DE102007014298A1

DE102007014298A1 - Headup-Display-Vorrichtung

Info

Publication number: DE102007014298A1
Application number: DE102007014298A
Authority: DE
Inventors: Toshiki Kariya Ishikawa; Hiroshi Kariya Andoh; Takayuki Kariya Fujikawa
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2006-03-31
Filing date: 2007-03-26
Publication date: 2007-10-11
Also published as: JP2007272061A; US20070229394A1

Abstract

Eine Anzeigevorrichtung zur Verwendung in einem Fahrzeug umfasst eine Strahlungsquelle (31) zur Aussendung eines Lichtbündels eines Bildes, eine Richtungsänderungskomponente (33) zur Umlenkung des Lichtbündels des Bildes (31a), eine optische Komponente (32) zur Vergrößerung des Bildes, das in sie eintritt, und eine Reflexionskomponente (1) zur Reflexion des Lichtbündels des Bildes (31a) für einen Insassen des Fahrzeugs. Die Richtungsänderungskomponente (33) ist in einem Winkel bezüglich eines Zentralstrahls des Lichtbündels des Bildes (31a), das von der Strahlungsquelle (31) ausgesendet wird, in einem Lichtweg zwischen der Strahlungsquelle (31) und der optischen Komponente (32) angeordnet, und die Richtungsänderungskomponente (33) korrigiert eine Verzerrung des virtuellen Bildes (5), das für den Insassen des Fahrzeugs erkennbar ist, die von wenigstens entweder der optischen Komponente (32) oder der Reflexionskomponente (1) erzeugt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Headup-Display-Vorrichtung in einem Fahrzeug.
Seit einigen Jahren sind Headup-Display-Vorrichtungen, die ein Anzeigebild von einer Position innerhalb einer Instrumententafel oder -Konsole in Richtung einer Oberfläche einer Windschutzscheibe projizieren, um einem Fahrer eines Fahrzeugs das Anzeigebild als ein virtuelles Bild durch Reflexion an der Oberfläche der Windschutzscheibe anzuzeigen, bekannt.
Die Headup-Display-Vorrichtung liefert im Wesentlichen ergänzende Informationen, die zum Fahren erforderlich sind, indem die Informationen einem vorderen Sichtfeld überlagert werden, wodurch verhindert wird, dass der Fahrer zur Erkennung der Information seinen Blick von der Straße abwendet. In diesem Fall ist es vorteilhaft, wenn sich das virtuelle Bild in einem relativ großen Abstand vom Fahrer befindet, so dass der Fahrer nicht zu starker Akkomodation gezwungen ist.
Ein Reflexionspunkt des Anzeigebildes auf einem Reflektor auf der Windschutzscheibe und eine Anzeigevorrichtung wie etwa eine Flüssigkristallanzeige bestimmen einen Projektionsabstand des virtuellen Bildes. Der Projektionsabstand mit einem vorbestimmten Wert muss vorgesehen sein, um das virtuelle Bild auf der Windschutzscheibe in geeigneter Weise anzuzeigen. Jedoch ist es bei einer Instrumententafel schwierig, einen erforderlichen Abstand in Form einer geraden Strecke bereitzustellen. Daher gewinnt man den erforderlichen Abstand von der Windschutzscheibe durch Verwendung von Komponenten wie etwa einer Linse oder einem Vergrößerungsglas, die wie nachfolgend beschrieben einen virtuellen Abstand erzeugen. Das heißt, wie es in 17 gezeigt ist, ein Abstand b des virtuellen Bildes wird ausgehend von einem Projektionsabstand a von der optischen Komponente zur Vergrößerung des Bildes zu der Anzeigevorrichtung berechnet, d.h. einer Linse und einer Brennweite f der Linse in Gleichung 1. 1/a – 1/b = 1/f (1)
Wenn in diesem Fall der Betrag der Brennweite f kleiner wird, so dass man ein kompaktes Gehäuse der Anzeigevorrichtung in der Headup-Display-Vorrichtung erhält, überschreitet die Verzerrung des virtuellen Bildes eine Akzeptanzschwelle zur leichten Erkennung des virtuellen Bildes. Daher sind die Anzeigevorrichtung und die optische Komponente zur Vergrößerung in einem begrenzten Raum vorzugsweise so weit wie möglich von einander entfernt angeordnet, um eine erforderliche Vergrößerung der optischen Komponente in Bezug auf die Verzerrung des virtuellen Bildes zu verringern, das auf einem minimalen Wert gehalten werden soll, und um eine gute Erkennbarkeit des virtuellen Bildes zu gewährleisten.
Die japanische Patentschrift JP-A-H04-247489 beispielsweise offenbart eine Technik, die in einem optischen Vergrößerungssystem eine asphärische Konvexlinse mit einer relativ langen Brennweite f verwendet, die ein gewölbtes Bild auf einer Projektionsoberfläche auf einem nicht unterscheidbar Niveau bewahrt, um die Verzerrung des virtuellen Bildes zu unterdrücken. In diesem Fall wird ein optischer Weg von der Anzeigevorrichtung zu der asphärischen Linse durch eine Mehrzahl von Spiegel gefaltet, die in dem begrenzten Raum enthalten sind.
