Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wellenfrontmanipulator, zum Beispiel zur Anordnung im Strahlengang eines Head-up-Displays (HUD) zwischen einem Projektionsobjektiv und einer Projektionsoberfläche, insbesondere einer gekrümmten Projektionsoberfläche. Die Erfindung betrifft darüber hinaus eine optische Anordnung und ein Head-up-Display.

Head-up-Displays kommen inzwischen im Rahmen vielfältiger Anwendungen zum Einsatz, unter anderem auch im Zusammenhang mit Sichtfenstern von Fahrzeugen, zum Beispiel an Windschutzscheiben von Kraftfahrzeugen, Frontscheiben oder Sichtfenstern von Flugzeugen. Diese Sichtscheiben und insbesondere Windschutzscheiben weisen üblicherweise eine gekrümmte Oberfläche auf, welche als Projektionsoberfläche von Head-up-Displays genutzt wird.

Ein Head-up-Display umfasst üblicherweise eine bildgebende Einheit (PGU - picture generating unit) oder einen Projektor, eine Projektionsoberfläche, eine Eyebox und eine Bildebene der virtuellen Abbildung. Mittels der bildgebenden Einheit oder des Projektors wird eine Abbildung erzeugt. Die Abbildung wird auf die Projektionsoberfläche projiziert und von der Projektionsoberfläche in die Eyebox projiziert. Bei der Eyebox handelt es sich um eine Ebene oder einen Raumbereich, in welchem die projizierte Abbildung für einen Betrachter als virtuelles Bild wahrnehmbar ist. Die Bildebene der virtuellen Abbildung, also die Ebene auf oder in der das virtuelle Bild erzeugt wird, ist auf oder hinter der Projektionsoberfläche angeordnet. Durch die Krümmung der Projektionsoberfläche und durch kompakte Anordnungen auf geringem Bauraum mit unter Umständen starken Verkippungen einzelner Komponenten zueinander und entsprechend komplex gefalteten Strahlengängen kommt es zu Abbildungsfehlern oder Aberrationen. Eine Windschutzscheibe kann im Allgemeinen als optische Freiformfläche beschrieben werden. Wird ein Head-up-Display im Zusammenhang mit einer gekrümmten Windschutzscheibe oder einem gekrümmten Sichtfenster verwendet, so ist es erwünscht, durch die Krümmung auftretende Abbildungsfehler, die genannten bauraumbedingt unter Umständen auftretenden Abbildungsfehler sowie gegebenenfalls durch die bildgebende Einheit hervorgerufene Abbildungsfehler im optischen Strahlengang zu korrigieren. Die Abbildungsfehler oder Aberrationen, die dabei auftreten können, sind zum Beispiel Verzeichnung, Defokus, Kippung, Astigmatismus, Wölbung der Bildebene, sphärische Aberrationen, höherer Astigmatismus und Koma. Im Zusammenhang mit Head-up-Displays, insbesondere für Fahrzeuganwendungen, sind zudem ein möglichst großes Sichtfeld, eine möglichst große Eyebox sowie eine gleichmäßige, helle und mehrfarbige Abbildung, bevorzugt mehrfarbig in jedem Bildpunkt, erwünscht. Entsprechende Anforderungen sind auch im Zusammenhang mit anderen optischen Anwendungen zu erfüllen und durch geeignete Wellenfrontmanipulatoren umzusetzen.

In den Dokumenten DE 10 2007 022 247 A1 , DE 10 2015 101 687 A1 , DE 10 2017 212 451 A1 und DE 10 2017 222 621 A1 werden holographische Abbildungsoptiken für Head-up-Displays, insbesondere im Zusammenhang mit Windschutzscheiben, beschrieben. Im Zusammenhang mit Head-up- Displays und anderen optischen Anwendungen ist es neben einer hohen Abbildungsqualität vielfach erwünscht, dass die verwendeten Komponenten fest verbaut bzw. fest zueinander angeordnet sind, insbesondere um die Kosten zu reduzieren und die Stabilität des Systems zu erhalten.

Die Dokumente JP 2020- 34 602 A und JP 2008-158203 A offenbaren Head- up-Displays für Kraftfahrzeuge. Das Dokument US 2006 / 0 132 914 A1 beschreibt das Anzeigen einer Abbildung vor einem Hintergrund, insbesondere im Rahmen eines Head-Mounted-Displays.

Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen vorteilhaften Wellenfrontmanipulator zur Verfügung zu stellen. Weitere Aufgaben bestehen darin, eine vorteilhafte optische Anordnung sowie ein vorteilhaftes Head-up-Display zur Verfügung zu stellen.

Die erste Aufgabe wird durch einen Wellenfrontmanipulator gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Die weiteren Aufgaben werden durch eine optische Anordnung gemäß Patentanspruch 17 und durch ein Head-up-Display gemäß Patentanspruch 19 gelöst. Die abhängigen Ansprüche enthalten weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.

Der erfindungsgemäße Wellenfrontmanipulator umfasst eine holographische Anordnung und ein optisches Element, zum Beispiel einen Wellenleiter. Das optische Element umfasst mindestens eine für einen festgelegten Einfallswinkelbereich totalreflektierende Fläche zum Einstrahlen von Lichtwellen auf die holographische Anordnung. Bei der totalreflektierenden Fläche kann es sich um eine Oberfläche handeln. Die holographische Anordnung umfasst mindestens ein Reflexionshologramm zur Reflexion von mittels des optischen Elements auf die holographische Anordnung eingestrahlten Lichtwellen. Das optische Element umfasst eine Einkoppeleinrichtung zum Einkoppeln von Lichtwellen in den Wellenfrontmanipulator, insbesondere in Richtung der totalreflektierenden Fläche. Die Einkoppeleinrichtung umfasst mindestens ein Prisma.

