WO2024068642A1 - Minimierung von blendreflexen eines huds durch gezielte entspiegelung - Google Patents

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WO2024068642A1
WO2024068642A1 PCT/EP2023/076560 EP2023076560W WO2024068642A1 WO 2024068642 A1 WO2024068642 A1 WO 2024068642A1 EP 2023076560 W EP2023076560 W EP 2023076560W WO 2024068642 A1 WO2024068642 A1 WO 2024068642A1
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WO
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hud
holographic
coating
eyebox
deflection
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PCT/EP2023/076560
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Siemen KUEHL
Roman KLEINDIENST
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Carl Zeiss Jena Gmbh
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    • G02B27/0101—Head-up displays characterised by optical features
    • G02B27/0103—Head-up displays characterised by optical features comprising holographic elements

Definitions

  • the invention relates to a method for anti-reflection of a head-up display (HUD) with a defined eyebox, comprising the steps of providing a HUD, determining at least one angular range of ambient light irradiating the HUD, for which a critical deflection from the HUD into the eyebox can take place and finally applying at least one coating to the HUD, which is designed to minimize the deflection of the incident ambient light from the specific angular range.
  • HUD head-up display
  • the invention relates to a correspondingly anti-reflective HUD.
  • Head-up displays are display systems in which the information to be displayed is projected into the user's field of vision, while at the same time allowing a view of the environment that is also in the field of vision.
  • HUDs are known from motor vehicles or aircraft, for example. In vehicles, the information to be displayed can be projected via the vehicle's windshield into the user's eye area, into the so-called eyebox.
  • HUDs can be implemented on the basis of a variety of different systems, most of which are already state of the art.
  • a HUD can usually comprise an imaging unit (PGU - picture generating unit) or a projector, as well as a projection surface (often the windshield) and other optical components for beam adjustment.
  • PGU imaging unit
  • a projector projector
  • the image is projected (e.g. using the other optical components) onto the projection surface and from there into the so-called eyebox.
  • This is preferably a plane or spatial area in which the projected image is perceptible to a viewer.
  • the projected image can comprise a virtual and/or real image.
  • the at least one virtual image plane, i.e. the plane on which the virtual image is generated can, for example, be located behind the projection surface, i.e. on the other side of the projection surface than the eyebox.
  • HUDs based on holographic components can be used.
  • phase relationships of the light coming from the object are also stored. These phase relationships contain additional spatial information, which can, for example, create a three-dimensional impression of the image. This happens with the help of interference of light rays while the object is being photographed.
  • the object is illuminated with coherent light and is reflected and scattered by the object.
  • the resulting wave field, the so-called object wave is superimposed with light that is coherent with the object wave (the so-called reference wave - typically from the same light source, e.g. a laser) and the wave fields interfere as a function of their phase relationship each other.
  • the resulting interference pattern is recorded, for example, using a light-sensitive layer and thus the information contained in the phase is also stored.
  • the resulting hologram is illuminated with a light wave that is identical or similar to the reference wave, which is then diffracted by the recorded interference patterns. In this way, the original wave front of the object wave can be reconstructed.
  • holograms e.g. B. so-called volume holograms.
  • Volume holograms preferably have a thickness that can also be used to store holographic image information. Volume holograms can in particular be white light holograms, since these can have wavelength selectivity due to wavelength-selective interference.
  • Holograms can be, for example, transmission and reflection holograms, which each generate this reconstruction either in transmission or in reflection. For example, if you are B. in a transmission hologram on a side of the hologram opposite the light source and looks at it, z. B. the object depicted is three-dimensional in front of you. With a reflection hologram, you preferably have to be on the same side as the light source. Reflection holograms preferably have a wavelength-selective efficiency to diffract light in a specific direction (along a specific angle).
  • the word hologram is preferably used here as a synonym for the holographic structure that creates the diffraction of light.
  • the term “hologram” is sometimes commonly used to refer to the image created, particularly three-dimensional. However, the expert knows from the context what is meant by the term “hologram”.
  • holograms can also be used as so-called holographic-optical components (HOE), whose holographic properties can be used for the optics of devices.
  • HOE can be used to replace conventional lenses, mirrors and prisms.
  • HOEs are used as special diffraction gratings.
  • HOEs exhibit spectral selectivity and/or angle of incidence selectivity. At the same time, they can be completely or partially transparent for other spectral ranges and/or angles of incidence.
  • Holograms also enable a combination of representation and light shaping.
  • HOEs for beam shaping are practical for HUDs. Since there is great freedom in the type of desired beam shaping with little dependence on the dimensions of the HOE, a desired beam adjustment can be achieved without taking up a lot of installation space. This aspect is particularly interesting for motor vehicles, where the installation space is often limited for many reasons. In addition, HOEs can reduce and/or correct aberrations.
  • the PCT applications PCT/EP2022/055513 and PCT/EP2022/066787 describe holographically based wavefront manipulators, which are particularly preferably meant as holographic components for beam adjustment according to this document and whose content is hereby incorporated into this application.
  • glare traps for beam deflection are already known in the prior art, which enable ambient light to be deflected towards outside the eyebox.
  • these are not suitable, for example, for specifically suppressing interference reflexes caused by diffraction on a holographic component of the HUD. Not all reflections of ambient light into the eyebox can be prevented by glare traps.
  • Anti-reflective coatings also called anti-reflective coatings or AR coatings for short
  • AR coatings typically work by comprising a layer system that generates destructive interference in the reflection direction for at least one wavelength or a wavelength range.
  • the invention relates to a method, preferably a computer-implemented method, for anti-reflective coating of a head-up display (HUD) with a defined eyebox, comprising the following steps:
  • Anti-reflective coating of a HUD describes in particular a process in which the deflection of ambient light shining onto the HUD into the eyebox of the HUD is minimized in order to minimize stray light in the user's field of vision.
  • Redirection can refer to any physical effect, such as scattering, which can change the direction of light. Redirection includes, for example, reflection, refraction and/or diffraction.
  • Ambient light is in particular any light that is emitted by natural or artificial light sources and is not used to display information by the HUD (the light from the HUD's imager, for example, is not ambient light).
  • electromagnetic radiation and light are used synonymously in this document and refer in particular to electromagnetic radiation comprising the visible spectral range.
  • the ultraviolet spectral range and the near infrared range can also be included.
  • light in this sense comprises a spectral range (indicated as wavelength in nanometers - nm) from 100 nm to 3000 nm, more preferably 280 nm to 1400 nm and in particular 380 nm to 780 nm.
  • the eyebox in particular includes an area or a volume from which the HUD is to be viewed.
  • the eyes of at least one viewer can/should be located in this volume, hence the name eyebox.
  • the eyebox is preferably a fixed size in the design of a HUD, but is only implemented when the HUD is installed. This is why one preferably speaks of a defined eyebox.
  • the eyebox can, for example, have dimensions of 150 mm x 150 mm in one area.
  • the safety eyebox preferably comprises an area or volume that is larger than the eyebox, e.g. to 300mm x 300mm, in order to include a safety margin from which observation can also take place in exceptional cases.
  • the eyebox may preferably include the safety eyebox.
  • Provision of a HUD describes in particular the provision of all or the essential components that are required for the operation of a HUD. These include, for example, imagers, optical components (especially for beam adjustment), beam trap, cover glass and/or glare trap.
  • the projection surface which is often contained in a window permanently installed in the vehicle (e.g. windshield), does not have to be included.
  • the provision of the projection surface must also be included in the provision of the HUD.
  • a HUD can also be provided after installation, for example in a vehicle.
  • the projection surface can preferably already be included in the provision.
  • Other components such as electrical components, electrical power connections, etc. can also be included.
  • the components of the HUD are provided (whether before or after installation) that are essential for the anti-reflective coating, i.e. H. on which or through which a critical deflection takes place.
  • These are in particular optical components for beam adjustment (e.g. wavefront manipulator or holographic component for beam adjustment) and/or cover glass.
  • a critical deflection involves a deflection into the eyebox, which is undesirable. For example, any deflection may be undesirable, or deflection above a certain threshold value.
  • the at least one angle range from which critical redirection occurs is determined.
  • the at least one angle range preferably does not include all angles from all possible directions.
  • the determination can be made, for example, by calculation or simulation. Determination of the angle range can also be understood as synonymous with calculation, specification and/or output of the angle range.
  • a simulation can be computer-implemented or carried out using a simulation setup.
  • the angular range includes, for example, 60° or less, 50° or less, 40° or less, 30° or less, 20° or less or 10° or less.
  • a calculation can typically be computer-implemented.
  • Computer-implemented can mean that a computer comprising at least one processor and at least one data storage device is provided for suitable simulation methods.
  • the calculation and/or the computer-implemented simulation can be based on certain assumptions about the incident ambient light, e.g. spectrum and/or direction, as well as specific geometric assumptions about the arrangement and dimensions of the HUD when installed.
  • certain physical equations and/or models can be assumed which specifically define the deflection and which advantageously take physical properties of the components of the HUD into account.
  • a simulation setup can also or additionally include lighting, which is used as a model for ambient light, as well as a measurement setup that can determine the deflection into the eyebox and the origin of the deflected light.
  • lighting which is used as a model for ambient light
  • a measurement setup that can determine the deflection into the eyebox and the origin of the deflected light.
  • a HUD installed in a vehicle can be illuminated from different directions in a time-resolved manner and the corresponding measurement can also be carried out in order to be able to assign measured light to the incident light.
  • a simulation setup can preferably be carried out on an authentic HUD and/or an authentic vehicle or on a model which preferably only has partial components and/or is smaller than the original.
  • the at least one angular range can include multiple angular ranges. These angular ranges can also refer to several, for example orthogonal, planes in which they are each defined. The specific angular range can be the same or different in the different planes. The angular range is determined in such a way that it is clearly defined for a specialist. For example, a normal to the surface of the HUD or the respective component of the HUD can act as a reference axis Z-plane, in particular a normal in the (geometric) center of gravity of the surface of the component if the surface of the component is curved. This can then be, for example, a normal to a tangent of the surface at the respective point. Alternatively, several angle ranges can be determined for respective normals at different points on the surface. The determination of the angular range preferably includes the information about the reference axis or plane as well as about the component of the HUD for which the angular range was determined.
  • Another core of the invention is the subsequent application of at least one coating to the HUD, which is designed to minimize the deflection of the incoming ambient light from the specific angular range.
  • This can be, for example, an AR coating that is specifically designed to suppress reflections for the specific angular range.
  • the properties of the coating can be independent of the plane of the specific angular range, i.e., for example, they can be the same in all planes around a reference axis. However, they can also be different in different planes, for example, there can be different reflection properties in the different planes for a given angle around the reference axis. This can advantageously function for a broad spectrum, but is specifically designed for at least one specific angular range and is therefore less complex than prior art coatings. For example, fewer layers need to be included.
  • a suitable optical design that takes into account the further beam path of this non-reflected radiation and/or special, heat-dissipating, absorbing coatings can be used.
  • the coating is preferably applied to the at least one component of the HUD that provides the critical deflection. If several components of the HUD are involved in the critical deflection, the coating is applied to at least the component that the ambient light hits first.
  • the coating can be carried out, for example, by applying, gluing, depositing and/or spraying.
  • the coating can, for example, be in the form of a film before application and then be stuck on (in the correct orientation according to the specific angular range).
  • the method allows a coating to be applied specifically to the angular areas for which an undesirable deflection into the eyebox would otherwise actually take place. There is no need to use a complex and expensive coating that works equally in all directions. In this way, costs can be saved and a simpler structure can be realized, which is suitable for mass production.
  • the determination of the angular ranges only has to be carried out once and therefore does not require much additional effort.
  • the method further comprises the following intermediate step:
  • a coating specifically designed for this can be produced. In this way, particularly good adaptation and efficient anti-reflective coating can be achieved.
  • Thin-film coating methods can be used for production (as well as for application). Frequently used methods include physical vapor deposition, e.g. thermal evaporation and/or sputter deposition and/or chemical vapor deposition.
  • the HUD includes a holographic component for beam adjustment.
  • a holographic component is described in more detail below in relation to a further aspect or a further embodiment of the invention and can, for example, comprise a wavefront manipulator and/or a waveguide, in particular for beam expansion.
  • the coating is applied to a surface of the holographic component and/or a surface of a cover of the holographic component.
  • the surface of the wavefront manipulator is in particular an outer surface of the holographic component facing in the direction of the projection surface.
  • the HUD comprises a projection surface, in particular a windshield, and a wavefront manipulator for arrangement in the beam path of the head-up display between an imaging unit and the projection surface, wherein the wavefront manipulator is in particular a holographic wavefront manipulator.
  • the imaging unit can be included, but does not have to be. This can also be installed at a later date, for example. Nevertheless, the position of the wavefront manipulator is clearly defined for the expert, since the later positions of the components are known or taken into account during the design of the HUD.
  • the coating is applied to a surface of the wavefront manipulator and/or a surface of a cover of the wavefront manipulator.
  • the surface of the wavefront manipulator is in particular an outer surface of the wavefront manipulator facing in the direction of the projection surface.
  • aberrations occur due to the curvature of the projection surface and/or due to compact arrangements in a small installation space with potentially strong tilting of individual components relative to one another and correspondingly complex folded beam paths.
  • the aberrations that can typically occur are, for example, distortion, defocus, tilt, astigmatism, curvature of the image plane, spherical aberrations, higher astigmatism and coma.
  • a wavefront manipulator is advantageously used to at least partially correct and minimize imaging errors and to provide an improved head-up display, which at the same time can be particularly compact.
  • the wavefronts of the HUD's light rays are manipulated in a suitable manner.
  • the wavefront manipulator preferably comprises a holographic arrangement (therefore the wavefront manipulator is to be viewed as a holographic component for beam guidance), which in turn has at least two holographic elements.
  • the at least two holographic elements are arranged one behind the other in the beam path, preferably directly behind one another. It is particularly preferred that 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 the spectral range diffracted by the holographic component for beam adjustment and preferably a center of gravity angle and an angular spectrum.
  • the holographic elements are preferably designed to be transmissive, in other words transmissive for other spectral ranges, at least if they have the same angle of incidence and/or the same angular spectrum.
  • a first holographic element comprises at least one hologram for reflection, which is assigned to a hologram of a second holographic element for reflection.
  • the at least two holographic elements are preferably designed in such a way that light of the diffracted spectral range which is reflected in reflection by a first holographic element and which preferably falls at the center of gravity angle and the angular spectrum of the holographic component is then in turn reflected by the second holographic element, whereby the desired wavefront manipulation is achieved in the interaction between the first and second elements.
  • reflection holograms By using reflection holograms, diffraction can advantageously be more wavelength-selective than transmission holograms, so that in particular fewer color aberrations occur and a white image can be generated better from the color channels.
  • a transmission arrangement By connecting two reflection holograms in series, a transmission arrangement can advantageously still be implemented and the manipulation can be distributed over two holograms.
  • the at least one holographic arrangement is preferably designed for the diffraction of light of a plurality of spectral ranges diffracted for beam adaptation.
  • several holograms can be included in each holographic element (so-called hologram stack), each of which diffracts light of a spectral range, and/or each holographic element can include a so-called multiplex hologram, which diffracts light of several wavelengths.
  • each of the at least two holographic elements comprises a number, for example a plurality, of holograms.
  • Each hologram is designed for at least one spectral range.
  • a holographic element can, for example, comprise several holograms, which can be arranged on top of one another as a stack.
  • a holographic element can comprise at least one hologram which is designed for at least two spectral ranges.
  • the hologram or holograms are recorded for three different spectral ranges of a specified color space, for example for the RGB color space or a CMY color space.
  • C stands for cyan
  • M magenta
  • Y yellow.
  • the individual, mutually different holograms of a holographic element can be arranged next to one another and/or one behind the other with respect to a center line or central axis, which can coincide with the optical axis, or with respect to another fixed geometric parameter of the holographic element.
  • 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 in the same way, with the exception of the spectral range for which they are designed.
  • the first holographic element is arranged mirror-symmetrically to the second holographic element with respect to the arrangement of the individual holograms.
  • the first holographic element can comprise a hologram designed for the red spectral range, a hologram designed for the green spectral range and a hologram designed for the blue spectral range, which are arranged one on top of the other in the order mentioned.
  • the second holographic element can also have a hologram designed for the red spectral range, a green spectral range and a blue spectral range, which are also arranged one on top of the other in this order.
  • the first holographic element and the second holographic element are arranged on one another or adjacent to one another in such a way that, for example, the hologram of the first holographic element recorded for the red spectral range is arranged immediately adjacent to the hologram of the second holographic element recorded for the red spectral range is.
  • 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 may 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) arranged one next to the other that the hologram R of one holographic element is adjacent to the hologram B of the other holographic element.
