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Stand der Technik
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Die
Erfindung geht aus von einer Laseranzeigevorrichtung oder einem
Verfahren zur Bildprojektion nach der Gattung der unabhängigen
Ansprüche. Aus der
DE 197 51 190 A1 ist bereits eine Laseranzeigevorrichtung
mit einer Laserlichtquelle zur Aussendung kohärenten Laserlichts
bekannt, bei der einer der Laserlichtquellen nachgeordnete, in ihrer Streuwirkung
veränderbare optische Filtereinrichtung vorhanden ist,
die wenigstens eine Flüssigkristallscheibe mit in einer
Matrix aus Polymermaterial eingebetteten Flüssigkristallen
aufweist. Durch die regelbare Streuwirkung der polymer dispergierten
Flüssigkristallscheibe ist es möglich, die Kohärenz
des Laserlichts teilweise aufzuheben, um das Auftreten von störenden
Interferenzmustern bei einer Projektion des Laserlichtes auf eine
Fläche, sogenannten Speckle-Muster, zu vermeiden.
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Ferner
ist es bekannt, in den Strahlengang des Laserlichtes eine rotierende
Scheibe mit teilweise abgedunkelten Feldern einzubringen, die im Strahlengang
sehr schnell rotiert. Durch die regelmäßigen Unterbrechungen
des Strahlenganges kann ebenfalls ein Auftreten eines Speckle-Musters
verhindert werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Die
erfindungsgemäße Laseranzeigevorrichtung mit den
Merkmalen des unabhängigen Anspruchs hat demgegenüber
den Vorteil, dass ein rotierendes Hell-Dunkel-Muster in einer Flüssigkristallzelle
im Strahlengang zur Verhinderung des Entstehens eines Speckle-Musters
dargestellt wird. Hierdurch kann auf ein mechanisch bewegtes Teil
im Strahlengang des Lasers verzichtet werden. Hierdurch kann sowohl
die Leistungsaufnahme, die Störanfälligkeit, aber
auch eine Geräuschentwicklung der Laseranzeigevorrichtung
stark vermindert werden. Ferner ist es vorteilhaft, dass zudem durch
eine Beeinflussung der minimalen und/oder maximalen Transparenz
in den Hellbereichen bzw. den Dunkelbereichen der Flüssigkristallanzeige
zusätzlich noch eine Dimmung der Helligkeit des Laserlichtes
erreicht werden kann. Somit kann durch die Flüssigkristallanzeige
nicht nur eine Entstehung von Speckle-Mustern vermieden werden,
sondern zugleich kann auch eine gewünschte Helligkeit des
projizierten Bildes eingestellt werden. Zudem ist es mit der Flüssigkristallanzeige
möglich, ein Hell-Dunkel-Muster auch in einen Strahlengang
einzubinden, der nicht kreissymmetrisch ist, sondern bei dem die
Fläche der beispielsweise rechteckförmigen Flüssigkristallanzeige überstrichen
wird.
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Durch
die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten
Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen
der in dem unabhängigen Anspruch angegebenen Laseranzeigevorrichtung
möglich. Besonders vorteilhaft ist es, dass das rotierende
Hell-Dunkel-Muster sektorenförmig auf einen Mittelpunkt
der Rotation dieses Hell-Dunkel-Musters in der Flüssigkristallanzeige
ausgerichtet ist, da hierdurch einerseits die Helligkeit der Anzeige gleichmäßig
beeinflusst wird und andererseits eine Vermeidung eines Speckle-Musters
besonders effizient erfolgen kann.
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Vorteilhaft
ist es ferner, eine Projektionseinrichtung nach der Flüssigkristallanzeige
in den Strahlengang einzubauen, um ein Bild auf eine vorgesehene
Fläche in einem gewünschten Maßstab zu
projizieren.
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Ferner
ist es vorteilhaft, eine weitere Streufläche in den Strahlengang
einzubringen, sodass das durch die Flüssigkristallanzeige
hindurchtretende Laserlicht nunmehr auf der zweiten Streufläche
ein Bild erzeugt, das frei von Speckle-Mustern ist. Ein entsprechend
erzeugtes Bild kann nunmehr entweder unmittelbar betrachtet oder
für einen Projektion umgelenkt werden.
