增强现实平视显示器的制作方法

增强现实平视显示器
1.本发明涉及一种增强现实平视显示器、尤其一种用于机动车的增强现实平视显示器。
2.随着虚拟现实和增强现实技术及应用的不断发展，这些技术及应用也用于汽车。增强现实(英语：augmented reality，缩写ar；德语：“erweiterte”)是通过虚拟元素对真实世界的丰富，这些虚拟元素在三维空间中位置正确地注册并且允许实时交互。由于在德语地区的学术界中，表述“augmented reality”相比于表述“erweiterte
ꢀ”
已得到认可，因此在下文中使用前者。
3.平视显示器(hud)提供一种可能的技术实现方案，以便相应地通过透视正确(perspektivisch korrekt)的虚拟扩展来丰富驾驶员驾驶位置。其中，安装在仪表板中的显示器的光线通过多个镜子和透镜被折叠并且通过投射面反射到驾驶员的眼睛中，从而驾驶员感知到车辆外部的虚拟图像。在汽车领域，前挡风玻璃通常用作投射面，在显示时必须考虑前挡风玻璃的弯曲形状。作为备选，也部分地使用由玻璃或塑料制成的附加板(scheibe)，该附加板在驾驶员和前挡风玻璃之间布置在仪表板上。通过显示和驾驶场景的视觉叠加，需要较少的头部和眼睛移动来读取信息。此外，用于眼睛的适应耗费减少，因为根据显示的虚拟距离需要较少地适应甚至完全不需要适应。然而，当前系列的hud仅限于显示在驾驶员主要视野的正下方并且包含诸如速度显示之类的冗余信息，这些冗余信息也可以在驾驶舱的其它位置找到。虽然这种显示技术减少了视线从道路上的移开，但仍然存在缺点，即所呈现的信息必须被解释并转移到真实情况，因为这些信息没有在真实场景中注册。在复杂的情况下，这可能意味着对精神要求很高的认知过程。通过标记对象并在其真实参考点处插入信息，即通过模拟接触的表示可以将环境信息直接表示在驾驶员的视场中。这种以增强现实形式对环境的直接的图形的丰富可以显著降低认知转移需求。
4.观察者只能从所谓的人眼窗口(英文作eyebox)的位置观察虚拟图像。其高度和宽度对应于理论视窗的区域称为eyebox或观察者窗。只要观察者的一只眼睛在eyebox内，虚拟图像的所有元素对该眼睛都是可见的。而如果该眼睛在eyebox之外，则虚拟图像对于观察者来说仅部分可见或完全不可见。当前可用的平视显示器使用单独的大的eyebox，观察者的头部可以在其中移动，并且观察者的双眼看到相同的平面图像。
5.立体显示器或全息3d显示器已知用于其它应用，在这些应用中针对左眼和右眼显示不同的内容。为此，分别针对左眼和右眼产生观察者窗。这些显示器例如可以设计为直视显示器，其中，光从具有场透镜和衍射装置的tft显示器(tft：thin-film transistor；薄膜晶体管)被转向左眼或右眼。
6.关于这一点，专利文献de 102004 044 111 a1描述了一种使用传统显示器对计算机生成的视频全息图进行编码和重建的方法。该方法使用光学聚焦器件，以便将线性光源的垂直相干光在调制之后通过矩阵状像素排列在观察者窗中成像。通过像素处的衍射，场景的全息重建从观察者窗对观察者的双眼可见。根据该发明，可控像素位于像素列内，对于观察者的双眼，这些像素列针对观察者的双眼分别编码同一场景的单独的、一维的、垂直衍射的全息图，其中，这些一维全息图水平交错。具有平行于这些像素列布置的分离元件的图
像分离器件针对相应的观察者眼睛释放相应的列组并且针对另一只眼睛遮盖这些列组。
7.通常，全息图通过在水平和垂直方向上相干叠加光波来重建3d场景。这样的视频全息图称为全视差全息图。重建的3d场景可以被观察为像真实对象一样具有水平和垂直方向上的运动视差。但为此通常需要光调制器在水平和垂直方向上的高分辨率。单视差编码降低了对光调制器的要求。在水平单视差编码中，全息重建只发生在水平方向上，而在垂直方向上不进行全息重建。这导致具有水平运动视差的重建的3d场景。相反，对于垂直单视差编码，全息重建仅发生在垂直方向上。
