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Die vorliegende Anmeldung betrifft Vorrichtungen zur Datenprojektion, insbesondere zur Dateneinspiegelung, insbesondere für sogenannte Head-up-Displays (HUDs). Beispielsweise betrifft die vorliegende Anmeldung solche Verfahren und Vorrichtungen, welche in Fahrzeugen, insbesondere in Kraftfahrzeugen, einsetzbar sind.
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Gattungsgemäße Vorrichtungen zur Datenprojektion, insbesondere zur Dateneinspiegelung werden zunehmend verwendet, um einem Benutzer Daten auf einfache Weise bereitzustellen. Der Begriff „Daten“ ist dabei allgemein zu verstehen, eingespiegelte Daten können beispielsweise Bilder, Videos, Symbole, Zeichen und/oder Zahlen umfassen.
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Ein Anwendungsgebiet derartiger Vorrichtungen zur Dateneinspiegelung ist der Fahrzeugbereich, um z.B. einem Führer eines Fahrzeugs, beispielsweise einem Fahrer eines Automobils, während der Fahrt Daten bereitzustellen. Dies kann beispielsweise durch entsprechende Elemente, z.B. in Form eines sogenannten Head-up-Displays, in einer Windschutzscheibe eines Fahrzeugs erfolgen, wodurch der Fahrer seinen Blick nicht extra auf eine Anzeige beispielsweise eines Kombiinstruments richten muss, um Daten zu erhalten, sondern diese Daten im Wesentlichen wahrnehmen kann, ohne seinen Blick wesentlich von der Straße abzuwenden.
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Derartige Vorrichtungen sind beispielsweise in allgemeiner Weise aus der
DE 10 2008 039 737 A1 bekannt. Hier wird ein holografisches optisches Element in einer Windschutzscheibe zum Bereitstellen einer Reflexion für das menschliche Auge vorgeschlagen, wobei die Konzepte insbesondere für schräge Windschutzscheiben von Personenkraftwagen erläutert werden.
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Weitere Beispiele für Dateneinspiegelung, welche beispielsweise auch für Automobilanwendungen verwendbar sind, sind aus der
WO 2014/115095 A2 bekannt. Dabei wird ein holografischer Bildschirm verwendet, und je nach Abstand dieses Bildschirms von einem menschlichen Auge ist eine spezielle Kontaktlinse nötig, um auf einfache Weise auf diesen Bildschirm fokussieren zu können.
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Bei manchen derartigen Vorrichtungen wird eine Mattscheibe für die Erzeugung eines streuenden Zwischenbildes verwendet. Eine derartige Mattscheibe kann in Transmission oder in Reflexion eingesetzt werden. Die Streuung an einer Mikrostruktur einer herkömmlichen Mattscheibe beruht auf dem physikalischen Effekt der Beugung und ist somit wellenlängenabhängig. Die Verwendung einer konventionellen Mattscheibe, beispielsweise aus sandgestrahltem Glas, führt daher zu einem Farbsaum des Zwischenbildes.
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Bei holografischen optischen Elementen in einer Windschutzscheibe, auch als holografische Head-up-Displays bezeichnet, gilt, dass sie das von der Mattscheibe erzeugte Zwischenbild holografisch als virtuelles Bild hinter der Windschutzscheibe abbilden können. Hierfür verwendete wellenlängenselektive Volumenhologramme beugen das Licht einer oder mehrerer spezifischer diskreter Wellenlängen in einen gewünschten Raumwinkel, wo sich das Auge des Betrachters befinden kann. Dieser Raumwinkel wird auch als Eyebox bezeichnet.
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Wird das von einem Projektor erzeugte Zwischenbild von der Mattscheibe nicht effizient genug gestreut, so bleibt eine ungestreute nullte Ordnung übrig, welche direkt transmittiertem bzw. reflektiertem Licht vom Projektor entspricht. Bei herkömmlichen Aufbauten wird diese unerwünschte nullte Ordnung ebenfalls von dem Head-up-Display akzeptiert und kann zu deutlichen Qualitätseinbußen des virtuellen Bildes führen, da sie dieses überlagert.
