WO2025252552A1 - Holographische anzeigevorrichtung mit zwei displays zur breitbildanzeige - Google Patents

Holographische anzeigevorrichtung mit zwei displays zur breitbildanzeige

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WO2025252552A1
WO2025252552A1 PCT/EP2025/064699 EP2025064699W WO2025252552A1 WO 2025252552 A1 WO2025252552 A1 WO 2025252552A1 EP 2025064699 W EP2025064699 W EP 2025064699W WO 2025252552 A1 WO2025252552 A1 WO 2025252552A1
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display device
display
displays
lens
designed
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Andre Hacke
Yi ZHONG-SCHIPP
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Jenoptik AG
Carl Zeiss Jena GmbH
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VEB Carl Zeiss Jena GmbH
Carl Zeiss Jena GmbH
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Publication date
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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 present invention relates to a display device, a use of the display device, and a vehicle.
  • the display device comprises a projection element which includes holographic optical elements.
  • DLP projection technology generates images by modulating a digital image onto a light beam, which is then broken down into pixels, for example, using a Digital Micromirror Device (DMD).
  • DMD Digital Micromirror Device
  • Currently available DMD systems are limited in terms of size, resolution, and aspect ratio.
  • Availability of DMD systems with automotive approval Typically, such systems are limited in their resolution, and therefore their performance. Consequently, beyond a certain required display width or width of the display area, it becomes necessary to use multiple projection systems to stitch the individual fields together into a large overall field (keyword: "image stitching"). In typical applications, this involves the use of several systems, which increases costs and resource consumption.
  • the object of the present invention is to provide an advantageous display device. Further objects are to provide an advantageous use of the display device and an advantageous vehicle.
  • the display device e.g., an image display device or projection device, comprises a display arrangement, a lens, preferably only a single lens, and a projection element or display element, e.g., in the form of a screen, with a display area, preferably a display surface.
  • the projection element or display element in particular the display area or the display surface, comprises holographic optical elements.
  • the holographic optical elements preferably act as diffusers, but can also be designed for guiding light beams and/or for correcting aberrations.
  • the display arrangement comprises at least two displays, which are arranged radially offset from each other, i.e., "off-axis," with respect to an optical axis of the display device in the beam path between the display arrangement and the lens. Furthermore, the beam paths from the at least two displays pass together through the lens and generate a composite image in the display area consisting of at least two Partially adjacent images.
  • the light rays can originate from the at least two displays and pass through the lens in such a way that the light rays intersect and/or run radially offset (off-axis) to the optical axis of the lens.
  • the composite image can be generated in a so-called image field.
  • the image field can be arranged in an eyebox or on the display surface.
  • beams of light from a first display or at least two displays
  • a second display or at least two displays
  • the image field typically lies on the holographic display surface and can be viewed with the eye or a camera system.
  • the display device according to the invention has the advantage of providing a high-quality widescreen display in a simple and cost-effective manner. By using two displays in conjunction with only one lens, fewer resources are required compared to the use of several separate projectors, and the aberrations typically occurring in widescreen imaging are significantly reduced compared to the use of only one display.
  • the display device according to the invention can be used in many contexts, for example in the home technology sector and in public infrastructure, such as on facades, preferably glass facades, of buildings, in the transport sector, i.e., on and in vehicles of all kinds, and generally in connection with windows, partition walls, doors, display boards, etc.
  • the display device for convolving and/or aligning the beam paths for each display comprises at least one optical arrangement, e.g., in the form of a mirror or reflection arrangement, which is arranged in the respective beam path between the lens and the projection element and which includes at least one reflective optical element.
  • the display device comprises a total of at least two optical arrangements for convolving and/or aligning the beam path, wherein a first optical arrangement is arranged in the beam path of a first display of the at least two displays and a second optical arrangement is arranged in the beam path of a second display of the at least two displays.
  • the described optical arrangements enable, on the one hand, individual beam guidance of a plurality of beam paths that are offset from one another, in particular radially offset with respect to an optical axis of the lens, with optional correction of aberrations, and, on the other hand, targeted and precise merging of the partial images into a complete image with a widescreen format.
  • the optical arrangement for folding and/or aligning the beam path comprises at least one reflective optical element having a curvature.
  • This curvature can be aspherical and/or cylindrical.
  • the corresponding curvatures enable targeted beam guidance and shaping, as well as aberration correction.
  • the light paths or beam paths can be shortened, and a larger angle of projection onto the image plane is possible.
  • At least one display can be designed as a DMD display and/or at least one display can be designed as an LCoS display or liquid crystal on silicon display (LCoS - Liquid Crystal on Silicon).
  • LCoS liquid crystal on silicon display
  • the at least two displays can be positioned and/or aligned independently of each other.
  • the at least two displays can be positioned independently of each other with respect to an optical axis.
  • the lens can be designed to tilt and/or be arranged at a tilt. This allows the use of the so-called Scheimpflug principle. Tilting the display thus creates a tilted image plane or image field. This is particularly advantageous in applications involving curved and/or tilted projection surfaces, such as windshields.