8.关于这一点，专利文献de 102007 023 785 b4描述了一种用于计算视频全息图的方法，其中既描述了全视差全息图的计算也描述了单视差全息图的计算。将3d场景拆分成点，针对3d场景的每个点计算子全息图，并且将这些子全息图相加形成全息图。在全视差编码的情况下，子全息图对应于球面透镜，在单视差编码的情况下，子全息图对应于柱状透镜。在垂直单视差编码的情况下，子全息图通常仅包括一个像素列，或者在水平单视差编码的情况下，子全息图通常仅包括一个像素行。
9.还已知形式为眼镜、即所谓的头戴式显示器(hmd)的立体或全息的增强现实显示器，其中针对每只眼睛单独将真实世界的对象和所表示的内容组合。例如，通过设计为光导的左眼镜片产生用于左眼的观察者窗并将其与通过左眼镜片可见的真实世界的对象相结合，并且与此独立地通过右眼镜片产生用于右眼的观察者窗并将其与真实世界的对象相结合。因此，立体或全息增强现实hmd可以由两个独立的单元组成，即用于左眼的单元和用于右眼的单元，这两个单元作为彼此的镜像安置在观察者的头上。
10.在增强现实平视显示器的情况下，光学系统通常安装在远离观察者头部处，因此不容易分离成用于左眼和用于右眼的单独系统。
11.本发明所要解决的技术问题是提供一种适合用于表示立体或全息内容的增强现实平视显示器。该技术问题通过具有权利要求1的特征的增强现实平视显示器来解决。本发明的有利的设计方案是从属权利要求的技术方案。
12.根据本发明的一个方面，增强现实平视显示器具有：
[0013]-至少一个光源；
[0014]-至少一个空间光调制器；和
[0015]-光学系统，其中，光学系统设置为产生用于观察者左眼的第一观察者窗和用于观察者右眼的第二观察者窗。
[0016]
在根据本发明的解决方案中，光学系统确保产生用于观察者的右眼和左眼的单独的观察者窗。以此方式不需要为左眼和右眼提供两个独立的单元。光学系统包括合路器，该合路器优选位于距观察者头部50cm至100cm之间的位置处，并且该合路器既将来自光调制器的光朝向观察者转向，又将周围环境的光朝向观察者传送。从光调制器向用于左眼的观察者窗行进的光和从光调制器向用于右眼的观察者窗行进的光可以在合路器上至少部分重叠或者使用合路器的相同区域。例如，合路器可以是车辆的挡风玻璃。
[0017]
根据本发明的一个方面，增强现实平视显示器具有两个或更多个具有不同波长的光源。用于相应波长的内容被相继显示在空间光调制器上，并且所述两个或更多个光源与所显示的内容同步地被插入或遮没。两个或更多个光源尤其可以是具有某个确定的第一波长和与其不同的第二波长的激光器。使用不同的波长以及对光源和光调制器的同步操控能
够实现彩色3d场景的重建。优选使用至少三个光源，其中，一个光源发红光，一个光源发绿光，一个光源发蓝光。以这种方式实现全彩色表示。根据本发明的一个方面，第一观察者窗和第二观察者窗在时间上相继产生。在这种情况下，光学系统具有切换单元，用于在第一观察者窗和第二观察者窗之间进行切换。该方法的优点是光学系统可以简单地保持，因为它不必同时将光朝向两个观察者窗传导。此外，光调制器的全分辨率可以用于每个观察者窗，因为光调制器总是仅需为其中一个观察者窗生成图像。
[0018]
根据本发明的一个方面，开关单元具有无源偏转元件和至少一个开关元件。通过开关元件可以以受控方式影响入射光的光学特性。偏转元件在此设计为，使得入射光的偏转正好与该光学特性相关。以这种方式可以可靠地实现入射光朝希望的观察者窗的方向的偏转。备选地，切换单元也可以具有一个或多个可开关的镜子。
[0019]
根据本发明的一个方面，所述切换单元具有光栅。在此，所述光栅被放大成像并且光栅的偏转角、光栅的光学放大率和像距相对于观察者窗如此调节形成，使得第一观察者窗和第二观察者窗之间的水平距离等于观察者的瞳孔距离。例如，光栅可以是偏振光栅，但可选地也可以是其它类型的光栅。在该方法中，多个参数可供使用，通过这些参数可以实现观察者窗之间的距离适应于观察者的瞳孔距离。例如可以使用
