WO2025219152A1 - Head-up-display eines luftfahrzeugs - Google Patents

Head-up-display eines luftfahrzeugs

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WO2025219152A1
WO2025219152A1 PCT/EP2025/059575 EP2025059575W WO2025219152A1 WO 2025219152 A1 WO2025219152 A1 WO 2025219152A1 EP 2025059575 W EP2025059575 W EP 2025059575W WO 2025219152 A1 WO2025219152 A1 WO 2025219152A1
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WO
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display
head
eyebox
combiner
holographic
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PCT/EP2025/059575
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Matthias Zilk
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Jenoptik AG
Carl Zeiss Jena GmbH
Original Assignee
VEB Carl Zeiss Jena GmbH
Carl Zeiss Jena GmbH
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/0101—Head-up displays characterised by optical features
    • G02B27/0103—Head-up displays characterised by optical features comprising holographic elements
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/42—Diffraction optics, i.e. systems including a diffractive element being designed for providing a diffractive effect
    • G02B27/4272—Diffraction optics, i.e. systems including a diffractive element being designed for providing a diffractive effect having plural diffractive elements positioned sequentially along the optical path

Definitions

  • the present invention relates to a head-up display, in particular a head-up display of an aircraft, e.g. an airplane.
  • Head-up displays are now used in a wide variety of applications, including in aircraft viewing windows. In aviation, head-up displays are used to project image data into the pilot's field of vision. The light waves used to create a virtual image are guided from an imager or projector across a projection surface to an eyebox.
  • a head-up display typically comprises a picture generating unit (PGU) or a projector, also called an image generator, a projection surface, an eyebox, and a virtual image plane.
  • PGU picture generating unit
  • the image generator or projector generates an image.
  • the image is projected onto the projection surface and from the projection surface into the eyebox.
  • the eyebox is a spatial area in which the projected image is perceived by a user or viewer as a virtual image.
  • the virtual image plane i.e., the plane on which the virtual image is generated, is located on or behind the projection surface.
  • This superposition is achieved by a beam combiner, which is transparent to ambient light and also directs a beam of light generated by an external imager into an eyebox, which may contain the user's eye. The eye perceives this beam as a virtual image.
  • HUD components In the context of aircraft, a particular challenge is integrating HUD components into the available cockpit space without restricting or obstructing the pilot.
  • One approach to this is to integrate HUD components into a predefined display and instrument panel of the aircraft. It is important to ensure that the pilot has an unobstructed view of the display and instrument panel.
  • the object of the present invention is to provide a head-up display, in particular for a vehicle, e.g., an aircraft.
  • the dependent claims contain further advantageous embodiments of the invention.
  • the head-up display according to the invention in particular for an aircraft, e.g., an airplane or helicopter, comprises an eyebox, a projection unit comprising an imager, and a combiner arranged in the beam path between the imager and the eyebox.
  • An imager is understood to be a projector or an image-generating device.
  • a combiner is understood to be a beam combiner as described above.
  • the head-up display according to the invention is suitable for aviation applications, in particular for installation in the cockpit. of an aircraft, e.g., an airplane or helicopter.
  • the head-up display according to the invention can also be designed for other applications.
  • the combiner has a front side, e.g., a front side located on the eyebox side, and a back side, e.g., a back side located on the imager side.
  • the beam path runs from the imager to the eyebox through the back side and the front side of the combiner.
  • the combiner is designed to be transmissive overall for light emitted from the imager to the eyebox.
  • the combiner is preferably also designed to be transmissive, or at least predominantly transmissive, for ambient light.
  • the HUD according to the invention has the advantage that, thanks to the transmissive projection through the combiner into the eyebox, it can be integrated into a display and/or instrument panel. This reduces the required installation space and allows for a spatially advantageous arrangement in otherwise rarely used areas of the instrument panel, e.g., in the sides or front areas.
  • the distance between the center of the eyebox and the combiner is preferably between 150 mm and 450 mm. This is the preferred and most favorable range for aerospace applications.
  • the head-up display can be designed to project a virtual image from the center of the eyebox to a distance of at least 10 m. It is thus projected into a virtual image plane at a distance of 10 m or more from the center of the eyebox.
  • the projection is directed toward infinity with nearly parallel beams. This allows the perception of the projected image in a relaxed state for the eyes.
  • the head-up display can have a field of view (FOV - Field of View) of at least 20 degrees in the horizontal direction, i.e. an azimuthal solid angle range of 20 degrees relative to the eyebox, and/or at least 15 degrees in the vertical direction, i.e. a meridional solid angle range of 15 degrees relative to the eyebox.
  • FOV - Field of View field of view
  • the combiner is preferably designed to be transmissive in the line of sight or through-view direction, or with a central through-view axis extending from the eyebox. It is therefore positioned in the line of sight relative to the eyebox and allows an unobstructed view of the surroundings.
  • the head-up display can be designed to project, for example, exclusively single-color or monochrome light into the eyebox.
  • the head-up display is designed to project exclusively monochrome, preferably green, light into the eyebox.
  • the combiner can have an optical effect, in particular a diffractive effect and/or a refractive power, in a spectral range with a full width at half maximum of 50 nm, in particular a maximum of 30 nm, preferably a maximum of 15 nm, e.g., a maximum of 2 nm.
  • the combiner is preferably designed to be diffractive.
  • the spectral range is preferably in the green spectral range, i.e., in the range between 500 and 565 nm.
  • it can have an optical effect, in particular a diffractive effect and/or a refractive power, exclusively in a green spectral range. Outside of this spectral range, the combiner allows an unobstructed view of the outside world or surroundings.
  • the projection unit can be designed to be integrated into a display or instrument panel of an aircraft, e.g. an airplane. Additionally or alternatively, the projection unit can have an optical axis or a radiation direction from the image generator to a projector cover, i.e. an optical axis within the projection unit, which can be aligned with respect to a viewing direction, in particular a central viewing axis or a Straight alignment, e.g., with respect to the aircraft, from the eyebox or with respect to a direction perpendicular to a center plane of the eyebox, at an angle between 0 degrees and 30 degrees.
  • the projection unit in this variant is designed to project horizontally with respect to an instrument panel. This allows for a favorable arrangement of the projection unit in a display or instrument panel from a space perspective.
  • the projection unit comprises a projector cover, which is arranged in the beam path between the imager and the combiner and which has an optical effect.
  • the projector cover is preferably designed as a transmissive cover element. It has, for example, a front and a back, with the beam path passing through both.
  • the optical effect can be refractive power or another imaging, beam-shaping, image-shaping, or wavefront-shaping effect.
  • the projector cover can be diffractive to achieve the optical effect. A refractive design is also possible.
  • the projection unit can comprise an optical arrangement, such as optics or an optical system, which is arranged in the beam path between the imager and the combiner, in particular between the imager and the projector cover.
