DE102009054232A1

DE102009054232A1 - Head-up-Display

Info

Publication number: DE102009054232A1
Application number: DE102009054232A
Authority: DE
Inventors: Alexander Augst
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2009-11-21
Filing date: 2009-11-21
Publication date: 2011-05-26

Abstract

Ein Head-up-Display zur stereoskopischen Informationsanzeige in einem Kraftfahrzeug, weist auf - Anzeigemittel mit einer Anzeigeeinheit, auf welcher Leuchtpunkte erzeugbar sind, deren Lichtstrahlen durch Spiegelung an der Windschutzscheibe des Kraftfahrzeugs für einen Insassen des Kraftfahrzeugs sichtbar sind, - Ablenkmittel, die im Strahlengang des Head-up-Displays zwischen der Anzeigeeinheit und der Windschutzscheibe angeordnet sind und Lichtstrahlen unterschiedlicher Leuchtpunkte in unterschiedliche Abstrahlrichtungen ablenken, - Bilderzeugungsmittel zur Erzeugung zweier unterschiedlicher, für die beiden Augen des Insassen bestimmter Einzelbilder einer stereoskopischen Informationsanzeige und - Bildpunktzuordnungsmittel zur Zuordnung von Bildpunkten der Einzelbilder zu Leuchtpunkten der Anzeigeeinheit, wobei die Ablenkmittel und die Anzeigeeinheit derart beschaffen und zueinander angeordnet sind und die Bildpunkte der Einzelbilder den Leuchtpunkten der Anzeigeeinheit derart durch die Bildpunktzuordnungsmittel zuordbar sind, dass bei auf dieser Zuordnung basierender Erzeugung der Leuchtpunkte für das linke Auge des Insassen die Bildpunkte des für das linke Auge bestimmten Einzelbildes sichtbar sind und für das rechte Auge des Insassen die Bildpunkte des für das rechte Auge bestimmten Einzelbildes sichtbar sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Head-up-Display zur stereoskopischen Informationsanzeige in einem Kraftfahrzeug.
Moderne Kraftfahrzeuge werden zunehmend mit so genannten Head-up-Displays ausgerüstet, welche es erlauben, optische Information in die Windschutzscheibe des jeweiligen Kraftfahrzeugs einzuspiegeln. Der Fahrer „sieht” diese Information in der Regel als außerhalb des Kraftfahrzeugs über oder knapp vor der Motorhaube schwebend, wodurch die Akkomodation entfällt, die beispielsweise beim wechselnden Betrachten von Anzeigeeinheiten im Fahrzeuginneren und der Fahrbahn entsteht.
Aus dem Dokument DE 103 02 387 A1 ist eine Anzeigeanordnung für ein Kraftfahrzeug bekannt mit Mitteln zur Veränderung der Parallaxe, die beim Betrachten der Anzeige durch den Abstand der Augen des Betrachters voneinander entsteht. Auch eine so genannte kontaktanaloge Informationsanzeige, also beispielsweise die aus der Perspektive des Fahrers stimmige augmentierende Überlagerung eines Realbildes der Fahrzeugumgebung mit durch das Head-up-Display dargestellten Zusatzinformationen, wird in der DE 103 02 387 A1 behandelt.
Auch elektronische Verfahren zum Eliminieren von Bildverzerrungen bei einem herkömmlichen Head-up-Display sind aus dem Stand der Technik bekannt, etwa aus den Dokumenten DE 100 46 019 A1 oder WO 2007/000178 A1 .
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein einfaches und kostengünstiges, im Hinblick auf seine Eignung zur stereoskopischen Informationsanzeige verbessertes Head-up-Display zur Verfügung zu stellen.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Head-up-Display gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Vorgeschlagen wird ein Head-up-Display zur stereoskopischen Informationsanzeige in einem Kraftfahrzeug, welches die folgenden Bestandteile aufweist: Anzeigemittel mit einer Anzeigeeinheit, auf welcher Leuchtpunkte erzeugbar sind, deren Lichtstrahlen durch Spiegelung an der Windschutzscheibe des Kraftfahrzeugs für einen Insassen des Kraftfahrzeugs sichtbar sind; Ablenkmittel, die im Strahlengang des Head-up-Displays zwischen der Anzeigeeinheit und der Windschutzscheibe angeordnet sind und Lichtstrahlen unterschiedlicher Leuchtpunkte in unterschiedliche Abstrahlrichtungen ablenken; Bilderzeugungsmittel zur Erzeugung zweier unterschiedlicher, für die beiden Augen des Insassen bestimmter Einzelbilder einer stereoskopischen Informationsanzeige; Bildpunktzuordnungsmittel zur Zuordnung von Bildpunkten der Einzelbilder zu Leuchtpunkten der Anzeigeeinheit. Dabei sind die Ablenkmittel und die Anzeigeeinheit (insbesondere eine Anzeigefläche dieser Anzeigeeinheit) derart beschaffen und zueinander angeordnet und die Bildpunkte der Einzelbilder sind den Leuchtpunkten der Anzeigeeinheit derart durch die Bildpunktzuordnungsmittel zuordbar, dass bei auf dieser Zuordnung basierender Erzeugung der Leuchtpunkte für das linke Auge des Insassen die Bildpunkte des für das linke Auge bestimmten Einzelbildes sichtbar sind und für das rechte Auge des Insassen die Bildpunkte des für das rechte Auge bestimmten Einzelbildes sichtbar sind.
Die Bildpunkte der Einzelbilder können dabei, müssen jedoch nicht notwendigerweise, in einem regelmäßigen Raster angeordnet sein. Entscheidend für den Erfolg der Erfindung ist, dass die gewünschten Einzelbilder in einzelne Bildpunkte zerlegt werden, die jeweils durch einen Leuchtpunkt der Anzeigeeinheit erzeugt werden können. Insoweit können die Bildpunktzuordnungsmittel auch Bildzerlegungsmittel umfassen, durch welche eine Zerlegung in solche Bildpunkte vornehmbar ist. Alternativ können die Einzelbilder zunächst (außerhalb der Bildpunktzuordnungsmittel) durch eigenständige Bildzerlegungsmittel in geeignete Bildpunkte zerlegt werden, welche dann von den Bildpunktzuordnungsmitteln den Leuchtpunkten der Anzeigeeinheit zugeordnet werden. Die Bildpunktzuordnungsmittel und die Bildzerlegungsmittel können dabei selbstverständlich durch ein und dieselbe Recheneinheit implementiert werden.
Die Anzeigeeinheit kann im Wesentlichen eben ausgestaltet sein. Insbesondere kann sie als ein im Wesentlichen ebenes Display, z. B. TFT, LCD oder Plasmadisplay ausgestaltet sein. Alternativ kann die Anzeigeeinheit ausgestaltet sein als Einheit zur Ausgabe eines oder mehrerer ablenkbarer Lichtstrahlen, insbesondere Laserstrahlen.
Durch das vorgeschlagene Head-up-Display wird unter den schwierigen physikalischen Gegebenheiten des Prinzips Head-up-Display eine von diesen Gegebenheiten unverfälschte stereoskopische Informationsanzeige ermöglicht.
Die Anzeigeeinheit kann insbesondere als selbst leuchtende Anzeigeeinheit ausgebildet sein, beispielsweise als TFT-Display oder LCD-Display oder Plasma-Display. Sie kann aber auch als Durchlicht-Display (z. B. DLP-Modul) ausgebildet sein. Die Anzeigeeinheit kann im Wesentlichen derjenigen eines konventionellen Head-up-Displays entsprechen.
Die Ablenkmittel sind vorzugsweise als Matrix bzw. matrixartige Anordnung optischer Körper ausgebildet. Die optischen Körper können insbesondere kleine Linsen sein und/oder kleine Kunststoffkörper, die insbesondere einen halbkreisförmigen Schnitt besitzen. Insbesondere können diese als sogenannten zylindrischen Linsen ausgestaltet sein. Die Matrix bzw. matrixartige Anordnung ist vorzugsweise im Wesentlichen in einer Ebene angeordnet, im Folgenden als Verteilungsebene bezeichnet. Die optischen Körper können im Wesentlichen gleichartig und vorzugsweise identisch bezüglich der Verteilungsebene angeordnet sein, was z. B. für eine kostengünstige Herstellung des Ablenkmittels vorteilhaft ist. Insbesondere können die optischen Körper rotationssymmetrisch bezüglich einer Senkrechten der Verteilungsebene ausgestaltet sein. Vorzugsweise sind die Spalten der Matrix im Wesentlichen äquidistant angeordnet. Vorzugsweise sind auch die Zeilen der Matrix im Wesentlichen äquidistant angeordnet.
