DE102020108124A1 - Compact visor field of view display device with eyebox tracking - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine kompakte Blickfeldanzeigevorrichtung, die zu einer ortsfesten Befestigung in einem übergeordneten System, insbesondere an einem Dachhimmel eines Kraftfahrzeugs, ausgebildet ist, umfassend:- ein räumlich kompaktes Projektorsystem mit zwei Projektoreinheiten, die symmetrisch um eine vertikale Mittenebene des Projektorsystems angeordnet und jeweils zum Erzeugen eines nur für ein Benutzerauge bestimmten Projektionslichtstrahlenbündels mit einem Anzeigeinhalt ausgebildet sind;- eine Combinerscheibe, die derart ausgebildet und in einer bezüglich des Projektorsystems definierten Betriebsstellung unterhalb von diesem in einem vorbestimmten horizontalen Abstand vor zwei jeweils nur für ein Benutzerauge bestimmten zweidimensionalen Eyeboxbereichen fixiert oder fixierbar ist, dass jedes der zwei Projektionslichtstrahlenbündel von der Combinerscheibe zu dem zugehörigen Eyeboxbereich reflektiert wird, sodass ein virtuelles Anzeigebild ins Blickfeld des Benutzers hinter der Combinerscheibe eingeblendet wird; sowie- eine Detektionseinrichtung, die zum Ermitteln von Abweichungen aktueller Benutzeraugenpositionen von den zugehörigen Eyeboxbereichen ausgebildet ist.The invention relates to a compact field of view display device which is designed to be fixed in place in a higher-level system, in particular on a headliner of a motor vehicle, comprising: a spatially compact projector system with two projector units, which are arranged symmetrically about a vertical center plane of the projector system and each to Generating a projection light beam bundle intended only for a user eye with a display content; is that each of the two projection light beams is reflected by the combiner pane to the associated eyebox area, so that a virtual display image into the field of vision of the user behind d the combiner pane is displayed; and a detection device which is designed to determine deviations of current user eye positions from the associated eyebox areas.
Description
Technisches GebietTechnical area
Die Erfindung betrifft Blickfeldanzeigevorrichtungen zur Erzeugung eines ins Blickfeld eines Benutzers eingeblendeten virtuellen Anzeigebilds, die zu einer ortsfesten Befestigung in einem übergeordneten System, insbesondere einem Kraftfahrzeug, ausgebildet sind.The invention relates to field of view display devices for generating a virtual display image which is superimposed into the field of view of a user and which are designed to be fixed in place in a higher-level system, in particular a motor vehicle.
Technischer HintergrundTechnical background
Herkömmliche Infotainment-Anzeigesysteme in einem Kraftfahrzeug sind in der Regel entweder über Flachbildschirme (Flat-Panel-Displays), wie etwa beim Kombiinstrument, dem Zentraldisplay oder Rear-Seat-Entertainment-Displays, oder über als Head-Up-Displays (HUD) bekannte Blickfeldanzeigevorrichtungen realisiert. Dabei nutzen die Letzteren eine Projektion mittels eines typischerweise in der Instrumententafel des Fahrzeugs integrierten Projektionsoptiksystems über Reflexion and der Windschutzscheibe oder einer davor angeordneten Combinerscheibe, um beispielsweise für den Fahrer einen unterstützender Anzeigeinhalt, wie eine Angabe über eine aktuelle Geschwindigkeitsbegrenzung und dergleichen, als ein virtuelles Anzeigebild dem realen Umgebungsbild vor dem Fahrzeug zu überlagern oder einen Entertainment-Inhalt ins Blickfeld eines Fahrzeuginsassen einzublenden.Conventional infotainment display systems in a motor vehicle are usually known either via flat screens (flat panel displays), such as in the instrument cluster, the central display or rear seat entertainment displays, or via head-up displays (HUD) Field of view display devices realized. The latter use a projection by means of a projection optics system typically integrated in the instrument panel of the vehicle via reflection on the windshield or a combiner pane arranged in front of it, for example to provide the driver with supportive display content, such as information about a current speed limit and the like, as a virtual display image to superimpose the real image of the surroundings in front of the vehicle or to display entertainment content in the field of vision of a vehicle occupant.
Allerdings ist die Realisierung einer großflächigen Anzeige mit diesen bekannten Technologien schwierig: Die Integration großflächiger Flachbildschirme in einem Kraftfahrzeug ist meist aufgrund des beengten Bauraums problematisch. Auch für den Benutzer wirken sich größere Flat-Panel-Displays im Kraftfahrzeug meist zu Lasten des Raumgefühls aus. Eine Vergrößerung einer von konventionellen HUDs erzeugten virtuellen Anzeigebildfläche ergibt typischerweise ein entsprechend vergrößertes Volumen des in der Instrumententafel integrierten Projektors und damit verbundene Probleme bei der Integration.However, it is difficult to implement a large-area display with these known technologies: The integration of large-area flat screens in a motor vehicle is usually problematic due to the limited installation space. For the user, too, larger flat-panel displays in motor vehicles usually have a negative effect on the sense of space. An enlargement of a virtual display image area generated by conventional HUDs typically results in a correspondingly enlarged volume of the projector integrated in the instrument panel and associated problems with integration.