  • RGB R - hologram recorded with red light
  • the holographic arrangement can preferably be understood as comprising two holographic elements which are arranged along the Beam paths are arranged directly one behind the other, with a first holographic element being designed for the first “reflective” diffraction and the second holographic element for the “reflective” diffraction of the light, which has already been diffracted in advance by the first holographic element.
  • the first holographic element is advantageously located along the beam path behind the second holographic element.
  • Each holographic element (or the at least one hologram it comprises) can be designed for one or more spectral ranges.
  • more than one pair of holographic elements is included, with one pair each, which is designed for the same spectral range, being arranged immediately one behind the other along the beam path.
  • at least one hologram of the first or a further holographic element assigned to at least one hologram of the second or a further holographic element, but the pairs of holographic elements themselves, which are each designed for the same spectral range, are assigned to one another.
  • the holographic arrangement for this purpose can include a pair of holographic elements arranged directly behind one another for the red spectral range, then a pair of holographic elements arranged directly behind one another for the green spectral range and then a pair of holographic elements arranged directly behind one another for the blue spectral range. These respective pairs are preferably also arranged directly one behind the other in the beam path.
  • the holographic arrangement can be designed in the form of at least one layer or at least one film or at least one substrate, for example in the form of at least one volume hologram, or in the form of at least one plate. Additionally or alternatively, the holographic arrangement can have a flat surface or a curved surface. The holographic arrangement can, for example, be arranged on, on or under a surface of a cover glass or another optical component that is already present.
  • the wavefront manipulator can comprise a transmissive optical component which is designed to be arranged in the beam path between the holographic arrangement and the projection surface.
  • the holographic arrangement can preferably be arranged on a surface of the transmissive optical component facing away from the projection surfaces. Both the transmissive optical component and the holographic arrangement can be curved, preferably with the same curvature.
  • the said transmissive optical component can, for example, be a so-called glare trap, which is usually arranged at a position between a windshield and a head-up display or another component of the head-up display (e.g.
  • the wavefront manipulator and/or holographic component which is designed to reflect sunlight in a specified direction so that it is not reflected via the head-up display (or its other component) in the direction of the eyebox.
  • the The holographic arrangement and the glare trap are preferably designed with the same curvature and arranged directly adjacent to one another.
  • the holographic arrangement is advantageously designed for a plurality of incident angles and/or for a plurality of non-overlapping incident angle ranges.
  • different image planes in a HUD can be realized through the different angles or angle spectra.
  • the holographic arrangement can, for example, comprise separate pairs of holographic elements for each angle or for each incident angle spectrum.
  • a single pair of holographic elements can also be designed for several incident angles or angle spectra, e.g. by comprising several holograms each designed for an incident angle or an incident angle spectrum.
  • the wavefront manipulator according to the invention comprises at least one optical element which has a free-form surface, i.e. an optically effective free-form 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 resolution through an appropriate design of the free-form surface and allows targeted correction of imaging errors.
  • the optical element takes up very little space due to the free-form surface. It also contributes significantly to improving the image 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.
  • the optical element can be a free-form mirror.
  • the wavefront manipulator is therefore an essential component of the HUD and, due to its functionality, is often arranged in such a way that its surface is exposed to ambient light and this can generate undesirable deflections of ambient light in the direction of the eyebox either directly or, for example, via further deflection on the projection surface. Applying a coating to a surface of the wavefront manipulator and/or a surface of a cover of the wavefront manipulator is therefore particularly advantageous.
  • the method further comprises the determination of sub-areas and/or components of the HUD for which the critical deflection from the HUD into the eyebox can take place, wherein the coating is applied to the sub-areas and/or components.
  • the coating is applied to the sub-areas and/or components.
  • the determination of sub-areas and/or components of the HUD can also be referred to synonymously as the calculation, determination and/or output of sub-areas and/or components of the HUD for which the critical deflection from the HUD into the eyebox can take place. Because only the essential components and/or sub-areas of the HUD are determined A particularly efficient anti-reflective coating of the HUD can be applied to surfaces that are relevant for critical deflection and therefore have to be coated afterwards.
  • the specific sub-areas and/or components are, for example, optical components for beam adjustment (e.g. wavefront manipulator or holographic component for beam adjustment) and/or cover glass.
  • the incoming ambient light is assumed to be radiation which is collimated from an origin area in the direction of the HUD, with each partial area of a surface of a hemisphere centered around the HUD, which is divided into several partial areas, being assumed as the origin area of the collimated radiation, whereby a spectral distribution preferably corresponds to a spectral distribution of a black body (preferably at least partially) and / or at least partially corresponds to the spectral distribution of the sun.
  • the expert knows where to find relevant information in the literature about the spectral distribution of a black body or the sun.
  • a preferred point of a component of the HUD can be used, e.g. a (preferably geometric) center of gravity of the component or of its surface
  • “at least partially” advantageously means a match (e.g. a spectral overlap) of at least 40%, more preferably at least 50%, even more preferably at least 60%, even more preferably at least 70% and in particular at least 80%.
  • This simulation is suitable not only for determination by a computer-implemented method, but also for a simulation setup in a laboratory which has the above-mentioned properties.
  • the origin area can also be assumed to be quasi-point-shaped and there can only be a single ray per origin area, which runs from the respective origin area in the direction of the HUD.
  • a single beam should preferably be viewed as a model for a narrow, collimated beam of rays. This is preferably also included when it is said that the radiation is collimated from the origin area in the direction of the HUD.
  • the radiation is preferably assumed to be blackbody radiation with regard to its spectral distribution, for example in a temperature range from 1000 Kelvin (K) to 10000 K, more preferably in a temperature range from 3000 K to 8000 K, even more preferably in a temperature range from 4000 K to 7000 K and in particular in a temperature range from 5000 K to 6500 K, e.g. 6000 K.
  • K Kelvin
  • the person skilled in the art knows how to approximate or calculate the spectral distribution of a blackbody. Such radiation is easy to simulate and yet realistically depicts real ambient light.
  • the critical deflection is defined by the fact that a beam or radiation can be deflected into the eyebox.
  • the critical deflection is defined by a radiation intensity or a luminance (of deflected radiation within the eyebox) being above an average radiation intensity or luminance of non-deflected ambient light (preferably within the eyebox).
  • a value that can be routinely determined by a person skilled in the art can be used as the average radiation intensity, e.g. B. the luminance of a medium clear sky of 8000 cd/m 2 (candela per square meter).
  • an efficiently anti-reflective HUD can be provided in which not all deflection of ambient light into the eyebox should be minimized, but only if this produces intensities or luminances above a threshold value.
  • a critical deflection is selected from the group comprising reflection, in particular Fresnel reflection, refraction, scattering and/or diffraction.
  • a critical deflection comprises the diffraction of the spectral range of the holographic wavefront manipulator diffracted for beam adaptation and preferably comprises a wavelength range selected from the group of red spectral range, in particular 640 nm, green spectral range, in particular 525 nm and/or 532 nm and/or blue spectral range, in particular 446 nm and/or 460 nm.
  • the coating is preferably designed for this spectral or wavelength range, which means in particular that it is set up to minimize the deflection of the incoming ambient light from this spectral or wavelength range.
  • the critical deflection comprises the diffraction of the spectral range of the holographic wavefront manipulator diffracted for beam matching preferably means that it is undesirable diffraction which is only in the same spectral range as the spectral range of the holographic wavefront manipulator diffracted for beam matching.
  • the wavefront manipulator is preferably designed for one or more spectral ranges, so This is preferably the (at least one) spectral range of the holographic wavefront manipulator diffracted for beam adaptation. Since ambient light can also be in this spectral range and/or adjacent to this spectral range, an undesirable diffraction (in particular a critical deflection) of this ambient light can occur. It is therefore advantageous if the coating is designed for this at least one spectral or wavelength range in order to minimize this form of critical deflection and thus provide an improved anti-reflective HUD.
  • the coating comprises moth-eye structures and/or nanostructures.
  • Moth eye structures are described, for example, in T. Lohmüller, M. Helgert, M. Sundermann, R. Brunner, J. P. Spatz: Biomimetic Interfaces for High-Performance Optics in the Deep-UV light range, Nano Letters, June 2008 and in Guanjun Tan et al.: Broadband antireflection film with moth-eye-like structure for flexible display applications, Optica, Vol. 4, No. 7, 678, July 2017, the content of which is hereby deemed to be included in this disclosure. Moth eye structures are suitable for improved anti-reflection.
  • Nanostructures are described, for example, in Ashok K. Sood et al.: Nanostructured AR coatings for optoelectronic applications, Nova Science Publishers, 2015, the content of which is hereby deemed to be included in this disclosure. Nanostructures are particularly effective as AR coatings.
  • the coating comprises an anti-reflection layer, in particular a dielectric layer.
  • the coating is designed to attenuate the deflection from the specific angular range by at least 95%, preferably by at least 99%.
  • the specialist knows how to find a suitable coating based on calculations, data sheets, etc. in order to achieve the appropriate attenuation.
  • a reduction of at least 95% is sufficient for many cases and is therefore a particularly efficient solution.
  • the coating is set up to attenuate the deflection from the specific angular range by at least 95% and to attenuate a deflection from at least one other angular range, which preferably does not overlap with the specific angular range, by less than 95% , preferably attenuating by less than 80%, more preferably attenuating by less than 60% and especially attenuating by less than 40%.
  • Such a coating is particularly designed to attenuate the specific angular range compared to other angular ranges and is therefore particularly efficient and cost-effective.
  • the coating comprises a plurality of individually effective layer elements, each of which is designed to weaken the deflection from an angular range that partially overlaps the specific angular range, the respective partially overlapping angular ranges taken together overlapping the specific angular range.
  • this is advantageously an AR layer which is composed of several AR layers, each designed for smaller angular ranges, and only when composed does it acquire the functionality to minimize the deflection of light from the specific angular range.
  • the coating is applied to the wavefront manipulator, in particular to a cover glass covering the wavefront manipulator.
  • the cover glass can preferably be a cover that is optically transparent for the spectral range used, which protects the wavefront manipulator from mechanical influences and contamination and at the same time represents an aesthetically pleasing cover for the holographic component, for example towards the vehicle interior.
  • On the cover glass preferably means on the side of the cover glass, which represents the side of the cover glass facing away from the wavefront manipulator. In a vehicle, this is preferably the side of the cover glass that is oriented towards the vehicle interior and is visible to a user, for example the driver of the motor vehicle.
  • a coating on the cover glass is particularly easy to produce (e.g. by coating the cover glass). This can also advantageously prevent unwanted reflections of ambient light on the cover glass.
  • the cover glass can, for example, be made of glass, polymethyl methacrylate (PMMA), polycarbonate (PC) or similar.
  • the invention relates to an anti-reflective HUD, produced by the following steps:
  • the HUD comprises a glare trap, a curved cover glass and/or a beam trap.
  • the so-called glare trap can usually be located at a position between a projection surface and other components of the head-up display (e.g.
  • Wavefront manipulator and/or holographic component is preferably designed to reflect sunlight in a specified direction so that it is not reflected via the head-up display in the direction of the eyebox.
  • the glare trap preferably has a curvature for this purpose.
  • the glare trap can, for example, be located directly adjacent to the holographic component or the wavefront manipulator (preferably between this component and the projection surface), with the manipulator or the component in particular having the same curvature as the glare trap.
  • the cover glass can preferably also have a curvature, in particular the manipulator covered by it or the covered holographic component having the same curvature as the cover glass.
  • the beam trap is designed, for example, as an absorbing element and is advantageously arranged in such a way that it directly blocks ambient light, so that it cannot reach the eyebox either directly or after deflection.
  • this beam trap can preferably only be introduced into areas of the HUD or its surroundings where it does not hinder the user's free view through the projection surface.
  • Glare trap and beam trap can be arranged and/or set up in such a way that the light reflected by the glare trap lands at least partially in the beam trap and is blocked by it.
  • the HUD further comprises a holographic component for beam adjustment, in particular a holographic wavefront manipulator, with at least one bandpass filter being arranged in a beam path between the holographic component and the intended eyebox of the HUD, the bandpass filter being transparent to visible light at least a first spectral range, which comprises at least one spectral range diffracted by the holographic component for beam adjustment, and wherein the spectral filter is preferably set up to suppress visible light outside the first spectral range.
  • a holographic component for beam adjustment in particular a holographic wavefront manipulator
  • the bandpass filter can advantageously be placed directly on the coating of the HUD, either above or below.
  • the beam path includes in particular the volume occupied by the beams used to operate the HUD.
  • the beam path extends from the light source through all optical components of the HUD (e.g. the beam guide) to an eyebox of the HUD.
  • a holographic component for beam adaptation can comprise at least one hologram, in particular at least one HOE, which as part of the HUD fulfills an optical, preferably beam-adapting function, e.g. beam shaping, beam deflection/guidance and/or an optical (spectral, angle-selective and/or polarization-selective) filter function.
  • the function is preferably fulfilled in the spectral range diffracted for beam adaptation.
  • the above-mentioned holographic wavefront manipulator is preferably a holographic component.
  • the spectral range is preferably a contiguous range, so that several spectral ranges preferably include several, non-contiguous spectral ranges.
  • Beam shaping preferably means influencing the shape of the beam.
  • Beam shaping can in particular include manipulation of the wave fronts.
  • Beam shaping includes, for example, collimating, focusing, defocusing, increasing the divergence, expanding the beam diameter, reducing the beam diameter, generally changing the size and/or shape of the beam cross section or similar.
  • Beam guidance or deflection describes in particular a deviation of the beam path from an undisturbed electromagnetic (light) beam caused by an optical component.
  • a beam guide can, for example, include beam folding in order to guide the beam from the light source to the eyebox under given boundary conditions (e.g. installation space, size of the eyebox, size of the image, position of the image, etc.).
  • the holographic component for beam adaptation is preferably configured to adapt the light beam (synonym: the light beam bundle, the light rays) of at least one spectral range (the spectral range diffracted for beam adaptation) according to the functional purpose of the holographic component.
  • the holographic component for beam adaptation can preferably be configured to adapt the light beam (synonym: the light beam bundle, the light rays) of several (e.g. two or three) spectral ranges (i.e. several spectral ranges diffracted for beam adaptation) according to the functional purpose of the holographic component.
  • the holographic component will be set up to carry out a beam adjustment of the at least one spectral range emitted by the at least one light source of the HUD. Therefore, the at least one diffraction grating of the holographic component is preferably designed for beam guidance, To diffract light in this spectral range according to the desired functionality.
  • the local arrangement of the HUD components relative to one another is usually fixed, so that not only the diffracted spectral range is fixed, but also the direction from which the light to be diffracted appears on the holographic component.
  • the holographic component typically has a center of gravity angle and/or an angular spectrum which corresponds to the angle or angular spectrum from which the light to be diffracted appears on the holographic component.
  • the centroid angle is preferably the angle for which the holographic component has the maximum diffraction efficiency.
  • the angular spectrum of the holographic component is preferably an angular range that has an orientation given by the centroid angle.
  • the angular spectrum of the holographic component is in particular the (contiguous) range of angles around the centroid angle for which the holographic component also carries out the (desired) diffraction.
  • This angular spectrum can be defined, for example, by the diffraction efficiency there being at least 50% of the maximum diffraction efficiency.
  • the angular spectrum can be defined along or parallel to a cutting plane with the centroid angle if, for example, the holographic component only diffracts light whose direction lies within or parallel to this plane.
  • the angular spectrum can also be defined along several cutting planes with the centroid angle (or parallel to these) and can also differ in each case.
  • the angular spectrum can be defined along or parallel to two mutually perpendicular cutting planes with the centroid angle.
  • the center of gravity angle and/or angular spectrum of the holographic components are linked to the spectral region diffracted by them, so that a typical description of the holographic component consists in specifying the center of gravity angle and the angular spectrum distributed around it for a (at least one) specific diffracted spectral region.
  • the holographic component is preferably configured to diffract light of at least one spectral range and at least one angular spectrum in order to achieve the desired beam adaptation.
  • the light source can emit light in the red (R), green (G) and blue (B) spectral range in order to realize a colored or white light HUD.
  • the light has a respective spectral distribution with a certain width in the respective spectral range.
  • the holographic component is then preferably configured to diffract light of these spectral ranges that comes from the direction of the light source or another, upstream component of the HUD (thus light with a given angular spectrum and/or center angle).
  • a bandpass filter preferably refers to a filter which is largely transparent to electromagnetic radiation in a spectral range.
  • the frequency or Wavelength ranges below and above the pass band are preferably not transmitted or are significantly attenuated.
  • the bandpass filter used here allows electromagnetic radiation from more than a first spectral range to pass, for example from a second, a third or even more spectral ranges, and blocks or attenuates the radiation between these spectral ranges. This is particularly desirable if the holographic component diffracts more than one spectral range for beam matching.
  • the bandpass filter is permeable to visible light in at least a first spectral range (preferably also in a second and particularly preferably also in a third spectral range), which comprises at least one spectral range diffracted by the holographic component for beam adaptation, and is preferably designed to suppress visible light outside the at least first spectral range.
