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Die
Erfindung betrifft eine Projektionsvorrichtung für ein
Fahrzeug mit einer Windschutzscheibe als Projektionsfläche,
einer künstlichen Lichtquelle und einem Display.
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Stand der Technik:
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Verschiedene
Projektionsanzeigen in Kraftfahrzeugen sowie in Luftfahrzeugen,
insbesondere in Form von sogenannten Head-Up-Displays (HUD) sind
bereits in vielfältigen Ausführungsformen bekannt
geworden und handelsüblich.
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Beispielsweise
beschreibt die Druckschrift
DE 10 2005 052 424 A1 eine derartige Projektionsanzeige,
welche die Windschutzscheibe als Projektionsfläche nutzt.
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Weiterhin
ist durch die Druckschrift
US 2005/0180021 A1 eine tragbare Anzeigevorrichtung bekannt
geworden, wobei hier keine Projektionsfläche, wie etwa
eine Windschutzscheibe, vorgesehen ist, sondern das Bild direkt
in das Auge des Betrachters abgebildet wird. Bei einer Ausführung
der in der US-Druckschrift genannten Vorrichtung handelt es sich
um eine sogenannte nicht-immersive Anzeige, bei welcher Licht aus
der Umgebung des Beobachters in das optische System mit eingekoppelt
wird und zusammen mit dem Licht, welches von der Bildquelle herrührt
in das Auge des Beobachters geworfen wird. Der Beobachter sieht
somit mittels der Vorrichtung eine Art Überlagerung aus
der Bildanzeige innerhalb der Vorrichtung sowie eine Abbildung seiner äußeren
Umgebung.
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Projektionssysteme,
wie Head-Up-Displays, welche bereits handelsüblich geworden
sind, stellen dem Fahrer in einem Kfz bzw. dem Piloten in einem Luftfahrzeug
nützliche Informationen im Blickfeld etwa seiner Frontscheibe
zur Verfügung, ohne dabei seinen Blick von der Fortbewegungsrichtung
(z. B. von der Straße) abwenden zu müssen. Dies
bedeutet einen erheblichen Sicherheitsgewinn gegenüber
Anzeigen, die im Armaturenbrett angebracht sind und bei denen zum
Ablesen die Blickrichtung geändert werden muss.
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Üblicherweise
werden die darzustellenden Informationen bei den im Stand der Technik
beschriebenen Projektions- und Anzeigevorrichtungen auf einem Display
abgebildet, welches von dem Abbildungslicht durchschienen wird.
Als künstliche Lichtquellen werden für diese Projektionssysteme
insbesondere Laser oder Leuchtdioden (LED's) verwendet. Dabei richtet
sich die Leistungsabgabe dieser künstlichen Lichtquellen
in der Regel danach, ob ein ausreichender Kontrast des Bildes erzeugt
wird. Dies wird in besonderem Maße beeinflusst durch die
Lichtverhältnisse der Umgebung. Bei ungünstigen
Bedingungen, wie starker Sonneneinstrahlung, dem Vorhandensein einer
hellen Umgebung oder besonders heller Objekte (unter anderem Wolken)
ist eine hohe Leistungsabgabe notwendig, um ein kontrastreiches Bild
projizieren zu können.
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Aufgabe und Vorteile der Erfindung:
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine alternative Projektionsvorrichtung
in Fahrzeugen mit einer Windschutzscheibe als Projektionsfläche,
einer künstlichen Lichtquelle und einem Display vorzuschlagen,
die auch bei ungünstigen Lichtverhältnissen der
Umgebung ein ausreichend kontrastreiches Bild liefert.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Projektionsvorrichtung mit den Merkmalen
des Anspruchs 1 gelöst.
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In
den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte und
zweckmäßige Ausführungsbeispiele und Weiterbildungen
der Erfindung angegeben.
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Dementsprechend
zeichnet sich eine erfindungsgemäße Projektionsvorrichtung
dadurch aus, dass Umgebungslicht in das optische System mit eingekoppelt
wird und zusammen mit dem Licht der künstlichen Lichtquelle
auf das Display geleitet wird. Üblicherweise wird das Display
durchschienen; auch die Verwendung eines reflektierenden Displays
ist jedoch möglich.
