全息投影装置的制作方法

全息投影装置
1.本发明涉及一种用于生成图像的全息投影装置
。
2.这种全息投影装置例如越来越多地应用于交通工具领域，以便能够为驾驶员提供抬头显示，在抬头显示中图像的引导和
/
或偏转经由挡风玻璃实现
。
为了进行偏转，在此可以使用体积全息图，其可以嵌入到挡风玻璃上或者挡风玻璃中
。
3.在这种全息投影装置中，例如以特定角度落到挡风玻璃上的阳光
(
或阳光的特定波长范围
)
可能以不期望的方式被体积全息图偏转，从而被观察者感知为干扰光
。
4.因而，由此出发，本发明的目的是提供一种全息投影装置，利用该全息投影装置能够尽可能完全克服所描述的弊端
。
5.本发明在独立权利要求1中被限定
。
有利的改进方案在从属权利要求中给出
。
6.通过设置全息滤光器，可以通过借助全息滤光器的偏转使不源于有效光源
、
以预定的空间角度射到第一体积全息图上且被该体积全息图偏转成为不期望的干扰光的光转向，使得其不再能够例如被观察者感知到
。
因此避免了不期望的干扰光
。
此外，还可以借助全息滤光器使源于有效光源且以预定的空间角度射到第一体积全息图上的光在射到第一体积全息图上之前偏转，使得其不能被感知为不期望的干扰光
。
7.因此，全息投影装置可以被设计成使得其借助第一体积全息图偏转输送给该全息投影装置的图像，从而当观察者将他的眼睛定位在预定观察范围内并且观察者以预定的观察角度看向投影面时，观察者可以感知到该图像
。
在这种情况下，第一体积全息图因此可以例如起到光学部件
(
例如透镜
、
反射镜和
/
或光栅
)
的作用
。
8.此外，根据本发明的全息投影装置可以具有重构设置
。
对此尤其应理解的是，第一体积全息图被设计成在其中有
(
至少一个
)
图像曝光
。
如果该全息图现在借助光以预定的方式方法被照亮，那么以已知的方式方法开始对所拍摄图像进行重构，从而使观察者可以感知到该图像
。
因此，在第一体积全息图中可以曝光待生成图像
(
尤其作为三维图像
)
，该图像通过有效光源的光
(
例如激光器或者
led)
被重构
。
因此，第一体积全息图被设计成使得在其中曝光有
(
例如三维
)
图像或者动态图像序列
(
取决于观察角度
)。
第一体积全息图可以形成在透明载体中或者透明载体上
。
在此情况下，有效光源的光也可以通过与第一体积全息图间隔开的耦合输入位置耦合输入到载体中并且在载体中
(
直接或者例如通过全内反射或者其他反射
)
被引导至第一体积全息图，从而随后生成所拍摄图像的期望重构
。
9.投影装置的第一体积全息图还可以被设计成散射屏
。
10.此外，全息投影装置可以生成作为真实图像
(
例如在第一体积全息图的平面之外或者在该平面中
)
或者作为虚拟图像
(
例如在第一体积全息图的平面之外
)
的图像
。
11.要避免的干扰光例如可以是生成图像的观察者可以感知到的干扰光，尽管应当避免这一情况
。
作为替代或者附加，还可行的是，确定关于全息投影装置
、
尤其关于第一体积全息图和
/
或全息滤光器的一个或者多个空间角度范围，其中在这些空间角度范围中应避免干扰光
。
在交通工具领域中应用根据本发明的全息投影装置时，这例如可以是可能干扰行人或者其他交通参与者的范围
。
12.全息投影装置的第一体积全息图尤其被设计成使得常规偏转是针对一个或者多
个预定波长范围
(
优选具有
+/-50nm、+/-40nm、+/-30nm、+/-20nm、+/-10nm、+/-5nm
的带宽
)
而设计的
。
不源于有效光源且以预定的空间角度范围射到或将射到第一体积全息图上由此可能产生不期望的干扰光的光优选地具有的波长范围与设计第一体积全息图所针对的波长范围不一致
。
13.因此，第一体积全息图例如可以是针对
500nm+/-10nm
的波长
、
针对
30
°
的入射角而设计的，以便实现期望的偏转，从而生成图像
。
在这种情况下，例如针对例如
640nm、
针对-5
°
和-67
°
的入射角的第一体积全息图可能存在高效性，而这是不期望的
。
14.因此，在这种情况下可以规划或设计全息滤光器，使得其偏转
640nm+/-10nm
且入射角为-5
°
和-67
°
的干扰光，从而避免干扰光
