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Die
Erfindung betrifft ein Head-up-Display, insbesondere ein Head-up-Display
für Fahrzeuge, und ein Fahrzeug mit einem entsprechenden Head-up-Display.
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Es
ist insbesondere im Fahrzeugbereich eine Vielzahl verschiedener
Typen von Anzeigeeinrichtungen bekannt. Im Vordergrund der Entwicklungsbemühungen
stehen derzeit so genannte Head-up-Displays (HUD).
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Solche
Head-up-Displays sind beispielsweise aus der
DE 10344686 A1 und der
EP 1143288 A1 bekannt.
Es wird dabei Licht einer Hinterleuchtungseinheit auf eine Bilderzeugungseinrichtung,
wie beispielsweise ein Flüssigkristall-Display, gelenkt,
und das dadurch erzeugte Bild mittels einer Abbildungseinrichtung
in die Windschutzscheibe eines Fahrzeuges projiziert.
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Die
Head-Up-Display Optik soll dabei so ausgelegt sein, dass große
und kleine Fahrer das Bild vollständig und mit homogener
Helligkeit sehen können. Der Bereich, aus dem das HUD-Bild
vollständig gesehen werden kann, wird Eyebox genannt. Die Größe
der Eyebox wird durch die Aperturen der Abbildungsoptiken und Blenden
zwischen Display und Scheibe bestimmt. Der Homogenitätseindruck
(Farbe und Helligkeit) innerhalb dieser Eyebox wird durch die Hinterleuchtungseinheit
bestimmt.
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Damit
das HUD-Bild über alle Umweltbedingungen mit ausreichender
Helligkeit abgelesen werden kann, soll eine möglichst hohe
Lichtausbeute erzielt werden. Head-Up-Displays nach dem Stand der Technik
wandeln ca. 0,005% der eingesetzten elektrischen Energie in für
den Fahrer sichtbares Licht um. Mit dem heutigen Stand der Technik
kann nicht für alle Straßensituation eine ausreichende
Bildhelligkeit erreicht werden. Die Schwankungen aktuel ler Systeme
hinsichtlich der Lichtausbeute erfordern zudem einen Sicherheitsaufschlag
bei der Lichtleistung von 20%.
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Es
ergeben sich folgende Anforderungen an eine Hintergrundbeleuchtungseinheit
eines Head-Up-Displays ab:
- – Homogener
Bildeindruck (Farbe und Helligkeit);
- – Hohe Lichteffizienz;
- – Geringe Empfindlichkeit hinsichtlich Positionierschwankungen
der Lichtquellen, insbesondere LEDs, relativ zu optischen Einheiten.
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Ein
vorgeschlagenes und in 3 gezeigtes Head-up-Display
HUD umfasst eine Vielzahl von Leuchtdioden Dr, Dg, von denen ein
Teil grünes Licht und der andere Teil rotes Licht abstrahlt.
Die LED-Strahlung wird durch Linsen- und/oder Reflektorarrays L
kollimiert. Die grünen und die roten Strahlen werden durch
einen dichroitischen Spiegel DS zusammengeführt und durch
einen Diffusor S homogen gestreut.
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Der
homogene Streuwinkelbereich des Diffusors S ist so gewählt,
dass vom obersten Bildpunkt des nachgeschalteten Displays LCD Licht
in den untersten Punkt der Eyebox EB gestreut wird. Dabei werden
aber vom obersten Bildpunkt des Displays LCD nach oben in den Bereich
a gestreuten Lichtstrahlen nicht in die Eyebox EB gelenkt. Diese
Strahlen treffen auf undurchsichtige HUD-Bauelemente (Gehäuse,
Blenden...), werden absorbiert oder verursachen für den
Fahrer störende Lichtreflexe. Von den Lichtquellen jeweils
seitlich, beispielsweise in den Bereich b abgestrahltes Licht geht
auf ähnliche Weise ebenfalls verloren.
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Zudem
sind in 3 Lichtbündel c, d
dargestellt, die aus einer ungenau positionierten LED resultiert.
Die Lichtstrahlen im Bereich c treffen nicht auf das LCD und sind
so zur Darstellung nicht nutzbar. In den bereich d fallen weniger
Lichtstrahlen, so dass es Ausleuchtungsinhomogenitäten
entstehen.
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Keine
Hinterleuchtungseinheit nach Stand der Technik löst diese
Probleme. In bisher vorgestellten Head-Up-Displays wird jeweils
nur ein Teilbereich der LCD-Fläche und/oder ein Teilbereich
der Eyebox durch eine LED hiterleuchtet. Die Lichtquellentoleranzen
der einzelnen Lichtquellen müssen bezüglich Helligkeit
und Strahlungsrichtung zueinander ausgeglichen werden. Kollimierungsoptiken
wie Linsen- und/oder Reflektorarrays erfordern besonders im Grenzbereich
zwischen den Lichtquellen hohe Fertigungs- und Positionierungsgenauigkeiten.
