DE102010062634A1

DE102010062634A1 - Head-up display comprises projection unit for vehicle, where image forming unit is provided for emitting rays of image which is displayed, where optical elements comprises two mirrors

Info

Publication number: DE102010062634A1
Application number: DE102010062634A
Authority: DE
Inventors: Hans-Georg Heckmann
Original assignee: Qioptiq Photonics GmbH and Co KG
Current assignee: Qioptiq Photonics GmbH and Co KG
Priority date: 2010-12-08
Filing date: 2010-12-08
Publication date: 2012-06-14

Abstract

The head-up display comprises a projection unit (2) for a vehicle, where an image forming unit (1) is provided for the emitting rays of an image which is displayed. An optical elements comprises two mirrors (4,5). The image forming unit facing the mirror has negative refractive power, where an image superimposing unit (3) facing the mirror has positive refractive power.

Description

Die Erfindung betrifft ein Head-up Display mit Projektionseinheit nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.The invention relates to a head-up display with projection unit according to the preamble of claim 1.

In Fahrzeugen wie z. B. Autos, Schiffen oder LKWs werden dem Fahrer relevante Informationen wie z. B. die aktuelle Geschwindigkeit des Fahrzeugs während der Fahrt angezeigt. Um die Zeit, die er dem Betrachten der Information widmet und dabei seine Aufmerksamkeit von der Straße abwendet, möglichst kurz zu halten, wurden Anzeigen entwickelt, welche die Informationen in einem so großen Abstand zum Fahrer darstellen, in welchem ihm ein akkommodationsreduziertes Betrachten möglich ist.In vehicles such. As cars, ships or trucks are the driver relevant information such. B. the current speed of the vehicle while driving displayed. In order to minimize the time spent looking at the information while keeping his attention away from the road, displays have been developed which present the information at such a great distance from the driver, in which he is able to view with reduced accommodation.

Die gängisten Anzeigen dieser Art sind die sogenannten Head-up Displays. Bei diesen Anzeigen werden die Informationen im Bereich der Windschutzscheibe in das Sichtfeld des Fahrers so eingeblendet, dass das eingeblendete Bild als virtuelles Bild in ausreichendem Abstand zum Fahrer vor der Windschutzscheibe dargestellt wird. Dabei erfolgt die Einblendung durch Spiegelung an der Windschutzscheibe. Dadurch wird das Bild scheinbar außerhalb des Fahrzeuges, mit der Umgebung überlagert, dargestellt und der Fahrer kann gleichzeitig die Umgebung und die eingeblendeten Daten beobachten, nahezu ohne das Auge unterschiedlich akkommodieren zu müssen.The most common displays of this kind are the so-called head-up displays. In these displays, the information in the area of the windshield in the driver's field of view is displayed so that the displayed image is displayed as a virtual image at a sufficient distance from the driver in front of the windshield. The fade-in takes place by reflection on the windshield. As a result, the image is apparently displayed outside the vehicle, superimposed on the environment, and the driver can simultaneously observe the surroundings and the displayed data, without having to accommodate the eye differently.

Alternativ dazu existiert eine zweite Variante von Anzeigen, als sogenannte Combinersysteme ausgebildete Head-up Displays. Auch bei diesen Anzeigen werden die Informationen im Bereich der Windschutzscheibe in das Sichtfeld des Fahrers eingeblendet. Die Einblendung erfolgt jedoch nicht über die Windschutzscheibe selbst, sondern durch einen teildurchlässigen Spiegel, Combiner genannt. Durch die Teilduchlässigkeit des Combinerspiegels findet eine Überlagerung der Information mit der Umgebung statt. Der Combiner stellt ein zusätzliches Bauteil dar, er kann jedoch gegenüber der Windschutzscheibe besser an die Anforderungen der Anzeige angepasst werden.Alternatively, there is a second variant of displays, designed as so-called combiner systems head-up displays. These displays also display information about the windshield in the driver's field of vision. However, the fade-in does not take place via the windshield itself, but rather through a partially reflecting mirror called a combiner. Due to the partial permeability of the combiner mirror, an overlay of the information with the environment takes place. The combiner represents an additional component, but it can be better adapted to the requirements of the display vis-à-vis the windscreen.