  • the holographic component is designed for at least one spectral range diffracted by the holographic component for beam adjustment and/or an angular spectrum diffracted by the holographic component for beam adjustment (and the corresponding centroid angle).
  • Light from other spectral ranges, from other angles and/or with other angular spectra is advantageously either not diffracted at all by the holographic component or diffracted differently than the light for the HUD.
  • the bandpass filter is now permeable to visible light in at least a first spectral range, which comprises at least one spectral range diffracted by the holographic component for beam adaptation, and is preferably designed to suppress visible light outside of the at least first spectral range, it can be essentially prevented or suppressed that light from spectral ranges other than that of the at least first spectral range reaches the holographic component and can thus be diffracted by it in the direction of the eyebox.
  • the bandpass filter preferably functions in different directions, it can also be prevented that light from other spectral ranges, which reach the holographic component despite the filter and are diffracted by it, pass through the bandpass filter, since the bandpass filter z. B. also works in the direction that light has after diffraction on the holographic component.
  • the bandpass filter thus preferably acts to suppress light from undesirable spectral ranges in the direction of the holographic component as well as to suppress light from undesirable ones Spectral ranges after diffraction by the holographic component.
  • the suppression comprises an attenuation by at least a factor of 10, preferably a factor of 20 and in particular a factor of 100.
  • the intensity radiating onto the bandpass filter is used as a reference and compared with the intensity of the same light passing through the bandpass filter (or the portion of it that has passed through the filter).
  • the attenuation can be different for different angles of incidence and/or spectra, with the least attenuated angle or the least attenuated spectrum preferably being used to determine the attenuation.
  • the combination of anti-reflective HUD through targeted coating and use of a bandpass filter can be used to realize an improved, anti-reflective HUD.
  • Figures 1a and 1b show components of a HUD, which has a windshield as a projection surface.
  • Figures 2a-d show from different perspectives two exemplary angles of an exemplary HUD determined by the method, for which a critical deflection into the eyebox takes place.
  • Figure 3 shows a preferred embodiment of the assumptions made during the simulation.
  • Figure 4 shows reflection properties of a moth eye anti-reflective coating, which is optimized as an example.
  • Figures 5a and 5b show a HUD with a windshield, which additionally has a glare trap and a beam trap.
  • Figure 6 shows the spatially resolved intensity of deflected light beams into the eyebox for a simulated HUD.
  • FIG. 7 shows the essential process steps of the process according to the invention.
  • Figure 1a shows components of a HUD 1 in a perspective view, which has a windshield 3 as a projection surface 2.
  • the holographic component for beam adjustment 23 is shown, in the present case a waveguide for beam expansion, which is covered by a cover glass 5.
  • a particularly efficient anti-reflection treatment can be carried out using the method described here and the corresponding HUD 1 by only determining those angular ranges from which the critical deflection can take place. A coating is then applied to minimize the critical deflection, which works specifically for the specific angular ranges.
  • Fig. 1b shows a HUD 1 similar to that shown in Fig. 1a in a perspective view, which enables a somewhat more frontal view of the windshield 3.
  • the components free-form mirror 13 and imager 22 are also shown here.
  • a wavefront manipulator 4 is included here.
  • Figures 2a-d show two exemplary angles 24 of an exemplary HUD 1, determined by the method, for which a critical deflection into the eyebox 6 takes place.
  • Ambient light 9 from the first angle 8 ' is shown in Figures 2a and 2b
  • ambient light 9 from the second angle 8' is shown in Figures 2c and 2d.
  • Figures 2a and 2c show the HUD 1 from the side, with the respective angle 8', 8" lying in the plane of the figure.
  • Figures 2b and 2d show ambient light 9 from the angles 8', 8" shown in Figure 2a and c, respectively, in a perspective view of the HUD 1.
  • incident light 9 causes a critical reflection on the wavefront manipulator 4 or its cover glass 5 instead, which ultimately ends up in the eyebox 6 due to a further reflection on the windshield 3.
  • the angles 8 are preferably determined for the component of the HUD 1 to which the coating is then to be applied. In the present case, for practical reasons (e.g. transparency of the projection surface), this is the wavefront manipulator 4 or its cover glass 5.
  • the essential deflection within the HUD 1 takes place on this component, which then ends up in the eyebox 6.
  • the angular range of the incident light 9 is preferably in Measured with reference to the normal 7 to the wavefront manipulator 4 or cover glass 5.
  • the proportions of the simulated sunlight that end up in the eyebox 6 through reflection are 0.00983% ( Figures 2c and 2d) and 1.52% ( Figures 2a and 2b) in the examples shown. This doesn't sound like much, but since even a very small proportion of reflected sunlight in the eyebox 6 is perceived as disturbing and hindering the reading of the HUD 1, such a small proportion should preferably be further minimized. In terms of the method, it can therefore be advantageous to define any beam deflection into the eyebox 6 as “critical”.
  • the exemplary angles 8 shown here lie within an angular range determined by a simulation for the HUDs shown, which ranges from 10° to 40° and lies within the image plane. The angular ranges can also lie in other planes and be the same as the angular range determined in the image plane, but in some cases they can also be different.
  • Figure 3 shows a preferred embodiment of the assumptions made in the simulation. This advantageously simulates the radiation of direct sunlight, the critical deflection of which is considered to be particularly disruptive and under certain circumstances even dangerous, not so much because of the intensity itself, but above all because of the restricted view of the HUD 1 and/or, for example, the traffic.
  • Some exemplary beam paths are shown here, e.g. 9' and 9".
  • the areas 10' and 10" shown in a graphic approximation as points are shown as the original areas 10.
  • These areas 10', 10" are in turn sub-areas of a hemisphere centered around the HUD 1, which is only shown in part here (reference number 11).
  • the centering can advantageously be carried out around a component that plays a significant role in the critical deflection, in this case the wavefront manipulator 4 or its cover glass 5.
  • This component can be determined on the basis of empirical values, theoretical considerations and/or on the basis of (e.g. several upstream) simulations.
  • a preferred point of the component can again be used, e.g. a (preferably geometric) center of gravity of the component or of its surface.
  • centering around the HUD 1 preferably means that the center or starting point of the radius 12 of the hemisphere in the HUD 1 is located, e.g. at the aforementioned preferred point.
  • This point is preferably the starting point of the radii of the hemisphere.
  • the radius of the hemisphere can preferably be chosen on the basis of practical considerations.
  • the fact that the radiation (e.g. 9' and 9") from a source region 10 is collimated in the direction of the HUD 1 preferably means that the beams of rays from each source region 10 form a collimated beam of rays and run in the direction of the HUD 1, with the direction of the HUD 1 running primarily in the direction of the component of the HUD 1 or in the direction of its preferred point. In the example shown, this is a point on the surface of the wavefront manipulator 4 or the cover glass 5.
  • FIG. 4 shows reflection properties of a moth eye anti-reflective coating, which is optimized to minimize the deflection (here: reflection) from a certain angle range between 10° and 40°.
  • a color code with different shades of gray shows the reflectivity in % as a function of the incident wavelength (see x-axis or abscissa axis) and the angle of incidence (see left y-axis or left ordinate axis). It is visible that the (undesirable) reflectivity increases at larger angles of incidence and wavelengths, reaching values of 1% or more or 5% or more, which are already too large depending on the design.
  • the specific angle range for a critical deflection is between 10° and 40°, this circumstance is not critical if the layer is applied correctly. At the same time, such a layer, which is optimized for a smaller angle range, is much more cost-effective, simpler and lighter.
  • the reflectivity in % (y-axis) for the angle range between 10° and 40° is shown as an example for the three wavelengths 450 nm (marked with circles), 532 nm (marked with triangles) and 650 nm (marked with crosses). Only for 650 nm does the reflectivity for an angle range between 35° and 40° exceed the potentially critical value of 1%. These wavelengths are also marked in the left-hand image by the corresponding symbols.
  • Figures 5a and b show a HUD 1 with a windshield 3.
  • the embodiment shown further includes a free-form mirror 13 as a further component of the HUD 1, a wavefront manipulator 4 designed as a glare trap 14 and a beam trap 15.
  • the mode of operation of these additional components will be based on the following the incident light rays 9 shown as an example can be explained. First of all, some of the incident light beams 16 are blocked directly by the beam trap 15, which can be designed, for example, as an absorbing element. These cannot therefore get into the Eyebox 6.
  • the beam trap 15 can only be introduced into areas of the HUD or its surroundings where it does not hinder the user's clear view through the windshield 3 to the outside.
  • the Glaretrap 14 is intended for the remaining areas. This includes in particular a wavefront manipulator 4 curved about at least one axis in such a way that, in interaction with the projection surface 2 in the form of the windshield 3, the rays reflected by the wavefront manipulator are deflected into areas outside the eyebox 6. Only a low level of intensity can still enter the safety eyebox 17.
  • FIG. 5a shows a side view of the HUD 1
  • Figure 5b shows a perspective view.
  • the intensity distribution of deflected ambient light around and into the eyebox 6 is also shown. The intensity increases from dark gray (practically no intensity) to light gray or white.
  • FIG. 6 shows the spatially resolved intensity (in millimeters - mm) (irradiance in watts per square millimeter - W/mm A 2, see right grayscale) of deflected light rays into the eyebox 6 and around the safety areas 17' and 17" surrounding the eyebox for a simulated HUD 1 according to Figure 5. It is clear that only below the eyebox 6 some deflected intensity reaches the safety area 17". This could be improved by further optimization, e.g. of the HUD geometry.
  • FIG. 7 shows the essential process steps again.
  • a HUD is provided in a first step 18.
  • the angular ranges of ambient light irradiating the HUD are determined, for which a critical deflection from the HUD into the eye box can take place.
  • At least one coating is then applied to the HUD, which is designed to minimize the deflection of the incoming ambient light from the specific angular range.
  • HUD Head-Up Display

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Abstract

In einem Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Entspiegelung eines Head-Up Displays (HUD) mit einer definierten Eyebox, umfassend die Schritte Bereitstellen eines HUDs, Bestimmung von mindestens einem Winkelbereichen von auf das HUD einstrahlenden Umgebungslichtes, für die den eine kritische Umlenkung vom HUD in die Eyebox stattfinden kann und schlussendlich Aufbringen mindestens einer Beschichtung auf das HUD, welche eingerichtet ist, die Umlenkung vom einstrahlenden Umgebungslicht aus dem bestimmten Winkelbereich zu minimieren. In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein entsprechend entspiegeltes HUD. (Fig. 3)

Description

MINIMIERUNG VON BLENDREFLEXEN EINES HUDS DURCH GEZIELTE ENTSPIEGELUNG
BESCHREIBUNG
In einem Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Entspiegelung eines Head-Up Displays (HUD) mit einer definierten Eyebox, umfassend die Schritte Bereitstellen eines HUDs, Bestimmung von mindestens einem Winkelbereichen von auf das HUD einstrahlenden Umgebungslichtes, für die eine kritische Umlenkung vom HUD in die Eyebox stattfinden kann und schlussendlich Aufbringen mindestens einer Beschichtung auf das HUD, welche eingerichtet ist, die Umlenkung vom einstrahlenden Umgebungslicht aus dem bestimmten Winkelbereich zu minimieren.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein entsprechend entspiegeltes HUD.
Hintergrund und Stand der Technik:
Head-up Displays (HUD) sind Anzeigesysteme, bei denen die anzuzeigenden Informationen in das Sichtfeld des Nutzers projiziert werden, wobei gleichzeitig der Blick in die ebenfalls im Sichtfeld liegende Umwelt möglich ist. HUDs sind bspw. aus Kraftfahrzeugen oder Flugzeugen bekannt. In Fahrzeugen kann die anzuzeigende Information bspw. über die Windschutzscheibe des Fahrzeugs in den Augenbereich des Nutzers, in die sogenannte Eyebox projiziert werden. HUDs können auf Basis einer Vielzahl verschiedener Systeme realisiert werden, welche zu einem großen Teil bereits Stand der Technik sind.
Ein HUD kann üblicherweise eine bildgebende Einheit (PGU - picture generating unit) oder einen Projektor umfassen, ferner eine Projektionsoberfläche (häufig die Windschutzscheibe) sowie weitere optische Komponenten zur Strahlanpassung. Beispielhaft kann mittels PGU oder Projektor eine Abbildung erzeugt werden. Die Abbildung (z. B. mittels der weiteren optischen Komponenten) auf die Projektionsoberfläche projiziert und von dort wiederum in die sogenannte Eyebox. Dabei handelt es sich bevorzugt um eine Ebene oder einen Raumbereich, in welchem die projizierte Abbildung für einen Betrachter wahrnehmbar ist. Die projizierte Abbildung kann ein virtuelles und/oder reelles Bild umfassen. Die mindestens eine virtuelle Bildebene, also die Ebene auf der das virtuelle Bild erzeugt wird, kann bspw. hinter der Projektionsoberfläche liegen, also auf der anderen Seite der Projektionsoberfläche als die Eyebox.
Neben „klassischen“ Projektionssystemen mit „klassischen“ optischen Komponenten können HUDs basierend auf holographischen Komponenten verwendet werden.
Bei der Holografie werden im Gegensatz zu gewöhnlichen Abbildungen, neben der Intensität vom abgebildeten Objekt zusätzlich Phasenbeziehungen des vom Objekt kommenden Lichtes abgespeichert. Diese Phasenbeziehungen enthalten zusätzliche räumliche Informationen, wodurch bspw. ein dreidimensionaler Eindruck der Abbildung erzeugt werden kann. Dies geschieht mit Hilfe von Interferenz von Lichtstrahlen während der Aufnahme des Objekts. Das Objekt wird mit kohärentem Licht beleuchtet und vom Objekt reflektiert und gestreut. Das entstandene Wellenfeld, die sogenannte Objektwelle, wird mit zu der Objektwelle kohärentem Licht (die sogenannte Referenzwelle - typischerweise von derselben Lichtquelle, z. B. einem Laser) überlagert und die Wellenfelder interferieren als Funktion ihrer Phasenbeziehung miteinander. Das entstehende Interferenzmuster wird bspw. mittels einer lichtempfindlichen Schicht aufgenommen und somit wird auch die in der Phase enthaltene Information gespeichert. Zur Rekonstruktion beleuchtet man das entstandene Hologramm mit einer zur Referenzwelle identischen bzw. ähnlichen Lichtwelle, welche sodann durch die aufgezeichneten Interferenzmuster gebeugt wird. So kann die ursprüngliche Wellenfront der Objektwelle rekonstruiert werden. Es gibt verschiedene Typen von Hologrammen, z. B. sogenannte Volumenhologramme. Volumenhologramme weisen vorzugsweise eine Dicke auf, die ebenfalls zur Speicherung von holografischen Bildinformationen genutzt werden kann. Volumenhologramme können insbesondere Weißlichthologramme sein, da diese eine Wellenlängenselektivität aufgrund der wellenlängenselektiven Interferenz aufweisen können.
Hologramme können beispielsweise Transmissions- und Reflexionshologramme sein, die diese Rekonstruktion jeweils entweder in Transmission oder in Reflektion erzeugen. Befindet man sich z. B. bei einem Transmissionshologramm auf einer der Lichtquelle gegenüberliegenden Seite des Hologramms und betrachtet dieses, erscheint z. B. das abgebildete Objekt dreidimensional vor einem. Bei einem Reflexionshologramm muss man sich hierzu bevorzugt auf der gleichen Seite befinden wie die Lichtquelle. Reflexionshologramme weisen vorzugsweise eine wellenlängenselektive Effizienz auf, das Licht in eine bestimmte Richtung (entlang eines bestimmten Winkels) zu beugen. Das Word Hologramm wird hier vorzugsweise als synonym mit der holografischen Struktur verwendet, welche die Lichtbeugung erzeugt. Landläufig wird manchmal mit „Hologramm“ das erzeugte, insbesondere dreidimensionale Bild bezeichnet. Der Fachmann weiß jedoch aus dem Kontext heraus, was jeweils mit dem Begriff „Hologramm“ gemeint ist.
Hologramme können außer für die dreidimensionale Darstellung von Objekten auch als sogenannte Holografisch-optische Bauelemente (HOE) verwendet werden, deren holografische Eigenschaften für die Optik von Geräten verwendet werden kann. Beispielsweise lassen sich durch HOE herkömmliche Linsen, Spiegel und Prismen ersetzen. In anderen Fällen werden HOEs als spezielle Diffraktionsgitter verwendet. HOEs weisen zum Beispiel eine spektrale Selektivität und/oder eine Selektivität in Bezug auf den Einfallswinkel auf. Gleichzeitig können sie für andere Spektralbereiche und/oder Einfallswinkel vollkommen oder teilweise transparent sein. Auch eine Kombination von Darstellung und Lichtformung wird durch Hologramme ermöglicht.
