DE102007045301A1

DE102007045301A1 - Anordnung und Verfahren zur Charakterisierung von reflektiv abbildenden Projektionssystemen

Info

Publication number: DE102007045301A1
Application number: DE200710045301
Authority: DE
Inventors: Jürgen HEISE; Jens Dr. Hofmann; Georg Dr. Günther; Heike Werschnik
Original assignee: Carl Zeiss AG
Current assignee: Carl Zeiss AG
Priority date: 2007-09-21
Filing date: 2007-09-21
Publication date: 2009-04-02

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Charakterisierung von reflektiv abbildenden Projektionssystemen sowie ein dazugehöriges Verfahren, bestehend aus den in Lichtausbreitungsrichtung angeordneten Baugruppen Bildgeber (20), Abbildungsoptik (21), reflektierender Fläche (12) und Kamera (15) sowie einer Ansteuereinrichtung (3), die mit dem Bildgeber (20) verbunden ist und einem Computer (1), der mit der Kamera (15) verbunden ist, wobei der zwischen der Abbildungsoptik (21) und der reflektierenden Fläche (12) eine streuende Platte (23) einschiebbar ist, welcher eine Gitterstruktur eingeprägt ist, und der Computer (1) einen Mustergenerator (2) steuert, der mit der Ansteuereinrichtung (3) des Bildgebers (20) verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zur Charakterisierung von reflektiv abbildenden Projektionssystemen, bei dem ein Bildgeber ein Streifenbild erzeugt, wobei das erzeugte Streifenbild nach einer Reflexion von einer Kamera erfaßt wird.
Die DE 199 44 354 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung der Form oder der Abbildungseigenschaften von spiegelnden oder transparenten Objekten. Ein Projektor erzeugt auf einer Streuscheibe ein Primärbild eines Sinus-Gitters, welches über eine Abbildungsoptik auf die zu vermessende Fläche projiziert wird. Das reflektierte Streifenbild wird über eine weitere Abbildungsoptik von einem Empfänger registriert und die gewonnenen Daten von einer Auswerteeinheit verarbeitet. Das Sinus-Gitter kann mit Hilfe von Flüssigkristall-Displays oder DMD-Spiegelarrays erzeugt werden.
Die Erfindung hat das Ziel die von einem Betrachter wahrgenommene Bildqualität eines Projektionssystems zu verbessern, dessen Bild über eine Reflexion dem Betrachter dargeboten wird. Insbesondere betrifft dies ein Head-Up-Display (HUD), welches in einem Kraftfahrzeug installiert ist. Die Abbildung der Information eines HUD in einem Kraftfahrzeug erfolgt über die Windschutzscheibe des Fahrzeugs. Da diese bisher nur Transparenz- und Festigkeitsanforderungen zur erfüllen hat, variiert die Form der in der optischen Abbildung verwendeten Fläche stark von Scheibe zu Scheibe. Des weiteren wird das Bild des HUD je nach Einbaulage an verschiedenen Segmenten der Windschutzscheibe reflektiert. In Kombination dieser Effekte ist der visuelle Eindruck des HUD-Bildes für den Fahrer oft nicht zufriedenstellend. Eine zielgerichtete Montage und Justage des Systems HUD erfordert eine Analyse der unterschiedlichen Fehlergrößen. Dies muß innerhalb der üblichen Taktzeiten der Automobilmontage möglich sein und die dortigen Reinheits- bzw. Prozeßstabilitätsanforderungen erfüllen.
Weiterhin sollen eine zielgerichtete Montage sowie eine Justage des Systems von Fachkräften ausgeführt werden, die kein Fachwissen auf optischem Gebiet verfügen.
Da die Windschutzscheibe auch ein Ersatz- bzw. Austauschteil ist, müssen eine Überprüfung des HUD-Systems bzw. eine Neu-Justage des Systems anhand eineindeutiger Meßgrößen auch in einer Service-Werkstatt möglich sein.