Jedoch ist die Vergrößerung, mit der das Anzeigebild auf der Windschutzscheibe gemäß der Offenbarung in der oben zitierten Patentschrift angezeigt wird, nicht ausreichend, da die Vergrößerung durch die maximale Verzerrung des virtuellen Bildes begrenzt ist, die für den Fahrer nicht erkennbar sein soll. Ferner, wenn der optische Weg zur stärkeren, verzerrungsfreien Vergrößerung des Anzeigebildes verlängert wird, wird das Gehäuse der Anzeigevorrichtung wieder verkleinert. Mit anderen Worten, durch eine in der obigen Patentschrift offenbarte Technik ist die Anzeigevorrichtung der Headup-Display-Vorrichtung, die in einem kleinen Gehäuse untergebracht werden soll, nicht dazu geeignet, das Anzeigebild verzerrungsfrei auf eine ausreichende Größe zu vergrößern.
Angesichts der oben beschriebenen und weiterer Probleme stellt die vorliegenden Erfindung eine Headup-Display-Vorrichtung bereit, die ein ausreichend vergrößertes, virtuelles und verzerrungsfreies (Anzeige)Bild an einer für den Fahrer geeigneten Position anzeigt, ohne dabei die Abmessungen der Vorrichtung zu vergrößern.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst die Anzeigevorrichtung zur Verwendung in einem Fahrzeug eine Strahlungsquelle zur Aussendung von Lichtstrahlen eines Bildes, eine Richtungsänderungskomponente zur Änderung der Richtung der Lichtstrahlen des Bildes, eine optische Komponente, die das Bild vergrößert, wenn die Lichtstrahlen des Bildes, die von der Richtungsänderungskomponente umgelenkt werden, durch sie hindurchtreten, und eine Reflexionskomponente, die die Lichtstrahlen des Bildes zu dessen visueller Wahrnehmung durch einen In sassen des Fahrzeugs als ein virtuelles Bild reflektiert, wenn die Lichtstrahlen des Bildes, vergrößert durch die optische Komponente, in sie eintreten. Die Richtungsänderungskomponente ist in einem Winkel gegenüber eines Zentralstrahls des Lichtbündels des Bildes, ausgesendet von der Strahlungsquelle, zwischen der Strahlungsquelle und der optischen Komponente angeordnet, und die Richtungsänderungskomponente korrigiert eine Verzerrung des virtuellen Bildes in der visuellen Wahrnehmung durch den Fahrzeuginsassen durch wenigstens entweder die optische Komponente oder die Reflexionskomponente.
Die Richtungsumlenkungskomponente, die zwischen der Strahlungsquelle und der optischen Komponente angeordnet ist, erlaubt es den Lichtstrahlen, auf eine reflektierende Oberfläche der Richtungsänderungskomponente projiziert zu werden, bevor sich das Licht des Bildes aufweitet. Das heißt, die Größe der Richtungsänderungskomponente und die Größe der Headup-Display-Vorrichtung sind durch die Richtungsänderung der Lichtstrahlen des Bildes vor der Aufweitung verringert.
Ferner wird die Verzerrung des von der Reflexionskomponente reflektierten Bildes aufgrund der optischen Komponente und der Reflexionskomponente durch die Richtungsänderungskomponente und die optische Komponente kompensiert. Daher wird dem Fahrzeuginsassen das Bild bereitgestellt, das nur unwesentlich verzerrt ist. Ferner ist die Vergrößerung durch die optische Komponente aufgrund der Kompensation der Verzerrung durch die Richtungsänderung vor der Vergrößerung erhöht. Das heißt, das Bild von der Strahlungsquelle kann verzerrungsfrei vergrößert werden.
Die obigen und weitere Aufgaben, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung, die unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung gemacht wurde, deutlicher ersichtlich. In den Zeichnungen sind:
1 eine Darstellung einer Headup-Display-Vorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 eine Seitenansicht eines optischen Systems in der Headup-Display-Vorrichtung der ersten Ausführungsform;
3 eine Seitenansicht eines Lichtwegs in einem Gehäuse der Headup-Display-Vorrichtung der ersten Ausführungsform;
4 eine transparente, perspektivische Ansicht eines einstellbaren (frei formbaren) Oberflächenspiegels gemäß der ersten Ausführungsform;
5A und 5B Seitenansichten des optischen Systems mit dem frei formbaren Oberflächenspiegel und einer Fresnel-Linse gemäß der ersten Ausführungsform;
6 eine Seitenansicht des Lichtwegs in dem Gehäuse der Headup-Display-Vorrichtung gemäß einer Modifikation der ersten Ausführungsform;
7 eine Seitenansicht des Lichtwegs in dem Gehäuse der Headup-Display-Vorrichtung gemäß einer weiteren Modifikation der ersten Ausführungsform;
8 eine Seitenansicht des optischen Systems in der Headup-Display-Vorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
9 eine Seitenansicht des optischen Systems in der Headup-Display-Vorrichtung gemäß einer Modifikation der zweiten Ausführungsform;
10 eine perspektivische Ansicht der Fresnel-Linse gemäß einer weiteren Modifikation der zweiten Ausführungsform;
11 eine Seitenansicht des optischen Systems in der Headup-Display-Vorrichtung gemäß einer weiteren Modifikation der zweiten Ausführungsform;
12 eine perspektivische Ansicht der Fresnel-Linse gemäß noch einer weiteren Modifikation der zweiten Ausführungsform;
13 eine Seitenansicht des optischen Systems in der Headup-Display-Vorrichtung gemäß noch einer weiteren Modifikation der zweiten Ausführungsform;
14A und 14B eine optische Komponente gemäß noch einer weiteren Modifikation der zweiten Ausführungsform;
15 eine Seitenansicht des optischen Systems in der Headup-Display-Vorrichtung gemäß noch einer weiteren Modifikation der zweiten Ausführungsform;
16A und 16B Darstellungen der optischen Komponente gemäß noch einer weiteren Modifikation der zweiten Ausführungsform; und
17 eine Beziehung zwischen der optischen Komponente und einem virtuellen Bild in einer allgemeinen Anzeigevorrichtung.