Vorzugsweise ist das Prisma als von dem optischen Element, insbesondere dem Wellenleiter, separates Bauteil ausgebildet. Das Prisma kann unmittelbar an dem optischen Element und/oder unmittelbar an der holographischen Anordnung angeordnet sein. Vorteilhafterweise weist in dieser Variante die Grenzfläche zwischen dem Prisma und dem optischen Element und/oder der holographischen Anordnung keinen Brechzahlsprung auf. Zumindest sollte eine Brechzahländerung an der Grenzfläche möglichst gering sein, zum Beispiel weniger als 0,1 , vorzugsweise weniger als 0,05 betragen.

Das optische Element, insbesondere der Wellenleiter kann eine Oberseite und eine Unterseite aufweisen, welche zur Totalreflexion von Lichtwellen zwischen ihnen ausgebildet sind. Die Oberseite und die Unterseite können durch Seitenflächen miteinander verbunden sein. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist das Prisma bevorzugt an der Oberseite oder der Unterseite angeordnet, also mit anderen Worten nicht an einer der Seitenflächen. Im Fall einer einstückigen Ausgestaltung von optischem Element, insbesondere Wellenleiter, und Prisma, also ein einer Ausgestaltung, in der das Prisma integraler Bestandteil des optischen Elements, insbesondere des Wellenleiters, ist, kann das Prisma so angeordnet oder ausgebildet sein, dass es an der Oberseite oder der Unterseite von der jeweiligen Seite hervorsteht, also auf der Oberseite oder der Unterseite geometrisch herausragt. Durch die beschriebenen Ausgestaltungen ist verglichen mit einer Einkopplung an einer der Seitenflächen eine vergrößerte Einkoppelfläche und größerer Winkelbereich für die Einkopplung realisierbar.

Der erfindungsgemäße Wellenfrontmanipulator hat den Vorteil, dass er eine Verwendung von Reflexionshologrammen mit einer reduzierten Anzahl an dafür erforderlichen Hologrammen ermöglicht. Üblicherweise werden transmittierende holographische Komponenten unter Verwendung von Reflexionshologrammen durch zwei nacheinander angeordnete Reflexionshologramme (sogenanntes z-Hologramme) realisiert, wobei die einzelnen Hologramme für eine bestimmte Wellenlänge effizient sind. Für eine mehrfarbige Anwendung, zum Beispiel mittels Wellenlängen aus drei Farben bzw. Wellenlängen eines festgelegten Farbraums (z.B. RGB-Anwendungen) sind dementsprechend 6 Hologramme erforderlich. Dabei gestaltet sich die Integration der Hologramme zu einem Hologramm-Stack oder Hologramm- Stapel in der Regel als sehr aufwendig. Durch den sehr komplexen Stack- Aufbau und die Verwendung einer Vielzahl an Hologrammen wird unter anderem durch Matenalabsorption das Transmissionsvermögen deutlich reduziert. Zudem können sich die Hologramme gegenseitig filtern. Um diese Nachteile zu überwinden ermöglicht der erfindungsgemäße Wellenfrontmanipulator eine Reduzierung der Anzahl der Hologramme, ohne die Funktionalität des Wellenfrontmanipulators zu beeinträchtigen. Durch die verringerten Filtereffekte wird vielmehr eine verbesserte Funktionalität erreicht.

Mittels der totalreflektierenden Fläche des optischen Elements wird eine Strahlumlenkung, welche herkömmlicherweise durch ein Reflexionshologramm erreicht wird, realisiert. Durch die Anordnung des optischen Elements im Strahlengang derart, dass durch das optische Element totalreflektiertes Licht in die holographische Anordnung zur Reflexion durch diese eingestrahlt wird, kann erfindungsgemäß unter Ausnutzung der Totalreflexion die Hälfte der sonst erforderlichen Hologramme eingespart werden. Dabei werden die Kosten deutlich reduziert. Durch die geringere Anzahl an Komponenten werden zudem mögliche Filtereffekte und Aberrationen reduziert. Vorzugsweise ist mindestens eins der Hologramme, insbesondere eine Mehrzahl der Hologramme oder alle Hologramme, zur Aberrationskorrektur ausgelegt. Hierzu kann mindestens eins der Hologramme mit Freiform-Konstruktionswellenfronten aufgenommen bzw. geschrieben sein, also mit Lichtwellen, deren Wellenfronten Freiformflächen bilden.

Im Rahmen des erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulators ist die holographische Anordnung so ausgelegt, dass sie eine Welle, welche, bevor sie auf das Hologramme trifft, totalreflektiert wird, effizient beugt. Vorzugsweise ist mindestens ein Hologramm so ausgelegt, dass es bei Rekonstruktion mit der Belichtungswellenlänge für mindestens einen Winkel effizient ist, welcher größer ist als der Grenzwinkel der Totalreflexion der totalreflektierenden Fläche des optischen Elements.