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Es
ist weiterhin vorteilhaft, zur Ablenkung des Laserstrahls einen
verstellbaren Spiegel zu verwenden, mit dem die gesamte Bildfläche
nach einem vorgegebenen Muster nacheinander überstrichen wird,
um für einen Betrachter ein Bild zu erzeugen.
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Vorteilhaft
sind die Polarisatoren der Flüssigkristallanzeige auf eine
Polarisationsrichtung des von der wenigstens einen Laserlichtquelle
erzeugten Lichts ausgerichtet, sodass Verluste durch Absorption
an den Polarisatoren der Flüssigkristallanzeigeeinrichtung
möglichst vermieden werden.
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Vorteilhaft
wird die Laseranzeigevorrichtung in einem Fahrzeug verwendet, um
dem Fahrer in einem deutlichen Bild insbesondere Fahrhinweise, Fahrzeuginformationen
oder Warnungen darzustellen.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren mit den nebengeordneten
Ansprüchen bietet entsprechende Vorteile. Es ist hierbei
vorteilhaft, eine Wiederholfrequenz der rotierenden Hell-Dunkel-Darstellung
deutlich über der Wiederholfrequenz des darzustellenden Bildes
zu wählen, damit einerseits ein Flimmern der Anzeige vermieden
wird und andererseits der gewünschte Effekt der Verminderung
der Speckle-Muster auch eintreten kann.
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Vorteilhaft
ist es ferner, über eine Variation des in der Flüssigkristallanzeige
jeweils dargestellten Bildes, also über eine Variation
der Lichtdurchlässigkeit der Flüssigkristallanzeige,
die Bildhelligkeit des projizierten Bildes zu verändern.
Somit kann eine Dimmung des projizierten Bildes bereits durch die Flüssigkristallanzeige
selbst erfolgen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung
näher erläutert.
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Es
zeigen
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1 eine
erfindungsgemäße Laseranzeigevorrichtung in einem
Kraftfahrzeug,
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2 eine
Projektion eines Bildes von einer erfindungsgemäßen
Laseranzeigevorrichtung in einer Windschutzscheibe eines Fahrzeugs,
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3 den
Strahlengang innerhalb der erfindungsgemäßen Laseranzeigevorrichtung
in einer Ausführungsform im Detail,
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4a, 4b und 4c Ausführungsbeispiele
für zeitlich aufeinanderfolgende Darstellungen eines Musters
in der Flüssigkristallanzeige zur Vermeidung eines Speckle-Musters
in dem projizierten Bild.
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Ausführungsformen
der Erfindung
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In
der 1 ist eine erfindungsgemäße
Laseranzeigevorrichtung 1 dargestellt, die in einer Instrumententafel 2 eines
Fahrzeugs verbaut ist. Mit einem Laserstrahl tastet die Laseranzeigevorrichtung 1 eine
in der vorliegenden Ausführungsform in der Laseranzeigevorrichtung
angeordnete, in der 1 nicht gezeigte Streufläche
ab. Über einen Umlenkspiegel 5 wird das auf der
Streufläche erzeugte Bild auf eine Windschutzscheibe 6 des
Fahrzeugs über einen Strahlengang 4 abgebildet,
sodass hinter der Windschutzscheibe 6 über der
Motorhaube ein virtuelles Bild für einen Betrachter entsteht.
Die erfindungsgemäße Laseranzeigevorrichtung 1 kann
in anderen Ausführungsformen auch als ein Projektor zur
Projektion eines reellen Bildes auf eine Wand oder eine andere,
Licht streuende Fläche verwendet werden. Ferner ist es
auch möglich, mittels reflektierenden Flächen
ein virtuelles Bild zu erzeugen. Eine Bildinformation des darzustellenden
Bildes wird der Laseranzeigevorrichtung 1 von einer Steuereinheit 33 übermittelt,
die Bildsignale in einem für die Projektion geeigneten
Datenformat, beispielsweise einem RGB-Datenformat, an die Laseranzeigevorrichtung 1 weiterleitet.
