkel, welcher eine Totalreflexion an der zweiten Seite 5 ermöglicht. Im Unterschied zu der in der Figur 1 gezeigten Variante ist die holographische Anordnung 2 in das optische Element 3 integriert und erstreckt sich über die gesamte erste Seite 4 oder bildet diese. Von dem weiteren optischen Element 23 kommendes Licht, welches zuvor ausgehend von der bildgebenden Einheit 21 an dem weiteren optischen Element 23 reflektiert wurde, wird über die Einkoppeleinrichtung 7, also das Mikro-Prisma-Array, in Richtung der zweiten Seite 5 in das optische Element
3 ein gekoppelt. Dabei transmittiert das Licht zunächst durch die holographische Anordnung 2, vorzugsweise ohne dass hierbei Filterungseffekte auftreten. Da die holographische Anordnung 2 als Reflexionshologramm ausgelegt ist und nur für aus Richtung der zweiten Seite 5 kommendes Licht in Reflexion beugungseffizient ist, tritt während der Transmission noch keine Beugung auf, sondern erst für von der zweiten Seite 5 kommendes Licht. Das von der holographischen Anordnung 2 gebeugte Licht trifft anschließend auf die zweite Seite 5, wird dort gebrochen und aus dem Wellenfrontmanipulator in Richtung der Projektionsoberfläche 11 , zum Beispiel der Windschutzscheibe, ausgekoppelt.
Die in der Figur 3 gezeigte alternative Variante unterscheidet sich von der in der Figur 2 gezeigten Variante lediglich in der Richtung der Anordnung der Einkoppeleinrichtung 7, des weiteren optischen Elements 23 und der bildgebenden Einheit 1 in Bezug auf die Projektionsfläche 11 . Die Anordnung ist spiegelsymmetrisch zu der in der Figur 2 gezeigten Variante. Während in der Figur 2 die bildgebenden Einheit 1 Licht nach links abstrahlt und die Einkoppeleinrichtung im linken Bereich der ersten Seite 4 angeordnet ist, strahlt in der Figur 3 die bildgebende Einheit 21 Licht nach rechts in Richtung des in dieser Variante rechts angeordneten weiteren optischen Elements 23, und wird von diesem in der Richtung einer im rechten Bereich der ersten Seite
4 angeordneten Einkoppeleinrichtung 7 abgestrahlt.
Die Figuren 4 bis 9 zeigen drei weitere Ausführungsvarianten, jeweils in zwei Alternativen, in welchen, anstelle einer Mehrzahl an Prismen ein monolithisches bzw. ein einziges Prisma als Einkoppeleinrichtung 7 verwendet wird. In allen gezeigten Ausführungsvarianten sind das optische Element 3 mit der Einkoppeleinrichtung 7 und der holographischen Anordnung 2 als ein monolithisches Bauteil, also einstückig, ausgebildet. Alternativ dazu können die genannten Bauelemente fest miteinander verbunden sein. Eine monolithische Ausgestaltung hat jedoch den Vorteil, dass im Rahmen der Herstellung eine präzise Anordnung der genannten Bauelemente zueinander gewährleistet werden kann, diese also im Hinblick auf ihren weiteren Einbau im Rahmen eines optischen Bauteils oder einer optischen Anordnung robust sind. Es ist keine zusätzliche Justierung erforderlich und es treten keine zusätzlichen fertigungsbedingten Aberrationen auf.
In der in der Figur 4 gezeigten Variante ist an der ersten Seite 4 oder von dieser umfasst ein Prisma 7 angeordnet. Das Prisma 7 weist eine Einkoppelfläche 8 auf. Die Einkoppelfläche 8 ist zum Einkoppeln von Licht, beispielsweise einer bildgebenden Einheit 21 , in den Wellenfrontmanipulator 1 ausgelegt. Dazu ist die Einkoppelfläche 8 vorzugsweise als transmissiv ausgelegte Freiformfläche ausgebildet. Mittels der Freiformfläche 8 können Aberrationen korrigiert werden. Die Einkoppelfläche 8 kann gekrümmt, insbesondere konvex gekrümmt, sein. Über die Einkoppelfläche 8 eingekoppeltes Licht transmittiert nach Durchlaufen des Prismas 7 die holographische Anordnung 2, wird an der zweiten Seite 5 des optischen Elements 3 totalreflektiert und wird anschließend, wie bereits anhand der Figuren 1 -3 erläutert, von der holographischen Anordnung 2 in Richtung der zweiten Seite 5 gebeugt.
