Gerät zum Generieren eines virtuellen Bildes mit feldpunktabhängiger Apertur

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gerät zum Generieren eines virtuellen Bildes.

Unter einem Head-Up-Display, auch als HUD bezeichnet, wird ein Anzeigesystem verstanden, bei dem der Betrachter seine Blickrichtung beibehalten kann, da die darzustellenden Inhalte in sein Sichtfeld eingeblendet werden. Während derartige Systeme aufgrund ihrer Komplexität und Kosten ursprünglich vorwiegend im Bereich der Luftfahrt Verwendung fanden, werden sie inzwischen auch im Automobilbereich in Großserie verbaut.

Head-Up-Displays bestehen im Allgemeinen aus einem Bildgene rator, einer Optikeinheit und einer Spiegeleinheit. Der Bildgenerator erzeugt das Bild. Die Optikeinheit leitet das Bild auf die Spiegeleinheit. Der Bildgenerator wird oft auch als bildgebende Einheit oder PGU (Picture Generating Unit) be zeichnet. Die Spiegeleinheit ist eine teilweise spiegelnde, lichtdurchlässige Scheibe. Der Betrachter sieht also die vom Bildgenerator dargestellten Inhalte als virtuelles Bild und gleichzeitig die reale Welt hinter der Scheibe. Als Spie geleinheit dient im Automobilbereich oftmals die Windschutz scheibe, deren gekrümmte Form bei der Darstellung berücksichtigt werden muss. Durch das Zusammenwirken von Optikeinheit und Spiegeleinheit ist das virtuelle Bild eine vergrößerte Dar stellung des vom Bildgenerator erzeugten Bildes.

Der Betrachter kann das virtuelle Bild nur aus der Position der sogenannten Eyebox betrachten. Als Eyebox wird ein Bereich bezeichnet, dessen Höhe und Breite einem theoretischen Sichtfenster entspricht. So lange sich ein Auge des Betrachters innerhalb der Eyebox befindet, sind alle Elemente des virtuellen Bildes für das Auge sichtbar. Befindet sich das Auge hingegen außerhalb der Eyebox, so ist das virtuelle Bild für den Betrachter nur noch teilweise oder gar nicht sichtbar. Je größer die Eyebox ist, desto weniger eingeschränkt ist der Betrachter somit bei der Wahl seiner Sitzposition.

Die Größe der Eyebox herkömmlicher Head-Up-Displays wird durch die Größe der Optikeinheit begrenzt. Ein Ansatz zur Vergrößerung der Eyebox besteht darin, das von der bildgebenden Einheit kommende Licht in einen Lichtwellenleiter einzukoppeln. Das in den Lichtwellenleiter eingekoppelte Licht wird an dessen Grenzflächen totalreflektiert und wird somit innerhalb des Lichtwellenleiters geleitet. Zusätzlich wird an einer Vielzahl von Positionen entlang der Ausbreitungsrichtung jeweils ein Teil des Lichts ausgekoppelt. Durch den Lichtwellenleiter erfolgt auf diese Weise eine Aufweitung der Austrittspupille. Die effektive Austrittspupille setzt sich hier aus Bildern der Apertur des Bilderzeugungssystems zusammen.

Vor diesem Hintergrund beschreibt die US 2016/0124223 Al eine Anzeigevorrichtung für virtuelle Bilder. Die Anzeigevorrichtung umfasst einen Lichtwellenleiter, der bewirkt, dass von einer bildgebenden Einheit kommendes Licht, das durch eine erste Lichteinfallsfläche einfällt, wiederholt einer internen Re flexion unterzogen wird, um sich in einer ersten Richtung von der ersten Lichteinfallsfläche weg zu bewegen. Der Lichtwellenleiter bewirkt zudem, dass ein Teil des im Lichtwellenleiter geführten Lichts durch Bereiche einer ersten Lichtaustrittsfläche, die sich in der ersten Richtung erstreckt, nach außen austritt. Die Anzeigevorrichtung umfasst weiterhin ein erstes lichtein fallseitiges Beugungsgitter, das auftreffendes Licht beugt, um zu bewirken, dass das gebeugte Licht in den Lichtwellenleiter eintritt, und ein erstes lichtausfallendes Beugungsgitter, das vom Lichtwellenleiter einfallendes Licht beugt.