(Erste Ausführungsform)
1 zeigt eine Headup-Display-Vorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 2 zeigt eine Seitenansicht eines optischen Systems in der Headup-Display-Vorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform. 3 zeigt eine Seitenansicht eines Lichtwegs im Falle der Headup-Display-Vorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform.
Das optische System der Headup-Display-Vorrichtung umfasst eine Anzeigevorrichtung 31, eine Fresnel-Linse 32 und einen frei formbaren Spiegel 33. Die Anzeigevorrichtung 31 ist eine Quelle zur Aussendung eines Anzeigebildes. Die Fresnel-Linse 32 wird zur Vergrößerung des Anzeigebildes der Anzeigevorrichtung verwendet. Die Komponenten in dem optischen System der Headup-Display-Vorrichtung sind in einer Instrumententafel 2 unter einer Windschutzscheibe 1 eines Fahrzeugs angeordnet. Die Fresnel-Linse 32 ist in der Nähe einer Öffnung 2a der Instrumententafel angeordnet, wobei ihre optische Achse senkrecht zu einem Zentralstrahl 31a eines an dem frei formbaren Spiegel 33 reflektierten Lichtbündels des von der Lichtquelle ausgesendeten Anzeigebildes 31 ist. Die Fresnel-Linse 32 ist aus einem transparenten Material mit einer Mehrzahl kreisförmiger Rillen, die konzentrisch zum Zentralstrahl 31a des reflektierten Lichtbündels auf beiden Oberflächen ausgebildet sind, hergestellt.
Der frei formbare Spiegel 33 ist zwischen der Anzeigevorrichtung 31 und der Fresnel-Linse 32 angeordnet, wobei seine optische Achse diagonal zum Zentralstrahl des Lichtbündels des Anzeigebildes ausgerichtet ist. Der Winkel zwischen der optischen Achse der Fresnel-Linse 32 und dem Zentralstrahl des Lichtbündels des Anzeigebildes liegt zum Beispiel zwischen 10 Grad und 45 Grad.
Eine Position eines Auges des Fahrers ist in 4 als ein Augpunkt 4 dargestellt, und das Auge selbst ist darin mit 4a bezeichnet. Ferner ist ein auf das Auge 4a des Fahrers projiziertes Bild als ein virtuelles Darstellungsbild 5 bezeichnet.
Nachfolgend ist das in 2 dargestellte optische System beschrieben. Der Abstand zwischen dem durch den frei formbaren Spiegel 33 reflektierten Bild (dem Bild der Anzeigevorrichtung 31) und der Fresnel-Linse 32 ist als Abstand l₁ bezeichnet, und der Abstand zwischen einem Punkt der Fresnel-Linse 32, durch den der Zentralstrahl 31a des reflektierten Bündels tritt, und einem Punkt der Windschutzscheibe 1, durch den deren optische Achse führt, ist als Abstand l₂ bezeichnet. Ferner, der Abstand zwischen einem Punkt der Windschutzscheibe 1, durch den deren optische Achse führt, und dem Auge 4a des Fahrers ist als Abstand l₃ bezeichnet, und der Abstand zwischen einem Punkt der Windschutzscheibe 1, durch den deren optische Achse führt, und dem virtuellen Darstellungsbild 5 ist als Abstand l₄ bezeichnet. Wenn in diesem Fall zum Beispiel der Abstand l₁ als 150 mm angenommen wird, so wird der Abstand l₂ als 200 mm, der Abstand l₃ als 600 mm und der Abstand l₄ als 1400 mm angenommen. Ferner ist es erforderlich, dass die Vergrößerung des optischen Systems in der Headup-Display-Vorrichtung 8 beträgt. Das heißt, der Wert 8 ist durch die nachfolgende Gleichung gegeben: (l4 – l2)/l1 = 1200/150 = 8 (2)
Die Aufteilung der Vergrößerung in dem optischen System wird folgendermaßen bestimmt. Der Abstand zwischen der Anzeigevorrichtung 31 und der Fresnel-Linse 32 in der Headup-Display-Vorrichtung ist durch einen Einbauraum in der Instrumententafel 2 des Fahrzeugs begrenzt, so dass der größte Teil der Vergrößerung (z.B. 7,5 von 8) des optischen Systems von der Fresnel-Linse 32 geliefert wird. Mit anderen Worten, die Brennweite der Fresnel-Linse 32 wird auf diese Weise bestimmt. Ferner wird die Gestalt des frei formbaren Spiegels 33 derart bestimmt, dass die Verzerrung des Bildes durch die Windschutzscheibe 1 und die Fresnel-Linse 32 kompensiert wird, durch die Vergrößerung der Fresnel-Linse 32.
