DE102004050574B4 - Vorrichtung zur Darstellung von optischen Informationen mittels eines virtuellen Bildes, insbesondere in einem Kraftfahrzeug - Google Patents

Vorrichtung zur Darstellung von optischen Informationen mittels eines virtuellen Bildes, insbesondere in einem Kraftfahrzeug Download PDF

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Abstract

Vorrichtung zur Darstellung von optischen Informationen mittels eines virtuellen Bildes in einem Kraftfahrzeug, wobei die optische Information in Form von Lichtstrahlen von einer Bilderzeugungseinrichtung über mindestens ein optisches Element auf eine Fläche gelangen und das virtuelle Bild vor, hinter oder in der Fläche wahrnehmbar ist, wobei die Lichtstrahlen einen Strahlengang ergeben, wobei im Strahlengang zwischen der Bilderzeugungseinrichtung (1, 2, 3) und der Fläche (WS) ein Strahlen beeinflussendes optisches Element (4) angeordnet ist, und das Strahlen beeinflussende optische Element (4) in seiner Lage mittels einer Verstelleinrichtung (5) veränderbar angeordnet ist und wobei das Strahlengang beeinflussende Element als refraktives optisches Element (4, 4a, 4b) ausgestaltet ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweites refraktives optisches Element (4b) über dem refraktiven Element (4a) angeordnet ist, dass die Ebenen, in denen die refraktiven optischen Elemente (4a, 4b) angeordnet sind, parallel zueinander verschoben sind, dass die refraktiven optischen Elemente (4a, 4b) in verschiedene Richtungen verschiebbar sind, dass die refraktiven optischen Elemente in Art einer Fresnellinse aufgebaut sind, wobei der asymmetrische Aufbau die asphärische Gestalt der Windschutzscheibe teilweise kompensiert.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Darstellung von optischen Informationen mittels eines virtuellen Bildes, insbesondere in einem Kraftfahrzeug. Aus dem Stand der Technik sind derartige Vorrichtungen bekannt, wobei die optischen Informationen in Form von Lichtstrahlen von einer Bilderzeugungseinrichtung über mindestens eine Spiegelfläche als virtuelles Bild vor, hinter oder in einer Windschutzscheibe wahrnehmbar sind, wobei die Lichtstrahlen einen Strahlengang ergeben. Die Bilderzeugungseinrichtung kann beispielsweise aus einer Elektronenröhre, einem Flüssigkristalldisplay (LCD) mit einer dazugehörigen Lichtquelle oder aus organischen Leuchtdioden (OLED) bestehen. Um sowohl die Bildgeometrie als auch die für das Auge richtigen Parameter, wie Astigmathismus, Disparity und Coma kompensieren zu können, wird im Stand der Technik ein optisches System mit mehreren, räumlich angeordneten Spiegeln mit Freiformoberflächen verwendet. Der oder die Spiegel müssen den Einfluss der Scheibenkrümmung von der Windschutzscheibe auf das Bild so korrigieren, dass der Fahrer ein unverzerrtes Bild wahrnehmen kann. Weiterhin vergrößern der oder die Spiegel das Bild der Bilderzeugungseinrichtung. Da die Windschutzscheibenkonturen üblicherweise komplexe, nicht symmetrische Oberflächen mit variablen Krümmungen aufweisen, und deswegen auch als Freiformflächen bezeichnet werden, müssen auch die Oberflächen des oder der Spiegel als Freiformflächen ausgeführt sein.
  • Die DE 101 44 491 C2 beschreibt ein Head-up-Display, bei dem die Lage des virtuellen Bildes durch einen verschwenkbaren Spiegel veränderbar ist.
  • Die DE 102 26 896 B4 beschreibt ein Head-up-Display, die wahlweise entweder ein erstes oder ein zweites virtuelles Bild darstellen kann.
  • Die DE 693 13 906 T2 beschreibt ein Head-up-Display mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruch 1.
  • Nachteilig bei den derzeit bekannten Vorrichtungen ist es, dass sie einen großen Bauraum benötigen, der bei Verwendung der Vorrichtung als Head-up-Display in einem Kraftfahrzeug nur bedingt zur Verfügung steht, da die Vorrichtung vorzugsweise im Cockpit angeordnet wird und das Cockpit sehr viele Funktionselemente des Kraftfahrzeuges, wie herkömmliche Instrumentierungen, Bauraum für die Bordelektronik und Raum für Belüftungskanäle, zur Verfügung stellen muss.
  • Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zur Darstellung von optischen Informationen mittels eines virtuellen Bildes, insbesondere vor, hinter der Windschutzscheibe eines Kraftfahrzeuges anzugeben, die gegenüber den bekannten Head-up-Displays mit Spiegeloptik einen geringeren Volumenbedarf aufweist. Dies wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 erreicht. Hierdurch wird ein besonders kompakter Aufbau des Head-up-Displays erreicht. Vorteilhaft ist hierbei weiterhin, dass Toleranzen, Toleranzen der Windschutzscheibe und Toleranzen des Verbaus der Windschutzscheibe im Fahrzeug ausgeglichen werden können und so mit einfachen Mitteln ein unverzerrtes Bild wahrnehmbar ist. Besonders einfach gestaltet sich die Lageveränderbarkeit des Strahlengang beeinflussenden optischen Elementes dadurch, dass es in seiner Lage verschiebbar angeordnet ist.
  • Durch eine Verdrehbarkeit des den Strahlengang beeinflussenden optischen Elementes sind zusätzliche Freiheitsgrade realisierbar. Durch den Einsatz eines refraktiven optischen Elementes als den Strahlengang beeinflussendes optisches Element können Verzerrungen besonders gut beseitigt werden, und die Realisierung der Lageveränderbarkeit ist durch das geringe Gewicht des refraktiven optischen Elementes besonders leicht realisierbar.
  • Die Entzerrung wird besonders einfach dadurch realisierbar, dass im Strahlengang nach einem ersten refraktiven optischen Element ein zweites refraktives optisches Element angeordnet ist und auch dieses zweite refraktive optische Element in seiner Lage veränderbar ist. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die beiden refraktiven optischen Elemente in Ebenen angeordnet sind, die parallel zueinander verschoben sind. Hierdurch ist ein einfacher Aufbau gegeben. Da die beiden refraktiven optischen Elemente in verschiedene Richtungen verschiebbar sind, wird die mögliche Anpassung an auftretende Toleranzen weiter vereinfacht.
