3D-HUDs treiben den Fortschritt in der Automobilbranche voran
Das 3D-Heads-up-Display (HUD) ist nur eine der photonikbasierten Technologien, die das Fahrerlebnis von morgen revolutionieren.
25. September 2024 von Coherent
Im Zuge der Weiterentwicklung der Automobilindustrie ist die Integration fortschrittlicher Technologien entscheidend geworden, um die Sicherheit, den Komfort und das Fahrerlebnis insgesamt zu verbessern. Eine solche Innovation, die große Aufmerksamkeit auf sich gezogen hat, ist das 3D-Heads-up-Display (HUD). Durch die Kombination von Photonik, Optik und Lasertechnologien stellen 3D-HUDs die Spitze der Entwicklung bei Display-Systemen im Fahrzeug dar. Hier erfahren wir, wie HUDs funktionieren, wie sie aufgebaut sind und welche Zukunftstrends sie wahrscheinlich prägen werden.
Grundlagen zum Head-up-Display
Ein 3D-HUD ist eine Art Augmented-Reality-Display (AR), das wichtige Informationen in das Sichtfeld des Fahrers projiziert, sodass dieser sie lesen kann, ohne den Blick von der Straße abzuwenden. HUDs im Automobilbereich ähneln am Kopf getragenen AR-Displays, weisen jedoch eine besonders clevere Besonderheit auf: Anstatt dass der Betrachter eine Brille tragen muss, nutzen sie die Fahrzeugwindschutzscheibe als „Brille“, um die Bilddarstellung mit der realen Umgebung zu kombinieren.
Dadurch erscheint das HUD-Display als „virtueller Bildschirm“, der im Blickfeld des Fahrers zu schweben scheint, in der Regel etwa einen bis zwei Meter vor der Windschutzscheibe. Durch die Einbindung des HUD-Displays in das reale Sichtfeld wird die Ablenkung des Fahrers verringert, da er nicht mehr von der Straße absehen muss, um die Anzeigen auf dem Armaturenbrett zu lesen.
Eine Display-Engine erzeugt ein Bild, das mithilfe verschiedener Linsen, Spiegel oder beidem auf einen in die Windschutzscheibe integrierten Kombinator projiziert wird. Der Fahrer sieht dann die Reflexion des projizierten Displays, die sich mit seinem normalen Blick durch die Windschutzscheibe überlagert.
Photonik: Das Herzstück von HUDs
Die Photonik, die Wissenschaft von der Erzeugung, Manipulation und Detektion von Licht, spielt eine zentrale Rolle für die Funktionsweise von HUDs. Zu den wichtigsten photonischen Elementen in HUD-Displays gehören:
Laserdioden und LEDs sind die wichtigsten Lichtquellen. Insbesondere Laserdioden werden aufgrund ihrer Helligkeit, Effizienz und kompakten Bauweise bevorzugt, da sie die Realisierung hochauflösender Displays ermöglichen. Durch die Kombination von roten, grünen und blauen Laserdioden lassen sich Vollfarbdisplays mit großem Farbraum und hoher Helligkeit erzielen. |
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Diese optischen Strukturen leiten das Licht von der Lichtquelle zur Anzeigefläche. Dank fortschrittlicher Materialien und Fertigungstechniken werden minimale Lichtverluste und eine hohe Bildqualität gewährleistet. |
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Dazu gehören Linsen und Spiegel, die das Licht so lenken, dass das gewünschte Bild entsteht. Oft werden diffraktive optische Elemente (DOEs) eingesetzt, um das Licht präzise zu formen und zu lenken. |
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Strahlsteuerung |
Festkörper-Strahlsteuerungsmechanismen, wie beispielsweise Spiegel aus mikroelektromechanischen Systemen (MEMS), ermöglichen eine präzise Steuerung der Laserstrahlen und erzeugen so dynamische und hochauflösende Bilder. |
Optik: Das visuelle Erlebnis gestalten
Eine Vielzahl weiterer optischer Komponenten spielt eine entscheidende Rolle bei der Projektion des HUD-Bildes auf die Windschutzscheibe (und von dort weiter in die Augen des Fahrers), wobei Bildschärfe und Fokus gewährleistet bleiben. Zu diesen optischen Elementen gehören:
Projektionsobjektive |
Diese Linsen vergrößern das von der Lichtquelle erzeugte Bild und projizieren es in einer für den Fahrer gut lesbaren Größe auf die Windschutzscheibe. |
Der Kombinator ist eine teilreflektierende Fläche, die das projizierte Bild über die reale Umgebung legt. Moderne Kombinatoren nutzen holografische optische Elemente (HOEs), um eine hohe Transparenz und minimale Verzerrung zu gewährleisten. |
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Dank dieser unkonventionellen Linse kann das optische System die Wölbung der Windschutzscheibe besser ausgleichen. Dies ermöglicht kompaktere und effizientere HUD-Konstruktionen, wodurch sich das Sichtfeld und die Bildqualität verbessern. |
3D-HUDs
Herkömmliche Head-up-Displays (HUDs) zeigen 2D-Informationen an – das heißt, sie sehen aus wie ein Handybildschirm, ein Tablet oder ein beliebiges anderes Flachbildschirmdisplay. Die nächste spannende Entwicklung bei HUDs sind 3D-Displays (stereoskopische Displays), die ein intensiveres und interaktiveres Erlebnis bieten. Durch die Erzeugung einer Tiefenwahrnehmung verbessern 3D-HUDs das Situationsbewusstsein, verkürzen die Reaktionszeiten und ermöglichen die Darstellung umfangreicherer Inhalte.