Gemäß der Erfindung besteht die Anordnung zur Charakterisierung von reflektiv abbildenden Projektionssystemen aus den in Lichtausbreitungsrichtung angeordneten Baugruppen Bildgeber, Abbildungsoptik, reflektierender Fläche und Kamera sowie einer Ansteuereinrichtung, die mit dem Bildgeber verbunden ist und einem Computer, der mit der Kamera verbunden ist, wobei der zwischen der Abbildungsoptik und der reflektierenden Fläche eine streuende Platte einschiebbar ist, welcher eine Gitterstruktur eingeprägt ist und der Computer einen Mustergenerator steuert. Der mit der Ansteuereinrichtung des Bildgebers verbunden ist.
Der Bildgeber ist in einer Ausführungsform selbstleuchtend (z. B. OLED). In anderen Ausführungsformen wird der der Bildgeber von einer Lichtquelle (z. B. LED, Laser oder Glühlampe) beleuchtet, wobei gegebenenfalls eine Strahlformungs- und/oder Homogenisierungsoptik das von der Lichtquelle ausgehende Lichtbündel an den Bildgeber anpaßt.
Die Auswertung der von der Kamera aufgenommenen Bilder erfolgt mit dem Computer. Die Ansteuereinrichtung des Bildgebers ist mit dem Mustergenerator verbunden, der ein Streifenmuster erzeugt, welches mittels des Bildgebers projiziert wird.
Die streuende Platte ist zum Beispiel eine Folie mit Streifenmuster, welche zwischen der Abbildungsoptik und der reflektierenden Fläche einfügbar ist. Die reflektierende Fläche ist zum Beispiel eine Windschutzscheibe.
Gemäß der Erfindung wird ein Verfahren zur Charakterisierung von reflektiv abbildenden Projektionssystemen vorgeschlagen, bei dem mit einem Bildgeber ein Bild erzeugbar ist, wobei Lichtbündel des erzeugten Bildes eine Abbildungsoptik passieren und nach einer Reflexion an einer spiegelnden Fläche von einer Kamera erfaßt werden, bei dem in einem ersten Schritt mittels des Bildgebers ein erstes Musterbild in Form von Streifen für die Ausführung einer Gesamtabbildung erzeugt wird, welches an einer spiegelnden Fläche (Windschutzscheibe) reflektiert und von der Kamera als erstes Bild aufgenommen wird. Weiterhin wird in einem zweiten Schritt zwischen die Abbildungsoptik und der reflektierenden Fläche eine Platte mit einen Streifenmuster eingefügt, welches dann mittels des Bildgebers homogen ausgeleuchtet wird. Die eingefügte Platte erzeugt ein zweites Musterbild, welches von der reflektierenden Fläche umgelenkt und von der Kamera als zweites Bild aufgenommen wird. Dabei muß keine Beziehung zwischen dem generierten Muster des ersten Schrittes und dem festgelegten Muster des zweiten Schrittes bestehen. Jedoch müssen die Eigenschaften der Muster und ihre jeweilige Lage im Projektionsstrahlengang bekannt sein oder durch eine Kalibrierung oder Einmessung bestimmt werden.
Die eingefügte Platte ist vorzugsweise eben sowie formstabil und ist mit ihrer Planfläche im rechten Winkel zur optischen Hauptachse angeordnet.
Eine Auswertung der Musterbilder erfolgt in der Art, daß das im ersten Schritt ermittelte erste Bild den Fehler des Gesamtsystems Bildgeber, Abbildungsoptik und Windschutzscheibe und das im zweiten Schritt ermittelte zweite Bild den Fehler der Windschutzscheibe charakterisiert. Durch eine Differenzbildung der beiden Bilder wird der Fehler des optischen Restsystems ohne die reflektierende Fläche (Windschutzscheibe) charakterisiert.
Mit Hilfe dieses Prozesses ist es möglich, die Fehlerquellen, die vom Bildgeber herrühren und die Fehler, die von der reflektierenden Fläche herrühren, zu trennen. Die einzelnen optischen Baugruppen werden separat analysiert und Informationen für eine zielführende Justage werden geliefert.
Durch Auswertung des Windschutzscheiben-Segmentes in dem die Bildreflexion tatsächlich stattfindet, können folgende Informationen erarbeitet werden:

– Das Segment liegt innerhalb des beim O-Design vergebenen Toleranzfensters
– Die Lage des Segmentes erfordert eine Korrektur des Bildgebers und/oder der Abbildungsoptik. Die Stellgrößen sind aus der Fehleranalyse einfach zu gewinnen.

