DE10157605C1

DE10157605C1 - Projektionsvorrichtung zur Erzeugung eines Bildes

Info

Publication number: DE10157605C1
Application number: DE2001157605
Authority: DE
Inventors: Hans-Georg Heckmann
Original assignee: Rodenstock Praez Soptik & GmbH
Current assignee: Qioptiq Photonics GmbH and Co KG
Priority date: 2001-11-26
Filing date: 2001-11-26
Publication date: 2003-06-18
Anticipated expiration: 2021-11-27

Abstract

Es ist eine Projektionsvorrichtung zur Erzeugung eines vergrößerten Bildes eines von einem Display abgestrahlten realen Bildes mit einem in das Sichtfeld hineinreichenden, eine optische Achse aufweisenden, auf Seiten des Betrachters konkaven Combiner vorgesehen. Dieser weist einen in dessen umgelenkten Strahlengang unter Bildung eines Zwischenbildes angeordneten, ebenfalls eine optische Achse aufweisenden Mangin-Rückflächenspiegel sowie zumindest einen ersten konkaven sowie einen zweiten konkaven Spiegel auf, die so zueinander angeordnet sind, daß der Strahlengang von dem Mangin-Rückflächenspiegel über den ersten und dann den zweiten Spiegel reflektiert und von diesem auf das Display fokussiert wird, wo im Bereich des Zwischenbildes eine Feldblende angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Projektionsvorrichtung zur Erzeugung eines vergrößerten Bildes eines von einem Display ausgestrahlten realen Bildes.

Die Bilder können auch Informationen enthalten wie Verkehrsinformationen oder dgl. Solche Projektionsvorrichtungen, die ein im Sichtfeld eines Betrachters liegendes Einspiegelelement als sogenannten Combiner aufweisen, sind in einer Vielzahl von Ausführungsformen, insbesondere als sogenannte Head-up Displays (HUD) in einfacher Ausgestaltung (z. B. DE 41 02 678 A1) und in aufwendigen Ausführungsform (z. B. EP 0 305 096 A1) bekannt.

Der wesentliche Vorteil dieser HUDs besteht darin, daß der Betrachter seinen Blick nicht ins Fahrzeuginnere wenden und neu akkommodieren muß.

Diese bekannten Vorrichtungen sollen sowohl ein möglichst großes Gesichtsfeld als auch einen Einblickbereich bzw. Bewegungsbereich für die Augenposition (Eyebox) bei gleichzeitig geringem Platzbedarf besitzen, was an sich einander widersprechende Forderungen sind. Das betrifft auch das bildgebende Display selbst. Verwendet man ein relativ kleines Display, welches durch die hohe Vergrößerung bzw. Brechkraft kurze Strahlenwege zwischen Combiner und Display verspricht, so führt das zwangsläufig zu Systemen mit hoher Apertur (sin u' = h w/y'), welche wiederum schnell dazu neigen, aufwendig und damit kostspielig zu werden. Darüberhinaus wird das Problem noch durch die von der Optik weit entfernt liegenden Pupillenlage (Eyebox) verschärft. Infolgedessen besitzen bekannte HUDs relativ große Abmessungen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine eingangs genannte Projektionsvorrichtung mit großem Gesichtsfeld und großem Einblickbereich bei gleichzeitig geringem Platzbedarf bereitzustellen. Die Verwendung der Windschutzscheibe (WSS) als einspiegelndes Element scheidet aus einer Vielzahl von Gründen aus.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des Hauptanspruchs in überraschend einfacher Weise gelöst.