Vorteilhafterweise ist die holographische Anordnung im Strahlengang dem optischen Element nachgeordnet angeordnet. Alternativ dazu kann die holographische Anordnung im Strahlengang so angeordnet sein, dass sie Lichtwellen im Strahlengang unmittelbar hinter der Einkoppeleinrichtung, also vor einer ersten Totalreflexion und/oder vor einer zweiten Totalreflexion innerhalb des optischen Elements, transmittiert und im Strahlengang hinter der totalreflektierenden Fläche reflektiert. Mit anderen Worten kann die holographische Anordnung zwar geometrisch und im Strahlengang zwischen der Einkoppeleinrichtung und der totalreflektierenden Fläche angeordnet sein, allerdings als Element, welches in dieser Strahlrichtung Lichtwellen lediglich transmittiert ohne eine Beugungseffizienz aufzuweisen. Optional können Lichtwellen nach der ersten Totalreflexion die holographische Anordnung nochmals transmittieren, vorzugsweise in Richtung einer zum Beispiel zur Aberrationskorrektur ausgelegten, insbesondere reflektiven, Fläche des Prismas, und erst nach einer zweiten Totalreflexion an der totalreflektierenden Fläche reflektieren. Die zur Aberrationskorrektur ausgelegte Fläche des Prismas kann als Freiformfläche ausgebildet sein und/oder mindestens ein Hologramm umfassen. Diese Ausgestaltung bietet die Vorteile einer Bauraumreduzierung und einer verbesserten Korrektur von Abbildungsfehlern.

Bevorzugt ist der Wellenfrontmanipulator als Transmissionskomponente, insbesondere mit Brechkraft, ausgelegt. Es stehen somit die Vorteile eines Reflexionshologramms mit einer um die Hälfte reduzierten Anzahl an Hologrammen zur Verfügung. Bisher werden für eine Transmissionskomponente mit Reflexionshologrammen für eine Wellenlänge zwei Hologramme benötigt.

Die Einkoppeleinrichtung kann eine Mehrzahl an Prismen umfassen. Die Prismen können in einer Reihe oder als Gitter auf einer Einkoppelfläche angeordnet sein. Sie können zum Beispiel als Prisma-Array, insbesondere als Mikroprisma-Array, ausgebildet sein. Die Abmessungen der einzelnen Prismen können im Mikrometerbereich liegen. Die laterale bzw. dazu senkrechte Ausdehnung der einzelnen Prismen kann zwischen 5 Mikrometern und 1 Millimeter betragen, zum Beispiel zwischen 5pm und 50pm, zwischen 50pm und 200pm, zwischen 200pm und 500pm oder zwischen 500pm und 1 mm. Die Verwendung einer Mehrzahl an Prismen hat den Vorteil, dass die einzelnen Prismen wellenlängenspezifisch und/oder einfallswinkelspezifisch ausgelegt sein können und auf diese Weise einerseits zur Strahlaufweitung und andererseits zur Aberrationskorrektur beitragen können. Zudem können zum Beispiel die Flächen und/oder Elemente des Prismas zur Aberrationskorrektur ausgelegt sein, insbesondere in Transmission und/oder Reflektion. Dazu kann mindestens eine im Strahlengang angeordnete Fläche und/oder ein Element des Prismas als Freiformfläche ausgebildet sein. Weiterhin können mehrere Flächen und/oder Elemente des Prismas zur Aberrationskorrektur zusammenwirken. Vorteilhafterweise können das Prisma und die holographische Anordnung so ausgelegt sein, dass sie zur Aberrationskorrektur Zusammenwirken. Zum Beispiel können die Einkoppelfläche und/oder ein reflektives Element des Prismas und/oder die holographische Anordnung zum Zusammenwirken zur Aberrationskorrektur ausgebildet sein.

Das optische Element kann eine erste Seite, z.B. in Form einer Oberseite, und eine der ersten Seite gegenüber liegende zweite Seite, z.B. in Form einer Unterseite, umfassen. Die Einkoppeleinrichtung und die holographische Anordnung können an der ersten Seite angeordnet sein. Die totalreflektierende Fläche kann an der zweiten Seite angeordnet sein. Hierdurch lässt sich eine sehr kompakte Anordnung realisieren, welche lediglich eine Totalreflexion innerhalb des optischen Elements zur Strahlumlenkung in Richtung der holographischen Anordnung erfordert. Die Oberflächen der ersten Seite (Oberseite) und der zweiten Seite (Unterseite) verlaufen im Bereich der Einkoppeleinrichtung aufgrund des mindestens einen Prismas nicht parallel zueinander.

Im Falle einer Ausgestaltung als Transmissionselement sind die Einkoppeleinrichtung und ein dadurch gebildeter Einkoppelbereich und ein Auskoppelbereich, welcher zum Auskoppeln von Lichtwellen aus dem Wellenfrontmanipulator ausgelegt ist, an einander gegenüberliegenden Seiten des Wellenfrontmanipulators angeordnet. Der Ein- und Auskoppelbereich können ansonsten auch an derselben Seite angeordnet sein. Vorzugsweise umfasst die totalreflektierende Fläche einen Auskoppelbereich. Die totalreflektierende Fläche bildet also zumindest teilweise eine Auskoppelfläche für an der holographischen Anordnung gebeugte Lichtwellen.

In einer weiteren Variante kann der Wellenfrontmanipulator einen Auskoppelbereich aufweisen, welcher zumindest teilweise die totalreflektierende Fläche umfasst, wobei die Einkoppeleinrichtung und der Auskoppelbereich sich zumindest teilweise in einer Richtung senkrecht zu einer Oberflächennormale der totalreflektierenden Fläche überlappen.

Das optische Element kann Glas oder Kunststoff umfassen. Es kann mindestens eines der folgenden Materialien umfassen: Polycarbonat (PC), Polymethylmethacrylat (PMMA), Cyclic Olefin Polymer (COP), Cycloolofin- Copolymere (COC), Triacetat (TAC), eine transparente Klebeschicht (OCA - Optically Clear Adhesive), Borosilikatglas, ein oder mehrere der Glastypen B270, N-BK7, N-SF2, P-SF68, P-SK57Q1 , P-SK58A und P-BK7 oder vergleichbare Gläser. Diese Materialien sind besonders gut für einen transparenten Lichtwellenleiter geeignet, welcher gute optische Eigenschaften wie hohe Transparenz, Homogenität, zum Beispiel in Bezug auf den Brechungsindex, aufweist und dabei preiswert und leicht herzustellen ist. Die aufgeführten Materialien weisen zum Teil einen hohen Brechungsindex im Vergleich zur Umgebung auf, zum Beispiel im Vergleich zu Luft unter Standardbedingungen.