Weiterhin sind beispielsweise aus
Weiterhin ist beispielsweise aus
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine alternative oder verbesserte Blickfeldanzeigevorrichtung anzugeben, die gegenüber diesem Stand der Technik insbesondere im Hinblick auf den benötigten Bauraum und/oder einen Benutzerkomfort, wie eine Blickrichtungsunabhängigkeit der Darstellung oder eine Veränderung des Raums um den Benutzer herum in einem übergeordneten System, wie z. B. einem Kraftfahrzeug, verbessert sein kann.It is the object of the present invention to provide an alternative or improved field of view display device which, compared to this prior art, in particular with regard to the required installation space and / or user comfort, such as a viewing direction independence of the display or a change in the space around the user in a higher-level System, such as B. a motor vehicle, can be improved.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Diese Aufgabe wird durch eine räumlich kompakte Blickfeldanzeigevorrichtung gemäß Anspruch 1 und ein damit ausgestattetes Fahrzeug gemäß dem nebengeordneten Anspruch gelöst. Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Alle in den Ansprüchen und der nachfolgen Beschreibung für die Blickfeldanzeigevorrichtung genannten weiterführenden Merkmale und Wirkungen gelten auch in Bezug auf das Fahrzeug, wie auch umgekehrt.This object is achieved by a spatially compact field of view display device according to claim 1 and a vehicle equipped therewith according to the independent claim. Further refinements are given in the dependent claims. All in the claims and the following description for The additional features and effects referred to as the field of view display device also apply in relation to the vehicle, as well as vice versa.
Gemäß einem ersten Aspekt ist eine kompakte Blickfeldanzeigevorrichtung vorgesehen, die zu einer ortsfesten Befestigung in einem übergeordneten System, beispielsweise an einem Dachhimmel eines Kraftfahrzeugs oder eines beliebigen anderen Land-, Luft- oder Wasserfahrzeugs, ausgebildet ist. Mit anderen Worten ist die Blickfeldanzeigevorrichtung in deren im übergeordneten System eingebundenem, z. B. darin integriertem oder nachträglich montiertem, Zustand frei von mechanischen Verbindungen zu einem Benutzer, wie z. B. einem Insassen des Fahrzeugs.According to a first aspect, a compact visual field display device is provided which is designed to be fixed in place in a higher-level system, for example on a headliner of a motor vehicle or any other land, air or water vehicle. In other words, the field of view display device is integrated in its higher-level system, e.g. B. integrated therein or subsequently assembled, state free of mechanical connections to a user, such as. B. an occupant of the vehicle.
Die Blickfeldanzeigevorrichtung ist zum Einblenden eines virtuellen Anzeigebilds ins Blickfeld des Benutzers ausgebildet und umfasst hierzu erstens ein räumlich kompaktes Projektorsystem mit zwei Projektoreinheiten, die symmetrisch um eine vertikale Mittenebene des Projektorsystems angeordnet und jeweils zum Erzeugen eines nur für das linke bzw. nur für das rechte Benutzerauge bestimmten Projektionslichtstrahlenbündels mit einem im virtuellen Anzeigebild darzustellenden Anzeigeinhalt ausgebildet sind. Die genannte vertikale Mittenebene des Projektorsystems kann beispielsweise in einem Kraftfahrzeug in etwa parallel zu einer durch die Fahrzeughoch- und Fahrzeuglängsachse des üblichen Fahrzeugkoordinatensystems aufgespannte Ebene ausgerichtet sein.The field of view display device is designed to fade in a virtual display image into the user's field of vision and for this purpose firstly comprises a spatially compact projector system with two projector units, which are arranged symmetrically around a vertical central plane of the projector system and each to generate one only for the left or only for the right user eye certain projection light beam are formed with a display content to be shown in the virtual display image. The named vertical center plane of the projector system can, for example, be aligned in a motor vehicle approximately parallel to a plane spanned by the vertical and longitudinal axes of the normal vehicle coordinate system.
Ferner umfasst die Blickfeldanzeigevorrichtung eine benutzerseitig reflektierende und rückseitig insbesondere zumindest teilweise im sichtbaren Spektralbereich transparente Combinerscheibe (hierin auch als „Visor“ bezeichnet). Die Combinerscheibe ist dabei derart ausgebildet und in einer bezüglich des Projektorsystems definierten Betriebsstellung unterhalb von diesem in einem vorbestimmten horizontalen Abstand vor zwei jeweils nur für ein Benutzerauge bestimmten zweidimensionalen Eyeboxbereichen fixiert oder fixierbar, dass jedes der genannten zwei Projektionslichtstrahlenbündel von der Combinerscheibe zu dem zugehörigen Eyeboxbereich reflektiert wird, sodass das gewünschte virtuelles Anzeigebild ins Blickfeld des Benutzers hinter der Combinerscheibe eingeblendet wird. Die räumliche Lage, d. h. Position/Ort und Ausrichtung, der beiden Eyeboxbereiche in Bezug auf das Projektorsystem ergibt sich dabei durch den optischen Aufbau und den dadurch definierten Strahlengang einer gesamten „Visoreinheit“ der hierin dargelegten Art, die das Projektorsystem und die Combinerscheibe umfasst. Der genannte horizontale Abstand kann dabei insbesondere zwischen 180 mm und 380 mm, spezifischer zwischen 230 mm und 330 mm, liegen und beispielsweise etwa 280 mm betragen (vgl.
Um eine möglichst kompakte Projektoranordnung zu erreichen, kann dabei die Größe der beiden Eyeboxbereiche, die hierin als zweidimensionale Flächen senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung des jeweiligen Projektionslichtstrahlenbündels definiert sind, aus weiter unten näher dargelegten Gründen bewusst auf eine beispielsweise gerade mal etwa 38mm mal 25mm große elliptische Fläche um das jeweilige Benutzerauge begrenzt werden (vgl.