Die in der Figur 5 gezeigte Variante unterscheidet sich von der in der Figur 4 gezeigten Variante lediglich in der geometrischen Anordnung des Prismas 7 und der bildgebenden Einheit 21 , also der erfindungsgemäßen optischen Anordnung 1 in Bezug auf die Projektionsfläche 11 . Während in der Figur 4 die bildgebende Einheit 21 und das Prisma 7 links unterhalb der holographischen Anordnung 2 angeordnet sind, sind in der Figur 5 das Prisma 7 und die bildgebende Einheit 21 rechts unterhalb der holographischen Anordnung 2 angeordnet.
In der in der Figur 6 gezeigten Variante weist das Prisma 7 zusätzlich zu einer gekrümmten, beispielsweise als Freiformfläche ausgestalteten Einkoppelfläche 8, ein reflektives Element 9 in Form einer Reflexionsschicht 9 auf. Die Reflexionsschicht 9 kann als unmittelbar an einer Fläche des Prismas 7 angeordnetes optisches Element ausgebildet sein oder in das Prisma 7 integriert sein. Das reflektive Element 9 kann plan, also als ebene reflektive Fläche oder als Freiformfläche ausgebildet sein. Die Einkoppelfläche 8 und die reflektive Fläche 9 sind an dem Prisma 7 so zueinander angeordnet, dass durch die Einkoppelfläche 8 eingekoppeltes Licht an der reflektiven Fläche 9 so reflektiert wird, dass es die holographische Anordnung 2 in einem Einfallswinkel in Richtung der zweiten Seite 5 transmittiert, welcher größer ist als der Grenzwinkel der Totalreflexion an der zweiten Seite 5. Das Prisma 7 gewährleistet also als Einkoppeleinrichtung einerseits ein Einkoppeln von Licht in einem Winkel, welcher eine Totalreflexion an der zweiten Seite 5 ermöglicht und bietet zudem zwei Flächen, nämlich die Einkoppelfläche 8 und die reflektive Fläche 9, für eine Aberrationskorrektur. Im Unterschied zu der Variante der Figuren 4 und 5 ist die Einkoppelfläche 8 konkav gekrümmt.
Die in der Figur 7 gezeigte Variante unterscheidet sich von der in Figur 6 gezeigten Variante lediglich in der geometrischen Anordnung der bildgebenden Einheit 21 und des Prismas 7 in Bezug auf die Projektionsfläche 11. Während in der Figur 6 Licht in das Prisma 7 von rechts kommend eingekoppelt und an einer links angeordneten Reflexionsfläche 9 reflektiert wird, wird in der Figur 7 durch die bildgebende Einheit 21 Licht von links durch die Einkoppelfläche 8 in das Prisma eingekoppelt und an einer rechts angeordneten reflektiven Fläche 9 reflektiert.
Bei den in den Figuren 8 und 9 gezeigten Ausführungsvarianten ist die bildgebende Einheit 21 unmittelbar an einer Einkoppelfläche 8 des Prismas 7 angeordnet. Es ist mit anderen Worten kein optisch wirksames weiteres Bauteil oder Bauelement zwischen der bildgebenden Einheit 21 und der Einkoppelfläche 8 des Prismas 7 angeordnet. In dieser Variante kann die Einkoppelfläche 8 als ebene Fläche ausgebildet sein. Der Einkoppelfläche 8 gegenüberliegend weist das Prisma 7 eine reflektierend ausgestaltete Fläche 9, beispielsweise in Form einer Schicht, auf. Diese reflektive Fläche 9 ist analog zu den in den Figuren 6 und 7 gezeigten Ausführungsvarianten dazu ausgelegt, in das Prisma 7 ein gekoppeltes Licht in Richtung der zweiten Seite 5 zu einer dortigen Totalreflexion zu leiten. Im Unterschied zu den in der Figur