Durch die Verwendung des tatsächlichen Windschutzscheiben-Segmentes in einer Optikrechnung bzw. Optimierung des Optikmoduls kann eine jeweils optimale Justage erfolgen. Zum Beispiel erfolgt dies durch Lageveränderung des Bildgebers, Lageveränderung von Linsen oder abbildenden Spiegeln der Abbildungsoptik sowie durch eine Lageveränderung der optischen Anordnung des Projektors bestehend aus Bildgeber und Abbildungsoptik.
Der oben beschriebene Prozeß kann vollautomatisch ausgeführt werden. Die Auswertung kann durch einen PC erfolgen und als Auswertungsergebnis sind OK und NOK-Aussagen und/oder zielgerichtete Justagevorgaben möglich.
Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von Figuren am Beispiel eines HUD in einem Kraftfahrzeug erläutert. Es zeigen:
1: KFZ mit eingebautem HUD
2: Darstellung der Meßanordnung
Die 1 zeigt schemenhaft ein Teil eines KFZ mit einem in ein Armaturenbrett eingebauten HUD. Eine Hutze 22 bildet eine Abschlußblende. Eine Lichtquelle 10 beleuchtet einen Bildgeber 20. Eine durch einen Spiegel und eine Linse gebildete Abbildungsoptik 21 leitet Lichtbündel 13, die vom Bildgeber 20 erzeugt werden, auf die Windschutzscheibe, welche eine reflektierende Fläche 12 liefert. Ausfallende Lichtbündel 14 werden in ein Gebiet in Richtung der Augen eines Fahrers 17 reflektiert. In diesem Bereich ist jedoch zur Messung eine Kamera 15 aufgestellt, welche das projizierte Bild 16 erfaßt.
2 zeigt einen Ausschnitt aus 1 mit der für die Messung erforderlichen Ansteuerelektronik. Die Kamera 15 ist vom CCD-Typ und mit einem Computer 1 verbunden. Ein Programm des Computers 1 steuert einen Mustergenerator 2 sowie eine Ansteuerung 3, welche mit dem Bildgeber verbunden ist. Der Mustergenerator 2 ist mit der Ansteuerung 3 verbunden. (Alternativ kann der Mustergenerator auch durch ein Programm des Computers simuliert werden, so daß keine Hardware erforderlich ist.)
Zur Messung steuert der Computer 1 den Mustergenerator 2 und die Ansteuerung 3 so, daß der Bildgeber 20 ein sinusförmiges Streifenmuster ausgibt. Das Streifenmuster wird zur Kamera 15 hin abgebildet und von dieser wiederum vom Computer 1 gesteuert als erstes Bild aufgenommen. Die Bilddaten werden im Computer 1 zwischengespeichert.
In einem zweiten Schritt steuert der Computer 1 so, daß der Bildgeber 20 ganzflächig ein weißes oder monochromes Bild aussendet. In den Strahlengang zwischen der Abbildungsoptik 21 und der Windschutzscheibe 12 wird eine Streuscheibe 23 mit einem Streifenmuster eingefügt. Im Beispiel stellt die Hutze 22 die Auflagefläche für die Streuscheibe 23. Die Kamera 15 nimmt nun ein zweites Bild auf, welches ebenfalls im Computer 1 zwischengespeichert wird. Der Computer 1 wertet nun die zwei Streifenbilder nach bekannten Verfahren aus. Aus dem ersten Bild werden Fehler des Gesamtsystems Bildgeber-Abbildungsoptik-Windschutzscheibe errechnet. Aus dem zweiten Bild werden Fehler der Windschutzscheibe 12 errechnet. Rechenoperationen, die eine Differenzbildung der Daten des ersten Bildes und der Daten des zweiten Bildes beinhalten, liefern den Fehler des eigentlichen Projektionssystems, bestehend aus dem Bildgeber 20 und der Abbildungsoptik 21.