Zum Ermöglichen einer robusten Detektion, ob sich der Benutzer mit seinen Augen in den genannten Eyeboxbereichen der Blickfeldanzeigevorrichtung befindet, umfasst sie ferner eine Detektionseinrichtung, die zum Ermitteln von Abweichungen aktueller Benutzeraugenpositionen (d. h. Positionen der beiden Augen des Benutzers) von den zugehörigen Eyeboxbereichen ausgebildet ist. Verschiedene Beispiele für eine geeignete Detektionseinrichtung werden weiter unten angegeben. Die ermittelten Abweichungen können beispielsweise in einer geeigneten Steuerungseinheit, die Bestandteil der vorliegenden Blickfeldanzeigevorrichtung sein kann, für eine automatisierte Anpassung der Eyeboxbereiche der Blickfeldanzeigevorrichtung an die aktuellen Benutzeraugenpositionen (wie weiter unten ausführlich beschrieben) oder aber alternativ etwa zur Ausgabe eines entsprechenden Hinweises an den Benutzer verwendet werden, damit er selbst beispielsweise seine Kopfposition zielführend anpassen kann. In jedem Fall kann anhand der von der Detektionseinrichtung ermittelten Abweichungen sicher vermieden werden, dass der Benutzer, ohne es zu merken, durch Kopfbewegungen etc. die Eyeboxbereiche der Blickfeldanzeigevorrichtung verlässt, insbesondere damit er das virtuelle Anzeigebild stets in seiner bestmöglichen Qualität sehen kann.To enable a robust detection of whether the user's eyes are in said eyebox areas of the field of view display device, it further comprises a detection device which is designed to determine deviations of current user eye positions (i.e. positions of the two eyes of the user) from the associated eyebox areas. Various examples of a suitable detection device are given below. The determined deviations can, for example, be used in a suitable control unit, which can be part of the present field of view display device, for an automated adaptation of the eyebox areas of the field of view display device to the current user eye positions (as described in detail below) or alternatively, for example, to output a corresponding message to the user so that he can, for example, adjust his head position in a targeted manner. In any case, the deviations determined by the detection device can be used to reliably prevent the user from leaving the eyebox areas of the field of view display device without noticing it by moving his head etc., in particular so that he can always see the virtual display image in its best possible quality.
Die vorliegende Blickfeldanzeigevorrichtung ermöglicht ein räumlich kompaktes und in einem übergeordneten System, wie z. B. einem Kraft- oder Luftfahrzeug, in einer einfachen und zugleich ergonomischen Weise einbindbares Projektorsystem, mit dem beispielsweise Arbeits-, Entertainment- und/oder AR-Anzeigen (Augmented Reality) als virtuelles Anzeigebild erzeugt werden können. Dabei ist die Combinerscheibe (Visor) in deren Betriebsstellung tiefer als das Projektorsystem und in einem grundsätzlich beliebig wählbaren komfortablen horizontalen Visorabstand vor den Augen des Benutzers positionierbar, d. h. ohne sein Raumgefühl einzuengen.The present field of view display device enables a spatially compact and in a higher-level system, such as. B. a motor vehicle or aircraft, in a simple and at the same time ergonomic A projector system that can be integrated, for example, with which work, entertainment and / or AR (Augmented Reality) displays can be generated as a virtual display image. The combiner pane (visor) in its operating position is lower than the projector system and can be positioned in front of the user's eyes at a comfortable horizontal visor spacing that can basically be selected as desired, ie without restricting his sense of space.
Mit dieser Anordnung lässt sich beispielsweise ein 35°x20° großes virtuelles Anzeigebild in einer Projektionsentfernung von etwa 2,5 m von den Augen des Benutzers aus einem Projektorsystem mit einem Volumen im Bereich von ungefähr 2,5 L erzeugen. Im Vergleich dazu würde eine von herkömmlichen HUD-Systemen bekannte Projektionseinheit, die einen gemeinsamen Strahlengang für beide Augen des Benutzers nutzt, zur Darstellung des gleichen virtuellen Anzeigebilds ein optisches System mit einem drei- bis viermal so großen Volumen von 8-10 L erfordern. Die resultierende Bildgröße kann dabei insbesondere einem 65-70-Zoll-Bildschirm in 2,5 m Entfernung bei einer Auflösung beispielsweise in der Größenordnung von 4000 Pixeln in horizontaler und/oder vertikaler Richtung (4k-Auflösung), entsprechen, d. h. beispielsweise wie bei einem TV-Flachbildschirm dieser Größe. (vgl.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Blickfeldanzeigevorrichtung ferner eine Eyebox-Tracking-Einrichtung, die dazu ausgebildet und eingerichtet ist, eine räumliche Lage (d. h. eine Position und/oder Ausrichtung, beispielsweise in Bezug auf das Projektorsystem oder auf das übergeordnete System) der beiden Eyeboxbereiche den jeweils aktuellen Benutzeraugenpositionen durch Verwendung der oben genannten Abweichungen, die von der Detektionseinrichtung ermittelt worden sind, nachzuführen, indem
- - die gesamte Visoreinheit, die das Projektorsystem und die Combinerscheibe umfasst, in einer, zwei oder allen drei Raumdimensionen im übergeordneten System bewegt, d. h. in deren räumlicher Lage verändert, beispielsweise translatorisch verfahren und/oder rotatorisch verkippt, wird; und/oder
- - die Projektoreinheiten gemeinsam und/oder relativ zueinander im Projektorsystem bewegt, d. h. in deren räumlicher Lage in Bezug auf das Projektorsystem, insbesondere in Bezug auf dessen Mittenebene, verändert, beispielsweise translatorisch verfahren und/oder rotatorisch verkippt, werden; und/oder
- - die Combinerscheibe relativ zum Projektorsystem bewegt, d. h. in deren räumlicher Lage in Bezug auf dessen Mittenebene verändert wird, beispielsweise indem ein Mittelpunkt der Combinerscheibe translatorisch verfahren wird und/oder die Combinerscheibe um deren durch den genannten Mittelpunkt gehende Hoch- oder Querachse verkippt wird.
- the entire visor unit, which comprises the projector system and the combiner disk, is moved in one, two or all three spatial dimensions in the higher-level system, ie its spatial position is changed, for example moved in a translatory manner and / or tilted in a rotary manner; and or
- the projector units are moved together and / or relative to one another in the projector system, ie their spatial position in relation to the projector system, in particular in relation to its central plane, is changed, for example moved in a translatory manner and / or tilted in a rotary manner; and or
- - The combiner disk is moved relative to the projector system, ie its spatial position is changed in relation to its center plane, for example by moving a center point of the combiner disk in a translatory manner and / or tilting the combiner disk about its vertical or transverse axis going through the said center point.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Detektionseinrichtung einen oder mehrere Sensoren, wie beispielsweise Kamerasysteme, Time-of-Flight-Sensoren, Structured-Light-Sensoren, LIDAR- und/oder Ultraschall-Sensoren, die zum Erfassen eines die Eyeboxbereiche enthaltenden Raumbereichs ausgebildet sind (vgl.