  • Es ist auch möglich, zusätzlich zu dem refraktiven optischen Element als Strahlengang beeinflussendes optisches Element ein kardadioptrisches Element vorzusehen.
  • Sofern im Strahlengang zwischen der Bilderzeugungseinrichtung und der Fläche ein oder mehrere zusätzliche Spiegel angeordnet sind, kann der Strahlengang zu einem gefaltet und somit eine kompakte Vorrichtung erreicht werden und zum zweiten bei einer asphärischen Ausgestaltung eines oder mehrerer der Spiegel die Anpassung an die Windschutzscheibe weiterhin verbessert werden.
  • Durch zusätzliche refraktive optische Elemente kann der Strahlengang weiter verkürzt werden und ein noch kompakterer Aufbau realisiert werden. Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren näher beschrieben. Es zeigen:
  • 1 den Schnitt durch eine Vorrichtung zur Darstellung von optischen Informationen mittels eines virtuellen Bildes,
  • 2 den Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
  • 3 eine weitere Vorrichtung zur Darstellung von optischen Informationen mittels eines virtuellen Bildes,
  • 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
  • 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
  • 6 die Aufsicht auf ein refraktives optisches Element,
  • 7 einen Teilschnitt A aus 5,
  • 8 die Aufsicht auf ein zweites refraktives optisches Element.
  • In 1 erkennt man eine Bilderzeugungseinrichtung 1 bestehend aus einem Flüssigkristalldisplay 2 und einer Lichtquelle 3, ein refraktives optisches Element 4, eine Windschutzscheibe WS, ein imaginäres Bild P und ein Auge E eines Beobachters. Das LCD 2 wird von Lichtstrahlen der Lichtquelle 3 durchstrahlt. Diese Strahlen S durchdringen das refraktive optische Element 4 und werden von der Windschutzscheibe WS zu dem Auge E eines Beobachters reflektiert, so dass dieser das virtuelle Bild P außerhalb der Windschutzscheibe wahrnehmen kann. Das refraktive optische Element 4 ist in seiner Höhe und Breitenausdehnung verstellbar angeordnet, wie durch Pfeile A angedeutet. Durch diese Verstellbarkeit des refraktiven optischen Elementes kann eine unverzerrte Darstellung des virtuellen Bildes P erreicht werden.
  • In 2 ist zusätzlich der den aus 1 bekannten Elemente eine Verstelleinrichtung 5 und ein zweites refraktives optisches Element 6 angeordnet. Das refraktive optische Element 4 ist durch die Verstelleinrichtung 5 verstellbar angeordnet. Das zweite refraktive optische Element 6 weitet die Strahlen S noch weiter aus, so dass das virtuelle Bild P dem Beobachter mit dem Auge E noch größer erscheint.
  • In 3 erkennt man neben einer Bilderzeugungseinrichtung 1 und einem refraktiven optischen Element 4 einen Spiegel 7 und einen asphärischen Spiegel 8. Die in der Bilderzeugungseinrichtung 1 erzeugten Lichtstrahlen gelangen durch das refraktive optische Element 4 und den Spiegel 7 und den asphärischen Spiegel 8 auf die Windschutzscheibe. Durch die Verstellbarkeit des refraktiven optischen Elementes 4 ist ein Ausgleich der Toleranzen der Windschutzscheibe WS möglich.
  • In 4 erkennt man neben der Lichtquelle 1 zwei übereinander angeordnete refraktive optische Elemente 4a, 4b, einen Spiegel 7, einen asphärischen Spiegel 8 und die Windschutzscheibe WS. Die beiden refraktiven optischen Elemente 4a, 4b sind übereinander angeordnet, wobei die Ebenen in ihrer Lagerung parallel verschoben sind. Die beiden refraktiven optischen Elemente 4a, 4b sind in verschiedene Richtungen verstellbar, wie durch die Pfeile A dargestellt wird. Durch eine Verschiebbarkeit in verschiedene Richtungen wird eine besonders optimale Anpassung an die Windschutzscheibe WS erreicht.
  • In 5 ist neben den in 4 bekannten Elementen eine Linse 9 angeordnet, die im Strahlengang zwischen dem refraktiven optischen Element 4 und dem Spiegel 7 angeordnet ist. Durch die Linse 9 sind eine Verkürzung und eine zusätzliche optische Anpassung an die Geometrie der Windschutzscheibe möglich.
  • Das Ausführungsbeispiel eines refraktiven optischen Elementes in 6 weist in Aufsicht Gitterlinien auf, die einzelne Segmente des refraktiven optischen Elementes 4a voneinander trennen. Man erkennt weiterhin, dass das refraktive optische Element 4a nicht rein rechteckig aufgebaut ist, sondern entsprechend der Wölbung einer Windschutzscheibe, für die das refraktive optische Element 4 verwendet werden soll, angepasst ist.
  • Ein Teilschnitt A aus 6 zeigt 7. Das refraktive optische Element 4a ist in Art einer Fresnel-Linse aufgebaut, wobei der asymmetrische Aufbau die asphärische Gestalt der Windschutzscheibe WS zumindest teilweise kompensiert.
  • 8 zeigt die Aufsicht auf das zweite refraktive optische Element 4b. Man erkennt auch hier, dass das refraktive optische Element 4b nicht rein rechteckig aufgebaut ist, um die Wölbung der Windschutzscheibe optimal ausgleichen zu können.
  • Eine Ausführung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit zwei gegeneinander verschiebbar angeordneten refraktiven optischen Elementen ist auch bei Vorrichtungen ohne asphärische Spiegelelemente von Vorteil. So kann beispielsweise auch das refraktive optische Element 6 in 2 verstellbar ausgestaltet sein.
  • Anstelle eines LCDs kann für die Bilderzeugungseinrichtung 1 auch beispielsweise eine Elektronenstrahlröhre oder eine Anordnung von organischen Leuchtdioden oder sonstigen Leuchtdioden verwendet werden. Weiterhin kann anstelle der Spiegel 7 und 8 des Ausführungsbeispiels in 4 ein kardadioptrischer Spiegel verwendet werden, bei dem im Strahlengang vor der Spiegelfläche ein anderes optisches Medium als Luft, beispielsweise Glas oder ein lichtleitender Grundstoff, angeordnet ist.