  • the Scheimpflug condition for producing a sharp image of an inclined object plane requires that the image plane be inclined such that its line of intersection with the image-side principal plane is at the same distance from the optical axis as the line of intersection between the object plane and the object-side principal plane. This means that the object plane, the objective plane, and the image plane must intersect approximately in a straight line.
  • the at least two displays can each have a radiating surface with a surface normal, and the mean radiating direction of each display can form a tilt angle with the surface normal.
  • This tilt angle can be greater than 5 degrees, for example.
  • the tilt angle can be selected appropriately depending on the requirements of the specific application.
  • the projection element comprising the holographic optical elements is designed to be at least partially transparent. This enables diverse applications in the transportation sector, specifically in connection with viewing windows of all kinds, and in public infrastructure.
  • the projection element in particular the display surface or display area, can be curved.
  • the projection element can be a viewing window, such as a vehicle windshield.
  • the display device according to the invention provides an aberration-reduced or aberration-free image on the curved surface.
  • the beam paths are designed such that all principal beams, i.e., the principal beams of the at least two displays, have the same exit pupil position; in other words, they originate from the same exit pupil or from superimposed exit pupils.
  • HOEs holographic optical elements
  • the display device can be designed to partially superimpose the partial images in a target field or image field, e.g. in the display area or on the display surface, by mechanical means, i.e. by suitable positioning and/or calibration and/or adjustment of the optical components in the beam path, e.g. by suitable tilting of the displays relative to each other, and/or by optical means, e.g. additional lenses in the beam path.
  • the display device can be designed to align the partial images in an area where they overlap using digital image processing. This has the advantage that the transition between the partial images is invisible to the user, thus creating a high-quality widescreen image.
  • the display device is designed to generate an image composed of the partial images, i.e., a complete image, with an aspect ratio of at least 18:5.
  • the vehicle according to the invention comprises a previously described display device according to the invention.
  • the vehicle according to the invention has the features and advantages described in connection with the display device according to the invention.
  • the vehicle can be a motor vehicle, ship, aircraft, or rail vehicle.
  • the motor vehicle can be a passenger car, truck, bus, minibus, motorcycle, or moped.
  • the aircraft in question could be an airplane or a helicopter.
  • a display device is used as a head-up display and/or as a component of a facade and/or a window and/or a door and/or a wall of a building and/or a public infrastructure object, or generally in connection with a glass pane as a display.
  • the use according to the invention has the advantages already described above in connection with the display device according to the invention.
  • compositions containing components A, B, and/or C when used in a series of two or more elements, means that each of the listed elements can be used alone, or any combination of two or more of the listed elements can be used.
  • the composition when describing a composition containing components A, B, and/or C, the composition can be A alone; B alone; C alone. alone; A and B in combination; A and C in combination; B and C in combination; or containing A, B, and C in combination.
  • Fig. 1 schematically shows a first part of the beam path through a display device according to the invention in a perspective view.
  • Fig. 2 schematically shows a second part of the beam path through a display device according to the invention in a perspective view.
  • Fig. 3 schematically shows the beam path through a display device according to the invention in a perspective view.
  • Fig. 4 schematically shows the beam path through a display device according to the invention in a further variant in a side view.
  • Fig. 5 schematically shows the beam path through a display device according to the invention in a further variant in a side view.
  • Fig. 6 schematically shows the beam path through a display device according to the invention in a further variant in a top view.
  • Fig. 7 schematically shows a vehicle according to the invention in the form of a block diagram.
  • Figure 1 shows a first part or a first channel of the beam path 3
  • Figure 2 shows a second part. Part or a second channel of the beam path 4 and in figure 3 the entire beam path 3, 4 is shown.
  • the display device 1 comprises a display arrangement 10, a lens 2, and a projection element 9.
  • the display arrangement 10 includes a first display 11 and a second display 12.
  • the first display 11 and the second display 12 are radially offset from each other with respect to an optical axis 14 of the lens 2, i.e., arranged side by side or off-axis to each other.
  • the first display 11 and/or the second display 12 can be configured as a DMD display or an LCoS display.
  • an individual position adjustment with respect to a tilt angle with respect to the optical axis 14 can be provided.
  • a "Scheimpflug correction” i.e., beam guidance according to the Scheimpflug principle, can be achieved.
  • Arrangement 5 is arranged for folding and/or shaping the beam path 3. Between the lens 2 and the projection element 9, in the
  • Arrangement 6 is arranged for folding and/or shaping the beam path 3 and is identical in design to optical arrangement 5.
  • Optical arrangements 5 and 6 are arranged radially offset from each other with respect to the optical axis 14, for example, with respect to the display 11 or 12 belonging to the respective beam path on the opposite side of the optical axis 14.
  • Optical arrangements 5 and 6 each comprise two reflective optical elements 7 and 8, for example, mirrors, which are arranged one behind the other in beam path 3 or 4.
  • the folding mirrors 7 and 8 not only fold beam path 3 or 4, but also simultaneously align the two individual fields. Thus, a "large" composite image of the two individual channels is produced in the target field.
  • a widescreen image for example with an aspect ratio of 18:5 or more, can be projected onto the projection element 9.