Bei einer Weiterbildung dieser Ausführungsform umfasst die Blickfeldanzeigevorrichtung ferner eine oder mehrere Markierungslichtquellen, insbesondere Leuchtdioden (LEDs), die derart ausgebildet und in den Projektoreinheiten angeordnet sind, dass deren jeweilige Markierungslicht-Strahlenbündel durch die Optik der Visoreinheit in die Eyeboxbereiche, beispielsweise in deren jeweiligen Randbereich, zur Markierung der Eyeboxbereiche in dem von den Sensoren erfassten Benutzerbild gerichtet, insbesondere fokussiert, werden (vgl.
Insbesondere können dabei eine oder mehrere der Markierungslichtquellen als Infrarotlichtquellen, insbesondere Infrarot-LEDs, ausgebildet sein, damit deren auf das Gesicht des Benutzers projiziertes Markierungsmuster für das menschliche Auge unsichtbar ist. Entsprechend sind dabei einer oder mehrere der Sensoren als Infrarotlicht-Sensoren, beispielsweise Infrarotkameras, ausgebildet.In particular, one or more of the marking light sources can be designed as infrared light sources, in particular infrared LEDs, so that their marking pattern projected onto the face of the user is invisible to the human eye. Correspondingly, one or more of the sensors are designed as infrared light sensors, for example infrared cameras.
Bei einer spezifischen Ausgestaltung gemäß der genannten Ausführungsform ist eine benutzerseitige Reflexionsfläche der Combinerscheibe in deren Betriebsstellung als ein um die vertikale Mittenebene des Projektorsystems symmetrischer, insbesondere parabolischer, Konkavspiegel ausgebildet, der zum zumindest teilweisen Kollimieren beider Projektionslichtstrahlenbündel ausgebildet und angeordnet ist. Ferner beträgt dabei in der Betriebsstellung der Combinerscheibe die optische Weglänge des jeweiligen Projektionslichtstrahlenbündels zwischen einem optischen Ausgang der zugehörigen Projektoreinheit (der beispielswiese durch die optische Apertur eines im Strahlengang des Projektionslichtstrahlenbündels letzten optischen Elements, etwa einer Linse, definiert sein kann) und dem Konkavspiegel und/oder zwischen dem Konkavspiegel und dem zugehörigen Eyeboxbereich jeweils ungefähr eine doppelte Brennweite des Konkavspiegels.In a specific configuration according to the embodiment mentioned, a user-side reflective surface of the combiner pane in its operating position is designed as a concave mirror that is symmetrical about the vertical center plane of the projector system, in particular a parabolic mirror, which for at least partial collimation of both projection light beam is formed and arranged. Furthermore, in the operating position of the combiner pane, the optical path length of the respective projection light beam between an optical output of the associated projector unit (which can be defined, for example, by the optical aperture of an optical element, such as a lens, last in the beam path of the projection light beam) and the concave mirror and / or approximately twice the focal length of the concave mirror between the concave mirror and the associated eyebox area.
In diesem Fall erfüllt also die Optik der Visoreinheit die Bedingung für eine 2f- oder 1:1-Abbildung, wenn man sich z. B. eine Abbildung der Apertur der finalen Projektorlinse am optischen Ausgang der jeweiligen Projektoreinheit in den zugehörigen Eyeboxbereich durch den Konkavspiegel der Combinerscheibe vorstellt. Dabei sind die Markierungslichtquellen derart am genannten optischen Ausgang der jeweiligen Projektoreinheit angeordnet, dass sie durch die genannte 1:1-Abbildung in einen Randbereich des zugehörigen Eyeboxbereichs zu dessen Markierung abgebildet werden.In this case, the optics of the visor unit meet the condition for a 2f or 1: 1 image, if one z. B. presents an image of the aperture of the final projector lens at the optical output of the respective projector unit in the associated eyebox area through the concave mirror of the combiner pane. The marking light sources are arranged at the said optical output of the respective projector unit in such a way that they are imaged by the mentioned 1: 1 mapping in an edge area of the associated eyebox area for its marking.
Insbesondere können dabei die Markierungslichtquellen fest mit dem Projektorsystem oder mit der jeweiligen Projektoreinheit verbunden sein, beispielsweise indem sie fest in deren Gehäuse verbaut sind, um so eine fixe Lage der Markierungslichtquellen relativ zur Position der Optik des Projektorsystem und damit auch eine fixe relative Lage des projizierten Markierungsmusters zu dem zugehörigen Eyeboxbereich zu gewährleisten. Alternativ oder zusätzlich können dabei die Markierungslichtquellen rund um eine Linsenapertur am optischen Ausgang der jeweiligen Projektoreinheit angeordnet sein, beispielsweise je zwei, drei oder mehr Markierungslichtquellen entlang des jeweiligen Aperturrands verteilt sein, sodass sie durch die Optik der Visoreinheit in einen Randbereich des zugehörigen Eyeboxbereichs zu dessen Markierung abgebildet werden.In particular, the marking light sources can be permanently connected to the projector system or to the respective projector unit, for example by being permanently installed in its housing, in order to have a fixed position of the marking light sources relative to the position of the optics of the projector system and thus also a fixed relative position of the projected one Ensure marking pattern to the associated eyebox area. As an alternative or in addition, the marking light sources can be arranged around a lens aperture at the optical output of the respective projector unit, for example two, three or more marking light sources can be distributed along the respective aperture edge so that they can be moved through the optics of the visor unit into an edge area of the associated eyebox area Marking are mapped.