Claims (6)

  1. Vorrichtung zur Darstellung von optischen Informationen mittels eines virtuellen Bildes in einem Kraftfahrzeug, wobei die optische Information in Form von Lichtstrahlen von einer Bilderzeugungseinrichtung über mindestens ein optisches Element auf eine Fläche gelangen und das virtuelle Bild vor, hinter oder in der Fläche wahrnehmbar ist, wobei die Lichtstrahlen einen Strahlengang ergeben, wobei im Strahlengang zwischen der Bilderzeugungseinrichtung (1, 2, 3) und der Fläche (WS) ein Strahlen beeinflussendes optisches Element (4) angeordnet ist, und das Strahlen beeinflussende optische Element (4) in seiner Lage mittels einer Verstelleinrichtung (5) veränderbar angeordnet ist und wobei das Strahlengang beeinflussende Element als refraktives optisches Element (4, 4a, 4b) ausgestaltet ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweites refraktives optisches Element (4b) über dem refraktiven Element (4a) angeordnet ist, dass die Ebenen, in denen die refraktiven optischen Elemente (4a, 4b) angeordnet sind, parallel zueinander verschoben sind, dass die refraktiven optischen Elemente (4a, 4b) in verschiedene Richtungen verschiebbar sind, dass die refraktiven optischen Elemente in Art einer Fresnellinse aufgebaut sind, wobei der asymmetrische Aufbau die asphärische Gestalt der Windschutzscheibe teilweise kompensiert.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlengang beeinflussende optische Element in seiner Lage verdrehbar ist.
  3. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang zwischen der Bilderzeugungseinrichtung (1, 2, 3) und der Fläche (WS) ein Spiegel (7, 8) angeordnet ist.
  4. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Bilderzeugungseinrichtung (1, 2, 3) und der Fläche (WS) ein kardadioptrisches Element angeordnet ist.
  5. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang zwischen der Bilderzeugungseinrichtung (1, 2, 3) und der Fläche (WS) ein weiteres refraktives optisches Element angeordnet ist.
  6. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang zwischen der Bilderzeugungseinrichtung (1, 2, 3) und der Fläche (WS) eine Linse oder ein Linsensegment angeordnet ist.
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