Die Anforderungen, ein solches Head-up Display in einem Fahrzeug, wie z. B. einem Auto, einem Schiff oder einem LKW verwenden zu können, stellen für die Entwicklung eine große Herausforderung dar. Denn es besteht der Wunsch eine Darstellung höchster optischer Qualität unter engen geometrischen Randbedingungen zu realisieren. Gerade an die Projektionsoptiken werden deshalb hohe Anforderungen gestellt.The requirements of such a head-up display in a vehicle, such. To be able to use a car, a ship or a truck, for the development of a great challenge. Because there is a desire to realize a representation of the highest optical quality under tight geometric boundary conditions. High demands are therefore placed on the projection optics.

Ein als Combinersystem ausgelegtes Head-up Display ist aus der DE 101 57 605 C1 bekannt. Hier wird ein, an einem Display erzeugtes Bild, über eine Projektionseinheit mit mehreren konkaven Spiegeln und einen Combiner so projiziert, dass es in einem großen Abstand zur Eyebox des Betrachters sichtbar ist. Die hierfür verwendete Projektionseinheit ist mit der Zwischenbildabbildung unter anderem über den Manginspiegel qualitativ hochwertig aber auch sehr aufwändig gestaltet. Sie erlaubt aber eine sehr kompakte Bauweise.A designed as combiner system head-up display is from the DE 101 57 605 C1 known. Here, an image generated on a display is projected through a projection unit having a plurality of concave mirrors and a combiner so as to be visible at a great distance from the eyebox of the viewer. The projection unit used for this purpose is designed with the intermediate image image, inter alia, the Manginspiegel high quality but also very expensive. But it allows a very compact design.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Head-up Display mit einer Projektionseinheit zum akkommodationsreduzierten Anzeigen von Informationen in einem Fahrzeug mit guter optischer Qualität und möglichst kompakter Projektionseinheit als einfaches System mit wenig Bauteilen zu realisieren.The invention has for its object to realize a head-up display with a projection unit for accommodation-reduced display of information in a vehicle with good optical quality and the most compact projection unit as a simple system with few components.

Gelöst wird die Aufgabe gemäß der Erfindung durch ein Head-up Display mit Projektionseinheit mit den Merkmalen von Anspruch 1.The object is achieved according to the invention by a head-up display with projection unit having the features of claim 1.

Erfindungsgemäß ist ein Head-up Display mit Projektionseinheit zum akkommodationsreduzierten Anzeigen von Informationen in einem Fahrzeug mit einer Bilderzeugungseinheit wie z. B. einer Lichtquelle zum Emittieren von Strahlen und einem Lichtmodulator oder Lichtventil, wie z. B. einem LCD oder DMD, zum Modifizieren der Strahlen, zum Erzeugen eines anzuzeigenden Bildes, oder einem selbstleuchtenden Display, wie z. B. einem LED-Display und mit optischen Elementen zum Lenken der Strahlen auf eine Bildüberlagerungseinheit, an der die anzuzeigenden Informationen mit der Umgebung des Fahrzeuges, also dem Sichtbild des Fahrers, überlagert werden, ausgestattet, wobei die optischen Elemente zwei Spiegel umfassen, von denen einer als Konvexspiegel, also als lichtstreuender Spiegel mit negativer Brechkraft und einer als Konkavspiegel, also als lichtsammelnder Spiegel mit positiver Brechkraft ausgebildet ist, und wobei der Konvexspiegel zwischen dem Konkavspiegel und der Bilderzeugungseinheit angeordnet ist.According to the invention, a head-up display with projection unit for the accommodation-reduced display of information in a vehicle with an image-forming unit such. B. a light source for emitting radiation and a light modulator or light valve, such. As an LCD or DMD, for modifying the rays, for generating an image to be displayed, or a self-luminous display, such. B. an LED display and with optical elements for directing the beams on an image superimposing unit, where the information to be displayed with the environment of the vehicle, so the visual image of the driver are superimposed, equipped, the optical elements comprise two mirrors, of which one designed as a convex mirror, that is, as a light-scattering mirror with negative refractive power and a concave mirror, so as light-collecting mirror with positive refractive power, and wherein the convex mirror is arranged between the concave mirror and the image forming unit.