。
15.全息滤光器本身可以被设计为第二体积全息图
、
尤其被设计为透射式体积全息图
。
当然全息滤光器也可以被设计为反射式体积全息图
。
16.第一体积全息图和全息滤光器可以设置在透明本体上或者透明本体中
。
透明本体例如可以是交通工具的玻璃
(
尤其是挡风玻璃
)
或者其他的透明本体
。
它可以被设计成平行平面的板
。
透明本体也可以具有至少一个弯曲界面
。
因此，透明本体例如可以被设计成眼镜片
。
17.交通工具可以是陆上交通工具
、
水上交通工具或空中交通工具
。
此外，交通工具还可以是机动交通工具或人力交通工具
。
尤其，交通工具可以是乘用车辆或载重车辆
。
18.交通工具玻璃可以具有面向交通工具内部的内侧面，其中第一体积全息图和全息滤光器形成在该内侧面上
。
19.此外，交通工具玻璃还可以具有背离内侧面的外侧面，其中全息滤光器是针对通过外侧面进入到交通工具玻璃中的
、
不源于有效光源的光而设计的
。
因此，可以很好地避免或者减少在交通工具中通常从外向内进入到交通工具中的环境光的干扰
。
20.第一体积全息图和全息滤光器可以相叠布置
。
尤其，它们可以被设计成叠层
。
此外，它们可以是全等的
。
第一体积全息图和全息滤光器还可以直接叠放或者布置成具有位于二者之间的连接层
。
21.全息滤光器的偏转可以实现为使得通过至少一次反射在透明本体中引导偏转光
。
至少一次反射可以是全内反射
。
透明本体还可以具有用于光的光束陷阱，光通过在透明本体中的引导到达该光束陷阱
。
全息滤光器的偏转还可以实现为使得偏转光在没有反射的情况下在透明本体中直接传播到光束陷阱
。
22.此外，透明本体可以具有与第一体积全息图间隔开的耦合输入位置
。
因此，例如待投影图像可以经由耦合输入位置耦合输入到透明本体中，并且在透明本体中
(
例如在没有反射的情况下或者通过至少一次反射，例如全内反射
)
被引导到第一体积全息图
。
23.根据本发明的投影装置因此可以被设计成使得全息滤光器根据偏振来偏转不源于有效光源且以预定的空间角度射到或者将射到第一体积全息图上的光
。
优选地，偏转的可以是较大的偏振分量
。
不源于有效光源且以预定的空间角度射到或者将射到第一体积全息图上的光的较大的偏振分量例如可以通过光耦合输入到透明本体中来确定或者由此得出
。
在此，入射到透明本体中的阳光尤其可以涉及s偏振分量，因此该s偏振分量被全息滤光器偏转
。
因此，实现了有效滤光
。
24.借助第一体积全息图的偏转可以在第一平面中进行，并且借助全息滤光器的偏转
可以在第二平面中进行，该第二平面既不与第一平面平行也不与其重合
。
尤其，第一平面和第二平面可以彼此垂直
。
但是，这两个平面也可以彼此平行
。
25.全息滤光器可以布置
(
例如在从出射光瞳到全息投影装置或者体积全息图的视线方向上
)
在第一体积全息图之前或者之后
。
26.全息投影装置还可以具有有效光源
。
有效光源可以被设计为生成待投影图像的图像模块
。
图像模块可以具有用于生成待投影图像的图像发生器以及可选的在图像发生器下游的成像光学器件
(
例如透镜
、
反射镜等
)。
尤其，成像光学器件可以设置在图像发生器和透明本体之间
。
将待投影图像为了投影而偏转的第一体积全息图尤其可以被设计为透射式体积全息图
。
但是，它也可以被设计成反射式体积全息图
。
27.此外，待生成图像可以被曝光到第一体积全息图中，并且有效光源可以被设计成使得其光引起待生成图像的重构
。
28.此外，第一体积全息图可以具有多个子光栅，这些子光栅分别是针对具有一定带宽
(
例如
±
10nm)
的预定波长而设计的
。
在此，例如可以涉及红光
、
绿光和蓝光的波长
。
由此可以偏转多色图像
。
优选地，图像生成与此匹配并且生成相应的有色子图像
。
有色子图像可以同时或者迅速地依次生成，使得用户仅能以叠加为多色图像的形式感知到它们
。
29.全息投影装置还可以被设计为可穿戴到头部上的装置
。
为此可以设置有保持装置，其例如被设计成眼镜状或者头盔状
。
30.不言而喻，以上提到的这些特征以及仍将在以下说明的特征不仅能够在给出的组合中使用，而且还能够在其他组合中或者单独使用，而不脱离本发明的范围
