CN109257939A - Hud系统以及用于hud图像产生的方法 - Google Patents

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M.卡普奇利
M.阿恩特
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Saint Gobain Glass France SAS
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Abstract

本发明涉及一种HUD系统，其包括具有至少一个第一图像源（11）的至少一个第一HUD装置、即AR‑HUD装置，所述第一HUD装置用于在显示区域的第一显示区段（19）中显示借助至少一个全息图产生的第一图像，并且包括具有至少一个第二图像源（12）的至少一个第二HUD装置，所述第二HUD装置用于在所述显示区域的第二显示区段（20）中显示在几何投影光学系统中产生的第二图像。

Description

HUD系统以及用于HUD图像产生的方法
技术领域
本发明包括一种HUD系统以及一种用于HUD图像产生的方法。
背景技术
平视显示器（简写为：HUD）在现有技术中原则上是已知的。传统的平视显示器（Head-up-Display, HUD）例如在WO 2016/091435 Al中被描述。这种传统的HUD通常被用于状态显示，诸如（当前的）速度。此外，也已知所谓的增强现实HUD（下文中为：AR-HUD（Augmented-Reality-HUD）），其中使用接触模拟表示，诸如导航和ACC提示（其中，ACC代表自适应巡航控制（Adaptive Cruise Control））。AR-HUD例如在WO 2016/198678 Al中被描述。DE 10 2014 212 186 Al此外描述一种全息光学系统，其用于不同的应用目的、例如用于常规的平视显示器、接触模拟平视显示器等等。
为了（同时）提供用于状态显示的HUD以及AR-HUD，原则上在HUD投影仪中需要两个图像源（一个用于标准HUD，以及一个用于AR-HUD）。然而因为标准HUD和AR-HUD的图像宽度通常明显相互不同，所以为此必须将两个不同的楔角引入到（车辆）玻璃板（Scheibe）中，以便保证两个HUD的最优图像质量。在此尤其有问题的是，标准HUD和AR-HUD的显示区域可能（部分地）重叠。
除了利用传统的光学系统工作的HUD之外，也已知的是，利用全息图工作。例如由DE 10 2014 224 189 Al已知一种HUD系统，其中，通过应用子全息图来实现总图像。在DE10 2014 224 189 Al中也一般性地指出，可以将基于全息图的显示与借助几何投影光学系统产生的显示组合。EP 2 894 509 Al通过类似的方式描述多个显示，即挡风玻璃板视野显示与嵌入到挡风玻璃板中的全息投影显示在玻璃板根部（Scheibenwurzel）的区域中的组合。然而，原则上，借助全息图的显示（诸如在DE 10 2014 224 189 Al中描述的那样）需要不可忽略的耗费，使得经常优选传统的系统（其在无全息图的情况下工作）。
发明内容
本发明的任务是，提出一种HUD系统和一种相应的方法，其利用尽可能小的耗费和尤其尽可能小的空间需求能够产生令人满意的（ansprechende）图像，更确切地说，不仅对于状态显示（诸如当前的速度）而且对于AR显示来产生令人满意的图像。
所述任务通过根据权利要求1所述的HUD系统来解决。优选的实施方式由从属权利要求得知。
此外，所述任务通过根据权利要求11所述的用于图像产生的方法来解决。根据本发明的车辆在权利要求10中被提出。优选的实施由从属权利要求得知。