Insbesondere die Verwendung dieser HOEs zur Strahlformung sind für HUDs praktisch. Da bei der Art der gewünschten Strahlformung eine große Freiheit bei geringer Abhängigkeit von den Abmessungen des HOEs besteht, lässt sich somit eine gewünschte Strahlanpassung ohne Beanspruchung von viel Bauraum realisieren. Dieser Aspekt ist insbesondere für Kraftfahrzeuge interessant, wo der Bauraum aus vielerlei Gründen häufig beschränkt ist. Außerdem können durch HOEs Aberrationen reduziert und/oder korrigiert werden. Die PCT Anmeldungen PCT/EP2022/055513 und PCT/EP2022/066787 beschreiben holographisch basierte Wellenfrontmanipulatoren, welche besonders bevorzugt als holographische Komponente zur Strahlanpassung gemäß diesem Dokument gemeint sind und deren Inhalt hiermit in diese Anmeldung aufgenommen wird.
Bei Head-up-Displays ist es unerlässlich, Störreflexe von der Sonne, die über Komponenten des HUDs in Richtung des Fahrers reflektiert werden und diesen blenden können, umzulenken oder gar zu unterdrücken. Dieser Effekt tritt nicht nur bei klassischen Systemen, sondern auch bei holographischen HUDs auf. Im Vergleich zu klassischen HUDs können allerdings zusätzlich Störreflexe durch Beugung an den Hologrammen auftreten. Dabei kann es insbesondere vorkommen, dass neben den Beleuchtungsstrahlen des HUDs Lichtstrahlen aus anderen spektralen Bereichen und/oder anderen Richtungen ebenfalls in die Eyebox geleitet werden.
Es sind sogenannte Glaretraps zur Strahlablenkung im Stand der Technik bereits bekannt, welche eine Ablenkung von Umgebungslicht in Richtung außerhalb der Eyebox ermöglichen. Jedoch sind diese bspw. nicht geeignet, Störreflexe durch Beugung an einer holographischen Komponente des HUDs gezielt zu unterdrücken. Auch können nicht alle Reflektionen von Umgebungslicht in die Eyebox durch Glaretraps verhindert werden. Es sind Antireflexionsbeschichtungen (auch Antireflexbeschichtung oder kurz AR-Beschichtung genannt) bekannt, welche auf Komponenten des HUDs aufgebracht werden können. Diese AR- Beschichtungen funktionieren typischerweise dadurch, dass ein Schichtsystem umfasst ist, welches zumindest für eine Wellenlänge oder einen Wellenlängenbereich destruktive Interferenz in Reflexionsrichtung erzeugt. Der Nachteil dieser AR-Beschichtungen ist, dass ein Schichtsystem eben nur für einen Wellenlängenbereich und eine Einstrahlungsrichtung optimiert werden kann. Um Reflexionen über einen breiten spektralen Bereich und/oder für beliebige Einstrahlwinkel zu unterdrücken, werden mehrere solcher Schichtsysteme übereinander gebracht. Das ist aufwendig und teuer. Außerdem muss sichergestellt werden, dass die Leistung der zusätzlich in das HUD eingebrachten Strahlen (also solche, für die die AR-Beschichtung wirksam ist und welche eben nicht reflektiert werden) keine Probleme verursacht. Beispielsweise kann es sein, dass diese Strahlen an einer Stelle im HUD absorbiert werden und eine starke Erwärmung verursachen. Eine effiziente, kostengünstige und sichere Methode der Entspiegelung von HUDs ist bislang leider nicht bekannt.
Aufgabe der Erfindung:
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Methode zur Entspiegelung von HUDs sowie ein entspiegeltes HUD bereitzustellen, welches ohne die Nachteile des Standes der Technik auskommt. Insbesondere ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine vereinfachte und kostengünstige Methode zur Entspiegelung eines HUDs bereitzustellen, welche einen sicheren Betrieb und eine sichere Bedienbarkeit des HUDs ermöglicht. Ebenso ist es Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes, sichereres HUD bereitzustellen, welches gleichzeitig kostengünstig und einfach in der Herstellung ist.
Zusammenfassung der Erfindung:
Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
In einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren, bevorzugt ein computerimplementiertes Verfahren, zur Entspiegelung eines Head-Up Displays (HUD) mit einer definierten Eyebox, umfassend die folgenden Schritte:
Bereitstellung eines HUDs Bestimmung von mindestens einem Winkelbereich von auf das HUD einstrahlenden Umgebungslichtes, für den eine kritische Umlenkung vom HUD in die Eyebox stattfinden kann
Aufbringen mindestens einer Beschichtung auf das HUD, welche eingerichtet ist, die Umlenkung vom einstrahlenden Umgebungslicht aus dem bestimmten Winkelbereich zu minimieren.
Eine Entspiegelung eines HUDs beschreibt insbesondere ein Verfahren, bei dem die Umlenkung von auf das HUD einstrahlenden Umgebungslichtes in die Eyebox des HUDs minimiert wird, um so Störlicht im Blickfeld des Nutzers zu minimieren.
Die Umlenkung kann jegliche physikalische Effekte, z. B. Streuung betreffen, welche die Richtung des Lichtes verändern kann. Umlenkung umfasst bspw. Reflektion, Refraktion und/oder Diffraktion.
Umgebungslicht ist dabei insbesondere jegliches Licht, welches von natürlichen oder künstlichen Lichtquellen emittiert wird und nicht zur Anzeige von Information durch das HUD verwendet wird (Das Licht des Bildgebers des HUDs ist bspw. kein Umgebungslicht).
Vorzugsweise werden in diesem Dokument die Begriffe elektromagnetische Strahlung und Licht synonym verwendet und bezeichnen insbesondere elektromagnetische Strahlung umfassend den sichtbaren Spektralbereich. Es kann aber auch der ultraviolette Spektralbereich sowie der nahe Infrarotbereich mit umfasst sein. Vorzugsweise umfasst Licht in diesem Sinne einen Spektralbereich (angegeben als Wellenlänge in Nanometer - nm) von 100 nm bis 3000nm, stärker bevorzugt 280 nm bis 1400 nm und insbesondere 380 nm bis 780 nm.
Die Eyebox umfasst insbesondere eine Fläche bzw. ein Volumen, von dem aus das HUD betrachtet werden soll. In diesem Volumen können/sollen sich dann bspw. die Augen des mindestens einen Betrachters befinden, daher der Name Eyebox. Die Eyebox ist vorzugsweise beim Design eines HUDs eine feste Größe, welche jedoch erst beim Einbau des HUDs realisiert wird. Daher spricht man vorzugsweise auch von einer definierten Eyebox. Die Eyebox kann bspw. Abmessungen von 150 mm x 150 mm in einer Fläche aufweisen.
Die Safety-Eyebox umfasst vorzugsweise eine Fläche oder ein Volumen, welches ggü. der Eyebox vergrößert ist, z.B. auf 300mm x 300mm, um eine Sicherheitsmarge zu umfassen, von der aus ebenfalls in Ausnahmefällen die Betrachtung stattfinden kann.
Die Eyebox, wie in diesem Dokument beschrieben, kann vorzugsweise die Safety-Eyebox umfassen.
Bereitstellung eines HUDs beschreibt insbesondere die Bereitstellung aller oder der wesentlichen Komponenten, welche für den Betrieb eines HUDs benötigt werden. Diese umfassen bspw. Bildgeber, optische Komponenten (insbesondere zur Strahlanpassung), Strahlfalle, Coverglass und/oder Glaretrap.
Da die Bereitstellung eines HUDs bereits vor dessen Einbau, bspw. in ein Fahrzeug, vorgenommen werden kann, muss die Projektionsfläche, welche oftmals von einer im Fahrzeug fest verbaute Scheibe (z. B. Windschutzscheibe) enthalten ist, dabei nicht umfasst sein. Es kann jedoch auch die Bereitstellung der Projektionsfläche bei der Bereitstellung des HUDs umfasst sein.
Die Bereitstellung eines HUDs kann auch erst nach dem Einbau, bspw. in ein Fahrzeug, stattfinden. Dann kann neben den oben genannten vorzugsweise bereits die Projektionsfläche bei der Bereitstellung umfasst sein. Ebenso können weitere Komponenten, wie bspw. elektrische Komponenten, elektrische Energieanschlüsse etc. umfasst sein.
Wichtig bei der Bereitstellung ist, dass die Komponenten des HUDs bereitgestellt werden (ob vor oder nach dem Einbau), welche für die Entspiegelung wesentlich sind, d. h. auf denen bzw. durch die eine kritische Umlenkung stattfindet. Dabei handelt es sich insbesondere um optische Komponenten zur Strahlanpassung (bspw. Wellenfrontmanipulator bzw. holographische Komponente zur Strahlanpassung) und/oder Coverglass.
Eine kritische Umlenkung betrifft eine Umlenkung in die Eyebox, welche unerwünscht ist. Dabei kann bspw. jegliche Umlenkung unerwünscht sein oder aber die Umlenkung ab einem gewissen Schwellwert. Dies sind unterschiedliche Ausführungsformen der Erfindung, welche untenstehend genauer erläutert werden.
Da nicht jegliches Umgebungslicht aus allen Richtungen kritisch umgelenkt wird, ist ein Kern der Erfindung, dass der mindestens eine Winkelbereich, aus denen kritisch umgelenkt wird, bestimmt wird. Somit umfasst der mindestens eine Winkelbereich vorzugsweise nicht alle Winkel aus allen möglichen Richtungen. Die Bestimmung kann bspw. durch Berechnung oder Simulation erfolgen. Bestimmung des Winkelbereichs kann auch als synonym mit Berechnung, Festlegung und/oder Ausgabe des Winkelbereichs verstanden werden. Eine Simulation kann dabei computerimplementiert oder durch einen Simulationsaufbau erfolgen.
Der Winkelbereich umfasst bspw. 60° oder weniger, 50° oder weniger, 40° oder weniger, 30° oder weniger, 20° oder weniger oder 10° oder weniger.
Eine Berechnung kann typischerweise computerimplementiert sein. Computerimplementiert kann bedeuten, dass für geeignete Simulationsverfahren ein Computer umfassend mindestens einen Prozessor und mindestens einen Datenspeicher bereitgestellt wird. Bei der Berechnung und/oder der computerimplementieren Simulation können bestimmte Annahmen über das eingestrahlte Umgebungslicht, bspw. Spektrum und/oder Richtung zugrunde gelegt werden ebenso wie spezifische geometrische Annahmen über die Anordnung und Dimension des HUDs im eingebauten Zustand. Des Weiteren können bestimmte physikalische Gleichungen und/oder Modelle angenommen werden, welche spezifisch die Umlenkung definieren und welche vorteilhafterweise physikalische Eigenschaften der Komponenten des HUDs berücksichtigen.
Ein Simulationsaufbau kann ebenso oder zusätzlich eine Beleuchtung umfassen, welche modellhaft für Umgebungslicht herangezogen wird sowie einen Messaufbau, der Umlenkung in die Eyebox sowie die Herkunft des umgelenkten Lichtes bestimmen kann. Bspw. kann eine Beleuchtung eines in ein Fahrzeug eingebautes HUD aus verschiedenen Richtungen zeitaufgelöst erfolgen und die entsprechende Messung ebenfalls, um gemessenes Licht dem eingestrahlten Licht zuordnen zu können. Ein Simulationsaufbau kann dabei vorzugsweise an einem originalgetreuen HUD und/oder einem originalgetreuen Fahrzeug erfolgen oder aber an einem Modell, welches vorzugsweise nur Teilkomponenten aufweist und/oder gegenüber dem Original verkleinert ist.
Der mindestens eine Winkelbereich kann mehrere Winkelbereiche umfassen. Diese Winkelbereiche können sich auch auf mehrere, beispielsweise orthogonale Ebenen beziehen, in denen sie jeweils definiert werden. In den verschiedenen Ebenen kann der bestimmte Winkelbereich gleich sein oder unterschiedlich. Der Winkelbereich wird dabei so bestimmt, dass er für einen Fachmann eindeutig festgelegt ist. Es kann als ReferenzachseZ-ebene bspw. eine Normale zur Oberfläche des HUDs bzw. der jeweiligen Komponente des HUDs handeln, insbesondere eine Normale im (geometrischen) Schwerpunkt der Oberfläche der Komponente, wenn die Oberfläche der Komponente gekrümmt ist. Dies kann dann bspw. eine Normale zu einer Tangente der Oberfläche im jeweiligen Punkt sein. Alternativ können mehrere Winkelbereiche für jeweilige Normalen in verschiedenen Punkten der Oberfläche bestimmt werden. Die Bestimmung des Winkelbereichs umfasst dabei vorzugsweise die Information über die Referenzachse bzw. -ebene sowie über die Komponente des HUDs für die der Winkelbereich bestimmt wurde.
Ein weiterer Kern der Erfindung ist das anschließende Aufbringen mindestens einer Beschichtung auf das HUD, welche eingerichtet ist, die Umlenkung vom einstrahlenden Umgebungslicht aus dem bestimmten Winkelbereich zu minimieren. Dabei kann es sich beispielsweise um eine AR- Beschichtung handeln, welche spezifisch für eine Unterdrückung von Reflektionen für den bestimmten Winkelbereich ausgelegt ist. Dabei können die Eigenschaften der Beschichtung unabhängig sein von der Ebene des bestimmten Winkelbereichs, also beispielsweise in allen Ebenen um eine Referenzachse herum gleich sein. Sie können jedoch auch in verschiedenen Ebenen unterschiedlich sein, es können bspw. in den verschiedenen Ebenen unterschiedliche Reflexionseigenschaften für einen gegebenen Winkel um die Referenzachse gegeben sein. Diese kann vorteilhaftweise für ein breites Spektrum funktionieren, ist jedoch spezifisch für den mindestens einen bestimmten Winkelbereich ausgelegt und dadurch weniger komplex als Beschichtungen des Standes der Technik. Beispielsweise müssen weniger Schichten umfasst sein.
Damit die nicht reflektierte Strahlung nicht auf andere Weise wieder in die Eyebox gelangt und/oder durch Absorption innerhalb einer Komponente des HUDs zu einer Erwärmung führt, kann durch ein geeignetes Optikdesign, welches den weiteren Strahlengang dieser nicht reflektierten Strahlung berücksichtigt und/oder durch spezielle, wärmeabführende absorbierende Beschichtungen sichergestellt werden.
Die Beschichtung wird vorzugsweise auf die mindestens eine Komponente des HUD aufgebracht, welche für die kritische Umlenkung sorgt. Wenn mehrere Komponenten des HUDs an der kritischen Umlenkung beteiligt sein, wird die Beschichtung mindestens auf die Komponente aufgebracht, auf die das Umgebungslicht zuerst auftrifft.
Die Beschichtung kann bspw. durch ein Aufträgen, ein Aufkleben, ein Abscheiden und/oder ein Aufsprühen erfolgen. Die Beschichtung kann bspw. vor dem Aufbringen als Folie vorliegen und dann (in der richtigen Orientierung gemäß des bestimmten Winkelbereichs) aufgeklebt werden. Durch das Verfahren kann gezielt für die Winkelbereiche eine Beschichtung aufgebracht werden, für die auch tatsächlich ansonsten eine unerwünschte Umlenkung in die Eyebox stattfinden würde. Es muss keine aufwendige und teure Beschichtung verwendet werden, die für alle Richtungen gleichermaßen funktioniert. So können Kosten gespart werden und ein einfacherer Aufbau realisiert werden, welcher für die Massenproduktion geeignet ist. Gleichzeitig ist die Bestimmung der Winkelbereiche nur ein einziges Mal durchzuführen und daher kein großer zusätzlicher Aufwand.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst das Verfahren weiterhin folgenden Zwischenschritt:
Herstellen der Beschichtung.
Es kann nach der Bestimmung des mindestens einen Winkelbereichs eine spezifisch auf diesen ausgelegte Beschichtung hergestellt werden. So kann eine besonders gute Anpassung und eine effiziente Entspiegelung erzielt werden.
Es können zur Herstellung (ebenso wie zum Aufbringen) Beschichtungsmethoden der Dünnschichttechnik zum Einsatz kommen. Häufig eingesetzte Verfahren umfassen physikalische Gasphasenabscheidungen, z. B. thermisches Verdampfen und/oder Sputterdeposition und/oder chemische Gasphasenabscheidungen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst das HUD eine holographische Komponente zur Strahlanpassung. Eine holographische Komponente wird untenstehend in Bezug auf einen weiteren Aspekt bzw. eine weitere Ausführungsform der Erfindung näher beschrieben und kann bspw. einen Wellenfrontmanipulator und/oder einen Waveguide, insbesondere zur Strahlaufweitung umfassen.