  • the projection element 9 comprises a display surface.
  • the projection element 9 also includes holographic optical elements which can act as diffusers.
  • the projection element 9, in particular the display surface, can be at least partially transparent. This opens up a wide range of applications, e.g., in the transport sector or in public infrastructure, as already described in detail above.
  • the image data can be aligned to create a seamless image without a visible transition between the two partial images.
  • each display 11 or 12 is individually integrated into the display device 1 with its own orientation and position to achieve optimal imaging.
  • the final alignment of the projected individual fields to create a "seamless" overall image is performed, for example, digitally through image preprocessing. This means that the image data can be pre-processed, i.e., adjusted for brightness and/or contrast and positionally corrected, before being transmitted.
  • Figures 4 and 5 show further variations of beam paths through a display device according to the invention.
  • the variations shown differ in the design of the reflective optical elements 7 and 8 of the optical arrangements 5 and 6, respectively.
  • the optical elements 7 and 8 are designed as plane mirrors, while in the variation shown in Figure 5 they have a curvature, for example, a spherical, aspherical, or cylindrical curvature. This improves the image quality.
  • the angle of incidence of the light onto the projection element 9 or into the image plane can be increased.
  • Figure 6 shows a variant of a beam path of a display device 1 according to the invention for an application in connection with a curved viewing window, for example a windshield 9.
  • a curved viewing window for example a windshield 9.
  • the HOE of the projection element 9 in the example of a windshield shown, it is always advantageous if all principal rays come from the same exit pupil position 13. This allows the HOE to be constructed with a simple structure. If the two displays 11 and 12 use the same lens, they also have the same exit pupil. This is the case, for example, in the variants shown in Figures 1 to 5.
  • the curvature of the projection element 9 can be compensated by tilting the displays 11 and 12 relative to each other and with respect to the optical axis 14 of the lens, as shown by way of example in Figure 6.
  • This tilting can be achieved by exploiting the Scheimpflug principle, in particular the Scheimpflug condition, in combination with aberration correction, e.g., by adjusting the Petzval field curvature.
  • Even simple components such as spherical lenses and plane mirrors can be used to effectively compensate for a complex curvature of the projection element 9.
  • FIG. 15 schematically shows a vehicle according to the invention in the form of a block diagram.
  • the vehicle 15 comprises a display device 1 according to the invention, for example, a display device 1 as previously described with reference to Figures 1 to 6.
  • the vehicle 15 can be a motor vehicle, an aircraft, a rail vehicle, or a ship.
  • the present invention offers a high-quality and robust widescreen display for these applications, for example, also in the form of a head-up display.

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Abstract

Holographische Anzeigevorrichtung mit zwei Displays zur Breitbildanzeige Es wird eine Anzeigevorrichtung (1) beschrieben, welche eine Displayanordnung (10), ein Objektiv (2) und ein Projektionselement (9) mit einer Anzeigefläche umfasst, wobei das Projektionselement (9) holographische optische Elemente umfasst. Die Displayanordnung (10) umfasst mindestens zwei Displays (11, 12), welche in Bezug auf eine optische Achse (14) der Anzeigevorrichtung (1) im Strahlengang (3, 4) zwischen der Displayanordnung (10) und dem Objektiv (2) radial zueinander versetzt angeordnet sind und wobei die Strahlengänge (3, 4) ausgehend von den mindestens zwei Displays (11, 12) gemeinsam durch das Objektiv (2) verlaufen und auf der Anzeigefläche ein zusammengesetztes Bild aus zumindest zwei teilweise nebeneinander angeordneten Teilbildern erzeugen.

Description

Holographische Anzeigevorrichtung mit zwei Displays zur Breitbildanzeige
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anzeigevorrichtung, eine Verwendung der Anzeigevorrichtung und ein Fahrzeug. Dabei umfasst die Anzeigevorrichtung ein Projektionselement, welches holographische optische Elemente umfasst.
Im täglichen Leben, vor allem in der öffentlichen Infrastruktur, sind digitale Anzeigevorrichtungen Stand der Technik und nicht mehr wegzudenken. Weiterhin nimmt die Anzahl von Anzeigevorrichtungen stetig zu. Der Ressourcen- und Energiebedarf ist dabei erheblich. Daher besteht die Bestrebung bisher ungenutzte „Glas“-Flächen als Anzeigevorrichtungen zu nutzen. Geeignete Methoden, wie die Funktionalisierung von Glasscheiben mittels volumenholografischer optischer Elemente erfolgen kann, sind bereits bekannt und werden angewendet. Stand der Technik hierzu ist zum Beispiel in DE 10 2021 105 830 A1 und DE 10 2015 101 687 A1 offenbart.