±
1阶和
±
4.7度的偏转角构建偏振光栅。在相对于观察者2.13m的距离处以5的光学放大率对光栅成像得到观察者窗之间的70mm的距离。这对应于大的瞳孔距离。
[0020]
根据本发明的一个方面，光栅的光学放大率或像距能够根据观察者的瞳孔距离调整。为此优选地提供检测器、例如相机，通过该检测器可以确定观察者的瞳孔距离。通过调整光学放大倍率或像距可以使系统容易地适应不同的观察者。根据本发明的一个方面，光栅相对于光学系统的至少一个成像元件能移动。成像元件可以例如是透镜或镜子。通过光栅的这种移动可以使两个观察者窗之间的距离特别容易地适应检测到的观察者瞳孔距离。
[0021]
根据本发明的一个方面，所述至少一个开关元件是偏振开关。在这种情况下，无源偏转元件是偏振分束器或偏振光栅，该偏振光栅具有与入射光的输入偏振相关的优选衍射阶。尤其地，优选衍射阶可以是正一阶和负一阶，从而实现高衍射效率。利用偏振光栅的负一阶可以产生用于左眼的观察者窗，并且利用正一阶可以产生用于右眼的观察者窗，反之，利用偏振光栅的负一阶可以产生用于右眼的观察者窗，并且利用正一阶可以产生用于左眼的观察者窗。偏振开关可以例如是基于液晶的开关，其设计为，当不施加电压时，它使入射光的偏振旋转，但当施加足够高的电压时，它允许光通过而不使偏振旋转。为了实现立体图像的彩色再现或3d场景的彩色重建，必要时可以针对至少两个不同的波长使用单独的偏振开关。
[0022]
用于第一观察者窗和第二观察者窗的内容的顺序表示在立体图像的彩色再现或3d场景的彩色重建中也是可能的。在这种情况下，不仅各个单独颜色的内容被顺序表示，而且用于左眼和右眼的观察者窗被顺序产生。空间光调制器、光源和偏振开关在此可以如下被操控或同步。在光调制器上分别相继表示用于某个确定的颜色和用于某只确定的眼睛的内容。用于该颜色的光源为此暂时打开。用于其它颜色的光源关闭。用于其它颜色的偏振开关切换到不旋转偏振的状态下。用于所用颜色的偏振开关被如此操控，使得该偏振开关针对所确定的眼睛不旋转偏振，但针对另一只眼睛旋转偏振。
[0023]
根据本发明的一个方面，偏振光栅是色彩修正的偏振光栅。这种方法在立体图像
的彩色再现或3d场景的彩色全息重建中特别有利。色彩修正的偏振光栅在此设计为可以针对至少两个不同的波长使光以相同的角度偏转。
[0024]
根据本发明的一个方面，所述光学系统具有至少一个跟踪元件，用于根据观察者的眼睛位置或头部位置跟踪观察者窗。为此优选地提供检测器、例如相机，通过该检测器可以确定观察者的眼睛位置。通过跟踪观察者窗，可以获得较大的区域，在该区域中，观察者可以正确感知立体或全息内容。所述至少一个跟踪元件例如可以是至少一个具有可变周期的光栅或可旋转的镜子。
[0025]
在本发明的一种实施方式中，通过切换装置在观察者窗之间来回切换，并且通过跟踪元件跟踪头部运动。备选地，观察者窗之间的切换也可以通过跟踪元件实现，方式是观察者窗被交替地跟踪到左眼或右眼的位置。在另外的实施方式中，通过光学系统既对光调制器又对跟踪元件或切换设备的无源偏转装置成像，但其中，光调制器的图像的放大率不同于跟踪元件或无源偏转装置的图像的放大率。
[0026]
根据本发明的一个方面，第一观察者窗和第二观察者窗分别在光源图像的平面中产生。在这种情况下，空间光调制器的放大图像在距观察者窗的某个确定的距离处产生，该放大图像用作用于由3d场景计算全息图的参考平面。在该实施方式中，增强现实平视显示器被实现为全息增强现实平视显示器。优选地，空间光调制器的放大图像在距观察者窗50cm至300cm之间的距离处产生。
[0027]
作为全息显示器的实施方式允许3d场景以其真实深度再现。空间光调制器被成像到平面中。借助于写入空间光调制器中的全息图，在光调制器图像平面的前面或后面产生3d场景的对象。由此避免了视觉辐辏调节冲突，即观察者眼睛的焦点深度和转动角度，从而可以轻松感知。
[0028]