Ein typischer Bildgeber für Head-Up-Displays mit holographischem Lichtwellenleiter weist einen scannenden Projektor mit LED-basierten Lichtquellen auf. Durch die spektrale Breite sowie die Vielzahl von Abstrahlwinkeln ist bei LED-basierten Systemen eine gute Aperturabdeckung gewährleistet. Derartige Systeme sind daher wenig anfällig für Störeffekte, wie zum Beispiel das sogenannte Banding.

Zur Effizienzerhöhung und funktionalen Erweiterung von Head-Up-Displays mit holographischem Lichtwellenleiter ist es sinnvoll, statt LEDs Laser als Lichtquellen zu verwenden. Die Nutzung von Lasern als Lichtquellen hat allerdings den Nachteil, dass die Systeme deutlich weniger tolerant sind. Die Aus gangsapertur muss besonders sauber zusammengesetzt werden, um störende Effekte zu vermeiden. Aktuell werden komplexe Systeme genutzt, um eine variable Apertur für gleichmäßig gefüllte zusammengesetzte Aperturen zu realisieren. Diese Systeme be stehen aus verschiedenen Komponenten und sind aufwendig zu designen. Jede Komponente ist mit Toleranzen und einem Lichtverlust verbunden. Die Systeme benötigen zudem etwas von dem ohnehin beschränkten Bauraum und erhöhen sowohl das Gewicht als auch die Kosten des Head-Up-Displays.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Gerät zum Generieren eines virtuellen Bildes vorzuschlagen, bei dem auf einfache Weise eine feldpunktabhängige Apertur rea lisiert wird.

Diese Aufgabe wird durch ein Gerät mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung weist ein Gerät zum Generieren eines virtuellen Bildes auf:

- zumindest eine Lichtquelle zum Erzeugen eines Lichtstrahls;

- eine bildgebende Einheit zum Erzeugen eines Bildes; und

- einen Lichtwellenleiter zum Aufweiten einer Austrittspupille, wobei der Lichtwellenleiter ein Einkoppelhologramm aufweist; und wobei durch die bildgebende Einheit in Verbindung mit dem Einkoppelhologramm eine feldpunktabhängige Apertur für den Lichtwellenleiter realisiert wird.

Zur Realisierung der feldpunktabhängigen Apertur werden von der Lichtquelle ausgestrahlte Lichtstrahlen so präpariert, dass die Lichtstrahlen in wenigstens einer Raumrichtung unter verschieden Winkeln auf eine Begrenzungsfläche des Lichtwellenleiters treffen. Dort sorgt eine Einkoppelstruktur des Einkoppelho logramms dafür, dass das auftreffende Licht so in einen für eine Totalreflexion im Lichtwellenleiter geeigneten Propagations winkel abgelenkt wird, dass der Propagationswinkel zur ge wünschten Aperturfläche passt, also typischerweise das Re flexionsraster jeweils mit der zugehörigen Größe der Apertur harmoniert. Das Einkoppelhologramm kombiniert somit Einkopplung und Winkelanpassung in einem Element.