Alternativ können die optischen Körper ungleichmäßig oder bereichsmäßig ungleichmäßig verteilt sein. Dies kann insbesondere vorteilhaft sein, da für unterschiedliche Bereiche der Windschutzscheibe im Mittel eine unterschiedlich starke Ablenkung der Strahlen und eine unterschiedliche Auflösung notwendig ist. Die optischen Körper, die hauptsächlich für die Erzeugung der Abbildungen in unterschiedlichen Richtungen genutzt werden, können auch unterschiedliche Form besitzen.
Vorteilhafterweise können die optischen Körper des Ablenkmittels mit der Anzeigeeinheit und/oder untereinander und/oder mit einem gemeinsamen lichtdurchlässigen Bodenteil verbunden sein. Dies kann z. B. realisiert werden, indem sie kostengünstig mittels einer Form zu einer Einheit gepresst werden. Somit kann das Ablenkmittel besonders kostengünstig hergestellt werden.
Die Verteilungsebene verläuft vorzugsweise im Wesentlichen parallel zu einer Ebene, in der sich die im Wesentlichen ebene Anzeigeeinheit erstreckt. Die Matrix bzw. matrixartige Anordnung optischer Körper liegt dabei vorzugsweise mit geringem Abstand über einer aus Leuchtpunkten zusammengesetzten Anzeigefläche der Anzeigeeinheit. Dabei sind die optischen Körper vorzugsweise derart bemessen und gegenüber der Anzeigeeinheit angeordnet, dass durch einen einzigen optischen Körper die Lichtstrahlen mehrerer Leuchtpunkte in unterschiedliche Richtungen abgelenkt werden.
Die Bilderzeugungsmittel erzeugen – im einfachsten Fall in an sich bekannter Weise – zwei unterschiedliche, für die beiden Augen des Insassen bestimmte Einzelbilder einer stereoskopischen Informationsanzeige. Die Augen des Insassen erreichen die Einzelbilder jedoch erst nach einer Reflektion an der Windschutzscheibe. Die Information kann z. B. Symbole, numerische Anzeigen, Objekte und Objektkonstellationen umfassen, die von dem Insassen als räumlich wahrgenommen werden sollen bzw. werden.
Besonderes Augenmerk ist bei der Erfindung auf die Rolle der Bildpunktzuordnungsmittel zu legen. Sie sorgen für die Zuordnung von Bildpunkten der Einzelbilder zu Leuchtpunkten der Anzeigeeinheit. Diese Zuordnung kann als eine Art Kodierung verstanden werden, in welcher die physikalischen Gegebenheiten des Head-up-Displays Berücksichtigung finden und in gewissem Sinne umgekehrt werden. Ein für das linke Auge des Betrachters bestimmtes Einzelbild wird beispielsweise nicht unmittelbar durch zusammenhängende bzw. benachbarte Leuchtpunkte der Anzeigeeinheit ausgegeben, sondern es werden diejenigen Leuchtpunkte der Anzeigeeinheit angesteuert, deren emittiertes Licht – nach Beeinflussung durch diverse optische Elemente des Head-up-Displays, insbesondere Ablenkung durch die Ablenkmittel und Spiegelung an mehreren Spiegeln sowie der Windschutzscheibe – ein aus der Perspektive des linken Auges des Betrachters zusammenhängendes Bild ergeben. Die von den Bildpunktzuordnungsmitteln vorgenommene Kodierung wird gewissermaßen von der nachfolgenden physikalisch-optischen Abbildung entflochten bzw. dekodiert.
Dabei werden vorzugsweise ortsabhängige Unterschiede des Strahlengangs ausgeglichen, indem die Zuordnung durch die Bildpunktzuordnungsmittel in Abhängigkeit von einer Beschaffenheit (insbesondere der lokalen Wölbung) reflektierender Flächen (insbesondere der Windschutzscheibe oder weiterer eventuell vorhandenen optischer Körper, z. B. krummer Spiegel) des Head-up-Displays vorgenommen wird.
Eine von den Bildpunktzuordnungsmitteln anzuwendende Zuordnungsvorschrift kann beispielsweise auf der Basis geometrischer Modelle und physikalisch-optischer Abbildungsgesetze berechnet werden, wenn alle geometrischen Gegebenheiten bekannt sind.
Alternativ kann eine Zuordnungsvorschrift in einem Kalibrationsvorgang ermittelt werden. Auch eine Mischform, d. h. eine Zuordnungsvorschrift, die initial auf geometrischen Überlegungen basiert und in einem Kalibrationsvorgang verfeinert wird, ist denkbar.
Im einfachsten Fall kann zu Kalibrierungszwecken folgendermaßen vorgegangen werden: Es werden sämtliche Leuchtpunkte der Anzeigeeinheit einzeln (oder es werden ausgewählte örtlich repräsentative Leuchtpunkte für eine Gruppe der Leuchtpunkte) in einer bestimmten Reihenfolge zum Leuchten gebracht. Eine Kamera, die in einer typischen Position eines Auges des Fahrers angeordnet ist, wird mit der Ansteuerung der Anzeigeeinheit synchronisiert und erfasst die resultierende in der Windschutzscheibe reflektierte Abbildung. Durch Auswertung der aufgenommenen Bilder kann dann einfach bestimmt werden, welche Leuchtpunkte in den aufgenommenen Bildern sichtbar sind und an welcher Stelle, d. h. auf welchem Bildpunkt, sie im jeweiligen aufgenommenen Bild erscheinen. Außerdem kann ein Maß für die Fokussierung der resultierenden Abbildung, z. B. anhand des Winkels, unter welchem das Licht von jeweiligen Leuchtpunkten an der Kamera eintrifft, gemessen werden. Somit kann z. B. sichergestellt werden, ob für einen Teil der Abbildung insbesondere im Bezug auf eine bestimmte Beobachtungsposition eine hinreichende bzw. nicht hinreichende Fokussierung vorliegt.
Die Umkehrung der so gewonnenen Zuordnung zwischen Leuchtpunkten und Bildpunkten stellt eine einfache Zuordnungsvorschrift für die Bildpunktzuordnungsmittel dar. Ein solcher Kalibrationsvorgang kann nacheinander oder (z. B. bei Verwendung zweier Kameras) gleichzeitig für die typischen Positionen beider Augen des Fahrers durchgeführt werden.
Durch die Nutzung von Vorwissen über die geometrisch-optischen Verhältnisse der Gesamtanordnung kann ein Prozess zur Gewinnung einer Zuordnungsvorschrift definiert werden, der einfacher bzw. weniger aufwändig ist als der oben beschriebene Kalibrationsvorgang. Beispielsweise wird die Gesamtanordnung in der Regel so gestaltet sein, dass aufgrund der geometrischen Verhältnisse dieser Gesamtanordnung für bestimmte Bildpunkte im für ein bestimmtes Auge erzeugten Einzelbild nur die Leuchtpunkte einer auf der Anzeigeeinheit bzw. Anzeigefläche benachbarten Gruppe von Leuchtpunkten „in Frage kommen”. Es müssen dann selbstverständlich nur die Leuchtpunkte dieser Gruppe auf ihre Eignung zur Erzeugung des entsprechenden Bildpunkts im für dieses Auge erzeugten Einzelbild überprüft werden. Zudem kann es beispielsweise aufgrund der räumlichen Anordnung bezüglich eines darüber liegenden optischen Körpers für bestimmte Leuchtpunkte ausgeschlossen sein, dass ihr Licht im stellvertretend für ein bestimmtes Auge aufgenommenen Bild erscheint. Solche Leuchtpunkte müssen dann für dieses Auge nicht überprüft werden.
Durch die Erzeugung ganzer Muster und/oder Testbilder (statt einzelner leuchtender Leuchtpunkte) kann der Kalibrationsprozess erheblich beschleunigt werden. Unter Nutzung von Vorwissen über die geometrisch-optischen Verhältnisse der Gesamtanordnung und/oder den exakten Aufbau des Musters/Testbilds ist nämlich auch bei gleichzeitiger oder nicht zeitlich aufgelöster Belichtung mehrerer Bildpunkte eine Zuordnung zu den die Belichtung verursachenden Leuchtpunkten möglich.
Vorteilhafterweise können mehrere Punkte oder Punktgruppen mit unterschiedlichem zeitlichen Verhalten versehen werden, z. B. gepulst oder mit einem bestimmten Pulsmuster kodiert werden. Somit kann das z. B. mit einer Kamera erfasste Licht von unterschiedlichen Pixeln voneinander unterschieden werden. Somit kann der Kalibrierungsvorgang extrem beschleunigt werden, da die Vermessung der Abstrahlwinkel für mehrere oder alle Bildpunkte quasi gleichzeitig erfolgen kann.