Die erfindungsgemäße Projektionseinrichtung zeichnet sich durch einen zweistufigen optischen Aufbau, also mit Zwischenabbildung aus. Die hierbei übliche verstärkte Bidfeldkrümmung wird durch einen Mangin-Rückflächenspiegel behoben. Der Combiner selbst, der auch als Freiform- oder Toroid-Fläche ausgestaltet sein kann und dessen Ausmaße sich zwangsläufig durch Eyebox und Bildfeld ergeben, ist hierbei das größte Element und kann in seiner einfachsten Ausführungsform auch ein bloßer Spiegel sein. Hierdurch läßt sich grundsätzlich eine kompakte Ausgestaltung erzielen, weil alle anderen Komponenenten kleiner sein können. Hinzu kommt, daß zumindest zwei weitere konkave Spiegel für zumindest zwei weitere Reflexionen verwendet werden, so daß damit größere Bauformen nicht erforderlich sind, was auch zu einer kompakten Bauweise beiträgt. Auch kann im Bereich des Zwischenbildes mit Hilfe der Feldblende unerwünschte Störstrahlung, z. b. direktes Sonnenlicht ausgeblendet werden.

In zweckmäßiger Ausgestaltungen erzielt man eine weitere kompakte Bauweise dadurch, daß ein dritter Spiegel als Planspiegel, an dem eine dreifache Reflexion stattfindet, verwendet wird, so daß noch bei gleichlangen, allerdings gefalteten Strahlengängen kompaktere Außenabmessungen möglich sind.

Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind also alle optischen Elemente bezüglich einer gemeinsamen optischen Achse rotationssymmetrisch ausgebildet und die Strahlenbündel verlaufen alle asymmetrisch zur optischen Achse (off-axis).

Mit besonderem Vorteil wird die Vorrichtung auch als HUD zum Einbau in Kraftfahrzeugen vorgesehen. Mit der im wesentlichen rotationssymmetrischen Off-Axis genutzten Ausgestaltung des Combiners und dem ersten und zweiten Spiegel, bei der nur das Display verkippt ist, ist die gestellte Aufgabe noch besser zu lösen. Es kann ein relativ großes, praktisch verzerrungsfreies und über die gesamte Eyebox stabiles Gesichtsfeld von 12 × 4 Grad erhalten werden. Wegen des stark gekrümmten Combiners wird die Sonne nur sehr unscharf auf das Display abgebildet, d. h. es wird durch die Sonneneinstrahlung kaum belastet, wohingegen die Optik hinter einem Plan-Combiner wie ein Brennglas wirken würde. Damit ist gleichzeitig, die sonst auf diesem Wege gegebene Blendgefahr (Reflexion der Sonne oder andere Störlichtquellen, über das Display und den Combiner) sehr gering. Die Schrägstellung des Displays sowie die erfindungsgemäße Feldblende um das Zwischenbild, vermindern diese Effekte zusätzlich. Weiterhin können keine zusätzlichen scharfen Reflexbilder an der Windschutzscheibe (WSS) entstehen, weil diese viel flacher gekrümmt ist als der Combiner. Der Bündeldurchmesser am Zwischenbild ist sehr gering, was auch aus ästhetischen Gründen wünschenswert ist, weil dann nur eine kleine Öffnung in der Armaturenbrett-Abdeckung notwendig ist. Außerdem ermöglicht es das Zwischenbild, eine Feldblende zu implementieren, welche kontrastminderndes Streu-Reflexlicht unterdrückt. Das System ist auch farblich korrigiert (RGB-tauglich) und es werden keine holographischen/diffraktiven Elemente verwendet. Durch die hohe numerische Apertur wird praktisch das gesamte vom Display abgestrahlte Licht ausgenutzt. Dem ist es äquivalent, daß das Display relativ klein sein kann (sin[u]'.y' = konstant). Die große Pupillen-Schnittweite am Display ermöglicht gleichmäßige und relativ geringe Einfallswinkel, was wichtig für die Homogenität der Helligkeit und des Wirkungsgrades ist, denn ein Display hat normalerweise eine gerichtete Abstrahl-Charakteristik. Das Design einer Beleuchtungsoptik wird dadurch ebenfalls erleichtert. Die Höhenverstellung der Eyebox ohne jegliche Qualitätsverluste ist leicht durch Verkippen der gesamten Vorrichtung zu bewerkstelligen.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß von dem Combiner sowie dem ersten und dem zweiten Spiegel optisch nur der außeraxiale Teil genutzt wird, so daß nur dieser Teil, nicht aber der ganze Spiegel gefertigt werden muß.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert: In dieser zeigt:

Fig. 1 die erfindungsgemäße Projektionsvorrichtung mit einem Betrachter und dem virtuellen Bild des Gesichtsfeldes und

Fig. 2 die Projektionsvorrichtung gemäß Fig. 1, im schematischen Querschnitt und größerem Maß stab.