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In
der 2 ist ein Ausführungsbeispiel für eine
Bilddarstellung dargestellt. Mittels der Projektion wird über
die Windschutzscheibe 6 ein für einen Betrachter
sichtbares virtuelles Bild erzeugt, das eine Pfeildarstellung 7,
eine Kartendarstellung 8 und eine nicht im Detail dargestellte
Textdarstellung 9 zeigt. Der Fahrer kann über
die dargestellten Symbole über seine Fahrtroute sowie über
den Fahrzeugzustand, beispielsweise die aktuelle Geschwindigkeit,
informiert werden. Ferner ist es auch möglich, Warnungen
vor Hindernissen oder anderen Gefahren möglichst ortskorrekt
in die Windschutzscheibe 6 einzublenden. So ist es beispielsweise
auch möglich, ein von einer in den Figuren nicht gezeigten
Kamera aufgenommenes Nachtsichtbild in die Windschutzscheibe 6 einzublenden.
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In
der 3 ist die erfindungsgemäße Laseranzeigevorrichtung 1 im
Detail dargestellt. Die Laseranzeigevorrichtung 1 weist
in der hier gezeigten Ausführungsform eine Laserlichtquelle 10 auf,
wobei der von der Laserlichtquelle 10 erzeugte Laserlichtstrahl 11 auf
einen ansteuerbaren Spiegel 12 gelenkt wird. Der Spiegel 12 ist
in einer Ausführungsform um seine Längsachse und
um seine Querachse verstellbar, angedeutet durch die Pfeildarstellung 13.
Hierzu ist der Spiegel 12 bevorzugt als ein mikromechanischer
Spiegel ausgeführt, der über entsprechende, elektrische
Steuersignale in zwei Freiheitsgraden verstellbar ist. Anstelle
einer Ablenkung eines Spiegels mit zwei Drehachsen ist es auch möglich,
eine Ablenkung über zwei nachgeschaltete Spiegel auszuführen,
deren Drehachsen orthogonal zueinander sind. Durch die Ablenkung
kann, wie in der 3 dargestellt, durch die entsprechende
Zeilen-Spalten-Ablenkung ein Bild auf einer ersten Streufläche 14 abgebildet
werden. Die erste Streufläche 14 ist beispielsweise
eine leicht eingetrübte Kunststofffläche ausgeführt.
In einer anderen Ausführungsform kann auch in wenigstens
einer Oberfläche der ersten Streufläche 14 eine
Mikrostruktur eingebracht sein. In einer weiteren Ausführungsform
kann auch ein Rasterdruck auf der ersten Streufläche vorgesehen sein.
Das Bild der ersten Streufläche wird nun über eine
Linse 15 auf eine zweite, lichstreuende Streufläche 16 abgebildet,
die beispielsweise gleich der ersten Streufläche 14 ausgeführt
ist. Ein entsprechender, beispielhafter Strahlengang 3 ist
in der 3 dargstellt. Zwischen der ersten Streufläche 14 und der
abbildenden Linse 15 ist eine Flüssigkristallanzeige 17 in
dem Strahlengang vorgesehen, in der ein zeitlich veränderliches,
um seinen Mittelpunkt rotierendes Hell-Dunkel-Musters dargestellt
wird. Ein Beispiel für ein derartiges Hell-Dunkel-Muster
ist in den 4a, 4b und 4c zu
drei verschiedenen Zeiten dargestellt.