Im Folgenden ist der frei formbare Spiegel 33 mit Bezug auf 4 beschrieben.
Der frei formbare Spiegel ist allgemein ein Spiegel, der eine Dicke z aufweist, die durch ein Polynom in (x, y)-Koordinaten in einer zur Dicke z senkrechten Ebene definiert ist. Der frei formbare Spiegel 33 in der vorliegenden Ausführungsform ist bezüglich der z-Achse rotations-asymmetrisch. Das Bild der Anzeigevorrichtung 31 wird im Allgemeinen durch die Fresnel-Linse 32 verzerrt, durch die das durch den frei formbaren Spiegel 33 reflektierte Lichtbündel der Anzeigevorrichtung 31 hindurchtritt. Das Bild wird zudem durch die Windschutzscheibe 1, an der es reflektiert wird, verzerrt. Daher wird das reflektierte Bild durch den frei formbaren Spiegel 33 vor-verzerrt, bevor es von der Fresnel-Linse 32 und der Windschutzscheibe 1 verzerrt wird. Mit anderen Worten, die Verzerrungen durch die Fresnel-Linse 32 und die Windschutzscheibe 1 werden durch die Vorverzerrung mit Hilfe des frei formbaren Spiegels 33 kompensiert bzw. ausgeglichen, so dass ein Inhalt des Anzeigebildes wie etwa ein Rechteck dem Fahrer in unverzerrter Form bereitgestellt wird.
Wie es in 3 gezeigt ist, wird der Zentralstrahl 31a des Lichtbündels des durch den frei formbaren Spiegel 33 reflektierten Bildes derart umgelenkt, dass er senkrecht auf eine Eintrittsoberfläche 32a der Fresnel-Linse 32 auftrifft. Beim Eintritt in die Eintrittsoberfläche 32a überschneiden sich das auf den frei formbaren Spiegel 33 auftreffende Lichtbündel und das an diesem reflektierte Lichtbündel in einem Raum 61. Jedoch sind die Ausbreitungsrichtungen der entsprechenden Zentralstrahlen verschieden, so dass keine Interferenzen entstehen. Der Zentralstrahl 31a des Lichtbündels, das in die Eintrittsoberfläche 32a der Fresnel-Linse 32 eintritt, tritt aus einer Austrittsoberfläche 32b der Fresnel-Linse 32 aus, um ein vergrößertes Bild 31b des Anzeigebildes zu erzeugen und auf die Windschutzscheibe 1 zu projizieren, wie es in 1 gezeigt ist.
Ein Teil der Lichtstrahlen des auf die Windschutzscheibe 1 projizierten vergrößerten Bildes 31b wird in Richtung des Auges 4a des Fahrers von der Windschutzscheibe 1 reflektiert. Auf diese Weise kann der Fahrer das virtuelle Darstellungsbild 5 erkennen.
Die Vorteile der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind nachfolgend beschrieben.
Das dem Fahrer dargebotene virtuelle Darstellungsbild ist nach der Kompensierung, bewirkt durch die Verzerrung des frei formbaren Spiegels 33, im Wesentlichen entzerrt, selbst wenn das Bild durch die Fresnel-Linse 32 und die Windschutzscheibe 1 verzerrt ist.
Ferner wird die Verzerrung des Bildes durch die Vergrößerung mit Hilfe der Fresnel-Linse 32 in geeigneter Weise durch den frei formbaren Spiegel 33 kompensiert, so dass die Vergrößerung des Bildes eine größere Flexibilität aufweist. Somit hat das dem Fahrer bereitgestellte Bild eine zur leichten Erkennung ausreichende Größe.
Ferner hat das optische System in 5A, das das Anzeigebild durch den frei formbaren Spiegel 33 reflektiert, bevor es das Bild durch die Fresnel-Linse 32 vergrößert, eine kleinere Breite l₅ als das optische System in 5B, das das Anzeigebild durch den frei formbaren Spiegel 33 reflektiert, bevor es das Bild von der Fresnel-Linse 32 vergrößert, welches eine Breite l₆ aufweist, wenn der Abstand in Richtung des virtuellen Darstellungsbildes 5 in beiden Fällen auf l₂ eingestellt ist. Das heißt, die Kom paktheit der Vorrichtung wird dadurch verbessert, dass das kleinere Bild vor der Vergrößerung reflektiert wird.