Dies ist am Beispiel von Linseninhomogenitäten anhand der 4 und 5 verdeutlicht.
Es sind jeweils Dioden D, Kollimierungsoptiken L und ein Diffusor
S dargestellt. Schon geringe, vom theoretischen Wert abweichende
Linseninhomogenitäten führen zu einer inhomogenen
Lichtintensitätsverteilung der Hinterleuchtung. Schon geringe
Toleranzen/Abweichungen verursachen für den Fahrer störende
Ausleuchtungsinhomogenitäten, wie sichtbare Wabenstrukturen.
Homogenitätsverbesserungen können nur durch stärkere
Diffusoren, die Licht in einen größeren Raumwinkelbereich
streuen, auf Kosten der Lichteffizienz erreicht werden.
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Der
Erfindung liegt insbesondere die Aufgabe zu Grunde, im Rahmen eines
Head-Up-Displays eine hinsichtlich Helligkeit und/oder Farbe homogene und
effiziente Hinterleuchtung der Bilderzeugungseinrichtung zu schaffen.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche
gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind
den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.
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Ein
erfindungsgemäßes Head-up-Display umfasst eine
Bilderzeugungseinrichtung zur Erzeugung eines Bildes und ein optisches
System zur Projektion des Bildes, insbesondere in eine Windschutzscheibe
eines Fahrzeuges. Zum Beleuchten der Bilderzeugungseinrichtung ist
ein Lichtsystem vorgesehen. Das Lichtsystem umfasst zumindest mindestens eine
Lichtquelle oder min destens ein Vielzahl von Lichtquellen, denen
jeweils eine Lichtmischgeometrie, insbesondere in optischer Richtung
(beispielsweise in Lichtausbreitungsrichtung oder Hauptausbreitungsrichtung
des Lichtes) nachgeschaltet ist. Die Lichtmischgeometrie umfasst
jeweils an der Innenseite reflektierende Begrenzungsflächen,
um das Licht der entsprechenden Lichtquelle oder der entsprechenden
Vielzahl von Lichtquellen zu mischen und/oder zu homogenisieren.
Die Flächennormale der Begrenzungsflächen ist
vorzugsweise im Wesentlichen orthogonal zur Hauptabstrahlungsrichtung der
Vielzahl von Lichtquellen ausgerichtet.
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Durch
die Verwendung der Lichtmischgeometrie wird erreicht, dass das auf – der
Lichtmischgeometrie – nachgeschaltete Komponenten, wie
beispielsweise einen Diffusor, fallende Licht über die Fläche
dieser Komponente eine im Wesentlichen homogene Helligkeit und/oder
Farbigkeit aufweist.
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Die
Herstellung des Head-Up-Displays wird vereinfacht, da die Positionierungstoleranzen
der Lichtmischgeometrie gegenüber den Lichtquellen groß sein
dürfen. Auch die Fertigungstoleranzen der Lichtmischgeometrie
an sich dürfen groß sein.
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Ein
weiterer Vorteil der Erfindung liegt in der effizienten Nutzung
der durch die Lichtquellen bereitgestellten Lichtleistung. Denn
durch die nachgeschaltete Lichtmischgeometrie können auch
die von den Lichtquellen jeweils eher seitlich abgestrahlten Lichtbündel
mittelbar oder unmittelbar auf die Bilderzeugungseinrichtung gelenkt
werden.
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Vorzugsweise
umfasst die Vielzahl von Lichtquellen insbesondere LEDs, die Licht
verschiedener Farben, beispielsweise rot und grün, abstrahlen.
In diesem Fall wird durch die Lichtmischgeometrie eine Bilderzeugung
mit brillanten und/oder gesättigten Farben ermöglicht.
Die LEDs verschiedener Farben können gleichzeitig oder
abwechselnd aktiviert werden.
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Im
Rahmen der Erfindung liegt es auch, dass mehreren, insbesondere
nebeneinander angeordneten, Lichtquellen jeweils eine Lichtmischgeometrie nachgeschaltet
ist. Ebenso liegt es im Rahmen der Erfindung, dass mehreren, insbesondere
nebeneinander angeordneten, Gruppen (Vielzahlen) von Lichtquellen
jeweils eine Lichtmischgeometrie nachgeschaltet ist.
