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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft ein Projektionssystem, insbesondere ein Head-Up
Display System nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Projektionssysteme,
insbesondere Head-Up Display Systeme gewinnen in vielen Bereichen
der Projektionstechnik an Relevanz. Etabliert ist die Technik der
Head-Up Display Projektionssysteme bereits geraumer Zeit im Bereich
der Flugzeugtechnologie. Dabei werden in das Sichtfeld des Piloten mittels
optischer Projektion zusätzliche Daten und Bilder eingeblendet,
so dass der Pilot seine Blickrichtung zur Erfassung der Daten nicht ändern
muss und beispielsweise ohne neue Akkommodation zusätzliche
Daten erfassen kann. Auch im Bereich der Kraftfahrzeugtechnik haben
sich derartige Head-Up Displays beispielsweise zur Anzeige der Fahrtgeschwindigkeit
oder zur Übermittlung von Daten aus Fahrerassistenzsystemen
mittlerweile etabliert.
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Im
Stand der Technik, wie beispielsweise in der
DE 41 02 678 A1 werden Head-Up
Display Systeme realisiert, in dem mittels einer Projektionsvorrichtung über
optische Bauteile ein Bild ins Sichtfeld eines Nutzers von Head-Up
Display Systemen projiziert wird, wobei das Sichtfeld selbst durch
die Projektion und die dazu notwendige Technologie nicht übermäßig
beeinträchtigt werden darf. Zur Kombination des normalen
Sichtfelds mit dem projizierten Bild werden sogenannte Combiner,
also Strahlengang-Kombinationseinheiten für das Projektionssichtfeld
und das reale Sichtfeld des
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Nutzers
eingesetzt, was dem Prinzip nach einer Art halbdurchlässigem
Spiegel entspricht, welcher Teile des auftreffenden Lichts reflektiert
und andere Teile transmittieren lässt.
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Grundsätzlich
sind komplexe optische Systeme stets mit aufwendigen optischen Bauteilen
verbunden, was in der Regel große Baumaße und
hohen technischen Aufwand mit sich bringt. Insbesondere bei Projektionseinrichtungen
mit hoher numerischer Appertur müssen normalerweise große
optische Bauteile genutzt werden, um die entsprechenden Abbildungsmaßstäbe
zu erreichen. Die
DE
101 57 605 C1 schlägt einen Aufbau für
ein sogenanntes Head-up Display vor, bei welchem durch Mehrfachfaltung
des optischen Strahlengangs an verschiedenartig gewölbten
Spiegeln und Planspiegeln eine äußerst kompakte
Bauform mittels herkömmlicher klassischer Projektionseinheiten
erreicht werden kann.
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Aus
dem Stand der Technik ist bekannt, dass als Strahlengangs-Kombinationseinheit,
im Folgenden Combiner genannt, entweder ein gesondertes Bauteil
ins Sichtfeld des Nutzers des Head-up Displays eingebracht werden
kann, oder dass z. B. die Windschutzscheibe eines Kraftfahrzeugs
oder eines Flugzeugs die entsprechenden Eigenschaften aufweisen
kann, wenn hierbei auf die notwendigen optischen Gegebenheiten,
wie beispielsweise die Reflektivität und die optischen
Brechungsgesetze geachtet wird. Grundsätzlich besteht bei
den bekannten Combinern jedoch das Problem, dass auch unerwünschte
optische Reflexionen in Form von Spiegelungen des Umgebungslichts
auftreten, oder dass die optische Transparenz für die Wellenlängen
des sichtbaren Lichts zu gering ist, so dass beispielsweise bei Nachtfahrten
oder schlechten Sichtverhältnissen eine starke Einschränkung
des Nutzers besteht. Derartige Einschränkungen sind insbesondere
bei Zulassungsverfahren für die Nutzung solcher Systeme
im Bereich der Kraftfahrzeugtechnik von großer Relevanz
für die Sicherheit und Einsetzbarkeit im alltäglichen
Verkehr.