6 und 7 gezeigten Varianten ist in den Figuren 8 und 9 die reflektive Fläche 9 gekrümmt ausgestaltet, beispielsweise als gekrümmte Freiformfläche. Während in der Figur 8 die bildgebende Einheit 21 Licht von rechts kommend in das Prisma 7 einstrahlt und von der reflektierenden Fläche 9 von links in Richtung der zweiten Fläche 5 reflektiert wird, wird in der Figur 9 mittels der bildgebenden Einheit 21 Licht nach rechts in das Prisma 7 eingekoppelt und mittels der Reflexionsfläche 9 nach links reflektiert in Richtung der zweiten Fläche 5.
In den gezeigten Beispielen wird das Licht innerhalb des optischen Elements 3 einmal totalreflektiert. Prinzipiell sind auch mehrere Totalreflexionen innerhalb des optischen Elements möglich. Lediglich eine Totalreflexion hat jedoch den Vorteil, dass durch die einfache Strahlumlenkung keine weiteren Aberrationen verursacht werden.
Im Folgenden werden anhand der Figuren 10 und 11 alternative Ausgestaltungsvananten zu den in den Figuren 6 und 7 gezeigten Beispielen beschrieben. Im Unterschied zu den Beispielen der Figuren 6 und 7 werden die über die Einkoppelfläche 8 eingekoppelten Lichtstrahlen nach der ersten Totalreflexion an der zweiten Seite 5 von der holographischen Anordnung 2 in Richtung des reflektiven Elements 9 transmittiert, von diesem reflektiert, anschließend von der holographische Anordnung 2 in Richtung der zweiten Seite 5 transmittiert und nach einer zweiten Totalreflexion an der zweiten Seite 5 von der holographische Anordnung 2 reflektiert. Die Einkoppelfläche 8 und/oder das reflektive Element 9 können zur Aberrationskorrektur ausgelegt sein. Vorzugsweise sind die so ausgelegt, dass sie zur Aberrationskorrektur Zusammenwirken. Sie können zum Beispiel als Freiformflächen ausgebildet sein und/oder mindestens ein Hologramm umfassen. Diese Ausgestaltung bietet die Vorteile einer Bauraumreduzierung und einer verbesserten Korrektur von Abbildungsfehlern.
In allen zuvor beschriebenen Beispielen und Varianten können mehrere Flächen und/oder Elemente des Prismas so ausgelegt sein, dass sie zur Aberrationskorrektur Zusammenwirken. Weiterhin können das Prisma und die holographische Anordnung so ausgelegt sein, dass sie zur Aberrationskorrektur Zusammenwirken. Zum Beispiel können die Einkoppelfläche und/oder ein reflektives Element des Prismas und/oder die holographische Anordnung zum Zusammenwirken zur Aberrationskorrektur ausgebildet sein.
Die Figur 12 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße optische Anordnung 10 mit einen erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator 1 in Form eines Blockdiagramms. Die erfindungsgemäße optische Anordnung 10 umfasst eine bildgebende Einheit 21 und einen erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator 1 , welche in einem Strahlengang 6 hintereinander angeordnet sind. Der Wellenfrontmanipulator 1 umfasst eine bereits beschriebene holographische Anordnung 2 und ein optisches Element 3, welches eine Einkoppeleinrichtung 7 aufweist.
Bezuqszeichenliste:
1 Wellenfrontmanipulator
2 holographische Anordnung
3 optisches Element
4 erste Seite / Unterseite
5 zweite Seite / Oberseite
6 Strahlengang
7 Einkoppeleinrichtung
8 Einkoppelfläche
9 reflektives Element
10 optische Anordnung
11 Projektionsfläche
12 Eyebox
21 bildgebende Einheit
22 Head-up-Display
23 weiteres optisches Element