Im Rahmen einer Entwicklung einer transparenten holografischen Anzeigevorrichtung im Breitbildformat für z.B.: Automotive-Anwendungen auf Basis von DLP-Projektionseinrichtungen (DLP - Digital Light Processing) ergeben sich einige Herausforderungen. Bei der DLP-Projektionstechnik werden Bilder erzeugt, indem ein digitales Bild auf einen Lichtstrahl moduliert wird, wobei der Lichtstrahl in Pixel zerlegt wird, z. B. mittels einer Digitalen Mikrospiegel-Einheit (DMD - Digital Micromirror Device). Gegenwärtig am Markt verfügbare DMD-Systeme sind hinsichtlich Größe, Auflösung und Aspektverhältnis begrenzt. Weiterhin gibt es weitere Einschränkungen in der Verfügbarkeit von DMD-Systemen mit Automotive-Zulassung. Typischerweise sind solche Systeme in ihrer Auflösung, also ihrer Performance, begrenzt. Folglich besteht ab einer bestimmten geforderten Displaybreite oder Breite der Anzeigefläche die Notwendigkeit mehrere Projektionssysteme zu verwenden, um aus den Einzelfeldern ein großes Gesamtfeld zusammenzusetzen (Schlagwort: „Image Stitching“). In typischen Anwendungen kommen hierbei mehrere Systeme zur Anwendung, welche Kosten und Ressourcenverbrauch in die Höhe treiben.
Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine vorteilhafte Anzeigevorrichtung zur Verfügung zu stellen. Weitere Aufgaben bestehen darin, eine vorteilhafte Verwendung der Anzeigevorrichtung und ein vorteilhaftes Fahrzeug zur Verfügung zu stellen.
Die genannten Aufgaben werden durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Die abhängigen Ansprüche enthalten weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Die erfindungsgemäße Anzeigevorrichtung, z. B. Bildwiedergabevorrichtung oder Projektionsvorrichtung, umfasst eine Displayanordnung, ein Objektiv, vorzugsweise nur ein einziges Objektiv, und ein Projektionselement oder Anzeigeelement, z. B. in Form eines Bildschirms, mit einem Anzeigebereich, vorzugsweise einer Anzeigefläche. Das Projektionselement oder Anzeigeelement, insbesondere der Anzeigebereich oder die Anzeigefläche umfasst holographische optische Elemente. Die holographischen optischen Elemente wirken bevorzugt als Diffusor, können aber auch zur Lichtstrahlführung und/oder zur Korrektur von Aberrationen ausgelegt sein.
Die Displayanordnung umfasst mindestens zwei Displays, welche in Bezug auf eine optische Achse der Anzeigevorrichtung im Strahlengang zwischen der Displayanordnung und dem Objektiv radial zueinander versetzt, also „off-axis“, angeordnet sind. Zudem verlaufen die Strahlengänge ausgehend von den mindestens zwei Displays gemeinsam durch das Objektiv und erzeugen in dem Anzeigebereich ein zusammengesetztes Bild aus zumindest zwei teilweise nebeneinander angeordneten Teilbildern. Die Strahlengänge können ausgehend von den mindestens zwei Displays gemeinsam so durch das Objektiv verlaufen, dass sich die Strahlengänge kreuzen und/oder zu der optischen Achse des Objektivs radial versetzt (off-axis) verlaufen.
Es kann das zusammengesetzte Bild in einem sogenannten Bildfeld erzeugt werden. Das Bildfeld kann in einer Eyebox oder auf der Anzeigefläche angeordnet sein. Es werden also mit anderen Worten mittels der erfindungsgemäßen Anzeigevorrichtung Strahlenbündel eines ersten Displays der mindestens zwei Displays zumindest teilweise neben den Strahlenbündeln eines zweiten Displays der mindestens zwei Displays auf eine Anzeigefläche projiziert und zu einem gemeinsamen Bild zusammengesetzt. Bei einem transparenten Anzeigebereich liegt das Bildfeld typischerweise auf der holografischen Anzeigefläche und kann mit dem Auge oder einem Kamerasystem betrachtet werden. Es ist aber möglich die holografisch optischen Elemente der Anzeigefläche so zu gestalten, dass nur aus bestimmten Raumwinkelbereichen das Bild, welches auf die Anzeigefläche projiziert wird zu betrachten. Diese Bereiche werden „Eyebox“ genannt.