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Es ist daher eine Aufgabe, Vorrichtungen und Mattscheiben bereitzustellen, bei welchen Farbsäume vermieden werden und/oder bei welchen Qualitätseinbußen durch die nullte Ordnung einer Zwischenbildprojektion verringert werden. Diese Aufgabe wird mit einer Vorrichtung gemäß Anspruch 1, einer Mattscheibe gemäß Anspruch 3, einer Mattscheibe gemäß Anspruch 5 sowie einer Vorrichtung mit einer derartigen Mattscheibe gemäß Anspruch 10 gelöst. Die Unteransprüche definieren weitere Ausführungsformen.
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Gemäß einem ersten Aspekt wird eine Vorrichtung zur Datenprojektion bereitgestellt, umfassend:
eine streuende Mattscheibe,
einen Projektor zum Projizieren von Daten auf die streuende Mattscheibe, und
mindestens eine weitere optische Komponente zum Abbilden eines durch die streuende Mattscheibe erzeugten Zwischenbildes zu einem Auge eines Betrachters hin,
wobei die streuende Mattscheibe relativ zu dem Projektor derart angeordnet ist, dass der Projektor die streuende Mattscheibe schräg unter einem Winkel ungleich 90° beleuchtet, sodass ungestreutes Licht von der Mattscheibe nicht zu dem Auge des Betrachters gelangt.
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Durch eine derartige Anordnung einer Mattscheibe kann ein Einfluss einer nullten Ordnung unterdrückt werden.
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Bei dem ersten Aspekt ist die Mattscheibe also beispielsweise derart schräg zu einem Einfallsstrahl von einem Projektor angeordnet, dass ein Strahl nullter Ordnung nicht oder nicht wesentlich zu einem Head-up-Display, beispielsweise einem holografischen Head-up-Display, gelangt.
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Die streuende Mattscheibe kann eine aufgeraute Glasmattscheibe umfassen.
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Gemäß einem zweiten Aspekt wird eine Mattscheibe für eine Vorrichtung zur Datenprojektion bereitgestellt, umfassend:
eine holografische Struktur, wobei die holografische Struktur eingerichtet ist, mindestens zwei verschiedene Wellenlängen zu streuen, wobei die holografische Struktur weiter eingerichtet ist, gleiche Streuwinkel für jede der mindestens zwei Wellenlängen unabhängig von der Wellenlänge zu erzeugen.
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Durch die Verwendung einer derartigen Mattscheibe können Farbsäume verringert werden.
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Bei dem zweiten Aspekt wird also z.B. eine holografische Mattscheibe mit Hologrammen für verschiedene Wellenlängen, bevorzugt eine rote, eine grüne und eine blaue Wellenlänge, verwendet. Die Hologramme sind derart aufeinander abgestimmt, dass Streuwinkel im Wesentlichen gleich sind, wodurch die Bildung von Farbsäumen vermieden werden kann.
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Die holografische Struktur kann dabei eingerichtet sein, die mindestens zwei verschiedenen Wellenlängen in eine Richtung zu streuen, welche sich von einer Richtung ungestreuten Lichtes unterscheidet, z.B. um mindestens 10°, mindestens 20° oder mindestens 30°.
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Gemäß einem dritten Aspekt wird eine Mattscheibe für eine Vorrichtung zur Datenprojektion bereitgestellt, umfassend:
eine holografische Struktur, wobei die holografische Struktur eingerichtet ist, Licht mit mindestens zwei unterschiedlichen Wellenlängen zu streuen, wobei die holografische Struktur eingerichtet ist, die mindestens zwei Wellenlängen in eine Richtung zu streuen, welche sich von einer Richtung ungestreuten Lichtes unterscheidet, z.B. um mindestens 10°, mindestens 20° oder mindestens 30°, also gleichsam eine gerichtete „Streukeule“ bereitzustellen.