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In
der 4a ist ein erstes Bild einer Anzeigefläche 21 der
Flüssigkristallanzeige 17 dargestellt. Die Flüssigkristallanzeige 17 ist
dabei als eine herkömmliche Flüssigkristallanzeige
ausgeführt, bei der ein Flüssigkristallmaterial
zwischen zwei Platten enthalten ist. Durch ein punktuell angelegtes
elektrisches Feld können Flüssigkristallanzeigemoleküle derart
ausgerichtet werden, dass sie die Polarisation des die Flüssigkristallanzeige 17 durchstrahlenden Lichtes
beeinflussen. Durch die Anordnung von jeweils einem Polarisator
an beiden Seiten der Flüssigkristallanzeige 17 können
somit in bekannter Weise einzelne Bildpunkte der Flüssigkristallanzeige 17 in einen
transparenten, in einen lichtundurchlässigen Zustand oder
in einen Zwischenzustand zwischen diesen beiden Zuständen
geschaltet werden.
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In
dem ersten Bild der Anzeigefläche 21 füllen
zwei helle Dreiecke 22 und zwei dunkle Dreiecke 23 die
Anzeigefläche 21 aus, die auf einen zentralen Punkt 24 jeweils
zeigend dargestellt sind. Die entsprechende Bilddarstellung wird
der Flüssigkristallanzeige bevorzugt über einen
Grafik-Controller 18 zugeführt. Entsprechende
Muster sind hierzu in einer bevorzugten Ausführungsform
in einem Speicher 19 des Grafik-Controllers 18 abgelegt
und werden der Flüssigkristallanzeige 17 nacheinander
zugeführt. Die Bilddarstellungen in der Flüssigkristallanzeige werden
dabei derart nacheinander abgerufen, dass es scheint, dass sich
die aus den vier Dreiecken gebildete Darstellung, wie sie in der 4a gezeigt
ist, um den Mittelpunkt 24 zu drehen scheint. Zu einem späteren
Zeitpunkt ergibt sich daher die Darstellung gemäß der 4b bei
einer Drehung im Uhrzeigersinn. Die entsprechende, den Dreiecken 23 entsprechende
Fläche hat sich nun in der Anzeige im Uhrzeigersinn um
den Mittelpunkt 24 nach rechts bewegt, sodass nunmehr quadratische,
lichtsperrende Sektoren in einer Anzeigefläche 21' dargestellt
sind, während die übrigen, quadratischen Bereiche 22' transparent
sind. Zu einem späteren Zeitpunkt wird ein Zustand gemäß der 4c erreicht,
bei der sich eine Darstellung ergibt, die gegenüber der
Darstellung in der 4a invertiert ist. Anstelle
der hellen Quadrate 23 sind nun dunkle Quadrate 23'' getreten.
Anstelle der dunklen Quadrate 23 sind nun helle Quadrate 22'' getreten.
In entsprechender Weise kann die Drehung des in der Flüssigkristallanzeige
dargestellten Musters fortgesetzt werden.
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Anstelle
des hier in der 4a, 4b und 4c dargestellten,
sogenannten Malteser-Kreuz-Musters sind auch andere, insbesondere sektorenförmige
Muster verwendbar, die auf einen Mittelpunkt der Anzeige ausgerichtet
sind. Entsprechend wäre auch eine Struktur verwendbar,
bei der kleine Quadrate jeweils um einen Mittelpunkt der Flüssigkristallanzeige
herumgeführt zu werden scheinen. Ferner sind auch andere
Muster vorstellbar, bei denen keine explizite Zentrierung bei einer Betrachtung
durch einen Beobachter ersichtlich wäre. Vorteilhaft werden
jedoch derartige Hell-Dunkel-Muster verwendet, bei denen der Hell-Dunkel-Anteil
jeweils konstant ist, um Helligkeitsunterschiede bzw. Flimmern hinsichtlich
der Helligkeit zu vermeiden.