Die erfindungsgemäße Anzeigevorrichtung hat den Vorteil, dass sie auf einfache und kostengünstige Weise eine qualitativ hochwertige Breitbildanzeige bietet. Durch die Verwendung von zwei Displays in Verbindung mit nur einem Objektiv sind verglichen mit einer Verwendung mehrerer separater Projektoren geringere Ressourcen erforderlich und die bei einer Breitbild-Abbildung üblicherweise auftretenden Aberrationen sind im Vergleich zur Verwendung von nur einem Display deutlich reduziert. Die erfindungsgemäße Anzeigevorrichtung lässt sich in vielen Kontexten verwenden, beispielsweise im Home-Tech-Bereich und in der öffentlichen Infrastruktur, also zum Beispiel an Fassaden, vorzugsweise Glasfassaden, von Gebäuden, im Transportbereich, also an und in Fahrzeugen aller Art, sowie allgemein im Zusammenhang mit Fenstern, Zwischenwänden, Türen, Anzeigetafeln etc. In einer bevorzugten Variante umfasst die Anzeigevorrichtung zur Faltung und/oder Angleichung der Strahlengänge pro Display mindestens eine optische Anordnung, z. B. in Form einer Spiegel- bzw. Reflektionsanordnung, welche in dem jeweiligen Strahlengang zwischen dem Objektiv und dem Projektionselement angeordnet ist und welche mindestens ein reflektives optisches Element umfasst. Die Anzeigevorrichtung umfasst also mit anderen Worten insgesamt mindestens zwei optische Anordnungen zur Faltung und/oder Angleichung des Strahlengangs, wobei eine erste optische Anordnung im Strahlengang eines ersten Displays der mindestens zwei Displays angeordnet ist und eine zweite optische Anordnung im Strahlengang eines zweiten Displays der mindestens zwei Displays angeordnet ist. Die beschriebenen optischen Anordnungen ermöglichen einerseits eine individuelle Strahlführung einer Mehrzahl an zueinander versetzt, insbesondere radial bezüglich einer optischen Achse des Objektivs versetzt, angeordneter oder verlaufender Strahlengänge mit gegebenenfalls einer Korrektur von Aberrationen und andererseits eine gezielte und präzise Zusammenfügung der Teilbilder zu einem Gesamtbild mit Breitbildformat.
Vorzugsweise umfasst die optische Anordnung zur Faltung und/oder Angleichung des Strahlengangs mindestens ein reflektives optisches Element, welches eine Krümmung aufweist. Bei der Krümmung kann es sich um eine asphärische und/oder eine zylindrische Krümmung handeln. Die entsprechenden Krümmungen ermöglichen eine gezielte Strahlführung und Strahlformung sowie eine Korrektur von Aberrationen. Insbesondere können die Lichtwege bzw. Strahlengänge verkürzt werden und es kann mit einem größeren Winkel in die Bild-Ebene projiziert werden.
Mindestens ein Display kann als DMD-Display und/oder mindestens ein Display kann als LCoS-Display oder Flüssigkristall-auf-S ilizium-Display (LCoS - Liquid Crystal on Silicon) ausgestaltet sein.
Die mindestens zwei Displays können unabhängig voneinander positionierbar und/oder ausrichtbar angeordnet sein. Insbesondere können die mindestens zwei Displays unabhängig voneinander in Bezug auf eine optische Achse des Objektivs kippbar ausgestaltet und/oder gekippt angeordnet sein. Dies ermöglicht eine Ausnutzung des sogenannten Scheimpflug-Prinzips. Es kann also durch Kippung des Displays eine gekippte Bildebene oder ein gekipptes Bildfeld erzeugt werden. Dies ist insbesondere im Zusammenhang mit Anwendungen an gekrümmten und/oder gekippten Projektionsflächen, wie beispielsweise Windschutzscheiben, von Vorteil.
Die Scheimpflug-Bedingung zur Erzeugung einer scharfen Abbildung einer geneigten Objektebene erfordert, dass die Bildebene so geneigt wird, dass deren Schnittgerade mit der bildseitigen Hauptebene im gleichen Abstand von der optischen Achse verläuft wie die Schnittgerade zwischen der Objektebene und der objektseitigen Hauptebene. Dies bedeutet, dass sich Objekt-, Objektiv- und Bildebene näherungsweise in einer Geraden schneiden müssen.
Zum Beispiel können die mindestens zwei Displays jeweils eine Abstrahlfläche mit einer Flächennormale aufweisen und die mittlere Abstrahlrichtung des jeweiligen Displays kann mit der Flächennormale einen Kippwinkel einschließen. Dieser kann beispielsweise größer sein kann als 5 Grad. Der Kippwinkel kann je nach den Anforderungen der konkreten Anwendung geeignet gewählt werden.
In einer bevorzugten Variante ist das die holographischen optischen Elemente umfassende Projektionselement zumindest teilweise transparent ausgestaltet. Dies ermöglicht eine vielfältige Anwendung im Transportbereich, konkret im Zusammenhang mit Sichtfenstern aller Art, und in der öffentlichen Infrastruktur.
Das Projektionselement, insbesondere die Anzeigefläche oder der Anzeigebereich, kann gekrümmt ausgestaltet sein. Zum Beispiel kann es sich bei dem Projektionselement um ein Sichtfenster, zum Beispiel eine Windschutzscheibe eines Fahrzeugs, handeln. Die erfindungsgemäße Anzeigevorrichtung bietet in diesem Zusammenhang eine aberrationsreduzierte oder aberrationsfreie Abbildung an der gekrümmten Fläche. Vorzugsweise sind die Strahlengänge so ausgestaltet, dass alle Hauptstrahlen, also die Hauptstrahlen der mindestens zwei Displays, dieselbe Austrittspupillenposition aufweisen, also mit anderen Worten aus der gleichen Austrittspupille kommen oder aus einander überlagerten Austrittspupillen. Dadurch können die holographischen optischen Elemente (HOE) mit einfacher Struktur konstruiert werden. Dies ist wiederum unter Kosten- und Ressourcen- Aspekten von Vorteil.