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Ziel
der Erfindung ist es nunmehr, eine Möglichkeit zur Strahlengangkombination
zwischen der Projektionseinheit eines Head-up Displays und dem optischen
Sichtfeld des Nutzers bereitzustellen, welche eine hohe optische
Transparenz aufweist und trotzdem die von der Projektionseinheit
kommenden Daten gut sichtbar in das Sichtfeld einkombiniert. Zusätzlich
ist stets die Erzielung eines möglichst kompakten Baumasses
zur komfortablen Integration derartiger Projektionssysteme ihn beispielsweise
ein Kraftfahrzeug von steigendem Interesse.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Gegenstand
des Hauptanspruchs gelöst.
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Das
erfindungsgemäße Projektionssystem weist in seinem
Strahlengang eine Strahlengang-Kombinationseinheit auf, welche eine
optische Bandpassbeschichtung beispielsweise in Form eines Referenzfilters
oder eines Farbauszugsfilters vorsieht, so dass für eine
definierte Wellenlänge bzw. eine bestimmte Farbe eine stark
erhöhte optische Reflektivität bereitgestellt
wird. Dabei sollen die sonstigen optischen Wellenlängen
mit einer hohen Transmission durch die Strahlengang-Kombinationseinheit hindurch
gelangen können. Erfindungsgemäß wird so
aus dem kompletten optischen Spektrum des Sichtfelds, welches durch
den Combiner hindurch betrachtet wird, nur Licht einer bestimmten
Farbe, also einer bestimmten Wellenlänge bzw. eines definierten
Wellenlängenbereich in seiner Transmission behindert, so
dass eine geringe Beeinträchtigung des Nutzers des Head-up
Displays zu verzeichnen ist.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung kann die Projektionseinheit derart
ausgebildet sein, dass zur Projektion nur Licht von bestimmten eng
definierten Wellenlängenbereichen genutzt wird, wie es
insbesondere bei einer Projektion mit Laserlicht der Fall wäre.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wäre auch
dann der Combiner auf die genutzten definierten Wellenlängen
derart abzustimmen, dass die optische Bandpassbeschichtung nur in
diesen Wellenlängen selektiv reflektiert und Licht anderer Wellenlängen
den Combiner nahezu ungehindert passieren kann.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Projektionssystems liegt
darin, dass über Laser der Grundfarben Rot, Grün
und Blau bzw. über Laser anderen Grundfarbmodelle, welche
sich insbesondere zur Kombination eines Farbraums anbieten, und
entsprechend auf diese Farben abgestimmte Bandpassbeschichtungen
auf dem Combiner, ein Projektionssystem bereitgestellt wird, welches
durch entsprechende Farbüberlagerungen und Kombination
die Möglichkeit einer Projektion eines entsprechenden Bildes
in das Sichtfeld des Nutzers des Head-up Displays erlaubt. Hierzu
ist insbesondere eine detaillierte Abstimmung der Wellenlängen
der einzelnen Projektionslaser auf die entsprechenden Bandpassbeschichtungen
oder Farbauszugsfilter des Combiners vorgesehen.
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Eine
erfindungsgemäß vorteilhafte Ausführung
würde somit eine Gesamttransmission des optisch sichtbaren
Spektrums durch den Combiner von über 90 Prozent aufweisen.
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In
einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Projektionssystems kann der Combiner sowohl als separates Bauteil
im Sichtfeld des Nutzers des Head-up Displays eingebracht werden, als
auch die entsprechende optische Bandpassbeschichtung bzw. Farbauszugsfilter
direkt auf die Frontscheibe als Möglichkeit des Kombinierens
der optischen Strahlengänge aufgebracht werden.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung für die Bereitstellung derartiger
optischer Bandpassfilter bzw. Farbauszugsfilter wird beispielsweise
durch eine Beschichtung aus Halbleiteroxiden erreicht.