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Durch
die zusätzliche Einkopplung von Umgebungslicht kann bei
gleich bleibendem Kontrast des Bildes die abzugebende Lichtleistung
der künstlichen Lichtquelle herabgesetzt werden. Gleichzeitig wird
die durch die künstliche Lichtquelle verursachte Verlustwärme
verringert. Dies wirkt sich besonders vorteilhaft auf die Lebensdauer
und den Wirkungsgrad der eingesetzten Halbleiterbauelemente, insbesondere
der LED-Lichtquellen aus. Des Weiteren ermöglicht eine
erfindungsgemäße Projektionsvorrichtung, die Leistung
der künstlichen Licht quelle in einem geringeren Bereich
regelbar zu gestalten. Darüber hinaus ist durch die Einkopplung
von Umgebungslicht ein Einsatz in Fällen, in denen in besonderem
Maße eine Kontrastverstärkung der Bilder notwendig
ist, möglich.
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In
einer besonders vorteilhaften Ausführung der Erfindung
wird das eingekoppelte Umgebungslicht auf bzw. durch eine Diffusoreinrichtung
gelenkt. Das Projektionsbild hängt davon ab, ob das Beleuchtungslicht
etwa von einer punktförmigen Lichtquelle oder unter Umständen
von einem größeren, angestrahlten Objekt stammt.
In bestimmten Situationen kann es vorkommen, dass das Umgebungslicht
eine besonders inhomogene Verteilung aufweist. Dies ist in besonderem
Maße dann der Fall, wenn beispielsweise sehr helle einzelne
Objekte hervortreten, wie zum Beispiel hell angestrahlte Wolken.
Um gleichzeitig keine Konturen dieser Objekte oder sogar helle Objekte
selbst in dem optischen Projektions- oder Abbildungssystem mit abzubilden,
homogenisiert in einer Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Projektionssystems
die Diffusoreinrichtung in vorteilhafter Weise das einfallende Umgebungslicht.
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Diese
Diffusoreinrichtung kann dabei verschiedene bauliche Formen aufweisen:
Sie kann beispielsweise als transmissives Element ausgebildet sein
oder aber als reflektierendes Bauteil oder auch in verschiedenen
anderen optischen Komponenten integriert sein. Als optische Komponenten
werden in Rahmen dieser Erfindung allgemein Bauteile zum Aufbau
eines optischen Systems, wie beispielsweise Spiegel, Linsen, Strahlteiler,
Prismen, Blenden, Polarisatoren, Graufilter und andere Lichtventile
usw. bezeichnet. Die Vorteile der genannten Ausführungen der
Erfindung ergeben sich je nach der individuellen Einbauform, da
somit ein oder mehrere optische Komponenten durch eine integrierte
Komponente ersetzt werden können. Beispielsweise wird eine
Linse mit integriertem Diffusor als eine Komponente oder ein reflektierender
Diffusor statt Diffusor und Spiegel als zwei getrennte Komponenten
vorgeschlagen.
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Je
nach künstlicher Lichtquelle und/oder spezieller Bauform
des optischen Systems kann es dabei von Vorteil sein, auch das Licht
der künstlichen Lichtquelle auf eine Diffusoreinrichtung
zu lenken. Eine punktförmige Lichtquelle kann dadurch eine
wesentlich gleichmäßigere Ausleuchtung erzeugen.
Unter anderem ist dies denkbar, wenn die Diffusoreinrichtung als
reflektierendes Element ausgeprägt ist und das Umgebungslicht
sowie das Licht der künstlichen Lichtquelle über
diese Diffusoreinrichtung überlagert bzw. zusammengeführt
werden.
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Auch
die Einkopplungsoptik zur Einkopplung des Umgebungslichtes kann
verschiedene Bauformen aufweisen: Eine besonders kompakte Bauform ist
denkbar, wenn eine Einkopplungs optik, die aus wenigstens einer Sammellinse
besteht, verwendet wird. Eine besonders elegante Ausführungsform
der Erfindung besteht darin, wenigstens eine Sammellinse als Fresnel-Linse
auszubilden. Eine Fresnel-Linse zeichnet sich in besonderem Maße
durch ihre relativ dünne Bauweise und den geringen Materialaufwand aus.