In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Head-up Display einen Combiner als Bildüberlagerungseinheit, welcher teildurchlässig ist und positive Brechkraft aufweist. Dadurch kann die Abbildungsqualität weiter erhöht werden, das System ist flexibler.In a preferred embodiment, the head-up display comprises a combiner as image superimposition unit, which is partially transparent and has positive refractive power. As a result, the image quality can be further increased, the system is more flexible.

Bevorzugt ist der Combiner so angeordnet, dass der Zentralstrahl des anzuzeigenden Bildes, der von der Mitte des Bildes zur Mitte der Eyebox führt, in einem Einfallswinkel von weniger als 45° auf den Combiner trifft. Vorzugsweise ist die Anordnung so, dass der Einfallswinkel geringer als 25° ist. Im Gegensatz zu dem systemgegebenen sehr großen Einfallswinkel an der Windschutzscheibe, der üblicherweise um die 65° beträgt, kann der Einfallswinkel am Combiner flexibler gewählt werden. Die Minimierung des Einfallswinkels am Combiner ist sowohl für die Abbildungsqualität als auch für Empfindlichkeiten (gegebenenfalls Eyebox-Verstellung), Doppelbildunterdrückung, Verzerrung des Hintergrunds und die Vergütung vorteilhaft. Preferably, the combiner is arranged so that the central ray of the image to be displayed, which leads from the center of the image to the center of the eyebox, impinges on the combiner at an angle of incidence of less than 45 °. Preferably, the arrangement is such that the angle of incidence is less than 25 °. In contrast to the system given very large angle of incidence on the windshield, which is usually around 65 °, the angle of incidence on the combiner can be chosen more flexible. Minimizing the angle of incidence on the combiner is beneficial for both image quality and sensitivities (optionally eyebox adjustment), double image suppression, background distortion, and compensation.

Es ist vorteilhaft, wenn der Combiner so ausgebildet ist, dass seine Brechkraft geringer ist als die Brechkräfte der einzelnen Spiegel der Projektionseinheit. Dies gilt insbesondere dann, wenn das Head-up Display mit einer Höhenverstellungseinheit ausgestattet ist, bei der die Höhe der Eyebox an die Größe des Fahrers angepasst werden kann, indem nur der Combiner verschwenkt wird. Je geringer in einem derartigen, über das Bewegen des Combiners, höhenverstellbaren Head-up Dipslay die Brechkraft des Combiners ist, umso weniger wird die optische Qualität der Abbildung der anzuzeigenden Information durch das Verschwenken des Combiners beeinträchtigt.It is advantageous if the combiner is designed such that its refractive power is lower than the refractive powers of the individual mirrors of the projection unit. This is especially true when the head-up display is equipped with a height adjustment unit, in which the height of the eyebox can be adjusted to the size of the driver by only the combiner is pivoted. The lower the refractive power of the combiner in such a head-up dipslay that can be adjusted in height by moving the combiner, the less the optical quality of the image of the information to be displayed is impaired by the pivoting of the combiner.