Durch die erfindungsgemäße Lösung wird eine feldpunktabhängige Apertur ohne zusätzliche optische Komponenten erreicht. Dies ermöglicht die Realisierung eines günstigen, robusten und platzsparenden Head-Up-Displays . Das vorgeschlagene System erlaubt dabei die Reduktion von Banding im Lichtwellenleiter.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung steigt eine durch einen Lichtstrahl auf der Begrenzungsfläche des Lichtwellenleiters beleuchtete Fläche monoton über den insgesamt beleuchteten Bereich der Begrenzungsfläche an. Beispielsweise folgt der monotone Anstieg dabei einem Kosinusfaktor. Stellt man sich den Lichtstrahl näherungsweise als einen Zylinder vor, der von der Begrenzungsfläche des Lichtwellenleiters durchschnitten wird, so ist die Schnittfläche bei senkrechtem Einfall ein Kreis. Je größer der Einfallswinkel wird, desto breiter wird die Ellipse, die dann die Schnittfläche darstellt. Die Breite entspricht dem ursprünglichen Kreisdurchmesser geteilt durch den Kosinus des Einfallswinkels. Die beleuchtete Fläche ist also durch den Kosinus des Einfallswinkels bestimmt.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung weist das Einkoppelhologramm eine Einkoppelstruktur mit einer ortsabhängigen Gitterkonstante auf. Mit einer solchen ortsabhängigen Gitterkonstante lässt sich die gewünschte feldpunktabhängige Apertur beziehungsweise die Winkelanpassung auf einfache Weise realisieren. Da sich die Gitterkonstante über die Fläche ändert, ist auch ein uner wünschtes frühzeitiges Wiederauskoppeln des bereits mittels Totalreflexion geführten Lichts über das Einkoppelhologramm erschwert. Dadurch wird eine Reduzierung von Verlustfaktoren erreicht .

Gemäß einem Aspekt der Erfindung weist die bildgebende Einheit einen Mikroscanner auf. Die erfindungsgemäße Lösung harmoniert besonders gut mit einem solchen Scanner, der seinerseits die Realisierung einer besonders einfachen und kompakten bildge benden Einheit ermöglicht. Der Mikroscanner kann beispielsweise ein MEMS-Scanner sein (MEMS : Microelectromechanical System; Mikrosystem) .

Gemäß einem Aspekt der Erfindung erzeugt die Lichtquelle einen nicht-kollimierten Lichtstrahl, wobei das Einkoppelhologramm die fehlende Kollimation des Lichtstrahls kompensiert. Auf diese Weise kann auf eine zusätzliche optische Komponente zur Kol limation des Lichtstrahls verzichtet werden. Zudem ermöglicht die Verwendung eines nicht-kollimierten Lichtstrahls eine größere und gezieltere Variation der Auftrittsfläche, als sie der oben genannte Kosinusfaktor erlaubt.

Alternativ erzeugt die Lichtquelle einen kollimierten Licht strahl. Zu diesem Zweck ist die Lichtquelle vorzugsweise ein Laser .

Ein erfindungsgemäßes Gerät zum Generieren eines virtuellen Bildes weist zumindest eine Lichtquelle zum Erzeugen eines kollimierten Lichtstrahls auf, eine bildgebende Einheit mit einem Microscanner zum Erzeugen eines Bildes und einen Lichtwellenleiter zum Aufweiten einer Austrittspupille. Dabei weist der Lichtwellenleiter ein Einkoppelhologramm mit einer Einkoppelstruktur mit einer ortsabhängigen Gitterkonstante aufweist. Durch die bildgebende Einheit wird in Verbindung mit dem Einkoppelhologramm eine feldpunktabhängige Apertur für den Lichtwellenleiter realisiert, indem vom Microscanner ausgehende Lichtstrahlen in wenigstens einer Raumrichtung unter ver schiedenen Winkeln auf die Einkoppelstruktur treffen. Die ortsunabhängige Gitterkonstante der Einkoppelstruktur dient dazu, den Propagationswinkel an die gewünschte Aperturfläche anzupassen. Die hier angegebene Lösung geht dazu von kollimierten Lichtstrahlen aus. Eine Kollimation der Lichtstrahlen oder eine Kompensation von Abbildungsfehlern wird durch die Einkoppel struktur nicht bewirkt.

Vorzugsweise wird ein erfindungsgemäßes Gerät in einem Fahrzeug, insbesondere einem Kraftfahrzeug, eingesetzt.

Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung und den angehängten Ansprüchen in Verbindung mit den Figuren ersichtlich. Figurenübersicht

Fig. 1 zeigt schematisch ein Head-Up-Display gemäß dem Stand der Technik für ein Kraftfahrzeug;

Fig. 2 zeigt einen Lichtwellenleiter mit zweidimensionaler

Vergrößerung;

Fig. 3 zeigt schematisch ein Head-Up-Display mit Licht wellenleiter;

Fig. 4 zeigt schematisch ein Head-Up-Display mit Licht wellenleiter in einem Kraftfahrzeug;

Fig. 5 zeigt schematisch einen Querschnitt eines Licht wellenleiters eines erfindungsgemäßen

Head-Up-Displays ; und

Fig. 6 zeigt schematisch eine perspektivische Ansicht eines

Lichtwellenleiters eines erfindungsgemäßen

Head-Up-Displays .

Fig. 7 zeigt schematisch den Verlauf eines kollimierten

Strahlenbündels in einem Lichtwellenleiter

Fig. 8 zeigt diesen Verlauf für zwei unterschiedliche Winkel im Vergleich

Fig. 9 zeigt einen beispielhaften Verlauf der Gitterperiode über dem Einfallswinkel

Fig. 10 zeigt einen Querschnitt entsprechend Fig.5

Fig. 11 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt von Fig.10 Figurenbeschreibung

Zum besseren Verständnis der Prinzipien der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Ausführungsformen der Erfindung anhand der Figuren detaillierter erläutert. Gleiche Bezugszeichen werden in den Figuren für gleiche oder gleichwirkende Elemente verwendet und nicht notwendigerweise zu jeder Figur erneut beschrieben. Es versteht sich, dass sich die Erfindung nicht auf die dargestellten Ausführungsformen beschränkt und dass die beschriebenen Merkmale auch kombiniert oder modifiziert werden können, ohne den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen, wie er in den angehängten Ansprüchen definiert ist.

Zunächst soll anhand der Figuren 1 bis 4 der Grundgedanke eines Head-Up-Displays mit Lichtwellenleiter dargelegt werden.

Fig. 1 zeigt eine Prinzipskizze eines Head-Up-Displays gemäß dem Stand der Technik für ein Kraftfahrzeug. Das Head-Up-Display weist einen Bildgenerator 1, eine Optikeinheit 2 und eine Spiegeleinheit 3 auf. Von einem Anzeigeelement 11 geht ein Strahlenbündel SB1 aus, welches von einem Faltspiegel 21 auf einen gekrümmten Spiegel 22 reflektiert wird, der es Richtung Spiegeleinheit 3 reflektiert. Die Spiegeleinheit 3 ist hier als Windschutzscheibe 31 eines Kraftfahrzeugs dargestellt. Von dort gelangt das Strahlenbündel SB2 in Richtung eines Auges 61 eines Betrachters .

Der Betrachter sieht ein virtuelles Bild VB, welches sich außerhalb des Kraftfahrzeugs oberhalb der Motorhaube oder sogar vor dem Kraftfahrzeug befindet. Durch das Zusammenwirken von Optikeinheit 2 und Spiegeleinheit 3 ist das virtuelle Bild VB eine vergrößerte Darstellung des vom Anzeigeelement 11 angezeigten Bildes. Hier sind symbolisch eine Geschwindigkeitsbegrenzung, die aktuelle Fahrzeuggeschwindigkeit sowie Navigationsanweisungen dargestellt. So lange sich das Auge 61 innerhalb der durch ein Rechteck angedeuteten Eyebox 62 befindet, sind alle Elemente des virtuellen Bildes für das Auge 61 sichtbar. Befindet sich das Auge 61 außerhalb der Eyebox 62, so ist das virtuelle Bild VB für den Betrachter nur noch teilweise oder gar nicht sichtbar. Je größer die Eyebox 62 ist, desto weniger eingeschränkt ist der Betrachter bei der Wahl seiner Sitzposition .