Ein Kalibrationsverfahren kann auch – etwa auf Basis eines Suchschrittverfahrens umgekehrt ablaufen: Eine Kamera nimmt ein Bild auf, das mit einem gewünschten Einzelbild verglichen wird. Abhängig vom Ergebnis des Vergleichs wird die Zuordnungsvorschrift schrittweise solange verändert bis sich ein Minimum der Abweichung zwischen aufgenommenem Bild und gewünschtem Einzelbild ergibt.
Auch durch die Nutzung von Interpolationsverfahren kann ein Prozess zur Gewinnung einer Zuordnungsvorschrift definiert werden, der einfacher bzw. weniger aufwändig ist als der oben beschriebene Kalibrationsvorgang. Beispielsweise kann ein Kalibrationsprozess lediglich Stützpunkte für eine Zuordnungsvorschrift liefern, während Zwischenpunkte durch Splineinterpolation oder ein anderes Interpolationsverfahren bestimmt werden.
Vorzugsweise basiert die Zuordnung durch die Bildpunktzuordnungsmittel auf veränderlichen, insbesondere in Abhängigkeit von einer Geometrie der Windschutzscheibe und/oder Verbautoleranzen im jeweiligen Fahrzeug veränderlichen, Zuordnungsparametern. So können gleichartige Systeme in unterschiedlichen Fahrzeugmodellen und/oder trotz Fertigungstoleranzen in unterschiedlichen Einzelfahrzeugen desselben Fahrzeugmodells eingesetzt werden. Die Zuordnungsparameter können dann im Rahmen einer modellspezifischen oder fahrzeugspezifischen Kalibrierung bestimmt werden. Liegt ausreichendes Modellwissen über alle geometrischen Gegebenheiten vor, können die Zuordnungsparameter auch auf der Basis geometrischer Modelle und physikalisch-optischer Abbildungsgesetze berechnet werden.
Vorzugsweise ist die Zuordnung durch die Bildpunktzuordnungsmittel in Abhängigkeit von der Kopfposition und/oder Augenposition des Insassen variierbar. So kann eine Toleranz der Anzeige gegenüber Kopf- und Augenbewegungen des Betrachters erreicht werden.
Die Kopfposition und/oder die Augenposition des Insassen wird bei solcher Ausführung vorzugsweise in an sich bekannter Weise erfasst.
Für eine gegenüber der Normalposition veränderte Kopfposition und/oder Augenposition können eigene vollständige Zuordnungsvorschriften bzw. ein vollständiger Satz von Zuordnungsparametern bestimmt werden – in Kalibrationsverfahren oder modellbasiert. Die Gewinnung von Zuordnungsvorschriften bzw. Zuordnungsparametern kann sich abermals auf ausgewählte Stützpunkte beschränken, während für Zwischenpositionen ein Interpolationsverfahren Anwendung findet.
Statt einer eigenen vollständigen Zuordnungsvorschrift bzw. einem vollständigen Satz von Zuordnungsparametern für gegenüber der Normalposition veränderte Kopfpositionen und/oder Augenpositionen können auch lediglich (Zuordnungs-)Veränderungsvorschriften definiert werden, gemäß welcher eine Zuordnungsvorschrift im Falle von Veränderungen der Kopfposition und/oder Augenposition gegenüber der Normalposition zu verändern ist, um eine gegenüber Kopf- und Augenbewegungen des Betrachters tolerante Darstellung zu erreichen.
Im Idealfall wird aus Sicht des Betrachters eine von Kopf- und/oder Augenbewegungen des Betrachters (solange diese in gewissen Grenzen bleiben) unbeeinflusste Darstellung erreicht.
Die Eignung des erfindungsgemäßen Head-up-Displays, für unterschiedliche Blickwinkel unterschiedliche Bilder darzustellen, kann gemäß einer Weiterbildung der Erfindung auch dazu eingesetzt werden, unterschiedliche Insassen, insbesondere Fahrer und Beifahrer, mit unterschiedlichen Informationsanzeigen zu versorgen.
Die Darstellung an den zweiten Insassen, in der Regel wird dies der Beifahrer sein, kann dabei – wie auch die Darstellung für den ersten Insassen – ebenfalls stereoskopisch erfolgen. Es werden dann von dem Head-up-Display insgesamt vier Einzelbilder erzeugt und für den jeweils geeigneten Blickwinkel dargestellt: jeweils ein Bild für jedes Auge des ersten Insassen und jeweils ein Bild für jedes Auge des zweiten Insassen.
Die Darstellung an den zweiten Insassen kann jedoch der Einfachheit halber auch monoskopisch erfolgen. Es werden dann von dem Head-up-Display insgesamt drei Einzelbilder erzeugt und für den jeweils geeigneten Blickwinkel dargestellt: jeweils ein Bild für jedes Auge des ersten Insassen und ein drittes Bild für den zweiten Insassen.
Wird nur ein einziges Bild für den Beifahrer erzeugt, ist dafür Sorge zu tragen, dass die verwendeten Ablenkmittel so gestaltet sind, insbesondere im seitlichen Abstrahlbereich so große „Öffnungswinkel” besitzen, dass Leuchtpunkte, deren Licht in Richtung des Beifahrers abgelenkt wird, für beide Augen des Beifahrers sichtbar sind.
Werden zwei getrennte Bilder für den Beifahrer erzeugt, ist hingegen dafür Sorge zu tragen, dass die verwendeten Ablenkmittel so gestaltet sind, insbesondere auch im seitlichen Abstrahlbereich so kleine „Öffnungswinkel” besitzen, dass Leuchtpunkte, deren Licht in Richtung des Beifahrers abgelenkt wird, jeweils nur für ein Auge des Beifahrers sichtbar sind.
Vorteilhafterweise werden für den Fahrer und Beifahrer und/oder ihre unterschiedliche Sitz- bzw. Kopfpositionen unterschiedliche Fokussierungen eingestellt.
Das erfindungsgemäße Head-Up-Display erlaubt auch eine Einstellung des subjektiv wahrgenommenen Abbildungsabstandes, in dem die resultierende Abbildung erscheint. Darüber hinaus kann dieser im Falle zweier unterschiedlichen Insassen für jeden von Ihnen separat eingestellt werden.
Gemäß zweier anderer – alternativ oder zusätzlich anwendbarer – Weiterbildungen der Erfindung werden parasitäre Doppelbilder bzw. Mehrfachbilder auf unterschiedliche Art und Weise kompensiert. Gemäß einem ersten Ansatz zur Kompensation solcher parasitärer Effekte wird einem (eigentlich darzustellenden) Nutzbild ein konstantes (Umgebungs-)Ausleuchtungsniveau hinzugefügt. Darunter ist ein Bild mit im Wesentlichen konstanter Helligkeit im gesamten Bildbereich zu verstehen, gewissermaßen ein Helligkeits-Offset. Das Ausleuchtungsniveau wird vorzugsweise so gewählt, dass seine Helligkeit in etwa der maximalen Helligkeit der zu kompensierenden parasitären Effekte entspricht. Gelingt es nun, die parasitären Effekte anhand des Nutzbilds zu prognostizieren, kann das Ausleuchtungsniveau bzw. die Summe aus Nutzbild und Ausleuchtungsniveau um gerade diese parasitären Effekte reduziert werden. Im Ergebnis wird das Nutzbild also mit einer Art Negativbild der parasitären Doppelbilder bzw. Mehrfachbilder überlagert. Somit wird dem Nutzbild zwar ein (an sich in der Regel unerwünschtes) (Umgebungs-)Ausleuchtungsniveau hinzugefügt. Die parasitären Doppelbilder bzw. Mehrfachbilder werden jedoch kompensiert und somit für den Betrachter unsichtbar.
Gemäß einem zweiten Ansatz zur Kompensation solcher parasitärer Effekte wird mit einer kohärenten Lichtquelle gegenphasiges Licht erzeugt, das die Doppelbilder bzw. Mehrfachbilder selektiv eliminiert bzw. kompensiert.