在计算具有用于3d场景的各个单独点的子全息图的全息图时，在该实施例方式中，尤其当光调制器的图像位于所示3d场景内时，即当3d场景中的一部分对象位于光调制器的图像的前面而其它部分位于后面时，用于计算全息图的计算量保持较低。例如，光调制器的图像可以在距观察者窗200cm的距离处产生，并且不仅示出车辆内的非常近的、即在小于100cm的距离处的对象，还示出道路上的相距较远的、在数米的距离处的对象。
[0029]
根据本发明的一个方面，第一观察者窗和第二观察者窗分别在空间光调制器的图像的平面中产生。在这种情况下，空间光调制器的傅里叶平面在距观察者窗的某个确定的距离处产生，该傅里叶平面用作用于由3d场景计算全息图的参考平面。在该实施方式中，增强现实平视显示器也被实现为全息增强现实平视显示器。参考平面优选地作为空间光调制器的傅立叶平面在距观察者窗50cm至300cm之间的距离处产生。
[0030]
作为全息显示器的该实施方式又允许3d场景以其真实深度再现。借助于写入空间光调制器中的全息图，还可以在光调制器的傅里叶平面的前面或后面产生3d场景的点。
[0031]
与之前的实施方式相比，这里描述的实施方式在计算全息图时具有更高的计算量。
[0032]
但这被这里描述的实施方式特别有光效率的优点所抵消。在平视显示器中通常仅较小百分比的视场被所显示的信息填充，因为驾驶员必须仍然可以看到真实环境。在使用光调制器的傅里叶平面的情况下，光调制器的整个面的光可以被转向到所示内容的该区域上并且因此可以更好地利用入射到光调制器上的强度。当3d场景的点在傅立叶平面的前面
或后面产生时，这也适用于3d场景。
[0033]
根据本发明的一个方面，在跟踪元件或偏转元件的平面中或该平面附近通过所述光学系统的第一成像级产生空间光调制器的中间图像，该中间图像通过光学系统的第二成像级进一步成像，从而在观察者平面中产生光源图像。
[0034]
hud的视场由空间光调制器的图像的尺寸和该图像相对于驾驶员的距离来确定。因此，为了针对具有某个确定的像素间距和像素数量的给定光调制器调节形成希望的视场，需要某个确定的放大率。对于偏转元件或跟踪元件同样存在元件本身具有偏转角或跟踪角、偏转元件或跟踪元件在光学系统中成像的放大率和观察者窗的位置之间的固定关系。例如，这可能导致要求用于光调制器的图像和用于偏转元件或跟踪元件的不同的放大率。光调制器通常高度放大地成像，例如以10或更高的放大率成像。
[0035]
两个成像级的使用有利地用于能够将这些放大率相互独立地调节。此外，两个成像级的使用有利地用于：能够使用反射部件、诸如反射式光调制器、例如lcos(liquid crystal on silicon；硅[衬底]基液晶)或反射式跟踪元件，并且在第二成像级之后仍然实现将光调制器和跟踪元件成像到相同的图像平面中。反射式光调制器和反射式跟踪元件例如不能被安置在相同位置上以便随后将它们一起成像。与透射式光调制器相比，反射式光调制器又具有紧凑的优点，因为可以实现具有大填充因子的小像素。
[0036]
例如，光调制器可以通过光学系统的第一成像级首先以2倍的放大率在偏转元件的平面中成像，并且在第二成像级中该图像以5倍的放大率被成像到相对于观察者窗大约2m的距离处，因此光调制器的总放大率为10，但偏转元件的总放大率为5。
[0037]
根据本发明的一个方面，在跟踪元件或偏转元件的平面中或该平面附近通过所述光学系统的第一成像级产生空间光调制器的傅里叶平面，该傅里叶平面通过光学系统的第二成像级进一步成像，从而在观察者平面中产生空间光调制器的图像。
[0038]
在该实施方式中，视场由光调制器的傅立叶平面的放大成像及其相对于观察者窗的距离确定。如上所述，使用空间光调制器的傅立叶平面可以有利于获得高的光效率。
[0039]