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Als
vorteilhaft bei der Auswahl der Halbleiteroxide können
sich beispielsweise eine Beschichtung aus Siliziumdioxid oder Beschichtung
aus Titandioxid ergeben, wobei auch eine Kombination derartiger Oxide
möglich ist.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend unter
Bezugnahme auf die Zeichnungen 1–4 näher erläutert.
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1 zeigt
dabei den schematischen Aufbau einer Projektionseinheit,
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2 die
Nutzung des Projektionssystems als Head-Up Display in einem Kraftfahrzeug
mit separatem Combiner,
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3 die
Nutzung des Projektionssystems als Head-Up Display in einem Kraftfahrzeug
mit einem Frontscheiben-Combiner,
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4 ein
Ausführungsbeispiel für eine optische Bandpassbeschichtung,
welche eine stark erhöhte Reflektivität im Bereich
der Wellenlängen der Grundfarben Rot, Grün und
Blau ergibt.
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Die
insgesamt mit (1) bezeichnete Projektionseinheit der 1 umfasst
einen Signalgenerator (2), vorzugsweise in Form eines Videocontrollers, welcher
die Ansteuerung einzelner Projektionslaser (3) sowie die
Steuerung eines Scan-Controllers (4) für die Rasterdarstellung
des Bilds auf einer Bildebene (5) mittels einer Scannereinheit
(6) übernimmt. Die Projektionslaser (3)
sind derart gewählt, dass sie entweder direkt oder über
zusätzliche optisch aktive Bauteile (NLO) Licht der entsprechenden
Wellenlängen für die notwendigen Farben, hier
Rot, Grün und Blau bereitstellen. Insgesamt wird das abgesandte Licht über
optische Bauteile (7) geleitet und zur Scannereinheit (6)
geführt, welche nach einem bekannten Rasterverfahren die
einzelnen Bildpunkte eines darzustellenden Bilds auf der Bildebene
(5) erzeugt. In einer nicht gezeigten Ausführungsform
kann auch das gerasterte Bild, also der Strahlengang nach der Scannereinheit
mittels weiterer optischer Bauteile angepasst und projiziert werden.
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Die
in 1 gezeigte Projektionseinheit (1) ist
jedoch nicht auf den dort schematisch skizzierten Aufbau beschränkt,
so können beispielsweise auch Scannereinheiten unter Benutzung
mehrerer einachsig gelagerter Reflexionsvorrichtungen realisiert
werden. Es sind auch Kombinationen von Lasern aus weiteren Wellenlängenbereichen,
oder wahlweise auch die Erzeugung von Licht weiterer Wellenlängen mittels
aktiver optischer Bauteile denkbar.
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2 zeigt
schematisch skizziert den Einsatz eines erfindungsgemäßen
Projektionssystems als Head-Up Display für einen Kraftfahrzeugführer. Hierbei
wird ein virtuelles Bild (9) mittels einer Projektionseinheit
(1), wie sie in 1 beschrieben ist, in das Sichtfeld
(10) des Nutzers (Fahrers) des Kraftfahrzeugs eingeblendet.
Die Ausführung ist jedoch nicht auf Projektionseinheiten
nach dem Schema der 1 beschränkt, sondern
es können auch andere Arten von Projektionseinheiten zur
Erzeugung des entsprechenden Bildes eingesetzt werden. Das von der
Projektionseinheit (1) erzeugte Bild wird mittels eines
Strahlengang-Kombinierers (Combiner) (12) in den Strahlengang
(13) zwischen Nutzer (8) und Sichtfeld (10)
eingespiegelt. Das vollständige Pojektionssystem befindet
sich dabei hinter der Frontscheibe (11), so dass auch die
Projektionseinheit im Bereich des Armaturenbretts unterhalb des
zur Verfügung stehenden Sichtfelds (10) montiert
werden kann, und nur die Strahlengang-Kombinationseinheit (12)
im Sichtfeld des Nutzers (8) untergebracht werden muss.