Im Folgenden wird anhand der beigefügten Zeichnungen ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Daraus ergeben sich weitere Details, bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung. Im Einzelnen zeigen schematisch
1 das Prinzip einer Ablenkung von Lichtstrahlen in unterschiedliche Richtungen mittels einer Matrix von optischen Körpern (oben: Querschnitt; unten: Draufsicht),
2 das Prinzip der Anwendung einer Ablenkung von Lichtstrahlen in unterschiedliche Richtungen für eine stereoskopische Informationsanzeige,
3 eine erste Ausführungsvariante zur Ablenkung der Lichtstrahlen einzelner Leuchtpunkte einer Anzeigeeinheit in unterschiedliche Richtungen,
4 eine zweite Ausführungsvariante zur Ablenkung der Lichtstrahlen einzelner Leuchtpunkte einer Anzeigeeinheit in unterschiedliche Richtungen,
5 eine Prinzipskizze zur Korrektur des Strahlengangs einzelner Bildpunkte bei einer stereoskopischen Darstellung mittels eines Head-up-Displays in einem Kraftfahrzeug.
Verfahren zur Stereografie bzw. stereoskopischen Fotografie sind im Stand der Technik wohlbekannt. Eine zufriedenstellende Umsetzung solcher Verfahren im Anwendungsumfeld von Head-Up-Displays in Kraftfahrzeugen ist hingegen nicht bekannt. Bekannte Verfahren zur Stereografie bzw. stereoskopischen Fotografie sind beispielsweise

– Anaglyphenverfahren: Die „Verteilung” unterschiedlicher Bilder (aus unterschiedlichen Perspektiven) auf die beiden Augen eines Betrachters basiert dabei auf einer Farbkodierung und nachfolgender Dekodierung mittels einer Rot-Grün-Brille.
– Verfahren auf Basis einer Shutterbrille: Die „Verteilung” unterschiedlicher Bilder auf die beiden Augen eines Betrachters basiert dabei auf deren zeitlicher Abfolge im Bildstrom und dem mit dieser Abfolge synchronisierten Verschlussmechanismus der einzelnen Brillengläser.
– Holografieverfahren: Die „Verteilung” unterschiedlicher Bilder auf die beiden Augen eines Betrachters basiert dabei auf Interferenz- und Defraktionseffekten, die mittels kohärenter Lichtquellen erzeugt werden.
– Lentikularverfahren: Die „Verteilung” unterschiedlicher Bilder auf die beiden Augen eines Betrachters basiert dabei auf optischer bzw. räumlicher Kodierung der Information und ihrer Dekodierung mittels zylindrischer Linsen.

Im Folgenden wird noch näher auf Lentikularverfahren eingegangen: Bekannt ist die Anwendung von Lentikularverfahren für so genannte „Wackelbilder” und/oder Stereografie. Lentikularverfahren sind zum Erzielen eines Stereoeffekts ohne Hilfsmittel, die den Betrachter „belasten” (wie etwa eine Spezialbrille) geeignet.
Das auf eine spezielle Art und Weise kodierte Bild wird bei bekannten Lentikularverfahren typischerweise mittels einer Reihe halbzylindrischer Linsen dekodiert, die in einer sehr großen Dichte (40–90 Stück pro Zoll) aneinander gereiht sind. In der Regel werden diese zusammen mit dem „Unterboden” aus durchsichtigem Kunststoff hergestellt und zu einer flexiblen Folie/Schicht verarbeitet.
Das Prinzip, auf welchem die lentikulare Stereografie basiert, nämlich das Prinzip einer Ablenkung von Lichtstrahlen in unterschiedliche Richtungen mittels einer Matrix von optischen Körpern, zeigt 1. Der obere Teil von 1 zeigt einen Querschnitt der verwendeten Anordnung, der untere Teil eine Draufsicht. Ein Streifenbild 1 ist auf spezielle (hier nicht näher zu erläuternde, da an sich bekannte) Art und Weise aus mehreren Einzelbildern zusammengesetzt, die ein Objekt oder eine Szene aus verschiedenen Perspektiven zeigen. Dabei werden die Teile der Einzelbilder auf eine solche Art und Weise in Streifen 4a, 4b, 4c, 4d zerlegt, dass die Teile, die aus einem bestimmten horizontalen Betrachtungswinkel zu sehen sein sollen, einem bestimmten Streifen zugewiesen werden. Die (beim oberen Teil von 1 senkrecht zur Zeichenebene ausgedehnten) halbzylindrischen Linsen 2, lenken die Abbildungen der einzelnen Streifen 4a, 4b, 4c, 4d in Form von Lichtstrahlen 3a, 3b, 3c, 3d in verschiedene Richtungen ab. Somit ist der Inhalt des Bildes, das einem Betrachter dargestellt wird, von der Richtung abhängig, aus der das Gebilde betrachtet wird.
Bei stereoskopischen Lentikularverfahren wird die Bildinformation auf die Streifen in verschiedenen Teilen des Lentikularbildes derart „sortiert”, dass dem rechten und dem linken Auge des Betrachters jeweils ein Bild in der entsprechenden Perspektive auf die Szene bzw. das Objekt dargestellt wird. Somit sieht der Betrachter die derart dargestellte Szene räumlich. Es sind Darstellungen von Objekten in unterschiedlichen Tiefen erzeugbar, d. h. von Objekten, die sich virtuell hinter der Oberfläche des Streifenbildes befinden, und von Objekten, die sich virtuell von der Fläche des Streifenbildes abheben, d. h. vor der Bildebene gesehen werden. Bei einer Änderung des Sichtwinkels, z. B. durch Kopfbewegung und/oder Augenbewegung, können mehrere Bildpaare nacheinander gesehen werden.
2 veranschaulicht die angesprochene „Sortierung” der Lichtstrahlen für eine stereoskopische Informationsanzeige. Befindet sich der Kopf des Betrachters in einer (nicht eigens dargestellten) Position P1, so sieht sein linkes Auge die Bildstreifen, von denen die Lichtstrahlen L1 ausgehen, sein rechtes Auge sieht die Bildstreifen, von denen die Lichtstrahlen R1 ausgehen. Befindet sich der Kopf des Betrachters in einer Position P2, so sieht sein linkes Auge die Bildstreifen, von denen die Lichtstrahlen L2 ausgehen, sein rechtes Auge sieht die Bildstreifen, von denen die Lichtstrahlen R2 ausgehen, usw.
Bei den heute bekannten Head-up-Displays (HUD) in Kraftfahrzeugen wird der Eindruck des Fahrers, dass ein mittels des HUD dargestelltes virtuelles Objekt in ca. 2 bis 2,5 Meter Entfernung vor dem Fahrer schwebt, dadurch erzeugt, dass das Bild von einem Display mit mehreren Spiegel „gefaltet” (d. h. mehrfach gespiegelt) wird. Es werden dabei oft hochpräzise und kostspielige gekrümmte Spiegel eingesetzt. Das Funktionsprinzip heutiger Head-up-Displays eignet sich nicht für eine Darstellung von Objekten oder Bildern, die aus Sicht des Betrachters große Teile der Windschutzscheibe abdecken bzw. abdecken sollen, da hierfür eine extrem komplexe und aufwändige Optik erforderlich wäre. Derzeit erlauben Head-up-Displays in Kraftfahrzeugen insbesondere die Darstellung von Piktogrammen und Symbolen, die vom Betrachter als in einem bestimmten virtuellen Abstand „in der Luft hängend” wahrgenommen werden. Head-up-Displays zur Darstellung dreidimensionaler Objekte und/oder zur gleichzeitigen Darstellung mehrerer ebener Objekte in unterschiedlichen Tiefenebenen sind nicht marktverfügbar. Ein Nachteil mancher marktverfügbarer Head-up-Displays ist ein störender Doppelbildeffekt, verursacht durch parasitäre Reflexionen. Solche parasitäre Reflexionen entstehen insbesondere bei Nutzung normaler Glasscheiben als Combiner des Head-up-Displays. Sie werden derzeit, wenn überhaupt, durch eine sehr aufwändige und kostspielige Methode eliminiert, nämlich durch das Vorsehen eines keilförmigen Verlaufs einer in die Windschutzscheibe eingearbeiteten Zwischenschicht.