Die Krümmung des gekrümmten Spiegels 22 dient zum einen dazu, den Strahlengang aufzubereiten und somit für ein größeres Bild und eine größere Eyebox 62 zu sorgen. Zum anderen gleicht die Krümmung eine Krümmung der Windschutzscheibe 31 aus, sodass das virtuelle Bild VB einer vergrößerten Wiedergabe des vom Anzeigeelement 11 dargestellten Bildes entspricht. Der gekrümmte Spiegel 22 ist mittels einer Lagerung 221 drehbar gelagert. Die dadurch ermöglichte Drehung des gekrümmten Spiegels 22 ermöglicht ein Verschieben der Eyebox 62 und somit eine Anpassung der Position der Eyebox 62 an die Position des Auges 61. Der Faltspiegel 21 dient dazu, dass der vom Strahlenbündel SB1 zurückgelegte Weg zwischen Anzeigeelement 11 und gekrümmtem Spiegel 22 lang ist, und gleichzeitig die Optikeinheit 2 dennoch kompakt ausfällt. Die Optikeinheit 2 wird durch eine transparente Abdeckung 23 gegen die Umgebung abgegrenzt. Die optischen Elemente der Optikeinheit 2 sind somit beispielsweise gegen im Innenraum des Fahrzeugs befindlichen Staub geschützt. Auf der Abdeckung 23 befindet sich weiterhin eine optische Folie 24 oder eine Beschichtung, die einfallendes Sonnenlicht SL daran hindern soll, über die Spiegel 21, 22 auf das Anzeigeelement 11 zu gelangen. Dieses könnte sonst durch eine dabei auftretende Wärmeentwicklung vorübergehend oder auch dauerhaft geschädigt werden. Um dies zu verhindern, wird beispielsweise ein Infrarotanteil des Sonnenlichts SL mittels der optischen Folie 24 ausgefiltert. Ein Blendschutz 25 dient dazu, von vorne einfallendes Licht abzuschatten, sodass es nicht von der Abdeckung 23 in Richtung Windschutzscheibe 31 reflektiert wird, was eine Blendung des Betrachters hervorrufen könnte. Außer dem Sonnenlicht SL kann auch das Licht einer anderen Störlichtquelle 64 auf das Anzeigeelement 11 gelangen.

Fig. 2 zeigt in schematischer räumlicher Darstellung einen Lichtwellenleiter 5 mit zweidimensionaler Vergrößerung. Im unteren linken Bereich erkennt man ein Einkoppelhologramm 53, mittels dessen von einer nicht dargestellten bildgebenden Einheit kommendes Licht LI in den Lichtwellenleiter 5 eingekoppelt wird. In diesem breitet es sich in der Zeichnung nach rechts oben aus, entsprechend dem Pfeil L2. In diesem Bereich des Lichtwellenleiters 5 befindet sich ein Falthologramm 51, das ähnlich wie viele hintereinander angeordnete teildurchlässige Spiegel wirkt, und ein in Y-Richtung verbreitertes, sich in X-Richtung ausbreitendes Lichtbündel erzeugt. Dies ist durch drei Pfeile L3 angedeutet. In dem sich in der Abbildung nach rechts erstreckenden Teil des Lichtwellenleiters 5 befindet sich ein Auskoppelhologramm 52, welches ebenfalls ähnlich wie viele hintereinander angeordnete teildurchlässige Spiegel wirkt, und durch Pfeile L4 angedeutet Licht in Z-Richtung nach oben aus dem Lichtwellenleiter 5 auskoppelt. Hierbei erfolgt eine Verbreiterung in X-Richtung, sodass das ursprüngliche einfallende Lichtbündel LI als in zwei Dimensionen vergrößertes Lichtbündel L4 den Lichtwellenleiter 5 verlässt.