Claims

Patentansprüche
1. Wellenfrontmanipulator (1 ), welcher eine holographische Anordnung (2) und ein optisches Element (3) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (3) mindestens eine für einen festgelegten Einfallswinkelbereich totalreflektierende Fläche (5) zum Einstrahlen von Lichtwellen auf die holographische Anordnung (2) umfasst und wobei die holographische Anordnung (2) mindestens ein Reflexionshologramm zur Reflexion von mittels des optischen Elements (3) auf die holographische Anordnung (2) eingestrahlten Lichtwellen umfasst, wobei das optische Element (3) eine Einkoppeleinrichtung (7) zum Einkoppeln von Lichtwellen in den Wellenfrontmanipulator (1 ) umfasst, welche mindestens ein Prisma umfasst.
2. Wellenfrontmanipulator (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die holographische Anordnung (2) im Strahlengang (6) dem optischen Element (3) nachgeordnet angeordnet ist oder im Strahlengang (6) so angeordnet ist, dass sie Lichtwellen im Strahlengang (6) unmittelbar hinter der Einkoppeleinrichtung (7) transmittiert und hinter der totalreflektierenden Oberfläche (5) reflektiert.
3. Wellenfrontmanipulator (1 ) nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenfrontmanipulator (1 ) als Transmissionskomponente ausgelegt ist.
4. Wellenfrontmanipulator (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einkoppeleinrichtung (7) eine Mehrzahl an Prismen umfasst.
5. Wellenfrontmanipulator (1 ) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl an Prismen als Mikroprisma-Array angeordnet sind.
6. Wellenfrontmanipulator (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (3) eine erste Seite (4) und eine der ersten Seite (4) gegenüber liegende zweite Seite (5) umfasst, wobei die Einkoppeleinrichtung (7) und die holographische Anordnung (2) an der ersten Seite (4) angeordnet sind und die totalreflektierende Fläche an der zweiten Seite (5) angeordnet ist.
7. Wellenfrontmanipulator (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die totalreflektierende Fläche (5) einen Auskoppelbereich umfasst.
8. Wellenfrontmanipulator (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenfrontmanipulator (1 ) einen Auskoppelbereich aufweist, welcher zumindest teilweise die totalreflektierende Fläche (5) umfasst, wobei die Einkoppeleinrichtung (7) und der Auskoppelbereich sich zumindest teilweise in einer Richtung senkrecht zu einer Oberflächennormale der totalreflektierenden Fläche (5) überlappen.
9. Wellenfrontmanipulator (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (3) so ausgelegt ist, dass Lichtwellen zwischen der Einkoppeleinrichtung (7) und der holographischen Anordnung (2) eine festgelegte Anzahl n an Totalreflektionen innerhalb des optischen Elements (3) erfahren.
10. Wellenfrontmanipulator (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass holographische Anordnung (2) mindestens ein Reflexionshologramm umfasst, welches zur Reflektion einer Mehrzahl an Wellenlängen ausgelegt ist, oder eine Mehrzahl an Reflexionshologrammen umfasst, welche jeweils für mindestens eine Wellenlänge von Licht einer Farbe eines Farbraums ausgelegt sind.