Vorzugsweise wird dabei die Beschichtung auf einer Oberfläche der holographischen Komponente und/oder einer Oberfläche einer Abdeckung der holographischen Komponente aufgebracht. Die Oberfläche des Wellenfrontmanipulators ist dabei insbesondere eine in Richtung der Projektionsoberfläche weisende Außenfläche der holographischen Komponente.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst das HUD eine Projektionsoberfläche, insbesondere eine Windschutzscheibe, und einen Wellenfrontmanipulator zur Anordnung im Strahlengang des Head-up-Displays zwischen einer bildgebenden Einheit und der Projektionsoberfläche, wobei der Wellenfrontmanipulator insbesondere ein holographischer Wellenfrontmanipulator ist.
Dabei kann die bildgebende Einheit umfasst sein, muss sie jedoch nicht. Diese kann auch bspw. zu einem späteren Zeitpunkt eingebaut werden. Nichtsdestotrotz ist für den Fachmann die Position des Wellenfrontmanipulators eindeutig definiert, da schon beim Design des HUDs die späteren Positionen der Komponenten bekannt sind bzw. berücksichtigt werden.
Vorzugsweise wird dabei die Beschichtung auf einer Oberfläche des Wellenfrontmanipulators und/oder einer Oberfläche einer Abdeckung des Wellenfrontmanipulators aufgebracht. Die Oberfläche des Wellenfrontmanipulators ist dabei insbesondere eine in Richtung der Projektionsoberfläche weisende Außenfläche des Wellenfrontmanipulators. Bei HUDs, insbesondere in Fahrzeugen, kommt es bspw. durch die Krümmung der Projektionsoberfläche und/oder durch kompakte Anordnungen auf geringem Bauraum mit unter Umständen starken Verkippungen einzelner Komponenten zueinander und entsprechend komplex gefalteten Strahlengängen zu Aberrationen. Die Aberrationen, die typischerweise auftreten können, sind zum Beispiel Verzeichnung, Defokus, Kippung, Astigmatismus, Wölbung der Bildebene, sphärische Aberrationen, höherer Astigmatismus und Koma.
Ein Wellenfrontmanipulator wird vorteilhafterweise verwendet, um Abbildungsfehler zumindest teilweise zu korrigieren, zu minimieren und ein verbessertes Head-up-Display zur Verfügung zu stellen, welches gleichzeitig besonders kompakt sein kann. Hierzu werden, wie der Name es bereits verrät, die Wellenfronten der Lichtstrahlen des HUDs in geeigneter Weise manipuliert.
Dabei umfasst der Wellenfrontmanipulator bevorzugt eine holographische Anordnung (daher ist der Wellenfrontmanipulator als holographische Komponente zur Strahlführung anzusehen), welche wiederum mindestens zwei holographische Elemente aufweist. Die mindestens zwei holographischen Elemente sind im Strahlengang hintereinander, vorzugsweise unmittelbar hintereinander angeordnet. Es ist insbesondere bevorzugt, dass kein weiteres optisches Element oder Bauteil zwischen den mindestens zwei holographischen Elementen angeordnet ist. Die mindestens zwei holographischen Elemente sind darüber hinaus für mindestens den von der holographischen Komponente zur Strahlanpassung gebeugten Spektralbereich und bevorzugt einen Schwerpunktswinkel sowie ein Winkelspektrum reflektiv ausgestaltet. Vorzugsweise sind die holographischen Elemente im Übrigen transmissiv ausgestaltet, mit anderen Worten transmissiv für andere Spektralbereiche, zumindest wenn diese den gleichen Einfallswinkel und/oder das gleiche Winkelspektrum aufweisen. Vorzugsweise umfasst ein erstes holographisches Element mindestens ein Hologramm zur Reflexion, welches einem Hologramm eines zweiten holographischen Elements zur Reflexion zugeordnet ist. Die mindestens zwei holographischen Elemente sind mit anderen Worten bevorzugt so ausgebildet, dass von einem ersten holographischen Element in Reflektion gebeugtes Licht des gebeugten Spektralbereichs, welches vorzugsweise unter dem Schwerpunktswinkel und dem Winkelspektrum der holographischen Komponente einfällt, dann wiederum von dem zweiten holographischen Element reflektiert wird, wobei im Zusammenspiel zwischen erstem und zweiten Element die gewünschte Wellenfrontmanipulation erreicht wird.
Durch Verwendung von Reflexionshologrammen kann vorteilhafterweise wellenlängenselektiver im Vergleich zu Transmissionshologramme gebeugt werden, sodass insbesondere weniger Farbaberrationen auftreten und dadurch besser ein weißes Bild aus den Farbkanälen generiert werden kann. Durch Hintereinanderschalten zweier Reflexionshologramm kann vorteilhafterweise dennoch eine Transmissionsanordnung realisiert werden und die Manipulation auf zwei Hologramme verteilt werden.
Die mindestens eine holographische Anordnung ist bevorzugt für die Beugung von Licht einer Mehrzahl an zur Strahlanpassung gebeugten Spektralbereiche ausgelegt. Hierzu können mehrere Hologramme in jedem holographischen Element umfasst sein (sog. Hologramm-Stack), welche jeweils Licht eines spektralen Bereichs beugen, und/oder jedes holographische Element kann ein sogenanntes Multiplex-Hologramm umfassen, welches Licht mehrerer Wellenlängen beugt. Vorzugsweise umfasst jedes der mindestens zwei holographischen Elemente eine Anzahl, zum Beispiel eine Mehrzahl, an Hologrammen. Dabei ist jedes Hologramm für mindestens einen spektralen Bereich ausgelegt. Ein holographisches Element kann zum Beispiel mehrere Hologramme umfassen, welche als Stapel aufeinander angeordnet sein können. Alternativ dazu kann ein holographisches Element mindestens ein Hologramm umfassen, welches für mindestens zwei Spektralbereiche ausgelegt ist. Vorzugsweise ist das Hologramm oder sind die Hologramme für drei unterschiedlichen Spektralbereiche eines festgelegten Farbraums aufgenommen, beispielsweise für den RGB-Farbraum oder einen CMY-Farbraum. Dabei steht C für Cyan, M für Magenta und Y für Yellow bzw. Gelb.
Die einzelnen, sich voneinander unterscheidenden Hologramme eines holographischen Elements können in Bezug auf eine Mittellinie bzw. Mittelachse, welche mit der optischen Achse zusammenfallen kann, oder in Bezug auf einen anderen festgelegten geometrischen Parameter des holographischen Elements nebeneinander und/oder hintereinander angeordnet sein.
Die holographische Anordnung kann ein erstes holographisches Element und ein zweites holographisches Element umfassen, wobei mehrere der Hologramme oder alle Hologramme des jeweiligen holographischen Elements mit Ausnahme des Spektralbereiches, für die sie ausgelegt sind, identisch oder gleich ausgestaltet sind.
Vorzugsweise ist das erste holographische Element in Bezug auf die Anordnung der einzelnen Hologramme spiegelsymmetrisch zu dem zweiten holographischen Element angeordnet. Zum Beispiel kann das erste holographische Element ein für den roten Spektralbereich, ein für den grünen Spektral be re ich und ein für den blauem Spektralbereich ausgelegtes Hologramm umfassen, welche in der genannten Reihenfolge aufeinander angeordnet sind. Das zweite holographische Element kann ebenfalls ein für den roten Spektralbereich, ein für den grünen Spektralbereich und ein für den blauem Spektralbereich ausgelegtes 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 für den roten Spektralbereich aufgenommene Hologramm des ersten holographischen Elements zu dem für den roten Spektralbereich aufgenommenen Hologramm des zweiten holographischen Elements unmittelbar benachbart angeordnet ist.
Alternativ dazu kann die Anordnung der Hologramme des ersten holographischen Elements mit der Anordnung der Hologramme des zweiten holographischen Elements in Bezug auf eine festgelegte Richtung identisch sein. Zum Beispiel können beide holographischen Elemente in Bezug auf eine festgelegte Richtung in der Reihenfolge RGB (R - mit rotem Licht aufgenommenes Hologramm, G - mit grünem Licht aufgenommenes Hologramm, B - mit blauem Licht aufgenommenes Hologramm) angeordnete Hologramme aufweisen, die so aneinander angeordnet sind, dass das Hologramm R des einen holographischen Elements an dem Hologramm B des anderen holographischen Elements angrenzt. Beliebige andere, voneinander abweichende Anordnungen sind ebenfalls möglich, zum Beispiel RGB an GBR angrenzend oder anliegend usw.
In der vorstehenden Beschreibung kann die holographische Anordnung vorzugsweise so verstanden werden, dass zwei holographische Elemente umfasst sind, welche entlang des Strahlengangs direkt hintereinander angeordnet sind, wobei ein erstes holographisches Element für die erste „reflektive“ Beugung ausgelegt ist und das zweite holographische Element für die „reflektive“ Beugung des Lichtes, welches bereits vorab vom ersten holographischen Element gebeugt wurde. Vorteilhafterweise befindet sich dazu das erste holographische Element entlang des Strahlengangs hinter dem zweiten holographischen Element. Dabei kann jedes holographische Element (bzw. das mindestens eine von diesem umfasste Hologramm) für einen oder mehrere Spektralbereiche ausgelegt sein.
Zum Zwecke der Manipulation von Wellenfronten für mehr als einen Spektralbereich kann es alternativ bevorzugt sein, dass mehr als ein Paar von holographischen Elementen umfasst ist, wobei jeweils ein Paar, welche für den gleichen Spektralbereich ausgelegt ist, unmittelbar hintereinander entlang des Strahlengangs angeordnet sind. In diesem Fall ist nicht nur mindestens ein Hologramm des ersten oder eines weiteren holographischen Elements mindestens einem Hologramm des zweiten oder eines weiteren holographischen Elements zugeordnet, sondern die Paare an holographischen Elementen an sich, welche jeweils für den gleichen Spektralbereich ausgelegt sind, sind einander zugeordnet. Beispielsweise kann die holographische Anordnung hierfür ein direkt hintereinander angeordnetes Paar von holographischen Elementen für den roten Spektralbereich, dann ein direkt hintereinander angeordnetes Paar holographischer Elemente für den grünen Spektralbereich und dann noch ein direkt aneinander angeordnetes Paar holographischer Elemente für den blauen Spektralbereich umfassen. Diese jeweiligen Paare sind vorzugsweise ebenfalls im Strahlengang direkt hintereinander angeordnet.
Die holographische Anordnung kann in Form mindestens einer Schicht oder einer mindestens einer Folie oder mindestens eines Substrats, zum Beispiel in Form mindestens eines Volumenhologramms, oder in Form mindestens 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, auf oder unter einer Oberfläche eines Deckglases bzw. Coverglasses oder eines anderen ohnehin vorhandenen optischen Bauteils angeordnet sein oder werden.
Es wird auf diese Weise kein bzw. kaum 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 bzw. einer weiteren Komponenten des Head-up-Displays (Bspw. Wellenfrontmanipulator und/oder holographische Komponente) angeordnet wird und welches dazu ausgelegt ist, Sonnenlicht in eine festgelegte Richtung zu reflektieren, sodass es nicht über das Head-up-Display (bzw. dessen weitere Komponente) 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.
Vorteilhafterweise ist die holographische Anordnung für eine Mehrzahl an Einstrahlwinkeln und/oder für eine Mehrzahl einander nicht überlappender Einstrahlwinkelbereiche ausgelegt. So können beispielsweise unterschiedliche Bildebenen in einem HUD durch die unterschiedlichen Winkel bzw. Winkelspektren realisiert werden. Dafür kann die holographische Anordnung bspw. separate Paare an holographischen Elementen für jeden Winkel bzw. für jedes eingestrahlte Winkelspektrum umfassen. Alternativ kann auch ein einzelnes Paar an holographischen Elementen für mehrere eingestrahlte Winkel bzw. Winkelspektren ausgelegt sein, z. B. durch jeweils mehrere umfasste Hologramme die jeweils für einen eingestrahlten Winkel bzw. ein eingestrahltes Winkelspektrum ausgelegt sind.
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. Insbesondere kann es sich bei dem optischen Element um einen Freiformspiegel handeln.
Der Wellenfrontmanipulator ist demnach ein wesentlicher Bestandteil des HUDs und wird aufgrund seiner Funktionalität häufig so angeordnet, dass seine Oberfläche Umgebungslicht ausgesetzt ist und diese entweder direkt oder bspw. über eine weitere Umlenkung an der Projektionsoberfläche unerwünschte Umlenkungen von Umgebungslicht in Richtung der Eyebox erzeugen kann. Daher ist ein Aufbringen einer Beschichtung auf einer Oberfläche des Wellenfrontmanipulators und/oder einer Oberfläche einer Abdeckung des Wellenfrontmanipulators besonders vorteilhaft.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst das Verfahren weiterhin die Bestimmung von Teilbereichen und/oder Komponenten des HUDs, für die die kritische Umlenkung vom HUD in die Eyebox stattfinden kann, wobei die Beschichtung auf die Teilbereiche und/oder Komponenten aufgebracht wird. Dies bedeutet, dass bei der Bestimmung nicht nur Winkelbereiche bestimmt werden, sondern auch die Komponenten und/oder Teilbereiche des HUDs, von denen aus die kritische Umlenkung stattfinden kann. Eine Beschichtung muss demnach nicht für alle Komponenten des HUDs stattfinden, sondern nur für solche, für die eine kritische Umlenkung tatsächlich stattfinden kann. In diesem Fall kann die Bestimmung von Teilbereichen und/oder Komponenten des HUDs synonym auch als Berechnung, Festlegung und/oder Ausgabe von Teilbereichen und/oder Komponenten des HUDs für die die kritische Umlenkung vom HUD in die Eyebox stattfinden kann bezeichnet werden. Dadurch, dass nur die wesentlichen Komponenten und/oder Teilbereiche des HUDs bestimmt werden, welche für eine kritische Umlenkung relevant sind und daher hinterher beschichtet werden müssen, kann eine besonders effiziente Entspiegelung des HUDs vorgenommen werden. Die bestimmten Teilbereiche und/oder Komponenten sind z. B. optische Komponenten zur Strahlanpassung (bspw. Wellenfrontmanipulator bzw. holographische Komponente zur Strahlanpassung) und/oder Coverglass.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird als einstrahlendes Umgebungslicht Strahlung angenommen wird, welche von einem Ursprungsbereich in Richtung des HUDs kollimiert ist, wobei als Ursprungsbereich der kollimierten Strahlung jeder Teilbereich einer in mehrere Teilbereiche aufgeteilten Oberfläche einer um das HUD zentrierten Hemisphäre angenommen wird, wobei eine spektrale Verteilung bevorzugt einer spektralen Verteilung eines Schwarzkörpers (bevorzugt zumindest teilweise) und/oder zumindest teilweise der spektralen Verteilung der Sonne entspricht. Der Fachmann weiß, wo er in der Literatur entsprechende Angaben findet zur spektralen Verteilung eines Schwarzkörpers bzw. der Sonne.
Für die Zentrierung kann ein Vorzugspunkt einer Komponente des HUDs herangezogen werden, bspw. ein (bevorzugt geometrischer) Schwerpunkt der Komponente oder von dessen Oberfläche
„Zumindest teilweise“ bedeutet in diesem Zusammenhang vorteilhafterweise eine Übereinstimmung (z. B. einen spektralen Überlapp) von mindestens 40%, stärker bevorzugt mindestens 50%, noch stärker bevorzugt mindestens 60%, noch einmal stärker bevorzugt mindestens 70% und insbesondere mindestens 80%.
Diese Ausführungsform ist ebenfalls in Figur 3 in der Beschreibung der Erfindung beschrieben. Die beschriebenen Annahmen sind besonders geeignet, direkte Einstrahlung von Sonnenlicht auf das HUD bzw. dessen Teilbereiche und/oder Komponenten zu simulieren.
Diese Simulation ist nicht nur für die Bestimmung durch ein computerimplementiertes Verfahren geeignet, sondern ebenfalls für einen Simulationsaufbau in einem Labor, welcher die vorstehend genannten Eigenschaften aufweist.
Je nach angenommener Größe der Teilbereiche kann der Ursprungsbereich auch als quasipunktförmig angenommen werden und es kann sich pro Ursprungsbereich nur um einen einzigen Strahl handeln, welcher vom jeweiligen Ursprungsbereich in Richtung des HUDs verläuft. Dabei ist ein einziger Strahl vorzugsweise als Modell für ein schmales kollimiertes Strahlenbündel anzusehen. Das ist vorzugsweise ebenfalls umfasst, wenn es heißt, dass die Strahlung vom Ursprungsbereich in Richtung des HUDs kollimiert ist.
Die vorstehenden Annahmen sind geeignet für eine besonders einfache und ressourcenschonende Simulation, wobei gleichzeitig Ergebnisse erzielt werden können, welche reales Umgebungslicht und dessen unerwünschte Umlenkung besonders gut nachbilden.