Gemäß der hier vorgestellten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine Head-Up-Abbildung in einem Kraftfahrzeug mit einer Matrix aus optischen Körpern erzeugt. Die optischen Körper brechen das durch bestimmte Leuchtelemente bzw. Leuchtpunkte erzeugte Licht in derartige Abstrahlungsrichtungen, dass diese Strahlen nach der Reflektion an der Windschutzscheibe die Ansichten auf die abzubildende Szene aus mehr als einer Perspektive ergeben. In anderen Worten: die optischen Körper stellen Ablenkmittel dar, die im Strahlengang des Head-up-Displays zwischen einer Anzeigeeinheit, die hier im Wesentlichen als eine Matrix von Leuchtpunkten betrachtet wird, und der Windschutzscheibe angeordnet sind, und die optischen Körper lenken Lichtstrahlen unterschiedlicher Leuchtpunkte in unterschiedliche Abstrahlrichtungen ab; die optischen Körper und die Anzeigeeinheit sind dabei derart beschaffen und zueinander angeordnet und auf der Anzeigeeinheit werden derartige Bildinformationen erzeugt, dass für das linke Auge eines Fahrzeuginsassen ein für das linke Auge bestimmtes Einzelbild sichtbar ist und dass für das rechte Auge des Fahrzeuginsassen ein für das rechte Auge bestimmtes Einzelbild sichtbar ist.
Um dies zu bewirken, muss die abzubildende Szene geeignet in ein von der Anzeigeeinheit auszugebendes Bild kodiert werden. Dies muss derart geschehen, dass die Verteilung der Leuchtintensität und Farbe für jedes Leuchtelement bzw. jeden Leuchtpunkt der Anzeigeeinheit in Abhängigkeit von dem zu erzielendem Abstrahlwinkel ausgestaltet ist.
Es erfolgt bei dem hier beispielhaft vorgestellten Head-up-Display also eine Projektion einer für zumindest einen Fahrzeuginsassen sichtbaren Abbildung unter Einbezug einer Matrix optischer Körper, welche die Strahlen von verschiedenen Leuchtpunkten in verschiedene ihnen zugewiesene Abstrahlrichtungen lenkt. Die zu projizierende Szene wird dabei derart in das von der Anzeigeeinheit auszugebende Bild umgesetzt, gewissermaßen derart kodiert, dass die sich nach der Reflexion an der Windschutzscheibe ergebenden Strahlenwinkel jeden Punkt der Szene für den Betrachter in einer – der Dreidimensionalität der Szene entsprechenden – Tiefe erscheinen lassen.
Im Gegensatz zu marktverfügbaren 3D-Displays werden bei dem hier anhand eines Beispiels erläuterten erfindungsgemäßen Verfahren die besonderen optischen Verhältnisse eines Head-up-Displays, insbesondere die Reflexion an der Windschutzscheibe berücksichtigt. Ein Kerngedanke der Erfindung ist also nicht nur darin zu sehen, ein stereoskopisches Bild bzw. Video als solches zu erzeugen, sondern darin, eine stereoskopische Reflexion an der Windschutzscheibe entsprechend den realen Fahrzeuggegebenheiten – wie auch der Beschaffenheit der Windschutzscheibe – zu erzeugen. Dazu wird zum einen ein Satz von Abstrahlwinkeln derart zwischen den Abstrahlrichtungen kodiert, dass sich nach der Reflexion an der Windschutzscheibe die gewünschte stereoskopische Abbildung für den Benutzer ergibt. Zum anderen wird der Besonderheit Rechnung getragen, dass bei einem herkömmlichen 3D-Display der Abstrahlwinkelunterschied für das rechte und linke Auge für eine bestimmte Abbildungstiefe immer konstant ist, was bei Reflexion an einer in sich gekrümmten bzw. gewölbten Windschutzscheibe nicht der Fall ist.
Der Begriff Kodierung des Bildes steht hier für die Ermittlung der Leuchtwerte der Leuchtpunkte der Anzeigeeinheit für eine darzustellende resultierende Abbildung. Diese Kodierung kann ausgestaltet sein durch eine Zuordnung der Bildelemente zu den entsprechenden benötigten Abstrahlwinkeln und Ermittlung der zu betätigenden Leuchtpunkte der Anzeigeeinheit, damit sich mittels der Strahlenablenkung im Ablenkmittel die benötigten Strahlenwinkel ergeben. Im Wortlaut der Patentansprüche besteht die Kodierung in der Zuordnung von Bildpunkten der (den einzelnen Augen im Ergebnis darzustellenden) Einzelbilder zu Leuchtpunkten der Anzeigeeinheit.
Die Tiefe, in der jeder Punkt einer Szene beispielsweise vom Fahrer gesehen wird, ist vom Winkel zwischen den Strahlen abhängig, die in das rechte und linke Auge des Fahrers eintreffen (Triangulation).
Das vorgestellte Verfahren eignet sich sowohl als – insbesondere kostengünstige und Platz sparende – Variante eines konventionellen Head-up-Displays als auch zur Darstellung mehrerer unterschiedlich weit vom Fahrer entfernt befindlicher virtueller Objekte. Dabei kann zu Gunsten einer einfachen Realisierung gegebenenfalls auch die Anzahl der unterschiedlichen Tiefenebenen – im Gegensatz zu einer vollwertigen 3D-Darstellung – gering gehalten werden.
Zwei bevorzugte Ausgestaltungsvarianten für das erfindungsgemäße Verfahren werden im Folgenden dargestellt.
Ausgestaltungsvariante 1 (3) sieht die Nutzung eines (selbst leuchtenden) TFT-Displays oder LCD-Displays oder Plasma-Displays als Anzeigeeinheit vor, Ausgestaltungsvariante 2 (4) ein die Nutzung eines Durchlichtdisplays.
3 veranschaulicht die Ausgestaltungsvariante 1. Als Leuchtpunkte dienen die Pixel 11a, 11b, 11c, 11d eines TFT-, LCD- oder Plasma-Displays. Die optischen Körper 12 sind hier als Halbkugeln aus Kunststoff ausgestaltet, die in einem regelmäßigen Raster angeordnet sind. Die optischen Körper sorgen dafür, dass sich für jeden Leuchtpunkt bzw. jedes der Pixel 11a, 11b, 11c, 11d eine andere Abstrahlrichtung der Lichtstrahlen 13a, 13b, 13c, 13d ergibt, die später auf die (hier nicht eigens dargestellte) Windschutzscheibe auftreffen.
4 veranschaulicht die Ausgestaltungsvariante 2. Als Leuchtpunkte dienen hier die Pixel bzw. Segmente 21a, 21b, 21c, 21d eines Durchlichtdisplays. Die Segmente können den jeweils durchgelassenen Anteil von Licht und/oder seine Farbe pixelweise verändern. Das so entstehende Durchlichtdisplay kann als ein DLP-Modul ausgestaltet sein, was die Erzeugung hoher Lichtstärken im Head-up-Display erlaubt, d. h. die Benutzung der Vorrichtung auch beim hellen Tag für Bilder mit vielen Farb- bzw. Graustufen (hohe Dynamik). Die optischen Körper 22 (im Wesentlichen identisch mit den optischen Körpern von Ausgestaltungsvariante 1) sind auch hier als Halbkugeln aus Kunststoff ausgestaltet, die in einem regelmäßigen Raster angeordnet sind. Die optischen Körper sorgen dafür, dass sich für jeden Leuchtpunkt bzw. jedes der Segmente 21a, 21b, 21c, 21d eine andere Abstrahlrichtung der Lichtstrahlen 23a, 23b, 23c, 23d ergibt, die später auf die (hier nicht eigens dargestellte) Windschutzscheibe auftreffen. Hinterleuchtet wird das Durchlichtdisplay mit gleichmäßigem, bevorzugt parallel fokussiertem Licht 24 von einer Lichtquelle 25. Gegebenenfalls kann eine Linse 26 oder ein Linsensystem und/oder weitere optische Elemente vorgeschaltet sein.
Die Matrix optischer Körper 12 aus 3 (ebenso wie die Matrix optischer Körper 22 aus 4) ist im vorliegenden Beispiel in einer Ebene angeordnet. Die optischen Körper 12, 22 sind gleichartig gefertigt und sind identisch bezüglich dieser Ebene angeordnet. Sie sind rotationssymmetrisch bezüglich einer Senkrechten dieser Verteilungsebene. Die Spalten der Matrix sind hier äquidistant angeordnet, ebenso die Zeilen der Matrix. Die Ebene mit den optischen Körpern verläuft parallel zu der Ebene des Displays und die optischen Körper liegen mit geringem Abstand über den Pixeln des Displays. Dabei werden durch einen einzigen optischen Körper die Lichtstrahlen mehrerer Pixel in unterschiedliche Richtungen abgelenkt.
Das Verfahren bzw. die Vorrichtung kann (bei beiden Ausgestaltungsvarianten) so ausgestaltet sein, dass jeder optische Körper eine Gruppe von 4 (= 2×2) oder 9 (= 3×3) oder 16 (= 4×4) oder 25 (= 5×5) oder 36 (= 6×6) oder 49 (= 7×7) oder 64 (= 8×8) oder 81 (= 9×9) oder 100 (= 10×10) Leuchtpixeln bzw. Durchlichtpixeln abdeckt und somit für diese Pixel die Kodierung des Bildes zur Abstrahlung unterschiedlicher Bildinformation in unterschiedliche Richtungen erlaubt.