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Vorzugsweise
umfasst die Bilderzeugungseinrichtung ein Display, beispielsweise
ein LCD oder ein DMD (Digital Mirror Display). Die Bilderzeugungseinrichtung
wird zur Erzeugung eines Bildes durch das Lichtsystem vorzugsweise
transmittierend beleuchtet, insbesondere hinterleuchtet, oder reflektierend
beleuchtet.
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Es
ist eine Weiterbildung der Erfindung, dass an der Rückseite
der Lichtmischgeometrie zumindest durch zumindest eine Lichtquelle
oder die Vielzahl von Lichtquellen Licht in die Lichtmischgeometrie
abgestrahlt wird, dass das Licht durch, insbesondere mehrfache,
Reflexionen an den reflektierenden Begrenzungsflächen homogenisiert
und/oder gemischt wird, und dass das homogenisierte und/oder gemischte
Licht an der Vorderseite der Lichtmischgeometrie aus der Lichtmischgeometrie
austritt.
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Das
Lichtsystem umfasst vorzugsweise einen Diffusor, insbesondere eine
Streuscheibe, welcher der Lichtmischgeometrie, insbesondere in optischer
Richtung, derart nachgeschaltet ist, dass das aus der Lichtmischgeometrie
austretende Licht durch den Diffusor gestreut wird.
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Durch
den Diffusor wird die Winkelverteilung der aus der Lichtmischgeometrie
austretenden – und wie bereits erwähnt eine im
Wesentlichen homogene Helligkeit und Farbigkeit aufweisenden – Lichtstrahlen
homogenisiert. Dadurch wird verhindert, dass die Lichtquellenstrukturen
aus der Eyebox heraus sichtbar werden.
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Vorzugsweise
umfasst das Lichtsystem eine Kondensoroptik, insbesondere eine Kondensorlinse oder
einen Kondensorspiegel, welche der Lichtmischgeometrie und/oder
dem Diffusor, insbesondere in optischer Richtung, derart nachgeschaltet
ist, dass das gemischte und/oder homogensierte und/oder gestreute
Licht auf die Bilderzeugungseinrichtung gelenkt wird, und beispielsweise
auf die Windschutzscheibe projiziert und schließlich in
die Eyebox abgebildet wird. Die Kondensoroptik ist dabei vorzugsweise
derart ausgeführt, dass die Diffusorebene in die Eyebox
abgebildet wird. Dadurch wird eine hohe Lichtausbeute erzielt und
das von der oder den Lichtquellen stammende Licht effizient zur
Bilderzeugung genützt. Die Brennweite der Kondensoroptik
liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 20 mm bis 200 mm.
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Vorzugsweise
ist die Kombination aus Lichtquelle(n), Lichmischgeometrie, Diffusor
und Kondensoroptik derart ausgeführt, dass durch die Strahlen jeder
einzelnen Lichtquelle oder Lichtquellengruppe die gesamte Fläche
der Bilderzeugungseinrichtung homogen beleuchtet wird. Dadurch können
die oben genannten Toleranzprobleme vermieden oder reduziert werden.
Es entsteht aus jeder Position innerhalb der Eyebox ein homogener
Bildeindruck.
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Der
Bilderzeugungsrichtung ist, insbesondere in optischer Richtung,
das optische System zum Abbilden des Bildes, insbesondere auf eine
Windschutzscheibe eines Fahrzeuges, nachgeschaltet.
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Die
Lichtmischgeometrie weist vorzugsweise einen vieleckigen, insbesondere
rechteckigen, Querschnitt auf. Umfangreiche Untersuchungen haben
ergeben, dass dadurch eine besonders wirksame Lichthomogenisierung
oder Lichtmischung erreicht werden kann. Als besonders wirksam hinsichtlich
der Mischung des Lichtes verschiedener Lichtquellen erwies es sich
dabei, die Länge L der Lichtmischgeometrie von Rückseite
bzw. Lichteintrittsseite bis zur Vorderseite bzw. Lichtaustrittsseite
mindestens so groß auszuführen wie den Abstand
A der Lichtquellen aus der Vielzahl von Lichtquellen, welche den größten
Abstand zueinander aufweisen (L > A).
Andererseits ist es insbesondere in Kraftfahrzeugen wichtig, den
HUD-Bauraum klein zu halten. Umfangreiche Untersuchungen ergaben,
dass ein erfindungsgemäßes HUD dann besonders
einfach in ein Fahrzeug integriert werden kann, wenn gilt: L < 3A. Daher ist es
eine Weiterbildung der Erfindung, dass gilt: A < L < 3A.