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In
einer weiteren Ausführungsform ist es auch möglich,
durch eine Beeinflussung der Helligkeit des in der Flüssigkristallanzeige 17 gezeigten Musters
die Helligkeit des projizierten Bildes zu beeinflussen. So ist es
beispielsweise möglich, die hellen Bereiche 22 teilweise
undurchlässig zu schalten bzw. die dunklen Bereiche nicht
vollständig intransparent, sondern nur teilweise lichtdurchlässig
zu schalten. Dies kann beispielsweise durch eine nur teilweise Ansteuerung
der einzelnen Bildpunkte in den jeweiligen Bildbereichen der Flüssigkristallanzeige 17 geschehen,
so dass die Flüssigkristalle durch das angelegte elektrische
Feld nicht vollständig ausgerichtet werden. Eine Beeinflussung
kann aber auch darüber erfolgen, dass jeweils in einem
Bereich eine Minderheit von invers geschalteten Bildpunkten eingestreut
wird. Weiterhin ist es auch möglich, bei der Mustergestaltung
das Verhältnis der hellen Fläche zu der dunklen
Fläche zu vergrößern, um das Bild dunkler
bzw. heller zu machen.
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Die
Helligkeit des projizierten Bildes kann über ein Bedienelement 31 eingestellt
werden. Ferner ist auch eine automatische Helligkeitssteuerung über
einen Lichtsensor 32 möglich, der eine Umgebungshelligkeit
erfasst und die Helligkeit des projizierten Laserstrahls an die
Umgebungshelligkeit derart anpasst, dass eine kontrastreiche, jedoch
nicht blendende Helligkeit des erzeugten Bildes erreicht wird.
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Nach
der zweiten Streufläche 16 ist eine weitere Optik 20 vorgesehen,
die dazu dient, das auf der zweiten Streufläche 16 erzeugt
Bild auf eine gewünschte Fläche zu projizieren.
Je nach Anordnung der Optik 20 und einer Ausgestaltung
der Projektionsfläche kann dabei ein reelles oder ein virtuelles Bild
erzeugt werden. In einer weiteren Ausführungsform ist es
auch möglich, dass nach der Linse 15 eine Abbildung
des erzeugten Bildes unmittelbar auf eine lichtstreuende Fläche
zur Projektion erfolgt. Das auf die zweite Streufläche 16 projizierte
Bild ist dabei durch die Einwirkung der Flüssigkristallanzeige 17 mit
dem darin rotierenden Bildmuster von Störungen durch Speckle-Mustern
befreit.
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Um
Helligkeitsschwankungen und Flimmern zu minimieren, ist die Bewegung
der durch das Hell-Dunkel-Muster gebildeten Apertur an die Bildwiederholfrequenz
des von der Steuereinheit 33 an die Laseranzeigevorrichtung übermittelten
Bildes anzupassen. Wird eine Bildwiederholfrequenz von 60 Hz geplant,
so ist eine Wiederholfrequenz für die Apertur, die durch
das Hell-Dunkel-Muster gebildet wird, von etwa mindestens 180 Hz
zu empfehlen. Bevorzugt würde jedoch bei einer derartigen
Bildwiederholfrequenz eine mindestens vierfache Wiederholfrequenz,
zum Beispiel eine Wiederholfrequenz von 250 Hz, verwendet. Entsprechend
ergibt sich als Anforderung für die Flüssigkristallanzeige 17 eine
Schallzeit von mindestens 4 Millisekunden.
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Anstelle
der in der 3 gezeigten Ausführung
der Flüssigkristallanzeige als eine transmissive Flüssigkristallanzeige
ist es auch möglich, anstelle der transmissiven Flüssigkristallanzeige
eine LCOS (Liquid Crystal an Silicon)-Anzeige zu verwenden, die
als eine transflektive Anzeige aufgeführt ist. In einem
derartigen Fall würde das Laserlicht von dem Spiegel 12 durch
die Streuscheibe 14 auf die transflektive Anzeige gelenkt,
von dieser reflektiert und anschließend über die
Linse 15 auf die zweite Streufläche 16 abgebildet.
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Die
Laserlichtquelle 10 ist bevorzugt so eingestellt, dass
linear polarisiertes Laserlicht ausgestrahlt wird. Die Polarisatoren
einer Flüssigkristallanzeige 17 sind dabei derart
in die Laseranzeigevorrichtung 1 eingebaut, dass von den
Polarisatoren der Flüssigkristallanzeige nur minimal Licht
absorbiert wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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