。
31.下面参考附图借助于实施例进一步解释本发明，附图同样公开了对本发明必要的特征
。
这些实施例仅用于说明，而不应解释为限制性的
。
例如，对具有多个元件或部件的实施例的说明不应被解释为：需要实现所有这些元件或部件
。
而是其他实施例也可以包括替代的元件和部件
、
较少的元件或部件
、
或附加的元件或部件
。
除非另有说明，否则各种实施例的元件或部件可以彼此组合
。
针对其中一个实施例所描述的修改和变化也可以适用于其他实施例
。
为了避免重复，不同附图中的相同或彼此对应的元件用相同的附图标记来表示且不再反复解释
。
在附图中：
32.图1示出根据本发明的全息投影装置1的第一实施方式的示意图；
33.图2示出图1的根据本发明的全息投影装置1的用于阐述可能出现的干扰光的另一示意图；
34.图3示出图1的根据本发明的全息投影装置1的用于阐述全息滤光器
12
作用方式的另一示意图；
35.图4示出光栅对于
500nm
光在聚合物层
11
中与入射角相关的偏转效率的示意图：
36.图5示出用于阐述出现的干扰光的示意图：
37.图6示出用于阐述全息滤光器
12
避免根据图5的干扰光的作用方式的示意图；
38.图7示出用于阐述可能出现的干扰光的示意图；
39.图8示出用于阐述滤光器
12
避免根据图7的散射光的作用方式的图示；
40.图9示出全息投影装置1的另一实施方式的示意性放大侧视图；
41.图
10
示出用于阐述图9中的偏振方向的参考平面的示意图；
42.图
11
示出图9的实施方式的前视图；
43.图
12
示出针对已在全息滤光器
12
处发生的衍射阐述偏振方向的参考平面的图示；
44.图
13
示出图9的实施方式的俯视图；
45.图
14
示出根据本发明的全息投影装置1的另一实施方式的示意图；
46.图
15
示出根据本发明的全息投影装置1的另一实施方式的示意图；
47.图
16
示出根据本发明的全息投影装置1的另一实施方式，以及
48.图
17
示出图
16
的投影面1的部分截面图
。
49.在图1中示出的实施方式中，根据本发明的全息投影装置1包括用于生成图像
(
优选多色图像
)
的图像模块2作为有效光源
、
以及投影单元3，该投影单元在此包括集成到交通工具的挡风玻璃4中的全息分束器5，在全息分束器处多色图像
(
以光束2的光路代表性地描绘
)
在朝向投影单元3的出射光瞳6的方向上被偏转，使得当眼睛a定位在出射光瞳6中的用户沿着预定的视线方向7看向投影单元
3(
或者在此为全息分束器
5)
时，该用户可以感知到作为虚拟图像的该多色图像
。
50.图像模块2可以包括图像发生器8以及具有处理器
10
的控制单元9，其中控制单元9操控用于生成多色图像的图像发生器
8。
图像发生器8可以是
lcd
模块
、oled
模块或者
lcos
模块或者倾斜反射镜矩阵
。
此外，图像发生器可以具有在此没有描绘的毛玻璃板
。
51.多色图像借助图像发生器8如下地生成，即例如生成具有不同波长的三个有色子图像
。
在此，例如可以是波长为
460nm
的蓝色子图像
、
波长为
500nm
的绿色子图像
、
波长为
640nm
的红色子图像
。
有色子图像可以同时或者在时间方面交替地迅速依次生成，从而使用户仅能感知到作为多色图像的叠加
。
52.全息分束器5具有光敏聚合物层
11
，针对这三个波长中的每个波长各将一个体积全息光栅写入该光敏聚合物层
。
这三个光栅因此以相同的体积
(
即在光敏聚合物层
11
中
)
重叠，从而存在所谓的多路复用
(
或者第一体积全息图
)。
这三个体积全息光栅中的每个都被设计成使得其对于这三个所提及波长之一
(
例如，具有
±
10nm
的带宽
)
是反射性的，而对于其余波长是透射性的
。
在此，各个体积全息光栅的反射率例如被设置成使得存在约
45
％的反射率
。
这一点的主要原因在于，对于所描述的用途，出于安全原因，在交通工具的挡风玻璃4中不允许
100
％的反射率，因为驾驶员还必须能够在全息分束器5的区域中透过挡风玻璃4观看
。
对于这种安全方面不重要的其他应用，完全可以将体积全息光栅设计成使得其具有大于
45
％的反射率
。
53.在光敏聚合物层