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Durch die Verwendung einer derartigen gerichteten Streukeule ist es möglich, das erwähnte Problem hinsichtlich Strahlen nullter Ordnung zu vermeiden oder zumindest abzumildern.
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Die obigen Mattscheiben können für Wellenlängen außerhalb der mindestens zwei Wellenlängen transparent sein.
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Die Mattscheiben können für jede der mindestens zwei Wellenlängen eine jeweilige holografische Schicht aufweisen.
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Die Mattscheiben können ein Volumenhologramm und/oder ein Oberflächenhologramm umfassen.
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Die mindestens zwei Wellenlängen können eine Wellenlänge im roten Bereich, eine Wellenlänge im grünen Bereich und eine Wellenlänge im blauen Bereich umfassen, sodass die Mattscheibe für die Projektion farbiger Bilder mit einem RGB-Projektor verwendbar ist.
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Zudem wird eine Vorrichtung zur Datenprojektion bereitgestellt, umfassend:
eine Mattscheibe wie oben beschrieben,
einen Projektor zum Projizieren von Daten auf die Mattscheibe, und
mindestens eine weitere optische Komponente zum Lenken eines bei der Mattscheibe erzeugten Zwischenbildes zu einem Auge eines Betrachters.
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Der Projektor kann dabei eingerichtet sein, auf Basis einer Wellenlänge im roten Bereich, einer Wellenlänge im grünen Bereich und einer Wellenlänge im blauen Bereich zu projizieren (RGB-Projektor).
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Die mindestens eine weitere optische Komponente kann ein holografisches Element umfassen, wobei das holografische Element eingerichtet ist, ein virtuelles Bild zur Betrachtung durch das Auge zu erzeugen.
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Die mindestens eine weitere optische Komponente kann eine in einer Scheibe eines Fahrzeugs angeordnete Komponente umfassen.
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Die Vorrichtung kann als Head-up-Display oder als Bildprojektor ausgestaltet sein.
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Im Folgenden werden verschiedene Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Datenprojektion, insbesondere Dateneinspiegelung, gemäß einem Ausführungsbeispiel,
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2 eine Vorrichtung zur Dateneinspiegelung gemäß einem Ausführungsbeispiel,
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3 eine Vorrichtung zur Dateneinspiegelung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel,
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4 eine Vorrichtung zur Dateneinspiegelung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, und
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5 eine Darstellung zur Veranschaulichung der Herstellung einer holografischen Mattscheibe zur Verwendung in Ausführungsbeispielen.
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Im Folgenden werden verschiedene Ausführungsbeispiele detailliert erläutert. Diese Ausführungsbeispiele dienen lediglich der Veranschaulichung und sind nicht als einschränkend auszulegen. Beispielsweise werden Ausführungsbeispiele mit einer Vielzahl von Merkmalen, Elementen und Details beschrieben, was nicht dahingehend auszulegen ist, dass alle diese Merkmale, Elemente oder Details zur Implementierung notwendig sind. Vielmehr können bei anderen Ausführungsbeispielen manche der Elemente, Merkmale und Details weggelassen sein und/oder durch alternative Merkmale, Elemente und Details ersetzt sein. Elemente, Merkmale und Details verschiedener Ausführungsbeispiele können miteinander kombiniert werden.
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In 1 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Datenprojektion, beispielsweise zur Dateneinspiegelung in einem Fahrzeug, dargestellt. Die Vorrichtung der 1 umfasst einen Projektor 10, welcher darzustellende Daten auf eine Mattscheibe 11 zur Erzeugung eines Zwischenbildes projiziert. Der Projektor 10 kann dabei insbesondere ein Projektor sein, welcher zur Erzeugung von Farbbildern zwei oder mehr verschiedene Wellenlängen, insbesondere drei Wellenlängen, verbindet. Die drei Wellenlängen umfassen bevorzugt eine rote, eine grüne und eine blaue Wellenlänge (RGB-Projektion). Hierzu kann beispielsweise die Mattscheibe 11 mit drei Lasern entsprechender Farben abgerastert werden. Das Zwischenbild wird dann von der Mattscheibe 11 über weitere Komponenten 12 zu einem oder beiden Augen 13 eines Benutzers hin abgebildet. Die Elemente 12 können beispielsweise abbildende optische Komponenten wie Linsen oder holografische Elemente umfassen. Bei einem Ausführungsbeispiel umfassen die Elemente 12 ein Head-up-Display, welches beispielsweise durch ein in oder auf einer Windschutzscheibe eines Fahrzeugs bereitgestelltes holografisches Element gebildet sein kann.
