WO2023165891A1 - Wellenfrontmanipulator für head-up-display mit holographischem element zum erzeugen einer gekippten virtuellen bildebene - Google Patents

Wellenfrontmanipulator für head-up-display mit holographischem element zum erzeugen einer gekippten virtuellen bildebene Download PDF

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WO2023165891A1
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holographic
designed
wavefront
plane
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Yi ZHONG
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Carl Zeiss Jena Gmbh
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    • G02B5/32—Holograms used as optical elements

Definitions

  • the present invention relates to a wavefront manipulator for arrangement in the beam path of a head-up display (HUD) between a projection objective and a projection surface, in particular a curved projection surface.
  • the invention also relates to an optical arrangement and a head-up display.
  • Head-up displays are now being used in a wide variety of applications, including in connection with viewing windows of vehicles, for example on windshields of motor vehicles, windscreens or viewing windows of aircraft. These viewing panes and in particular windshields usually have a curved surface which is used as a projection surface for head-up displays.
  • a head-up display typically includes a picture generating unit (PGU) or projector, a projection surface, an eyebox, and a virtual image plane.
  • An image is generated by means of the imaging unit or the projector.
  • the image is projected on the projection surface and projected from the projection surface into the eyebox.
  • the eyebox is a plane or a spatial area in which the projected image can be perceived by an observer as a virtual image.
  • the image plane of the virtual image ie the plane on or in which the virtual image is generated, is arranged on or behind the projection surface. Due to the curvature of the projection surface and due to compact arrangements in a small installation space with, under certain circumstances, strong tilting of individual components relative to one another and correspondingly complex folded beam paths, imaging errors or aberrations occur.
  • a windshield can generally be described as a free-form optical surface. If a head-up display is used in connection with a curved windshield or a curved viewing window, it is desirable to correct imaging errors that occur as a result of the curvature, the imaging errors that may occur due to the installation space, and imaging errors in the optical path that may be caused by the imaging unit .
  • the imaging errors or aberrations that can occur are, for example, distortion, defocus, tilt, astigmatism, curvature of the image plane, spherical aberrations, higher astigmatism and coma.
  • the largest possible field of view, the largest possible eyebox and a uniform, bright and multicolored image, preferably multicolored in each pixel, are desired.
  • the documents DE 102007 022 247 A1, DE 102015 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.
  • head-up displays it is increasingly necessary and desirable to display information or multicolored images at different image distances.
  • the components used in the head-up display In order to reduce costs and maintain the stability of the system, it is also necessary for the components used in the head-up display to be permanently installed or arranged in a fixed manner in relation to one another.
  • the object of the present invention is to provide an advantageous wavefront manipulator for arrangement in the beam path of a head-up display between a projection lens and a curved projection surface, which at least partially meets the requirements mentioned and which at least partially corrects the aforementioned aberrations . Further objects are to provide an advantageous optical arrangement for a head-up display on a curved projection surface and an advantageous head-up display.
  • the first object is achieved by a wavefront manipulator according to patent claim 1.
  • the other objects are achieved by an optical arrangement according to claim 12 and by a head-up display according to claim 15.
  • the dependent claims contain further advantageous developments of the invention.
  • the inventive wavefront manipulator for arrangement in the beam path of a head-up display between an imaging unit (PGU—picture generating unit) or a projection lens and a projection surface, for example a curved projection surface includes a holographic arrangement.
  • the holographic arrangement which overall can be designed to be transmissive and/or reflective, comprises at least two holographic elements.
  • the at least two holographic elements are arranged directly one behind the other, at least in sections, in the beam path. In other words, no further optical element or component is arranged between the at least two holographic elements.
  • the at least two holographic elements are also designed to be reflective for at least one specified wavelength, in particular at least one specified wavelength range, and a specified angle of incidence range, with a first holographic element comprising at least one hologram which is assigned to a hologram of a second holographic element for reflection.
  • the at least two holographic elements are designed in such a way that light reflected by a first holographic element of at least one wavelength and at least one angle of incidence is reflected by the second holographic element.
  • the holographic elements are preferably designed to be transmissive.
  • the second holographic element can be arranged in the beam path in front of the first holographic element. In this variant, it is at least partially transmitted by the light beams before the light beams are reflected at the first holographic element.
  • the wavefront manipulator according to the invention is designed for at least one defined object plane, which can be formed, for example, by the plane of an exit pupil of an imaging unit, to generate an image plane of a virtual image which is related to a plane perpendicular to the optical axis in the region of the image plane of a virtual Figure arranged level is tilted by a specified tilt angle ⁇ .
  • Tilted means that the tilt angle ⁇ is not equal to 0 degrees.
  • Said optical axis can also be defined as an optical axis or virtual main beam direction, starting from the eyebox in the direction of the image plane of the virtual image.
  • the holographic arrangement is designed for the at least partial correction of at least one aberration, preferably a plurality of aberrations, of a virtual image generated in the tilted image plane.
  • the aberrations can be caused, for example, by the tilting of the image plane, a curvature of the projection surface, an expansion of the beam path, etc.
  • the wavefront manipulator according to the invention has the advantage that different image distances can be generated in an image plane and the image plane can be made clearer with regard to the arrangement of information due to the depth dimension. For example, information can be projected at different image distances. This is particularly relevant in connection with head-up displays for vehicles.
  • information in the lower area of the image plane can be displayed at a shorter distance.
  • information about the vehicle speed can be placed.
  • information from a viewer or an eyebox can be displayed further away. This can be information about navigation or warnings, for example.
  • the tilt angle ⁇ can be between 10 degrees and 170 degrees, preferably between 30 degrees and 170 degrees, for example between 40 degrees and 50 degrees or between 130 degrees and 140 degrees.
  • the specified object plane can be arranged tilted by a specified tilting angle in relation to a plane arranged perpendicularly to the optical axis on the object plane or in the area of the object plane.
  • the at least two holographic elements are arranged at a distance of no more than 50 millimeters, e.g. no more than 10 millimeters, preferably no more than 1 millimeter from one another.
  • the at least two holographic elements can be arranged tilted in relation to one another, enclosing an angle of no more than 30 degrees, e.g. no more than 10 degrees, preferably no more than 5 degrees.
  • the at least two holographic elements can each have surface normals, with the surface normals of two holographic elements enclosing an angle of no more than 30 degrees, e.g. no more than 10 degrees, preferably no more than 5 degrees.
  • the at least two holographic elements are preferably arranged parallel to one another and/or directly adjacent to one another.
  • the use of two at least partially reflective holographic elements arranged directly one behind the other has the advantage that, particularly in connection with a head-up display, a large field of view (FOV) is achieved with high efficiency can be and the imaging quality can be significantly improved by the individual design of the holographic elements.
  • the holographic elements take up almost no installation space, so that the wavefront manipulator according to the invention can significantly increase the imaging quality with only a small amount of installation space available, such as in a head-up display designed for a motor vehicle.
  • the holographic arrangement achieves a high refractive power, comparable to the refractive power that is achieved, for example, by an optical component designed to be transmissive and without chromatic aberration.
  • reflective holograms offer a wider angular spectrum for a defined wavelength with high efficiency and higher wavelength selectivity.
  • the color channels can be separated from one another despite a wide range of angles of incidence and double images can be avoided.
  • the holographic arrangement thus enables a large field of view (FOV) with high efficiency at the same time and is therefore suitable for VR head-up displays (VR - virtual reality) or augmented reality - head-up displays (AR -HlID) with a large field of view and large numerical aperture.
  • Head-up displays with curved projection surfaces represent further possible applications, for example head-up displays for windshields of vehicles, in particular motor vehicles, airplanes or ships, and generally for viewing windows.
  • the holographic arrangement can also be used to correct aberrations that are caused by the tilting of the image plane, such as differences in brightness and distortions, in particular keystone distortion.
  • the holographic arrangement is designed for the at least partial correction of at least one aberration caused by the tilting of the image plane.
  • the at least one aberration can be the aforementioned aberrations.
  • these aberrations can also be corrected digitally.
  • a further advantage achieved by the holographic arrangement is that, due to the high diffraction angle of the holographic arrangement, the proportion of light from unused diffraction orders which is reflected into the eyebox is reduced. In addition, high-quality multicolored images can be generated.
  • the wavefront manipulator is designed to manipulate a wavefront to generate a multicolored virtual image.
  • a multicolored virtual image can be generated at each point of the tilted image plane.
  • the wavefront manipulator can therefore be designed to manipulate light in the wavelengths or frequencies of at least one defined color space and to convert it into a multicolored virtual image in the context of a head-up display.
  • the wavefront manipulator can be designed for an imaging unit for generating a multicolored image.
  • the imaging unit can be designed to emit light in the wavelengths or frequencies of at least one defined 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 two holographic elements are designed to be reflective, for example, for at least two specified wavelengths that differ from one another and for a specified range of angles of incidence.
  • the at least two holographic elements are preferably designed to be reflective for at least two specified wavelength ranges, which differ from one another and do not overlap, and a specified range of angles of incidence.
  • the at least two holographic elements are advantageously designed to be transmissive for specified wavelength ranges and/or at least one specified angle of incidence range for which they are not designed to be reflective. This reduces or avoids filter effects.
  • the wavefront manipulator according to the invention comprises at least one optical element which has a freeform surface, ie an optically effective freeform surface, and is designed for arrangement in the beam path between the imaging unit and the holographic arrangement.
  • the optical element comprising the free-form surface contributes to an improvement in the resolution through a corresponding configuration of the free-form surface and allows a targeted correction of imaging errors.
  • the optical element takes up very little installation space due to the free-form surface. It therefore also contributes significantly to improving the imaging quality of a compact head-up display.
  • the optical element which has the free-form surface, can be designed to be reflective and/or transmissive.
  • a reflective design is particularly advantageous since the optical element can in this way simultaneously contribute to a beam deflection that is required anyway, even at high angles of incidence, without inducing additional image errors such as chromatic aberrations in particular.
  • the free-form surface is preferably designed to at least partially correct at least one aberration or imaging error. This can involve at least one of the imaging errors mentioned at the outset.
  • the imaging error(s) can be caused by the tilting of the image plane and/or by the projection surface, especially in the case of a curved projection surface, and/or by the imaging unit and/or by the geometry of the beam path, for example in the context of a head -up displays, caused to be.
  • the resolution and thus the imaging quality can be optimized by means of the free-form surface.
  • the free-form surface preferably has a surface geometry which is derived from an imaging function that is dependent on at least one specified parameter.
  • the one or more specified parameters can result from an intended application of the wavefront manipulator.
  • the optical element can have a plurality of free-form surfaces, in particular in order to be able to carry out corrections of aberrations that are adapted to the respective application geometry.
  • each of the at least two holographic elements comprises a number of holograms.
  • Each hologram is recorded or generated with at least one specified wavelength.
  • a holographic element can, for example, comprise a number of holograms which can be arranged one on top of the other as a stack.
  • a holographic element can have a number, preferably a plurality, of monochromatic holograms.
  • a holographic element can comprise at least one hologram which is recorded or generated with at least two specified wavelengths.
  • Such a hologram is preferably recorded with three different wavelengths of a defined color space, for example designed as an RGB hologram or CMY hologram or as a hologram formed from a number of individual wavelengths of a different color space.
  • R stands for red, G for green, B for blue, C for cyan, M for magenta and Y for yellow.
  • At least one, preferably two, of the at least two holographic elements can therefore comprise at least two, preferably three, holograms which are designed to be reflective for wavelengths that differ from one another.
  • at least one, preferably two, of the at least two holographic elements can comprise at least one hologram which is designed to be reflective for at least two, preferably three, wavelengths that differ from one another.
  • the holograms mentioned have been recorded with correspondingly different wavelengths.
  • a first holographic element may comprise at least one efficient hologram designed for a first color, preferably three holograms, each designed for one of the three colors of a color space, and a second holographic element at least one for the first color designed or efficient hologram, preferably three holograms, each designed for one of the three colors of the color space.
  • the two holographic elements may be placed together such that a stack of the holograms of the first holographic element is placed against a stack of the holograms of the second holographic element.
  • mutually associated holograms can also be arranged directly adjacent to one another. In this case, only individual sections of the holographic elements are arranged directly one behind the other.
  • the first color hologram of the first holographic element may be immediately adjacent to the first color hologram of the second holographic element, the second color hologram of the first holographic element immediately adjacent to the second color hologram second color designed hologram of the second holographic element, etc.