根据本发明的HUD系统包括具有至少一个第一图像源的至少一个第一HUD装置、即AR-HUD装置，所述第一HUD装置用于在显示区域的第一显示区段中显示借助至少一个全息图产生的第一图像，并且包括至少一个第二HUD装置，所述第二HUD装置用于在所述显示区域的第二显示区段中显示（传统地或者在几何投影光学系统中）产生的第二图像。
AR-HUD装置（augmented reality head-up display：增强现实平视显示器）在本发明的意义上被理解为所谓的接触模拟HUD装置，其中，（与经典HUD不同），不是仅仅将信息投影到挡风玻璃板的有限的区域上，而是将外部环境的元素包括到表示中。对此的示例是标记行人、显示与在前面行驶的车辆的间距或将导航说明直接投影到行车道上，例如用于标记待选择的车道。接触模拟HUD尤其具有至少5m的投影距离，而在静态HUD情况下，投影距离明显更小，典型地为约2m。在本发明的意义上，用投影距离表示在虚拟图像与观察者、也即通常驾驶员的头部之间的间距。投影距离优选地是至少7m。投影距离优选地是至多15m。
本发明的核心思想在于，提出一种特殊的混合HUD系统，其中，可以在采用至少一个全息图的情况下至少产生AR图像并且同时可以在无全息图的情况下（在传统的投影光学系统中）尤其对于状态显示产生图像。在此根据本发明认识到，通过这种组合尤其对于状态显示不仅可以产生视觉上令人满意的（optisch ansprechende）AR-HUD图像而且可以产生良好地可识别的标准图像。在此，考虑了，对于真实的AR-HUD图像需要比较大的投影宽度（诸如在WO 2016/198678 Al中描述的那样）。另一方面，正好也有利的是（例如对于状态显示），有以下可能性：利用另外的（尤其更小的）投影宽度显示图像（诸如在WO 2016/091435Al中描述的那样）。尤其根据本发明也认识到，在传统的成像情况下在令人满足地采用AR-HUD和标准HUD（用于状态显示等等）时，必须将两个不同的楔角引入到玻璃板中，以便保证两个HUD的最优图像质量。如在上面已经描述的那样，在此然而有问题的是，标准HUD和AR-HUD的显示区域也可能部分地重叠。通过使用全息图，对于AR-HUD取消楔形装置（例如楔形薄膜，参看例如WO 2016/091435 Al，在那称作热塑性中间层）的必要性。换言之，通过使用全息图技术，可以使这种楔形装置的楔形（最优地）匹配于第二HUD装置。显示区段的重叠于是不成问题。本发明的思想附加地也在于，不是完全地放弃了传统HUD技术（无全息图），而是第二HUD装置尤其即使在无全息图的情况下也非常好好地工作。由此可以（优选地对于状态显示）使用比较简单的并且稳健的结构。原则上虽然比较高的空间需求与传统的系统关联。但在仅仅对于确定的图像（尤其状态显示）采用第二HUD装置之后，空间需求保持在可接受的范围内，因为可以限制在确定的（小的）投影宽度范围上。因此，总体上通过本系统取得在耗费（尤其在制造方面）和空间需求之间的有利的折衷，使得可以实现可变的、可成本低地制造的和然而要求小结构空间的系统。在此尤其也充分利用：（相比于第二全息图）可以比较成本低地实施在传统HUD中采用的第二投影仪。基于AR-HUD装置，必要时可以实现显示区域（例如挡风玻璃板）的比较复杂的几何形状和设计。当前标准HUD玻璃板的垂直曲率半径位于4000-12000mm处。利用AR-HUD装置必要时可以实现（明显）低于4000mm（无HUD图像的强烈失真）的半径。