Vorteilhafterweise können – aufgrund der konkreten Anwendungssituation beim HUD im Kraftfahrzeug, in welcher die Anforderungen an die Auflösung in Richtung quer zur Fahrtrichtung im Hinblick auf die Bildcodierung deutlich höher sind als vertikal – die von einem optischen Körper 12, 22 überdeckten Pixelgruppen als Rechtecke mit stark unterschiedlichen Kantenlängen ausgestaltet sein. D. h. es sind auch asymmetrische Ausgestaltungen, z. B. Abdeckung einer Gruppe von 18 (= 6×3) Pixeln, möglich und können vorteilhaft sein.
Die optischen Körper 12, 22 können wahlweise auch als zylindrische Linsen und/oder Mikrolinsen bzw. Mikroprismen etc. ausgestaltet sein. In jedem Fall sollte zumindest in einer Dimension die Übersetzung der Position eines Punktes in einen Abstrahlwinkel gewährleistet sein.
Bei den meisten heute marktverfügbaren Head-up-Displays wird eine an der Windschutzscheibe entstehende Verzeichnung bzw. Verzerrung des Bildes mittels eines hochwertigen verkrümmten Spiegels ausgeglichen, was sehr kostspielig ist. Dies ist noch praktizierbar bei relativ kleinen Abbildungsflächen des HUD, für große Abbildungsflächen erscheint dieser Ansatz jedoch inpraktikabel und unangemessen teuer. Die Korrektur der Verbautoleranzen und Fokussierung werden dabei durch sehr aufwendige mechanische Justage optischer Elemente erreicht.
Um eine Verzeichnung bzw. Verzerrung des dem Betrachter dargebotenen Bildes anderweitig zu vermeiden, wird vorgeschlagen, bei der Kodierung des Bildes nicht nur die Stereobasis für die Abbildung zu erzeugen, sondern auch den Einfluss der Krümmung der Windschutzscheibe auf die Fokussierung elektronisch auszugleichen. Somit können auch Einflüsse unterschiedlich verbauter oder unterschiedlich gekrümmter Windschutzscheiben auf die Fokussierung großformatiger Inhalte sehr viel einfacher korrigiert werden, als dies z. B. durch weitere optische Körper und deren Justage möglich wäre.
Insbesondere wird der ortsabhängige Unterschied des Strahlengangs aufgrund der Beschaffenheit reflektierender Flächen, insbesondere der Windschutzscheibe, zumindest teilweise durch die Kodierung des Bildes ausgeglichen.
Das so geschaffene Verfahren bzw. eine so geschaffene Vorrichtung erlaubt es, jeden Teil des Bildes nicht nur mit einer bestimmten Helligkeit und Farbe darzustellen, sondern auch mehrere Teilabbildungen nach Abstrahlwinkeln zu „sortieren”. Daher ist es auch möglich, den ortsabhängigen Unterschied im Strahlengang der an der Windschutzscheibe entsteht, mittels der Berücksichtigung einer entsprechenden Umkehrfunktion bei der Kodierung (Bildaufbereitung) der darzustellenden Szene auszugleichen (vgl. 5). Die Umkehrfunktion bzw. eine Zuordnungsvorschrift, die diese Umkehrfunktion berücksichtigt, kann auf der Basis geometrischer Modelle und phyiskalisch-optischer Abbildungsgesetze berechnet werden, sofern alle maßgeblichen geometrischen Gegebenheiten bekannt sind. Alternativ kann sie in einem Kalibrationsvorgang ermittelt werden. Auch eine Mischform, d. h. eine Zuordnungsvorschrift, die initial auf geometrischen Überlegungen basiert und in einem Kalibrationsvorgang, insbesondere mit Hilfe einzelner ausgewählter Bildbereiche verfeinert wird, ist denkbar.
5 zeigt beispielhaft eine Korrektur des Strahlengangs mittels Einrechnung korrigierender Faktoren in die Kodierung des Bildes. Ein (hier stark schematisiertes) Projektionselement 1 projiziert Lichtstrahlen auf die Windschutzscheibe 2 des Kraftfahrzeugs. Im unkorrigierten Fall würden die Abstrahlwinkel der Lichtstrahlen sowohl absolut als auch relativ derart durch die Krümmung der Windschutzscheibe 2 verfälscht (vgl. Strahlenbündel 3 in 5), dass sich dem Betrachter ein unscharfes und/oder verzerrtes und nicht in der gewünschten Position und/oder Ausrichtung erscheinendes Bild darbieten würde. Die Strahlenpaare 3L1 und 3L2 stellen dabei Beispielstrahlen dar, die für das linke Auge des Betrachters bestimmt sind; 3R1 und 3R2 stellen Beispielstrahlen dar, die für das rechte Auge des Betrachters bestimmt sind. Im – wie vorgeschlagen – korrigierten Fall hingegen führt der korrigierte Strahlengang dazu, dass ein dargestelltes Objekt bzw. Bild dem Benutzer sowohl scharf und unverzerrt, als auch in der vorgegebenen Position und Ausrichtung dargeboten wird. Es ist dabei sowohl die Darstellung mehrerer Objekte in verschiedenen Tiefen als auch die Darstellung eines „vollwertigen” 3D-Bilds, welches – in der menschlichen Wahrnehmung – einen nahezu stufenlosen Übergang zwischen den Tiefenwirkungen einzelner Bildbereiche erlaubt, möglich. Die Strahlenpaare 4L1 und 4L2 stellen dabei Beispielstrahlen dar, die für das linke Auge des Betrachters bestimmt sind; 4R1 und 4R2 stellen Beispielstrahlen dar, die für das rechte Auge des Betrachters bestimmt sind. Die Strahlen 5L1, 5L2, 5R1 und 5R2 in 5 verdeutlichen die virtuelle Fortsetzung der auf die Augen des Betrachters auftreffenden Lichtstrahlen. Ein dargestelltes Objekt bzw. Objektteil erscheint aus Sicht des Betrachters an einer virtuellen Position, beispielsweise etwa 2,5 Meter von den Augen des Betrachters entfernt.
Das hier vorgestellte Verfahren unterscheidet sich von bekannten Verfahren zur elektronischen Entzerrung, z. B. eines Kamerabilds, insbesondere darin, dass die Korrekturfunktion sich nicht nur auf die Position eines Punktes auf einem Display, sondern alternativ oder zusätzlich auf die Einkodierung des Abstrahlwinkels bezieht, was selbstverständlich nicht dasselbe ist.
Das hier vorgestellte Verfahren wird insbesondere zusätzliche Relevanz gewinnen, wenn der zu erwartende funktionale Zuwachs im Bereich der Head-up-Display-Anzeigen zukünftig den Wunsch bzw. die Nachfrage nach größeren Anzeigeflächen von Head-up-Displays wecken wird, z. B. für Fahrerassistenzsysteme mit einer vollflächigen und/oder kontaktanalogen Informationsdarstellung auf der gesamten Windschutzscheibe eines Kraftfahrzeugs. Da es weder praktikabel noch bezahlbar wäre, einen – auch hinsichtlich lokaler Krümmungsunterschiede – entsprechend gekrümmten Spiegel in der erforderlichen Größe und Güte bereitzustellen, ist das oben beschriebene Verfahren für große Flächen wesentlich einfacher umsetzbar. Geeignete Projektions- und/oder Ablenkmittel können dabei beispielsweise entlang des Armaturenbretts „ausgerollt” oder zumindest mit geringer Eindringtiefe in das Armaturenbrett integriert werden.
Bei heute bekannten bzw. marktverfügbaren HUDs wird oft eine sehr komplexe Kalibrierung durchgeführt, die darin besteht, bestimmte optische Teile bzw. das eigentliche HUD-Modul, derart auszurichten, dass Fertigungstoleranzen des Fahrzeugs und der Windschutzscheibe ausgeglichen werden und ein wie gewünscht positioniertes, scharfes Bild für den Betrachter erreicht wird.