Auch Gewichtsersparnisse werden ermöglicht.
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Vorteilhafterweise
ist es auch denkbar, eine Sammellinse, insbesondere ausgeprägt
als Fresnel-Linse, in die Windschutzscheibe des Fahrzeugs zu integrieren.
Neben der kompakten Bauweise ermöglicht diese Weiterbildung
der Erfindung auch, die Linse mittels des herkömmlichen
Scheibenwischsystems zu reinigen.
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Eine
erfindungsgemäße Weiterbildung besteht darin,
in der Einkopplungsoptik zur Einkopplung des Umgebungslichtes wenigstens
einen Spiegel vorzusehen. Diese Maßnahme dient insbesondere dem
Zwecke einer höheren Lichtausbeute.
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Erfindungsgemäße
Ausführungen können auch beliebige Kombinationen
der genannten Vorschläge zur Gestaltung der Einkopplungsoptik
enthalten, beispielsweise eine Kombination verschiedenster Sammellinsen,
etwa auch Fresnel-Linsen zusammen mit Spiegeln oder eine teilweise
Einkopplung des Lichts über in die Windschutzscheibe integrierte
Linsen.
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Ein
baulich besonders einfaches erfindungsgemäßes
Ausführungsbeispiel ermöglicht eine koaxiale Zusammenführung
des Umgebungslichtes mit dem Licht der künstlichen Lichtquelle,
indem die künstliche Lichtquelle eine Öffnung
enthält, durch die das Umgebungslicht durchgelenkt wird.
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Da
solche künstlichen Lichtquellen jedoch oft eine besondere
bauliche Form aufweisen müssen, besteht eine vorteilhafte
erfindungsgemäße Weiterbildung darin, das Umgebungslicht
und das Licht der künstlichen Lichtquelle mittels eines
Strahlteilers, z. B. einen halbdurchlässigen Strahlteilerwürfel,
zu überlagern. Dies ermöglicht in vorteilhafter
Weise eine höhere Flexibilität in Bezug auf die
bauliche Anordnung einzelner Bestandteile des Systems.
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Denkbar
ist auch, sowohl für die Strahlführung des Umgebungslichtes
allein als auch für die Strahlführung des künstlichen
Lichtes allein als auch für die gemeinsame Strahlführung
des kombinierten Lichtes jeweils Lichtventile zur Verfügung
zu stellen. Diese Lichtventile können, ähnlich
wie das Display, einem bestimmten Hintergrund des Projektionsbildes erzeugen,
in spezieller Form auch einfach nur abdunkelnd, z. B. als Graufilter,
wirken. Hierdurch kann in vorteilhafter Weise bei einer erfindungsgemäßen Ausführung
je nach Wunsch die Lichtleis tung individuell angepasst werden. Es
ist denkbar, beispielsweise durch Polarisatoren bzw. polarisierender
Komponenten die Polarisationsrichtung des Lichtes vorzugeben, um
somit bestimmte Anteile des Umgebungslichtes und/oder des Lichtes
der künstlichen Lichtquelle mittels Analysatoren bzw. mittels
Reflexionseigenschaften herauszufiltern.
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Die
Ausgestaltung der Anzeige kann in verschiedenster Weise erfolgen.
Denkbar sind einfarbige als auch mehrfarbige Anzeigen. Auch die
Verwendung der Farbmischungstechnik oder der Farbausblendung kann
in vorteilhafter Weise der Weiterbildung der Erfindung dienen. Daher
enthält ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel
der Erfindung wenigstens einen Farbfilter in seinem optischen System.