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Gemäß einer
vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst die Lichtmischgeometrie
einen Lichtleiter, in den das Licht der Lichtquelle(n) an der Rückseite
des Lichtleiters eingekoppelt wird. Die insbesondere seitlichen
Grenzflächen des Lichtleiters wirken dann für
das in dem Lichtleiter geführte Licht als (total-)reflektierende
Innenseiten.
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Alternativ
oder ergänzend dazu umfasst die Lichtmischgeometrie vorzugsweise
einen hohlen Kanal (oder ein hohles Rohr), wobei die den Kanal begrenzenden
Flächen an der Innenseite lichtreflektierend, insbesondere
spiegelnd, ausgeführt sind.
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Im
Rahmen der Erfindung liegt auch ein Fahrzeug mit einem der genannten
Head-up-Displays, bei dem das durch das Head-up-Display erzeugte
Bild in eine Windschutzscheibe oder in eine zusätzlich
eingebrachte, meist transparent ausgeführte Projektionsscheibe
des Fahrzeuges projiziert wird.
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Im
Folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die folgende Figur
anhand von Beispielen näher erläutert:
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1 zeigt
eine prinzipielle Schnittdarstellung eines Head-up-Displays mit
Kondensorlinse;
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2 zeigt
eine prinzipielle Schnittdarstellung eines Head-up-Displays mit
Kondensorspiegel;
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3 zeigt
eine prinzipielle Schnittdarstellung eines Head-up-Displays gemäß Stand
der Technik;
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4, 5 zeigen
Lichtintensitätsverteilungen gemäß Stand
der Technik.
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Das
in 1 gezeigte Head-up-Display HUD umfasst eine oder
eine Vielzahl von Leuchtdioden D, von denen ein Teil grünes
Licht abstrahlt und der andere Teil rotes Licht abstrahlt.
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Das
von den Leuchtdioden D abgestrahlte Licht tritt an der Rückseite
einer Lichtmischgeometrie LM, die hier als Lichtkanal oder Lichtkasten
ausgeführt ist, in die Lichtmischgeometrie LM ein. Dazu deckt
eine die Leuchtdioden D tragende Platine die Rückseite,
insbesondere die rückseitige Öffnung, der Lichtmischgeometrie
LM im Wesentlichen ab.
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Insbesondere
die seitlichen Innenflächen des Lichtkanals sind lichtreflektierend,
insbesondere spiegelnd ausgeführt, so dass das an der Rückseite in
den Lichtkanal eingespeiste Licht der Leuchtdioden nahezu verlustfrei
innerhalb des Lichtkanals von der Rückseite zur Vorderseite,
insbesondere der vorderseitigen Lichtaustrittsseite, des Lichtkanals
geführt wird. Durch die dabei auftretenden Mehrfachreflexionen
der Lichtbündel an den Innenseiten des Lichtkanals kommt
es zu einer nahezu kompletten Mischung des grünen und roten
Lichts der grünen und roten Leuchtdioden D zu gelbem Licht.
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Das
orange Licht tritt an der Vorderseite der Lichtmischgeometrie LM
aus und fällt auf eine unmittelbar an die Lichtmischgeometrie
angrenzende Streuscheibe S, durch welche das Licht gestreut wird.
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Das
durch die Lichtmischgeometrie LM gemischte und durch die Streuscheibe
S gestreute Licht fällt auf eine entsprechend positionierte
Kondensorlinse K, durch welche das Licht auf die Bilderzeugungseinrichtung
LCD gelenkt wird.
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Das
durch die Bilderzeugungseinrichtung LCD basierend auf dem – auf
die Bilderzeugungseinrichtung LCD gelenkten – Licht erzeugte
Bild wird über eine an sich bekannte Abbildungseinrichtung AE,
beispielsweise ein optisches System umfassend Spiegel und/oder Linsen,
in an sich bekannter Weise auf die Windschutzscheibe WS eines Fahrzeuges projiziert.
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Dieses
Bild ist beispielsweise für einen Fahrer des Fahrzeuges
dann aus einer so genannten Eyebox EB heraus scharf sichtbar.
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Das
dargestellte Head-up-Display kann neben den erläuterten
Komponenten weitere für ein Head-up-Display typische Komponenten,
wie verschiedene Filter, Abbildungsoptiken, ein Gehäuse, Steuereinrichtungen,
etc., aufweisen, auf welche lediglich der Einfachheit halber nicht
näher eingegangen wurde.
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2 zeigt
ein zu dem anhand von 1 erläuterten Head-up-Display
analoges Head-up-Display HUD, bei dem die Kondensorlinse durch einen Kondensorspiegel
K ersetzt ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10344686
A1 [0003]
- - EP 1143288 A1 [0003]