3D-HUDs beschleunigen den Fortschritt in der Automobilentwicklung
Ein 3D Heads-Up Display (HUD) ist nur eine der Photonik-basierten Technologien, die das Fahrerlebnis der Zukunft revolutionieren werden.
25. September 2024 von Coherent
Bei der Weiterentwicklung der Automobilindustrie ist die Integration fortschrittlicher Technologien zu einem zentralen Baustein für Sicherheit, Bequemlichkeit und das allgemeine Fahrerlebnis geworden. Eine solche Innovation, die erhebliche Aufmerksamkeit erregt hat, ist das 3D Heads-Up Display (HUD). 3D-HUDs, die Photonik-, Optik- und Lasertechnologien in sich vereinen, sind die modernsten Anzeigesysteme innerhalb des Autos. In diesem Artikel besprechen wir, wie HUDs funktionieren, wie sie aufgebaut sind und welche Trends vermutlich ihre zukünftige Entwicklung beeinflussen werden.
Die Grundlagen von Heads-Up Displays
Ein 3D-HUD ist eine Art von Augmented Reality (AR)-Display, das wichtige Informationen im Sichtfeld des Fahrers einblendet und es ihm ermöglicht, diese zu lesen, während er gleichzeitig die Straße im Blick behält. Automobil-HUDs ähneln am Kopf getragenen AR-Displays, unterscheiden sich von diesen aber durch eine clevere Besonderheit. Statt wie bei anderen AR-Displays, die der Betrachter als Brille tragen muss, verwenden sie die Windschutzscheibe des Fahrzeugs als „Brille“, um die Display-Ausgabe mit einer Ansicht der echten Welt zu verbinden.
Dadurch erscheint das HUD-Display als „virtueller Bildschirm“, der im Sichtbereich des Fahrers zu schweben scheint, üblicherweise ein bis zwei Meter vor der Windschutzscheibe. Durch diese Integration des HUD-Displays in die Echtwelt-Ansicht wird der Fahrer weniger abgelenkt, da er seinen Blick nicht von der Straße abwenden muss, um ein Display auf dem Armaturenbrett abzulesen.
Eine Display-Engine erzeugt ein Bild, das über verschiedene Linsen, Spiegel oder beides auf einen in die Windschutzscheibe integrierten Combiner projiziert wird. Der Fahrer sieht dann die Reflektion des projizierten Displays als Überlagerung seines normalen Sichtfelds durch die Windschutzscheibe.
Photonik: Das Herzstück eines HUDs
Photonik, die Wissenschaft der Erzeugung, Manipulation und Erkennung von Lichtteilchen, ist ein zentraler Bestandteil von HUDs. Wichtige Photonik-Elemente in einem HUD-Display sind:
Laserdioden und LEDs sind primäre Lichtquellen. Insbesondere Laserdioden werden aufgrund ihrer Helligkeit, Effizienz und kompakten Größe bevorzugt und ermöglichen die Erzeugung hochauflösender Displays. Durch die Kombination roter, grüner und blauer Laserdioden werden Vollfarb-Displays mit großen Farbräumen und hohen Helligkeitswerten möglich. |
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Diese optischen Strukturen leiten Lichtstrahlen aus der Quelle auf die Display-Oberfläche. Moderne Materialien und Fertigungstechniken minimieren den Verlust und ermöglichen eine hohe Bildqualität. |
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Dazu gehören Linsen und Spiegel, die Lichtstrahlen manipulieren, um das gewünschte Bild zu erzeugen. Häufig werden diffraktive optische Elemente (DOEs) eingesetzt, um das Licht präzise formen und lenken zu können. |
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Strahlsteuerung |
Solid-State-Strahlsteuerungsmechanismen wie Spiegel in Mikro-elektromechanischen Systemen (MEMS) ermöglichen die präzise Kontrolle der Laserstrahlen und erzeugen dynamische, hochauflösende Bilder. |
Optiken: Die Grundlage des visuellen Erlebens
Bei der Projektion des HUD-Bildes auf die Windschutzscheibe (und dann in die Augen des Fahrers) mit gleichbleibender Klarheit und Fokussierung spielen noch viele andere optische Komponenten eine wichtige Rolle. Diese umfassen:
Projektionslinsen |
Diese Linsen vergrößern das von der Lichtquelle erzeugte Bild und projizieren es in einer Größe auf die Windschutzscheibe, die für den Fahrer lesbar ist. |
Bei einem Kombinator handelt es sich um eine teilreflektive Oberfläche, die die Ansicht der echten Welt mit dem projizierten Bild überlagert. Moderne Kombinatoren verwenden holografische optische Elemente (HOEs), um ihre Transparenz zu maximieren und Verzerrungen zu minimieren. |
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Dank dieser von traditionellen Formen abweichenden Linsen kann das optische System das Bild besser an die gewölbte Form der Windschutzscheibe anpassen. Das ermöglicht kompaktere und effizientere HUD-Designs, die das Sichtfeld und die Bildqualität verbessern. |
3D-HUDs
Traditionelle HUDs zeigen Informationen in 2D an – also wie ein Smartphone-Bildschirm, Tablet oder jedes andere Flat Panel Display. Die neueste aufregende Entwicklung bei HUDs sind stereoskopische 3D-Displays, die ein immersiveres und interaktiveres Erlebnis ermöglichen. Indem Sie eine Tiefenwahrnehmung erzeugen, verbessern 3D-HUDs das Situationsbewusstsein und die Reaktionszeit des Fahrers und können ihm umfangreichere Inhalte anzeigen.