Das optische Element kann, insbesondere geometrisch, so ausgelegt sein, dass Lichtwellen zwischen der Einkoppeleinrichtung und der holographischen Anordnung eine festgelegte Anzahl n an Totalresektionen innerhalb des optische Elements erfahren bzw. durchlaufen. Bevorzugt ist n kleiner als 5 (n<5), im besten Fall gleich 1 (n=1 ).

In einer vorteilhaften Variante umfasst die holographische Anordnung mindestens ein Reflexionshologramm, welches zur Reflektion einer Mehrzahl an Wellenlängen bzw. Frequenzen, also insbesondere von Licht eines festgelegten Farbraums bzw. für mehrfarbige Abbildungen, ausgelegt und für diese beugungseffizient ist (Multiplex-Hologramm). Alternativ dazu kann die holographische Anordnung eine Mehrzahl an Reflexionshologrammen umfassen, welche jeweils für mindestens eine Wellenlänge bzw. Frequenz, insbesondere einen festgelegten Wellenlängen- bzw. Frequenzbereich, von Licht einer Farbe eines Farbraums ausgelegt, also effizient, sind. Bei dem Farbraum kann es sich zum Beispiel um einen RGB-Farbraum (RGB - Rot Grün Blau) oder einen CMY-Farbraum (CMY - Cyan Magenta Gelb) handeln.

Die einzelnen Hologramme können als Hologramm-Stack angeordnet sein. Die erwähnten Hologramme sind jeweils für mindestens einen festgelegten Einstrahlwinkelbereich ausgelegt, also effizient. Die holographische Anordnung kann unmittelbar an dem optischen Element angeordnet sein oder in das optische Element integriert sein. Zum Beispiel kann die holographische Anordnung mindestens ein Reflexionshologramm umfassen, welches an einer der totalreflektierenden Fläche gegenüber liegenden Fläche des optischen Elements angeordnet ist und welches Lichtwellen in einem Einfallswinkel, welcher größer ist als der Grenzwinkel der Totalreflexion der totalreflektierenden Fläche, reflektiert.

Das mindestens eine Prisma kann eine Einkoppelfläche zum Einkoppeln von Lichtwellen in das Prisma aufweisen, welche als ebene Fläche oder gekrümmte Fläche oder asphärische Fläche oder als Freiformfläche ausgestaltet ist. Dies hat den Vorteil, dass eine ortsfeste Anordnung der einzelnen Komponenten gewähreistet ist, also kein weiteres Justieren erforderlich ist und somit eine Fehleranfälligkeit im Zusammenhang mit einer Montage reduziert wird.

In einer weiteren Variante kann der Wellenfrontmanipulator ein weiteres optisches Element umfassen. Das weitere optische Element kann Bestandteil des mindestens einen Primas sein oder freistehend im Strahlengang angeordnet sein. Es kann transmissiv oder reflektiv, z.B. als Freiformspiegel, ausgestaltet sein. Das mindestens eine Prisma kann eine Einkoppelfläche zum Einkoppeln von Lichtwellen in das Prisma aufweisen und das weitere optische Element kann als Reflexionsschicht an einer Fläche des Prismas im Strahlengang zwischen der Einkoppelfläche des Prismas und der totalreflektierenden Fläche ausgebildet sein.

Bevorzugt sind das optische Element, die holographische Anordnung und das mindestens eine Prisma einstückig als ein monolithisches Bauteil ausgebildet oder zu einem Bauteil fest miteinander verbunden. Die dadurch erzielte feste geometrische Anordnung der einzelnen Komponenten zueinander hat die bereits genannten Vorteile.

Der erfindungsgemäße Wellenfrontmanipulator kann für ein Head-up-Display ausgelegt sein, insbesondere zur Anordnung im Strahlengang zwischen einer bildgebenden Einheit und einer Projektionsfläche. Weitere Anwendungsoptionen liegen im Bereich von Datenbrillen, Kameras und Projektoren.

Die erfindungsgemäße optische Anordnung, z.B. für ein Head-up-Display an einer Projektionsoberfläche, umfasst eine bildgebende Einheit und einen zuvor beschriebenen Wellenfrontmanipulator. Die bildgebende Einheit kann unmittelbar an einer Fläche des mindestens einen Prismas angeordnet sein. Die bildgebende Einheit umfasst vorteilhafterweise eine Objektebene, ist also räumlich ausgedehnt, wobei die Objektebene dazu ausgelegt ist Licht in einem festgelegten Abstrahlwinkelbereich und mit einer festgelegten maximalen Bandbreite bezüglich der Wellenlängen des ausgesandten Lichts auszusenden. Bevorzugt ist die bildgebende Einheit zum Erzeugen einer mehrfarbigen Abbildung ausgelegt.

Zum Beispiel strahlt jeder lichtaussendende Punkt der Objektebene Licht in Form einer Streukeule oder in einem festgelegten Winkelbereich ab. Dies kann zum Beispiel durch die Verwendung eines Diffusors erreicht werden. Vorzugsweise ist die bildgebende Einheit dazu ausgelegt, Laserlicht, insbesondere Laserstrahlen, auszusenden. Vorteilhafterweise ist die bildgebende Einheit dazu ausgelegt, Laserlicht in mindestens zwei, vorzugsweise mindestens drei, unterschiedlichen Wellen auszusenden. Dabei handelt es sich vorzugsweise um drei unterschiedliche Wellenlängen eines festgelegten Farbraums, zum Beispiel Rot, Grün und Blau oder Cyan, Magenta und Gelb. Da die holographischen Elemente verglichen mit anderen optischen Bauteilen, wie beispielsweise Spiegeln und Linsen, sensitiver in Bezug auf die Bandbreite jeder Wellenlänge sind, ist es von Vorteil, wenn die bildgebende Einheit als Laserscanner mit einer scharfen Bandbreite für jede Farbe ausgestaltet ist.