在几何投影光学系统中产生的图像尤其可以被理解为在不采用全息图的情况下产生的图像。传统的投影光学系统的中央元件可以是反射元件（镜、尤其凹面镜），通过其来放大图像。在全息HUD的情况下，例如各个全息光学元件（HOE）可以接管该功能。第一HUD装置（HOE-HUD）优选地包括（例如在车辆的仪表板中的）投影仪和例如在挡风玻璃板中的全息装置（薄膜），其具有存储于其中的全息图。与具有经典光学系统的HUD类似地，图像可以在投影仪中被产生并且必要时通过平面镜和/或凹面镜被放大并且被偏转至显示区域（玻璃板）。如果该光射到优选地在显示区域中（在玻璃板中）集成的全息图薄膜上，则所述光可能借助于存储在全息图装置（全息图薄膜）中的干涉图样被衍射。通过衍射的物理效应，在此可以接管全息图的不同的光学功能，此外必要时也接管复杂的透镜、镜和/或棱镜的任务。因为如上面已经阐述的那样，HOE可以接管尤其凹面镜的光学功能，所以在仪表板中对于确定的（虚拟的）图像尺寸所需的结构空间相应地下降，因为AR-HUD投影仪中的光学元件（例如平面镜和/或凹面镜））可以相比于在具有经典光学系统的HUD的情况下更小地被构成。在此，在显示区域中（在挡风玻璃板中）的全息图可以接管图像放大的至少大部分。然而，通过衍射的效应，必要时不仅能够接管全息图的光学功能，而且可选地能够使光的入射角和反射角退耦（在具有经典光学系统的HUD的情况下，当在玻璃板处的反射时始终适用“入射角=反射角”，即两个角度相互耦合）。因此，在根据本发明的AR-HUD（HOE-HUD）情况下取消楔形装置（例如楔形薄膜或楔状PVB，其中，PVB代表聚乙烯醇缩丁醛）的必要性。
第一和第二显示区段可以部分地（尤其仅仅部分地）或完全地重叠。可替代地，第一和第二显示区段可以（完全地）相互分离。在一种具体的实施方式中，第一显示区段的下端部位于第二显示区段的下端部之下（例如在挡风玻璃板的情况下）。恰恰在重叠的显示区域情况下特别有利的是，采用根据本发明的第一和第二HUD装置，因为在HUD装置的所提出的组合情况下，在显示区域（挡风玻璃板）中单个楔角可以足够。
必要时可以实现具有两个不同图像宽度的两个（虚拟的）图像的完全重叠。例如，一方面可以实现（基于符号或象形文字的）接触模拟表示，并且另一方面可以实现阐述性文本，所述阐述性文本与象形文字叠加并且因此在其上写上字。
一般性地，所述显示区域可以通过车辆玻璃板（优选地通过挡风玻璃板）来限定。可替代地或附加地，显示区域可以通过其他的车辆玻璃板（例如后围玻璃板、侧窗玻璃板和/或车顶玻璃板）来限定。
显示区域可以被采用在车辆、尤其机动车、优选地载客汽车和/或载重汽车中、船舶中和/或火车（或列车）中和/或尤其用于人员输送和/或货物输送的飞行器（例如飞机和/或直升飞机）中。
车辆玻璃板（挡风玻璃板）可以包括外玻璃板和内玻璃板，其必要时通过优选地热塑性中间层相互连接。车辆玻璃板（挡风玻璃板）被设置用于，在车辆的窗口中使内部空间相对于外部环境分离。用内玻璃板表示复合玻璃板的朝向内部空间（车辆内部空间）的玻璃板。用外玻璃板表示朝向外部环境的玻璃板。
车辆玻璃板（挡风玻璃板）可以具有上棱边和下棱边。用上棱边表示被设置用于在安装位置中指向上方的侧棱边。用下棱边表示被设置用于在安装位置中指向下方的侧棱边。上棱边经常也被称作车顶棱边，并且下棱边也被称作发动机棱边。在投影仪和眼动范围（Eyebox）的中心之间伸展的射束通常被称作中心射束。该中心射束是用于HUD投影布置的方案的特征性基准射束。以下点可以被称作HUD参考点：即在该点处中心射束射到内玻璃板上。HUD参考点优选地位于HUD区域内，典型地近似在中心。
中间层的厚度可以在挡风玻璃板的上棱边和下棱边之间的垂直伸展上至少逐区段地可变。“逐区段地”在这里尤其意指，在上棱边和下棱边之间的垂直伸展具有至少一个区段，在该至少一个区段中，中间层的厚度与位置有关地改变，即中间层具有楔角。中间层的厚度优选至少在HUD区域中可变。但该厚度也可以在多个区段中改变或者在整个垂直伸展中，例如从上棱边至下棱边单调地增加。用垂直伸展表示在上棱边和下棱边之间的具有基本上垂直于上棱边的伸展方向的伸展。因为在挡风玻璃板情况下上棱边可能强烈地与直线偏离，所以更精确地说，垂直伸展垂直于在上棱边的棱角之间的连接线地取向。中间层至少逐区段地具有有限楔角、也即大于0°的楔角，即在厚度可变的区段中。