In einer weiteren Variante kann die Anzeigevorrichtung dazu ausgebildet sein, die Teilbilder in einem Zielfeld oder Bildfeld, z. B. in dem Anzeigebereich oder auf der Anzeigefläche, durch mechanische Mittel, also durch geeignete Positionierung und/oder Kalibrierung und/oder Justierung der optischen Bauteile im Strahlengang, z. B. durch eine geeignete Kippung der Displays zueinander, und/oder durch optische Mittel, z. B. weitere Linsen im Strahlengang, teilweise zu überlagern.
Die Anzeigevorrichtung kann dazu ausgebildet sein, die Teilbilder in einem Bereich, in welchem die Teilbilder einander überlappen, durch digitale Bildverarbeitung aneinander anzugleichen. Dies hat den Vorteil, dass ein Übergang zwischen den Teilbildern für einen Nutzer nicht sichtbar ist und auf diese Weise ein qualitativ hochwertiges Breitbild erzeugt werden kann
Vorzugsweise ist die Anzeigevorrichtung dazu ausgebildet, ein aus den Teilbildern zusammengesetztes Bild, also Gesamtbild, mit einem Aspektverhältnis von mindestens 18:5 zu erzeugen.
Das erfindungsgemäße Fahrzeug umfasst eine zuvor beschriebene erfindungsgemäße Anzeigevorrichtung. Das erfindungsgemäße Fahrzeug hat die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Anzeigevorrichtung beschriebenen Merkmale und Vorteile. Bei dem Fahrzeug kann es sich um ein Kraftfahrzeug, Schiff, Luftfahrzeug oder Schienenfahrzeug handeln. Bei dem Kraftfahrzeug kann es sich um einen Personenkraftwagen, einen Lastkraftwagen, einen Bus, einen Kleinbus, ein Motorrad oder ein Moped handeln. Bei dem Luftfahrzeug kann es sich um ein Flugzeug oder einen Hubschrauber handeln.
Im Rahmen der erfindungsgemäßen Verwendung wird eine erfindungsgemäße Anzeigevorrichtung als Head-Up-Display und/oder Bestandteil einer Fassade und/oder eines Fensters und/oder einer Tür und/oder einer Wand eines Gebäudes und/oder eines öffentlichen Infrastrukturobjekts oder allgemein im Zusammenhang mit einer Glasscheibe als Anzeige verwendet. Die erfindungsgemäße Verwendung hat die bereits oben im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Anzeigevorrichtung beschriebenen Vorteile.
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 einen ersten Teil des Strahlengangs durch eine erfindungsgemäße Anzeigevorrichtung in einer perspektivischen Ansicht.
Fig. 2 zeigt schematisch einen zweiten Teil des Strahlengangs durch eine erfindungsgemäße Anzeigevorrichtung in einer perspektivischen Ansicht.
Fig. 3 zeigt schematisch den Strahlengang durch eine erfindungsgemäße Anzeigevorrichtung in einer perspektivischen Ansicht.
Fig. 4 zeigt schematisch den Strahlengang durch eine erfindungsgemäße Anzeigevorrichtung in einer weiteren Variante in einer Seitenansicht.
Fig. 5 zeigt schematisch den Strahlengang durch eine erfindungsgemäße Anzeigevorrichtung in einer weiteren Variante in einer Seitenansicht.
Fig. 6 zeigt schematisch den Strahlengang durch eine erfindungsgemäße Anzeigevorrichtung in einer weiteren Variante in einer Draufsicht.
Fig. 7 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Fahrzeug in Form eines Blockdiagramms.
Im Folgenden wird anhand der Figuren 1 bis 3 der Aufbau einer erfindungsgemäßen Anzeigevorrichtung 1 erläutert. Dabei ist in der Figur 1 ein erster Teil oder ein erster Kanal des Strahlengangs 3, in der Figur 2 ein zweiter Teil oder ein zweiter Kanal des Strahlengangs 4 und in der Figur 3 der gesamte Strahlengang 3, 4 gezeigt.
Die gezeigte erfindungsgemäße Anzeigevorrichtung 1 umfasst eine Displayanordnung 10, ein Objektiv 2 und ein Projektionselement 9. Die Displayanordnung 10 umfasst ein erstes Display 11 und ein zweites Display 12. Das erste Display 11 und das zweite Display 12 sind in Bezug auf eine optische Achse 14 des Objektivs 2 radial zueinander versetzt, also nebeneinander bzw. off-axis zueinander angeordnet. Das erste Display 11 und/oder das zweite Display 12 können als DMD-Display oder LCoS-Display ausgestaltet sein. Für jedes Display 11 bzw. 12 kann eine individuelle Positionsanpassung hinsichtlich eines Kippwinkels in Bezug auf die optische Achse 14 vorgesehen sein. Durch eine entsprechende Kippung der Displays 11 bz. 12 lässt sich eine „Scheimpflugkorrektur“, also eine Strahlführung gemäß dem Scheimpflug-Prinzip, realisieren.