Die insgesamt mit 5 bezeichnete Projektionsvorrichtung zeigt einen Betrachter 6, dessen Auge sich im Bereich einer Eyebox 7 befindet, von dem ein Strahlenbündel 9 durch die insgesamt mit 5 bezeichnete Vorrichtung hindurchgeht und im Gesichtsfeld 8 ein virtuelles Bild eines realen Bildes auf dem Display in Vergrößerung darstellt.

Die Vorrichtung 5 weist einen konkaven, rotationssymmetrischen asphärischen Spiegel als Combiner 10 auf, der nur im Bereich außerhalb seiner optischen Achse 11 (Off-Axis Asphäre) verwendet wird. Das Strahlenbündel 9 wird - ausgehend als "Sehstrahl" vom Betrachter 6 - mit seinem Hauptstrahl 121 von dem Combiner 10 als Strahl 122 auf ein insgesamt mit 13 bezeichneten Mangin-Rückflächenspiegel 13 umgelenkt. Die restlichen Strahlen, so auch der Hauptstrahl 121' gehen durch den halbdurchlässigen Combiner 10 hindurch, wie in Fig. 2 bezeichnet ist.

Von diesem Mangin-Rückflächenspiegel 13 ist beim wiedergegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiel der umgelenkte Hauptstrahl 123 auf einen insgesamt mit 14 bezeichneten - dritten - Planspiegel so umgelenkt, daß der Hauptstrahl 123 zu einem ersten Konkavspiegel 15 als Hauptstrahl 124 reflektiert wird, der von diesem ersten Konkavspiegel 15 als reflektierter Hauptstrahl 125 zum zweiten Mal auf den Planspiegel 14 reflektiert wird. Von dort wird er als reflektierter Strahl 126 auf einen zweiten konkaven Spiegel 16 und von dort als reflektierter Hauptstrahl 127 zum dritten Mal auf den Planspiegel 14 und von, dort als Hauptstrahl 128 auf das insgesamt mit 18 bezeichnete Display reflektiert. Aufgrund der vielfachen Reflexion des Strahlenbündels an dem Planspiegel 14 und die dadurch bedingte Faltung des Strahlenganges und die Mehrfachausnützung des Planspiegels (Faltspiegels) 14 wird eine äußerst kompakte Vorrichtung ermöglicht, wobei mit dieser Ausführungsform eine Vergrößerung von knapp 9, ein Gesichtsfeld von 12 × 4 Grad und eine Eyebox von 130 × 50 mm² bei einem Abstand vom Betrachter 6 zum virtuellen Bild 8 zwei Meter und bei einem Abstand vom Betrachter 6 zum Combiner von 70 cm erzielt wird. Wichtig ist auf jedem Fall, daß der Strahlengang zwischen Combiner 10 und Mangin-Rückflächenspiegel 13 so bemessen ist, daß sich ein Zwischenbild bei 17 ergibt bzw. dort eine Feldblende 19 möglich ist.