Im Rahmen dieser Ausführung findet der erfindungsgemäße
Combiner mit der optischen Bandpass-Beschichtung Einsatz, da dieser
eine hohe Transmission im Bereich der optischen Wellenlängen
außerhalb der gewählten Wellenlängen
des optischen Bandpasses bereitstellt, und so das Sichtfeld (10)
des Nutzers (8) nicht behindert.
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3 zeigt, ähnlich
wie
2, ebenso ein erfindungsgemäßes
Projektionssystem, wobei im vorliegenden Fall das virtuelle Bild
(
9) dem Strahlengang (
13) im Sichtfeld (
10)
des Nutzers (
8) durch Einspiegelung des von einer Projektionseinheit
(
14) erzeugten Bildes an einer Frontscheibe mit Combiner-Charakteristik
(
15) erfolgt. Die Projektionseinheit (
14) ist
hier nicht als Projektionseinheit entsprechend der
1,
also mit einer Scanner-Raster-Funktion aufgebaut, sondern als Projektionseinheit
mit diffraktiver Streuscheibe und Lupenoptik, ähnlich wie
sie in der
DE 101
57 605 C1 beschrieben ist, dargestellt. Die jeweilige Ausführung
ist jedoch nicht auf die dargestellte Projektionseinheit beschränkt,
sondern kann universell mit verschiedenen Ausführungen
der Projektionseinheit eingesetzt werden.
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Im
vorliegenden Fall des Ausführungsbeispiels auf 3 wird
die Frontscheibe direkt mittels einer optischen Bandpassbeschichtung
derart ausgebildet, dass sich das zu projizierende Bild im Sichtfeld
(10) des Nutzers (8) einspiegeln lässt,
ohne dass zusätzliche Bauteile in den Strahlengang (13),
wie es in 2 der Fall ist, eingebracht
werden müssen. Dies stellt weiterhin eine Verbesserung
des ungestörten Sichtfelds (10) des Nutzers (8)
dar, erhöht jedoch wesentlich die Kosten der Herstellung
einer Frontscheibe, da die aufwendige optischen Bandpassbeschichtung
auf die Scheibe aufgebracht werden muss.
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4 zeigt
das Reflexionsspektrum einer erfindungsgemäßen
optischen Bandpassbeschichtung für einen separaten Combiner
oder eine Beschichtung einer Frontscheibe, bei welcher die in 1 vorgeschlagenen
Wellenlängen der Projektionslaser (3) mit einer
hohen Reflektivität im Bereich zwischen 60% und 35% gegenüber
einer Reflektivität zwischen 0% und 5% bei den übrigen
Wellenlängen, reflektiert werden. Hierbei entspricht die
Reflektivität im Bereich von 450 nm der Farbe Blau, im
Bereich von 525 nm der Farbe Grün und im Bereich von 650
nm der Farbe Rot. Betrachtet man die Summe der Reflektivität über
das gesamte optisch sichtbare Spektrum, also dem Bereich von etwa
380 bis 680 nm, so ergibt sich für das vorliegende Reflexionsspektrum
insgesamt eine Transmission von 93,23%, was eine sehr geringe Behinderung
des optischen Sichtfelds des Nutzers eines erfindungsgemäßen
Head-Up Display-Systems darstellt.
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Eine
mögliche Beschichtung mit einem Reflexionsspektrum gemäß 4 kann
beispielsweise durch einen Aufbau von 67 Einzelschichten bei einer gesamten
Schichtdicke von 4,63 μm realisiert werden. Andersartig
aufgebaute Beschichtungen sind jedoch stets auch möglich
und können vergleichbare Resultate im Reflexionsspektrum
erzielen.
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Die
Erfindung ist grundsätzlich nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele
beschränkt. Sie umfasst vielmehr auch alle anderen Ausgestaltungen, welche
von erfindungswesentlichen Merkmalen Gebrauch machen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 4102678
A1 [0003]
- - DE 10157605 C1 [0005, 0024]