Ferner wird die Krümmung des frei formbaren Spiegels 33 auf einem Minimum gehalten, indem die stärkste Vergrößerung durch die Fresnel-Linse 32 erfolgt. Auf diese Weise wird die Verzerrung des reflektierten Bildes 31a verhindert in einer ansonsten schwierigen Situation, hervorgerufen durch die Dezentrierung der optischen Achse des frei formbaren Spiegels 33.
Ferner wird das Bild wirksam vergrößert, indem zwischen der Fresnel-Linse 32 und der Anzeigevorrichtung 31 in der Vorrichtung, die durch eine geeignete Anordnung der Fresnel-Linse 32 ein begrenztes Volumen einnimmt und eine verkürzte optische Achse zur Bildvergrößerung aufweist, ein ausreichender Abstand vorgesehen ist.
Ferner umfasst die Verzerrung des Bildes, kompensiert durch den frei formbaren Spiegel 33, eine Verzeichnung, eine Bildfeldwölbung und einen Astigmatismus.
Nachfolgend sind Modifikationen der ersten Ausführungsform beschrieben.
Der Lichtweg des Anzeigebildes wird gemäß der Ausführungsform durch einen einzigen frei formbaren Spiegel gefaltet. Jedoch kann der Lichtweg zusätzlich zu dem frei formbaren Spiegel 33 mit Hilfe eines Planspiegels 34 gefaltet werden, wie es in 6 gezeigt ist. Als Folge davon kann der Lichtweg in einem Raum der Vorrichtung aus drei Teilstrecken bestehen, so dass die Kompaktheit der Vorrichtung durch eine flexible Anordnung der Anzeigevorrichtung 31, der Fresnel-Linse 32 und des frei formbaren Spiegels 33 verbessert ist. Zusätzlich können zwei oder mehrere Planspiegel in der Vorrichtung verwendet werden, wie es in 6 gezeigt ist.
Die plattenförmige gerillte Fresnel-Linse 32 aus transparentem Material der vorliegenden Ausführungsform kann durch eine kugelschalenförmige Fresnel-Linse 71 ersetzt werden, die auf der inneren und äußeren kugelschalenförmigen Oberfläche Rillen aufweist, wie es in 7 gezeigt ist. Der Zentralstrahl 31a des Lichtbündels des reflektierten Bildes tritt senkrecht in die sphärische Oberfläche der Fresnel-Linse 71 ein, um die oben beschriebenen Vorteile zu realisieren.
(Zweite Ausführungsform)
Eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist nachstehend mit Bezug auf 8 beschrieben. Der Unterschied zwischen der ersten und der zweiten Ausfüh rungsform besteht dahingehend, dass das Lichtbündel des reflektierten Bildes schräg und nicht senkrecht in die Eintrittsoberfläche der Fresnel-Linse 32 eintritt. Der Rest der zweiten Ausführungsform hat den gleichen Aufbau und somit die gleichen Bezugszeichen, so dass auf eine Beschreibung dieses Teils hier verzichtet ist.
Die in 8 mit einer gestrichelten Linie gezeigte Fresnel-Linse 32 ist die Fresnel-Linse 32, die in der ersten Ausführungsform koaxial mit dem Lichtbündel des reflektierten Bildes ausgerichtet ist. Ein Lichtstrahl 81 von einer externen Lichtquelle wird von der Austrittsoberfläche 32b der Fresnel-Linse 32 und dann erneut von der Windschutzscheibe 1 reflektiert. Ein von der Austrittsoberfläche 32b reflektierter Lichtstrahl 82' pflanzt sich im Wesentlichen parallel zu dem Zentralstrahl 31b des Lichtbündels des vergrößerten Bildes fort. Ferner pflanzt sich der von der Windschutzscheibe 1 reflektierte Lichtstrahl 83' im Wesentlichen parallel zu dem Zentralstrahl 31b des Lichtbündels des vergrößerten Bildes fort, das von der Windschutzscheibe 1 reflektiert wird. Auf diese Weise wird das virtuelle Darstellungsbild 5 des Lichtstrahls 81 von der externen Lichtquelle von dem Fahrer visuell erkannt, so dass der Fahrer geblendet wird.
Daher wird gemäß der zweiten Ausführungsform die optische Achse der Fresnel-Linse 32 geneigt. Das heißt, der Neigungswinkel der Fresnel-Linse 32 gegenüber der Ebene, die senkrecht zur optischen Achse des reflektierten Bildes 31a ist, ist durch nachstehende Gleichung (3) definiert. θd = tan–1{Ev/2·(l2 + l3)}/2[Grad] (3)
Die optische Achse der Fresnel-Linse 32 in der zweiten Ausführungsform ist gegenüber der koaxialen Anordnung um den oben angegebenen Winkel geneigt. In diesem Fall ist der Parameter E_v eine Höhe eines in der JIS (Japanese Industrial Standard) – Spezifikation definierten Augenbereichs. Die um den Winkel θ_d oder mehr geneigte Fresnel-Linse 32 reflektiert den Lichtstrahl 81 von der externen Lichtquelle wie etwa des Sonnenlichts als den reflektierten Lichtstrahl 82a durch Reflexion an der Austrittsoberfläche 32b, und der reflektierte Lichtstrahl 82a wird durch die Windschutzscheibe 1 wiederum als der reflektierte Lichtstrahl 83 reflektiert, um in Richtung eines Bereichs außerhalb des Augenbereichs 4 des Fahrers projiziert zu werden, wie es in 7 gezeigt ist.