Insbesondere kann bei der Blickfeldanzeigevorrichtung der hierin dargelegten Art jede Projektoreinheit ein Display zur Erzeugung des vom zugehörigen Projektionslichtstrahlenbündel zu transportierenden Anzeigeinhalts sowie ein optisches Abbildungssystem, beispielsweise eine oder mehrere Linsen, aufweisen, das zum Abbilden dieses Anzeigeinhalts in ein reales Zwischenbild, das im Strahlengang des Projektionslichtstrahlenbündels zwischen dem Projektorsystem und der Combinerscheibe in deren Betriebsstellung erzeugt wird, ausgebildet ist.In particular, in the field of view display device of the type set out here, each projector unit can have a display for generating the display content to be transported by the associated projection light beam, as well as an optical imaging system, for example one or more lenses, which is used to display this display content in a real intermediate image that is in the beam path of the projection light beam is generated between the projector system and the combiner pane in its operating position.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Blickfeldanzeigevorrichtung ferner ein faltbares Gehäuse, in dem das Projektorsystem untergebracht ist, wobei das Gehäuse in dessen geschlossenem Zustand räumlich kompakt ist und das Projektorsystem insbesondere von allen Seiten umgeben kann. Insbesondere kann dabei die Combinerscheibe im geschlossenen Zustand des Gehäuses mit ihrer gesamten Fläche an dessen Bodenseite anliegen oder einen Teil dieser bilden und von der genannten Bodenseite zu einem vorbestimmten Anstellwinkel aufklappbar sein, der der Betriebsstellung der Combinerscheibe entspricht. Alternativ oder zusätzlich kann das Gehäuse dabei eine zu einem vorbestimmten Spiegelabstand von dem Projektorsystem im Strahlengang der zwei Projektionslichtstrahlenbündel ausfahrbare Spiegelwand mit einem dem Projektorsystem zugewandten Umlenkspiegel aufweisen, wobei die zwei Projektionslichtstrahlenbündel durch den Umlenkspiegel in dessen durch den vorbestimmten Spiegelabstand definierter Betriebsstellung auf eine Reflexionsfläche der Combinerscheibe gelenkt werden, um das genannte virtuelle Anzeigebild dahinter zu erzeugen.According to one embodiment, the field of view display device further comprises a foldable housing in which the projector system is accommodated, the housing being spatially compact in its closed state and in particular being able to surround the projector system from all sides. In particular, when the housing is closed, the entire surface of the combiner disc can rest against its bottom side or form part of it and can be opened from said bottom side to a predetermined angle that corresponds to the operating position of the combiner disc. Alternatively or additionally, the housing can have a mirror wall that can be extended to a predetermined mirror distance from the projector system in the beam path of the two projection light beam bundles with a deflecting mirror facing the projector system, the two projection light beam bundles passing through the deflecting mirror in its operating position, defined by the predetermined mirror distance, onto a reflective surface of the combiner pane be steered to generate said virtual display image behind it.
Diese Ausführungsform zeichnet sich somit durch eine faltbare Gehäusemechanik um das räumlich kompakte Projektorsystem aus, die es ermöglicht, vom Projektorsystem im Betrieb abstehende optische Komponenten wie den Umlenkspiegel und die Combinerscheibe außerhalb des Betriebs der Blickfeldanzeigevorrichtung an das Gehäuse anzuklappen oder in das Gehäuse einzuschieben. Dadurch können für die gesamte Blickfeldanzeigevorrichtung insbesondere ein kompakter Bauraum ohne exponierte, verletzungsträchtige Komponenten sowie eine erleichterte Nachrüstbarkeit in einem übergeordneten System, wie einem Kraftfahrzeug, und/oder eine besonders ästhetische Erscheinung verwirklicht werden. Insbesondere kann eine derartige Blickfeldanzeigevorrichtung daher beispielsweise in einem Kraftfahrzeug ohne Beeinträchtigung des Insassenraums an einem Dachhimmel (an einer grundsätzlich beliebigen Position z. B. im Vorder- oder Rücksitzbereich) angebracht werden.This embodiment is characterized by a foldable housing mechanism around the spatially compact projector system, which enables optical components protruding from the projector system such as the deflection mirror and the combiner pane to be folded onto the housing or pushed into the housing outside of the operation of the field of view display device. As a result, for the entire field of view display device, in particular, a compact installation space without exposed components prone to injury, as well as easier retrofitting in a higher-level system, such as a motor vehicle, and / or a particularly aesthetic appearance can be achieved. In particular, such a field of view display device can therefore, for example, be attached to a roof lining in a motor vehicle without impairing the passenger compartment (at any position, for example, in the front or rear seat area).
Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Fahrzeug, insbesondere ein Kraftfahrzeug oder ein beliebiges anderes Kraft-, Luft-, oder Wasserfahrzeug, vorgesehen, das Folgendes umfasst:
- - einen Insassenraum, der nach oben zumindest teilweise von einem dem Insassenraum zugewandten Dachhimmel begrenzt ist; und
- - eine Blickfeldanzeigevorrichtung der hierin dargelegten Art, insbesondere gemäß der obigen Ausführungsform, die am Dachhimmel, insbesondere mit einer von der Bodenseite abgewandten Dachseite des faltbaren Gehäuses, befestigt ist.
- - a passenger compartment which is at least partially delimited at the top by a headliner facing the passenger compartment; and
- a field of view display device of the type set out herein, in particular according to the above embodiment, which is attached to the roof lining, in particular to a roof side of the foldable housing facing away from the bottom side.