Für die Strahlung wird vorzugsweise bzgl. dessen spektraler Verteilung Schwarzkörperstrahlung angenommen, bspw. in einem Temperaturbereich von 1000 Kelvin (K) bis 10000 K, stärker bevorzugt in einem Temperaturbereich von 3000 K bis 8000 K, noch stärker bevorzugt in einem Temperaturbereich von 4000 K bis 7000 K und insbesondere in einem Temperaturbereich von 5000 K bis 6500 K, bspw. 6000 K. Der Fachmann weiß, wie er die spektrale Verteilung eines Schwarzkörpers annähern bzw. berechnen kann. Eine solche Strahlung ist einfach zu simulieren und bildet echtes Umgebungslicht dennoch realistisch ab.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die kritische Umlenkung dadurch definiert, dass ein Strahl bzw. Strahlung in die Eyebox umgelenkt werden kann.
Durch diese Ausführungsform, bei der kritische Umlenkung bereits dadurch gegeben ist, dass überhaupt Umgebungslicht unabhängig von der Intensität in die Eyebox umgelenkt wird, kann die Umlenkung von Umgebungslicht jeglicher Intensität vermindert bzw. verhindert werden. So kann besonders effektiv eine Entspiegelung eines HUDs realisiert werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die kritische Umlenkung dadurch definiert, dass eine Strahlungsintensität oder eine Leuchtdichte (von umgelenkter Strahlung innerhalb der Eyebox) oberhalb einer mittleren Strahlungsintensität oder Leuchtdichte von nicht umgelenkten Umgebungslicht (bevorzugt innerhalb der Eyebox) liegt.
Als mittlere Strahlungsintensität kann ein vom Fachmann routinemäßig bestimmbarer Wert herangezogen werden, z. B. die Leuchtdichte eines mittleren klaren Himmels von 8000 cd/m2 (Candela pro Quadratmeter).
So kann ein effizient entspiegeltes HUD bereitgestellt werden, bei dem nicht jegliche Umlenkung von Umgebungslicht in die Eyebox minimiert werden soll, sondern nur, wenn diese Intensitäten oder Leuchtdichten oberhalb eines Schwellwertes produziert.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist eine kritische Umlenkung ausgesucht aus der Gruppe umfassend Reflektion, insbesondere Fresnel-Reflektion, Refraktion, Streuung und/oder Diffraktion.
Diese Arten der Umlenkung sind bei einem HUD und dessen Komponenten besonders relevant.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst eine kritische Umlenkung die Diffraktion des zu einer Strahlanpassung gebeugten Spektralbereichs des holographischen Wellenfrontmanipulators und umfasst bevorzugt einen Wellenlängenbereich ausgesucht aus der Gruppe roter Spektral be re ich, insbesondere 640 nm, grüner Spektralbereich, insbesondere 525 nm und/oder 532 nm und/oder blauer Spektralbereich, insbesondere 446nm und/oder 460 nm. Dabei ist die Beschichtung bevorzugt für diesen Spektral- bzw. Wellenlängenbereich ausgelegt, was insbesondere bedeutet, dass diese eingerichtet ist, die Umlenkung vom einstrahlenden Umgebungslicht aus diesem Spektral- bzw. Wellenlängenbereich zu minimieren.
Das die kritische Umlenkung die Diffraktion des zu einer Strahlanpassung gebeugten Spektralbereichs des holographischen Wellenfrontmanipulators umfasst bedeutet vorzugsweise, dass es sich um unerwünschte Diffraktion handelt, welche lediglich im gleichen Spektralbereichs liegt wie der zu einer Strahlanpassung gebeugte Spektralbereichs des holographischen Wellenfrontmanipulators.
Der Wellenfrontmanipulator ist vorzugsweise für einen oder mehrere Spektralbereiche ausgelegt, s. o. Dies ist vorzugsweise der (mindestens eine) zu einer Strahlanpassung gebeugte Spektralbereich des holographischen Wellenfrontmanipulators. Da auch um Umgebungslicht in diesem Spektral be re ich und/oder angrenzend an diesen Spektralbereich liegen kann, kann auch eine unerwünschte Beugung (also insbesondere eine kritische Umlenkung) dieses Umgebungslichtes stattfinden. Daher ist es vorteilhaft, wenn die Beschichtung für diesen mindestens einen Spektral- bzw. Wellenlängenbereich ausgelegt ist, um diese Form der kritischen Umlenkung zu minimieren und somit ein verbessert entspiegeltes HUD bereitzustellen.
Dies kann bspw. dadurch geschehen, dass die Beschichtung in dem jeweiligen Spektralbereich für den bestimmten Winkelbereich intransparent oder strahlablenkend ist, jedoch für andere Winkelbereiche (insbesondere welche für den Betrieb des HUDs) benötigt werden, transparent.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Beschichtung Mottenaugenstrukturen und/oder Nanostrukturen.
Mottenaugenstrukturen sind bspw. in T. Lohmüller, M. Helgert, M. Sundermann, R. Brunner, J. P. Spatz: Biomimetic Interfaces for High-Performance Optics in the Deep-UV light range, Nano Letters, Juni 2008 sowie in Guanjun Tan et al.: Broadband antireflection film with moth-eye-like structure for flexible display applications, Optica, Vol. 4, No. 7, 678, Juli 2017 beschrieben, dessen Inhalt hiermit als von dieser Offenbarung umfasst gilt. Mottenaugenstrukturen sind für eine verbesserte Entspiegelung geeignet.
Nanostrukturen sind bspw. in Ashok K. Sood et al.: Nanostructured AR coatings for optoelectronic applications, Nova Science Publishers, 2015 beschrieben, dessen Inhalt hiermit als von dieser Offenbarung umfasst gilt. Nanostrukturen sind als AR-Beschichtung besonders effektiv.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Beschichtung eine Antireflexionsschicht, insbesondere eine dielektrische Schicht.
Diese sind besonders einfach, kostengünstig und effizient.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Beschichtung eingerichtet, eine Abschwächung der Umlenkung aus dem bestimmten Winkelbereich um mindestens 95%, vorzugsweise um mindestens 99% zu realisieren.
Der Fachmann weiß, wie er anhand von Berechnungen, Datenblättern o. ä. eine geeignete Beschichtung finden kann, um die entsprechende Abschwächung zu realisieren.
Eine Abschwächung um mindestens 95% ist für viele Fälle ausreichend und daher eine besonders effiziente Lösung.
Durch eine Abschwächung von mindestens 99% kann ein besonders verbessert entspiegeltes HUD realisiert werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Beschichtung eingerichtet, die Abschwächung der Umlenkung aus dem bestimmten Winkelbereich um mindestens 95% zu realisieren und eine Umlenkung aus mindestens einem anderen Winkelbereich, welcher vorzugsweise nicht mit dem bestimmten Winkelbereich überlappt, um weniger als 95% abzuschwächen, vorzugsweise um weniger als 80% abzuschwächen, stärker bevorzugt um weniger als 60% abzuschwächen und insbesondere um weniger als 40% abzuschwächen. Eine solche Beschichtung ist besonders für eine Abschwächung des bestimmten Winkelbereichs gegenüber anderen Winkelbereichen ausgelegt und ist daher besonders effizient und kostengünstig.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Beschichtung mehrere einzeln wirksame Schichtelemente, welche jeweils eingerichtet ist, die Umlenkung aus einem mit dem bestimmten Winkelbereich teilweise überlappenden Winkelbereich abzuschwächen, wobei die jeweiligen teilweise überlappenden Winkelbereiche zusammengenommen den bestimmten Winkelbereich überlappen.
Es handelt sich hierbei im Prinzip vorteilhafterweise um eine AR-Schicht, welche aus mehreren AR-Schichten, welche für jeweils kleinere Winkelbereiche ausgelegt sind, zusammengesetzt ist und erst bei der Zusammensetzung die Funktionalität erhält, die Umlenkung von Licht aus dem bestimmten Winkelbereich zu minimieren.
So kann eine geeignete Schicht besonders einfach hergestellt werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Beschichtung auf dem Wellenfrontmanipulator, insbesondere auf ein den Wellenfrontmanipulator abdeckendes Coverglass aufgebracht.
Das Coverglass kann vorzugsweise eine optisch für den verwendeten Spektralbereich transparente Abdeckung sein, welche den Wellenfrontmanipulator vor mechanischen Einflüssen und Verschmutzung schützt und gleichzeitig eine ästhetisch ansprechende Abdeckung der holographischen Komponente, bspw. zum Fahrzeuginnenraum hin, darstellt.
Auf dem Coverglass bedeutet vorzugsweise auf der Seite des Coverglasses, welche die von dem Wellenfrontmanipulator abgewandte Seite des Coverglasses darstellt. In einem Fahrzeug ist dies vorzugsweise die Seite des Coverglasses, die zum Fahrzeuginnenraum hin orientiert ist und für einen Nutzer, bspw. den Führer des Kraftfahrzeuges, sichtbar ist.
Eine Beschichtung auf dem Coverglass ist besonders einfach herzustellen (bspw. durch Beschichtung des Coverglasses). Vorteilhafterweise können dadurch (ebenso) unerwünschte Reflektionen von Umgebungslicht auf dem Coverglass verhindert werden.
Das Coverglass kann bspw. aus Glas, Polymethylmethacrylat (PMMA), Polycarbonate (PC) o. ä gefertigt sein.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein entspiegeltes HUD, hergestellt durch folgende Schritte:
Bereitstellen eines HUDs
Bestimmung von mindestens einem Winkelbereich von auf das HUD einstrahlenden Umgebungslichtes, für den eine kritische Umlenkung vom HUD in die Eyebox stattfinden kann (durch ein computerimplementiertes Verfahren)
Aufbringen mindestens einer Beschichtung auf das HUD, welche eingerichtet ist, die Umlenkung vom einstrahlenden Umgebungslicht aus dem bestimmten Winkelbereich zu minimieren. Dem Fachmann ist ersichtlich, dass Vorteile, Definitionen und Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens ebenso für die beanspruchte erfindungsgemäße Vorrichtung gelten.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst das HUD ein Glare Trap, ein gekrümmtes Coverglass und/oder eine Strahlfalle.
Die sogenannte Glare-Trap (Blendfalle) kann üblicherweise an einer Position zwischen einer Projektionsoberfläche und weiteren Komponenten des Head-up-Displays (Bspw.
Wellenfrontmanipulator und/oder holographische Komponente) angeordnet werden und ist bevorzugt dazu ausgelegt, Sonnenlicht in eine festgelegte Richtung zu reflektieren, sodass es nicht über das Head-up-Display in Richtung der Eyebox reflektiert wird. Vorzugweise weist die Glare-Trap dazu eine Krümmung auf. Die Glare-trap kann sich bspw. direkt anliegend an die holgraphische Komponente bzw. den Wellenfrontmanipulator befinden (bevorzugt zwischen dieser Komponente und der Projektionsoberfläche), wobei insbesondere der Manipulator bzw. die Komponente die gleiche Krümmung aufweist wie die Glare-Trap.
Das Coverglass kann vorzugweise ebenfalls eine Krümmung aufweisen, wobei insbesondere der von diesem abgedeckte Manipulator bzw. die abgedeckte holographische Komponente die gleiche Krümmung aufweisen wie das Coverglass.
Die Strahlfalle ist bspw. als absorbierendes Element ausgestaltet und wird vorteilhaftweise so angeordnet, dass diese Umgebungslicht direkt blockt, so dass es weder auf direktem Wege oder nach Umlenkung in die Eyebox gelangen kann. Gleichzeitig kann aufgrund der Anforderungen an die freie Sicht des Nutzers des HUDs diese Strahlfalle bevorzugt nur in Bereiche des HUDs bzw. von dessen Umgebung eingebracht werden, wo diese den Nutzer nicht in seiner freien Sicht durch die Projektionsoberfläche behindert.
Glare-Trap und Strahlfalle können so angeordnet und/oder eingerichtet sein, dass das von der Glare-Trap reflektierte Licht zumindest teilweise in der Strahlfalle landet und von dieser geblockt wird.
Daher kann insbesondere eine Kombination der o. g. Elemente für eine zusätzlich verbesserte Entspiegelung herangezogen werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst das HUD weiterhin eine holographische Komponente zur Strahlanpassung, insbesondere einen holographischen Wellenfrontmanipulator, wobei in einem Strahlengang zwischen holographischer Komponente und der vorgesehenen Eyebox des HUDs mindestens ein Bandpassfilter angeordnet ist, wobei der Bandpassfilter durchlässig ist für sichtbares Licht in mindestens einem ersten Spektralbereich, welcher mindestens einen von der holographischen Komponente zur Strahlanpassung gebeugten Spektralbereich umfasst, und wobei der Spektralfilter bevorzugt eingerichtet ist für eine Unterdrückung von sichtbarem Licht außerhalb des ersten Spektralbereichs.
Dies ist ebenfalls in der DE 102022214243 beschrieben, deren Inhalt hiermit als von dieser Offenbarung umfasst gilt. Der Bandpassfilter kann vorteilhaftweise direkt anliegend an der Beschichtung des HUDs, entweder oberhalb oder unterhalb, anliegen.
Der Strahlengang umfasst insbesondere das Volumen, welches von den Strahlen eingenommen wird, welche zum Betrieb des HUDs verwendet werden. Typischerweise erstreckt sich der Strahlengang von der Lichtquelle über alle optischen Komponenten des HUDs (bspw. zur Strahlführung) bis hin zu einer Eyebox des HUDs.
Eine holographische Komponente zur Strahlanpassung kann mindestens ein Hologramm, insbesondere mindestens ein HOE umfassen, welches als Teil des HUDs eine optische, bevorzugt strahlanpassende Funktion erfüllt, z. B. eine Strahlformung, eine Strahlumlenkung/- führung und/oder eine optische (spektrale, winkelselektive und/oder polarisationsselektive) Filterfunktion. Die Funktion wird dabei vorzugsweise im zur Strahlanpassung gebeugten Spektralbereich erfüllt. Es kann auch mehrere zur Strahlanpassung gebeugte Spektralbereiche geben, innerhalb derer die strahlanpassende Funktion erfüllt wird. Der o. g. holographische Wellenfrontmanipulator ist vorzugsweise eine holographische Komponente.
Der spektrale Bereich ist vorzugsweise ein zusammenhängender Bereich, so dass mehrere spektrale Bereiche vorzugsweise mehrere, nicht zusammenhängende spektrale Bereiche umfassen.
Strahlformend bedeutet vorzugsweise die Form des Strahls beeinflussend. Strahlformung kann insbesondere eine Manipulation der Wellenfronten umfassen. Strahlformend umfasst bspw. kollimierend, fokussierend, defokussierend, die Divergenz vergrößernd, Aufweiten des Strahldurchmessers, Verkleinern des Strahldurchmessers, generell Änderung der Größe und/oder der Form des Strahlquerschnitts o. ä.
Eine Strahlführung bzw. -umlenkung beschreibt insbesondere eine durch eine optische Komponente erzwungene Abweichung des Strahlengangs von einem ungestörten elektromagnetischen (Licht-) Strahl. Eine Strahlführung kann bspw. eine Strahlfaltung umfassen, um den Strahl unter gegebenen Randbedingungen (z. B. Bauraum, Größe der Eyebox, Größe der Abbildung, Position der Abbildung etc.) von der Lichtquelle bis zur Eyebox zu führen.
Die holographische Komponente zur Strahlanpassung ist bevorzugt eingerichtet, den Lichtstrahl (synonym: das Lichtstrahlbündel, die Lichtstrahlen) mindestens eines spektralen Bereichs (des zur Strahlanpassung gebeugten Spektralbereichs) gemäß der funktionellen Bestimmung der holographischen Komponente anzupassen.
Die holographische Komponente zur Strahlanpassung kann jedoch vorzugsweise eingerichtet sein, den Lichtstrahl (synonym: das Lichtstrahlbündel, die Lichtstrahlen) mehrerer (bspw. zweier oder dreier) spektralen Bereiche (also mehrerer zur Strahlanpassung gebeugten Spektralbereiche) gemäß der funktionellen Bestimmung der holographischen Komponente anzupassen.
Typischerweise wird die holographische Komponente dafür eingerichtet sein, eine Strahlanpassung des von der mindestens einen Lichtquelle des HUDs ausgesendeten mindestens einen spektralen Bereichs vorzunehmen. Daher ist das mindestens eine Beugungsgitter der holographischen Komponente zur Strahlführung vorzugsweise ausgelegt, Licht in diesem spektralen Bereich entsprechend der gewünschten Funktionalität zu beugen. Außerdem ist die örtliche Anordnung der HUD Komponenten zueinander meistens festgelegt, so dass nicht nur der gebeugte spektrale Bereich festgelegt ist, sondern auch die Richtung, aus der das zu beugende Licht auf die holographische Komponente auftritt. Diese Richtung kann vorzugsweise ebenso durch einen Winkel beschrieben werden bzw. ein Winkelspektrum um diesen Winkel herum, wenn es sich um mehr als eine Richtung handelt, was bei der flächigen Ausdehnung der optischen Komponenten, einem gewünschten Field-of-view und einer nicht perfekt kollimierten Strahlführung in der Regel der Fall ist. Daher weist die holographische Komponente typischerweise einen Schwerpunktswinkel und/oder ein Winkelspektrum auf, welcher mit dem Winkel bzw. Winkelspektrum übereinstimmt, aus der das zu beugende Licht auf die holographische Komponente auftritt.