  • the arrangement of the individual holograms of a holographic element or of all the holograms of the holographic arrangement can be used as a degree of freedom in order to avoid filter effects between the holograms.
  • the individual, differing holograms of a holographic element can be arranged next to one another and/or one behind the other in relation to a center line or center axis, which can coincide with the optical axis, or in relation to another specified geometric parameter of the holographic element.
  • the first holographic element can be mirror-symmetrical to the second with respect to the arrangement of the individual holograms be arranged holographic element.
  • the first holographic element may comprise a red light, a green light, and a blue light recorded hologram superimposed in the order named.
  • the second holographic element can also have a hologram recorded with red light, a hologram recorded with green light and a hologram recorded with blue light, which are also arranged one on top of the other in this order.
  • the first holographic element and the second holographic element are arranged one on top of the other or adjacent to one another such that, for example, the hologram of the first holographic element recorded with red light is arranged directly adjacent to the hologram of the second holographic element recorded with red light.
  • the arrangement of the holograms of the first holographic element may be identical to the arrangement of the holograms of the second holographic element with respect to a specified direction.
  • both holographic elements can have holograms arranged with respect to a specified direction in the order RGB (R - hologram recorded with red light, G - hologram recorded with green light, B - hologram recorded with blue light) so placed against each other that the hologram R of one holographic element is adjacent to the hologram B of the other holographic element.
  • RGB RGB adjoining GBR or R adjoining R, G adjoining G and B adjoining B etc.
  • the holographic arrangement can comprise a first holographic element and a second holographic element, with several of the holograms or all holograms of the respective holographic element being designed identically or the same with the exception of the wavelength for which they are designed.
  • several or all holograms of the first holographic element can be designed identically and differ from one another only in relation to the wavelength for which they are designed.
  • Analogous several or all holograms of the second holographic element can be configured identically and differ from one another only in relation to the wavelength for which they are designed.
  • a plurality of the holograms of at least one of the holographic elements are recorded with two construction wavefronts.
  • At least one construction wavefront of at least one hologram of the holographic elements is identical in terms of wavelength and incidence angle to at least one construction wavefront of another hologram of one of the holographic elements, in particular the first and/or the second holographic element.
  • the use of identical construction wavefronts for different wavelengths has the advantage that the required holograms can be produced with little effort and high precision.
  • the construction wavefronts differ slightly from one another with regard to the wavelength and/or the angle of incidence.
  • the angles of incidence can differ by 1 to 2 degrees. The deviation can be used to compensate for material shrinkage and to optimize the homogeneity of the efficiency.
  • the shared construction wavefront is preferably defined as a plane wave, which results in minimal filtering effect between different wavelengths.
  • the direction of incidence of the construction wave front for the at least two holographic elements of the holographic arrangement can be used as a degree of freedom in order to avoid filter effects between different wavelengths.
  • the irradiation direction can also be chosen differently for each wavelength.
  • the construction wavefronts for the at least two wavelengths, preferably for the three wavelengths are the same construction wavefronts for each holographic element and differ only in the wavelength used.
  • the at least two holographic elements can comprise reflection holograms recorded with two construction wavefronts, of which at least one construction wavefront is a plane wavefront or a spherical wavefront or a free-form wavefront.
  • the at least two holographic elements comprise reflection holograms, with at least one reflection hologram being recorded or written with two construction wavefronts, with at least one of the construction wavefronts being designed in such a way that they are generated according to a function or formation rule, which includes e.g. polynomials, which has a plurality of degrees of freedom, i.e. a plurality of independently adjustable parameters.
  • a function or formation rule which includes e.g. polynomials, which has a plurality of degrees of freedom, i.e. a plurality of independently adjustable parameters.
  • the greatest possible number of degrees of freedom is required. This can be realized by appropriate design wave fronts using a single compact component.
  • the at least two holographic elements are preferably designed in such a way that a first holographic element comprises at least one hologram which is assigned to a hologram of a second holographic element, with mutually assigned holograms being designed to be diffraction efficient point by point in relation to one another.
  • a first holographic element comprises at least one hologram which is assigned to a hologram of a second holographic element, with mutually assigned holograms being designed to be diffraction efficient point by point in relation to one another.
  • the intensity of the 1st order of diffraction is set in relation to the sum of the intensity of the 1st order of diffraction and the intensity of the 0th order of diffraction, or the intensity of the 1st order of diffraction is set in relation to the total incident beam intensity.
  • point-by-point diffraction efficiency means that at least one point of the first holographic element is designed to transmit light of at least one specified wavelength and one specified angle of incidence to a point of the second holographic element Elements, which in turn bends the light diffracted by the first holographic element.
  • the efficiency is over 90 percent.
  • the distance and the thickness of the holograms are negligible compared to the dimension or extent of the wavefront manipulator or an optical arrangement comprising the wavefront manipulator.
  • the holographic arrangement is therefore free from aberrations potentially caused by an extension in the direction of an optical axis.
  • the design wavefronts of the holographic elements can also be used as a degree of freedom to compensate for material tolerances, for example to compensate for material shrinkage. In this case, the general construction wavefronts differ slightly from each other.
  • the at least two holographic elements are preferably arranged at a distance of less than one millimeter from one another, in particular less than 0.5 millimeters, preferably less than 0.1 millimeters.
  • the distance is preferably zero or negligible.
  • the holographic arrangement can be designed in the form of a layer or a foil or a substrate, for example in the form of a volume hologram, or a plate.
  • the holographic arrangement can have a flat surface or a curved surface.
  • the holographic arrangement can be or will be arranged, for example, on a surface of a cover glass or another optical component that is present in any case. In this way, no additional installation space is required.
  • the wavefront manipulator can include a transmissive optical component, which is designed to be arranged in the beam path between the holographic arrangement and the projection surface become.
  • the holographic arrangement can preferably be arranged on a surface of the optical component designed to be transmissive, which surface is remote from the projection surfaces.
  • Both the optical component equipped to be transmissive and the holographic arrangement can be curved, preferably with the same curvature.
  • Said transmissively equipped optical component can be, for example, a so-called glare trap (glare trap), which is usually arranged at a position between a windshield and a head-up display and which is designed to reflect sunlight in a specified direction, so that it does not reflect off the head-up display towards the eyebox.
  • the holographic arrangement and the glare trap are preferably configured with the same curvature and are arranged directly adjacent to one another.
  • the wavefront manipulator according to the invention enables the light used to be deflected to a significantly greater or more extreme extent by the holographic elements than is possible with classic refractive optical components.
  • high-quality, multicolored images can be projected into a tilted image plane.
  • the optical arrangement according to the invention for a head-up display on a projection surface comprises an imaging unit and a wavefront manipulator as described above.
  • 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 object plane can be determined or defined by the exit pupil of the imaging unit.
  • the imaging unit is preferably designed to generate a multicolored image. For example, each light-emitting point on the object plane emits light in the form of a scattering lobe or in a specified angular range. This can be achieved, for example, by using a diffuser.
  • the imaging unit is preferably designed to emit laser light, in particular laser beams.
  • the imaging unit is advantageously designed to emit laser light in at least two, preferably at least three, different waves. These are preferably three different wavelengths of a defined color space, for example red, green and blue or cyan, magenta and yellow. Since the holographic elements are more sensitive to the 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 15 liters, e.g. less than 10 liters, in other words it occupies 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 head-up display that is very compact, ie takes up only a small amount of space, and at the same time ensures a very high imaging quality.
  • Both the wavefront manipulator according to the invention and the optical arrangement according to the invention are suitable for retrofitting in, for example, motor vehicles, airplanes or VR arrangements, for example VR glasses.
  • the head-up display according to the invention comprises a curved projection surface and an optical arrangement according to the invention as described above.
  • the curved projection surface is, for example, a windshield of a vehicle, for example Example of a motor vehicle, an airplane or a ship.
  • the curved 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.
  • the head-up display according to the invention enables a virtual image to be generated in a tilted image plane with a large field of view.
  • a rectangular virtual image can be generated, which has a field of view of, for example, at least 10 degrees, preferably at least 15 degrees by 5 degrees (FOV: 15° x 5°), and is observable at a certain distance away from the eyebox, for example at a distance between 6 meters and 12 meters.
  • the eyebox can measure up to 150mm x 150mm.
  • the brightness and the uniformity of the virtual image can be optimized by appropriate construction waves of the holographic elements. Furthermore, by adjusting the color mixing factor, for example the RGB color space, in the imaging unit, the whiteness uniformity can be adjusted.
  • the color mixing factor for example the RGB color space
  • the term "and/or" when used in a series of two or more items means that each of the listed items can be used alone, or any combination of two or more of the listed items can be used.
  • composition A alone; B alone; C alone; A and B in combination; A and C in combination; B and C in combination; or A, B, and C in combination when describing a composition containing components A, B and/or C, composition A alone; B alone; C alone; A and B in combination; A and C in combination; B and C in combination; or A, B, and C in combination.
  • FIG. 1 schematically shows the beam path of a head-up display for a windshield of a motor vehicle in a side view.
  • FIG. 2 schematically shows the beam path of a head-up display according to the invention for a windshield of a motor vehicle in a side view.
  • FIG. 3 schematically shows the Scheimpflug principle for generating a tilted image plane.
  • FIGS. 4-8 show schematic examples of two associated reflection holograms with their construction wave fronts.
  • FIG. 9 schematically shows the beam path within a hologram stack.
  • FIG. 10 schematically shows the beam path of the head-up display shown in FIG. 2, including a generated image in a plan view.
  • FIG. 11 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 shows schematically the beam path of a head-up display 10.
  • the head-up display 10 includes an imaging unit 1, a projection surface 4, for example in the form of a windshield of a motor vehicle, and a wavefront manipulator 7.
  • the projection surface 4, for example the windshield, can be curved.
  • the imaging unit 1 and the wavefront manipulator 7 are preferably integrated into a fitting (not shown).
  • the head-up display 10 is designed in such a way that it generates a virtual image 6 on or behind the projection surface 4, in particular on or behind the surface of the windshield, i.e. in the outside area of the vehicle, for example behind the surface of the windshield in the direction of travel .
  • the imaged object output by the imaging unit 1 or the exit pupil of the imaging unit 1 is identified by an arrow with the reference number 9 .
  • the wavefront manipulator 7 comprises a holographic arrangement 3 and a reflective optical element 2, which has a free-form surface and is arranged in the beam path 8, starting from the imaging unit 1, between the imaging unit 1 and the holographic arrangement 3.
  • the optical element 2 is preferably designed as a free-form mirror.
  • Light waves are emitted in the direction of the wavefront manipulator 7 by the imaging unit 1 .
  • the wavefront manipulator 7 guides light waves in the direction of the projection surface 4, in particular the curved projection surface.
  • the light waves are reflected in the direction of an eye box 5 on the projection surface 4 .
  • the eyebox 5 forms the area in which a user must or can be located in order to be able to perceive the virtual image 6 generated by the head-up display 10 .
  • the usual head-up display 10 shown has a virtual image plane 6 which runs perpendicularly to an optical axis 13 in the area of the image plane and which has a fixed image distance which is identical for all pixels.
  • Figure 2 shows schematically the beam path of a head-up display 10 according to the invention
  • Angle 6 is tilted.
  • the angle 6 is between 10 degrees and 170 degrees, preferably between 30 degrees and 150 degrees, in particular between 40 degrees and 50 degrees or between 130 degrees and 140 degrees.
  • 6 different image distances are generated with one image plane.
  • This has the advantage that information can be projected at different image distances. This is particularly relevant in connection with head-up displays for vehicles.
  • a tilt as shown in Figure 2, in which the upper area of the image plane 6 has a greater image distance to the eyebox 5 than the lower area of the image plane 6, information in the lower area of the image plane 6 can be imaged at a shorter distance from the eyebox 5 .
  • information about the vehicle speed can be placed.
  • the holographic arrangement comprises a first holographic element 11 and a second holographic element 12, which are arranged directly one behind the other in sections.
  • Each of the holographic elements 11, 12 comprises three holograms 15, 16, 17, which are designed as reflection holograms and are each diffraction efficient for at least one specified wavelength or frequency and a specified angle of incidence range in reflection.
  • the holograms 15 are efficient for at least one wavelength of a first color of a specified color space, for example blue light, for a specified range of angles of incidence, and the holograms 16 for at least one wavelength of a second color of a specified color space, for example green light , efficient and the holograms 17 efficient for at least one wavelength of a third color of a specified color space, for example for red light.