Vorzugsweise wird bei dem vorgeschlagenen Verfahren mittels einer geeigneten Anpassung, insbesondere automatischen Ermittlung, softwaremäßiger Parameter der Bild-Kodierung eine Kalibrierung auf das jeweilige individuelle Fahrzeug durchgeführt, durch welche Fertigungstoleranzen des Fahrzeugs und der Windschutzscheibe ausgeglichen werden. Somit können identische oder ähnliche Vorrichtungen der vorgeschlagenen Art (d. h. dasselbe Produkt) für verschiedene Fahrzeugmodelle mit verschiedenen Windschutzscheibenkrümmung Anwendung finden, wobei lediglich bestimmte (ggf. auch alle) Parameter der Winkelkodierung fahrzeugindividuell per Software angepasst werden. Vorzugsweise erfolgt die Kalibrierung der Vorrichtung in einem Fahrzeug mittels einer automatischen Ermittlung der Kodierparameter. Solche Kodierparameter können insbesondere Parameter für die Verteilung der Helligkeit und/oder Farbe auf die Pixel der Vorrichtung sein, die erforderlich sind, um eine darzustellende Szene und/oder ein darzustellendes Objekt nach der Reflexion an der Windschutzscheibe in der vorgegebenen Tiefe und Abbildungsschärfe erscheinen zu lassen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des beschriebenen Verfahrens bzw. der beschriebenen Vorrichtung ist die beschriebene Art der Kompensation optischer Eigenschaften der Windschutzscheibe auf Basis einer Look-up-Tabelle ausgeführt, welche die erforderliche Abstrahlwinkelveränderung für bestimmte Stützpunkte im Bild enthält.
Diese Punkte können nur repräsentativ für einen bestimmten Bereich des Bildes sein. Für die Ermittlung der Winkelveränderung für Punkte die sich zwischen den Stützpunkten befinden, kann dann ein Interpolationsverfahren, beispielsweise eine Spline-Interpolation, angewandt werden. Eine solche Look-up-Tabelle kann im Rahmen des oben beschriebenen Kalibriervorgangs selbst geändert werden und/oder es können die sich – gegenüber einer unveränderlichen Bezugstabelle – ergebenden Unterschiede gesondert gespeichert werden. Eine solche Handhabung der Kodierwerte verringert die erforderliche Rechenleistung und die erforderliche Speichergröße eines entsprechenden Bildaufbereitungssystems.
Wie bereits diskutiert, ist es für bestimmte Fahrerassistenzsysteme, insbesondere solche, die auf der Anzeige kontaktanaloger Information basieren, vorteilhaft, wenn das verwendete HUD eine möglichst große effektive Anzeigefläche besitzt. Bei solchen Fahrerassistenzsystemen können dann im Sinne einer Augmentierung des Realbilds der Fahrzeugumgebung bestimmte Symbole ins HUD eingeblendet werden, die eng mit der realen Welt korrespondieren, z. B. können Navigationspfeile eines Navigationssystems dann derart eingeblendet werden, dass diese mit den realen Fahrspuren der Fahrbahn übereinstimmen und/oder es können Hindernisse in der realen Welt „markiert” werden. Wie ebenfalls bereits diskutiert, ist eine bloße flächenmäßige Vergrößerung eines HUD nach heutigem Stand der Technik jedoch schwer realisierbar und finanzierbar. Zudem hätte die bloße flächenmäßige Vergrößerung eines HUD nach heutigem Stand der Technik aber den Nachteil, dass die Position einer durch das HUD erzeugten Anzeige in Bezug auf die reale Welt von der Augenposition des Fahrers abhängig wäre, d. h. eine unabhängig von der Kopf-/Augenposition des Betrachters erzeugte Anzeige würde aus Sicht des Betrachtes in der realen Welt wandern und/oder die Korrektur von Spiegelungsverzeichnungen an der Windschutzscheibe würde nur für bestimmte Kopf-/Augenpositionen zufriedenstellend funktionieren.
Um dies zu verhindern, ist es bekannt, das vom HUD dargestellte Bild permanent auf die Position der Augen bzw. des Kopfes des Betrachters anzupassen.
Als Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird vorgeschlagen, dementsprechend den Strahlengang des HUD permanent auf die Position der Augen des Benutzers anzupassen. In anderen Worten, d. h. im Anspruchswortlaut, wird die Zuordnung durch die Bildpunktzuordnungsmittel in Abhängigkeit von der Kopfposition und/oder Augenposition des Insassen variiert. Mittels des erfindungsgemäßen Head-Up-Displays kann dies derart erfolgen, dass das Winkelverhältnis zwischen den Strahlen konstant bleibt oder sich nach vorbestimmten Kriterien verändert. Die Position der Augen des Betrachters, insbesondere des Fahrers, kann hierzu mittels einer Innenraumkamera in einem Eye-Tracking-Verfahren erfasst werden oder es kann im vereinfachten Fall der Strahlengang abhängig von der Sitzposition und/oder von persönlichen Einstellungen des Benutzers angepasst werden. Dies kann bei dem erfindungsgemäßem Verfahren deswegen besonders vorteilhaft und einfach durchgeführt werden, weil die maßgeblichen Parameter sehr schnell per Software verstellt werden können. Insbesondere kann die Bildkodierung auf die aktuelle Kopfposition des Betrachters adaptiert werden, indem – sofern eine solche Tabelle Verwendung findet – die Werte der oben genannten Look-up-Tabelle oder einer anderen Stützpunktetabelle entsprechend adaptiert werden.
Ein weiterer Vorteil einer solchen Ausgestaltung der Erfindung betrifft den Fall der Informationsdarstellung an mehrere Betrachter, insbesondere Fahrer und Beifahrer. Die zu Fahrer und Beifahrer gerichteten Bilder können so nämlich getrennt voneinander, d. h. für jeden Betrachter separat und in Abhängigkeit von dessen jeweiliger aktueller Situation und Sitzposition, auskorrigiert werden. Es sei darauf hingewiesen, dass eine bloße Verschiebung des Bildinhalts bei der Darstellung einer 3D-Szene hierzu nicht ausreicht; erforderlich ist alternativ oder zusätzlich vielmehr eine Winkeländerung. Dies ist auf Basis der oben beschriebenen Adaption der Kodierung einfach machbar, indem die Adaption für jeden Betrachter separat durchgeführt wird.
Im Fall der Informationsdarstellung an mehrere Betrachter, insbesondere Fahrer und Beifahrer, kann diesen mehreren Betrachtern im einfachsten Fall dieselbe Anzeige präsentiert werden. Ein Head-up-Display der vorgestellten Art erlaubt es jedoch auch, unterschiedliche Bildinhalte für unterschiedliche Abstrahlrichtungen darzustellen. Somit können auch unterschiedlichen Benutzern unterschiedliche Bildinhalte dargeboten werden, d. h. aus verschiedenen Beobachtungspositionen im Kraftfahrzeug sind unterschiedliche Bildinhalte zu sehen.
Somit könnte beispielsweise eine Anzeigeform erreicht werden, bei welcher der – sich überwiegend der Fahraufgabe widmende – Fahrer die für diese Fahraufgabe relevanten Navigationspfeile formatfüllend auf der Windschutzscheibe sieht, während dem Beifahrer die Anzeigen eines Bordcomputers, eines Reiseführers oder die Grafikausgabe eines Videospiels – ebenfalls formatfüllend – auf der Windschutzscheibe dargestellt werden. Die Bildinhalte für unterschiedliche Betrachter können also vollständig voneinander abweichen; sie können freilich auch ähnlicher Art, jedoch mit betrachterindividuellen Zusätzen/Optionen ausgestaltet sein.
Ein nach dem vorgeschlagenen Verfahren gestaltete Abbildungsvorrichtung kann sehr flach ausgestaltet werden, vgl. 1. Die Anpassung der Vorrichtung ein bestimmtes Fahrzeugmodell und seine Kalibrierung, beispielsweise zum Ausgleich von Fertigungs- und Einbautoleranzen, kann per Software erfolgen. Deswegen ist der Einsatz des Verfahrens auch und insbesondere bei einer nachträglichen Ausrüstung eines Fahrzeuges mit einem HUD der vorgeschlagenen Art von Vorteil. Besonders einfach kann eine Erstausrüstung oder Nachrüstung vorgenommen werden, wenn das aus- bzw. aufzurüstende Fahrzeug über eine Windschutzscheibe verfügt, welche die Entstehung parasitärer Doppel- oder Mehrfachbilder in an sich bekannter Weise mittels einer speziell geformten PVB-Zwischenschicht (Butyrol-Polyvinil) verhindert.