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Ausführungsbeispiel und Zeichnungen:
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Mehrere
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen
dargestellt und werden nachstehend unter Angabe weiterer Vorteile
und Einzelheiten näher erläutert:
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Es
zeigen:
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1 einen
schematischen Aufbau eines Ausführungsbeispiels der Erfindung
unter Verwendung einer koaxialen Strahlenführung,
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2 ein
in einer entsprechenden schematischen Darstellung wie in 1 koaxialer
Aufbau, mit einer Fresnel-Linse zur Einkopplung des Umgebungslichtes,
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3 in
einer Schemadarstellung wie in 1 eine Ausführungsform,
bei welcher eine Fresnel-Linse in die Windschutzscheibe integriert
ist,
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4 ein
schematisch dargestelltes Ausführungsbeispiel der Erfindung,
bei dem die Diffusoreinrichtung in eine Sammellinse mit integriert
ist,
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5 eine
erfindungsgemäße Schemadarstellung, bei der das
Umgebungslicht über einen reflektierenden Diffusor umgelenkt
wird,
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6 ein
schematisches Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem
gemeinsamen reflektierenden Diffusor sowohl für das Umgebungslicht
als auch das Licht der künstlichen Lichtquelle, sowie
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7 eine
erfindungsgemäße Schemadarstellung, bei der das
Umgebungslicht und das Licht aus der künstlichen Lichtquelle
mittels eines Strahlteilerwürfels überlagert werden.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele:
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In 1 ist
eine koaxiale Strahlführung zu sehen. Umgebungslicht 1 wird über
ein Sammellinsensystem 2 eingekoppelt und auf eine Diffusoreinrichtung 3 gelenkt.
Diese Diffusoreinrichtung 3 ist als transmissives Element
ausgebildet. Die künstliche Lichtquelle 5 enthält
eine Art Loch, durch welches das Umgebungslicht 1 koaxial
gelenkt werden kann. Zur Umlenkung des Umgebungslichts ist ein optisches
System aus Linsen 10 und einem Spiegel 4 zu sehen.
Das kombinierte Licht gelangt somit auf ein Display 6 und
wird schließlich über eine Abbildungsoptik 7 auf
die Windschutzscheibe 8 projiziert.
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In 2 ist
ein ähnliches Ausführungsbeispiel zu sehen, wobei
jedoch die Sammellinsenoptik 2 durch eine Fresnel-Linse 2 ersetzt
worden ist. Diese Version ist baulich kompakter und ermöglicht
auch eine Gewichtsersparnis des Aufbaus. Wie in 3 dargestellt,
kann diese Fresnel-Linse 2 auch beispielsweise in die Windschutzscheibe 8 integriert sein.
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Eine
weitere Variante der Erfindung, die obendrein auch den Vorteil eines
kompakten Designs bietet, ist in 4 abgebildet.
Hier ist ein transmissives Diffusorelement 3 in eine Sammellinse 2 der
Einkopplungsoptik integriert.
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Auch 5 zeigt
eine Variante der Platzreduzierung, wobei zumindest ein Teil des
Systems von Umlenkspiegeln 4 durch die Verwendung eines
reflektierenden Diffusors 3 ersetzt worden ist. Das Licht wird
hierbei über den reflektierenden Diffusor 3 und einen
weiteren Umlenkspiegel 4 in die Ausstrahlrichtung der künstlichen
Lichtquelle 5 koaxial gelenkt.
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Ein
baulich variableres Ausführungsbeispiel wird in 6 gezeigt.
Hierbei werden das Licht der künstlichen Lichtquelle 5 und
das Umgebungslicht 1 auf einen reflektierenden Diffusor 3,
der die Ausleuchtung des Displays 6 noch einmal homogenisiert, gelenkt
und somit überlagert.
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Eine
derartige Überlagerung kann in einem erfindungsgemäßem
Ausführungsbeispiel auch mittels eines Strahlteilers 9,
wie beispielsweise in 7 dargestellt, realisiert werden.
Das Licht der künstlichen Lichtquelle 5 wird durch
den Strahlteiler 9 weitgehend transmittiert, während
das Umgebungslicht 1 an der Schnittebene durch den Strahlteilerwürfel 9 reflektiert
wird und so eine Überlagerung des Lichtes beider Lichtquellen 1, 5 erzielt
wird.
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Allen
genannten Weiterbildungen und Ausführungsbeispielen der
Erfindung ist dabei das kennzeichnende Merkmal gemeinsam, dass Umgebungslicht 1 eingekoppelt
wird und zusammen mit dem Licht der künstlichen Lichtquelle 5 auf
das Display 6 gelenkt wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102005052424
A1 [0003]
- - US 2005/0180021 A1 [0004]