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Die Anordnung der Komponenten in 1 zueinander ist lediglich schematisch und nicht einschränkend. Während bei dem Ausführungsbeispiel der 1 die Mattscheibe 11 in Transmission arbeitet, kann bei anderen Ausführungsbeispielen eine Mattscheibe 11 in Reflexion benutzt werden.
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Bei einem ersten Aspekt wird die Mattscheibe 11 von dem Projektor 10 unter einem Winkel beleuchtet (abweichend von der dargestellten senkrechten Beleuchtung), sodass eine nullte Ordnung (im Wesentlichen ungestreutes Licht) von der Mattscheibe 11 nicht oder nicht wesentlich zu dem Auge 13 gelangt. Gemäß einem zweiten Aspekt ist die Mattscheibe 11 eine holografische Mattscheibe, welche Hologramme, beispielsweise Volumenhologramme oder Oberflächenhologramme, für verschiedene Farben (beispielsweise rot, grün, blau) aufweist. Das Design der Hologramme kann dann so gewählt sein, dass die Streuung für die verschiedenen Farben gleich ist, sodass sich keine Farbsäume bilden.
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Bei einem dritten Aspekt wird eine holografische Mattscheibe verwendet, welche eine „Streukeule“ in Richtung der weiteren optischen Elemente 12 aufweist, die so ausgelegt ist, dass eine möglicherweise auftretende nullte Ordnung nicht zum Auge 13 gelangt. In anderen Worten werden Streuwinkel der Hologramme entsprechend optimiert, dass die Streuung zumindest zu einem sehr großen Teil in eine gewünschte Richtung erfolgt. Die verschiedenen Aspekte werden nunmehr unter Bezugnahme auf die 2 bis 4 anhand konkreter Beispiele noch genauer erläutert.
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Zur Vermeidung von Wiederholungen tragen in den 2 bis 4 einander entsprechende Elemente die gleichen Bezugszeichen und werden nicht mehrmals detailliert erläutert.
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2 zeigt ein Head-up-Display gemäß einem Ausführungsbeispiel, welches ein Beispiel für den oben genannten ersten Aspekt darstellt. Bei dem Ausführungsbeispiel der
2 ist ein Projektor
20 bereitgestellt, welcher wie für den Projektor
10 der
1 erläutert ausgestaltet sein kann, beispielsweise rotes, grünes und blaues Licht emittieren kann, oder auch auf eine andere Weise gewünschte Daten projizieren kann, beispielsweise durch herkömmlicherweise für Projektoren bekannte Techniken wie mittels einer Mikrospiegelanordnung (DMD, Digital Micromirror Device) oder dergleichen. Der Projektor
20 projiziert ein Bild auf eine Mattscheibe
21, welche im Falle der
2 eine herkömmliche Mattscheibe, beispielsweise aus sandgestrahltem Glas, sein kann. Dabei steht die Mattscheibe
21 schräg zu einer Achse, welche durch den Projektor
20 definiert wird, oder, in anderen Worten, der Projektor
20 beleuchtet die Mattscheibe
21 unter einem Winkel
22 (in
2, wie in der Optik üblich, zur Senkrechten eingezeichnet). Das Zwischenbild entsprechend dem von der Mattscheibe
21 gestreuten Licht gelangt zu einer Windschutzscheibe
24, welche zumindest in einem Teilbereich, beispielsweise in einem Bereich
25, eine Umlenkoptik als Head-up-Display integriert hat. Beispielsweise kann in dem Bereich
25 eine Optik angeordnet sein, wie es beispielsweise im eingangs zitierten Stand der Technik oder auch – als holografisches Element – in der
deutschen Patentanmeldung 10 2015 101 687.7 beschreiben ist. Durch das optische Element
25 wird das auf die Mattscheibe
21 projizierte Bild auf ein virtuelles Bild
26 abgebildet, welches von einem Betrachter (repräsentiert durch ein Auge
27) innerhalb einer Eyebox betrachtet werden kann. In dem Bereich
25 kann insbesondere ein abbildendes Hologramm angeordnet sein. Ein derartiges Hologramm im Bereich
25 kann ebenso für verschiedene verwendete Wellenlängen, beispielsweise rot, grün und blau, entsprechende Hologramme oder holografische Funktionen aufweisen. Eine Vorrichtung wie die in
2 dargestellte kann beispielsweise als Head-up-Display für ein Kraftfahrzeug mit der Windschutzscheibe
24 verwendet werden.