用楔角表示中间层的两个表面之间的角度。如果楔角不是恒定的，则为了其测量，在一点处可以考虑对表面的切线。
楔角优选地至少在第二显示区段中可变。优选地，楔角在从第二显示区段的上端部到第二显示区段的下端部的垂直伸展中尤其单调地增加。利用这样的楔角轮廓可以有效地对于不同的眼睛位置避免由于投影仪图像的双重反射引起的虚影。
显示区域、尤其车辆玻璃板（外玻璃板和/或内玻璃板）优选地包含玻璃、尤其钠钙玻璃。但显示区域、尤其车辆玻璃板（外玻璃板和/或内玻璃板）原则上也可以包含其他玻璃种类，例如石英玻璃或硼硅玻璃，也或者刚性透明合成材料、尤其聚碳酸酯或聚甲基丙烯酸甲酯。显示区域、尤其车辆玻璃板（外玻璃板和/或内玻璃板）的厚度可以（广泛地）变化。有利地，单玻璃板分别具有最大为5mm、优选地为最大3mm的厚度。优选地，使用具有在0.8mm至5mm、优选1.4mm至2.5mm的范围中的厚度的玻璃板，例如具有标准厚度1.6mm或2.1mm的玻璃板。
（热塑性）中间层优选地包含至少一种热塑性聚合物、优选乙烯醋酸乙烯酯（EVA）、聚乙烯醇缩丁醛（PVB）或聚氨酯（PU）或它们的混合物或共聚物或衍生物，特别优选PVB。（热塑性）连接层（连接薄膜）的最小厚度优选地是0.2mm至2mm，特别优选地0.3mm至1mm。用最小厚度表示在中间层的最薄位置处的厚度。（热塑性）中间层优选地通过具有可变厚度的至少一个热塑性连接薄膜来构造，即具有至少逐区段可变的楔角的所谓楔形薄膜。中间层的厚度在水平截面（也就是说大致平行于上棱边和下棱边的截面）中可以是恒定的。于是厚度轮廓在复合玻璃的宽度上是恒定的。但该厚度在水平截面中也可以是可变的。于是，厚度不仅在垂直伸展中而且在水平伸展中可变。
中间层可以通过单个薄膜构造或者也通过多于一个的薄膜来构造。在后一种情况中，薄膜中的至少一个可以构造有楔角。中间层也可以由所谓的声学薄膜构造，所述声学薄膜具有噪音消除作用，或者中间层可以包含这样的薄膜。这样的薄膜尤其由至少三个分层组成，其中，中间分层相比包围其的外部分层具有更高的可塑性或弹性，例如由于更高份额的软化剂。
第二图像优选地至少包括状态显示（诸如速度、公里读数、转速、（内部和/或外部）温度和/或油箱显示）。第一图像优选地至少包括车辆环境的元素、诸如行车道边界、其他交通参与者（例如行人）和/或其他车辆的标记、和/或直接在车辆环境、尤其行车道的表面上的导航提示，例如用于方向说明的一个或多个箭头和/或行车道边界标志。第一图像（或第一图像的元素）优选地可以以第一投影距离来产生。第二图像（或第二图像的元素）优选地可以以第二投影距离来产生。特别优选地，第一投影距离大于第二投影距离。投影距离可以理解为在（虚拟）图像（尤其图像的下边缘或端部）与观察者、也即通常观察者的头部之间的间距。作为观察者（观察者的头部）的位置，例如可以采用以下位置：该位置具有与显示区域（挡风玻璃）的左（必要时右）半部的中点（约）一米的（水平）间距。
优选地，具有至少5米、优选至少10m的投影距离的图像可以作为所述第一图像（或作为所述第一图像的元素）来产生。可替代地或附加地，具有至多4.5米、优选至多2.5米的投影距离的图像可以作为所述第二图像（或作为所述第二图像的元素）来产生。
第一图像（或第一图像的元素）的投影距离可以优选地变化（例如在至少10米的范围上、也即例如在5-15米之间）或者是恒定的。第一图像（或第一图像的元素）的投影距离必要时同样可以变化（至少在例如0.5米的小范围上、也即例如1.5-2.5米）。然而，第二图像（或第二图像的元素）的投影也可以是固定的（例如在2米上）。
第一HUD装置也可以被视为接触模拟HUD装置。第二HUD装置也可以被视为静态HUD装置。
在一种具体的实施方式中，楔形装置、尤其楔形薄膜被引入到所述显示区域、尤其至少所述第二显示区段中。