Die erfindungsgemäße optische Anordnung weist vorzugsweise ein Volumen von weniger als 10 Litern auf, nimmt also mit anderen Worten einen Bauraum von weniger als 10 Litern ein. Die erfindungsgemäße optische Anordnung hat die oben bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator genannten Merkmale und Vorteile. Sie bietet insbesondere eine sehr kompakt ausgestaltete Anordnung, welche also einen nur geringen Bauraum einnimmt und gleichzeitig eine sehr hohe Abbildungsqualität gewährleistet.

Sowohl der erfindungsgemäße Wellenfrontmanipulator als auch die erfindungsgemäße optische Anordnung eignen sich für eine Nachrüstung im Zusammenhang mit Head-up-Displays in beispielsweise Kraftfahrzeugen, Flugzeugen oder VR-Anordnungen, zum Beispiel VR-Brillen.

Das erfindungsgemäße Head-up-Display umfasst eine Projektionsoberfläche und eine zuvor beschriebene erfindungsgemäße optische Anordnung. Bei der beispielsweise gekrümmten Projektionsoberfläche kann es sich um eine Windschutzscheibe eines Fahrzeugs, zum Beispiel eines Kraftfahrzeugs, eines Flugzeugs oder eines Schiffs, handeln. Es kann sich bei der Projektionsoberfläche aber auch um ein anderes Sichtfenster handeln, beispielsweise ein Sichtfenster einer VR-Brille. Die gekrümmte Projektionsoberfläche kann beispielweise als Freiformfläche betrachtet werden. Mittels des erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulators werden hierdurch verursachte Abbildungsfehler bzw. Aberrationen kompensiert und zudem eine gekippte Bildebene einer virtuellen Abbildung erzeugt. Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher erläutert. Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wird, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Die Figuren sind nicht notwendigerweise detailgetreu und maßstabsgetreu und können vergrößert oder verkleinert dargestellt sein, um einen besseren Überblick zu bieten. Daher sind hier offenbarte funktionale Einzelheiten nicht einschränkend zu verstehen, sondern lediglich als anschauliche Grundlage, die dem Fachmann auf diesem Gebiet der Technik Anleitung bietet, um die vorliegende Erfindung auf vielfältige Weise einzusetzen.

Der hier verwendete Ausdruck „und/oder“, wenn er in einer Reihe von zwei oder mehreren Elementen benutzt wird, bedeutet, dass jedes der aufgeführten Elemente alleine verwendet werden kann, oder es kann jede Kombination von zwei oder mehr der aufgeführten Elemente verwendet werden. Wird beispielsweise eine Zusammensetzung beschrieben, die die Komponenten A, B und/oder C, enthält, kann die Zusammensetzung A alleine; B alleine; C alleine; A und B in Kombination; A und C in Kombination; B und C in Kombination; oder A, B, und C in Kombination enthalten.

Figur 1 zeigt schematisch den Strahlengang durch einen erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator in einer Seitenansicht.

Figur 2 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Head-up-Display mit einem erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator in einer ersten Variante. Figur 3 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Head-up-Display mit einem erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator in einer alternativen ersten Variante.

Figur 4 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Head-up-Display mit einem erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator in einer zweiten Variante.

Figur 5 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Head-up-Display mit einem erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator in einer alternativen zweiten Variante.

Figur 6 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Head-up-Display mit einem erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator in einer dritten Variante.

Figur ? zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Head-up-Display mit einem erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator in einer alternativen dritten Variante.

Figur 8 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Head-up-Display mit einem erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator in einer vierten Variante.

Figur 9 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Head-up-Display mit einem erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator in einer alternativen vierten Variante.

Figur 10 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Head-up-Display mit einem erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator in einer fünften Variante. Figur 11 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Head-up-Display mit einem erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator in einer alternativen fünften Variante.

Figur 12 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße optische Anordnung mit einen erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator in Form eines Blockdiagramms.

Die Figur 1 zeigt schematisch den Strahlengang durch einen erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator in einer Seitenansicht. Der Wellenfrontmanipulator 1 umfasst eine holographische Anordnung 2 und ein optisches Element 3. Das optische Element 3 weist eine erste Seite 4, welche in der gezeigten Figur die Unterseite bildet, und eine zweite Seite 5, welche in der gezeigten Figur die Oberseite bildet, auf. In der gezeigten Variante ist die holographische Anordnung 2 an der ersten Seite 4, also der Unterseite, angeordnet. In dem Bereich, in welchem Lichtstrahlen 6 an der ersten Seite 4 in das optische Element 3 eingekoppelt werden, weist das optische Element 3 eine Einkoppeleinrichtung 7 auf. Die in der Figur 1 nicht genauer gezeigte Einkoppeleinrichtung 7 umfasst mindestens ein Prisma und ist so ausgebildet, dass sie ein Einkoppeln des Lichts 6 in einem Winkel ermöglicht, sodass die eingekoppelten Lichtstrahlen an der zweiten Seite 5 des optischen Elements 3 totalreflektiert werden können.