Um ein 3D-HUD zu erzeugen, muss das System zwei leicht voneinander abweichende Bilder erstellen und projizieren – eines für jedes Auge –, wodurch die Art und Weise nachgeahmt wird, wie das menschliche Auge in der realen Welt Tiefe wahrnimmt. Die Herausforderung besteht darin, jedes Bild dem richtigen Auge zuzuordnen (das linke Bild dem linken Auge und das rechte Bild dem rechten Auge) und diese Bilder so aufeinander abzustimmen, dass sie dem Betrachter stets als ein einziges 3D-Bild erscheinen – selbst wenn der Fahrer seine Augenposition verändert.
Eine Möglichkeit, dies zu erreichen, ist der Einsatz einer Technologie, die bereits heute in vielen Fahrzeugen vorhanden ist. Es handelt sich um das Fahrerüberwachungssystem (DMS), das unter anderem die Kopf- und Augenbewegungen des Fahrers erfasst.
Das Display ist mit einem optischen Element überzogen, das jedem Auge nur bestimmte Pixel sichtbar macht. Dabei kann es sich um eine Parallaxbarriere, ein Mikrolinsenarray, Linse, ein holografisches optisches Element (HOE) oder eine andere räumlich selektive Optik handeln. Das Display wird dann so angesteuert, dass alle Bildinformationen für das linke Auge in die Pixel gelegt werden, die ausschließlich für das linke Auge sichtbar sind, und umgekehrt für das rechte Auge.
Da der Kopf des Fahrers jedoch nicht stillsteht, ändert sich ständig die Pixelgruppe, die jeweils nur für das eine Auge sichtbar ist. Daher werden die Eye-Tracking-Daten des DMS genutzt, um die Anzeige kontinuierlich anzupassen und zu wechseln, welche Pixel die Sicht für das linke bzw. rechte Auge enthalten. So bleibt der richtige 3D-Effekt auch dann erhalten, wenn der Fahrer seine Position verändert.
Ein ausgefeilterer Ansatz, der erst seit kurzem zum Einsatz kommt, ist das sogenannte „Lichtfeld-Display“. Diese erzeugen nicht nur zwei Bilder (eine Ansicht für das linke und eine für das rechte Auge), sondern weitaus mehr. Zudem nutzen sie eine spezielle Optik, um jede dieser Ansichten auf einen engen Winkelbereich zu lenken.
Das Ergebnis ist, dass jedes Auge von jeder Betrachtungsposition aus eine einzige, einzigartige Ansicht sieht. Diese Ansichten sind so gestaltet, dass die Ansichten für das linke und das rechte Auge stets ein „Stereopaar“ bilden – ein Bild mit den richtigen Parallaxen- (Tiefen-)Informationen, damit der Betrachter es als 3D wahrnehmen kann. Wenn der Betrachter den Kopf bewegt, sieht er verschiedene Bildpaare – aber auch hier handelt es sich immer um ein Paar, das der Betrachter als 3D wahrnimmt.
Lichtfeld-3D-HUDs bieten in der Regel ein natürlicheres und nahtloseres 3D-Seherlebnis, das aus verschiedenen Blickwinkeln betrachtet werden kann. Dies erhöht den Realismus und verringert die Belastung für die Augen. Allerdings sind sie komplexer, kostspieliger und verbrauchen unter Umständen mehr Strom als 3D-HUDs, die auf Pixelverschiebung basieren.
Mit 3D-HUDs mehr sehen: Ein Blick in die Zukunft
Durch die Einbindung der Tiefenwahrnehmung in das HUD-Display können dem Fahrer wesentlich mehr Daten angezeigt werden, ohne dass dies zu einer visuellen Überlastung führt. Da wir von Natur aus darauf ausgerichtet sind, Tiefe wahrzunehmen, sind die in einem 3D-HUD angezeigten Informationen sogar viel leichter zu verstehen und führen seltener zu Verwirrung.
Was können wir von unseren zukünftigen 3D-HUDs erwarten? Eine naheliegende Möglichkeit sind Navigationsdaten. Diese sind bereits in den meisten 2D-HUDs integriert. Doch auch hier beseitigt die 3D-Darstellung jegliche visuelle Unklarheit darüber, wohin der Pfeil genau zeigt.
LIDAR-Daten können zudem die Funktionalität von 3D-HUDs verbessern. So lassen sich beispielsweise Hindernisse erkennen und dynamische Elemente wie andere Fahrzeuge, Personen oder Tiere hervorheben, die den Weg des Fahrzeugs kreuzen könnten. Diese Echtzeitinformationen können auf das HUD projiziert werden, wodurch Fahrer ein entscheidendes Situationsbewusstsein erhalten und rechtzeitig und fundiert auf potenzielle Gefahren reagieren können.
Daten aus dem Internet können ebenfalls dynamisch angezeigt werden. So könnte das Head-up-Display beispielsweise angewiesen werden, Restaurants hervorzuheben, sobald sie ins Blickfeld kommen, Parkplätze mit freien Stellplätzen anzuzeigen, Preise an Tankstellen anzuzeigen, dynamische Informationen zu Ladestationen für Elektrofahrzeuge bereitzustellen und vieles mehr.
3D-HUDs: Mitreißend, informativ, sicherer
3D-Head-up-Displays werden die Automobilindustrie revolutionieren, indem sie ein immersives, informatives und sichereres Fahrerlebnis bieten. Durch die Integration modernster Photonik-, Optik- und Lasertechnologien sind 3D-HUDs auf dem besten Weg, zur Standardausstattung in modernen Fahrzeugen zu werden. Angesichts weiterer Fortschritte und neuer Trends wird die Zukunft des Autofahrens zweifellos von diesen innovativen Anzeigesystemen geprägt sein, wodurch die Straßen sicherer und das Fahren für alle angenehmer wird.