Auf diese Weise wird der reflektierte Lichtstrahl 83 dem virtuellen Präsentationsbild 5 zur visuellen Erkennung nicht überlagert. Der Neigungswinkel θ_d der Fresnel-Linse 32 wird in einem Bereich bestimmt, der die Verzerrung des virtuellen Präsentationsbildes 5 innerhalb eines bestimmten Grades hält. Zum Beispiel kann der Neigungswinkel θ_d der Fresnel-Linse 32 zwischen 0° und 10° liegen.
Die Verzerrung, die durch die Fresnel-Linse 32 bewirkt wird, die nicht die koaxiale Ausrichtung aufweist, wird kompensiert, indem eine reflektierende Oberfläche des frei formbaren Spiegels 33 eingestellt wird. Das heißt, der frei formbare Spiegel 33 kann gleichzeitig die Verzerrung kompensieren, die von der Windschutzscheibe 1 und der Fresnel-Linse 32 erzeugt wird. Auf diese Weise wird das virtuelle Darstellungsbild 5 von zum Beispiel einer rechteckigen Form dem Fahrer des Fahrzeugs in einer entzerrten Form dargeboten, ebenso wie in der ersten Ausführungsform.
Modifikationen der zweiten Ausführungsform sind nachfolgend beschrieben. In einem Fall kann die Modifikation der Fresnel-Linse 32 eine Form aufweisen, wie sie in 9 gezeigt ist. Das heißt, die Eintrittsoberfläche 33a der Fresnel-Linse 32 mit dem darauf ausgebildeten Fresnel-Muster kann senkrecht zu dem Zentralstrahl 31a des Lichtbündels des reflektierten Bildes (die Bezugszahl 31a bezieht sich streng genommen auf den Zentralstrahl des Lichtbündels, verkürzt jedoch auch auf das zugehörige Bild) orientiert sein, und die Austrittsoberfläche 32b der Fresnel-Linse 32 kann relativ zu dem Zentralstrahl 31b des Lichtbündels des vergrößerten Bildes geneigt sein. Auf diese Weise ist, wie es in 9 gezeigt ist, der reflektierte Lichtstrahl 82a von der externen Lichtquelle, der von der Austrittsoberfläche 32a reflektiert wird, auf einen Bereich gerichtet, der außerhalb des Augenbereichs 4 liegt.
Eine weitere Modifikation der zweiten Ausführungsform ist mit Bezug auf 10 beschrieben. Die Fresnel-Linse 32 in 10 weist die Form eines Keils auf, der die Eintrittsoberfläche 32a und die Austrittsoberfläche 32b nicht parallel zueinander anordnet. Bei der Fresnel-Linse 32 in der vorliegenden Modifikation ist der Zentralstrahl 31b des Lichtbündels des vergrößerten Bildes auf der Seite der Eintrittsoberfläche 32a gegenüber dem Zentralstrahl 31b des Lichtbündels des vergrößerten Bildes auf der Seite der Austrittsoberfläche 32b geneigt. Auf diese Weise sind, wie es in 11 gezeigt ist, der reflektierte Lichtstrahl 82a von der externen Lichtquelle, reflektiert durch die Austrittsoberfläche 32a, und der reflektierte Lichtstrahl 82b auf einer entgegengesetzten Seite der Eintrittsoberfläche 32a in unterschiedliche Richtungen weg von dem virtuellen Darstellungsbild 5 gerichtet.
Gemäß einer weiteren Modifikation der zweiten Ausführungsform kann die optische Komponente mit ihrer Eintrittsoberfläche und der Austrittsoberfläche 32b verdreht zueinander angeordnet sein, wie es in 12 gezeigt ist.
Gemäß noch einer weiteren Modifikation der zweiten Ausführungsform kann die optische Komponente die Eintrittsoberfläche 32a mit dem auf einer ebenen Oberfläche ausgebildeten Fresnel-Muster und die auf einer gekrümmten Oberfläche gebildete Austrittsoberfläche umfassen, wie es in 13 gezeigt ist. Die gekrümmte Oberfläche kann eine frei formbare Oberfläche aufweisen, wie es in 4 gezeigt ist, oder eine zylindrische Oberfläche, die eine Krümmung in einer Richtung besitzt. Auf diese Weise wird der reflektierte Lichtstrahl 82a auf der Austrittsoberfläche 32b umgelenkt. In der Darstellung in 13 wird der reflektierte Lichtstrahl 82a durch die Instrumententafel 1 blockiert. Ferner kann die Eintrittsoberfläche 32a senkrecht zu oder geneigt gegenüber dem Zentralstrahl 31a des Lichtbündels des vergrößerten Bildes sein. Die Eintrittsoberfläche 32a, die zu dem Zentralstrahl 31a des Lichtbündels des vergrößerten Bildes senkrecht ist, minimiert die Verzerrung des vergrößerten Bildes 31a bei Durchtritt durch die optische Komponente, und die Eintrittsoberfläche 32a, die relativ zu dem Zentralstrahl 31a des Lichtbündels des vergrößerten Bildesgeneigt ist, richtet den reflektierten Lichtstrahl 82b auf die entgegengesetzte Seite der Eintrittsoberfläche 32a, und zwar in eine andere Richtung des virtuellen Darstellungsbildes 5.