11
和挡风玻璃4之间布置有全息滤光器
12
，其功能结合图2和图3进行说明
。
54.如果不存在全息滤光器，那么例如以预定的角度
(
例如-5
°
或者-67
°
)
从前方落到挡风玻璃4上
、
透射穿过该挡风玻璃并且落到光敏聚合物层
11
上的波长为
640nm
的光将会以不期望的方式作为干扰光朝向出射光瞳6偏转，如图3所示
。
相应的入射角范围在图2中通过射束
s1
和
s2
示意
。
为了防止干扰光以这种方式方法落入到出射光瞳6中
(
其也可以被称为动眼眶范围
(eyebox)6)
，设置有全息滤光器
12
，该全息滤光器偏转
(
在此反射
)
以该角度入射的波长为
640nm
的射束
s1、s2
，从而使得射束
s1、s2
不射到光敏聚合物层
11
上，而是在挡风玻璃4中例如通过全内反射被引导至例如布置在上边缘处的光束陷阱
13
并且在那里被吸收，如图3所示
。
55.光敏聚合物层
11
中的光栅的所描述的这种不期望特性结合图4针对用于波长
500nm
的光栅来阐述
。
56.在图4中沿着
x
轴以
nm
为单位绘出波长，沿着y轴以
°
为单位绘出入射角，其中偏转效率越高，那么图示就越亮
。
57.因此，如从图示中可以看出，
500nm
的波长在
30
°
区域
(
区域
b1)
中存在偏转效率
。
58.但是，光栅还额外地对于
640nm
范围内的波长以不期望且不可避免的方式方法展示出对于-5
°
的入射角
(
区域
b2)
和-67
°
的入射角
(
区域
b3)
的高偏转效率
。
59.因此，全息滤光器
12
被设计成使得其对于这些波长和这些入射角引起偏转，从而使干扰光不再到达出射光瞳
。
优选地，滤光器对于该波长
640nm
与该入射角-5
°
和-67
°
引起偏转，从而使这些射束被偏转为使得其在玻璃4中被引导至光束陷阱
13。
因此，可以用安全的方式方法避免不期望的干扰光
。
60.下面还要结合图5至图8进一步描述干扰光的出现和干扰光的避免
。
61.在图5的示意性截面图中示出的是，射束
s1
可能穿过挡风玻璃4并且落到光敏聚合物层
11
上，在该光敏聚合物层处可能发生朝向挡风玻璃4的正面的反射，在该正面处又可能发生朝向观察者的眼睛a的反射
。
62.为了防止这一问题，如图6所示设置有全息滤光器
12
，其偏转光敏聚合物层
11
反射的光
(
射束
s1)
，使得偏转光随后在挡风玻璃4中通过全内反射被引导至挡风玻璃的边缘并且在那里例如被引导至光束陷阱
13(
图
3)。
因此，干扰光由此不再到达观察者的眼睛
a。
63.在图7中示出了以下情况，其中光
s1
穿过挡风玻璃4并且在光敏聚合物层处被偏转，使得其可能射到观察者的眼睛a上
。
64.在图8中示出的是，由于全息滤光器
12
，射束
s1
在其射到光敏聚合物层
11
上之前朝向挡风玻璃4偏转
。
朝向挡风玻璃4的偏转在此实现为使得在挡风玻璃4中进行对射束的引导
。
这种情况优选可以一直进行，直到光束陷阱
13(
图
3)。
65.因此，以这种方式方法可以有效防止不期望的干扰光到达出射光瞳
6。
射束
s1、s2
可以是环境光
(
例如阳光
)
或者与图像发生器8的光不同的其他光源的光
。
66.在结合图1至图3描述的实施方式中，不期望的光
s1、s2
以与图像发生器8的光
l
相同的方式在
y-z
平面中被偏转
。
在车辆的挡风玻璃的情况下，这是垂直于车道的平面
。
67.但是，全息滤光器
12
也可以被设计为使不期望的光
s1、s2
或者不期望的射束
s1、s2
在平行于车道的平面中且因此在垂直于y轴且平行于z轴的平面中被偏转
。
由此，图像发生器8的光
l
的由光敏聚合物层
11
产生的衍射在与全息滤光器
12
的衍射不同的平面中进行
(
尤其这两个平面在此彼此垂直
)
，从而使这些衍射脱耦
。
68.在结合图1至图3描述的实施方式中，全息滤光器
12
关于视线方向7位于聚合物层
11
之后
。
但是也可以颠倒全息滤光器
12
和光敏聚合物层
11
的顺序
。
在这种情况下，在光敏聚合物层
11
处被衍射的不期望的光
s1、s2
通过全息滤光器
13
被偏转，使得其不到达出射光瞳