  • the optical arrangement can have an optical effect.
  • the optical effect can be, for example, refractive power or another imaging, beam-shaping, image-shaping, or wavefront-shaping effect. This allows the light beam to be directed in the desired direction and aberrations to be corrected.
  • the optical arrangement can comprise reflective, refractive, and/or diffractive optical elements.
  • the combiner and/or the projector cover can be designed to deflect the beam horizontally and/or vertically, e.g., relative to the eyebox or the viewing direction. This allows the position of the individual HUD components to be easily adapted to the available installation space.
  • the eyebox can have a longitudinal center plane.
  • the longitudinal center plane is defined as the center plane extending perpendicular to the viewing direction or a central viewing axis, i.e., a plane bisecting the eyebox in the longitudinal direction.
  • An image of the longitudinal center plane can be projected onto the projector cover. This projection can have an image scale between 2:1 and 1:3.
  • the combiner and/or the projector cover comprise a holographic optical arrangement.
  • the holographic optical arrangement can comprise at least two holographic elements arranged directly one behind the other in the beam path, wherein a first holographic element is assigned to a second holographic element for reflection. In other words, no further optical element or component is arranged between the at least two holographic elements.
  • the first holographic element and the second holographic element can be spaced apart by a maximum of 15 mm.
  • the holographic elements of the holographic optical arrangement can be enclosed between two transparent supports or applied to the opposite outer surfaces of a transparent support.
  • the supports can preferably be made of glass or comprise glass.
  • the combiner and/or the projector cover can be provided with an optically effective coating, for example an anti-reflective layer, on the outer surfaces.
  • the at least two holographic elements are designed to be reflective, for example, for at least one specified wavelength and a specified angle of incidence. Light waves of the at least one specified wavelength and the specified angle of incidence are thus efficiently diffracted.
  • the holographic elements are Otherwise, transmissive, in other words transmissive for wavelengths which do not correspond to the at least one specified wavelength and have an angle of incidence outside the specified angle of incidence range.
  • a first holographic element comprises at least one hologram, which is assigned to a hologram of a second holographic element for reflection.
  • the at least two holographic elements are configured such that light of at least one wavelength and at least one angle of incidence reflected by a first holographic element is reflected by the second holographic element.
  • reflection holograms has the advantage that the intrinsic properties of reflection holograms can be utilized. These have efficiency curves that fundamentally differ from transmission holograms, whereby the efficiency curves of reflection holograms offer wavelength selectivity, which can, among other things, prevent the formation of double images. Due to the otherwise transmissive design and the use of reflection holograms, filter effects between the holograms are reduced or avoided.
  • the at least two holographic elements are arranged directly one behind the other in the beam path such that light entering the wavefront manipulator is reflected by a first of the holographic elements, and the light reflected by the first of the holographic elements is reflected by a second of the holographic elements.
  • the at least one holographic arrangement is preferably designed for the diffraction of light of only one wavelength or a narrow wavelength range.
  • the use of two holographic elements arranged directly behind one another and at least partially reflective has The advantage is that, particularly in connection with a head-up display, the image quality can be significantly improved through the individual design of the holographic elements. Furthermore, the holographic elements require almost no installation space, so that high image quality can be achieved even with only limited available space.
  • the holographic arrangement achieves a high refractive power, comparable to the refractive power achieved, for example, by a transmissive optical component. Due to the high refractive power, the light can be deflected at a large angle, e.g., horizontally and/or vertically, which in turn opens up a wide variety of arrangement options.
  • reflective holograms offer a wider angular spectrum for a defined wavelength with high efficiency and higher wavelength selectivity.
  • the holographic arrangement thus enables a large field of view (FOV) with high efficiency, making it suitable for applications with a large field of view and large numerical aperture.
  • a further advantage achieved by the holographic arrangement is that due to the high diffraction angle of the holographic arrangement, the proportion of light from unused diffraction orders that is reflected into the eyebox is reduced.
  • the holographic elements can be designed as volume holograms or relief holograms.
  • the first holographic element and/or the second holographic element are designed as volume holograms and have a refractive index modulation of at least 0.02, in particular at least 0.03 or 0.04, e.g., more than 0.05. This allows for a short distance, e.g., a distance between 150 mm and 450 mm, from the combiner to the eyebox and/or a large field of view (FOV).
  • the first holographic element and/or the second holographic element are designed as freeform holograms. The respective holographic element can thus contribute to improving resolution through a corresponding design of the freeform phase surface and allows for targeted correction of imaging errors. This also significantly contributes to improving the image quality of a compact head-up display.
  • the local beam deflection is determined by the spatial line density distribution.
  • the line density distribution of the hologram results from the gradient of the local phase of the phase surface.
  • a freeform phase surface is understood to be a non-trivial continuously differentiable function that can be represented, in particular, by means of a set of orthogonal basis functions or region-defined functions, in particular twice continuously differentiable region-defined functions.
  • suitable orthogonal basis functions are polynomials, Zernike polynomials, or Chebyshev polynomials.
  • suitable region-defined functions are piecewise polynomial functions (in particular, polynomial splines, such as bicubic splines, higher-order splines of fourth degree or higher, or polynomial non-uniform rational B-splines (NURBS)).
  • a freeform phase surface does not need to exhibit axial symmetry or point symmetry.
  • a freeform hologram has been exposed to freeform wavefronts. Irradiation with a wavefront generates a defined freeform wavefront. This allows for manipulation of the wavefront with a high number of degrees of freedom. This is advantageous for correcting aberrations and for beam guidance and beam shaping.
  • the holographic arrangement in particular at least one of the holographic elements, can be designed, for example, to transform one freeform wavefront into another. At least one hologram can be recorded or exposed with waves that have at least one freeform wavefront. This allows various aberrations to be corrected and the image quality to be improved. Because such a design allows light to be transformed with any wavefront, such as that generated using freeform surfaces, the number of components with freeform surfaces, such as lenses and/or mirrors, can be reduced. Plane waves and/or spherical waves can also be used to expose the holograms. By using the simplest possible wavefronts to expose the holograms, manufacturing costs can be reduced.
  • the imager can include a diffuser with a location-dependent scattering function.
  • the diffuser can be positioned close to the image plane of the imager, e.g., at a maximum distance of 10 mm.
  • the diffuser provides a location-dependent illumination cone. The extent of the illumination cone is preferably designed to minimize the area illuminated by the HUD outside the volume of the eyebox.
  • the combiner and the projection unit can be arranged radially offset from one another with respect to a viewing direction, e.g., a straight-ahead orientation relative to the aircraft, or a central viewing axis extending from the eyebox, or with respect to a direction perpendicular to a center plane of the eyebox, i.e., upwards or downwards and/or to the left or right. In other words, they can be arranged horizontally and/or vertically offset from one another.