  • a tilted image plane 6 can be generated using the so-called Scheimpflug principle.
  • the Scheimpflug principle is explained below with reference to FIG.
  • a single lens 18 is used to produce an image 20 of an object 19 in a tilted image plane.
  • the two main planes lie together in the lens plane. If the object plane is arranged parallel to the lens plane, all field points in the object plane have the same distance to the main planes. Therefore, the magnification is the same for all field points in the object plane.
  • the points shown are all on one plane with the same distance to the main planes. Therefore, the object plane, the lens plane and the image plane are arranged parallel to each other.
  • the points on the object plane have different distances (for example Si , S2, S3) to the main planes. Accordingly, the image points lie on a tilted image plane 20 with an angle 6.
  • Such an imaging principle with a tilted object plane 19 and a tilted image plane 20 is called the Scheimpflug principle.
  • the angles ⁇ and ⁇ ' are related to the magnification of the system.
  • the challenge of a Scheimpflug system is that the aberrations are very different for different image distances S'. It is therefore necessary to correct as far as possible all aberrations for different image distances (A to C in FIG. 3) in order to achieve good imaging performance.
  • an object distance Si is given for an object plane A, an object distance S2 for an object plane B and an object distance S3 for an object plane C.
  • the object plane A is imaged in an image plane A' with an object distance Si', the object plane B in an image plane B' with an image distance S2 and the object plane C in an image plane C' with an image distance Ss'.
  • AR-RGB-HUD augmented reality RGB head-up display
  • the eyebox and the field of view are already comparatively large.
  • the optical components have a limited correction capability.
  • An additional challenge for the optical correction is the realization of a good performance for all points in the image plane with several image distances. Therefore, either more components or more degrees of freedom of the components are required for the correction.
  • a holographic arrangement 3 is used according to the invention in connection with a tilted imaging plane.
  • the holographic arrangement 3 can offer many degrees of freedom to manipulate the wavefront. Aberrations of different image distances can be corrected together with the at least one element 2, which is designed as a free-form component, for example as a free-form mirror.
  • the holographic arrangement 3 between the projection surface 4, for example the windshield, and the free-form component 2 has the additional function that it has a large allows refractive power without chromatic aberration and has a very small volume. This makes it possible to realize an AR-RGB HUD with a much smaller volume compared to a conventional HUD that only uses free-form components for aberration correction.
  • the challenge of a HUD system lies in the specifications, for example the size of the eyebox, the FOV, the shift in the image distance or the installation space. If the installation space and the number of components are fixed, the holographic arrangement 3 can provide additional potential for realizing an efficient aberration correction.
  • the degrees of freedom required for this can be realized by generating the holograms used by means of construction wavefronts, which contain or implement the required degrees of freedom.
  • FIGS. 4 to 8 each show holograms which are designed for a specific wavelength or frequency or for a specific wavelength range or frequency range. Examples of two holograms 21 and 22 each, which are used as mutually associated reflection holograms, with their construction wave fronts, are explained below with reference to FIGS.
  • the holograms 21 and 22 can be, for example, the holograms 14, 15 or 16 of FIG.
  • the first holographic element 11 can include the hologram 21 and the second holographic element 11 the hologram 22.
  • a second hologram 22 is shown on the right, which is designed as a reflection hologram for light of the same color as the first hologram 21 and which interacts within the framework of the holographic arrangement 3 with the first hologram 21, as shown in FIG.
  • the Construction wavefronts for the first hologram 21 are identified by reference numerals 31 and 32.
  • the construction wavefronts for constructing the second hologram 22 are identified by the reference numerals 33 and 34 .
  • the first hologram 21 is exposed, ie written, with a spherical wavefront 31 and a plane wavefront or plane wavefront 32
  • the second hologram 22 is written with two plane wavefronts or plane wavefronts 33 and 34 .
  • the wave fronts 31 and 33 define the directions of the light according to the components, ie when entering the holographic arrangement and when exiting the holographic arrangement, as well as the refractive power of the entire holographic arrangement made up of these holograms 21 and 22 .
  • the construction wavefronts 32 and 34 define the display wavefronts between the two holograms 21 and 22 (see wavefront 36 in Figure 9).
  • the directions of the wave fronts 32 and 34 are identical.
  • the wavefront 31 can be formed from a sum of a spherical wavefront and a free-form wavefront.
  • the wavefront can be represented by a polynomial expansion from a sum of Zernike polynomials, with the individual Zernike polynomials Z being multiplied by coefficients c(Z).
  • the following table gives examples of suitable values for coefficients c(Z) of the Zernike polynomials Z5 to Z9 for tilt angles ⁇ between 0 and 80 degrees, in particular for an arrangement shown schematically in FIG. 2 with a non-curved windshield.
  • the Zernike polynomial Z5 corrects for astigmatism at 45°
  • Z6 corrects for astigmatism at 0°
  • Z7 for x-direction coma
  • Z8 for y-direction coma
  • Z9 for spherical aberration.
  • two construction wave fronts 32 and 34 that differ from one another in their direction of incidence are used.
  • the construction wave fronts 32 and 34 are designed as free-form wave fronts.
  • the homogeneity can be improved to an even higher level.
  • the wavefronts 32 and 34 can be adjusted locally by complicated exposure systems. In this way, the shape of the wavefronts and the angle of incidence can be specified.
  • the construction wave fronts 31 and 33 are designed as free-form wave fronts, which also differ from one another in terms of their shape and their angle of incidence.
  • the construction wavefronts 32 and 34 are in the form of plane waves with different angles of incidence.
  • the configurations shown offer a large number of degrees of freedom.
  • Required degrees of freedom are usually implemented using free-form components.
  • corresponding requirements can be realized by means of the holograms used, with the required degrees of freedom being provided by a corresponding free-form exposure is realized by means of the construction wavefronts 31, 32, 33 and 34.
  • the wave fronts 31 and 33 in the variant shown in FIG. 7 are used for the imaging quality and in particular the aberration correction.
  • the holograms 21 and 22 constructed or written in this way carry complicated microstructures designed to correct numerous aberrations.
  • all four wave fronts 31-34 can be in the form of free-form wave fronts in order to achieve a maximum number of degrees of freedom for the hologram stack.
  • Figure 9 shows the beam path through a hologram stack constructed from the holograms 21 and 22, for example within the scope of an optical arrangement according to the invention or a HUD 10 according to the invention - Components 2 directed towards the holographic array 3.
  • the light or the wave front 35 is first transmitted through the second hologram 22 and is then reflected on the first hologram 21 .
  • the wave front reflected by the first hologram 21 is identified by the reference number 36 .
  • This wave front 36 is reflected at the second hologram 22 and then transmitted by the first hologram 21 .
  • the corresponding wave front 37 then leaves the holographic arrangement 3 and is guided in the direction of the projection surface 4 .
  • Mutually associated reflection holograms 21 and 22 i.e. holograms which are designed for reflecting wavelengths or frequencies that are coordinated with one another, i.e. identical wavelengths or frequencies or wavelength ranges or frequency ranges that at least partially overlap, and/or for irradiation angle ranges that are coordinated with one another, or at least one point by point having mutual efficiency can be arranged directly adjacent to one another within the holographic arrangement 3, as shown in FIG.
  • first holographic element 11 which comprises a plurality of first holograms, each of which is designed and efficient for different wavelengths or wavelength ranges
  • second holographic element 12 which comprises a plurality of second holograms, each of which has the first Are assigned to holograms, so designed for the same wavelengths or wavelength ranges as the first holograms or are efficient, include.
  • the first holographic element 11 and the second holographic element 12 can preferably be arranged directly adjacent to one another.
  • the holograms are preferably designed to be transmissive for the wavelengths or frequencies of the color space used, for which they are not designed or efficient as reflection holograms.
  • Freeform wavefronts for hologram construction are not only useful for a Scheimpflug HUD, but also suitable for realizing other HUD systems with high specifications, for example realizing a large eyebox and a large FOV. Accordingly, there are application options for the wavefront manipulator according to the invention and the optical arrangement according to the invention.
  • the virtual image 25 suffers from keystone distortion when the image 24 on the image generator or the imaging unit 1 is displayed rectangular.
  • a corresponding image to be formed is shown in FIG. 10, which otherwise corresponds to FIG.
  • a corresponding virtual image which is imaged on the virtual image plane 6 is shown next to the virtual image plane 6 and is identified by the reference number 25 .
  • the distortion results from the different magnification of the different image distances. This keystone distortion can be digital Getting corrected.
  • the brightness on the imaging unit 1 is the same everywhere, the brightness of the virtual image is different due to the different magnifications depending on the image width of the individual pixel.
  • the brightness of the virtual image 25 is greater in the lower area than in the upper area.
  • the brightness can also be adjusted digitally. For example, the image from the imaging unit 1 can have a higher brightness in the upper area than in the lower area.
  • FIG. 7 schematically shows an optical arrangement 23 according to the invention with a wavefront manipulator 7 according to the invention in the form of a block diagram.
  • the optical arrangement 23 according to the invention comprises an imaging unit 1 and a wavefront manipulator 7 according to the invention, which are arranged one behind the other in a beam path 8 .
  • the wave front manipulator 7 comprises a holographic arrangement 3 already described and optionally an optical element 2 already described in connection with FIG. 2, which has a free-form surface and is preferably designed as a free-form mirror.
  • the optical element 2 is arranged in a beam path between the imaging unit 1 and the holographic arrangement 3 .

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Abstract

Es wird ein Wellenfrontmanipulator (7) zur Anordnung im Strahlengang (8) eines Head-up-Displays (10) zwischen einer bildgebenden Einheit (1) und einer Projektionsoberfläche (4) beschrieben. Der Wellenfrontmanipulator (7) umfasst eine holographische Anordnung (3), welche mindestens zwei holographische Elemente (11, 12) umfasst, wobei die mindestens zwei holographischen Elemente (11, 12) im Strahlengang (8) zumindest abschnittsweise unmittelbar hintereinander angeordnet sind und für mindestens eine festgelegte Wellenlänge und einen festgelegten Einstrahlwinkelbereich reflektiv ausgestaltet sind, wobei ein erstes holographisches Element mindestens ein Hologramm umfasst, welches einem Hologramm eines zweiten holographischen Elements zur Reflexion zugeordnet ist. Der Wellenfrontmanipulator (7) ist für mindestens eine festgelegte Objektebene dazu ausgelegt, eine Bildebene einer virtuellen Abbildung (6) zu erzeugen, welche bezogen auf eine senkrecht zur optischen Achse (13) im Bereich der Bildebene einer virtuellen Abbildung (6) angeordnete Ebene (14) um einen festgelegten Kippwinkel θ gekippt ist, wobei die holographische Anordnung (3) zur zumindest teilweisen Korrektur von mindestens einem Abbildungsfehler einer in der gekippten Bildebene erzeugten virtuellen Abbildung (6) ausgelegt ist.

Description

Wellenfrontmanipulator für Head-up-Display mit holographischem Element zum Erzeugen einer gekippten virtuellen Bildebene
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wellenfrontmanipulator zur Anordnung im Strahlengang eines Head-up-Displays (HUD) zwischen einem Projektionsobjektiv und einer Projektionsoberfläche, insbesondere einer gekrümmten Projektionsoberfläche. Die Erfindung betrifft darüber hinaus eine optische Anordnung und ein Head-up-Display.
Head-up-Displays kommen inzwischen im Rahmen vielfältiger Anwendungen zum Einsatz, unter anderem auch im Zusammenhang mit Sichtfenstern von Fahrzeugen, zum Beispiel an Windschutzscheiben von Kraftfahrzeugen, Frontscheiben oder Sichtfenstern von Flugzeugen. Diese Sichtscheiben und insbesondere Windschutzscheiben weisen üblicherweise eine gekrümmte Oberfläche auf, welche als Projektionsoberfläche von Head-up-Displays genutzt wird.
Ein Head-up-Display umfasst üblicherweise eine bildgebende Einheit (PGU - picture generating unit) oder einen Projektor, eine Projektionsoberfläche, eine Eyebox und eine 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.
In den Dokumenten DE 102007 022 247 A1 , DE 102015 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 ist es zunehmend erforderlich und erwünscht, Informationen oder mehrfarbige Abbildungen in verschiedenen Bildabständen abzubilden. Um die Kosten zu reduzieren und die Stabilität des Systems zu erhalten, ist es zudem erforderlich, dass die verwendeten Komponenten des Head-up- Displays fest verbaut bzw. fest zueinander angeordnet sind.