FigurenlisteFigure list
Die obigen Aspekte der Erfindung und deren Ausführungsformen und spezifische Ausgestaltungen werden nachfolgend anhand der in den beigefügten Zeichnungen dargestellten Beispiele näher erläutert. Die Zeichnungen sind aus Gründen anschaulicher Darstellung zumindest teilweise rein schematisch gehalten: Sie können zwar, müssen aber generell nicht als maßstabsgetreu verstanden werden. Es zeigen:
-
1 eine perspektivische Seitenansicht einer Blickfeldanzeigevorrichtung der hierin dargelegten Art schräg von oben im Betrieb, wobei in beiden Projektoreinheiten aus Darstellungsgründen jeweils nur ein aus einem Displaymittenpunkt ausgehendes Teil-Strahlenbündel angedeutet ist; -
2 eine perspektivische Seitenansicht der Blickfeldanzeigevorrichtung der1 , wobei in beiden Projektoreinheiten jeweils das gesamte Projektionslichtstrahlenbündel angedeutet ist; -
3 eine Eyeboxebene der Blickfeldanzeigevorrichtung der1 mit für beide Benutzeraugen vorgesehenen Eyeboxbereichen; -
4 eine Seitenansicht der Blickfeldanzeigevorrichtung gemäß der2 mit einem Beispiel für die Anordnung eines Kamerasystems, das als Sensor einer Detektionseinrichtung dient; -
5 einige verschiedene perspektivische Ansichten eines Beispiels einer Anordnung von Markierungslichtquellen in den Projektoreinheiten; und -
6 ein Kraftfahrzeug mit einer in dessen Insassenraum angeordneten Blickfeldanzeigevorrichtung der hierin dargelegten Art.
-
1 a perspective side view of a field of view display device of the type set forth herein at an angle from above during operation, with only one partial beam of rays emanating from a display center point being indicated in each of the two projector units for reasons of illustration; -
2 FIG. 3 is a perspective side view of the field of view display device of FIG1 , wherein the entire projection light beam is indicated in each of the two projector units; -
3 an eyebox plane of the field of view display device of1 with eyebox areas intended for both user eyes; -
4th a side view of the field of view display device according to FIG2 with an example of the arrangement of a camera system that serves as a sensor of a detection device; -
5 several different perspective views of an example of an arrangement of marking light sources in the projector units; and -
6th a motor vehicle with a field of view display device of the type set forth herein arranged in its passenger compartment.
Beschreibung von AusführungsformenDescription of embodiments
Alle weiter oben in der Beschreibung und in den nachfolgenden Ansprüchen erwähnten verschiedenen Ausführungsformen, Varianten und spezifischen Ausgestaltungsmerkmale der Blickfeldanzeigevorrichtung und des Fahrzeugs gemäß den obigen Aspekten der Erfindung können bei den in den
Wie in
Die Blickfeldanzeigevorrichtung
Die aus Benutzersicht links liegende Projektoreinheit
Ferner weist die Blickfeldanzeigevorrichtung
Diese Anordnung ermöglicht einen deutlich kompakteren Aufbau als beispielsweise eine herkömmliche HUD-Projektionsoptik, die nur einen einzelnen Projektor für die Bilderzeugung für linkes und rechtes Auge nutzt. Zum einen erzeugt im vorliegenden Beispiel jede Projektoreinheit
Die einzelnen optischen Elemente der Blickfeldanzeigevorrichtung
Durch die Anordnung der beiden Projektoreinheit
Beide Eyeboxbereiche
Damit der Benutzer diese stark eingegrenzten Eyeboxbereiche
Wesentliche Bestandteile einer solchen Nachführung sind, wie nachfolgend beschrieben:
- - eine Methode für die Änderung der Lage der Eyeboxbereiche
Ea undEb in Bezug beispielsweise aufdas Kraftfahrzeug 14 der 6 ; sowie - - eine Methode für die Detektion der relativen Lage „Benutzeraugen zu Eyeboxbereichen“. Auf Basis dieser Größe kann über einen geeigneten Regelungsalgorithmus die Lage der Eyeboxbereiche
Ea ,Eb an die aktuellen Benutzeraugenpositionen angepasst werden.
- - a method for changing the location of the eyebox areas
Ea andEb in relation, for example, to the motor vehicle14th the6th ; as - - a method for the detection of the relative position of "user eyes to eyebox areas". On the basis of this size, the position of the eyebox areas can be determined using a suitable control algorithm
Ea ,Eb can be adjusted to the current user eye positions.
Mittels einer geeigneten Steuerungseinheit
Zur Änderung der Lage der Eyeboxbereiche
- 1) Die gesamte Visoreinheit (Projektorsystem
4 + Visor/Combinerscheibe8 ) wird verfahren und damit die Lage der EyeboxbereicheEa bzw.Eb an die Positionen der Benutzeraugen angepasst. - 2) Nur die
Projektoreinheiten 4a bzw.4b im Projektorsystem4 werden bspw. in der XY-Ebene verschoben und evtl. auch verkippt. Die Position desVisors 8 bleibt unverändert. Auch dadurch wird eine Verschiebung der EyeboxbereicheEa undEb in der EyeboxebeneE erreicht. Werden dieProjektoreinheiten 4a und4b unabhängig voneinander verfahren, so ergibt sich zusätzlich auch die Möglichkeit, eine Anpassung an unterschiedliche Augabstände oder auch an eine schiefe Kopfhaltung (Benutzeraugen in Y-Richtung versetzt) vorzunehmen. - 3)
Der Visor 8 wird um seine Hoch- und Querachse verkippt (Rotation um Y- bzw. X-Achse). - 4) Eine Kombination der oben genannten Varianten 1)-3). So ist beispielsweise Variante 1) besonders nützlich für eine Nachführung über größere Distanzen, während Variante 2) einen besonders präzisen und schnellen Ausgleich kleiner Kopfbewegungen erlaubt. Eine Kombination würde eine Nachführung über einen größeren Bereich erlauben.