  • a viewing direction e.g., a straight-ahead orientation relative to the aircraft, or a central viewing axis extending from the eyebox, or with respect to a direction perpendicular to a center plane of the eyebox, i.e., upwards or downwards and/or to the left or right.
  • they can be arranged horizontally and/or vertically offset from one another.
  • the HUD according to the invention offers a powerful and optimally integrable system for aviation applications.
  • the invention will be explained in more detail below using exemplary embodiments with reference to the accompanying figures. Although the invention is illustrated and described in more detail by the preferred embodiments, the invention is not limited to the disclosed examples, and other variations may be derived therefrom by those skilled in the art without departing from the scope of the invention.
  • the term "and/or,” when used in a series of two or more elements, means that any of the listed elements may be used alone, or any combination of two or more of the listed elements may be used.
  • the composition may contain A alone; B alone; C alone; A and B in combination; A and C in combination; B and C in combination; or A, B, and C in combination.
  • Fig. 1 shows schematically the beam path of a head-up display of an aircraft according to the invention in a side view.
  • Fig. 2 shows schematically the beam path of the head-up display shown in Figure 1 in a plan view.
  • FIG.3 shows schematically the beam path through a holographic arrangement of a combiner or a projector cover.
  • Figures 1 and 2 schematically show the beam path 11 of an aircraft head-up display 10 according to the invention. The beam path is shown in a side view in Figure 1 and in a top view in Figure 2.
  • the head-up display 10 comprises a projection unit 8, a combiner 2, and an eyebox 1.
  • the projection unit 8 comprises an imager 5, a projector cover 3, and an optical arrangement 4, e.g., an optical system, arranged in the beam path 11 between the imager 5 and the projector cover 3.
  • the optical arrangement 4 can consist of conventional refractive or reflective optical elements or can comprise such elements. However, the optical arrangement 4 can also contain diffractive optical elements.
  • the imager 5 can comprise a diffuser (not explicitly shown), which is preferably arranged near the image plane of the imager 5 and has a location-dependent scattering function. The diffuser can therefore provide a location-dependent illumination cone that limits the illuminated area to the eyebox 1.
  • the combiner 2 has a front side 16 and a rear side 17.
  • the projector cover 3 has a front side 18 and a rear side 19. Both the projector cover 3 and the combiner 2 are designed to be transmissive. This means that light enters the respective component 2 or 3 through the rear side 17 or 19 and exits it through the respective front side 16 or 18.
  • Light emitted by the projection unit 8 via the projector cover 3 is guided to the combiner 2 and deflected by the combiner 2 towards the eyebox 1. If a user, preferably a pilot, looks from the eyebox 1 in the viewing direction 9 through the combiner 2, the user perceives an image projected by the projection unit 8 as a virtual image, for example, at infinity.
  • the field of view (FOV) provided by the head-up display 10 is indicated by arrows with the reference numbers 6 and 7. In the present case, A field of view 7 of at least 20° is achieved horizontally and a field of view 6 of at least 15° is achieved vertically.
  • the distance between the center of Eyebox 1 and Combiner 2 is between 150 and 450 mm.
  • the combiner 2 is designed to be transmissive overall and has an optical effect, in particular refractive power, in a defined spectral range, preferably in the green spectral range, with a half-width of a maximum of 50 nm, in particular a maximum of 30 nm, preferably a maximum of 15 nm, e.g. a maximum of 2 nm.
  • the projection unit 8 shown can be integrated into an instrument panel of an aircraft, e.g., an airplane.
  • the combiner 2 can be suspended from the ceiling of a cockpit of the aircraft.
  • the combiner 2 can have a rectangular base, for example, with beveled or rounded corners.
  • the projection unit 8 is designed to project predominantly horizontally.
  • an optical axis 12 of the projector unit 8 i.e., an optical axis 12 of the area of the beam path 11 between the imager 5 and the projector cover 3, runs essentially horizontally.
  • the optical axis 12 forms an angle 14 of a maximum of 30°, preferably less than 20°, with a direction 13 running perpendicular to a center plane or central plane of the eyebox 1.
  • the combiner 2 and/or the projector cover 3 can comprise a holographic optical arrangement 15, which is preferably designed as a pair of reflective holograms 21, 22 arranged in a Z-arrangement, as a stack, or directly on top of one another.
  • the beam path through such a holographic optical arrangement is shown schematically in Figure 3.
  • the holographic arrangement 15 shown as an example in Figure 3 comprises a first holographic element 21 and a second holographic element 22, which are arranged directly behind one another in the beam path, preferably adjacent to one another.
  • a distance 23 between the two holographic elements 21 and 22 is shown in Figure 3, which should actually be less than 15 mm, preferably less than 1 mm.
  • the light reflected back by the second holographic element 22 toward the first holographic element 21 is reflected by the first holographic element 21 and then passes through the second holographic element 22 through the front side 16, 18.
  • the holographic elements 21 and 22 can be configured as volume holograms or relief holograms. When configured as a volume hologram, they can have a refractive index modulation of at least 0.02, preferably 0.04 or greater.
  • the holographic elements 21 and 22 can have freeform holograms and can be designed, in particular, for correcting imaging errors and/or for beam guidance or beam deflection.

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Abstract

Es wird ein Head-up-Display (10) eines Luftfahrzeugs offenbart, wobei das Head-up-Display (10) eine Eyebox (1), eine Projektionseinheit (8), welche einen Bildgeber (5) umfasst, und einen im Strahlengang (11) zwischen dem Bildgeber (5) und der Eyebox (1) angeordneten Combiner (2) umfasst. Der Combiner (2) weist eine Vorderseite (16) und eine Rückseite (17) auf und der Strahlengang (11) verläuft von dem Bildgeber (5) zu der Eyebox (1) durch die Rückseite (17) und die Vorderseite (16) des Combiners (2) hindurch.

Description

Head-up-Display eines Luftfahrzeugs
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Head-up-Display, insbesondere ein Head-up-Display eines Luftfahrzeugs, z.B. eines Flugzeugs.
Head-up-Displays (HUD) kommen inzwischen im Rahmen vielfältiger Anwendungen zum Einsatz, unter anderem auch im Zusammenhang mit Sichtfenstern von Luftfahrzeugen. In der Luftfahrt kommen Head-up-Displays zur Projektion von Bilddaten in das Blickfeld der Pilot*innen zur Anwendung. Hierbei werden die Lichtwellen zum Erzeugen eines virtuellen Bildes von einem Bildgeber oder Projektor über eine Projektionsfläche zu einer Eyebox geführt.