Die Dokumente JP 2021- 012 255 A und JP 2015- 18 099 A offenbaren Head-up-Displays mit gekippter virtueller Bildebene. Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen vorteilhaften Wellenfrontmanipulator zur Anordnung im Strahlengang eines Head-up-Displays zwischen einem Projektionsobjektiv und einer gekrümmten Projektionsoberfläche zur Verfügung zu stellen, welcher die genannten Anforderungen zumindest teilweise erfüllt und welcher zuvor genannte Abbildungsfehler zumindest teilweise korrigiert. Weitere Aufgaben bestehen darin, eine vorteilhafte optische Anordnung für ein Head-up-Display an einer gekrümmten Projektionsoberfläche sowie ein vorteilhaftes Head-up-Display zur Verfügung zu stellen.
Die erste Aufgabe wird durch einen Wellenfrontmanipulator gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Die weiteren Aufgaben werden durch eine optische Anordnung gemäß Patentanspruch 12 und durch ein Head-up-Display gemäß Patentanspruch 15 gelöst. Die abhängigen Ansprüche enthalten weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Der erfindungsgemäße Wellfrontmanipulator zur Anordnung im Strahlengang eines Head-up-Displays zwischen einer bildgebenden Einheit (PGU - Picture- Generating-Unit) beziehungsweise einem Projektionsobjektiv und einer Projektionsoberfläche, beispielsweise einer gekrümmten Projektionsoberfläche, umfasst eine holographische Anordnung. Die holographische Anordnung, welche insgesamt transmissiv und/oder reflektiv ausgestaltet sein kann, umfasst mindestens zwei holographische Elemente. Die mindestens zwei holographischen Elemente sind im Strahlengang zumindest abschnittsweise unmittelbar hintereinander angeordnet. Es ist mit anderen Worten kein weiteres optisches Element oder Bauteil zwischen den mindestens zwei holographischen Elementen angeordnet. Die mindestens zwei holographischen Elemente sind darüber hinaus für mindestens eine festgelegte Wellenlänge, insbesondere mindestens einen festgelegten Wellenlängenbereich, und einen festgelegten Einstrahlwinkelbereich reflektiv ausgestaltet, wobei ein erstes holographisches Element mindestens ein Hologramm umfasst, welches einem Hologramm eines zweiten holographischen Elements zur Reflexion zugeordnet ist. Die mindestens zwei holographischen Elemente sind mit anderen Worten so ausgebildet, dass von einem ersten holographischen Element reflektiertes Licht mindestens einer Wellenlänge und mindestens eines Einstrahlwinkels von dem zweiten holographischen Element reflektiert wird. Vorzugsweise sind die holographischen Elemente im Übrigen transmissiv ausgestaltet. Das zweite holographische Element kann im Strahlengang vor dem ersten holographischen Element angeordnet sein. Es wird in dieser Variante also vor der Reflexion der Lichtstrahlen an dem ersten holographischen Element von den Lichtstrahlen zumindest teilweise transmittiert.
Der erfindungsgemäße Wellenfrontmanipulator ist für mindestens eine festgelegte Objektebene, welche zum Beispiel durch die Ebene einer Austrittspupille einer bildgebenden Einheit gebildet werden kann, dazu ausgelegt, eine Bildebene einer virtuellen Abbildung zu erzeugen, welche bezogen auf eine senkrecht zur optischen Achse im Bereich der Bildebene einer virtuellen Abbildung angeordnete Ebene um einen festgelegten Kippwinkel θ gekippt ist. Dabei bedeutet gekippt, dass der Kippwinkel θ ungleich 0 Grad ist. Mit anderen Worten existieren mindestens zwei Bildpunkte in der gekippten Bildebene, welche einen voneinander abweichenden Abstand zur Eyebox aufweisen. Die genannte optische Achse kann auch als optische Achse oder virtuelle Hauptstrahlrichtung ausgehend von der Eyebox in Richtung der Bildebene der virtuellen Abbildung definiert werden. Die holographische Anordnung ist zur zumindest teilweisen Korrektur von mindestens einem Abbildungsfehler, vorzugsweise einer Mehrzahl an Abbildungsfehlern, einer in der gekippten Bildebene erzeugten virtuellen Abbildung ausgelegt. Die Abbildungsfehler können zum Beispiel durch die Kippung der Bildebene, eine Krümmung der Projektionsoberfläche, eine Aufweitung des Strahlengangs usw. verursacht sein.
Der erfindungsgemäße Wellenfrontmanipulator hat den Vorteil, dass in einer Bildebene verschiedene Bildabstände erzeugt werden können und die Bildebene durch die Tiefendimension in Bezug auf die Anordnung von Informationen übersichtlicher gestaltet werden kann. Zum Beispiel können Informationen in unterschiedliche Bildabstände projiziert werden. Dies ist vor allem im Zusammenhang mit Head-up-Displays für Fahrzeuge relevant. Bei einer gekippten Bildebene, in welcher der obere Bereich der Bildebene einen größeren Bildabstand zur Eyebox aufweist als der untere Bereich der Bildebene, können Informationen im unteren Bereich der Bildebene in kürzerer Distanz abgebildet werden. Hier können zum Beispiel Angaben zur Fahrzeuggeschwindigkeit platziert werden. Im oberen Bereich der Bildebene können Informationen von einem Betrachter bzw. einer Eyebox weiter entfernt abgebildet werden. Hierbei kann es sich zum Beispiel um Informationen zur Navigation oder um Warnhinweise handeln.
Der Kippwinkel θ kann zwischen 10 Grad und 170 Grad, vorzugsweise zwischen 30 Grad und 170 Grad, zum Beispiel zwischen 40 Grad und 50 Grad oder zwischen 130 Grad und 140 Grad, betragen.
Die festgelegte Objektebene kann bezogen auf eine senkrecht zur optischen Achse an der Objektebene oder im Bereich der Objektebene angeordnete Ebene um einen festgelegten Kippwinkel gekippt angeordnet sein.
In einer weiteren Variante sind die mindestens zwei holographischen Elemente in einem Abstand von maximal 50 Millimeter, z.B. maximal 10 Millimetern, vorzugsweise maximal 1 Millimeter, zueinander angeordnet. Zusätzlich oder alternativ dazu können die mindestens zwei holographischen Elemente in Bezug aufeinander gekippt angeordnet sein, wobei sie einen Winkel von maximal 30 Grad, z.B. maximal 10 Grad, vorzugsweise maximal 5 Grad, einschließen. Insbesondere können die mindestens zwei holographischen Elemente jeweils Oberflächennormalen aufweisen, wobei die Oberflächennormalen von zwei holographischen Elementen einen Winkel von maximal 30 Grad, z.B. maximal 10 Grad, vorzugsweise maximal 5 Grad, einschließen. Die mindestens zwei holographischen Elemente sind bevorzugt parallel zueinander und/oder unmittelbar aneinander anliegend angeordnet.
Die Verwendung von zwei unmittelbar hintereinander angeordneten zumindest teilweise reflektiv ausgestalteten holographischen Elementen hat den Vorteil, dass insbesondere im Zusammenhang mit einem Head-up- Display ein großes Sichtfeld (Field of View - FOV) mit hoher Effizienz erzielt werden kann und die Abbildungsqualität durch die individuelle Ausgestaltung der holographischen Elemente erheblich verbessert werden kann. Dazu wird durch die holographischen Elemente nahezu kein Bauraum beansprucht, sodass mittels des erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulators bei nur geringem verfügbarem Bauraum, wie beispielsweise bei einem für ein Kraftfahrzeug ausgelegten Head-up-Display, eine deutliche Erhöhung der Abbildungsqualität erzielt werden kann. Durch die holographische Anordnung wird insbesondere eine hohe Brechkraft erreicht, vergleichbar mit der Brechkraft wie sie beispielsweise durch eine transmissiv ausgestaltete optische Komponente ohne chromatische Aberration erreicht wird. Verglichen mit Transmissionshologrammen bieten reflektive Hologramme für eine definierte Wellenlänge ein breiteres Winkelspektrum mit einer hohen Effizienz und einer höheren Wellenlängenselektivität. Dadurch können die Farbkanäle trotz eines breiten Einfallswinkelspektrums voneinander getrennt werden und Doppelbilder vermieden werden. Die holographische Anordnung ermöglicht also ein großes Sichtfeld (Field of View - FOV) bei gleichzeitig hoher Effizienz und eignet sich damit sowohl für VR-Head-up-Displays (VR - Virtuelle Realität) bzw. Augmented Reality - Head-up-Displays (AR-HlID) mit einem großen Sichtfeld und großer nummerischer Apertur. Weitere Anwendungsmöglichkeiten stellen Head-up-Displays mit gekrümmten Projektionsoberflächen dar, beispielsweise Head-up-Displays für Windschutzscheiben von Fahrzeugen, insbesondere Kraftfahrzeugen, Flugzeugen oder Schiffen, sowie allgemein für Sichtfenster. Zudem lassen sich mittels der holographischen Anordnung auch Aberrationen korrigieren, welche durch die Kippung der Bildebene hervorgerufen werden, wie zum Beispiel Helligkeitsunterschiede und Verzeichnungen, insbesondere eine Keystone-Verzeichnung. Mit anderen Worten ist in einer vorteilhaften Variante die holographische Anordnung zur zumindest teilweisen Korrektur von mindestens einem Abbildungsfehler, welcher durch die Kippung der Bildebene hervorgerufen wird, ausgelegt. Bei dem mindestens einen Abbildungsfehler kann es sich um die zuvor genannten Aberrationen handeln. Diese Aberrationen können allerdings auch digital korrigiert werden. Ein weiterer Vorteil, welcher durch die holographische Anordnung erreicht wird, besteht darin, dass aufgrund des hohen Beugungswinkels der holographischen Anordnung der Anteil des Lichts aus ungenutzten Beugungsordnungen, welches in die Eyebox reflektiert wird, reduziert wird. Darüber hinaus können qualitativ hochwertige mehrfarbige Abbildungen erzeugt werden.
Vorteilhafterweise ist der Wellenfrontmanipulator zum Manipulieren einer Wellenfront zum Erzeugen einer mehrfarbigen virtuellen Abbildung ausgelegt. Hierbei ist gemeint, dass auf jedem Punkt der gekippten Bildebene eine mehrfarbige virtuelle Abbildung erzeugbar ist. Der Wellenfrontmanipulator kann also dazu ausgelegt sein, Licht in den Wellenlängen bzw. Frequenzen mindestens eines festgelegten Farbraums zu manipulieren und im Rahmen eines Head-up-Displays in eine mehrfarbige virtuelle Abbildung zu überführen. Mit anderen Worten kann der Wellenfrontmanipulator für eine bildgebende Einheit zum Erzeugen einer mehrfarbigen Abbildung ausgelegt sein. Dabei kann die bildgebende Einheit dazu ausgelegt sein, Licht in den Wellenlängen bzw. Frequenzen mindestens eines festgelegten Farbraums auszusenden. 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 mindestens zwei holographischen Elemente sind beispielsweise für mindestens zwei festgelegte Wellenlängen, welche sich voneinander unterscheiden, und einen festgelegten Einstrahlwinkelbereich reflektiv ausgestaltet sind. Bevorzugt sind die mindestens zwei holographischen Elemente für mindestens zwei festgelegte Wellenlängenbereiche, welche sich voneinander unterscheiden und sich nicht überschneiden, und einen festgelegten Einstrahlwinkelbereich reflektiv ausgestaltet. Vorteilhafterweise sind die mindestens zwei holographischen Elemente für festgelegte Wellenlängenbereiche und/oder mindestens einen festgelegten Einstrahlwinkelbereich, für welche sie nicht reflektiv ausgestaltet sind, transmissiv ausgestaltet sind. Hierdurch werden Filtereffekte reduziert oder vermieden. In einer bevorzugten Variante umfasst der erfindungsmäße Wellenfrontmanipulator mindestens ein optisches Element, welches eine Freiformfläche aufweist, also eine optisch wirksame Freiformfläche, und zur Anordnung im Strahlengang zwischen der bildgebenden Einheit und der holographischen Anordnung ausgelegt ist. Das die Freiformfläche umfassende optische Element trägt durch eine entsprechende Ausgestaltung der Freiformfläche zu einer Verbesserung der Auflösung bei und erlaubt eine gezielte Korrektur von Abbildungsfehlern. Darüber hinaus beansprucht das optische Element aufgrund der Freiformfläche nur sehr wenig Bauraum. Es trägt also auch erheblich zu einer Verbesserung der Abbildungsqualität eines kompakt ausgestalteten Head-up-Displays bei.