Die holographische Anordnung 2 ist in der Figur 1 neben der Einkoppeleinrichtung 7 angeordnet. Die an der zweiten Seite 5 totalreflektierten Lichtstrahlen 6 treffen in einem Einfallswinkel auf die holographische Anordnung 2, für welchen die holographische Anordnung 2 beugungseffizient ist. Die holographische Anordnung 2 umfasst mindestens ein Reflexionshologramm. Das durch die holographische Anordnung 2 reflektierte bzw. gebeugte Licht wird an der zweiten Seite 5 des optischen Elements 2 gebrochen und aus dem Wellenfrontmanipulator 1 ausgekoppelt. Die zweite Seite 5 umfasst also einen Auskoppelbereich. Der Wellenfrontmanipulator ist somit als Transmissionskomponente mit Brechkraft ausgelegt. Die holographische Anordnung 2 umfasst mindestens ein Hologramm, welches bei einer Belichtung mit dessen Belichtungswellenlänge für mindestens einen festgelegten Winkel beugungseffizient ist, welcher größer ist als der Grenzwinkel der Totalreflexion des optischen Elements 3.

Die holographische Anordnung 2 kann mindestens ein Hologramm umfassen, welches für eine Mehrzahl an Wellenlängen eines festgelegten Farbraums beugungseffizient ist. Die holographische Anordnung 2 kann auch eine Mehrzahl an Hologrammen umfassen, welche jeweils für mindestens eine Wellenlänge eines festgelegten Farbraums und mindestens einen festgelegten Einstrahlwinkelbereich beugungseffizient sind. Die Mehrzahl an Hologrammen kann nebeneinander oder in Form eines Hologramm-Stack, also als Stapel aufeinander, angeordnet sein.

Der erfindungsgemäße Wellenfrontmanipulator 1 hat im Vergleich zu herkömmlichen aus Reflexionshologrammen gebildeten Hologramm- Anordnungen den Vorteil, dass nur die Hälfte der Anzahl an Hologrammen benötigt wird, um die Vorteile von Reflexionshologrammen nutzen zu können. Dadurch werden Kosten reduziert und gleichzeitig wird die Genauigkeit verbessert, da Abbildungsfehler, welche durch die Anordnung der Hologramme aufeinander entstehen können, vermieden werden.

Grundsätzlich kann das optische Element 3 als Substrat oder Wellenleiter ausgebildet sein. Es kann aber auch ein zusätzliches Substrat vorhanden sein und das optische Element 3 kann als Folie oder Schicht ausgebildet sein. Grundsätzlich kann das optische Element 3 Glas oder Kunststoff umfassen oder aus diesen Materialien bestehen. Dabei kann das Material des optischen Elements mindestens eins der oben bereits aufgezählten Materialien umfassen.

Die tendenziell unerwünschte nullte Beugungsordnung, welche Störlicht bildet, verbleibt aufgrund der Totalreflexion in dem optischen Element 3 und/oder einem zusätzlichen Substrat und kann geeignet zu einer Seitenfläche oder einem Rand hin in eine Strahlfalle (beam dump) geführt werden. Dies ist insbesondere vorteilhaft, da das Licht der nullten Ordnung in der Regel nicht genutzt wird und dementsprechend Störlicht darstellt. Prinzipiell kann der in der Figur 1 gezeigte Wellenfrontmanipulator zum Beispiel in einem Head-up-Display Anwendung finden. Diese Anwendung wird im Folgenden für verschiedene Ausführungsbeispiele herangezogen. Dies schließt andere Anwendungen zum Beispiel in anderen optischen Anordnungen oder optischen Systemen nicht aus.

Die Figur 2 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Head-up-Display. Das Head-up-Display 22 umfasst eine erfindungsgemäße optische Anordnung 10 und eine Projektionsfläche in Form einer Windschutzscheibe 11. Ein Betrachter bzw. eine Eyebox 12 kennzeichnen den Bereich, aus welchem für einen Betrachter eine durch das Head-up-Display 22 hinter die Projektionsfläche 11 projizierte virtuelle Abbildung wahrnehmbar ist.

Die erfindungsgemäße optische Anordnung 10 umfasst eine bildgebende Einheit 21 und einen erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator 1. Der erfindungsgemäße Wellenfrontmanipulator 1 umfasst zusätzlich zu dem bereits anhand der Figur 1 im Hinblick auf seinen prinzipiellen Aufbau beschriebenen Wellenfrontmanipulator 1 ein weiteres optisches Element 23, welches im Strahlengang zwischen der bildgebenden Einheit 21 und der Einkoppeleinrichtung 7 angeordnet ist. Das weitere optische Element 23 ist in der gezeigten Variante als Freiformspiegel ausgestaltet. Es ist zur Strahlumlenkung und Aberrationskorrektur ausgelegt. Weitere Aberrationskorrekturen können mittels der Prismen der Einkoppeleinrichtung 7 und der holographischen Anordnung 2 erfolgen.

In der gezeigten Variante ist die Einkoppeleinrichtung 7 als Anordnung einer Mehrzahl an Prismen, insbesondere als Mikroprismen-Anordnung, ausgestaltet. Dabei bewirken die Prismen ein Einkoppeln von Lichtwellen an der ersten Seite 4 des optischen Elements 2 in einem Winkel, welcher eine Totalreflexion an der zweiten Seite 5 ermöglicht. Im Unterschied zu der in der Figur 1 gezeigten Variante ist die holographische Anordnung 2 in das optische Element 3 integriert und erstreckt sich über die gesamte erste Seite 4 oder bildet diese. Von dem weiteren optischen Element 23 kommendes Licht, welches zuvor ausgehend von der bildgebenden Einheit 21 an dem weiteren optischen Element 23 reflektiert wurde, wird über die Einkoppeleinrichtung 7, also das Mikro-Prisma-Array, in Richtung der zweiten Seite 5 in das optische Element

3 ein gekoppelt. Dabei transmittiert das Licht zunächst durch die holographische Anordnung 2, vorzugsweise ohne dass hierbei Filterungseffekte auftreten. Da die holographische Anordnung 2 als Reflexionshologramm ausgelegt ist und nur für aus Richtung der zweiten Seite 5 kommendes Licht in Reflexion beugungseffizient ist, tritt während der Transmission noch keine Beugung auf, sondern erst für von der zweiten Seite 5 kommendes Licht. Das von der holographischen Anordnung 2 gebeugte Licht trifft anschließend auf die zweite Seite 5, wird dort gebrochen und aus dem Wellenfrontmanipulator in Richtung der Projektionsoberfläche 11 , zum Beispiel der Windschutzscheibe, ausgekoppelt.