Zwischen dem Objektiv 2 und dem Projektionselement 9 ist in dem
Strahlengang 3 ausgehend von dem ersten Display 11 eine optische
Anordnung 5 zur Faltung und/oder Formung des Strahlengangs 3 angeordnet. Zwischen dem Objektiv 2 und dem Projektionselement 9 ist in dem
Strahlengang 4 ausgehend von dem zweiten Display 12 eine optische
Anordnung 6 zur Faltung und/oder Formung des Strahlengangs 3 angeordnet, welche baugleich mit der optischen Anordnung 5 ausgestaltet ist. Die optischen Anordnungen 5 und 6 sind zueinander radial in Bezug auf die optische Achse 14 versetzt angeordnet, beispielsweise bezogen auf das zu dem jeweiligen Strahlengang gehörige Display 11 bzw. 12 auf der jeweils gegenüberliegenden Seite der optischen Achse 14. Die optischen Anordnungen 5 und 6 umfassen jeweils zwei reflexive optische Elemente 7 und 8, beispielsweise Spiegel, welche im Strahlengang 3 bzw. 4 hintereinander angeordnet sind. Die Faltspiegel 7 und 8 haben nicht nur die Aufgabe den Strahlengang 3 bzw. 4 zu falten, sondern dienen gleichzeitig der Angleichung der beiden Einzelfelder. Somit ergibt sich im Zielfeld ein „großes“ zusammengesetztes Bild der beiden Einzelkanäle. Mittels der erfindungsgemäßen Anzeigevorrichtung 1 lässt sich auf dem Projektionselement 9 ein Breitbild, beispielsweise mit einem Aspektverhältnis von 18:5 oder mehr, realisieren. Das Projektionselement 9 umfasst eine Anzeigefläche. Das Projektionselement 9 umfasst zudem holographische optische Elemente, welche als Diffusor wirken können. Das Projektionselement 9, insbesondere die Anzeigefläche, kann zumindest teilweise transparent ausgestaltet sein. Hierdurch eröffnen sich vielfältige Anwendungen, z. B. im Transportbereich oder in der öffentlichen Infrastruktur, wie oben bereits ausführlich beschrieben.
In dem Bereich des Projektionselements 9, in welchem die Strahlengänge 3 und 4 einander teilweise überlappen, können die Bilddaten so aneinander angepasst werden, dass ein Gesamtbild ohne einen sichtbaren Übergang zwischen den beiden Teilbildern erzeugt wird. Hierzu ist jedes Display 11 bzw. 12 individuell in seiner Ausrichtung und Lage in die Anzeigevorrichtung 1 integriert, sodass ein optimales Abbildungsergebnis realisiert werden kann. Der finale Abgleich der projizierten Einzelfelder zu einem „nahtlosen“ Gesamtbild erfolgt z. B. auf „digitaler“ Ebene durch Bildvorverarbeitung. Das heißt, die Bilddaten können vorverzeichnet, also z. B. in Helligkeit und/oder Kontrast angepasst und positionskorrigiert, übertragen werden.
Die Figuren 4 und 5 zeigen weitere Varianten für Strahlengänge durch eine erfindungsgemäße Anzeigevorrichtung. Dabei unterscheiden sich die gezeigten Varianten in der Ausgestaltung der reflektiven optischen Elemente 7 und 8 der optischen Anordnungen 5 bzw. 6. In der in der Figur 4 gezeigten Variante sind die optischen Elemente 7 und 8 als ebene Spiegel ausgestaltet, während sie in der in der Figur 5 gezeigten Variante eine Krümmung, beispielsweise eine sphärische oder asphärische oder zylindrische Krümmung, aufweisen. Hierdurch kann die Abbildungsqualität verbessert werden. Zudem kann der Einfallswinkel des Lichts auf das Projektionselement 9 bzw. in die Bildebene vergrößert werden.
Die Figur 6 zeigt eine Variante eines Strahlengangs einer erfindungsgemäßen Anzeigevorrichtung 1 für eine Anwendung im Zusammenhang mit einem gekrümmten Sichtfenster, zum Beispiel einer Windschutzscheibe 9. Im Zusammenhang mit den HOE des Projektionselements 9, im gezeigten Beispiel einer Windschutzscheibe, ist es immer vorteilhaft, wenn alle Hauptstrahlen aus der gleichen Austrittspupillen-Position 13 kommen. Dadurch kann man das HOE mit einfacher Struktur konstruieren. Wenn die zwei Displays 11 und 12 dasselbe Objektiv benutzen, haben sie auch die gleiche Austrittspupille. Dies ist zum Beispiel in den in den Figuren 1 bis 5 gezeigten Varianten der Fall.
Wenn das HOE in eine gekrümmte Scheibe 9, z. B. eine Windschutzscheibe eines Fahrzeugs, integriert wird, kann eine beispielhaft in der Figur 6 gezeigte Kippung der Displays 11 und 12 zueinander und in Bezug auf die optische Achse 14 des Objektivs die Krümmung des Projektionselements 9 durch Ausnutzung des Scheimflug-Prinzips, insbesondere der Scheimpflug- Bedingung, in Kombination mit einer Aberrationskorrektur, z. B. einer Anpassung der Petzval-Feldkrümmung, kompensieren. Dabei lässt sich bereits mittels einfacher Komponenten wie sphärischer Linsen und ebener Spiegel eine komplizierte Krümmung eines Projektionselements 9 gut kompensieren.