Ein Head-up-Display umfasst üblicherweise eine bildgebende Einheit (PGU - picture generating unit) oder einen Projektor, auch Bildgeber genannt, eine Projektionsoberfläche, eine Eyebox und eine virtuelle Bildebene. Mittels des Bildgebers oder des Projektors wird eine Abbildung erzeugt. Die Abbildung wird auf die Projektionsfläche projiziert und von der Projektionsoberfläche in die Eyebox projiziert. Bei der Eyebox handelt es sich um einen Raumbereich, in welchem die projizierte Abbildung für einen Nutzer oder Betrachter als virtuelles Bild wahrnehmbar ist. Die virtuelle Bildebene, also die Ebene auf der das virtuelle Bild erzeugt wird, ist auf oder hinter der Projektionsfläche angeordnet.
Blickt ein Nutzer durch die Projektionsfläche eines Head-up-Displays, so sieht er seinem Bild der realen Welt („reales Bild“) ein eingekoppeltes oder eingespiegeltes „virtuelles Bild“ überlagert. Hierdurch können die im virtuellen Bild angezeigten Fluginformationen und die reale Welt simultan betrachtet werden, ohne dass die/der Pilot*in den Blick senken muss, um auf ein Anzeigeeinrichtung in der Instrumententafel zu blicken. Projizierte Informationen zur Fluglage und Flugrichtung werden dabei konform (d.h. korrekt skaliert und ausgerichtet) zur realen Welt angezeigt.
Diese Überlagerung wird durch einen Strahlvereiniger, auch Combiner genannt, erreicht, der einerseits für das Umgebungslicht transparent ist, andererseits auch ein durch einen externen Bildgeber erzeugtes Strahlenbündel in eine Eyebox, in der sich das Auge eines Nutzers befinden kann, lenkt. Dieses Strahlenbündel nimmt das Auge als virtuelles Bild wahr.
Im Zusammenhang mit Luftfahrzeugen besteht eine besondere Herausforderung darin, die Komponenten des HUD in den verfügbaren Bauraum des Cockpits zu integrieren, ohne die/den Pilot*in einzuschränken oder zu behindern. Eine Möglichkeit hierzu bietet die Integration von HUD- Komponenten in eine vorgegebene Anzeigen- und Instrumententafel des Luftfahrzeugs. Dabei ist sicherzustellen, dass der ungehinderte Blick der/des Pilot*in auf die Anzeigen- und Instrumententafel gewährleistet ist.
Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Head- up-Display, insbesondere eines Fahrzeugs, z.B. eines Luftfahrzeugs, zur Verfügung zu stellen. Diese Aufgabe wird durch ein Head-up-Display eines Luftfahrzeugs gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Die abhängigen Ansprüche enthalten weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Das erfindungsgemäße Head-up-Display, insbesondere eines Luftfahrzeugs, z.B. eines Flugzeugs oder Hubschraubers, umfasst eine Eyebox, eine Projektionseinheit, welche einen Bildgeber umfasst, und einen im Strahlengang zwischen dem Bildgeber und der Eyebox angeordneten Combiner. Unter einem Bildgeber wird ein Projektor oder eine bilderzeugende Einrichtung verstanden. Unter einem Combiner wird ein eingangs beschriebener Strahlvereiniger verstanden. Das erfindungsgemäße Head-up- Display ist für Luftfahrtanwendungen, insbesondere zur Anordnung im Cockpit eines Luftfahrzeugs, z.B. eines Flugzeugs oder Hubschraubers, ausgelegt. Das erfindungsgemäße Head-up-Display kann auch für andere Anwendungen ausgelegt sein.
Der Combiner weist eine Vorderseite, z.B. eine eyeboxseitig angeordnete Vorderseite, und eine Rückseite, z.B. eine bildgeberseitig angeordnete Rückseite, auf. Der Strahlengang verläuft von dem Bildgeber zu der Eyebox durch die Rückseite und die Vorderseite des Combiners hindurch. Der Combiner ist also mit anderen Worten für vom Bildgeber zur Eyebox gestrahltes Licht insgesamt transmissiv ausgestaltet. Zudem ist der Combiner vorzugsweise auch für Umgebungslicht transmissiv oder zumindest überwiegend transmissiv ausgestaltet.
Das erfindungsgemäße HUD hat den Vorteil, dass es durch die transmissive Projektion durch den Combiner in die Eyebox in eine Anzeige- und/oder Instrumententafel integriert werden kann. Hierdurch lässt sich der erforderliche Bauraum reduzieren und es wird eine räumlich günstige Anordnung in sonst kaum genutzten Bereichen der Armatur, z.B. in seitlichen oder vorderen Bereichen, möglich.
Der Abstand zwischen der Mitte der Eyebox und dem Combiner beträgt vorzugsweise zwischen 150 mm und 450 mm. Dies ist für Luftfahrtanwendungen der bevorzugte und günstigste Bereich.
Weiterhin kann das Head-up-Display zur Projektion eines virtuellen Bildes ausgehend von der Mitte der Eyebox in einen Abstand von mindestens 10 m ausgelegt sein. Es wird also in eine virtuelle Bildebene mit einem Abstand zur Mitte der Eyebox von 10 m oder mehr projiziert. Vorzugsweise wird mit nahezu parallelen Strahlen nach Unendlich projiziert. Dies ermöglicht eine Wahrnehmung des projizierten Bildes in einem für die Augen entspannten Zustand.
Das Head-up-Display kann ein Sichtfeld (FOV - Field of View) von mindestens 20 Grad in horizontaler Richtung, also einem azimutalen Raumwinkelbereich von 20 Grad bezogen auf die Eyebox, und/oder mindestens 15 Grad in vertikaler Richtung, also einem meridionalen Raumwinkelbereich von 15 Grad bezogen auf die Eyebox, aufweisen.
Wie oben bereits erwähnt ist der Combiner vorzugsweise in Blickrichtung oder Durchsichtrichtung oder eine zentrale Durchsichtachse ausgehend von der Eyebox transmissiv ausgestaltet ist. Er ist also bezogen auf die Eyebox in Blickrichtung angeordnet und ermöglicht eine ungehinderte Sicht auf die Umgebung.
Das Head-up-Display kann zur Projektion, z.B. der ausschließlichen Projektion, von einfarbigem oder monochromem Licht in die Eyebox ausgelegt sein. Für Luftfahrtanwendungen ist es von Vorteil, wenn das Head-up-Display zur Projektion von ausschließlich monochromem, vorzugsweise grünem Licht in die Eyebox ausgelegt ist.