Gemäß noch einer weiteren Modifikation der zweiten Ausführungsform können die Eintrittsoberfläche 32a und die Austrittsoberfläche 32b der optischen Komponente als gekrümmte Oberflächen ausgebildet sein, deren Abstand nicht äquidistant ist, wie es in den 14A und 14B gezeigt ist. Die Darstellung in 15 zeigt, dass der reflektierte Lichtstrahl 82b auf der entgegengesetzten Seite der Eintrittsoberfläche 32a und der reflektierte Lichtstrahl 82a von der externen Lichtquelle auf der Austrittsoberfläche 32b durch die Instrumententafel 1 blockiert sind. Die Darstellungen in den 16A und 16B zeigen die optische Komponente, deren Eintrittsoberfläche 32a und Austrittsoberfläche 32b als äquidistante gekrümmte Oberflächen ausgebildet sind. In diesem Fall können sowohl die Eintrittsoberfläche 32a als auch die Austrittsoberfläche 32b als frei formbare Oberflächen ausgebildet sein, wie es in 4 gezeigt ist.
Obwohl die vorliegende Erfindung vollständig in Verbindung mit ihrer bevorzugten Ausführungsform und mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben ist, ist zu beachten, dass verschiedene Änderungen und Modifikationen für den Fachmann klar sind.
Zum Beispiel kann die halbkugelförmige Fresnel-Linse 71 in der Modifikation der ersten Ausführungsform in den Modifikationen der zweiten Ausführungsform verwendet werden.
Die Fresnel-Linse 32 zur Vergrößerung des reflektierten Bildes 31a kann durch eine andere optische Komponente ersetzt werden, die das reflektierte Bild 31a in geeigneter Weise vergrößert. Zum Beispiel kann die optische Komponente wie etwa eine zylindrische Konkavlinse oder dergleichen in Kombination mit dem frei formbaren Spiegel 33, der die durch die Konkavlinse oder dergleichen erzeugte Verzerrung kompensiert, verwendet werden.
Derartige Änderungen und Modifikationen sind innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung wie sie in den beigefügten Ansprüchen definiert ist.

Claims

Anzeigevorrichtung zur Verwendung in einem Fahrzeug, mit: – eine Strahlungsquelle (31) zur Aussendung von Lichtstrahlen eines Bildes (31a); – einer Richtungsänderungskomponente (33) zur Änderung der Richtung der Lichtstrahlen des Bildes (31a); – einer optischen Komponente (32), die das Bild (31a) vergrößert, wenn die Lichtstrahlen des Bildes (31a), die von der Richtungsänderungskomponente (33) umgelenkt werden, durch sie hindurchtreten; und – einer Reflexionskomponente (1), die die Lichtstrahlen des Bildes (31a) zu dessen visueller Wahrnehmung durch einen Insassen des Fahrzeugs als ein virtuelles Bild (5) reflektiert, wenn die Lichtstrahlen des Bildes (31a), vergrößert durch die optische Komponente (32), in sie eintreten; – wobei die Richtungsänderungskomponente (33) in einem Winkel zu einem Zentralstrahl des Lichtbündels des Bildes (31a), das von der Strahlungsquelle (31) ausgesendet wird, in einem Lichtweg zwischen der Strahlungsquelle (31) und der optischen Komponente (32) angeordnet ist; und – die Richtungsänderungskomponente (33) eine Verzerrung durch wenigstens entweder die optische Komponente (32) oder die Reflexionskomponente (1) des virtuellen Bildes (5) in der visuellen Wahrnehmung durch den Insassen des Fahrzeugs korrigiert.
Anzeigevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Richtungsänderungskomponente (33) an einem Punkt, wo der Zentralstrahl des Lichtbündels des Bildes (31a), das von der Strahlungsquelle (31) ausgesendet wird, die Richtungsänderungskomponente (33) kreuzt, keine Rotationssymmetrie aufweist.
Anzeigevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Richtungsänderungskomponente (33) die Verzerrung des Bildes, die durch die optische Komponente (32) erzeugt wird, wenn das von der Richtungsänderungskomponente (33) umgelenkte Bild in die optische Komponente (32) eintritt, korrigiert.
Anzeigevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Richtungsänderungskomponente (33) die Verzerrung des Bildes, die von der Reflexionskomponente (1) nach Vergrößerung (31b) durch die opti sche Komponente (32) erzeugt wird, wenn das Bild von der Richtungsänderungskomponente (33) umgelenkt wird, korrigiert.
Anzeigevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Eintrittsoberfläche (32a) der optischen Komponente (32) senkrecht zum Zentralstrahl des Lichtbündels des Bildes (31a), das durch die Richtungsänderungskomponente (33) umgelenkt wird, angeordnet ist.
Anzeigevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintrittsoberfläche (32a) der optischen Komponente (32) in einem vorbestimmten Winkel gegenüber Zentralstrahl des Lichtbündels des Bildes (31b), das durch die Richtungsänderungskomponente (33) umgelenkt wurde, angeordnet ist, und der vorbestimmte Winkel als ein Winkel definiert ist, der eine Umlenkung eines Umgebungslichts (81) in Richtung eines Bereichs außerhalb des Augenbereichs des Insassen des Fahrzeugs erlaubt, wenn das Umgebungslicht (82b, 83) durch die Eintrittsoberfläche (32a) reflektiert wird, nachdem es von einer Austrittsoberfläche (32b) auf einer zu der Eintrittsoberfläche (32a) gegenüberliegenden Seite in die optische Komponente (32) eintritt.
Anzeigevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Austrittsoberfläche (32b) der optischen Komponente (32) senkrecht zum Zentralstrahl des Lichtbündels des Bildes (31b), das von der optischen Komponente (32) umgelenkt wird, angeordnet ist.
Anzeigevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Austrittsoberfläche (32b) der optischen Komponente (32) in einem vorbestimmten Winkel bezüglich des Zentralstrahls des Lichtbündels des Bildes (31b), das von der optischen Komponente umgelenkt wird, angeordnet ist, und der vorbestimmte Winkel als ein Winkel definiert ist, der eine Umlenkung eines Umgebungslichts (81) in Richtung eines Bereichs außerhalb des Augenbereichs des Insassen des Fahrzeugs erlaubt, wenn das Umgebungslicht (82b, 83) durch die Eintrittsoberfläche (32a) reflektiert wird, nachdem es von einer Austrittsoberfläche (32b) auf einer zu der Eintrittsoberfläche (32a) gegenüberliegenden Seite in die optische Komponente (32) eintritt.
Anzeigevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das von der Strahlungsquelle (31) ausgesendete Bild durch die optische Komponente (32) und die Richtungsänderungskomponente (33) vergrö ßert wird, und eine Vergrößerung des Bildes durch die optische Komponente (32) größer als eine Vergrößerung des Bildes durch die Richtungsänderungskomponente (33) ist.
Anzeigevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Komponente (32) eine Fresnel-Linse (32) ist.
Anzeigevorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Fresnel-Linse (32) eine Rotationssymmetrieachse besitzt.
Anzeigevorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Fresnel-Linse (32) eine zylindrische Fresnel-Linse ist, eine Vergrößerung in einer ersten Richtung besitzt, die durch eine Krümmung der Reflexionskomponente (1) in einer zweiten Richtung definiert ist, und eine Vergrößerung in einer dritten Richtung, die senkrecht zu der ersten Richtung ist, besitzt, die durch die Krümmung der Reflexionskomponente (1) in einer vierten Richtung, die senkrecht zu der zweiten Richtung ist, definiert ist.
Anzeigevorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Fresnel-Linse (32) aus einer transparenten, ebenen Platte gebildet ist.
Anzeigevorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Fresnel-Linse (32) wenigstens entweder eine Eintrittsoberfläche (32a) oder eine Austrittsoberfläche (32b) umfasst, die aus einer transparenten, gekrümmten Platte gebildet ist.
Anzeigevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine Eintrittsoberfläche (32a) der optischen Komponente (32), die die einfallenden Lichtstrahlen des Bildes (31a) empfängt, die durch die Richtungsänderungskomponente (33) reflektiert werden, und eine Austrittsoberfläche (32b) der optischen Komponente (32), die die Lichtstrahlen des Bildes (31b) empfängt, die durch die Richtungsänderungskomponente (33) umgelenkt werden, zueinander gedreht angeordnet sind.
Anzeigevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtstrahlen des Bildes, ausgesendet von der Strahlungsquelle (31), durch wenigstens einen Reflektor, der die Richtungsänderungskomponen te (33) enthält, umgelenkt werden, zusätzlich zu seiner Vergrößerung durch die optische Komponente (32).
Anzeigevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Zentralstrahlen des Lichtbündels des Bildes, ausgesendet von der Strahlungsquelle (31), in einer selben Ebene in einem Lichtweg zwischen Aussendung durch die Strahlungsquelle (31) und Eintritt in die optische Komponente (32) existieren.
Anzeigevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Komponente (32) aus mehreren Materialien mit unterschiedlichen Brechungsindizes gebildet ist.
Anzeigevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Richtungsänderungskomponente (33) wahlweise entsprechend einer Reflexionscharakteristik der Reflexionskomponente (1) ersetzbar ist.
Anzeigevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das virtuelle Bild (5) dem von der Strahlungsquelle (31) ausgesendeten Bild ähnlich ist.