Das optische Element, welches die Freiformfläche aufweist, kann reflektiv und/oder transmissiv ausgestaltet sein. Im Zusammenhang mit einer Anwendung für kompakt ausgestaltete Head-up-Displays ist eine reflektive Ausgestaltung besonders vorteilhaft, da das optische Element auf diese Weise gleichzeitig zu einer ohnehin erforderlichen Strahlumlenkung auch unter hohen Einfallswinkeln beitragen kann ohne dabei zusätzliche Bildfehler wie insbesondere chromatische Aberrationen zu induzieren. Vorzugsweise ist die Freiformfläche dazu ausgebildet, mindestens eine Aberration bzw. einen Abbildungsfehler zumindest teilweise zu korrigieren. Dabei kann es sich um mindestens einen der eingangs genannten Abbildungsfehler handeln. Der bzw. die Abbildungsfehler kann/können durch die Kippung der Bildebene und/oder durch die Projektionsoberfläche verursacht sein, insbesondere im Falle einer gekrümmten Projektionsoberfläche, und/oder durch die bildgebende Einheit und/oder durch die Geometrie des Strahlenganges, beispielsweise im Rahmen eines Head-up-Displays, verursacht sein. Mittels der Freiformfläche kann darüber hinaus die Auflösung und damit die Abbildungsqualität optimiert werden.
Vorzugsweise weist die Freiformfläche eine Oberflächengeometrie auf, welche aus einer von mindestens einem festgelegten Parameter abhängigen Abbildungsfunktion abgeleitet ist. Der mindestens eine festgelegte Parameter kann sich aus einer vorgesehenen Anwendung des Wellenfrontmanipulators ergeben. Das optische Element kann mehrere Freiformflächen aufweisen, insbesondere um an die jeweilige Anwendungsgeometrie angepasste Korrekturen von Aberrationen vornehmen zu können.
Vorzugsweise umfasst jedes der mindestens zwei holographischen Elemente eine Anzahl an Hologrammen. Dabei ist jedes Hologramm mit mindestens einer festgelegten Wellenlänge aufgenommen bzw. generiert. Ein holographisches Element kann zum Beispiel mehrere Hologramme umfassen, welche als Stapel aufeinander angeordnet sein können. Beispielsweise kann ein holographisches Element eine Anzahl, vorzugsweise eine Mehrzahl, monochromatischer Hologramme ausweisen. Alternativ dazu kann ein holographisches Element mindestens ein Hologramm umfassen, welches mit mindestens zwei festgelegten Wellenlängen aufgenommen bzw. generiert ist. Vorzugsweise ist ein solches Hologramm mit drei unterschiedlichen Wellenlängen eines festgelegten Farbraums aufgenommen, beispielsweise als RGB-Hologramm oder CMY-Hologramm oder als aus einer Anzahl an einzelnen Wellenlängen eines anderen Farbraums gebildetes Hologramm ausgestaltet. In den genannten Beispielen steht R für Rot, G für Grün, B für Blau, C für Cyan, M für Magenta und Y für Yellow bzw. Gelb.
Es kann also mindestens eins, vorzugsweise zwei, der mindestens zwei holographischen Elemente mindestens zwei, vorzugsweise drei, Hologramme umfassen, welche für voneinander abweichende Wellenlängen reflektiv ausgestaltet sind. Zusätzlich oder alternativ dazu kann mindestens ein, vorzugsweise zwei, der mindestens zwei holographischen Elemente mindestens ein Hologramm umfassen, welches für mindestens zwei, vorzugsweise drei, voneinander abweichende Wellenlängen reflektiv ausgestaltet ist. Mit anderen Worten sind die genannten Hologramme mit entsprechend voneinander abweichenden Wellenlängen aufgenommen worden. Zum Beispiel kann von den mindestens zwei holographischen Elementen ein erstes holographisches Element mindestens ein für eine erste Farbe ausgelegtes bzw. effizientes Hologramm, vorzugsweise drei Hologramme, wovon jedes für eine der drei Farben eines Farbraums ausgelegt ist, umfassen und ein zweites holographisches Element mindestens ein für die erste Farbe ausgelegtes bzw. effizientes Hologramm, vorzugsweise drei Hologramme, wovon jedes für eine der drei Farben des Farbraums ausgelegt ist, umfassen. Die zwei holographischen Elemente können so aneinander angeordnet sein, dass ein Stapel aus den Hologrammen des ersten holographischen Elements an einem Stapel aus den Hologrammen des zweiten holographischen Elements angeordnet ist. Es können aber auch einander zugeordnete Hologramme unmittelbar benachbart zueinander angeordnet sein. In diesem Fall sind lediglich einzelne Abschnitte der holographischen Elemente unmittelbar hintereinander angeordnet. Es kann also zum Beispiel das für eine erste Farbe ausgelegte Hologramm des ersten holographischen Elements unmittelbar benachbart zu dem für die erste Farbe ausgelegten Hologramm des zweiten holographischen Elements angeordnet sein, das für eine zweite Farbe ausgelegte Hologramm des ersten holographischen Elements unmittelbar benachbart zu dem für die zweite Farbe ausgelegten Hologramm des zweiten holographischen Elements angeordnet sein, usw.
Die Anordnung der einzelnen Hologramme eines holographischen Elements oder der Gesamtheit der Hologramme der holographischen Anordnung kann als Freiheitsgrad verwendet werden um Filtereffekte zwischen den Hologrammen zu vermeiden. Die einzelnen, sich voneinander unterscheidenden Hologramme eines holographischen Elements können in Bezug auf eine Mittellinie bzw. Mittelachse, welche mit der optischen Achse zusammenfallen kann, oder in Bezug auf einen anderen festgelegten geometrischen Parameter des holographischen Elements nebeneinander und/oder hintereinander angeordnet sein.
Beispielsweise kann das erste holographische Element in Bezug auf die Anordnung der einzelnen Hologramme spiegelsymmetrisch zu dem zweiten holographischen Element angeordnet sein. Zum Beispiel kann das erste holographische Element ein mit rotem Licht, ein mit grünem Licht und ein mit blauem Licht aufgenommenes Hologramm umfassen, welche in der genannten Reihenfolge aufeinander angeordnet sind. Das zweite holographische Element kann ebenfalls ein mit rotem Licht, ein mit grünem Licht und ein mit blauem Licht aufgenommenes Hologramm aufweisen, welche ebenfalls in dieser Reihenfolge aufeinander angeordnet sind. Das erste holographische Element und das zweite holographische Element sind im Falle einer spiegelsymmetrischen Anordnung so aufeinander oder zueinander benachbart angeordnet, dass beispielsweise das mit rotem Licht aufgenommene Hologramm des ersten holographischen Elements zu dem mit rotem Licht aufgenommenen Hologramm des zweiten holographischen Elements unmittelbar benachbart angeordnet ist. Alternativ dazu kann die Anordnung der Hologramme des ersten holographischen Elements mit der Anordnung der Hologramme des zweiten holographischen Elements in Bezug auf eine festgelegte Richtung identisch sein. Zum Beispiel können beide holographischen Elemente in Bezug auf eine festgelegte Richtung in der Reihenfolge RGB (R - mit rotem Licht aufgenommenes Hologramm, G - mit grünem Licht aufgenommenes Hologramm, B - mit blauem Licht aufgenommenes Hologramm) angeordnete Hologramme aufweisen, die so aneinander angeordnet sind, dass das Hologramm R des einen holographischen Elements an dem Hologramm B des anderen holographischen Elements angrenzt. Beliebige andere, voneinander abweichende Anordnungen sind ebenfalls möglich, zum Beispiel RGB an GBR oder R an R, G an G und B an B angrenzend oder anliegend usw..
Im einfachsten Fall kann die holographische Anordnung ein erstes holographisches Element und ein zweites holographisches Element umfassen, wobei mehrere der Hologramme oder alle Hologramme des jeweiligen holographischen Elements mit Ausnahme der Wellenlänge, für die sie ausgelegt sind, identisch oder gleich ausgestaltet sind. Mit anderen Worten können mehrere oder alle Hologramme des ersten holographischen Elements identisch ausgestaltet sein und sich nur in Bezug auf die Wellenlänge, für die sie ausgelegt sind, voneinander unterscheiden. Analog können mehrere oder alle Hologramme des zweiten holographischen Elements identisch ausgestaltet sein und sich nur in Bezug auf die Wellenlänge, für die sie ausgelegt sind, voneinander unterscheiden.
In einer weiteren Variante ist eine Mehrzahl der Hologramme mindestens eines der holographischen Elemente mit zwei Konstruktionswellenfronten aufgenommen. Davon ist mindestens eine Konstruktionswellenfront mindestens eines Hologramms der holographischen Elemente bezüglich der Wellenlänge und des Einstrahlwinkels identisch mit mindestens einer Konstruktionswellenfront eines anderen Hologramms eines der holographischen Elemente, insbesondere des ersten und/oder des zweiten holographischen Elements. Die Verwendung identischer Konstruktionswellenfronten für verschiedene Wellenlängen hat den Vorteil, dass die erforderlichen Hologramme mit geringem Aufwand und hoher Präzision hergestellt werden können. Es ist aber auch möglich, dass sich die Konstruktionswellenfronten bezüglich der Wellenlänge und/oder des Einstrahlwinkels leicht voneinander unterscheiden. Zum Beispiel können die Einstrahlwinkel um 1 bis 2 Grad voneinander abweichen. Die Abweichung kann dazu genutzt werden, um eine Matenalschrumpfung zu kompensieren und um die Homogenität der Effizienz zu optimieren.
Die gemeinsam verwendete Konstruktionswellenfront ist bevorzugt definiert als ebene Welle, welche zu einem minimalen Filtereffekt zwischen verschiedenen Wellenlängen führt. Die Einstrahlrichtung der Konstruktionswellenfront für die mindestens zwei holographischen Elemente der holographischen Anordnung kann als Freiheitsgrad verwendet werden um Filtereffekte zwischen verschiedenen Wellenlängen zu vermeiden. Die Einstrahlrichtung kann für jede Wellenlänge auch unterschiedlich gewählt werden. In einem einfachen Fall sind die Konstruktionswellenfronten für die mindestens zwei Wellenlängen, vorzugsweise dafür die drei Wellenlängen, die gleichen Konstruktionswellenfronten für jedes holographische Element und unterscheiden sich lediglich in der verwendeten Wellenlänge. Grundsätzlich können die mindestens zwei holographischen Elemente Reflektionshologramme umfassen, welche mit zwei Konstruktionswellenfronten aufgenommen ist, wovon mindestens eine Konstruktionswellenfront eine ebene Wellenfront oder eine Kugelwellenfront oder eine Freiformwellenfront ist.
Es ist im Zusammenhang mit einer Korrektur einer Mehrzahl von Aberrationen bei einer gekippten Bildebene von Vorteil, wenn die mindestens zwei holographischen Elemente Reflektionshologramme umfassen, wobei mindestens ein Reflektionshologramm mit zwei Konstruktionswellenfronten aufgenommen bzw. geschrieben ist, wobei mindestens eine der Konstruktionswellenfronten so ausgebildet sind, dass sie gemäß einer Funktion oder Bildungsvorschrift, welche z.B. Polynome umfasst, erzeugt werden, welche eine Mehrzahl an Freiheitsgraden, also eine Mehrzahl an unabhängig voneinander einstellbaren Parametern, aufweist. Zur effektiven Korrektur von möglichst vielen Abbildungsfehlern ist eine möglichst hohe Anzahl an Freiheitsgraden erforderlich. Dies lässt sich durch entsprechende Konstruktionswellenfronten mittels eines einzigen kompakten Bauteils realisieren.
Die mindestens zwei holographischen Elemente sind vorzugsweise so ausgestaltet, dass ein erstes holographischen Element mindestens ein Hologramm umfasst, welches einem Hologramm eines zweiten holographischen Elements zugeordnet ist, wobei einander zugeordnete Hologramme in Bezug aufeinander punktweise beugungseffizient ausgestaltet sind. Zur Bestimmung der Beugungseffizienz wird entweder die Intensität der 1. Beugungsordnung ins Verhältnis zur Summe aus der Intensität der 1. Beugungsordnung und der Intensität der 0. Beugungsordnung gesetzt oder die Intensität der 1. Beugungsordnung ins Verhältnis zur gesamten Einstrahlintensität gesetzt. Punktweise beugungseffizient bedeutet also mit anderen Worten, dass mindestens ein Punkt des ersten holographischen Elements dazu ausgelegt ist, Licht mindestens einer festgelegten Wellenlänge und eines festgelegten Einstrahlwinkelbereichs zu einem Punkt des zweiten holographischen Elements zu beugen, welcher das von dem ersten holographischen Element gebeugte Licht seinerseits beugt. Vorzugsweise liegt die Effizienz über 90 Prozent.