1: Computer
2: Mustergenerator
3: Ansteuereinrichtung des Bildgebers
10: Lichtquelle
11: Vorlage mit sinusförmigen Streifen
12: reflektierende Fläche (Windschutzscheibe)
13: einfallende Lichtbündel
14: ausfallende Lichtbündel
15: Kamera
16: projiziertes Bild
17: Fahrer
20: elektronisch ansteuerbarer Bildgeber
21: Abbildungsoptik
22: Hutze
23: streuende Platte mit Streifenmuster

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 19944354 A1 [0002]

Claims

Anordnung zur Charakterisierung von reflektiv abbildenden Projektionssystemen, bestehend aus den in Lichtausbreitungsrichtung angeordneten Baugruppen Bildgeber (20), Abbildungsoptik (21), reflektierender Fläche (12) und Kamera (15) sowie einer Ansteuereinrichtung (3), die mit dem Bildgeber (20) verbunden ist und einem Computer (1), der mit der Kamera (15) verbunden ist, wobei der zwischen der Abbildungsoptik (21) und der reflektierenden Fläche (12) eine streuende Platte (23) einschiebbar ist, welcher eine Gitterstruktur eingeprägt ist, und der Computer (1) einen Mustergenerator (2) steuert, der mit der Ansteuereinrichtung (3) des Bildgebers (20) verbunden ist.
Anordnung nach Anspruch 1, bei welcher der der Bildgeber (2) selbstleuchtend ist oder eine Lichtquelle (10) sowie eine Strahlformungs- und Homogenisierungsoptik enthält.
Verfahren zur Charakterisierung von reflektiv abbildenden Projektionssystemen, bei dem ein Bildgeber (20) ein Bild erzeugt, wobei Lichtbündel des erzeugten Bildes eine Abbildungsoptik (21) passieren und nach einer Reflexion an einer reflektierenden Fläche (12) von einer Kamera (15) erfaßt werden, bei dem in einem ersten Schritt mittels des Bildgebers ein erstes Musterbild in Form von Streifen für die Ausführung einer Gesamtabbildung erzeugt wird, welches an der reflektierenden Fläche (12) (Windschutzscheibe) reflektiert und von der Kamera (15) als erstes Bild aufgenommen wird, weiterhin in einem zweiten Schritt zwischen der Abbildungsoptik (21) und der reflektierenden Fläche (12) streuende Platte mit einen Streifenmuster eingefügt wird, welche dann mittels des Bildgebers homogen ausgeleuchtet wird und damit die Platte ein zweites Musterbild erzeugt, welches von der reflektierenden Fläche (12) umgelenkt und von der Kamera (15) aufgenommen wird und aus den in den zwei Schritten aufgenommenen Bilder optische Fehler berechnet werden, wobei – der im ersten Schritt ermittelte Fehler der Fehler des Gesamtsystems Bildgeber (20), Abbildungsoptik (21) und Windschutzscheibe (12) ist und – der im zweiten Schritt ermittelte Fehler der Fehler des Windschutzscheibe (12) ist und – weiterhin eine Auswertung der Musterbilder in der Art erfolgt, daß eine Differenzbildung der Abbildungsfehler, die im ersten Schritt gemessen wurden, und der Abbildungsfehlen, die im zweiten Schritt gemessen wurden, durchgeführt wird, wobei diese Differenz den Fehler des optischen Systems, bestehend aus Bildgeber (20) und Abbildungsoptik (21), ohne die reflektierende Fläche (12) (Windschutzscheibe) charakterisiert.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem sinusförmige Streifenmuster verwendet werden.