Beispielsweise kann der Combiner in einem Spektralbereich mit einer Halbwertsbreite von maximal 50 nm, insbesondere maximal 30 nm, vorzugsweise maximal 15 nm, z.B. maximal 2 nm, eine optische Wirkung, insbesondere eine diffraktive Wirkung und/oder eine Brechkraft, aufweisen. Der Combiner ist vorzugsweise diffraktiv ausgestaltet. Vorzugsweise liegt der Spektralbereich im grünen Spektralbereich, also im Bereich zwischen 500 und 565 nm. Zur optimalen Gewährleistung einer ungehinderten Durchsicht durch den Combiner kann dieser ausschließlich in einem grünen Spektralbereich optische Wirkung, insbesondere eine diffraktive Wirkung und/oder eine Brechkraft, aufweisen. Außerhalb dieses Spektralbereichs erlaubt der Combiner einen ungestörten Blick auf die Außenwelt oder Umgebung.
Die Projektionseinheit kann in eine Anzeige- oder Instrumententafel eines Luftfahrzeugs, z.B. eines Flugzeugs, integrierbar ausgebildet sein. Zusätzlich oder alternativ dazu kann die Projektionseinheit eine optische Achse oder eine Abstrahlrichtung von dem Bildgeber zu einer Projektorabdeckung, also eine optische Achse innerhalb der Projektionseinheit aufweisen, welche in Bezug auf eine Blickrichtung, insbesondere eine zentrale Durchsichtachse oder eine Geradeausrichtung, z.B. in Bezug auf das Luftfahrzeug, von der Eyebox aus oder in Bezug auf eine senkrecht zu einer Mittelebene der Eyebox verlaufende Richtung in einem Winkel zwischen 0 Grad und 30 Grad angeordnet ist. Mit anderen Worten ist die Projektionseinheit in dieser Variante in Bezug auf eine Instrumententafel horizontal projizierend ausgestaltet. Dies ermöglicht eine unter Bauraumgesichtspunkten günstige Anordnung der Projektionseinheit in einer Anzeige- oder Instrumententafel.
In einer weiteren Variante umfasst die Projektionseinheit eine Projektorabdeckung, welche im Strahlengang zwischen dem Bildgeber und dem Combiner angeordnet ist und welche eine optische Wirkung aufweist. Die Projektorabdeckung ist bevorzugt als transmissives Abdeckelement ausgestaltet. Sie weist z.B. eine Vorderseite und eine Rückseite auf, wobei der Strahlengang durch beide hindurch verläuft. Bei der optischen Wirkung kann es sich um Brechkraft oder eine sonstige abbildende oder strahlformende oder bildformende oder wellenfrontformende Wirkung handeln. Die Projektorabdeckung kann zum Erzielen der optischen Wirkung diffraktiv ausgestaltet sein. Eine refraktive Ausgestaltung ist ebenfalls möglich.
Zudem kann die Projektionseinheit eine optische Anordnung, wie z.B. eine Optik oder ein optisches System, umfassen, welche im Strahlengang zwischen dem Bildgeber und dem Combiner, insbesondere zwischen dem Bildgeber und der Projektorabdeckung, angeordnet ist. Die optische Anordnung kann eine optische Wirkung aufweisen. Bei der optischen Wirkung kann es sich z.B. um Brechkraft oder eine sonstige abbildende oder strahlformende oder bildformende oder wellenfrontformende Wirkung handeln. Hierdurch lässt sich das Lichtstahlenbündel in die gewünschte Richtung lenken und es können Aberrationen korrigiert werden. Die optische Anordnung kann reflektierende, refraktive und/oder diffraktive optische Elemente umfassen.
Der Combiner und/oder die Projektorabdeckung können zur Strahlablenkung in horizontaler und/oder vertikaler Richtung, z.B. in Bezug auf die Eyebox oder die Blickrichtung, ausgelegt sein. Hierdurch lässt die Position der einzelnen Komponenten des HUD sehr gut an den verfügbaren Bauraum anpassen. Weiterhin kann die Eyebox eine longitudinale Mittelebene aufweisen. Unter der longitudinalen Mittelebene wird die sich senkrecht zur Blickrichtung oder einer zentralen Durchsichtachse erstreckende Mittelebene verstanden, also eine die Eyebox in longitudinaler Richtung halbierende Ebene. Es kann eine Abbildung der longitudinalen Mittelebene auf die Projektorabdeckung projiziert werden. Diese Projektion kann einen Abbildungsmaßstab zwischen 2:1 und 1 :3 aufweisen.
Vorzugsweise umfassen der Combiner und/oder die Projektorabdeckung eine holographische optische Anordnung. Die holographische optische Anordnung kann mindestens zwei im Strahlengang unmittelbar hintereinander angeordnete holographische Elemente umfassen, wobei ein erstes holographisches Element einem zweiten holographischen Element zur Reflexion zugeordnet ist. Es ist mit anderen Worten kein weiteres optisches Element oder Bauteil zwischen den mindestens zwei holographischen Elementen angeordnet. Zum Beispiel können das erste holographische Element und das zweite holographische Element einen Abstand von maximal 15 mm zueinander aufweisen.
Die holographischen Elemente der holographischen optischen Anordnung können zwischen zwei transparenten Trägern eingeschlossen sein oder auf die gegenüberliegenden Außenflächen eines transparenten Trägers aufgebracht sein. Die Träger können vorzugsweise aus Glas bestehen oder Glas umfassen.
Der Combiner und/oder die Projektorabdeckung können auf den Außenflächen mit einer optisch wirksamen Beschichtung, beispielsweise einer Entspiegelungsschicht, versehen sein.
Die mindestens zwei holographischen Elemente sind z.B. für mindestens eine festgelegte Wellenlänge und einen festgelegten Einstrahlwinkelbereich reflektiv ausgestaltet. Lichtwellen der mindestens einen festgelegten Wellenlänge und des festgelegten Einstrahlwinkelbereichs werden also effizient gebeugt. Vorzugsweise sind die holographischen Elemente im Übrigen transmissiv ausgestaltet, mit anderen Worten transmissiv für Wellenlängen, welche nicht der mindestens einen festgelegten Wellenlänge entsprechen und einen Einstrahlwinkel außerhalb des festgelegten Einstrahlwinkelbereichs aufweisen.
Vorzugsweise umfasst ein erstes holographisches Element mindestens ein Hologramm, welches einem Hologramm eines zweiten holographischen Elements zur Reflexion zugeordnet ist. Die mindestens zwei holographischen Elemente sind mit anderen Worten so ausgebildet, dass von einem ersten holographischen Element reflektiertes Licht mindestens einer Wellenlänge und mindestens eines Einstrahlwinkels von dem zweiten holographischen Element reflektiert wird.
Die Verwendung von Reflexionshologrammen hat den Vorteil, dass die intrinsischen Eigenschaften von Reflexionshologrammen nutzbar gemacht werden können. Diese weisen von Transmissionshologrammen grundsätzlich abweichende Effizienzkurven auf, wobei die Effizienzkurven von Reflexionshologrammen eine Wellenlängenselektivität bieten, wodurch unter anderem der Entstehung von Doppelbildern vorgebeugt werden kann. Durch die im Übrigen transmissive Ausgestaltung und die Verwendung von Reflexionshologrammen werden Filtereffekte zwischen den Hologrammen reduziert oder vermieden. Bevorzugt sind die mindestens zwei holographischen Elemente im Strahlengang so unmittelbar hintereinander angeordnet, dass in den Wellenfrontmanipulator eintretendes Licht von einem ersten der holographischen Elemente reflektiert wird und das von dem ersten der holographischen Elemente reflektierte Licht von einem zweiten der holographischen Elemente reflektiert wird.