Fig. 3 zeigt in räumlicher Darstellung ein Head-Up-Display mit drei Lichtwellenleitern 5R, 5G, 5B, die übereinanderliegend angeordnet sind und für je eine Elementarfarbe Rot, Grün und Blau stehen. Sie bilden gemeinsam den Lichtwellenleiter 5. Die in dem Lichtwellenleiter 5 vorhandenen Hologramme 51, 52, 53 sind wellenlängenabhängig, sodass jeweils ein Lichtwellenleiter 5R, 5G, 5B für eine der Elementarfarben verwendet wird. Oberhalb des Lichtwellenleiters 5 sind ein Bildgenerator 1 und eine Optikeinheit 2 dargestellt. Die Optikeinheit 2 weist einen Spiegel 20 auf, mittels dessen das vom Bildgenerator 1 erzeugte und von der Optikeinheit 2 geformte Licht in Richtung des jeweiligen Einkoppelhologramms 53 umgelenkt wird. Der Bildgenerator 1 weist drei Lichtquellen 14R, 14G, 14B für die drei Elementarfarben auf. Man erkennt, dass die gesamte dargestellte Einheit eine im Vergleich zu ihrer lichtabstrahlenden Fläche geringe Gesamtbauhöhe aufweist.

Fig. 4 zeigt ein Head-Up-Display in einem Kraftfahrzeug ähnlich zu Fig. 1, hier allerdings in räumlicher Darstellung und mit einem Lichtwellenleiter 5. Man erkennt den schematisch angedeuteten Bildgenerator 1, der ein paralleles Strahlenbündel SB1 erzeugt, welches mittels der Spiegelebene 523 in den Lichtwellenleiter 5 eingekoppelt wird. Die Optikeinheit ist der Einfachheit halber nicht dargestellt. Mehrere Spiegelebenen 522 reflektieren jeweils einen Teil des auf sie auftreffenden Lichts Richtung Windschutzscheibe 31, der Spiegeleinheit 3. Von dieser wird das Licht Richtung Auge 61 reflektiert. Der Betrachter sieht ein virtuelles Bild VB über der Motorhaube bzw. in noch weiterer Entfernung vor dem Kraftfahrzeug.

Fig. 5 zeigt schematisch einen Querschnitt eines Lichtwellenleiters 5 eines erfindungsgemäßen Head-Up-Displays . Zu sehen sind zwei von der bildgebenden Einheit 1 ausgehende näherungsweise kollimierte Lichtstrahlen Ll_l, Ll_2 zur Bilderzeugung. Die Lichtstrahlen Ll_l, Ll_2 sind so präpariert, dass in wenigstens einer Raumrichtung die Lichtstrahlen Ll_l, Ll_2 unter verschieden Winkeln auf eine Begrenzungsfläche 502 des Lichtwellenleiters 5 auftreffen. In Fig. 5 handelt es sich dabei um die untere Begrenzungsfläche 502 des Lichtwellenleiters 5. Die Einfallswinkel der Lichtstrahlen LI 1, Ll_2 sind so gewählt, dass die Fläche, die von den Lichtstrahlen Ll_l, Ll_2 beleuchtet wird, kontinuierlich monoton über den insgesamt von den Lichtstrahlen Ll_l, Ll_2 beleuchteten Bereich BB der Begrenzungsfläche 502 ansteigt. In Fig. 5 trifft der Lichtstrahl Ll_l senkrecht auf die Begrenzungsfläche 502, d.h. der Einfallswinkel beträgt 0°. Die beleuchtete Fläche ist in diesem Fall ein Kreis mit einem Durchmesser B. Der Lichtstrahl Ll_2 trifft unter einem von 0° verschiedenen Einfallswinkel auf die Begrenzungsfläche 502. Die beleuchtete Fläche hat daher die Form einer Ellipse. Je größer der Einfallswinkel wird, desto breiter wird die Ellipse. Die Breite entspricht dem ursprünglichen Kreisdurchmesser geteilt durch den Kosinus des Einfallswinkels, d.h. der Anstieg folgt einem Kosinusfaktor.