11. Wellenfrontmanipulator (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die holographische Anordnung (3) unmittelbar an dem optischen Element (2) angeordnet ist oder in das optische Element (2) integriert ist.
12. Wellenfrontmanipulator (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die holographische Anordnung (3) mindestens ein Reflexionshologramm umfasst, welches an einer der totalreflektierenden Fläche (5) gegenüber liegenden Fläche (4) des optischen Elements (3) angeordnet ist und welches Lichtwellen in einem Einfallswinkel, welcher größer ist als der Grenzwinkel der Totalreflexion der totalreflektierenden Fläche (5), reflektiert.
13. Wellenfrontmanipulator (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Prisma (7) eine Einkoppelfläche (8) zum Einkoppeln von Lichtwellen in das Prisma (7) aufweist, welche als ebene Fläche oder gekrümmte Fläche oder asphärische Fläche oder als Freiformfläche ausgestaltet ist.
14. Wellenfrontmanipulator (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenfrontmanipulator (1 ) ein weiteres optisches Element (23, 9) umfasst.
15. Wellenfrontmanipulator (1 ) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Prisma (7) eine Einkoppelfläche (8) zum Einkoppeln von Lichtwellen in das Prisma (7) aufweist und das weitere optische Element (9) als Reflexionsschicht an einer Fläche des Prismas (7) im Strahlengang (6) zwischen der Einkoppelfläche (8) des Primas (7) und der totalreflektierenden Fläche (5) ausgebildet ist.
16. Wellenfrontmanipulator (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (3), die holographische Anordnung (2) und das mindestens eine Prisma (7) einstückig als ein monolithisches Bauteil ausgebildet sind oder zu einem Bauteil fest miteinander verbunden sind.
17. Optische Anordnung (10), welche eine bildgebende Einheit (21 ) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Anordnung (10) einen Wellenfrontmanipulator (1 ) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 16 umfasst.
18. Optische Anordnung (10) nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die bildgebende Einheit (21 ) unmittelbar an einer Fläche (8) des mindestens einen Prismas (7) angeordnet ist.
19. Head-up-Display (22), welches eine Projektionsoberfläche (11 ) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das Head-up-Display (22) eine optische Anordnung (10) nach einem der Ansprüche 17 oder 18 umfasst.
EP23708421.5A 2022-03-03 2023-02-23 Wellenfrontmanipulator mit totalreflexion und reflexionshologramm Pending EP4487165A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102022105038.6A DE102022105038A1 (de) 2022-03-03 2022-03-03 Wellenfrontmanipulator mit Totalreflexion und Reflexionshologramm
PCT/EP2023/054538 WO2023165889A1 (de) 2022-03-03 2023-02-23 Wellenfrontmanipulator mit totalreflexion und reflexionshologramm