Die mindestens eine holographische Anordnung ist vorliegend bevorzugt für die Beugung von Licht nur einer Wellenlänge oder eines schmalen Wellenlängenbereichs ausgelegt.
Die Verwendung von zwei unmittelbar hintereinander angeordneten zumindest teilweise reflektiv ausgestalteten holographischen Elementen hat den Vorteil, dass insbesondere im Zusammenhang mit einem Head-up- Display die Abbildungsqualität durch die individuelle Ausgestaltung der holographischen Elemente erheblich verbessert werden kann. Dazu wird durch die holographischen Elemente nahezu kein Bauraum beansprucht, sodass bei nur geringem verfügbarem Bauraum eine hohe Abbildungsqualität erzielt werden kann. Durch die holographische Anordnung wird insbesondere eine hohe Brechkraft erreicht, vergleichbar mit der Brechkraft wie sie beispielsweise durch eine transmissiv ausgestaltete optische Komponente erreicht wird. Durch die hohe Brechkraft kann das Licht in einem großen Winkel, z.B. horizontal und/oder vertikal, abgelenkt werden, was wiederum vielfältige Anordnungsoptionen eröffnet.
Verglichen mit Transmissionshologrammen bieten reflektive Hologramme für eine definierte Wellenlänge ein breiteres Winkelspektrum mit einer hohen Effizienz und einer höheren Wellenlängenselektivität. Die holographische Anordnung ermöglicht also ein großes Sichtfeld (FOV) bei gleichzeitig hoher Effizienz und eignet sich damit für Anwendungen mit einem großen Sichtfeld und großer nummerischer Apertur.
Ein weiterer Vorteil, welcher durch die holographische Anordnung erreicht wird, besteht darin, dass aufgrund des hohen Beugungswinkels der holographischen Anordnung der Anteil des Lichts aus ungenutzten Beugungsordnungen, welches in die Eyebox reflektiert wird, reduziert wird.
Die holographischen Elemente können als Volumenhologramme oder Reliefhologramme ausgestaltet sein.
In einer bevorzugten Variante sind das erste holographische Element und/oder das zweite holographische Element als Volumenhologramm ausgeführt und weisen eine Brechzahlmodulation von mindestens 0,02, insbesondere mindestens 0,03 oder 0,04, z.B. mehr als 0,05, auf. Auf diese Weise lässt sich ein kurzer Abstand, z.B. ein Abstand zwischen 150 mm und 450 mm, von dem Combiner zur Eyebox und/oder ein großes Sichtfels (FOV) realisieren. In einer bevorzugten Variante sind das erste holographische Element und/oder das zweite holographische Element als Freiform-Hologramm ausgebildet. Das jeweilige holographische Element kann damit durch eine entsprechende Ausgestaltung der Freiform-Phasenfläche zu einer Verbesserung der Auflösung beitragen und erlaubt eine gezielte Korrektur von Abbildungsfehlern. Es wird auf diese Weise also auch erheblich zu einer Verbesserung der Abbildungsqualität eines kompakt ausgestalteten Head-up- Displays beigetragen.
Bei einem Hologramm ist die lokale Strahlablenkung durch die räumliche Liniendichteverteilung gegeben. Die Liniendichteverteilung des Holograms ergibt sich aus dem Gradienten der lokalen Phase der Phasenfläche.
Unter einer Freiform-Phasenfläche ist im weiteren Sinn eine nicht-triviale stetig differenzierbare Funktion zu verstehen, die sich insbesondere mittels eines Satzes von orthogonalen Basisfunktionen oder gebietsweise definierter Funktionen, insbesondere zweimal stetig differenzierbarer gebietsweise definierter Funktionen darstellen lässt. Beispiele für geeignete orthogonale Basisfunktionen sind Polynome, Zernike Polynome oder Tschebyschow- Polynome. Beispiele für geeignete gebietsweise definierte Funktionen sind stückweise polynomiale Funktionen (insbesondere polynomiale Splines, wie z.B. bikubische Splines, höhergradige Splines vierten Grades oder höher, oder polynomiale non-uniform rational B-Splines (NURBS)). Eine Freiform- Phasenfläche braucht insbesondere keine Achsensymmetrie und keine Punktsymmetrie aufzuweisen.
Ein Freiform-Hologramm ist mit Freiformwellenfronten belichtet worden. Es bewirkt bei Bestrahlung mit einer Wellenfront eine Erzeugung einer definierten Freiformwellenfront. Hierdurch lässt sich eine Manipulation der Wellenfront mit einer hohen Anzahl an Freiheitsgraden realisieren. Dies ist zur Korrektur von Aberrationen und zur Strahlführung und Strahlformung von Vorteil. Die holographische Anordnung, insbesondere mindestens eins der holographischen Elemente, kann z.B. so ausgestaltet sein, dass eine Freiform- Wellenfront in eine andere Freiformwellenfront transformiert wird. Mindestens ein Hologramm kann mit Wellen, die mindestens eine Freiform- Wellenfront aufweisen, aufgenommen bzw. belichtet sein. Hierdurch können verschiedene Aberrationen korrigiert und die Abbildungsqualität verbessert werden. Dadurch, dass bei einer solchen Ausgestaltung Licht mit einer beliebigen Wellenfront, wie sie zum Beispiel auch mittels Freiformflächen erzeugt werden kann, transformiert werden kann, kann die Anzahl der Freiformflächen aufweisenden Komponenten, wie Linsen und/oder Spiegel, reduziert werden. Zur Belichtung der Hologramme können auch ebene Wellen und/oder Kugelwellen verwendet werden. Durch die Verwendung möglichst einfach ausgestalteter Wellenfronten zur Belichtung der Hologramme können die Herstellungskosten reduziert werden.
In einer weiteren Variante kann der Bildgeber einen Diffusor mit einer ortsabhängigen Streufunktion umfassen. Der Diffusor kann nahe der Bildebene des Bildgebers, z.B. in einem Abstand von maximal 10 mm angeordnet sein. Der Diffusor stellt einen ortsabhängigen Ausleuchtungskegel bereit. Die Ausdehnung des Ausleuchtungskegels wird bevorzugt so gestaltet, dass der vom HUD außerhalb des Volumens der Eyebox ausgeleuchtete Bereich minimiert wird.