光调制器的最多一个衍射阶可以用于内容的显示，因为所示内容会在其它衍射阶中重复。两个衍射阶之间的距离与光调制器的像素间距的倒数、光的波长以及光调制器和傅里叶平面之间的距离成比例。在两级结构中，首先产生具有衍射阶之间的小距离的傅里叶平面，并且随后放大地进一步成像，该两级结构的优点是比在一级中产生具有衍射阶之间的大距离的傅里叶平面的结构更紧凑。
[0040]
根据本发明的一个方面，光学系统具有用于过滤更高的衍射阶的过滤平面。通过过滤更高的衍射阶获得所示内容的改善的质量。过滤平面通常位于光调制器的傅立叶平面中或紧挨着光调制器的傅立叶平面。
[0041]
根据本发明的一个方面，增强现实平视显示器使用单视差编码、优选地水平单视差编码，其中，针对两个观察者窗在垂直方向上分别产生最佳点(sweet spot)。水平单视差编码的优点是，最佳点可以在垂直方向上延伸较远，因此必要时仅需要水平跟踪观察者窗，因为头部可以垂直地足够远地在最佳点内移动。备选地也可以使用垂直单视差编码，其中，针对两个观察者窗在水平方向上分别产生最佳点。在这种情况下，最佳点的延伸量必须明显小于瞳孔距离。例如，最佳点的尺寸可以处于20至30mm的范围内。但在这样的实施方式中，观察者窗的水平和垂直跟踪是有意义的。
[0042]
在单视差编码的情况下，3d场景又被拆分成单独的点。针对3d场景的每个点，在光调制器中对柱状透镜形式的子全息图进行编码。在水平单视差编码的情况下，仅在水平方向上需要光的相干性。
[0043]
例如可以在垂直方向上使用散射体(streuer)来产生大的最佳点。布置为仅垂直地散射光的一维散射体会由于该散射破坏垂直相干性，但保留水平相干性。然而，一维散射体通常在其它方向上也有少量散射，因此在水平方向上也可以能出现不希望的相干性降低。
[0044]
因此在优选实施方式中，使用双凸透镜(lentikular)、即柱状透镜的阵列来产生最佳点，该阵列在一个方向上扩展光以便产生最佳点但在与之垂直的方向上不干扰观察者窗的形成。双凸透镜由多个短焦距的小的柱状透镜组成。入射光首先通过柱状透镜在距双凸透镜的小距离处聚焦，但在通过焦点后被扩宽。在此，通过阵列的不同柱状透镜的光被混合。在此，通过双凸透镜的网格间距、即单独的柱状透镜的宽度以及通过柱状透镜的焦距可以调节最佳点的尺寸。光通过柱状透镜后的最大传播角可以由透镜的焦距与直径的比来计算。例如，在透镜的直径为1mm并且焦距为5mm的情况下，该最大传播角为
±
5.7
°
(arctan 0.1)。如果双凸透镜例如放大5倍地在距观察者窗2m的距离处成像，则从放大的双凸透镜发出的角度减小5倍至大约
±
1.14
°
。产生tan1.14
°
·
2000mm、即80mm高的最佳点。
[0045]
在观察者窗位于光源图像的平面中的本发明实施方式中，空间光调制器的中间图像在双凸透镜的平面中产生，并且跟踪元件或无源偏转装置靠近双凸透镜布置。例如可以实现1至20mm的距离。如果光调制器的中间图像在双凸透镜的平面中产生，则这有利地允许清晰成像到光调制器的最终图像中而不受双凸透镜干扰。跟踪元件或无源偏转装置紧挨着双凸透镜和光调制器的中间图像的布置方式有利地允许在用于左眼和右眼的观察者窗的切换过程中或者在跟踪观察者窗的过程中光调制器的最终图像的位置保持固定。因此，观察者用左眼和右眼或者从头部的不同位置看到光调制器的图像在固定位置上。
[0046]
在观察者窗位于空间光调制器的图像的平面中的本发明实施方式中，空间光调制器的傅立叶平面在双凸透镜的平面中产生，并且跟踪元件或无源偏转装置靠近双凸透镜布置。在此也可以优选地实现1至20mm的距离。在这种情况下，用于过滤更高衍射阶的过滤平面优选地位于双凸透镜的平面中。
[0047]
如果该傅里叶平面在双凸透镜的平面中产生，则该傅里叶平面可以进一步清晰地成像，而不被双凸透镜干扰该成像。跟踪元件或无源偏转装置紧挨着双凸透镜和光调制器的傅里叶平面的布置方式有利地允许在用于左眼和右眼的观察者窗的切换过程中或者在跟踪观察者窗的过程中光调制器的傅里叶平面的图像的位置保持固定。因此，观察者用左眼和右眼或者从头部的不同位置看到光调制器的傅里叶平面的图像在固定位置上。