Die in der Figur 3 gezeigte alternative Variante unterscheidet sich von der in der Figur 2 gezeigten Variante lediglich in der Richtung der Anordnung der Einkoppeleinrichtung 7, des weiteren optischen Elements 23 und der bildgebenden Einheit 1 in Bezug auf die Projektionsfläche 11 . Die Anordnung ist spiegelsymmetrisch zu der in der Figur 2 gezeigten Variante. Während in der Figur 2 die bildgebenden Einheit 1 Licht nach links abstrahlt und die Einkoppeleinrichtung im linken Bereich der ersten Seite 4 angeordnet ist, strahlt in der Figur 3 die bildgebende Einheit 21 Licht nach rechts in Richtung des in dieser Variante rechts angeordneten weiteren optischen Elements 23, und wird von diesem in der Richtung einer im rechten Bereich der ersten Seite

4 angeordneten Einkoppeleinrichtung 7 abgestrahlt.

Die Figuren 4 bis 9 zeigen drei weitere Ausführungsvarianten, jeweils in zwei Alternativen, in welchen, anstelle einer Mehrzahl an Prismen ein monolithisches bzw. ein einziges Prisma als Einkoppeleinrichtung 7 verwendet wird. In allen gezeigten Ausführungsvarianten sind das optische Element 3 mit der Einkoppeleinrichtung 7 und der holographischen Anordnung 2 als ein monolithisches Bauteil, also einstückig, ausgebildet. Alternativ dazu können die genannten Bauelemente fest miteinander verbunden sein. Eine monolithische Ausgestaltung hat jedoch den Vorteil, dass im Rahmen der Herstellung eine präzise Anordnung der genannten Bauelemente zueinander gewährleistet werden kann, diese also im Hinblick auf ihren weiteren Einbau im Rahmen eines optischen Bauteils oder einer optischen Anordnung robust sind. Es ist keine zusätzliche Justierung erforderlich und es treten keine zusätzlichen fertigungsbedingten Aberrationen auf.

In der in der Figur 4 gezeigten Variante ist an der ersten Seite 4 oder von dieser umfasst ein Prisma 7 angeordnet. Das Prisma 7 weist eine Einkoppelfläche 8 auf. Die Einkoppelfläche 8 ist zum Einkoppeln von Licht, beispielsweise einer bildgebenden Einheit 21 , in den Wellenfrontmanipulator 1 ausgelegt. Dazu ist die Einkoppelfläche 8 vorzugsweise als transmissiv ausgelegte Freiformfläche ausgebildet. Mittels der Freiformfläche 8 können Aberrationen korrigiert werden. Die Einkoppelfläche 8 kann gekrümmt, insbesondere konvex gekrümmt, sein. Über die Einkoppelfläche 8 eingekoppeltes Licht transmittiert nach Durchlaufen des Prismas 7 die holographische Anordnung 2, wird an der zweiten Seite 5 des optischen Elements 3 totalreflektiert und wird anschließend, wie bereits anhand der Figuren 1 -3 erläutert, von der holographischen Anordnung 2 in Richtung der zweiten Seite 5 gebeugt.

Die in der Figur 5 gezeigte Variante unterscheidet sich von der in der Figur 4 gezeigten Variante lediglich in der geometrischen Anordnung des Prismas 7 und der bildgebenden Einheit 21 , also der erfindungsgemäßen optischen Anordnung 1 in Bezug auf die Projektionsfläche 11 . Während in der Figur 4 die bildgebende Einheit 21 und das Prisma 7 links unterhalb der holographischen Anordnung 2 angeordnet sind, sind in der Figur 5 das Prisma 7 und die bildgebende Einheit 21 rechts unterhalb der holographischen Anordnung 2 angeordnet.

In der in der Figur 6 gezeigten Variante weist das Prisma 7 zusätzlich zu einer gekrümmten, beispielsweise als Freiformfläche ausgestalteten Einkoppelfläche 8, ein reflektives Element 9 in Form einer Reflexionsschicht 9 auf. Die Reflexionsschicht 9 kann als unmittelbar an einer Fläche des Prismas 7 angeordnetes optisches Element ausgebildet sein oder in das Prisma 7 integriert sein. Das reflektive Element 9 kann plan, also als ebene reflektive Fläche oder als Freiformfläche ausgebildet sein. Die Einkoppelfläche 8 und die reflektive Fläche 9 sind an dem Prisma 7 so zueinander angeordnet, dass durch die Einkoppelfläche 8 eingekoppeltes Licht an der reflektiven Fläche 9 so reflektiert wird, dass es die holographische Anordnung 2 in einem Einfallswinkel in Richtung der zweiten Seite 5 transmittiert, welcher größer ist als der Grenzwinkel der Totalreflexion an der zweiten Seite 5. Das Prisma 7 gewährleistet also als Einkoppeleinrichtung einerseits ein Einkoppeln von Licht in einem Winkel, welcher eine Totalreflexion an der zweiten Seite 5 ermöglicht und bietet zudem zwei Flächen, nämlich die Einkoppelfläche 8 und die reflektive Fläche 9, für eine Aberrationskorrektur. Im Unterschied zu der Variante der Figuren 4 und 5 ist die Einkoppelfläche 8 konkav gekrümmt.