Um ein 3D-HUD zu erzeugen, muss das System zwei leicht verschiedene Bilder generieren und projizieren – eines pro Auge – und damit nachbilden, wie menschliche Augen die Tiefendimension in der Realität wahrnehmen. Die Herausforderung liegt darin, jedes Bild ins richtige Auge zu bringen (das linke Bild ins linke Auge und das rechte Bild ins rechte Auge) und diese kontinuierlich korrekt auszurichten, sodass der Betrachter sie als ein 3D-Bild wahrnimmt – selbst dann, wenn sich die Position der Fahreraugen verändert.
Eine Möglichkeit, wie das erreicht werden kann, ist eine Technologie, die in vielen modernen Fahrzeugen bereits vorhanden ist. Dies ist das Driver Monitoring System (DMS), das unter anderem die Kopf- und Augenbewegungen des Fahrers nachverfolgt.
Das Display wird von einem optischen Element überlagert, das jedem Auge nur bestimmte Pixel anzeigt. Dabei kann es sich um eine Parallaxenbarriere, ein Mikrolinsen-Array, ein holografisches optisches Element (HOE) oder andere räumlich selektive Optiken handeln. Das Display erhält dann die Anweisung, alle Informationen für das linke Bild in Pixeln anzuzeigen, die nur für das linke Auge sichtbar sind, und gleichermaßen für das rechte Auge.
Da der Kopf des Fahrers sich jedoch auch bewegt, ändert sich ständig, welche Pixel nur für welches Auge sichtbar sein sollen. Also wird anhand der Augenpositionsdaten aus dem DMS das Display kontinuierlich aktualisiert und neu festgelegt, welche Pixel das linke und rechte Bild enthalten. So wird der 3D-Effekt auch dann aufrechterhalten, wenn sich der Fahrer bewegt.
Ein komplexerer Ansatz, der erst seit neuestem Anwendung findet, ist das sogenannte „Lichtfeld-Display“. Dieses erzeugt gleichzeitig viel mehr als nur zwei Bilder (Ansichten für das linke und rechte Auge). Es nutzt zudem eine Art von Optik, um jede dieser Ansichten nur innerhalb eines engen Winkelbereichs anzuzeigen.
Das Resultat daraus ist, dass jedes Auge in jeder Blickposition nur ein einziges, einzigartiges Bild wahrnimmt. Diese Bilder werden so erzeugt, dass die Ansichten des linken und rechten Auges stets ein „Stereopaar“ bilden – ein Bild mit den korrekten Parallaxeninformationen (Tiefendetails), sodass der Betrachter es als 3D-Bild wahrnimmt. Während sich der Kopf des Betrachters bewegt, sieht er verschiedene Bilderpaare – aber immer ein Paar, das er als 3D-Bild wahrnehmen wird.
3D-Lichtfeld-HUDs ermöglichen in der Regel ein natürlicheres und kontinuierlicheres 3D-Seherlebnis, das aus verschiedenen Betrachtungswinkeln wahrnehmbar ist. Das verbessert die Illusion von Realität und senkt die Augenbelastung. Allerdings sind sie komplexer, kostspieliger und können mehr Strom verbrauchen als 3D-HUDs, die auf Pixelbewegungen basieren.
Mehr sehen mit 3D-HUDs: Ein Blick in die Zukunft
Die Ergänzung von Tiefenwahrnehmung zu HUD-Displays ermöglicht es ihnen, dem Fahrer viel mehr Daten zu präsentieren, ohne ihn visuell zu überlasten. Tatsächlich sind die in einem 3D-HUD dargestellten Informationen für uns Menschen, die wir Tiefe als natürlichen Bestandteil unserer Sicht gewohnt sind, viel leichter verständlich und weniger verwirrend.
Was können wir von zukünftigen 3D-HUDs erwarten? Eine offensichtliche Möglichkeit sind Navigationsdaten. Diese sind bereits in die meisten 2D-HUDs integriert. Aber das 3D-Display eliminiert jede visuelle Unklarheit darüber, wo genau ein Pfeil hinzeigt.
Auch LiDAR-Daten können die Funktionalität von 3D-HUDs erweitern. Beispielsweise können sie Hindernisse erkennen und dynamische Elemente wie andere Autos, Menschen oder Tiere hervorheben, die wahrscheinlich den Weg des Fahrzeugs kreuzen werden. Diese Echtzeitinformationen können auf das HUD projiziert werden und Fahrern kritische Details zur aktuellen Situation verdeutlichen, sodass diese schnell und informiert auf potenzielle Gefahren reagieren können.
Daten aus dem Web können ebenfalls dynamisch dargestellt werden. Beispielsweise könnte das HUD angewiesen werden, Restaurants hervorzuheben, wenn diese ins Sichtfeld gelangen, Parkbereiche mit freien Plätzen anzuzeigen, die Preise von Tankstellen oder dynamische Details zu Ladestationen für Elektrofahrzeuge einzublenden und vieles mehr.
3D-HUDs: Immersiv, informativ und sicher
3D Heads-Up Displays werden die Automobilindustrie revolutionieren, indem Sie Anwendern ein immersives, informatives und sichereres Fahrerlebnis ermöglichen. Durch die Integration hochmoderner Photonik-, Optik- und Lasertechnologien werden 3D-HUDs aller Voraussicht nach zu einer Standardfunktion moderner Fahrzeuge werden. Während die Entwicklung weitergeht und neue Trends aufkommen, wird die Zukunft des Fahrens unzweifelhaft durch diese innovativen Display-Systeme gestaltet werden, die Fahrten sicherer und komfortabler für alle Beteiligten machen.