Der Abstand und die Dicke der Hologramme sind vernachlässigbar verglichen mit der Dimension bzw. der Ausdehnung des Wellenfrontmanipulators oder einer den Wellenfrontmanipulator umfassenden optischen Anordnung. Die holographische Anordnung ist daher frei von potenziell durch eine Ausdehnung in Richtung einer optischen Achse verursachte Aberrationen. Die Konstruktionswellenfronten der holographischen Elemente können darüber hinaus als Freiheitsgrad zur Kompensation von Materialtoleranzen verwendet werden, zum Beispiel zur Kompensation von Matenalschrumpfungen. In diesem Fall weichen die allgemeinen Konstruktionswellenfronten leicht voneinander ab.
Vorzugsweise sind die mindestens zwei holographischen Elemente in einem Abstand von weniger als einem Millimeter, insbesondere von weniger als 0,5 Millimetern, vorzugsweise von weniger als 0,1 Millimetern, zueinander angeordnet. Der Abstand ist bevorzugt Null oder vernachlässigbar. Dadurch wird einerseits eine hohe Abbildungsqualität erreicht, zudem müssen die einzelnen holographischen Elemente in Bezug auf ihre Position zueinander nicht nachträglich justiert werden.
Die holographische Anordnung kann in Form einer Schicht oder einer Folie oder eines Substrats, zum Beispiel in Form eines Volumenhologramms, oder einer Platte ausgestaltet sein. Zusätzlich oder alternativ dazu kann die holographische Anordnung eine ebene Oberfläche oder eine gekrümmte Oberfläche aufweisen. Die holographische Anordnung kann zum Beispiel an oder auf einer Oberfläche eines Deckglases oder eines anderen ohnehin vorhandenen optischen Bauteils angeordnet sein oder werden. Es wird auf diese Weise kein zusätzlicher Bauraum beansprucht. Zum Beispiel kann der Wellenfrontmanipulator ein transmissiv ausgestaltetes optisches Bauteil umfassen, welches dazu ausgelegt ist, im Strahlengang zwischen der holographischen Anordnung und der Projektionsoberfläche angeordnet zu werden. In diesem Fall kann die holographische Anordnung vorzugsweise an einer der Projektionsoberflächen abgewandte Oberfläche des transmissiv ausgestalteten optischen Bauteils angeordnet sein. Sowohl das transmissiv ausgestattete optische Bauteil als auch die holographische Anordnung können gekrümmt, vorzugsweise mit der gleichen Krümmung, ausgestaltet sein. Das genannte transmissiv ausgestattete optische Bauteil kann zum Beispiel ein sogenanntes Glare-Trap (Blendfalle) sein, welches üblicherweise an einer Position zwischen einer Windschutzscheibe und einem Head-up- Display angeordnet wird und welches dazu ausgelegt ist, Sonnenlicht in eine festgelegte Richtung zu reflektieren, sodass es nicht über das Head-up- Display in Richtung der Eyebox reflektiert wird. In dieser Ausgestaltungsvariante sind die holographische Anordnung und das Glare- Trap vorzugsweise mit der gleichen Krümmung ausgestaltet und direkt aneinander anliegend angeordnet.
Insgesamt ermöglicht der erfindungsgemäße Wellenfrontmanipulator durch die holographischen Elemente eine deutlich stärkere oder extremere Umlenkung des verwendeten Lichts als es mit klassischen refraktiven optischen Komponenten möglich ist. Zudem sind qualitativ hochwertige mehrfarbige Abbildungen in eine gekippte Bildebene projizierbar.
Die erfindungsgemäße optische Anordnung für ein Head-up-Display an einer Projektionsoberfläche, beispielweise einer gekrümmten Projektionsoberfläche, umfasst eine bildgebende Einheit und einen zuvor beschriebenen Wellenfrontmanipulator. 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. Die Objektebene kann durch die Austrittspupille der bildgebenden Einheit bestimmt oder definiert sein. 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 15 Litern, z.B. 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 ein Head-up- Display, welches sehr kompakt ausgestattet ist, 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 in beispielsweise Kraftfahrzeugen, Flugzeugen oder VR-Anordnungen, zum Beispiel VR-Brillen.
Das erfindungsgemäße Head-up-Display umfasst eine gekrümmte Projektionsoberfläche und eine zuvor beschriebene erfindungsgemäße optische Anordnung. Bei der gekrümmten Projektionsoberfläche handelt es sich zum Beispiel um eine Windschutzscheibe eines Fahrzeugs, zum Beispiel eines Kraftfahrzeugs, eines Flugzeugs oder eines Schiffs. Es kann sich bei der gekrümmten Projektionsoberfläche aber auch um ein anderes Sichtfenster handeln, beispielsweise ein Sichtfenster einer VR-Brille. 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.
Das erfindungsgemäße Head-up-Display ermöglicht das Erzeugen eines virtuellen Bildes in einer gekippten Bildebene mit einem großen Sichtfeld. Zum Beispiel kann ein rechteckiges virtuelles Bild erzeugt werden, welches ein Sichtfeld von zum Beispiel mindestens 10 Grad, vorzugsweise mindestens 15 Grad mal 5 Grad (FOV: 15° x 5°), aufweist und in einem bestimmten Abstand von der Eyebox entfernt beobachtbar ist, zum Beispiel in einem Abstand zwischen 6 Metern und 12 Metern. Die Eyebox kann eine Abmessung von bis zu 150mm x 150mm aufweisen.
Durch entsprechende Konstruktionswellen der holographischen Elemente kann die Helligkeit und die Einheitlichkeit des virtuellen Bildes optimiert werden. Darüber hinaus kann durch Einstellen des Faktors der Farbmischung, beispielsweise des RGB-Farbraums, in der bildgebenden Einheit die Gleichmäßigkeit des Weißgrades eingestellt werden.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher erläutert. Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wird, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
Die Figuren sind nicht notwendigerweise detailgetreu und maßstabsgetreu und können vergrößert oder verkleinert dargestellt sein, um einen besseren Überblick zu bieten. Daher sind hier offenbarte funktionale Einzelheiten nicht einschränkend zu verstehen, sondern lediglich als anschauliche Grundlage, die dem Fachmann auf diesem Gebiet der Technik Anleitung bietet, um die vorliegende Erfindung auf vielfältige Weise einzusetzen.
Der hier verwendete Ausdruck „und/oder“, wenn er in einer Reihe von zwei oder mehreren Elementen benutzt wird, bedeutet, dass jedes der aufgeführten Elemente alleine verwendet werden kann, oder es kann jede Kombination von zwei oder mehr der aufgeführten Elemente verwendet werden. Wird beispielsweise eine Zusammensetzung beschrieben, die die Komponenten A, B und/oder C, enthält, kann die Zusammensetzung A alleine; B alleine; C alleine; A und B in Kombination; A und C in Kombination; B und C in Kombination; oder A, B, und C in Kombination enthalten.
Figur 1 zeigt schematisch den Strahlengang eines Head-up-Displays für eine Windschutzscheibe eines Kraftfahrzeugs in einer Seitenansicht.
Figur 2 zeigt schematisch den Strahlengang eines erfindungsgemäßen Head-up-Displays für eine Windschutzscheibe eines Kraftfahrzeugs in einer Seitenansicht.
Figur 3 zeigt schematisch das Scheimpflug-Prinzip zum Erzeugen einer gekippten Bildebene.
Figuren 4-8 zeigen schematisch Beispiele für jeweils zwei einander zugeordnete Reflexionshologramme mit deren Konstruktionswellenfronten.
Figur 9 zeigt schematisch den Strahlengang innerhalb eines Hologramm-Stacks. Figur 10 zeigt schematisch den Strahlengang des in der Figur 2 gezeigten Head-up-Displays einschließlich einer erzeugten Abbildung in einer Draufsicht.
Figur 11 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße optische Anordnung mit einen erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator in Form eines Blockdiagramms.
Die Figur 1 zeigt schematisch den Strahlengang eines Head-up-Displays 10. Das Head-up-Display 10 umfasst eine bildgebende Einheit 1 , eine Projektionsoberfläche 4, zum Beispiel in Form einer Windschutzscheibe eines Kraftfahrzeugs, und einen Wellenfrontmanipulator 7. Die Projektionsoberfläche 4, zum Beispiel die Windschutzscheibe, kann gekrümmt ausgestaltet sein. Im Falle einer Anwendung für ein Fahrzeug sind die bildgebende Einheit 1 und der Wellenfrontmanipulator 7 vorzugsweise in eine nicht gezeigte Armatur integriert angeordnet. Das Head-up-Display 10 ist so ausgestaltet, dass es auf oder hinter der Projektionsoberfläche 4, insbesondere auf oder hinter der Oberfläche der Windschutzscheibe, also im Außenbereich des Fahrzeugs, zum Beispiel in Fahrtrichtung hinter der Oberfläche der Windschutzscheibe, ein virtuelles Bild 6 erzeugt. Das durch die der bildgebende Einheit 1 ausgegebene abgebildete Objekt oder die Austrittspupille der bildgebenden Einheit 1 ist durch einen Pfeil mit der Bezugsziffer 9 gekennzeichnet.
In der gezeigten Ausgestaltungsvariante umfasst der Wellenfrontmanipulator 7 eine holographische Anordnung 3 und ein reflektiv ausgestaltetes optisches Element 2, welches eine Freiformfläche aufweist und im Strahlengang 8 ausgehend von der bildgebenden Einheit 1 zwischen der bildgebenden Einheit 1 und der holographischen Anordnung 3 angeordnet ist. Das optische Element 2 ist vorzugsweise als Freiformspiegel ausgestaltet.
Durch die bildgebende Einheit 1 werden Lichtwellen in Richtung des Wellenfrontmanipulators 7 ausgesendet. Mittels des Wellenfrontmanipulators 7 erfolgen eine Korrektur von Abbildungsfehlern und gegebenenfalls eine Aufweitung des Strahlenganges. Der Wellenfrontmanipulator 7 leitet Lichtwellen in Richtung der Projektionsoberfläche 4, insbesondere der gekrümmten Projektionsoberfläche. An der Projektionsoberfläche 4 werden die Lichtwellen in Richtung einer Eyebox 5 reflektiert. Die Eyebox 5 bildet dabei den Bereich, in welchem sich ein Nutzer befinden muss oder kann, um das durch das Head-up-Display 10 erzeugte virtuelle Bild 6 wahrnehmen zu können. Das gezeigte übliche Head-up-Display 10 weist eine virtuelle Bildebene 6 auf, welche senkrecht zu einer optischen Achse 13 im Bereich der Bildebene verläuft und welche einen festen Bildabstand aufweist, welcher für alle Bildpunkte identisch ist.