In einer weiteren Variante können der Combiner und die Projektionseinheit in Bezug auf eine Blickrichtung, z.B. eine Geradeausrichtung in Bezug auf das Luftfahrzeug, oder eine zentrale Durchsichtachse, ausgehend von der Eyebox oder in Bezug auf eine senkrecht zu einer Mittelebene der Eyebox verlaufende Richtung radial, also nach oben oder nach unten und/oder nach links oder nach rechts, zueinander versetzt angeordnet sein. Sie können mit anderen Worten horizontal und/oder vertikal zueinander versetzt angeordnet sein. Auch diese Varianten ermöglichen eine flexible Positionierung der Projektionseinheit im Cockpit eines Luftfahrzeugs.
Zusammenfassend bietet das erfindungsgemäße HUD ein für Luftfahrtanwendungen leistungsstarkes und optimal integrierbares System. Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher erläutert. Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wird, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
Die Figuren sind nicht notwendigerweise detailgetreu und maßstabsgetreu und können vergrößert oder verkleinert dargestellt sein, um einen besseren Überblick zu bieten. Daher sind hier offenbarte funktionale Einzelheiten nicht einschränkend zu verstehen, sondern lediglich als anschauliche Grundlage, die dem Fachmann auf diesem Gebiet der Technik Anleitung bietet, um die vorliegende Erfindung auf vielfältige Weise einzusetzen.
Der hier verwendete Ausdruck „und/oder“, wenn er in einer Reihe von zwei oder mehreren Elementen benutzt wird, bedeutet, dass jedes der aufgeführten Elemente alleine verwendet werden kann, oder es kann jede Kombination von zwei oder mehr der aufgeführten Elemente verwendet werden. Wird beispielsweise eine Zusammensetzung beschrieben, die die Komponenten A, B und/oder C, enthält, kann die Zusammensetzung A alleine; B alleine; C alleine; A und B in Kombination; A und C in Kombination; B und C in Kombination; oder A, B, und C in Kombination enthalten.
Fig. 1 zeigt schematisch den Strahlengang eines erfindungsgemäßen Head-up-Display eines Luftfahrzeugs in einer Seitenansicht.
Fig. 2 zeigt schematisch den Strahlengang des in der Figur 1 gezeigten Head-up-Display in einer Draufsicht.
Fig.3 zeigt schematisch den Strahlengang durch eine holographische Anordnung eines Combiners oder einer Projektorabdeckung. Die Figuren 1 und 2 zeigen schematisch den Strahlengang 11 eines erfindungsgemäßen Head-up-Display 10 eines Luftfahrzeugs. Dabei ist der Strahlengang in der Figur 1 in einer Seitenansicht und in der Figur 2 in einer Draufsicht gezeigt.
Das Head-up-Display 10 umfasst eine Projektionseinheit 8, einen Combiner 2 und eine Eyebox 1 . Die Projektionseinheit 8 umfasst einen Bildgeber 5, eine Projektorabdeckung 3 und eine im Strahlengang 11 zwischen dem Bildgeber 5 und der Projektorabdeckung 3 angeordnete optische Anordnung 4, z.B. ein optisches System. Die optische Anordnung 4 kann aus konventionellen refraktiven oder reflektiven optischen Elementen bestehen oder solche Elemente umfassen. Die optische Anordnung 4 kann aber auch diffraktive optische Elemente enthalten. Weiterhin kann der Bildgeber 5 einen nicht explizit gezeigten Diffusor umfassen, welcher vorzugsweise in der Nähe der Bildebene des Bildgebers 5 angeordnet ist und eine ortsabhängige Streufunktion aufweist. Der Diffusor kann also einen ortsabhängigen Ausleuchtungskegel bereitstellen, welcher den ausgeleuchteten Bereich auf die Eyebox 1 beschränkt.
Der Combiner 2 weist eine Vorderseite 16 und eine Rückseite 17 auf. Die Projektorabdeckung 3 weist eine Vorderseite 18 und eine Rückseite 19 auf. Sowohl die Projektorabdeckung 3 als auch der Combiner 2 sind insgesamt transmittierend ausgestaltet. Das heißt, Licht tritt jeweils durch die Rückseite 17 bzw. 19 in das jeweilige Bauteil 2 bzw. 3 ein und verlässt dieses durch die jeweilige Vorderseite 16 bzw. 18.
Von der Projektionseinheit 8 über die Projektorabdeckung 3 abgestrahltes Licht wird zu dem Combiner 2 geführt und durch den Combiner 2 hindurch von diesem in Richtung der Eyebox 1 abgelenkt. Blickt ein Nutzer, vorzugsweise ein/e Pilot*in, ausgehend von der Eyebox 1 in Blickrichtung 9 durch den Combiner 2, so ist für den Nutzer ein von der Projektionseinheit 8 projiziertes Bild als virtuelle Abbildung, beispielsweise im Unendlichen, wahrnehmbar. Das durch das Head-up-Display 10 bereitgestellte Sichtfeld (FOV) ist durch Pfeile mit den Bezugsziffern 6 und 7 gekennzeichnet. Vorliegend wird in horizontaler Richtung ein Sichtfeld 7 von mindestens 20° und in vertikaler Richtung ein Sichtfeld 6 von mindestens 15° erreicht. Der Abstand zwischen der Mitte Eyebox 1 und Combiner 2 liegt zwischen 150 und 450 mm.
Der Combiner 2 ist insgesamt transmissiv ausgestaltet und weist eine optische Wirkung, insbesondere Brechkraft, in einem festgelegten Spektralbereich, vorzugsweise im grünen Spektralbereich, mit einer Halbwertbreite von maximal 50 nm, insbesondere maximal 30 nm, vorzugsweise maximal 15 nm, z.B. maximal 2 nm auf.
Die gezeigte Projektionseinheit 8 kann in eine Instrumententafel eines Luftfahrzeugs, z.B. eines Flugzeugs, integriert angeordnet sein. Der Combiner 2 kann von einer Decke eines Cockpits des Flugzeugs hängend angeordnet sein. Der Combiner 2 kann eine rechteckige Grundfläche, beispielsweise mit abgeschrägten oder abgerundeten Ecken, aufweisen.
In der gezeigten Variante ist die Projektionseinheit 8 vorwiegend horizontal projizierend ausgestaltet. Das bedeutet, dass eine optische Achse 12 der Projektoreinheit 8, also eine optische Achse 12 des Bereichs des Strahlengangs 11 zwischen dem Bildgeber 5 und der Projektorabdeckung 3, im Wesentlichen in horizontaler Richtung verläuft. Es schließt also die optische Achse 12 mit einer senkrecht zu einer Mittelebene oder Mittenebene der Eyebox 1 verlaufenden Richtung 13 einen Winkel 14 von maximal 30°, vorzugsweise weniger als 20°, ein.