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Eine nullte Ordnung, d.h. ein durch die Mattscheibe 21 hindurch gehender Strahl, in 2 mit 23 bezeichnet, gelangt hingegen nicht in den Bereich 25 und wird somit letztlich nicht von dem Auge 27 erfasst. Somit kann die ungestreute nullte Ordnung unterdrückt oder zumindest vermindert werden.
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Ein Nachteil der Vorrichtung der 2 ist es, dass nur ein relativ geringer Bruchteil der Lichtintensität für das Head-up-Display verwendet werden kann.
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Eine Möglichkeit, diesen Nachteil zu beheben, wäre es, eine speziell angepasste hocheffiziente Mattscheibe praktisch ohne nullte Ordnung zu verwenden. Herkömmliche klassische Streuscheiben mit solchen Eigenschaften streuen jedoch vergleichsweise stark wellenlängenabhängig, insbesondere blaues Licht stärker als rotes Licht, was wiederum zu vergleichsweise starken Farbsäumen führen würde.
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Unter Bezugnahme auf die 3 und 4 werden nunmehr Anordnungen diskutiert, mit welchen derartige Nachteile vermieden werden können.
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In 3 ist ein Head-up-Display gemäß einem Ausführungsbeispiel dargestellt, bei welchem eine holografische Mattscheibe 30 verwendet wird. Die holografische Mattscheibe 30 wird dabei von einem Projektor 20 in Reflexion beleuchtet, wobei von der Mattscheibe 30 zurückgestreutes Licht wiederum in einen Bereich 25 mit einer entsprechenden Umlenkoptik, beispielsweise einem holografischen Element auf einer Windschutzscheibe gelenkt wird. Abgesehen von der Verwendung der holografischen Mattscheibe 30 und der Verwendung der Mattscheibe in Reflexion entspricht das Ausführungsbeispiel der 3 dem Ausführungsbeispiel der 2.
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Der Projektor 20 kann bei dem Ausführungsbeispiel der 3 beispielsweise die Mattscheibe 30 mit einer Vielzahl verschiedener Farben abrastern, beispielsweise mit einem roten, einem grünen und einem blauen Laserstrahl. Die holografische Mattscheibe kann dann Oberflächen- und/oder Volumenhologramme für die entsprechenden Farben aufweisen. Damit können drei diskrete holografische Streufunktionen für die drei verschiedenen Farben realisiert werden. Diese drei diskreten holografischen Streufunktionen können in einer Schicht, aber auch in drei getrennten Schichten realisiert werden. Für derartige Schichten kann beispielsweise ein Fotopolymer in einer Folie, welches entsprechend belichtet wird, oder eine andere volumenholografische Schicht verwendet werden.