Die Figur 2 zeigt schematisch den Strahlengang eines erfindungsgemäßen Head-up-Displays 10. Das erfindungsgemäße Head-up-Display 10 ist so ausgelegt, dass es eine in Bezug auf eine senkrecht zur optischen Achse 13 im Bereich der Bildebene 6 verlaufende Ebene 14 um einen Winkel 6 gekippt ist. Der Winkel 6 liegt zwischen 10 Grad und 170 Grad, vorzugsweise zwischen 30 Grad und 150 Grad, insbesondere zwischen 40 Grad und 50 Grad oder zwischen 130 Grad und 140 Grad. Es werden auf diese Weise mit einer Bildebene 6 verschiedene Bildabstände erzeugt. Dies hat den Vorteil, dass Informationen in unterschiedliche Bildabstände projiziert werden können. Dies ist vor allem im Zusammenhang mit Head-up-Displays für Fahrzeuge relevant. Bei einer Verkippung, wie in der Figur 2 dargestellt, in welcher der obere Bereich der Bildebene 6 einen größeren Bildabstand zur Eyebox 5 aufweist als der untere Bereich der Bildebene 6, können Informationen im unteren Bereich der Bildebene 6 in kürzerer Distanz zur Eyebox 5 abgebildet werden. Hier können zum Beispiel Angaben zur Fahrzeuggeschwindigkeit platziert werden. Im oberen Bereich der Bildebene 6 können Informationen abgebildet werden, welche von einem Betrachter bzw. einer Eyebox 5 weiter entfernt abgebildet werden. Hierbei kann es sich zum Beispiel um Informationen zur Navigation oder um Warnhinweise handeln. In der in der Figur 2 gezeigten Variante umfasst die holographische Anordnung ein erstes holographisches Element 11 und ein zweites holographisches Element 12, welche abschnittsweise unmittelbar hintereinander angeordnet sind. Jedes der holographischen Elemente 11 , 12 umfasst drei Hologramme 15, 16, 17, welche als Reflexionshologramme ausgestaltet sind und jeweils für mindestens eine festgelegte Wellenlänge bzw. Frequenz und einen festgelegten Einfallswinkelbereich in Reflexion beugungseffizient sind. In dem gezeigten Beispiel sind für einen festgelegten Einfallswinkelbereich die Hologramme 15 für mindestens eine Wellenlänge einer ersten Farbe eines festgelegten Farbraums, zum Beispiel für blaues Licht, effizient, die Hologramme 16 für mindestens eine Wellenlänge einer zweiten Farbe eines festgelegten Farbraums, zum Beispiel für grünes Licht, effizient und die Hologramme 17 für mindestens eine Wellenlänge einer dritten Farbe eines festgelegten Farbraums, zum Beispiel für rotes Licht, effizient.
Das Erzeugen einer gekippten Bildebene 6 kann mittels des sogenannten Scheimpflug-Prinzips erfolgen. Das Scheimpflug-Prinzip wird im Folgenden anhand der Figur 3 erläutert. In der Figur 3 wird mittels einer einzigen Linse 18 eine Abbildung 20 eines Objekts 19 in einer gekippten Bildebene erzeugt. Wenn die Linse 18 sehr dünn wird, verhält sich die Anordnung fast wie ein paraxiales oder ideales Abbildungssystem. Die beiden Hauptebenen (PP'- Ebene) liegen zusammen in der Linsenebene. Wenn die Objektebene parallel zur Linsenebene angeordnet ist, haben alle Feldpunkte in der Objektebene den gleichen Abstand zu den Hauptebenen. Daher ist die Vergrößerung für alle Feldpunkte in der Objektebene gleich. Die abgebildeten Punkte liegen alle auf einer Ebene mit gleichem Abstand zu den Hauptebenen. Daher sind die Objektebene, die Linsenebene und die Bildebene zueinander parallel angeordnet.
Wenn die Objektebene 19 mit einem Winkel 0‘ verkippt wird, haben die Punkte auf der Objektebene unterschiedliche Abstände (zum Beispiel Si , S2, S3) zu den Hauptebenen. Demgemäß liegen die Bildpunkte auf einer verkippten Bildebene 20 mit einem Winkel 6. Ein solches Abbildungsprinzip mit verkippter Objektebene 19 und verkippter Bildebene 20 heißt Scheimpflug-Prinzip. Die Winkel 6 und θ‘ stehen in Beziehung mit der Vergrößerung des Systems. Die Herausforderung eines Scheimpflug- Systems besteht darin, dass die Aberrationen sehr unterschiedlich sind für unterschiedliche Bildabstände S‘. Es ist daher erforderlich, möglichst alle Aberrationen für unterschiedliche Bildabstände (A bis C in der Figur 3) gut zu korrigieren, um eine gute Abbildungsperformance zu erzielen. In der Figur 3 ist für eine Objektebene A ein Objektabstand Si, für eine Objektebene B ein Objektabstand S2 und für einen Objektebene C ein Objektabstand S3 gegeben. Die Objektebene A wird in eine Bildebene A‘ mit einem Objektabstand Si‘ abgebildet, die Objektebene B in einen Bildebene B‘ mit einem Bildabstand S2 und die Objektebene C in einen Bildebene C‘ mit einem Bildabstand Ss‘.
Für ein Augmented-Reality-RGB-Head-up-Display (AR-RGB-HUD) weisen die Eyebox und das Field of View bereits vergleichsweise große Ausdehnungen auf. Innerhalb eines bestimmten Bauraumes mit einer festgelegten Anzahl an Komponenten haben die optischen Komponenten eine begrenzte Korrekturfähigkeit. Eine zusätzliche Herausforderung für die optische Korrektur stellt die Realisierung einer guten Performance für alle Punkte in der Bildebene bei mehreren Bildabständen dar. Es werden daher entweder mehr Komponenten oder mehr Freiheitsgrade der Komponenten zur Korrektur benötigt.
Um Bauraum zu reduzieren und mehr Freiheitsgrade für die Korrektur zu bieten, wird erfindungsgemäß eine holographische Anordnung 3 im Zusammenhang mit einer verkippten Abbildungsebene verwendet. Die holographische Anordnung 3 kann viele Freiheitsgrade bieten um die Wellenfront zu manipulieren. Zusammen mit dem mindestens einen Element 2, welches als Freiform-Komponente, zum Beispiel als Freiform-Spiegel, ausgestaltet ist, können Aberrationen unterschiedlicher Bildabstände korrigiert werden. Die holographische Anordnung 3 zwischen der Projektionsoberfläche 4, zum Beispiel der Windschutzscheibe, und der Freiform-Komponente 2 hat die zusätzliche Funktion, dass sie eine große Brechkraft ohne Farbfehler ermöglicht und ein sehr kleines Volumen aufweist. Dadurch wird ein AR-RGB-HUD mit viel kleinerem Volumen realisierbar verglichen mit einem konventionellen HUD, welches zur Aberrationskorrektur ausschließlich Freiform-Komponenten verwendet.
Die Herausforderung eines HUD-Systems liegt in den Spezifikationen, zum Beispiel der Größe der Eyebox, des FOV, der Verschiebung des Bildabstandes oder des Bauraums. Wenn der Bauraum und die Anzahl der Komponenten fest vorgegeben sind, kann die holographische Anordnung 3 zusätzliches Potenzial für die Realisierung einer effizienten Aberrationskorrektur liefern. Die hierzu erforderlichen Freiheitsgrade lassen sich durch eine Generierung der verwendeten Hologramme mittels Konstruktionswellenfronten, welche die erforderlichen Freiheitsgrade beinhalten bzw. umsetzen, realisieren.
Die Figuren 4 bis 8 zeigen jeweils Hologramme, welche für eine bestimmte Wellenlänge oder Frequenz oder für einen bestimmten Wellenlängenbereich oder Frequenzbereich ausgelegt sind. Im Folgenden werden anhand der Figuren 4 bis 8 Beispiele für jeweils zwei Hologramme 21 und 22, welche als einander zugeordnete Reflexionshologramme verwendet werden, mit deren Konstruktionswellenfronten erläutert. Bei den Hologrammen 21 und 22 kann es sich beispielsweise um die Hologramme 14, 15 oder 16 der Figur 2 handeln. Zum Beispiel kann das erste holographische Element 11 das Hologramm 21 umfassen und das zweite holographische Element 11 das Hologramm 22. Die Figur 9 zeigt die Anordnung der einander zugeordneten Hologramme 21 und 22 zueinander und den Strahlengang innerhalb eines entsprechend aufgebauten Hologramm-Stacks.
In der Figur 4 ist links ein erstes Hologramme 21 für die Reflexion von Licht einer festgelegten Wellenlänge, zum Beispiel für grünes Licht, gezeigt. Rechts ist ein zweites Hologramme 22 gezeigt, welches für Licht derselben Farbe wie das erste Hologramm 21 als Reflexionshologramme ausgelegt ist und welches im Rahmen der holographischen Anordnung 3 mit dem ersten Hologramm 21 , wie in der Figur 9 gezeigt, zusammenwirkt. Die Konstruktionswellenfronten für das erste Hologramm 21 sind mit den Bezugsziffern 31 und 32 gekennzeichnet. Die Konstruktionswellenfronten zur Konstruktion des zweiten Hologramms 22 sind mit den Bezugsziffern 33 und 34 gekennzeichnet. In dem gezeigten Beispiel wird das erste Hologramm 21 mit einer Kugelwellenfront 31 und einer Plan-Wellenfront oder ebenen Wellenfront 32 belichtet, also geschrieben, und das zweite Hologramm 22 wird mit zwei ebenen Wellenfronten oder Plan-Wellenfronten 33 und 34 geschrieben. Die Wellenfronten 31 und 33 definieren die Richtungen des Lichts nach den Komponenten, also beim Eintritt in die holographische Anordnung und beim Austritt aus der holographischen Anordnung, sowie die Brechkraft der gesamten aus diesen Hologramme 21 und 22 aufgebauten holographischen Anordnung. Die Konstruktionswellenfronten 32 und 34 definieren die Wiedergabe-Wellenfronten zwischen den beiden Hologrammen 21 und 22 (siehe Wellenfront 36 in der Figur 9). Hierbei ist sicherzustellen, dass ein Filterungseffekt zwischen verschiedenen Farben oder Wellenlängen vermieden wird. Filterungseffekte werden durch entsprechende Unterschiede der Belichtungswellenlängen und/oder eine geeignete Festlegung der Belichtungswinkel der Wellenfronten 32 und 34 vermieden. In der in der Figur 4 gezeigten Variante sind die Richtungen der Wellenfronten 32 und 34 identisch.
Die Wellenfront 31 kann aus einer Summe einer Kugelwellenfront und einer Freiformwellenfront gebildet werden. Dabei kann die Wellenfront durch eine Polynomentwicklung aus einer Summe aus Zernike-Polynomen dargestellt werden, wobei die einzelnen Zernike-Polynome Z mit Koeffizienten c(Z) multipliziert werden. In der folgenden Tabelle sind für Kippwinkel θ zwischen 0 und 80 Grad Beispiele für geeignete Werte für Koeffizienten c(Z) der Zernike-Polynome Z5 bis Z9 angegeben, insbesondere für eine in der Figur 2 schematisch gezeigte Anordnung mit einer nicht gekrümmten Windschutzscheibe. Das Zernike-Polynom Z5 korrigiert den Astigmatismus bei 45°, Z6 korrigiert den Astigmatismus bei 0°, Z7 die Koma in x-Richtung, Z8 die Koma in y-Richtung und Z9 die sphärische Aberration.
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In der in der Figur 5 gezeigten Variante werden, um die Homogenität der Helligkeit und die Farbhomogenität zu verbessern, zwei voneinander in ihrer Einstrahlrichtung abweichende Konstruktionswellenfronten 32 und 34 verwendet.
In der in der Figur 6 gezeigten Variante sind die Konstruktionswellenfronten 32 und 34 als Freiform-Wellenfronten ausgebildet. Hierdurch kann die Homogenität auf einem noch höheren Niveau verbessert werden. Die Wellenfronten 32 und 34 können insbesondere lokal durch komplizierte Belichtungssysteme justiert werden. Auf diese Weise kann die Form der Wellenfronten und der Einstrahlwinkel spezifiziert werden.
In der in der Figur 7 gezeigten Variante sind die Konstruktionswellenfronten 31 und 33 als Freiform-Wellenfronten ausgestaltet, welche sich zudem hinsichtlich ihrer Form und ihres Einstrahlwinkels voneinander unterscheiden. Die Konstruktionswellenfronten 32 und 34 sind wie in der Figur 5 als ebene Wellen mit voneinander abweichenden Einstrahlwinkeln ausgebildet.
Die gezeigten Ausgestaltungen bieten eine hohe Anzahl an Freiheitsgraden. Erforderliche Freiheitsgrade werden üblicherweise durch Freiform- Komponenten umgesetzt. In der hier gezeigten Variante können entsprechende Anforderungen mittels der verwendeten Hologramme realisiert werden wobei die erforderlichen Freiheitsgrade durch eine entsprechende Freiform-Belichtung mittels der Konstruktionswellenfronten 31 , 32, 33 und 34 realisiert wird. Für die Abbildungsqualität und insbesondere die Aberrationskorrektur werden die Wellenfronten 31 und 33 in der in der Figur 7 gezeigten Variante benutzt. Die so konstruierten bzw. geschriebenen Hologramme 21 und 22 tragen im Ergebnis komplizierte Mikrostrukturen, welche dazu ausgelegt sind, zahlreiche Aberrationen zu korrigieren.
Die in der Figur 8 gezeigte Variante eignet sich für Anwendungen mit sehr hohen Anforderungen. Hierbei können alle vier Wellenfronten 31-34 als Freiform-Wellenfronten ausgebildet sein, um eine maximale Anzahl an Freiheitsgraden des Hologramm-Stacks zu realisieren.