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP4487165A1 true EP4487165A1 (de) 2025-01-08

Family

ID=85461605

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP23708421.5A Pending EP4487165A1 (de) 2022-03-03 2023-02-23 Wellenfrontmanipulator mit totalreflexion und reflexionshologramm

Country Status (6)

Country Link
US (1) US20250164784A1 (de)
EP (1) EP4487165A1 (de)
KR (1) KR20240153999A (de)
CN (1) CN118786378A (de)
DE (1) DE102022105038A1 (de)
WO (1) WO2023165889A1 (de)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102024121721A1 (de) * 2024-07-30 2026-02-05 Carl Zeiss Jena Gmbh Holographischer Wellenfrontmanipulator und optische Anordnung
GB202418756D0 (en) * 2024-12-19 2025-02-05 Envisics Ltd Corrective device for disparity control

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4880287A (en) * 1987-01-06 1989-11-14 Hughes Aircraft Company Complex conjugate hologram display
EP1639394A2 (de) 2003-06-10 2006-03-29 Elop Electro-Optics Industries Ltd. Verfahren und system zum anzeigen eines informativen bildes vor einem hintergrundbild
DE102007022247B4 (de) 2006-05-09 2021-02-25 Hologram Industries Research Gmbh Holographische Abbildungsoptik und Darstellungsvorrichtung mit einer solchen
JP2008158203A (ja) 2006-12-22 2008-07-10 Konica Minolta Holdings Inc 観察光学系およびそれを用いた映像表示装置
US10222534B2 (en) * 2014-11-11 2019-03-05 Sharp Kabushiki Kaisha Light guide plate and virtual image display device
DE102015101687A1 (de) 2015-02-05 2016-08-11 Carl Zeiss Jena Gmbh Verfahren und Vorrichtungen zur Dateneinspiegelung
DE102017107346A1 (de) * 2017-04-05 2018-10-11 Carl Zeiss Ag Vorrichtung zur Energieversorgung von und/oder Kommunikation mit einem Augenimplantat mittels Beleuchtungsstrahlung
DE102017212451A1 (de) 2017-07-20 2019-01-24 Robert Bosch Gmbh Projektionsvorrichtung
DE102017222621A1 (de) 2017-12-13 2019-06-13 Robert Bosch Gmbh Projektionsvorrichtung mit einer Bilderzeugungseinheit
US20210263319A1 (en) * 2020-02-25 2021-08-26 Luminit Llc Head-mounted display with volume substrate-guided holographic continuous lens optics

Also Published As

Publication number Publication date
US20250164784A1 (en) 2025-05-22
CN118786378A (zh) 2024-10-15
DE102022105038A1 (de) 2023-09-07
KR20240153999A (ko) 2024-10-24
WO2023165889A1 (de) 2023-09-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE69009569T2 (de) Blickrichtungsanzeige für Kraftfahrzeuge.
DE212019000375U1 (de) Lichtleiter-Display mit Reflektor
WO2022189275A1 (de) Wellenfrontmanipulator für head-up-display mit holographischem element, optische anordnung und head-up-display
DE102011075884A1 (de) HUD mit holographischen optischen Elementen
DE112015000979B4 (de) Anzeigesystem, umfassend eine Anzeigeeinheit und eine optische Projektionseinrichtung für Anzeigelicht
DE102014100340A1 (de) Head-Up-Display-Vorrichtung
DE102021116146A1 (de) Optische Anordnung und Head-up-Display mit mehreren Bildebenen
DE102018203292A1 (de) Anzeigebildprojektionssystem
EP4487165A1 (de) Wellenfrontmanipulator mit totalreflexion und reflexionshologramm
DE102014118490A1 (de) Anzeigevorrichtungen
EP3807695A1 (de) Lichtwellenleiter für ein anzeigegerät
DE102009002189A1 (de) Head-up Display und Beleuchtungseinheit für ein Head-up Display
DE102008020858A1 (de) Projektionssystem für ein optisches Anzeigegerät sowie Head-mounted Display mit einem solchen
DE212021000396U1 (de) Optisches Element zur Kompensation von chromatischer Aberration
DE102009046935A1 (de) Optische Vorrichtung zur Anzeige von zwei unterschiedlichen Bildern und Verfahren zur Herstellung einer optischen Vorrichtung
DE4102678A1 (de) Headup-anzeigevorrichtung
DE10157605C1 (de) Projektionsvorrichtung zur Erzeugung eines Bildes
WO2023165891A1 (de) Wellenfrontmanipulator für head-up-display mit holographischem element zum erzeugen einer gekippten virtuellen bildebene
DE102017213114A1 (de) Sichtfeldanzeigegerät
EP4486566A1 (de) Wellenleiter zum anzeigen eines bildes sowie holographische anzeige mit einem solchen wellenleiter
DE102020215887B4 (de) Head-Up-Display Bilderzeugungseinheit mit Faltspiegel
DE112020002645T5 (de) Projektionsvorrichtung und head-up-display
DE102023121900A1 (de) Zeitmultiplexen zur korrektur von farb-aberrationen in einer transparenten bildschirmeinheit
DE102021128366A1 (de) Spiegel-Head-Up-Display mit hybrid-optischen Elementen
EP4582849A2 (de) Head-up-display bilderzeugungseinheit mit faltspiegel

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: 20240905

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 ME 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)