Der Schwerpunktswinkel ist vorzugsweise der Winkel, für den die holgraphische Komponente die maximale Beugungseffizienz aufweist. Das Winkelspektrum der holographischen Komponente ist vorzugsweise ein Winkelbereich, der eine durch den Schwerpunktswinkel gegebene Orientierung aufweist. Das Winkelspektrum der holographischen Komponente ist insbesondere der (zusammenhängende) Bereich von Winkeln um den Schwerpunktswinkel herum, für den die holographische Komponente ebenfalls die (gewünschte) Beugung vornimmt. Dieses Winkelspektrum kann beispielsweise dadurch definiert sein, dass die Beugungseffizienz dort mindesten 50% der maximalen Beugungseffizienz aufweist. Das Winkelspektrum kann dabei entlang einer oder parallel zu einer Schnittebene mit dem Schwerpunktswinkel definiert sein, wenn bspw. die holographische Komponente nur Licht, dessen Richtung innerhalb oder parallel zu dieser Ebene liegt, beugt. Das Winkelspektrum kann jedoch auch entlang mehrerer Schnittebenen mit dem Schwerpunktswinkel (bzw. parallel zu diesen) definiert sein und sich dabei auch jeweils unterscheiden. Bspw. kann das Winkelspektrum entlang bzw. parallel zu zwei zueinander senkrechten Schnittebenen mit dem Schwerpunktswinkel definiert sein.
Vorzugsweise sind Schwerpunktswinkel und/oder Winkelspektrum der holographischen Komponenten mit dem durch diese gebeugten Spektral be re ich verknüpft, so dass eine typische Beschreibung der holographischen Komponente in der Angabe des Schwerpunktswinkels und des darum verteilten Winkelspektrums für einen (mindestens einen) spezifischen gebeugten Spektralbereich besteht.
Somit ist die holographische Komponente vorzugsweise eingerichtet, Licht mindestens eines spektralen Bereiches und mindestens eines Winkelspektrums zu beugen, um die gewünschte Strahlanpassung zu erreichen. Beispielsweise kann die Lichtquelle Licht im roten (R), grünen (G) und blauen (B) Spektralbereich aussenden, um ein farbiges bzw. Weißlicht-HUD zu realisieren. Das Licht hat im jeweiligen Spektralbereich eine jeweilige spektrale Verteilung mit einer gewissen Breite. Die holographische Komponente ist dann vorzugsweise eingerichtet, Licht dieser Spektralbereiche, welches aus Richtung der Lichtquelle oder einer weiteren, vorgelagerten Komponente des HUDs (somit Licht mit einem gegebenen Winkelspektrum und/oder Schwerpunktswinkel) entsprechend zu beugen.
Ein Bandpassfilter bezeichnet vorzugsweise einen Filter, welcher für elektromagnetische Strahlung eines Spektralbereiches weitestgehend durchlässig ist. Die Frequenz- bzw. Wellenlängenbereiche unterhalb und oberhalb des Durchlassbereiches werden dabei vorzugsweise nicht durchgelassen oder deutlich abgeschwächt.
Es kann im Sinne der Erfindung auch bevorzugt sein, dass der hier verwendete Bandpassfilter elektromagnetische Strahlung von mehr als einem ersten Spektralbereich passieren lässt, bspw. von einem zweiten, einem dritten oder noch mehr Spektralbereichen, und zwischen diesen Spektralbereichen die Strahlung blockiert bzw. abschwächt. Dies ist insbesondere wünschenswert, wenn die holographische Komponente mehr als einen Spektralbereich zur Strahlanpassung beugt.
Dabei ist der Bandpassfilter durchlässig für sichtbares Licht in mindestens einem ersten Spektralbereich (vorzugsweise ebenso in einem zweiten und besonders bevorzugt ebenso in einem dritten Spektralbereich), welcher mindestens einen von der holographischen Komponente zur Strahlanpassung gebeugten Spektralbereich umfasst, und vorzugsweise eingerichtet für eine Unterdrückung von sichtbarem Licht außerhalb des mindestens ersten Spektralbereichs.
Wie vorstehend besprochen ist die holographische Komponente ausgelegt für mindestens einen von der holographischen Komponente zur Strahlanpassung gebeugten Spektral be re ich und/oder ein von der holographischen Komponente zur Strahlanpassung gebeugtes Winkelspektrum (und den entsprechenden Schwerpunktswinkel). Licht anderer Spektralbereiche, aus anderen Winkeln und/oder mit anderen Winkelspektren wird vorteilhafterweise von der holographischen Komponente entweder gar nicht gebeugt oder aber anders gebeugt als das Licht für das HUD. Dennoch ist es möglich, dass Licht aus anderen Spektralbereichen und/oder anderen Richtungen (somit anderen Winkeln und/oder Winkelspektren) durch die holographische Komponente ebenfalls in einer Art gebeugt wird, dass dieses Licht direkt von der holographischen Komponente aus oder im Zusammenspiel mit weiteren Komponenten des HUDs in Richtung der Eyebox gelenkt wird und somit Störlicht in der Eyebox erzeugen kann. Dies liegt insbesondere daran, dass das von der holographischen Komponente umfasste Beugungsgitter auch für andere Winkel und/oder Wellenlängen von einfallendem Licht konstruktive Interferenz und somit gebeugtes Licht in verschiedenste Richtungen erzeugen kann. Dies ist eine immanente Eigenschaft des Beugungsgitters und kann nicht vollständig verhindert werden.
Dadurch dass nun der Bandpassfilter durchlässig ist für sichtbares Licht in mindestens einem ersten Spektralbereich, welcher mindestens einen von der holographischen Komponente zur Strahlanpassung gebeugten Spektralbereich umfasst, und vorzugsweise eingerichtet für eine Unterdrückung von sichtbarem Licht außerhalb des mindestens ersten Spektralbereichs, kann im Wesentlichen verhindert, bzw. unterdrückt werden, dass Licht anderer Spektralbereiche als dem des mindestens ersten Spektralbereichs die holographische Komponente erreicht und somit von dieser in Richtung der Eyebox gebeugt werden kann.
Dadurch dass der Bandpassfilter vorzugsweise in verschiedene Richtungen funktioniert, kann darüber hinaus ebenso verhindert werden, dass Licht anderer Spektralbereiche, welche die holographische Komponente trotz Filter erreichen und von dieser gebeugt werden, den Bandpassfilter passieren, da der Bandpassfilter z. B. auch in die Richtung funktioniert, die Licht nach Beugung an der holographischen Komponente aufweist. Somit wirkt der Bandpassfilter vorzugsweise zur Unterdrückung von Licht unerwünschter Spektralbereiche in Richtung der holographischen Komponente als auch zu Unterdrückung von Licht unerwünschter Spektralbereiche nach Beugung durch die holographische Komponente. Durch die Anordnung des Bandpassfilters im Strahlengang zwischen holographischer Komponente und einer vorgesehenen Eyebox des HUDs kann somit durch die holographische Komponente gebeugtes Störlicht stark verringert bzw. beseitigt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Unterdrückung eine Abschwächung um mindestens einen Faktor 10, vorzugsweise einen Faktor 20 und insbesondere einen Faktor 100. Als Referenz wird hier insbesondere die auf den Bandpassfilter einstrahlende Intensität herangezogen und mit dem den Bandpassfilter passierende Intensität des gleichen Lichtes (bzw. dessen Anteil, der den Filter passiert hat) verglichen. Die Abschwächung kann dabei für verschiedene Einfallswinkel und/oder Spektren unterschiedlich sein, wobei bevorzugt für die Bestimmung der Abschwächung der am wenigsten abgeschwächte Winkel bzw. das am wenigsten abgeschwächte Spektrum herangezogen wird.
Es hat sich herausgestellt, dass bereits für eine Abschwächung um einen Faktor 10 eine ausreichende Störlichtbeseitigung bei geringen Anforderungen an den Bandpassfilter erreicht werden kann. Diese Lösung ist somit besonders einfach und kostengünstig.
Bei einer Abschwächung von einem Faktor 20 kann ein besonders guter Kompromiss zwischen Bandpassfilterqualität und verbesserter Abschwächung erzielt werden. Diese Lösung ist somit besonders effizient.
Bei einer Abschwächung von einem Faktor 100 kann eine Störlichtreduzierung erreicht werden, welche auch bei kritischen Anwendungen hohe Sicherheit und Bedienbarkeit bei jeglichen Bedingungen bietet.
Insbesondere die Kombination von entspiegeltem HUD durch gezielte Beschichtung und Verwendung eines Bandpassfilters kann ein verbessertes, entspiegeltes HUD realisiert werden.
Beschreibung der Erfindung:
Die Erfindung soll im Folgenden unter Verweis auf weitere Abbildungen und Beispiele erläutert werden. Die Beispiele und Abbildungen dienen der Illustration bevorzugter Ausführungsform der Erfindung, ohne diese zu beschränken.
Figuren 1a und 1 b zeigen Komponenten eines HUDs, welches als Projektionsoberfläche eine Windschutzscheibe aufweist.
Figur 2a-d zeigen aus verschiedenen Perspektiven zwei durch das Verfahren bestimmte, beispielhafte Winkel eines exemplarischen HUDs, für die eine kritische Umlenkung in die Eyebox stattfindet.
Figur 3 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der bei der Simulation getroffenen Annahmen.
Figur 4 zeigt Reflektionseigenschaften einer Mottenaugen-Antifreflektionsschicht, welche beispielhaft optimiert ist. Figur 5a und 5b zeigen ein HUD mit einer Windschutzscheibe, welches zusätzlich eine Glare- Trap und eine Strahlfalle aufweist.
Figur 6 zeigt ortsaufgelöst die Intensität von umgelenkten Lichtstrahlen in die Eyebox für ein simuliertes HUD.
Figur 7 stellt die wesentlichen Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens dar.
Figur 1a zeigt Komponenten eines HUDs 1 in einer perspektivischen Ansicht, welches als Projektionsoberfläche 2 eine Windschutzscheibe 3 aufweist. Zusätzlich zu dieser ist noch die holographische Komponente zur Strahlanpassung 23 gezeigt, im vorliegenden Fall ein Waveguide zur Strahlaufweitung, welcher von einem Coverglass 5 abgedeckt ist. Ebenfalls gezeigt ist die designierte Eyebox 6 des HUDs 1 . Im vorliegenden Fall kann diese bspw. eine Augenposition eines Fahrers umfassen. Sonnenstrahlen können nun so von den gezeigten Komponenten des HUDs 1 umgelenkt, insbesondere reflektiert werden, dass diese ihren Weg in die Eyebox 6 finden. Eine beispielhafte Reflektion kann direkt von dem Coverglass 5 in die Eyebox 6 stattfinden. Eine andere beispielhafte Reflektion wird vom Coverglass 5 über die Windschutzscheibe 3 in die Eyebox 6 reflektiert. Da nicht aus allen möglichen Winkeln solche kritischen Umlenkungen in die Eyebox 6 stattfinden können, kann durch das hier beschriebene Verfahren und das entsprechende HUD 1 eine besonders effiziente Entspiegelung vorgenommen werden, indem nur diejenigen Winkelbereiche bestimmt werden, aus denen heraus die kritische Umlenkung stattfinden kann. Anschließend wird eine Beschichtung zur Minimierung der kritischen Umlenkung aufgebracht, welche gezielt für die bestimmten Winkelbereiche funktioniert.
Fig. 1b zeigt ein zu dem in Fig. 1a gezeigten ähnliches HUD 1 in einer perspektivischen Ansicht, welche einen etwas frontaleren Blick auf die Windschutzscheibe 3 ermöglicht. Neben den bereits in Fig. 1 a gezeigten Komponenten des HUDs 1 werden hier darüber hinaus die Komponenten Freiformspiegel 13 und Bildgeber 22 gezeigt. Anstelle einer holographischen Komponente 23 in Form eines Waveguides ist hier ein Wellenfrontmanipulator 4 umfasst.
Figuren 2a-d zeigen zwei beispielhafte, durch das Verfahren bestimmte Winkel 24 eines exemplarischen HUDs 1 , für die eine kritische Umlenkung in die Eyebox 6 stattfindet. Umgebungslicht 9 aus dem ersten Winkel 8‘ wird in den Figuren 2a und 2b gezeigt, Umgebungslicht 9 aus dem zweiten Winkel 8“ in den Figuren 2c und 2d gezeigt. Die Figuren 2a und 2c zeigen das HUD 1 seitlich, wobei der jeweilige Winkel 8‘, 8“ in der Figurenebene liegt. Die Figuren 2b und 2d zeigen Umgebungslicht 9 aus den in Figur 2a bzw. c gezeigten Winkeln 8‘, 8“ in einer perspektivischen Sicht auf das HUD 1. In allen gezeigten Beispielen findet durch einfallendes Licht 9 eine kritische Reflektion an dem Wellenfrontmanipulator 4 bzw. dessen Coverglass 5 statt, welche durch eine weitere Reflektion an der Windschutzscheibe 3 schlussendlich in der Eyebox 6 landet. Die Winkel 8 werden in einem solchen Fall vorzugsweise für die Komponente des HUDs 1 bestimmt, auf die anschließend die Beschichtung aufgebracht werden soll. Dies ist im vorliegenden Fall aus praktischen Gründen (z. B. Transparenz der Projektionsoberfläche) der Wellenfrontmanipulator 4 bzw. dessen Coverglass 5. Außerdem findet an dieser Komponente die wesentliche Umlenkung innerhalb des HUDs 1 statt, die hinterher in der Eyebox 6 landet. Der Winkelbereich des einfallenden Lichtes 9 wird dabei vorzugsweise in Bezug auf die Normale 7 zum Wellenfrontmanipulator 4 bzw. Coverglass 5 gemessen. Die Anteile des simulierten Sonnenlichtes, welche durch Reflektion in der Eyebox 6 landen, sind dabei in den gezeigten Beispielen 0,00983% (Figuren 2c und 2d) bzw. 1 ,52% (Figuren 2a und 2b). Dies klingt nach wenig, da jedoch auch ein sehr geringer Anteil an reflektiertem Sonnenlicht in der Eyebox 6 als störend und hinderlich bei der Ablesung des HUDs 1 empfunden wird, soll vorzugsweise bereits ein solch geringer Anteil weiter minimiert werden. Im Sinne des Verfahrens kann es somit vorteilhaft sein, jegliche Strahlumlenkung in die Eyebox 6 als „kritisch“ zu definieren. Die hier gezeigten, beispielhaften Winkel 8 liegen innerhalb eines durch eine Simulation für die gezeigten HUDs bestimmten Winkelbereichs, welcher von 10° bis 40° reicht und innerhalb der Bildebene liegt. Die Winkelbereiche können auch in anderen Ebenen liegen und gleich dem in der Bildebene bestimmten Winkelbereich sein, jedoch in manchen Fällen auch unterschiedlich.