6。
不期望的光
s1、s2
因此朝非关键的方向衍射
。
69.当不期望的光
s1、s2
例如是非偏振的
(
例如在阳光情况下就是如此
)
，可以针对在进入挡风玻璃4之后分量较高的偏振优化全息滤光器
12
的衍射效率
。
在根据图9的示意性放大侧视图中，示出阳光束
14
，其具有
p
偏振分量
15
以及s偏振分量
16。
在进入到挡风玻璃4中时，光束
14
中的一部分被反射为光束
17
，而剩余部分
18
进入到挡风玻璃4中
。
这种效果与偏振相关并且致使反射光束
17
具有比耦合输入光束
18
大的s偏振分量
。
这通过在光束
17
处的
两个点
16
和光束
18
处的单一点
16
来表明
。
相应地，反射光束
17
具有比耦合输入光束
17(
两个双箭头
15)
低的
p
偏振分量
(
仅一个双箭头
15)。
70.s
偏振在此是垂直于由入射光束
14
和反射光束
17
展开的参考平面
(
图
10)
的偏振
。
相应地，
p
偏振是平行于该参考平面的偏振
。
71.全息滤光器
12
现在被设计成使得其反射耦合输入光束
18
的
p
偏振分量，例如通过图9中具有标记
x
的圆
19
来说明
。
但是，反射在此是在
x
方向且因此朝向绘图平面内实现的
。
这在根据图
11
的前视图中更清晰可见，在该前视图中，反射光束
19
沿着
x
方向延伸
。
72.光束
18
的s偏振的分量在很大程度上被全息滤光器
12
透射
(
光束
20)。
但是该分量明显低于
p
偏振分量，因此不期望的干扰光
20
几乎被完全抑制
。
在图
12
中针对全息滤光器
12
处的衍射示出了偏振的参考平面
。
该参考平面由入射光束
18
和衍射光束
19
展开
。
73.在图
13
中示出了俯视图，从该图中可以看出，衍射部分
19
通过全内反射在挡风玻璃4中被引导，如结合图3已经描述的
。
74.当然也可行的是，根据本发明的投影装置1还具有例如用于像差最小化的其他光学元件
。
因此，可以使用反射镜和透镜
。
如图
14
示意性示出的，例如可以在图像发生器8和全息分束器5之间布置光学器件
21
，其在此示意性地作为透镜示出
。
75.此外，在图
15
中示出了变体方案，其中图像发生器8的光经由耦合输入元件
22(
例如偏转反射镜
)
耦合输入到挡风玻璃4中，并且通过至少一次反射在挡风玻璃中被引导至光敏聚合物层
11
，在那里执行所描述的耦合输出
。
76.代替挡风玻璃4也可以使用任何其他透明本体来用于根据本发明的投影装置
1。
该透明本体可以被设计为平行平面的板
。
但是也可行的是，至少一个界面
(
例如正面和
/
或背面
)
被设计成弯曲的
。
77.光敏聚合物层
11
和
/
或全息滤光器
12
可以嵌入在透明本体中，如以图
15
中的挡风玻璃4所示
。
但是也可行的是，光敏聚合物层
11
和
/
或全息滤光器
12
形成在透明本体的正面或者背面上，例如在图1至图
3、
图
13
和图
14
中所示
。
此外，还可以在光敏聚合物层
11
和
/
或全息滤光器
12
上设置遮盖层
。
78.根据本发明的投影装置1还可以被设计成可穿戴到用户的头部上的并且为此具有可穿戴到用户的头部上的保持装置
32
，其例如可以被设计成传统眼镜架的形式
(
图
16)。
在这种情况下，投影装置1可以具有固定在保持装置
32
上的第一眼镜片和第二眼镜片
33、34。
具有眼镜片
33、34
的保持装置
32
可以例如被设计成运动眼镜
、
太阳镜和
/
或用于矫正视觉缺陷的眼镜，其中虚拟图像可以经由第一眼镜片
33
朝向用户的视野被反射给用户
。
79.图像模块2可以布置在保持装置
32
的右眼镜腿的区域中，如图
16
中示意性示出的
。
80.如从图
17
中的放大的示意性部分截面图中最清晰可见的，第一眼镜片
33
具有背面
37
和正面
38。
背面
37
和正面
38
在此是弯曲的
。
但是，它们也可以是平坦的
。
弯曲可以是球面弯曲或者非球面弯曲
。
81.如果虚拟图像应当以与环境叠加的方式可见，则又可以存在例如
50
％范围内的有效偏转效率
。
如果环境旨在是不可见的，那么可以将偏转效率选择得更大
。