[0048]
根据本发明的一个方面，空间光调制器的傅立叶平面在散射体的平面中产生，并且跟踪元件或无源偏转装置靠近散射体布置。例如可以实现1至20mm的距离。当立体内容由增强现实平视显示器表示时，该实施方式尤其适用。在这种情况下，需要用于照射光调制器的相干光来产生空间光调制器的傅里叶平面。如果该傅里叶平面随后在光学系统的第二级中成像，则为此不再需要相干性来表示立体内容。因此可以使用散射体，该散射体破坏相干性但具有扩大水平和垂直方向上的最佳点的优点。在此，在水平方向上必须如此调节散射体的散射角，使得产生具有明显小于瞳孔距离的、例如20-30mm的尺寸的最佳点，以便用于
左眼和右眼的观察者窗明显彼此分离地产生。
[0049]
在一种有利的实施方式中可以使用具有椭圆散射轮廓的散射体，即，这种散射体在垂直方向上具有比在水平方向上更大的散射角。如果以此方式产生足够大的垂直的最佳点，则有利地仅需要水平跟踪观察者窗。
[0050]
在另外的实施方式中可以使用传统的具有圆形散射轮廓的散射体，即，这种散射体在所有方向上具有相同的散射角，例如与对观察者窗的水平和垂直跟踪结合使用。
[0051]
根据本发明的增强现实平视显示器特别有利地用在交通工具、尤其机动车中。
[0052]
本发明的其它特征由以下描述和所附权利要求结合附图得出。
[0053]
图1示意性地示出用于机动车的平视显示器的一般性结构；
[0054]
图2示意性地示出根据本发明的增强现实平视显示器的结构；
[0055]
图3示意性示出机动车，根据本发明的解决方案在该机动车中实现；
[0056]
图4示意性示出一种布置结构的侧视图，其中，观察者窗被实现为空间光调制器的图像；
[0057]
图5示出图4中的布置结构的俯视图；
[0058]
图6示出图4中的布置结构的第一细节的侧视图；
[0059]
图7示出图4中的布置结构的另一细节的侧视图；
[0060]
图8示出与图7相比略微改变的布置结构；
[0061]
图9示出一种布置结构的侧视图，其中，观察者窗在光源图像的平面中产生；
[0062]
图10示出图9中的布置结构的细节的侧视图；
[0063]
图11示出与图9中的布置结构类似的布置结构，其中使用镜子；和
[0064]
图12示出图11中的布置结构的俯视图。
[0065]
为了更好地理解本发明的原理，以下借助附图更详细地阐述本发明的实施方式。当然，本发明不限于这些实施方式，并且描述的特征还能够被结合或调整，只要不脱离本发明的在所附权利要求中限定的保护范围即可。
[0066]
图1示意性地示出用于机动车30的平视显示器10，借助于该平视显示器可以将内容显示在机动车30的投射面31上、例如前挡风玻璃上或由玻璃或塑料制成的附加板上，该附加板在驾驶员与前挡风玻璃之间布置在仪表板上。所示的内容由成像单元11生成并且借助于光学系统14投射到投射面31上，从而这些内容可以被眼睛位于观察者窗22内的观察者感知。该投射在此通常发生在前挡风玻璃的位于方向盘上方的区域中。成像单元11可以至少包括光源和空间光调制器。平视显示器10通常安装在机动车30的仪表板中。
[0067]
图2示意性地示出根据本发明的增强现实平视显示器10的结构。在此示出增强现实平视显示器10的俯视图。通过成像单元11使用光源11和空间光调制器12生成要显示的内容。要显示的内容借助于在此仅抽象示出的光学系统14被投射到合路器21上，该合路器可以如图1所示是机动车的挡风玻璃。光学系统14设置用于产生用于观察者左眼的第一观察者窗15和用于观察者右眼的第二观察者窗16。以此方式可以为两只眼睛显示不同的内容，这能够实现3d场景的重建。
[0068]
图3示意性地示出机动车30，在该机动车中安装有根据本发明的增强现实平视显示器10。除了增强现实平视显示器10之外，机动车30还具有用于观测驾驶员的相机32和环境传感器33。通过相机32例如可以确定驾驶员的眼睛位置，以便能够跟踪观察者窗的位置，