Claims

1. Projektionsvorrichtung zur Erzeugung eines vergrößerten Bildes (8) eines von einem Display (18) abgestrahlten realen Bildes mit einem in das Sichtfeld (9) hineinreichenden, eine optische Achse (11) aufweisenden, auf Seiten des Betrachters (6) konkaven Combiner (10), mit einem in dessen umgelenkten Strahlengang unter Bildung eines Zwischenbildes (17) angeordneten, ebenfalls eine optische Achse (11) aufweisenden Mangin-Rückflächenspiegel (13), und mit zumindest einem ersten konkaven (15) sowie einem zweiten konkaven Spiegel (16), die so zueinander angeordnet sind, daß der Strahlengang von dem Mangin-Rückflächenspiegel über den ersten und dann den zweiten Spiegel reflektiert und von diesem auf das Display (18) fokussiert wird, wobei im Bereich des Zwischenbildes eine Feldbleie (19) angeordnet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein dritter Spiegel (14) vorgesehen ist, daß der Strahlengang von dem Mangin-Rückflächenspiegel (13) an dem dritten Spiegel (14) ein erstes Mal auf den eine optische Achse aufweisenden ersten Spiegel (15) und von diesem wieder ein zweites Mal auf den dritten Spiegel (14) und von diesem über den ebenfalls eine optische Achse aufweisenden zweiten Spiegel (16) wieser auf den dritten Spiegel (14) ein drittes Mal zurückreflektiert und von dort auf das Display (18) geleitet wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte Spiegel (14) als Planspiegel ausgebildet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der konkave Combiner (10) als rotationssymmetrische Off-Axis-Asphäre und als Vorder- oder Rückflächenspiegel ausgebildet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Spiegel und/oder der zweite Spiegel (15 bzw. 16) als rotationssymmetrische Off-Axis-Asphäre und als Vorder- oder Rückflächen spiegel ausgebildet ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Display (18) als LCD-Display, DMD, LED-Array, Laserdioden-Array Faserbündel oder als Laserscanner mit Mattscheibe oder selbstleuchtendes oder reflektierendes reales Objekt ausgebildet ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Achse (11) des Combiners (10) mit jener des Mangin-Rückflächenspiegels (13) zusammenfällt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Achse (11) des zweiten Spiegels (16) mit der optischen Achse (11) des Mangin-Rückflächenspiegels (13) zusammenfällt.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Flächennorm des Planspiegels sowohl mit der optischen Achse des ersten Spiegels (15) als auch des zweiten Spiegels (16) je einen Winkel bildet und daß diese Winkel gleich groß sind.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Projektionsvorrichtung als Head-up Display (5) zur Erzeugung eines vergrößerten, im Sichtfeld eines Betrachters (6) liegenden, vorzugsweise virtuellen Bildes (8) ausgebildet ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Head-up Display (5) zum Einbau in Kraftfahrzeugen ausgebildet ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Eyebox (7) 130 × 50 mm² beträgt.

13. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Gesichtsfeld (8) des virtuellen Bildes 12 × 4 Grad beträgt.

14. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen Combiner (10) und Eyebox (7) etwa 0,7 m beträgt.

15. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen Eyebox (7) und virtuellem Bild 2 m beträgt.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß bei Austausch des Displays (18) durch einen Detektor und des Bildes (7) durch parallel einfallendes Licht die Projektionsvorrichtung als Kamera bzw. Teleskop ausgebildet ist.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß bei Austausch des Displays (18) durch eine andere leuchtende Fläche die Projektionsvorrichtung als Kollimator ausgebildet ist.

18. Vorrichtung nach Anspruche 2, dadurch gekennzeichnet, daß die das Vorzeichen der Abfolge der optischen Brechkräfte vom Display (18) beginnend positiv-positiv-negativ-positiv ist, wobei unter positiver Brechkraft eine sammelnde Wirkung und unter negativer Brechkraft eine zerstreuende Wirkung verstanden wird.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlenbündel zwischen dem konkaven ersten und dem konkaven zweiten Spiegel (15 bzw. 16) weitgehend parallel oder konvergent verlaufen.

20. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlenbündel am Display (18) bezüglich ihrer Hauptstrahlen über die gesamte nutzbare Fläche des Displays zueinander parallel sind.

21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlenbündel am Display (18) zu deren Normalen der Displayfläche schief verlaufen.