- 1) The entire visor unit (projector system
4th + Visor / combiner disc8th ) is moved and with it the position of the eyebox areasEa respectively.Eb adapted to the positions of the user's eyes. - 2) The projector units only
4a respectively.4b in the projector system4th are shifted, for example, in the XY plane and possibly also tilted. The position of the visor8th stays unchanged. This also causes a shift in the eyebox areasEa andEb in the eyebox levelE. achieved. Become theprojector units 4a and4b proceed independently of one another, there is also the possibility of adapting to different interpupillary distances or to an inclined posture of the head (user eyes offset in the Y-direction). - 3) The visor
8th is tilted around its vertical and transverse axis (rotation around the Y or X axis). - 4) A combination of the above variants 1) -3). For example, variant 1) is particularly useful for tracking over larger distances, while variant 2) allows for a particularly precise and rapid compensation of small head movements. A combination would allow tracking over a larger area.
Die Detektion der relativen Lage „Augen zu Eyeboxbereichen“ kann in der Detektionseinrichtung
- Bei einer vergleichsweise einfachen ersten Variante, die in
4 veranschaulicht ist, der sogenannten „Camera only“-Variante, wird die relative Lage des Kopfes und der Augen des Benutzers in Bezug auf die Visoreinheit durch eine geeignete Sensorik mit einem oder mehreren Sensoren bestimmt. Aufgrund der vorbekannten, beispielsweise inder Detektionseinrichtung 20 oder der zugehörigen Steuerungseinheit18 gespeicherten, Soll-Lage der EyeboxbereicheEa undEb innerhalb des Visorsystems (Blickfeldanzeigevorrichtung1 ) kann die relative Lage „Augen zu Eyeboxbereichen“ bestimmt werden und für die Nachführung verwendet werden. Als Sensoren können beispielsweise Kamerasysteme, Time-of-Flight-Sensoren, Structured-Light-Sensoren, LIDAR-, Ultraschall-Sensoren und dergleichen dienen.
- In the case of a comparatively simple first variant, which is shown in
4th is illustrated, the so-called “camera only” variant, the relative position of the head and the eyes of the user in relation to the visor unit is determined by a suitable sensor system with one or more sensors. Due to the previously known, for example in the detection device20th or the associated control unit18th saved target position of the eyebox areasEa andEb within the visor system (field of view display device1 ) the relative position “eyes to eyebox areas” can be determined and used for tracking. For example, camera systems, time-of-flight sensors, structured light sensors, LIDAR, ultrasonic sensors and the like can serve as sensors.
Bei dieser recht simplen Methode für die Detektion möglicher Abweichungen der aktuellen Positionen der Benutzeraugen von den hierfür vorgesehenen Eyeboxbereichen
Um auch einer möglichen Verschiebung der Lage der Eyeboxbereiche
-
5 zeigt in einigen verschiedenen perspektivischen Ansichten ein Beispiel einer entsprechenden Anordnung von Markierungslichtquellen22 , in diesem Beispiel LEDs, im Projektorsystem4 . Rund um eine Linsenapertur (siehe weiter unten die ausführliche Beschreibung der Projektoroptik) am optischen Ausgang der Projektoreinheit4b für das linke Auge sind mehrere, in diesem Beispiel vier LEDs, in einem etwa gleichen Abstand voneinander angeordnet: LED1, LED2, LED3 und LED4. Eine entsprechend symmetrische Anordnung für die zweite Projektoreinheit4a für das rechte Auge ist vorgesehen und wurde in5 aus Darstellungsgründen weggelassen. Wie weiter unten im Detail beschrieben, liegt in einer bevorzugten optischen Anordnung die genannte Apertur der Projektoreinheit4b ungefähr in einem Abstand der doppelten Visor-Brennweitef der Combinerscheibe 8 entfernt. Die EyeboxebeneE liegt dabei ebenfalls im Abstand der doppelten Brennweite vom Visor entfernt. Damit liegt eine 2f-1:1-Abbildung vor, d. h. die LEDs werden durch den Visor in die EyeboxebeneE abgebildet. Die entsprechenden FokusspotsF1-F4 umranden den EyeboxbereichEb des linken Auges. Das durch die Anordnung der LEDs um die Linsenapertur vorgegebene Muster wird also in EyeboxebeneE projiziert. Als „Projektionsfläche“P dient dabei das Gesicht des Benutzers.
-
5 shows an example of a corresponding arrangement of marking light sources in several different perspective views22nd , in this example LEDs, in the projector system4th . Around a lens aperture (see the detailed description of the projector optics below) at the optical output of theprojector unit 4b For the left eye, several LEDs, in this example four LEDs, are arranged at approximately the same distance from one another: LED1, LED2, LED3 and LED4. A correspondingly symmetrical arrangement for thesecond projector unit 4a for the right eye is intended and was made in5 omitted for reasons of illustration. As described in detail below, the said aperture of the projector unit is located in a preferredoptical arrangement 4b approximately at a distance of twice the visor focal lengthf the combiner disc8th removed. The eyebox levelE. is also at a distance of twice the focal length from the visor. This results in a 2f-1: 1 image, ie the LEDs are brought into the eyebox level through the visorE. pictured. The corresponding focus spotsF1-F4 border the eyebox areaEb of the left eye. The pattern given by the arrangement of the LEDs around the lens aperture is therefore in the eyebox planeE. projected. As a "projection surface"P. the face of the user is used.