Die in der Figur 7 gezeigte Variante unterscheidet sich von der in Figur 6 gezeigten Variante lediglich in der geometrischen Anordnung der bildgebenden Einheit 21 und des Prismas 7 in Bezug auf die Projektionsfläche 11. Während in der Figur 6 Licht in das Prisma 7 von rechts kommend eingekoppelt und an einer links angeordneten Reflexionsfläche 9 reflektiert wird, wird in der Figur 7 durch die bildgebende Einheit 21 Licht von links durch die Einkoppelfläche 8 in das Prisma eingekoppelt und an einer rechts angeordneten reflektiven Fläche 9 reflektiert.

Bei den in den Figuren 8 und 9 gezeigten Ausführungsvarianten ist die bildgebende Einheit 21 unmittelbar an einer Einkoppelfläche 8 des Prismas 7 angeordnet. Es ist mit anderen Worten kein optisch wirksames weiteres Bauteil oder Bauelement zwischen der bildgebenden Einheit 21 und der Einkoppelfläche 8 des Prismas 7 angeordnet. In dieser Variante kann die Einkoppelfläche 8 als ebene Fläche ausgebildet sein. Der Einkoppelfläche 8 gegenüberliegend weist das Prisma 7 eine reflektierend ausgestaltete Fläche 9, beispielsweise in Form einer Schicht, auf. Diese reflektive Fläche 9 ist analog zu den in den Figuren 6 und 7 gezeigten Ausführungsvarianten dazu ausgelegt, in das Prisma 7 ein gekoppeltes Licht in Richtung der zweiten Seite 5 zu einer dortigen Totalreflexion zu leiten. Im Unterschied zu den in der Figur

6 und 7 gezeigten Varianten ist in den Figuren 8 und 9 die reflektive Fläche 9 gekrümmt ausgestaltet, beispielsweise als gekrümmte Freiformfläche. Während in der Figur 8 die bildgebende Einheit 21 Licht von rechts kommend in das Prisma 7 einstrahlt und von der reflektierenden Fläche 9 von links in Richtung der zweiten Fläche 5 reflektiert wird, wird in der Figur 9 mittels der bildgebenden Einheit 21 Licht nach rechts in das Prisma 7 eingekoppelt und mittels der Reflexionsfläche 9 nach links reflektiert in Richtung der zweiten Fläche 5.

In den gezeigten Beispielen wird das Licht innerhalb des optischen Elements 3 einmal totalreflektiert. Prinzipiell sind auch mehrere Totalreflexionen innerhalb des optischen Elements möglich. Lediglich eine Totalreflexion hat jedoch den Vorteil, dass durch die einfache Strahlumlenkung keine weiteren Aberrationen verursacht werden.

Im Folgenden werden anhand der Figuren 10 und 11 alternative Ausgestaltungsvananten zu den in den Figuren 6 und 7 gezeigten Beispielen beschrieben. Im Unterschied zu den Beispielen der Figuren 6 und 7 werden die über die Einkoppelfläche 8 eingekoppelten Lichtstrahlen nach der ersten Totalreflexion an der zweiten Seite 5 von der holographischen Anordnung 2 in Richtung des reflektiven Elements 9 transmittiert, von diesem reflektiert, anschließend von der holographische Anordnung 2 in Richtung der zweiten Seite 5 transmittiert und nach einer zweiten Totalreflexion an der zweiten Seite 5 von der holographische Anordnung 2 reflektiert. Die Einkoppelfläche 8 und/oder das reflektive Element 9 können zur Aberrationskorrektur ausgelegt sein. Vorzugsweise sind die so ausgelegt, dass sie zur Aberrationskorrektur Zusammenwirken. Sie können zum Beispiel als Freiformflächen ausgebildet sein und/oder mindestens ein Hologramm umfassen. Diese Ausgestaltung bietet die Vorteile einer Bauraumreduzierung und einer verbesserten Korrektur von Abbildungsfehlern.

In allen zuvor beschriebenen Beispielen und Varianten können mehrere Flächen und/oder Elemente des Prismas so ausgelegt sein, dass sie zur Aberrationskorrektur Zusammenwirken. Weiterhin können das Prisma und die holographische Anordnung so ausgelegt sein, dass sie zur Aberrationskorrektur Zusammenwirken. Zum Beispiel können die Einkoppelfläche und/oder ein reflektives Element des Prismas und/oder die holographische Anordnung zum Zusammenwirken zur Aberrationskorrektur ausgebildet sein.

Die Figur 12 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße optische Anordnung 10 mit einen erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator 1 in Form eines Blockdiagramms. Die erfindungsgemäße optische Anordnung 10 umfasst eine bildgebende Einheit 21 und einen erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator 1 , welche in einem Strahlengang 6 hintereinander angeordnet sind. Der Wellenfrontmanipulator 1 umfasst eine bereits beschriebene holographische Anordnung 2 und ein optisches Element 3, welches eine Einkoppeleinrichtung 7 aufweist.

Bezuqszeichenliste:

1 Wellenfrontmanipulator

2 holographische Anordnung

3 optisches Element

4 erste Seite / Unterseite

5 zweite Seite / Oberseite

6 Strahlengang

7 Einkoppeleinrichtung

8 Einkoppelfläche

9 reflektives Element

10 optische Anordnung

11 Projektionsfläche

12 Eyebox

21 bildgebende Einheit

22 Head-up-Display

23 weiteres optisches Element