Mittels des Combiners 2 und der Projektorabdeckung 3 wird, wie in den Figuren 1 und 2 gezeigt, eine Strahlablenkung sowohl in horizontaler als auch in vertikaler Richtung bewirkt. Dazu können der Combiner 2 und/oder die Projektorabdeckung 3 eine holographische optische Anordnung 15 umfassen, welche vorzugsweise als Paar von reflektierenden Hologrammen 21 , 22 in Z- Anordnung bzw. als Stapel oder unmittelbar aufeinander angeordnet ausgeführt sind. Der Strahlengang durch eine solche holographische optische Anordnung ist schematisch in der Figur 3 gezeigt. Die in der Figur 3 beispielhaft gezeigte holographische Anordnung 15 umfasst ein erstes holographisches Element 21 und ein zweites holographisches Element 22, welche im Strahlengang unmittelbar hintereinander, vorzugsweise aneinander anliegend, angeordnet sind. Zur Veranschaulichung ist in der Figur 3 ein Abstand 23 zwischen beiden holographischen Elementen 21 und 22 gezeigt, welcher tatsächlich aber geringer als 15 mm, vorzugsweise geringer als 1 mm sein sollte.
Durch die Rückseite 17, 19 eingestrahlte Lichtstrahlen 11 transmittieren passieren zunächst das erste holographische Element 21 , werden anschließend von dem zweiten holographischen Element 22 reflektiert und zurück zu dem ersten holographischen Element 21 gestrahlt. Das von dem zweiten holographischen Element 22 in Richtung des ersten holographischen Elements 21 zurück reflektierte Licht wird von dem ersten holographischen Element 21 reflektiert und passiert anschließend das zweite holographische Element 22 durch die Vorderseite 16, 18.
Die holographischen Elemente 21 und 22 können als Volumenhologramme oder Reliefhologramme ausgestaltet sein. Bei einer Ausgestaltung als Volumenholgramm können sie eine Brechzahlmodulation von mindestens 0,02, vorzugsweise 0,04 oder größer, aufweisen. Die holographischen Elemente 21 und 22 können Freiformhologramme aufweisen und insbesondere zur Korrektur von Abbildungsfehlern und/oder zur Strahlführung oder Strahlablenkung ausgelegt sein.
Bezugszeichenliste:
1 Eyebox
2 Combiner
3 Projektorabdeckung
4 optische Anordnung
5 Bildgeber
6 vertikales Sichtfeld
7 horizontales Sichtfeld
8 Projektionseinheit
9 Blickrichtung
10 Head-up-Display
11 Strahlengang
12 optische Achse
13 Richtung senkrecht zur Mittelebene der Eyebox
14 Winkel
15 holographische Anordnung
16 Vorderseite
17 Rückseite
18 Vorderseite
19 Rückseite
21 erstes holographisches Element
22 zweites holographisches Element
23 Abstand

Claims

Patentansprüche
1. Head-up-Display (10) eines Luftfahrzeugs, wobei das Head-up-Display (10) eine Eyebox (1 ), eine Projektionseinheit (8), welche einen Bildgeber (5) umfasst, und einen im Strahlengang (11 ) zwischen dem Bildgeber (5) und der Eyebox (1 ) angeordneten Combiner (2) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der Combiner (2) eine Vorderseite (16) und eine Rückseite (17) aufweist und der Strahlengang (11 ) von dem Bildgeber (5) zu der Eyebox (1 ) durch die Rückseite (17) und die Vorderseite (16) des Combiners (2) hindurch verläuft.
2. Head-up-Display (10) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen der Mitte der Eyebox (1 ) und dem Combiner (2) zwischen 150 mm und 450 mm beträgt.
3. Head-up-Display (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Head-up-Display (10) zur Projektion eines virtuellen Bildes ausgehend von der Eyebox (1 ) in einen Abstand von mehr als 10 m ausgelegt ist.
4. Head-up-Display (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Head-up-Display (10) ein Sichtfeld von mindestens 20 Grad in horizontaler Richtung (7) und/oder mindestens 15 Grad in vertikaler Richtung (6) aufweist.
5. Head-up-Display (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Combiner (2) in Blickrichtung (9) ausgehend von der Eyebox (1 ) transmissiv ausgestaltet ist.
6. Head-up-Display (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Head-up-Display (10) zur Projektion von monochromem Licht in die Eyebox (1 ) ausgelegt ist.
7. Head-up-Display (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Combiner (2) in einem Spektralbereich mit einer Halbwertsbreite von maximal 50 nm eine optische Wirkung aufweist.
8. Head-up-Display (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Projektionseinheit (8) in eine Instrumententafel eines Luftfahrzeugs integrierbar ist und/oder die Projektionseinheit (8) eine optische Achse (12) innerhalb der Projektionseinheit (8) aufweist, welche in Bezug auf eine Blickrichtung (9) von der Eyebox (1 ) aus oder in Bezug auf eine senkrecht zu einer Mittelebene der Eyebox (1 ) verlaufende Richtung (13) in einem Winkel (14) zwischen 0 Grad und 30 Grad angeordnet ist.
9. Head-up-Display (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Projektionseinheit (8) eine Projektorabdeckung (3) umfasst, welche im Strahlengang (11 ) zwischen dem Bildgeber (5) und dem Combiner (2) angeordnet ist und welche eine optische Wirkung aufweist.
10. Head-up-Display (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Projektionseinheit (8) eine optische Anordnung (4) umfasst, welche im Strahlengang (11 ) zwischen dem Bildgeber (5) und dem Combiner (2) angeordnet ist.
11. Head-up-Display (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Combiner (2) und/oder die Projektorabdeckung (3) eine holographische optische Anordnung (15) umfasst, welche mindestens zwei im Strahlengang (11 ) unmittelbar hintereinander angeordnete holographische Elemente (21 , 22) umfasst, wobei ein erstes holographisches Element (21 ) einem zweiten holographischen Element (22) zur Reflexion zugeordnet ist.
12. Head-up-Display (10) nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass das erste holographische Element (21 ) und/oder das zweite holographische Element (22) als Volumenhologramm ausgeführt sind und eine Brechzahlmodulation von mindestens 0,02 aufweisen.
13. Head-up-Display (10) nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das erste holographische Element (21 ) und/oder das zweite holographische Element (22) als Freiform-Hologramm ausgebildet sind.
14. Head-up-Display (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Combiner (2) und/oder die Projektorabdeckung (3) zur Strahlablenkung in horizontaler (7) und/oder vertikaler (6) Richtung ausgelegt sind, und/oder die Eyebox (1 ) eine Mittelebene aufweist und eine Abbildung der Mittelebene auf die Projektorabdeckung (3) projiziert wird.
15. Head-up-Display (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Bildgeber (5) einen Diffusor mit einer ortsabhängigen Streufunktion umfasst.
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