Simulation optomechanischer Wirkzusammenhänge am Beispiel eines Head-Up-Displays und deren experimentelle Verifizierung

Head-Up-Displays sind Anzeigesysteme, die fahrrelevante Informationen direkt in das Auge des Fahrers projizieren und dadurch eine Informationsaufnahme ohne ein Abwenden des Blickes erlauben. Sie kommen in modernen Kraftfahrzeugen zunehmend zum Einsatz. Im Vergleich zu ruhenden optomechanischen Systemen wirken die in der Automobilbranche typischen thermischen und dynamischen Lasten auf das Head-Up-Display, welche unmittelbaren Einfluss auf die optische Perfomance des Gesamtsystems haben.
Um die optische Performance auch unter Berücksichtigung der mechanischen Lasten zu optimieren, ist es Ziel dieser Arbeit, die optomechanischen Wirkzusammenhänge mit einer Simulationsmethodik abzubilden und zu verifizieren. ... mehrDie entwickelte Methodik basiert darauf, zunächst die mechanische Deformation der Spiegeloberfläche zu berechnen, das Ergebnis anschließend für die optische Simulation aufzubereiten und die Auswirkung auf die Optik abschließend zu simulieren.
Die initiale Optimierung der Simulationsmethodik erfolgt numerisch im mechanisch unbelasteten Fall. Durch den Vergleich der optischen Ergebnisse mit und ohne Anwendung der Methodik können unterschiedliche Einstellungen und numerische Effekte untersucht werden, um die optimale Spiegelbeschreibungsart zu definieren.
Für die experimentelle Verifizierung wird ein gekrümmter Spiegel eines Head-Up-Displays durch die statische Kraft einer Einbaumessschraube verformt und die Auswirkung auf die optische Verzerrung gemessen. Dieses Verfahren zur Verifizierung der Simulationsmethodik erfolgt bei insgesamt drei unterschiedlichen Lastangriffspunkten der Einbaumessschraube.
Darüber hinaus wird die entwickelte Simulationsmethodik für die Vorhersage des optomechanischen Verhaltens eines komplexeren Head-Up-Displays verwendet, welches aus mehreren optischen Elementen besteht. Dafür wird das mechanische Verhalten einer repräsentativen Spiegelbaugruppe bei thermischen und dynamischen Lasten experimentell verifiziert. Dies ermöglicht die Vorhersage der optomechanischen Auswirkungen auf Head-Up-Displays im realen Fahrbetrieb.

Head-Up-Displays are optomechanical systems that project driving-relevant information directly into the driver's eye, thus allowing to perceive the information without having to look away. They are used in modern cars increasingly. In comparison to stationary optomechanical systems, the typical thermal and dynamic loads in the automotive industry affect Head-Up-Displays and influence the optical performance of the overall system directly.
In order to optimize the optical performance under consideration of mechanical loads, the aim of this thesis is to predict and verify the optomechanical interactions with a simulation methodology. ... mehrThe developed methodology is based on first calculating the mechanical deformations, then processing the result for the optical simulation and finally simulating the effect on the optics.
The initial optimization of the simulation methodology is carried out numerically in the mechanical unloaded case. By comparing the optical results with and without applying the methodology, different settings and numerical effects can be investigated to define the optimal mirror description.
For experimental verification, a curved mirror of a Head-Up-Display is deformed by the static force of a micrometer head and the effect on the optical distortion is measured. This procedure is carried out at a total of three different load application points of the micrometer head.
Furthermore, the developed simulation methodology is used to predict the optomechanical behavior of a more complex Head-Up-Display consisting of several optical elements. For this purpose the mechanical behavior of a representative mirror assembly under thermal and dynamic loads is verified experimentally. This allows the prediction of the optomechanical effects on Head-Up-Displays in real driving conditions.