Nun kann durch eine Kamera, wie beispielsweise in
Der Vorteil dieser Detektions-Anordnung ist, dass für die Projektion des LED-Musters derselbe optische Kanal, wie für die Visorbildprojektion und Erzeugung der Eyeboxbereiche verwendet wird. Verschiebt sich die Lage der Eyeboxbereiche
Nachfolgend werden die einzelnen optischen Elemente der Blickfeldanzeigevorrichtung
Die Strahlengänge der zwei Projektoreinheiten
Mit der in diesem Beispiel skizzierten Anordnung lässt sich beispielsweise ein 35°x20° großes virtuelles Anzeigebild
Display: Das in jeder Projektoreinheit
Asphärische Projektorlinsen: Das in jeder Projektoreinheit
Freiformspiegel: In jeder Projektoreinheit
Umlenkspiegel: Ein im Strahlengang beider Projektionslichtstrahlenbündel
Reale Zwischenbilder: Wie insbesondere in
Visor, d. h. Combinerscheibe: Die als ein Visor wirkende Reflexionsfläche
Für eine korrekte Funktion und eine möglichst kompakte Anordnung der Projektoroptik können insbesondere nachfolgend erläuterte Verhältnisse von geometrischen Abständen in Relation zu dem Radius der als Konkavspiegel ausgebildeten Reflexionsfläche
- Abstand Visor zu Eyeboxebene: Dieser Abstand kann als Startpunkt der Überlegungen gewählt werden. Der horizontale Abstand
D derCombinerscheibe 8 zu den Augen des Benutzers ergibt sich im vorliegenden Beispiel als ein Kompromiss aus optischen, ergonomischen und Fahrzeugintegrations-Aspekten. Ist dieCombinerscheibe 8 nahe an den Augen, wird die benötigte Combinerscheibenfläche kleiner. Allerdings können sich gegebenenfalls Probleme im Falle eines Crashs ergeben, der Benutzer3 fühlt sich tendenziell beengt durch dieCombinerscheibe 8 , und die Faltung des optischen Strahlengangs ist schwieriger um den Kopf des Benutzers3 herumzuführen. Große Abstände bedingen hingegen eine größere Combinerscheibenfläche, die wiederum beispielsweise schwerer ins Fahrzeug zu integrieren sein kann. Durch Versuche wurde vorliegend ein horizontaler AbstandD von 280 mm als besonders geeignet festgelegt.
- Distance visor to eyebox plane: This distance can be chosen as the starting point for the considerations. The horizontal distance
D. the combiner disc8th to the eyes of the user results in the present example as a compromise between optical, ergonomic and vehicle integration aspects. Is the combiner disc8th close to the eyes, the required combiner pane area becomes smaller. However, problems may arise in the event of a crash for the user3 tends to feel cramped by the combiner pane8th , and the folding of the optical path is more difficult around the user's head3 show around. Large distances, on the other hand, require a larger combiner pane area, which in turn can be more difficult to integrate into the vehicle, for example. A horizontal distance has been established in the present case through testsD. of 280 mm defined as particularly suitable.
Visorradius: Der Radius R (oder Brennweite f=R/2) der als sphärischer oder parabolischer Konkavspiegel ausgebildeten Reflexionsfläche
Lage des realen Zwischenbilds: Die Reflexionsfläche
Optimale Lage der Projektoreinheiten: Die Anforderung ein möglichst kompaktes Projektorsystem
In diesem Fall entsprechen die genannten Abstände der doppelten Brennweite 2f der Reflexionsfläche
Dabei kann die Combinerscheibe
In seinem in
Wie in
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- kompakte Blickfeldanzeigevorrichtungcompact field of view display device
- 22
- faltbares Gehäusefoldable housing
- 33rd
- Benutzeruser
- 44th
- ProjektorsystemProjector system
- 4a, 4b4a, 4b
- Projektoreinheit für das rechte/linke AugeRight / left eye projector unit
- 55
- ausfahrbare Spiegelwandextendable mirror wall
- 66th
- UmlenkspiegelDeflection mirror
- 77th
- BodenseiteBottom side
- 88th
- CombinerscheibeCombiner disc
- 99
- ReflexionsflächeReflective surface
- 10a, 10b10a, 10b
- bildgebendes Displayimaging display
- 1111
- DachseiteRoof side
- 12a, 12b12a, 12b
- optisches Abbildungssystem mit Projektorlinse(n)optical imaging system with projector lens (s)
- 13a, 13b13a, 13b
- FreiformspiegelFreeform mirror
- 1414th
- KraftfahrzeugMotor vehicle
- 1515th
- InsassenraumPassenger compartment
- 1616
- DachhimmelHeadliner
- 1717th
- BefestigungsmittelFasteners
- 1818th
- SteuerungseinheitControl unit
- 1919th
- Eyebox-Tracking-EinrichtungEyebox tracking facility
- 2020th
- DetektionseinrichtungDetection device
- 2121
- Kameracamera
- 2222nd
- MarkierungslichtquellenMarker light sources
- VV
- virtuelles Anzeigebildvirtual display image
- EE.
- EyeboxebeneEyebox level
- Ea, EbEa, Eb
- Eyeboxbereiche für das rechte bzw. linke Auge des BenutzersEyebox areas for the right or left eye of the user
- ZZ
- reales Zwischenbildreal intermediate image
- La, LbLa, Lb
- Projektionslichtstrahlenbündel für das rechte/linke AugeProjection light beam for the right / left eye
- DD.
- horizontaler Abstandhorizontal distance
- dd
- vorbestimmter Spiegelabstandpredetermined mirror spacing
- ff
- Brennweite der konkaven ReflexionsflächeFocal length of the concave reflection surface
- XYZXYZ
- projektoreigenes bzw. visorgebundenes kartesisches KoordinatensystemProjector-specific or visor-bound Cartesian coordinate system
- Y-ZY Z
- Mittenebene des ProjektorsystemsCenter level of the projector system
- FOVFOV
- Field-of-View der KameraField-of-view of the camera
- F1-F4F1-F4
- Fokusspots der MarkierungsquellenFocus spots of the marker sources
- PP.
- „Projektionsfläche“ für Fokusspots der Markierungsquellen im Gesicht des Benutzers“Projection surface” for focus spots of the marking sources on the user's face
- AAAA
- Abstand der Eyeboxbereiche voneinander bzw. mittlerer AugabstandDistance of the eyebox areas from each other or mean eye distance
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
- DE 102017208028 A1 [0004]DE 102017208028 A1 [0004]
- DE 102017214627 A1 [0005]DE 102017214627 A1 [0005]
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- 2020-03-24 DE DE102020108124.3A patent/DE102020108124A1/en active Pending
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