通过相机还可以确定驾驶员的瞳孔距离。随后可以根据该瞳孔距离调整观察者窗之间的距离。机动车的其它部件是导航系统34、数据传输单元35以及一系列的辅助系统36，其中一个辅助系统示范性地示出。借助于数据传输单元35可以例如建立与服务提供商的连接。为了存储数据存在存储器37。机动车30的不同构件之间的数据交换通过网络38完成。
[0069]
下面将借助图4至图13描述根据本发明的增强现实平视显示器的优选实施方式。图中的光束路径高度简化地示出。
[0070]
图4示意性示出一种布置结构的侧视图，其中，观察者窗15、16被实现为空间光调制器13的图像。光源12的由空间光调制器13调制的光通过光学系统的透镜25和镜子26被投射到合路器21上。在此过程中，光穿过双凸透镜23、开关元件19和无源偏转元件18。开关元件19和无源偏转元件18一起构成切换单元17。开关元件19在此是偏振开关，无源偏转元件18是偏振光栅。借助于切换单元17产生两个观察者窗15、16，分别用于观察者的左眼和右眼。为此，偏振光栅具有与入射光的输入偏振相关的优选衍射阶。优选衍射阶意味着，针对某个确定的输入偏振，大部分入射光被转向到该衍射阶中。换言之，优选衍射阶具有高衍射效率，而其它衍射阶具有低衍射效率。尤其地，优选衍射阶可以是正一阶和负一阶。例如，利用偏振光栅的负一阶可以产生用于左眼的观察者窗15，并且利用正一阶可以产生用于右眼的观察者窗16，反之，利用偏振光栅的负一阶可以产生用于右眼的观察者窗，并且利用正一阶可以产生用于左眼的观察者窗。偏振开关可以例如是基于液晶的开关，其设计为，当不施加电压时，它旋转入射光的偏振，但当施加足够高的电压时，它允许光通过而不旋转偏振。在这种情况下，用于从3d场景计算全息图的参考平面27是空间光调制器13的傅立叶平面。对于观察者来说，3d场景出现在视锥体中参考平面27的前面和/或后面，该视锥体由观察者窗15、16和参考平面27界定。
[0071]
图5示出图4中的布置结构的俯视图。为了清楚起见，布置在合路器21下方的部件未示出。这里可以看出，产生两个观察者窗15、16，一个用于左眼，一个用于右眼。朝向左观察者窗或右观察者窗15、16行进的光在合路器21上至少部分重叠。
[0072]
图6示出图4中的布置结构的第一细节的侧视图。在此示出从光源12直至无源偏转元件18、即直至偏振光栅的区域。光源12照射空间光调制器13。在该示例中，空间光调制器13是反射式光调制器。因此，由光源12实施的照射从斜前方以小角度进行。光学系统的该第一部分的透镜25产生空间光调制器13在双凸透镜23的位置处的傅里叶平面。作为切换单元17的一部分的无源偏转元件18紧挨着双凸透镜23。作为开关元件19的偏振开关与偏振光栅一起构成开关单元17。在双凸透镜23附近还存在遮光物或用于过滤更高的阶的滤光器24。
[0073]
图7示出图4中的布置结构的另一细节的侧视图。示出光学系统的第二部分的透镜25，这些透镜将空间光调制器在透镜23的位置处的傅里叶平面一级无源偏转元件18、即偏振光栅进一步成像到参考平面中。
[0074]
图8示出与图7相比略微改变的布置结构。无源偏转元件18在此与图7相比已被移动，即位于稍微远离双凸透镜23的位置。由此也改变了偏转元件18相对于两个透镜25的距离，从而既改变了像距又改变了无源偏转元件18成像的放大率。通过无源偏转元件18的这种移动可以使用于观察者左眼和右眼的两个观察者窗之间的距离适应于检测到的观察者瞳孔距离。在所示示例中，在图7中调节形成70mm的瞳孔距离。通过移动无源偏转元件18，在图8中调节形成的瞳孔距离被减小到60mm。
[0075]
图9示出与图4相比改变的布置结构侧视图。在该布置结构中，观察者窗15、16在光源图像的平面或傅里叶平面中产生。在这种情况下，参考平面27是空间光调制器13的图像平面。
[0076]