第一和第二HUD装置可以（至少部分地）安放在共同的结构单元（尤其共同的投影仪）中。可替代地或附加地，第一和第二HUD装置可以具有至少一个共同的部件，诸如至少一个共同的反射器、尤其共同的（最后的（letzten））非球面镜和/或至少一个共同的透镜。HUD装置的不同之处尤其在于分别自己的图像源和作为第一HUD装置的组成部分的全息图装置（例如全息图薄膜）以及优选地仅仅配属给第二HUD装置的凹面镜（其中，凹面镜必要时不被用于产生第一图像的光通过）。楔形装置（楔形薄膜）尤其也是第二HUD装置的组成部分，然而这不排除：来自于第一图像源的光也通过楔形装置。
第一和第二图像源可以安放在共同的结构单元（例如共同的投影仪）中。可替代地，第一和第二图像源可以在空间上分离（例如具有至少30cm或至少50m或至少100cm的间距）。例如，第一图像源可以定位在车辆的车顶（车顶内衬（Dachhimmel））处或中。尤其对于比较陡（例如以与垂直线成小于45°或小于20°或小于10°的角度）的显示区域（在载重汽车或具有比较陡的挡风玻璃板的其他车辆中），这是有利的。
根据本发明，此外提出一种车辆、尤其机动车，所述车辆包括以上类型的HUD系统。具体地，机动车可以是具有挡风玻璃板（所述挡风玻璃板于是有利地形成或限定显示区域）的机动车。
上述任务此外通过一种用于尤其在使用HUD系统或上述类型的车辆的情况下进行HUD图像产生的方法来解决，所述方法包括以下步骤：
-在使用至少一个全息图的情况下产生第一图像、即AR-HUD图像，以及
-在不使用全息图的情况下产生第二图像。
以第一投影距离产生所述第一图像（或所述第一图像的元素）。以第二投影距离产生所述第二图像（或所述第二图像的元素）。所述第一投影距离优选地大于所述第二投影距离。
优选地，将至少5米、优选至少10米的投影距离的图像作为所述第一图像（或作为所述第一图像的元素）来产生。可替代地或附加地，将具有至多4.5米、优选至多2.5米的投影距离的图像作为所述第二图像（或作为所述第二图像的元素）来产生。
投影距离的求取和确定尤其也可以由WO 2016/198678导出。
优选地例如通过使用计算和/或仿真来根据单独的使用位置（例如车辆）来适配AR-HUD装置。
附图说明
根据附图更详细地阐述本发明。附图对应于示意图并且不是按比例的。附图决不限制本发明。
图1示出根据本发明的HUD系统的示意性视图。
具体实施方式
投影仪10包括第一图像源11以及第二图像源12。第一图像源11在示例性示出的第一光程13上朝（未完整示出的）车辆的挡风玻璃板15中的全息薄膜14的方向发送射束。在全息薄膜（尤其聚合物薄膜）14中存储有全息图。与具有经典光学系统的HUD系统类似地，图像在投影仪10中被产生，通过（未详细示出的）平面镜和凹面镜被放大并且被偏转至玻璃板。如果该光（示例性地在光程13上）射到集成到玻璃板中的全息薄膜14（全息图薄膜）上，则所述光借助于（an）存储于全息图薄膜中的干涉图样被衍射。在此，全息薄膜14也接管凹面镜的功能，因为可以使（虚拟的）HUD图像放大多倍。对于确定的（虚拟的）图像尺寸所需的（例如在仪表板中的）结构空间相应地下降（sinken），因为投影仪10中的平面镜和凹面镜（未详细示出）可以相比于在具有（纯）经典光学系统的HUD的情况下更小地被构成。在挡风玻璃板15中的全息薄膜14接管图像放大的大部分。观察者的头部通过附图标记18示意性地予以图解。楔形装置（例如楔形薄膜）的采用对于该全息图像产生不是必要的。
并行地在投影仪10中也设置有第二图像源12，对于所述第二图像源可以在投影仪中至少部分地使用与对于第一图像源11相同的镜（例如最后的非球面镜）。因为在标准HUD情况下图像尺寸和图像宽度比较小，所以在仪表板中的结构空间要求不（或者几乎不）增大。来自于第二图像源12的光在第二光程16上同样被偏转到挡风玻璃板15上，更确切地说，通过凹面镜17被偏转到挡风玻璃板15上。此外，在挡风玻璃板15中引入楔形（例如通过楔形薄膜，诸如在WO 2016/198678 Al中描述的那样）。然而，该楔形不影响HOE-HUD的功能。