Eine Einkoppelstruktur 532 des Einkoppelhologramms sorgt nun dafür, dass die auftreffenden Lichtstrahlen Ll_l, Ll_2 in einen für eine Totalreflexion an der unteren Begrenzungsfläche 502 und einer oberen Begrenzungsfläche 501 im Lichtwellenleiter 5 geeigneten Propagationswinkel abgelenkt werden. Dabei ist die Einkoppelstruktur 532 so gestaltet, dass der Propagationswinkel zur gewünschten Aperturfläche passt, also typischerweise das Reflexionsraster jeweils mit der zugehörigen Größe der Apertur harmoniert. Das Einkoppelhologramm kombiniert somit Einkopplung und Winkelanpassung in einem Element. Für die Winkelanpassung weist die Einkoppelstruktur 532 vorzugsweise eine ortsabhängige Gitterkonstante auf. Da sich die Gitterkonstante über die Fläche ändert, ist auch ein unerwünschtes frühzeitiges Wiederauskoppeln des bereits mittels Totalreflexion geführten Lichts Ll_l, Ll_2 über das Einkoppelhologramm erschwert. Dadurch wird eine Reduzierung von Verlustfaktoren erreicht.

Fig. 6 zeigt schematisch eine perspektivische Ansicht eines Lichtwellenleiters 5 eines erfindungsgemäßen Head-Up-Displays . Zu sehen ist, dass die unter verschiedenen Winkeln in den Lichtwellenleiter 5 eingekoppelten Lichtstrahlen Ll_l, Ll_2 unterschiedliche spezifische Aperturen Al, A2 ausfüllen.

Fig. 7 zeigt schematisch den Verlauf eines kollimierten Strahlenbündels in einem Lichtwellenleiter. Bei dem beschriebenen Head-Up-Display ist üblicherweise eine Darstellung eines virtuellen Bildes weit (in Metern gemessen) hinter der Ausgangsapertur des beschriebenen Head-Up-Displays angestrebt. Diese liegt vorzugsweise über dem Kühler eines Kraftfahrzeugs an der Fahrzeugfront oder - insbesondere für Augmented-Reality-Anwendungen - weiter vor dem Fahrzeug . Ein Weg zur Realisierung von besonderen Merkmalen der Bildeinkopplung wird anhand von Fig.7 erläutert. Beim Head-Up-Display mit Lichtwellenleitertechnologie wird ein Pixel auf dem Bildgeber (Bildpunkt a) durch die Optik der bildgebenden Einheit 1 in ein kollimiertes Bündel mit der projizierten Breite b (Apertur) und dem Winkel übersetzt. Befindet sich das Auge 61 des Betrachters im Auskopplungsbereich, entsteht bei Akkomodation auf die Ferne im Auge des Betrachters der zu a korrespondierende abgebildete Punkt a' . Die Apertur der Optik der bildgebenden Einheit 1 wird durch Spiegelungen bei der Propagation des Lichts mittels Totalreflexion und durch schrittweises Auskoppeln durch das Gitter mehrfach repliziert. Dabei ist die Periode g, mit der sich die Auskopplungen wiederholen, von der Glasdicke d und dem Winkel, unter dem das Bündel im Waveguide propagiert, abhängig. Ein Ziel der Erfindung ist es, eine möglichst gleichmäßige Ausleuchtung der Ausgangsapertur durch Aneinanderreihung von Spiegelungen der Apertur der Optik der bildgebenden Einheit 1 zu erreichen, um Bildwiedergabefehler wie Streifen zu vermeiden. Dazu soll die Lücke z=g-b kontrolliert, also im einfachsten Beispiel eliminiert werden (z=0) . In diesem Fall strebt man b=g an . Die Periode g hängt über den Propagationswinkel im Lichtwellenleiter 5 vom Feldpunkt ab. In der Erfindung wird über das Einkoppelgitter der Propagationswinkel so eingestellt, dass die damit verbundene Periode g mit der projizierten Breite b übereinstimmt. Der Propagationswinkel wird dabei über die Gitterperiode gesteuert. Fig.8 zeigt den Verlauf eines kollimierten Lichtbündels für zwei unterschiedliche Winkel im Vergleich, links für einen größeren Winkel als rechts.

