Holografie verbessert Head-up-Displays in Flugzeugen und Autos

Mit einem neuen, auf Holografie basierenden Verfahren für Head-up-Displays können Fahrer und Piloten einfacher Informationen aufnehmen, während sie gleichzeitig die reale Außenwelt sehen können.

Head-up-Displays sind transparente Anzeigen, die in Flugzeugen und Autos Anwendung finden und wichtige Informationen wie Flugdaten oder Fahrtziele an der Windschutzscheibe einblenden. Ein neues, auf holografischen Verfahren fußendes Konzept könnte diese Displays bald mit einem weit größeren Bildfeld ausstatten helfen.

Aktuelle Displays verfügen nur über eine kleine Eyebox, das heißt, der Bewegungsspielraum des Kopfes, in dem das Bild sichtbar ist, fällt sehr begrenzt aus. Der Leiter der Forschungsarbeit Pierre-Alexandre Blanche von der University of Arizona, USA, beschreibt die Vorteile der vorgeschlagenen Lösung: „Ein Head-up-Display mit unserer neuen Technologie, installiert in einem Auto, würde dem Fahrer erlauben, die angezeigten Informationen auch dann zu sehen, wenn er sich umherbewegt oder vom Durchschnitt abweicht.“

In Applied Optics, dem Journal von The Optical Society stellen die Entwickler einen funktionsfähigen Prototypen eines Displays vor, das sich holografischer optischer Bauteile bedient, um eine deutlich größere Eyebox zu erzielen, als es ohne ein holografische Element denkbar wäre. Das Konzept könne in wenigen Jahren in ein marktfähiges Produkt überführt werden und lasse sich auch einsetzen, um das Sichtfeld zu vergrößern.

Der Hauptautor, Colton Bigler, Doktorand im Labor von Blanche, erklärt: „Vergrößert man bei einem traditionellen Head-up-Display entweder die Eyebox oder das angezeigte Bild, muss man die Projektionsoptik, die Relaisoptiken und alles was dazugehört, vergrößern, was viel Platz am Armaturenbrett beansprucht. Anstatt uns auf konventionelle Optik zu verlassen, verwenden wir Holografie und entwickeln ein dünnes optisches Element das sich letztlich direkt auf der Windschutzscheibe anbringen lässt.“

Dieselben Eigenschaften von Laser, die man für Hologramme einsetzt und die beispielsweise Kreditkarten fälschungssicher machen, lassen sich auch einsetzen, um optische Bauteile wie Linsen oder Filter in lichtempfindlichen Materialien zu fertigen. Diese holografischen Elemente sind nicht nur kleiner als ihre herkömmlichen Pendants, sondern sie lassen sich auch einfach und im großen Maßstab herstellen.

Für das neue Display leiten die holografischen optischen Elemente das Licht eines kleinen Bildes in ein Glasstück oder Wellenleiter. Dort wird es an den Kanten reflektiert, bis es ein weiteres holografisches Element erreicht, das den Teil des Lichts extrahiert, welches das Glas mit jeder Reflexion verlässt. Das extrahierte Hologramm repräsentiert ein sichtbares Bild mit einer größeren Eyebox als das Ausgangsbild.

Blanche sagt, das man gemeinsam mit Honeywell diese Displays für Flugzeuge entwickle, aber sie lassen sich genauso gut in Autos einsetzen. „Unser Konzept braucht kein teures Equipment und keine Materialien, die erst entwickelt werden müssten. Außerdem lässt sich das Display komplett in eine Standard-Windschutzscheibe integrieren.“

Nach optischen Simulationen erschufen die Forscher eine Laborversion des Displays. Damit ließ sich die Eyebox des Originalbilds um das Siebenfache vergrößern. Anschließend fertigten sie einen funktionsfähigen Prototypen, der Flugdaten auf einem Glasstück anzeigte, das Teil der transparenten Einfassung des Cockpits sein kann. Mit diesem Prototypen konnten sie die Eyebox des Originalbilds fast verdoppeln und zeigen, dass das Bild nicht verschwindet, solange der Anwender nicht über den Rand des Hologramms schaut. Das Bild erscheint außerdem im Fernbereich, so dass der Betrachter nicht neu fokussieren muss, um die angezeigten Informationen zu erkennen.

Blanche sagt: „Unsere Arbeit ist ein gutes Beispiel dafür, wie sich Holografie nutzen lässt, um viele Arten optische Probleme für verschiedene Anwendungen in den Griff zu bekommen. Ein ähnliches Konzept könnte auch für Augmented-Reality-Headsets sinnvoll sein, die ebenfalls computer-generierte Bilder mit der Sicht auf die Außenwelt verschmelzen, aber mit einem Display nah am Auge.“

Obwohl die Wissenschaftler ihr Konzept mit einer Farbe gezeigt haben, betonen sie die Möglichkeit, es auch auf vollfarbige Displays auszudehnen. Mit demselben Ansatz wollen sie auch weit größere Bilder aus den holografischen Elemente erzeugen, um die Größe und Sichtfeld des Displays zu erweitern.

Paper: C. M. Bigler, P.-A. Blanche, K. Sarma, "Holographic Waveguide Heads-Up Display for Longitudinal Image Magnification and Pupil Expansion," Applied Optics, Volume 57, Issue 9, 2007-2013, (2018). DOI: 10.1364/AO.57.002007

Bild: Funktionsweise des Konzepts. Credit:  Pierre-Alexandre Blanche, University of Arizona.

  • Credit: Pierre-Alexandre Blanche, University of Arizona.
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