可以在第一显示区段19中显示来自于第一图像源的图像。可以在第二显示区段20中显示来自于第二图像源的图像。
因此，利用由HOE-HUD和具有经典光学系统的HUD组成的该组合可以制造满足高要求的混合HUD。
附图标记列表：
10 投影仪
11 第一图像源
12 第二图像源
13 第一光程
14 全息薄膜
15 挡风玻璃板
16 第二光程
17 凹面镜
18 观察者
19 第一显示区段
20 第二显示区段。

Claims (13)

1.一种HUD系统，其包括具有至少一个第一图像源（11）的至少一个第一HUD装置、即AR-HUD装置，所述第一HUD装置用于在显示区域的第一显示区段（19）中显示借助至少一个全息图产生的第一图像，并且包括具有至少一个第二图像源（12）的至少一个第二HUD装置，所述第二HUD装置用于在所述显示区域的第二显示区段（20）中显示在几何投影光学系统中产生的第二图像。
2.根据权利要求1所述的HUD系统，其特征在于，所述第一显示区段（19）和所述第二显示区段（20）部分地重叠或相互分离。
3.根据权利要求1或2所述的HUD系统，其特征在于，所述显示区域通过车辆玻璃板、尤其挡风玻璃板（15）来限定。
4.根据以上权利要求中任一项所述的HUD系统，其特征在于，所述第二图像至少具有状态显示，诸如速度、公里读数、转速、温度和/或油箱显示。
5.根据以上权利要求中任一项所述的HUD系统，其特征在于，所述第一图像至少包括车辆环境的元素、诸如行车道边界、其他交通参与者、例如行人和/或其他车辆的标记，和/或在所述车辆环境、尤其行车道的表面上的导航提示。
6.根据以上权利要求中任一项所述的HUD系统，其特征在于，所述第一图像或所述第一图像的元素能够以第一投影距离来产生，以及所述第二图像或所述第二图像的元素能够以第二投影距离来产生，其中，所述第一投影距离大于所述第二投影距离。
7.根据以上权利要求中任一项所述的HUD系统，其特征在于，具有至少5m、优选至少10m的投影距离的图像能够作为所述第一图像或作为所述第一图像的元素来产生，和/或
具有至多4.5m、优选至多2.5m的投影距离的图像能够作为所述第二图像或作为所述第二图像的元素来产生。
8.根据以上权利要求中任一项所述的HUD系统，其特征在于，楔形装置、尤其楔形薄膜被引入到所述显示区域、尤其至少所述第一显示区段（19）中。
9.根据以上权利要求中任一项所述的HUD系统，其特征在于，所述第一和第二HUD装置至少部分地安放在共同的结构单元、尤其共同的投影仪（10）中和/或具有至少一个共同的部件、诸如至少一个共同的反射器、尤其共同的（最后的）非球面镜和/或至少一个共同的透镜。
10.一种车辆，其包括根据以上权利要求中任一项所述的HUD系统。
11.一种用于HUD图像产生的方法，所述方法包括以下步骤：
-在使用至少一个全息图的情况下产生第一图像、即AR-HUD图像，以及
-在不使用全息图的情况下产生第二图像。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，以第一投影距离产生所述第一图像或所述第一图像的元素，并且以第二投影距离产生所述第二图像或所述第二图像的元素，其中，所述第一投影距离大于所述第二投影距离。
13.根据权利要求11或12中任一项所述的方法，其特征在于，将具有至少5m、优选至少10m的投影距离的图像作为所述第一图像或作为所述第一图像的元素来产生，和/或
将具有至多4.5m、优选至多2.5m的投影距离的图像作为所述第二图像或作为所述第二图像的元素来产生。
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