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Bei einer derartigen Auslegung für mehrere diskrete Wellenlängen, beispielsweise drei diskrete Wellenlängen, lassen sich identische Streuwinkel für die verschiedenen Wellenlängen realisieren, sodass im Wesentlichen keine Farbsäume (oder sogar keine Farbsäume bei exakter Fertigung) auftreten.
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Zudem kann eine Streurichtung (Streukeule) der Mattscheibe 30 so eingestellt sein, dass der größte Teil des Lichtes in Richtung des Bereichs 25 gestreut wird. Somit kann eine vergleichsweise hohe Effizienz erreicht werden.
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Dabei kann die geometrische Anordnung so gewählt sein, dass eine theoretisch auftretende nullte Ordnung nicht zu dem Bereich 25 gelangt. Beispielsweise kann sich hierbei die Streurichtung der Mattscheibe 30 um mindestens 10°, bevorzugt um mindestens 20° oder mindestens 30°, von einer Richtung der nullten Ordnung unterscheiden.
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Die Herstellung der beschriebenen holographischen Mattscheibe kann auf analogem Wege, d.h. durch eine holographische Belichtung eines lichtempfindlichen Materials (Herstellung eines Masters) oder durch optische Replikation eines derartigen Masters erfolgen. Eine holographische Mattscheibe in Transmission (z.B. 40 in 4) mit einer gewünschten Vorzugsrichtung der Streukeule lässt sich wie z.B. in 5 beschrieben herstellen. Auf eine holographische Schicht (lichtempfindliches Material) 50 fällt eine sphärische Welle 52 eines kohärenten Lasers bei 51. Zusätzlich trifft auf diese Schicht 50 eine diffuse gestreute Welle 53 mit einer bestimmten Vorzugsrichtung, über welche die gewünschte Vorzugsrichtung der Streukeule festgelegt werden kann. Eine derartige Belichtung der Schicht 50 kann getrennt für jede gewünschte Wellenlänge erfolgen.
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Die gestreute Welle 53 lässt sich mittels Streuung an einer konventionellen Mattscheibe (oder eines beliebigen Streukörpers) oder mittels eines optoelektronischen Hilfsmittels Lcos, DMD, Phasenmodulator o.ä. erzeugen.
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Die Herstellung der holographischen Mattscheibe in Reflexion (z.B. 30 in 3) kann entsprechend – nur dass hierbei die beiden Wellen 52, 53 von unterschiedlichen Seiten auf die holographische Schicht 50 fallen.
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In 4 ist eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels der 3 mit einer holografischen Mattscheibe 40, welche in Transmission betrieben wird, dargestellt. Abgesehen von diesem Unterschied entspricht das Ausführungsbeispiel der 4 dem Ausführungsbeispiel der 3, und die Mattscheibe 40 kann hinsichtlich ihrer Eigenschaften hinsichtlich Farbsäume und/oder Richtung einer Streukeule wie oben für die Mattscheibe 30 erläutert eingerichtet sein.
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Die in den 2 bis 4 dargestellten Winkelanordnungen dienen lediglich der Veranschaulichung und können auch variieren. Beispielsweise können die dargestellten Winkel anders sein, und/oder die Anordnung kann auch an einer horizontalen Linie gespiegelt dargestellt realisiert werden.
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Während in den 2 bis 4 Head-up-Displays in Windschutzscheiben als Beispiel verwendet wurden, sind die dargestellten Techniken, insbesondere die Mattscheiben der 3 und 4 und/oder die schräge Beleuchtung der Mattscheibe 21 der 2, auch in anderen Projektionssystemen mit anstreuenden mattscheibenerzeugten Zwischenbildern anwendbar, beispielsweise bei Despecklern mit Streuscheiben, beispielsweise rotierenden oder anders bewegten Streuscheiben, oder Projektionsschirmen beispielsweise für Kinoanwendungen.
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Die dargestellten Ausführungsbeispiele sind somit nicht als einschränkend auszulegen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008039737 A1 [0004]
- WO 2014/115095 A2 [0005]
- DE 102015101687 [0041]