Figur 3 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der bei der Simulation getroffenen Annahmen. Hierbei wird vorteilhafterweise die Einstrahlung von direktem Sonnenlicht simuliert, dessen kritische Umlenkung als besonders störend und unter Umständen gar als gefährlich gilt, nicht so sehr wegen der Intensität an sich, sondern vor allem wegen der eingeschränkten Sicht auf das HUD 1 und/oder z. B. den Verkehr. Gezeigt sind hier einige exemplarische Strahlengänge, bspw. 9‘ und 9“. Als Ursprungsbereiche 10 sind die jeweils in zeichnerische Näherung als Punkte dargestellte Bereiche 10‘ und 10“ abgebildet. Diese Bereiche 10‘, 10“ sind wiederum Teilbereiche einer um das HUD 1 zentrierten Hemisphäre, die hier nur ausschnittsweise (Bezugszeichen 11) gezeigt ist. Da das HUD 1 wiederum eine endliche Ausdehnung hat und aus mehreren Komponenten besteht, kann die Zentrierung vorteilhaftweise um eine Komponente herum vorgenommen werden, die bei der kritischen Umlenkung eine wesentliche Rolle spielt, vorliegend der Wellenfrontmanipulator 4 bzw. dessen Coverglass 5. Die Bestimmung dieser Komponente kann aufgrund von Erfahrungswerten, theoretischen Betrachtungen und/oder aufgrund von (bspw. mehreren, vorgelagerten) Simulationen vorgenommen werden. Für die Zentrierung kann wiederum ein Vorzugspunkt der Komponente herangezogen werden, bspw. ein (bevorzugt geometrischer) Schwerpunkt der Komponente oder von deren Oberfläche. Wie aus der Zeichnung zu erkennen ist, bedeutet Zentrierung um das HUD 1 bevorzugt, dass der Mittelpunkt bzw. Ausgangspunkts des Radius 12 der Hemisphäre im HUD 1 , bspw. am genannten Vorzugspunkt liegt. Dieser Mittelpunkt 12 genannte Punkt ist vorzugsweise der Ausgangspunkt der Radien der Hemisphäre. Der Radius der Hemisphäre kann vorzugsweise aufgrund von praktischen Erwägungen gewählt werden. Dass die Strahlung (z. B. 9‘ und 9“) von einem Ursprungsbereich 10 in Richtung des HUDs 1 kollimiert ist, bedeutet vorzugsweise, dass die Strahlenbündel von jedem Ursprungsbereich 10 ein kollimiertes Strahlenbündel bilden und in Richtung des HUDs 1 verlaufen, wobei in Richtung des HUDs 1 vor allem in Richtung der Komponente des HUDs 1 bzw. in Richtung von dessen Vorzugspunkt verläuft. Im gezeigten Beispiel ist das ein Punkt auf der Oberfläche des Wellenfrontmanipulators 4 bzw. des Coverglasses 5. Dabei ist im gezeigten Beispiel kein kollimiertes Strahlenbündel gezeigt, sondern jeweils nur ein Strahl. Strahlung von verschiedenen Ursprungsbereichen 10 ist ersichtlicherweise jeweils in verschiedene Richtungen zum Punkt 12 hin kollimiert. Jeder Ursprungsbereich 10 und das dazugehörige Strahlenbündel 9 kann dabei einem möglichen Sonnenstand und dem dazugehörigen Strahlenbündel der Sonne bei verschiedenen Orientierungen des Fahrzeugs entsprechen. Figur 4 zeigt Reflektionseigenschaften einer Mottenaugen-Antifreflektionsschicht, welche beispielhaft optimiert ist, die Umlenkung (hier: Reflektion) aus einem bestimmten Winkelbereich zwischen 10° und 40° zu minimieren.
Auf der linken Seite ist durch einen Farbcode mit unterschiedlichen Graustufen (s. rechte y-Achse bzw. rechte Ordinatenachse) die Reflektivität in % in Abhängigkeit der einstrahlenden Wellenlänge (s. x-Achse oder Abzissenachse) und des Einfallswinkels (s. linke y-Achse bzw. linke Ordinatenachse) gezeigt. Es ist sichtbar, dass die (unerwünschte) Reflexivität zu größeren Einfallswinkeln und Wellenlängen hin größer wird und dabei Werte von 1% oder größer bzw. 5% oder größer erreicht, welche je nach Ausführungsform bereits zu groß sind. Da jedoch aufgrund der Simulation eben bekannt ist, dass der bestimmte Winkelbereich für eine kritische Umlenkung zwischen 10° und 40° liegt, ist bei richtiger Aufbringung der Schicht dieser Umstand unkritisch. Gleichzeitig ist eine solche Schicht, welche auf einen kleineren Winkelbereich hin optimiert ist, wesentlich kostengünstiger, einfacher und leichter.
Auf der rechten Seite ist die Reflexivität in % (y-Achse) für den Winkelbereich zwischen 10° und 40° exemplarisch für die drei Wellenlägen 450 nm (mit Kreisen versehen), 532 nm (mit Dreiecken versehen) und 650 nm (mit Kreuzen versehen) dargestellt. Lediglich für 650 nm überschreitet die Reflexivität für einen Winkelbereich zwischen 35° und 40° den möglicherweise kritischen Wert von 1 %. Diese Wellenlängen sind ebenfalls im linken Bild durch die entsprechenden Symbole gekennzeichnet.
Die Annahme bei beiden Figuren ist, dass das einstrahlende Licht 45° linear polarisiertes Licht ist. Man könnte ebenfalls eine über alle möglichen Polarisationen gemittelte Reflexivität berechnen, dies würde jedoch vorteilhafterweise zu dem gleichen Ergebnis führen.
Figuren 5a und b zeigen ein HUD 1 mit einer Windschutzscheibe 3. Die dargestellte Ausführungsform umfasst des Weiteren einen Freiformspiegel 13 als weitere Komponente des HUDs 1 , einen als Glaretrap 14 ausgestalteten Wellenfrontmanipulator 4 und eine Strahlfalle 15. Die Wirkungsweise dieser zusätzlichen Komponenten soll im Folgenden anhand der beispielhaft gezeigten, einfallenden Lichtstrahlen 9 erklärt werden. Zunächst einmal wird ein Teil der einfallenden Lichtstahlen 16 direkt durch die Strahlfalle 15 geblockt, welche bspw. als absorbierendes Element ausgestaltet sein kann. Diese können somit nicht in die Eyebox 6 gelangen. Gleichzeitig kann aufgrund der Anforderungen an die freie Sicht des Nutzers des HUDs die Strahlfalle 15 nur in Bereiche des HUDs bzw. von dessen Umgebung eingebracht werden, wo diese den Nutzer nicht in seiner freien Sicht durch die Windschutzscheibe 3 nach außen behindert. Für die übrigen Bereiche ist die Glaretrap 14 vorgesehen. Diese umfasst insbesondere einen derart um mindestens eine Achse gekrümmten Wellenfrontmanipulator 4, dass im Zusammenspiel mit der Projektionsoberfläche 2 in Form der Windschutzscheibe 3 die vom Wellenfrontmanipulator reflektierten Strahlen in Bereiche außerhalb der Eyebox 6 umgelenkt werden. Lediglich in die Safety-Eyebox 17 kann noch eine geringe Intensität gelangen.
Insbesondere im Zusammenspiel mit dem in diesem Dokument beschriebenen Verfahren zur Entspiegelung eines HUDs 1 mittels Berechnung bestimmter Winkelbereiche und entsprechender Beschichtung des HUDs 1 kann so eine Eyebox 6 frei von unerwünschten Umgebungslichtstrahlen erreicht werden. Figur 5a zeigt eine Seitenansicht des HUDs 1 , Figur 5b zeigt eine perspektivische Ansicht. Bei der perspektivischen Ansicht gemäß Figur 5b ist zusätzlich die Intensitätsverteilung von umgelenktem Umgebungslicht um und in die Eyebox 6 gezeigt. Dabei wird die Größe der Intensität von dunkelgrau (praktisch keine Intensität) bis hellgrau bzw. weiß immer stärker.
Dies ist noch einmal in Figur 6 verdeutlicht, welche ortsaufgelöst (in Millimeter - mm) die Intensität (Bestrahlungsstärke in Watt pro Quadratmillimeter - W/mmA2, s. rechte Graustufenskala) von umgelenkten Lichtstrahlen in die Eyebox 6 sowie um die die Eyebox umgebenden Sicherheitsbereiche 17‘ und 17“ für ein simuliertes HUD 1 nach Figur 5 darstellt. Es ist ersichtlich, dass lediglich unterhalb der Eyebox 6 etwas umgelenkte Intensität in den Sicherheitsbereich 17“ gerät. Dies könnte durch weitere Optimierung, bspw. der HUD-Geometrie, noch verbessert werden.
Figur 7 stellt noch einmal die wesentlichen Verfahrensschritte dar. In einem ersten Schritt 18 wird ein HUD bereitgestellt. In einem nächsten Schritt 19 werden die Winkelbereiche von auf das HUD einstrahlenden Umgebungslichtes bestimmt, für die eine kritische Umlenkung vom HUD in die Eye box stattfinden kann.
In einem weiteren Schritt 21 wird dann mindestens einer Beschichtung auf das HUD aufgebracht, welche eingerichtet ist, die Umlenkung vom einstrahlenden Umgebungslicht aus dem bestimmten Winkelbereich zu minimieren.
Es kann weiterhin der Zwischenschritt 20 (gestrichelt gezeichnet) umfasst sein, welcher die Herstellung der aufzubringenden Beschichtung umfasst.
BEZUGSZEICHENLISTE
1 Head-Up Display (HUD)
2 Projektionsoberfläche
3 Windschutzscheibe
4 Wellenfrontmanipulator
5 Coverglass
6 Eye box
7 Normale zur Bestimmung des Winkelbereichs
8 Winkel innerhalb des bestimmten Winkelbereichs
9 Einfallendes Umgebungslicht
10 Ursprungsbereiche
11 Ausschnitt der Hemisphäre
12 Mittelpunkt der Hemisphäre
13 (Freiform-) Spiegel
14 Glaretrap
15 Strahlfalle
16 Teil der einfallenden Lichtstahlen, welcher durch die Strahlfalle geblockt wird
17 Sicherheitsbereich um die Eyebox
18 Bereitstellen HUD
19 Bestimmung der Winkelbereiche
20 Herstellen der Beschichtung
21 Aufbringen der Beschichtung
22 Bildgeber
23 Holographische Komponente zur Strahlanpassung

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1 . Verfahren zur Entspiegelung eines Head-Up Displays (HUD) (1) mit einer definierten Eyebox (6), umfassend die folgenden Schritte:
Bereitstellen eines HUDs (18)
Bestimmung von mindestens einem Winkelbereich (19) von auf das HUD (1) einstrahlenden Umgebungslicht (9), für den eine kritische Umlenkung vom HUD (1) in die Eye box (6) stattfinden kann
Aufbringen mindestens einer Beschichtung (21) auf das HUD (1), welche eingerichtet ist, die Umlenkung vom einstrahlenden Umgebungslicht (9) aus dem bestimmten Winkelbereich zu minimieren.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , umfassend weiterhin folgenden Zwischenschritt:
Herstellen der Beschichtung (20).
3. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das HUD (1) eine Projektionsoberfläche (2), insbesondere eine Windschutzscheibe (3), und einen Wellenfrontmanipulator (4) zur Anordnung im Strahlengang des Head-up-Displays (1) zwischen einer bildgebenden Einheit und der Projektionsoberfläche (2) umfasst, wobei der Wellenfrontmanipulator (4) insbesondere ein holographischer Wellenfrontmanipulator (4) ist.
4. Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, umfassend weiterhin die Bestimmung von Teilbereichen und/oder Komponenten des HUDs (1), für die die kritische Umlenkung vom HUD (1) in die Eyebox (6) stattfinden kann, wobei die Beschichtung auf die Teilbereiche und/oder Komponenten aufgebracht wird.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, wobei als einstrahlendes Umgebungslicht (9) Strahlung angenommen wird, welche von einem Ursprungsbereich (10) in Richtung des HUDs (1) kollimiert ist, wobei als Ursprungsbereich (10) der kollimierten Strahlung jeder Teilbereich einer in mehrere Teilbereiche aufgeteilten Oberfläche einer um das HUD zentrierten Hemisphäre (11) angenommen wird, wobei bevorzugt eine spektrale Verteilung einer spektralen Verteilung eines Schwarzkörpers und/oder der Sonne zumindest teilweise entspricht.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, wobei die kritische Umlenkung dadurch definiert ist, dass ein Strahl oder Strahlung in die Eyebox (6) umgelenkt werden kann oder wobei die kritische Umlenkung dadurch definiert ist, dass eine Strahlungsintensität oberhalb einer mittleren Strahlungsintensität von nicht umgelenkten Umgebungslicht liegt. Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, wobei eine kritische Umlenkung ausgesucht ist aus der Gruppe umfassend Reflektion, insbesondere Fresnel- Reflektion, Refraktion, Streuung und/oder Diffraktion. Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche 3-7, wobei die kritische Umlenkung die Diffraktion des zu einer Strahlanpassung gebeugten Spektralbereichs des holographischen Wellenfrontmanipulators (4) umfasst und insbesondere einen Wellenlängenbereich ausgesucht aus der Gruppe roter Spektralbereich, insbesondere 640 nm, grüner Spektralbereich, insbesondere 525 nm und/oder 532 nm und/oder blauer Spektralbereich, insbesondere 446nm und/oder 460 nm umfasst. Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, wobei die Beschichtung Mottenaugenstrukturen und/oder Nanostrukturen umfasst und/oder wobei die Beschichtung eine Antireflexionsschicht, insbesondere eine dielektrische Schicht umfasst. Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, wobei die Beschichtung eingerichtet ist, eine Abschwächung der Umlenkung aus dem bestimmten Winkelbereich um mindestens 95%, vorzugsweise um 99% zu realisieren. Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche 3-10, wobei die Beschichtung auf dem Wellenfrontmanipulator, insbesondere auf ein den Wellenfrontmanipulator abdeckendes Coverglass (5) aufgebracht wird. Entspiegeltes HUD (1), hergestellt durch folgende Schritte:
Bereitstellen eines HUDs (18)
Bestimmung von mindestens einem Winkelbereich von auf das HUD (1) einstrahlenden Umgebungslichtes, (9) für die eine kritische Umlenkung vom HUD (1) in die Eyebox (6) stattfinden kann (19)
Aufbringen mindestens einer Beschichtung auf das HUD (1), welche eingerichtet ist, die Umlenkung vom einstrahlenden Umgebungslicht (9) aus dem bestimmten Winkelbereich zu minimieren (21). Entspiegeltes HUD (1) nach dem vorherigen Anspruch, umfassend ein Glare Trap (14), ein gekrümmtes Coverglass (5) und/oder eine Strahlfalle (15). Entspiegeltes HUD (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, umfassend weiterhin eine holographische Komponente zur Strahlanpassung (23), insbesondere einen holographischen Wellenfrontmanipulator (4), wobei in einem Strahlengang zwischen holographischer Komponente und der vorgesehenen Eyebox (6) des HUDs (1) mindestens ein Bandpassfilter angeordnet ist, wobei der Bandpassfilter durchlässig ist für sichtbares Licht in mindestens einem ersten Spektralbereich, welcher mindestens einen von der holographischen Komponente zur Strahlanpassung gebeugten Spektral be re ich umfasst.
PCT/EP2023/076560 2022-09-30 2023-09-26 Minimierung von blendreflexen eines huds durch gezielte entspiegelung WO2024068642A1 (de)

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
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Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112082739A (zh) * 2020-08-28 2020-12-15 江苏泽景汽车电子股份有限公司 一种hud杂散光环境模拟测试设备与测试方法
US20210096364A1 (en) * 2018-06-15 2021-04-01 Continental Automotive Gmbh Optical Waveguide For A Display Device
DE102020118315A1 (de) * 2020-07-10 2022-01-13 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Anordnung zur Reflexionsunterdrückung bei einem Frontscheiben-Anzeigesystem sowie Frontscheiben-Anzeigesystem
DE102021105830A1 (de) * 2021-03-10 2022-09-15 Carl Zeiss Jena Gmbh Wellenfrontmanipulator für Head-up-Display mit holographischem Element, optische Anordnung und Head-up-Display
DE102022214243A1 (de) 2022-12-21 2024-06-27 Carl Zeiss Jena Gmbh Störlichtfilter für holographische huds

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20210096364A1 (en) * 2018-06-15 2021-04-01 Continental Automotive Gmbh Optical Waveguide For A Display Device
DE102020118315A1 (de) * 2020-07-10 2022-01-13 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Anordnung zur Reflexionsunterdrückung bei einem Frontscheiben-Anzeigesystem sowie Frontscheiben-Anzeigesystem
CN112082739A (zh) * 2020-08-28 2020-12-15 江苏泽景汽车电子股份有限公司 一种hud杂散光环境模拟测试设备与测试方法
DE102021105830A1 (de) * 2021-03-10 2022-09-15 Carl Zeiss Jena Gmbh Wellenfrontmanipulator für Head-up-Display mit holographischem Element, optische Anordnung und Head-up-Display
DE102022214243A1 (de) 2022-12-21 2024-06-27 Carl Zeiss Jena Gmbh Störlichtfilter für holographische huds

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ASHOK K. SOOD ET AL.: "Nanostructured AR coatings for optoelectronic applications", 2015, NOVA SCIENCE PUBLISHERS
BY AUTHORED ET AL: "Stray light analysis for Head-up-Display -Part 3", 15 December 2021 (2021-12-15), pages 1 - 13, XP093112738, Retrieved from the Internet <URL:https://support.zemax.com/hc/en-us/articles/4412793979539-Stray-light-analysis-for-Head-up-Display-Part-3> [retrieved on 20231215] *
GUANJUN TAN ET AL.: "Broadband antireflection film with moth-eye-like structure for flexible display applications", OPTICA, vol. 4, no. 7, July 2017 (2017-07-01), pages 678, XP055754309, DOI: 10.1364/OPTICA.4.000678
T. LOHMÜLLERM. HELGERTM. SUNDERMANNR. BRUNNERJ. P. SPATZNANO LETTERS: "Biomimetic Interfaces for High-Performance Optics", THE DEEP-UV LIGHT RANGE, June 2008 (2008-06-01)

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