Die Figur 9 zeigt den Strahlengang durch ein aus den Hologramme 21 und 22 aufgebauten Hologramm-Stacks, zum Beispiel im Rahmen einer erfindungsgemäßen optischen Anordnung oder eines erfindungsgemäßen HUD 10. Von der bildgebenden Einheit 1 kommendes Licht mit einer entsprechenden Wellenfront wird, beispielsweise durch weitere Freiform- Komponenten 2, in Richtung der holographischen Anordnung 3 geleitet. Das Licht bzw. die Wellenfront 35 transmittiert zunächst durch das zweite Hologramm 22 und wird anschließend an dem ersten Hologramm 21 reflektiert. Die von dem ersten Hologramm 21 reflektierte Wellenfront ist mit der Bezugsziffer 36 gekennzeichnet. Diese Wellenfront 36 wird an dem zweiten Hologramm 22 reflektiert und anschließend von dem ersten Hologramm 21 transmittiert. Die entsprechende Wellenfront 37 verlässt anschließend die holographische Anordnung 3 und wird in Richtung der Projektionsoberfläche 4 geleitet.
Einander zugeordnete Reflexionshologramme 21 und 22, also Hologramme, welche zur Reflexion von aufeinander abgestimmten Wellenlängen bzw. Frequenzen, also identische Wellenlängen oder Frequenzen oder einander zumindest teilweise überlappende Wellenlängenbereiche oder Frequenzbereiche, und/oder für aufeinander abgestimmte Einstrahlwinkelbereiche ausgelegt sind oder zumindest eine punktweise gegenseitige Effizienz aufweisen, können innerhalb der holographischen Anordnung 3 unmittelbar aneinander anliegend angeordnet sein, wie in der Figur 2 gezeigt. Es kann aber auch ein erstes holografisches Element 11 , welches eine Mehrzahl an ersten Hologrammen umfasst, welche jeweils für unterschiedliche Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche ausgelegt sind und effizient sind, und ein zweites holografisches Element 12, welches eine Mehrzahl an zweiten Hologrammen umfasst, welche jeweils den ersten Hologrammen zugeordnet sind, also für dieselben Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche wie die ersten Hologramme ausgelegt oder effizient sind, umfassen. Dabei können das erste holographische Element 11 und das zweite holographische Element 12 vorzugsweise unmittelbar aneinander anliegend angeordnet sein. Um Filterungseffekte zu vermeiden, sind die Hologramme vorzugsweise für die Wellenlängen bzw. Frequenzen des verwendeten Farbraums, für welche sie nicht als Reflexionshologramme ausgelegt bzw. effizient sind, transmissiv ausgelegt.
Freiform-Wellenfronten für die Hologramm-Konstruktion sind nicht nur für ein Scheimpflug-HUD nützlich, sondern auch geeignet um andere HUD-Systeme mit hohen Spezifikationen, zum Beispiel zur Realisierung einer großen Eyebox und eines großen FOV, zu realisieren. Entsprechend ergeben sich Anwendungsoptionen für den erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator und die erfindungsgemäße optische Anordnung.
Im Rahmen der Abbildung eines von einem Bildgeber 1 erzeugten Bildes in eine verkippte oder gekippte virtuelle Abbildung 6, wie in der Figur 2 gezeigt, leidet das virtuelle Bild 25 unter einer Keystone-Verzeichnung, wenn das Bild 24 auf dem Bildgeber bzw. der bildgebenden Einheit 1 rechteckig angezeigt wird. Ein entsprechendes abzubildendes Bild ist in der Figur 10, welche im Übrigen der Figur 2 entspricht, neben der bildgebenden Einheit 1 gezeigt und mit der Bezugsziffer 24 gekennzeichnet. Ein entsprechendes virtuelles Bild, welches auf der virtuellen Bildebene 6 abgebildet wird, ist neben der virtuellen Bildebene 6 gezeigt und mit der Bezugsziffer 25 gekennzeichnet. Die Verzeichnung resultiert aus der unterschiedlichen Vergrößerung der unterschiedlichen Bildabstände. Diese Keystone-Verzeichnung kann digital korrigiert werden. Wenn die Helligkeit an der bildgebenden Einheit 1 überall gleich ist, ist die Helligkeit des virtuellen Bildes durch die unterschiedlichen Vergrößerungen in Abhängigkeit von der Bildweite des einzelnen Bildpunktes unterschiedlich. In dem gezeigten Beispiel ist die Helligkeit des virtuellen Bildes 25 im unteren Bereich größer als im oberen Bereich. Die Helligkeit kann ebenfalls digital angepasst werden. Zum Beispiel kann das Bild von der bildgebenden Einheit 1 im oberen Bereich eine größere Helligkeit aufweisen als im unteren Bereich.
Die Figur 7 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße optische Anordnung 23 mit einen erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator 7 in Form eines Blockdiagramms. Die erfindungsgemäße optische Anordnung 23 umfasst eine bildgebende Einheit 1 und einen erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator 7, welche in einem Strahlengang 8 hintereinander angeordnet sind. Der Wellenfrontmanipulator 7 umfasst eine bereits beschriebene holographische Anordnung 3 und optional ein im Zusammenhang mit der Figur 2 bereits beschriebenes optisches Element 2, welches eine Freiformfläche aufweist und bevorzugt als Freiformspiegel ausgestaltet ist. Dabei ist das optische Element 2 in einem Strahlengang zwischen der bildgebenden Einheit 1 und der holographischen Anordnung 3 angeordnet.
Bezuqszeichenliste
1 bildgebende Einheit
2 optisches Element
3 holographische Anordnung
4 Projektionsoberfläche
5 Eyebox
6 virtuelles Bild
7 Wellenfrontmanipulator
8 Strahlengang
9 Objekt / Objektebene / Austrittspupil le
10 Head-up-Display
11 erstes holographisches Element
12 zweites holographisches Element
13 optische Achse
14 Ebene senkrecht zur optischen Achse
15 Hologramm, in Reflektion beugungseffizient für erste Wellenlänge
16 Hologramm, in Reflektion beugungseffizient für zweite Wellenlänge
17 Hologramm, in Reflektion beugungseffizient für dritte Wellenlänge
18 Linse
19 Objekt
20 Abbildung
21 Hologramm
22 Hologramm
23 optische Anordnung
24 zu projizierendes Bild
25 Abbildung
31 Konstruktionswellenfront
32 Konstruktionswellenfront
33 Konstruktionswellenfront
34 Konstruktionswellenfront
35 Wellenfront
36 Wellenfront
37 Wellenfront A Ebene
B Ebene
C Ebene
A' Ebene B' Ebene
C' Ebene
P Hauptebene
P' Hauptebene
S Abstand zur Hauptebene S' Abstand zur Hauptebene θ Kippwinkel der Bildebene θ' Kippwinkel der Objektebene

Claims

Patentansprüche
1. Wellenfrontmanipulator (7) zur Anordnung im Strahlengang (8) eines Head-up-Displays (10) zwischen einer bildgebenden Einheit (1 ) und einer Projektionsoberfläche (4), wobei der Wellenfrontmanipulator (7) eine holographische Anordnung (3) umfasst, welche mindestens zwei holographische Elemente (11 , 12) umfasst, wobei die mindestens zwei holographischen Elemente (11 , 12) im Strahlengang (8) zumindest abschnittsweise unmittelbar hintereinander angeordnet sind und für mindestens eine festgelegte Wellenlänge und einen festgelegten Einstrahlwinkelbereich ref lektiv ausgestaltet sind, wobei ein erstes holographisches Element mindestens ein Hologramm umfasst, welches einem Hologramm eines zweiten holographischen Elements zur Reflexion zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenfrontmanipulator (7) für mindestens eine festgelegte Objektebene dazu ausgelegt ist, eine Bildebene einer virtuellen Abbildung (6) zu erzeugen, welche bezogen auf eine senkrecht zur optischen Achse (13) im Bereich der Bildebene einer virtuellen Abbildung (6) angeordnete Ebene (14) um einen festgelegten Kippwinkel θ gekippt ist, wobei die holographische Anordnung (3) zur zumindest teilweisen Korrektur von mindestens einem Abbildungsfehler einer in der gekippten Bildebene erzeugten virtuellen Abbildung (6) ausgelegt ist.
2. Wellenfrontmanipulator (7) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die holographische Anordnung (3) zur zumindest teilweisen Korrektur von mindestens einem Abbildungsfehler, welcher durch die Kippung der Bildebene hervorgerufen wird, ausgelegt ist.
3. Wellenfrontmanipulator (7) nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kippwinkel θ zwischen 10 Grad und 170 Grad beträgt.
4. Wellenfrontmanipulator (7) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die festgelegte Objektebene bezogen auf eine senkrecht zur optischen Achse im Bereich der Objektebene angeordnete Ebene um einen festgelegten Kippwinkel gekippt angeordnet ist.
5. Wellenfrontmanipulator (7) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenfrontmanipulator (7) zum Manipulieren einer Wellenfront zum Erzeugen einer mehrfarbigen virtuellen Abbildung ausgelegt ist.
6. Wellenfrontmanipulator (7) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, das die mindestens zwei holographischen Elemente (11 , 12) für mindestens zwei festgelegte Wellenlängen, welche sich voneinander unterscheiden, und einen festgelegten Einstrahlwinkelbereich ref lektiv ausgestaltet sind.
7. Wellenfrontmanipulator (7) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, das die mindestens zwei holographischen Elemente (11 , 12) für mindestens zwei festgelegte Wellenlängenbereiche, welche sich voneinander unterscheiden und sich nicht überschneiden, und einen festgelegten Einstrahlwinkelbereich reflektiv ausgestaltet sind.
8. Wellenfrontmanipulator (7) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei holographischen Elemente (11 , 12) für festgelegte Wellenlängenbereiche und/oder mindestens einen festgelegten Einstrahlwinkelbereich, für welche sie nicht reflektiv ausgestaltet sind, transmissiv ausgestaltet sind.
9. Wellenfrontmanipulator (7) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei holographischen Elemente (11 , 12) Reflektionshologramme (14, 15, 16, 21 , 22) umfassen, welche mit zwei Konstruktionswellenfronten (31 , 32, 33, 34) aufgenommen sind, wovon mindestens eine Konstruktionswellenfront (31 , 32, 33, 34) eine ebene Wellenfront oder eine Kugelwellenfront oder eine Freiformwellenfront ist.
10. Wellenfrontmanipulator (7) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei holographischen Elemente (11 , 12) Reflektionshologramme (14, 15, 16, 21 , 22) umfassen, wobei mindestens ein Reflektionshologramm (14, 15, 16, 21 , 22) mit zwei Konstruktionswellenfronten (31 , 32, 33, 34) aufgenommen ist, wobei mindestens eine der Konstruktionswellenfronten (31 , 32, 33, 34) so ausgebildet sind, dass sie gemäß einer Funktion erzeugt werden, welche eine Mehrzahl an Freiheitsgraden aufweist.
11. Wellenfrontmanipulator (7) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei holographischen Elemente (11 , 12) so ausgestaltet sind, dass ein erstes holographischen Element (11 ) mindestens ein Hologramm (14, 15, 16, 21 ) umfasst, welches einem Hologramm (14, 15, 16, 22) eines zweiten holographischen Elements (22) zugeordnet ist, wobei einander zugeordnete Hologramme in Bezug aufeinander punktweise beugungseffizient ausgestaltet sind.
12. Optische Anordnung (23) für ein Head-up-Display (10) für eine Projektionsoberfläche (4), wobei die optische Anordnung eine bildgebende Einheit (1 ) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Anordnung (23) einen Wellenfrontmanipulator (7) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11 umfasst.
13. Optische Anordnung (23) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die bildgebende Einheit (1 ) eine Objektebene (9) umfasst, die dazu ausgelegt ist Licht in einem festgelegten Abstrahlwinkelbereich und mit einer festgelegten maximalen Bandbreite bezüglich der Wellenlängen des ausgesandten Lichts auszusenden.
14. Optische Anordnung (23) nach Anspruch 12 oder Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die bildgebende Einheit (1 ) zum Erzeugen einer mehrfarbigen Abbildung ausgelegt ist.
15. Head-up-Display (10), welches eine Projektionsoberfläche (4) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das Head-up-Display (10) eine optische Anordnung (23) nach einem der Ansprüche 12 bis 14 umfasst.
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