Die Figur ? zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Fahrzeug in Form eines Blockdiagramm. Das Fahrzeug 15 umfasst eine erfindungsgemäße Anzeigevorrichtung 1 , beispielsweise eine zuvor anhand der Figuren 1 bis 6 beschriebene Anzeigevorrichtung 1. Bei dem Fahrzeug 15 kann es sich, wie eingangs bereits beschrieben, um ein Kraftfahrzeug, ein Luftfahrzeug, ein Schienenfahrzeug oder ein Schiff handeln. Die vorliegende Erfindung bietet für diese Anwendungen eine qualitativ hochwertige und robuste Breitbildanzeige, beispielsweise auch in Form eines Head-up-Displays. Bezugszeichenliste:
1 Anzeigevorrichtung
2 Objektiv 3 Strahlengang
4 Strahlengang
5 optische Anordnung
6 optische Anordnung
7 reflektives optisches Element 8 reflektives optisches Element
9 Projektionselement
10 Displayanordnung
11 Display
12 Display 13 Austrittspupille
14 optische Achse des Objektivs
15 Fahrzeug

Claims

Patentansprüche
1 . Anzeigevorrichtung (1 ), welche eine Displayanordnung (10), ein Objektiv (2) und ein Projektionselement (9) mit einer Anzeigefläche umfasst, wobei das Projektionselement (9) holographische optische Elemente umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Displayanordnung (10) mindestens zwei Displays (11 , 12) umfasst, welche in Bezug auf eine optische Achse (14) der Anzeigevorrichtung (1 ) im Strahlengang (3, 4) zwischen der Displayanordnung (10) und dem Objektiv (2) radial zueinander versetzt angeordnet sind und wobei die Strahlengänge (3, 4) ausgehend von den mindestens zwei Displays (11 , 12) gemeinsam durch das Objektiv (2) verlaufen und auf der Anzeigefläche ein zusammengesetztes Bild aus zumindest zwei teilweise nebeneinander angeordneten Teilbildern erzeugen.
2. Anzeigevorrichtung (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Anzeigevorrichtung (1 ) zur Faltung und/oder Angleichung der Strahlengänge (3, 4) pro Display (11 , 12) mindestens eine optische Anordnung (5, 6) umfasst, welche in dem jeweiligen Strahlengang (3, 4) zwischen dem Objektiv (2) und dem Projektionselement (9) angeordnet ist und welche mindestens ein reflektives optisches Element (7, 8) umfasst.
3. Anzeigevorrichtung (1 ) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Anordnung (5, 6) zur Faltung und/oder Angleichung des Strahlengangs (3, 4) mindestens ein reflektives optisches Element (7, 8) umfasst, welches eine Krümmung aufweist.
4. Anzeigevorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Display (11 , 12) als DMD-Display und/oder mindestens ein Display (11 , 12) als LCoS-Display ausgestaltet ist.
5. Anzeigevorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Displays (11 , 12) unabhängig voneinander positionierbar und/oder ausrichtbar angeordnet sind.
6. Anzeigevorrichtung (1 ) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Displays (11 , 12) unabhängig voneinander in Bezug auf eine optische Achse (14) des Objektivs (2) kippbar ausgestaltet und/oder gekippt angeordnet sind.
7. Anzeigevorrichtung (1 ) einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Displays (11 , 12) jeweils eine Abstrahlfläche mit einer Flächennormale aufweisen und die mittlere Abstrahlrichtung des jeweiligen Displays (11 , 12) mit der Flächennormale einen Kippwinkel einschließt.
8. Anzeigevorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Projektionselement (9) zumindest teilweise transparent ausgestaltet ist.
9. Anzeigevorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Projektionselement (9) gekrümmt ausgestaltet ist.
10. Anzeigevorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlengänge (3, 4) so ausgestaltet sind, dass alle Hauptstrahlen dieselbe Austrittspupillenposition (13) aufweisen.
11. Anzeigevorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzeigevorrichtung (1 ) dazu ausgebildet ist, die Teilbilder in einem Zielfeld durch mechanische und/oder optische Mittel teilweise zu überlagern.
12. Anzeigevorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Anzeigevorrichtung (1 ) dazu ausgebildet ist, die Teilbilder in einem Bereich, in welchem die Teilbilder einander überlappen, durch digitale Bildverarbeitung aneinander anzugleichen.
13. Anzeigevorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzeigevorrichtung (1 ) dazu ausgebildet ist, ein aus den Teilbildern zusammengesetztes Bild mit einem Aspektverhältnis von mindestens 18:5 zu erzeugen.
14. Fahrzeug (15), welches eine Anzeigevorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 13 umfasst.
15. Verwendung einer Anzeigevorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 13 als Head-Up-Display und/oder Bestandteil einer Fassade und/oder eines Fensters und/oder einer Tür und/oder einer Wand eines Gebäudes und/oder eines öffentlichen Infrastrukturobjekts.
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