图10示出光学系统的第一部分的侧视图。借助于该示例中的三个透镜25在双凸透镜23的平面中产生空间光调制器13的中间图像平面。空间光调制器13的可以用作过滤更高衍射阶的过滤平面20的傅里叶平面位于空间光调制器13和双凸透镜之间的某处。作为开关元件19的偏振开关和作为无源偏转元件18的偏振光栅在此又可以像借助图4和图5针对观察者窗实现为空间光调制器13的图像的布置结构所描述的那样使用。光学系统的第二部分、即双凸透镜23之后的透镜以及在左观察者窗和右观察者窗之间的切换与之前相同并且因此不再详细示出。
[0077]
在图4至图10所示的实施例中，在光学系统的第一部分中示出透镜，用于空间光调制器或空间光调制器在双凸透镜的位置处的傅里叶平面的中间成像。在光学系统的第二部分中，透镜也用于将空间光调制器的中间图像或傅里叶平面进一步成像到参考平面中。但在这两种情况下，也可以使用其它类型的成像元件来代替透镜，例如镜子或衍射光学器件或不同成像元件的组合、例如透镜和镜子。所使用的成像元件的数量也不限于图4至图10中使用的示例。光学系统的第一部分和第二部分分别包含至少一个成像元件。
[0078]
例如，在传统的平视显示器中，镜子的使用是常见的。自由形状的镜子在那里用于通过挡风玻璃对图像提供者、即显示器进行成像。镜子形状在此也用于修正挡风玻璃的曲率。根据本发明的平视显示器也可以使用这种自由形状的镜子。用于此的示例在图11中示出。
[0079]
类似于图9，图11示出一种布置结构，其中，观察者窗15、16在光源图像的平面中产生。在光学系统的第一部分中又进行空间光调制器13通过透镜25在双凸透镜23的位置处的和紧挨着双凸透镜23的作为无源偏转元件18的偏振光栅的中间成像。在光学系统的第二部分中，空间光调制器13和偏振光栅的中间图像进一步成像到参考平面27中，现在通过弯曲的合路器21、即弯曲的挡风玻璃和两个自由形状的镜子28实现。此外通过相同的成像元件也可以将光源图像成像到观察者窗15、16中。与具有大的eyebox的传统平视显示器相比，在这种情况下，自由形状的镜子28的形状选择为使得不单参考平面27中的图像质量，而且观察者窗15、16的形成被考虑。为此，例如在光学设计中使用优值函数来优化镜子形状，优值函数不仅优化参考平面27中的斑点尺寸，而且还包含用于光束在观察者窗15、16的平面中的位置的条件。
[0080]
类似于图5，图12在具有镜子的系统中又示出用于左眼和右眼的观察者窗15、16的产生。为了清楚起见，布置在合路器21下方的部件未示出。朝向左观察者窗或右观察者窗15、16行进的光在合路器21上又至少部分重叠。
[0081]
在图11和图12所示的布置结构中，观察者窗在光源图像的平面中产生。类似于先前参照图4至图10所讨论的情况，在具有自由形状的镜子的布置结构中，改变在空间光调制器和双凸透镜或无源偏转元件之间的光学系统的第一部分足以获得观察者窗被实现为空间光调制器的图像的布置结构。自由形状的镜子本身可以保持不变。
[0082]
附图标记列表
[0083]
10 平视显示器
[0084]
11 成像单元
[0085]
12 光源
[0086]
13 空间光调制器
[0087]
14 光学系统
[0088]
15 第一观察者窗
[0089]
16 第二观察者窗
[0090]
17 切换单元
[0091]
18 无源偏转元件
[0092]
19 开关元件
[0093]
20 过滤平面
[0094]
21 合路器
[0095]
22 观察者窗
[0096]
23 双凸透镜
[0097]
24 滤光器
[0098]
25 透镜
[0099]
26 镜子
[0100]
27 参考平面
[0101]
28 自由形状的镜子
[0102]
30 机动车
[0103]
31 挡风玻璃
[0104]
32 相机
[0105]
33 环境传感器
[0106]
34 导航系统
[0107]
35 数据传输单元
[0108]
36 辅助系统
[0109]
37 存储器
[0110]
38 网络