Lassen sich parasitäre Doppel- oder Mehrfachbilder nicht oder nur unzureichend durch die Struktur der Windschutzscheibe vermeiden, werden gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung Spiegeleffekte an der Windschutzscheibe dadurch unterdrückt, dass die Projektionsfläche innerhalb des Nutzabstrahlwinkels, in anderen Worten der Winkelbereich, in dem zu Darstellungszwecken projiziert wird, mit einer Offsetlichtstärke beleuchtet wird. An Stellen, wo – ohne weitere Maßnahmen – ein Doppelbild entstehen würde, kann dieses von dem zu projizierendem Bild rechnerisch, insbesondere in einer Bildvorverarbeitung abgezogen, d. h. subtrahiert, werden. Ein Doppelbild an der Windschutzscheibe wird gemäß dieser bevorzugten Weiterbildung der Erfindung also zumindest teilweise kompensiert, indem einem darzustellenden Nutzbild ein weitgehend konstantes Ausleuchtungsniveau hinzugefügt wird und von dem Ergebnis das vorausberechnete Doppelbild rechnerisch subtrahiert wird. Analog kann mit anderen Störbildern, insbesondere Mehrfachbildern und/oder mehrfach reflektierten parasitären Abbildungen verfahren werden.
Eine solche Weiterbildung der Erfindung kann auch zusammen mit dem oben genannten – auf dem Profil der Windschutzscheibe basierenden – bekannten optischen Verfahren zur Vermeidung parasitärer Doppel- oder Mehrfachbilder angewandt werden. Die elektronische Kompensation muss sich dann „nur noch” auf restliche, nach der optischen Kompensation noch verbleibende (und für die menschliche Wahrnehmung noch relevante) parasitäre Doppel- oder Mehrfachbilder beziehen.
Da das Doppelbild im Vergleich zum Nutzbild geringfügig anders gekrümmt ist, ist die kompensierende Subtraktion des vorausberechneten Doppelbildes vorteilhafterweise abstrahlwinkelabhängig auszuführen.
Bei Ausführung der Erfindung gemäß der obigen Weiterbildung würde die erzeugte Gesamtabbildung auch außerhalb des Nutzbildes leicht – mit der Helligkeit des konstanten Ausleuchtungsniveaus – „leuchten”, was insbesondere bei Nacht störend wirken kann.
Um dies zu vermeiden kann folgendermaßen vorgegangen werden. Die Leuchtpunkte werden mittels einer oder mehrerer kohärenter Lichtquellen ausgestaltet. Somit kann der Wert der Ausleuchtung an einer bestimmten Stelle grundsätzlich – wie beispielsweise an sich aus der Holographie bekannt ist – mit gegenphasigem kohärenten Licht neutralisiert werden.
Unter Anwendung dieses Prinzips können im Falle der Verwendung kohärenter Lichtquellen, beispielsweise Laserdioden, Störbilder mittels eines in der Phase verschobenen Bildes ausgelöscht, d. h. selektiv subtrahiert werden. Eine Offsetbeleuchtung wird dann nicht benötigt.
Eine praktische Umsetzung ist bereits unter Nutzung einer einzigen Laserlichtquelle technisch und wirtschaftlich realisierbar, beispielsweise gemäß der Anordnung aus 2. Die erforderliche Phasenverschiebung kann dann dadurch erzeugt werden, dass ein Teil der Strahlung der Lichtquelle entlang eines längeren Strahlengangs geführt wird oder durch ein Medium mit einer veränderten optische Dichte gelenkt wird (was zu einer Verringerung der Lichtgeschwindigkeit innerhalb des Mediums führt).
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 10302387 A1 [0003, 0003]
DE 10046019 A1 [0004]
WO 2007/000178 A1 [0004]

Claims

Head-up-Display zur stereoskopischen Informationsanzeige in einem Kraftfahrzeug, aufweisend – Anzeigemittel mit einer Anzeigeeinheit, auf welcher Leuchtpunkte erzeugbar sind, deren Lichtstrahlen durch Spiegelung an der Windschutzscheibe des Kraftfahrzeugs für einen Insassen des Kraftfahrzeugs sichtbar sind, – Ablenkmittel, die im Strahlengang des Head-up-Displays zwischen der Anzeigeeinheit und der Windschutzscheibe angeordnet sind und Lichtstrahlen unterschiedlicher Leuchtpunkte in unterschiedliche Abstrahlrichtungen ablenken, – Bilderzeugungsmittel zur Erzeugung zweier unterschiedlicher, für die beiden Augen des Insassen bestimmter Einzelbilder einer stereoskopischen Informationsanzeige und – Bildpunktzuordnungsmittel zur Zuordnung von Bildpunkten der Einzelbilder zu Leuchtpunkten der Anzeigeeinheit, wobei die Ablenkmittel und die Anzeigeeinheit derart beschaffen und zueinander angeordnet sind und die Bildpunkte der Einzelbilder den Leuchtpunkten der Anzeigeeinheit derart durch die Bildpunktzuordnungsmittel zuordbar sind, dass bei auf dieser Zuordnung basierender Erzeugung der Leuchtpunkte für das linke Auge des Insassen die Bildpunkte des für das linke Auge bestimmten Einzelbildes sichtbar sind und für das rechte Auge des Insassen die Bildpunkte des für das rechte Auge bestimmten Einzelbildes sichtbar sind.
Head-up-Display nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ortsabhängige Unterschiede des Strahlengangs ausgleichbar sind, indem die Zuordnung durch die Bildpunktzuordnungsmittel in Abhängigkeit von einer Beschaffenheit, insbesondere der Wölbung, reflektierender Flächen des Head-up-Display, insbesondere der Windschutzscheibe, vornehmbar ist.
Head-up-Display nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildpunktzuordnungsmittel eine Zuordnungsvorschrift für die Zuordnung von Bildpunkten der Einzelbilder zu Leuchtpunkten der Anzeigeeinheit anwenden, welche in einem Kalibrationsvorgang ermittelt worden ist, der die Ansteuerung ausgewählter Leuchtpunkte der Anzeigeeinheit und die zeitsynchronisierte kamerabasierte Erfassung der jeweils resultierenden in der Windschutzscheibe reflektierten Abbildung umfasst.
Head-up-Display nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablenkmittel als Matrix optischer Körper ausgebildet sind.
Head-up-Display nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzeigeeinheit als TFT-Display oder LCD-Display oder Plasma-Display und/oder als Durchlicht-Display ausgebildet sind.
Head-up-Display nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuordnung durch die Bildpunktzuordnungsmittel auf veränderlichen, insbesondere in Abhängigkeit von einer Geometrie der Windschutzscheibe und/oder von der Verbauposition der Teile des Head-Up-Displays veränderlichen, Zuordnungsparametern basiert.
Head-up-Display nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuordnung durch die Bildpunktzuordnungsmittel in Abhängigkeit von der Kopfposition und/oder Augenposition des Insassen variierbar ist.
Head-up-Display nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Bilderzeugungsmittel für einen ersten Insassen des Kraftfahrzeugs, insbesondere den Fahrer, und einen zweiten Insassen des Kraftfahrzeugs, insbesondere den Beifahrer, zumindest jeweils ein Einzelbild erzeugbar ist, und dass die Ablenkmittel und die Anzeigeeinheit derart beschaffen und zueinander angeordnet sind und die Bildpunkte der Einzelbilder den Leuchtpunkten der Anzeigeeinheit derart durch die Bildpunktzuordnungsmittel zuordbar sind, dass für den ersten Insassen die Bildpunkte des für den ersten Insassen bestimmten Einzelbildes sichtbar sind und dass für den zweiten Insassen die Bildpunkte des für den zweiten Insassen bestimmten Einzelbildes sichtbar sind.
Head-up-Display nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Vermeidung von Doppelbildern die Einzelbilder erzeugbar sind, indem auf Basis eines als Einzelbild darzustellenden Nutzbildes zumindest ein zu erwartendes Störbild bestimmt wird, indem dem darzustellenden Nutzbild ein im Wesentlichen helligkeitskonstantes Ausleuchtungsniveau hinzugefügt wird und indem das zumindest eine Störbild von dem Nutzbild bzw. von dem hinzugefügten Ausleuchtungsniveau bzw. von der Summe aus Nutzbild und hinzugefügtem Ausleuchtungsniveau im Wesentlichen abgezogen wird.
Head-up-Display nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Anzeigemittel und/oder durch zusätzliche Kompensationsmittel Kompensationslichtstrahlen erzeugbar sind, die zumindest teilweise gegenphasig kohärent zu den für die Darstellung eines Nutzbilds erzeugten Lichtstrahlen der Leuchtpunkte der Anzeigeeinheit sind, dass auf Basis des Nutzbilds zumindest ein zu erwartendes Störbild bestimmbar ist und dass das Störbild zumindest teilweise durch die Kompensationslichtstrahlen kompensierbar ist.