Zur Vereinfachung der Betrachtung wird im folgenden Beispiel die Brechung an den Grenzflächen des Lichtwellenleiters 5 vernachlässigt, und sich auf die Vorgänge am Gitter konzentriert. Soll bei einem mittleren Einfallswinkel von 45° des kollimierten Lichtbündels (3mm Durchmesser) der bildgebenden Einheit 1 (Grün, Wellenlänge 550nm) ein Bildfeld von 10° abgedeckt werden, so ergeben sich Einfallswinkel von 40°, 45°, 50° für die Mitte und Ränder des Feldes auf den Lichtwellenleiter 5 (Dicke von 2.7mm) . Als korrespondierende Horizontalkomponenten der Wellenzahl des einfallenden Lichts folgen 8.75 M/m, 8.08 M/m, 7.34 M/m und als projizierte Bündelbreiten 3.9mm, 4.2mm und 4.7mm. Die passenden Propagationswinkel im Lichtwellenleiter 5 sind 46.4877°, 51.7831° und 59.8018°. Dazu gehören die horizontalen Wellenzahlkomponenten 7.87 M/m, 7.07 M/m und 5.75 M/m, woraus sich die Differenzen 0.89 M/m, 1.01 M/m und 1.60 M/m ergeben was folgenden Gitterperioden entspricht: 7.094ym, 6.217ym und 3.934ym. In diesem Beispiel wird also an der Stelle, an der der Strahl in einem Winkel von 40° einfällt, eine Periode von 7.094ym benötigt, wobei an der Stelle, an der der Strahl unter 50° einfällt eine Periode von 3.934ym benötigt wird. Fig.9 zeigt den Verlauf der Gitterperiode über dem Einfallswinkel in diesem Beispiel .

Fig.10 zeigt einen schematischen Querschnitt entsprechend Fig .5. Hier sind im Bereich der Lichtstrahlen LI 2 zusätzliche Lichtstrahlen LI (40), LI (45) und LI (50) eingezeichnet, die den Winkeln =40°, =45°, beziehungsweise =50° entsprechen. Sie treffen an leicht versetzten Stellen des beleuchteten Bereichs BB auf. Die Markierung M9 zeigt den Teil des beleuchteten Bereichs BB, auf den die Lichtstrahlen LI (40), LI (45) und LI (50) auf treffen. Dieser Teil ist in der folgenden Abbildung vergrößert gezeigt. In der Praxis wird im allgemeinen keine breite Win kelverteilung, die von 0° bis 45° reicht, wie zuvor schematisch beschrieben, auftreten, sondern schmalere Winkelverteilungen wie beispielsweise die hier dargestellten 40°-50°. Der Über sichtlichkeit halber sind die weiteren Verläufe der Licht strahlen LI (40) und LI (50) im Lichtwellenleiter 5 hier nicht eingezeichnet. Es sei darauf hingewiesen, daß die Lichtstrahlen Ll_l, Ll_2, LI (40), LI (45) und LI (50) j eweils ausgedehnte Gruppen von Lichtstrahlen bilden. Diese Gruppen werden auch als

Lichtbündel bezeichnet. Diese Lichtbündel weisen eine gewisse Breite auf.

Fig.ll zeigt in ihrem unteren Teil den mit Markierung M9 be- zeichneten Teil des schematischen Querschnitts aus Fig.10. Die Gitterstruktur ist im oberen Teil der Abbildung in der Draufsicht CC schematisch dargestellt. Man erkennt, daß die Periode g von links nach rechts abnimmt. Die Periode g(40) ist auf den Winkel der Lichtstrahlen LI (40) optimiert, die Periode g(45) auf denjenigen der Lichtstrahlen LI (45) , die Periode g(50) auf denjenigen der Lichtstrahlen LI (50) .