Bevorzugt sind Combiner und Spiegel zueinander so angeordnet, dass der Abstand zwischen Combiner und Konkavspiegel größer ist als zwischen Konkavspiegel und Konvexspiegel, dass er insbesondere ein Vielfaches des Abstandes zwischen den Spiegeln beträgt. Dies ermöglicht eine gewisse Begrenzung der Strahlenbündel und damit auch eine Unterdrückung unerwünschter Out-Off-Eyebox Aberrationen und von Rückreflexen z. B. von Sonneneinstrahlungen.Preferably, combiners and mirrors are arranged relative to one another in such a way that the distance between combiner and concave mirror is greater than between concave mirror and convex mirror, in particular, that it is a multiple of the distance between the mirrors. This allows a certain limitation of the beam and thus also a suppression of unwanted out-of-eyebox aberrations and back reflexes z. B. of solar radiation.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der Konkavspiegel zwischen Bildüberlagerungseinheit, insbesondere Combiner, und Konvexspiegel so angeordnet, dass der Einfallswinkel des vom Konvexspiegel auf den Konkavspiegel auftreffenden Zentralstrahls des anzuzeigenden Bildes (des Strahls der von der Mitte des am Display erzeugten Bildes zur Mitte der Eyebox verläuft) über 30° liegt. Derart große Einfallswinkel werden, wie bereits erwähnt, üblicherweise vermieden, da sie negativen Einfluß auf die Abbildungsqualität haben. Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung besteht aber gerade darin, den Einfallswinkel groß zu wählen. Dadurch kann die Projektionseinheit und damit das Head-up Display selbst sehr flach gebaut werden. Ein solch flaches Head-up Display kann vorzugsweise am Dach eines Fahrzeuges oberhalb des Kopfes des Fahrers angeordnet werden. Dies hat zwei entscheidende Vorteile. Zum einen wird dadurch das ohnehin schon mit sehr vielen Instrumenten ausgestattete Armaturenbrett entlastet. Der entscheidendere Vorteil liegt aber darin, dass das Head-up Display oberhalb des Fahrers kaum dem negativen Einfluss der Sonneneinstrahlung (Reflexe, Erwärmung durch Brennglas-Effekt) ausgesetzt ist. Damit können Lichtreflexe vermieden werden, die sich sehr störend auswirken können. Diese Anordnung des Head-up Displays bewirkt also, dass die optische Qualität nicht allzu sehr beeinträchtigt wird, obwohl der Einfallswinkel, wie im Folgenden beschrieben, so groß gewählt wird. Besonders vorteilhaft kann diese Anordnung in Fahrzeugen wie Nutzfahrzeugen (z. B. in der Landwirtschaft) sowie und Schiffen und Zügen umgesetzt werden.In a further advantageous embodiment, the concave mirror between the image superimposing unit, in particular combiner, and convex mirror is arranged such that the angle of incidence of the incident from the convex mirror on the concave mirror central beam of the image to be displayed (the beam from the center of the image generated on the display to the center of the eyebox ) is above 30 °. Such large angles of incidence, as already mentioned, are usually avoided since they have a negative influence on the imaging quality. However, an essential aspect of the invention is precisely to choose the angle of incidence large. As a result, the projection unit and thus the head-up display itself can be built very flat. Such a flat head-up display can preferably be arranged on the roof of a vehicle above the head of the driver. This has two decisive advantages. On the one hand, this relieves the instrument panel, which is already equipped with many instruments. The more decisive advantage lies in the fact that the head-up display above the driver is hardly exposed to the negative influence of solar radiation (reflexes, heating due to the glass lens effect). This light reflections can be avoided, which can have a very disturbing effect. This arrangement of the head-up display thus causes the optical quality is not affected too much, although the angle of incidence, as described below, is chosen so large. This arrangement can be implemented particularly advantageously in vehicles such as commercial vehicles (for example in agriculture) as well as ships and trains.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird eine optische Korrekturmaßnahme vorgenommen, um eine gute Abbildungsqualität zu erhalten, obwohl der Einfallswinkel am Konkavspiegel größer als 30° gewählt wird. Dazu sind die zwei Spiegel als spezielle Freiformspiegel ausgebildet, wobei als Freiformspiegel hier reflektierende Elemente beschrieben werden, die in der Einfallsebene am Zentralstrahl und der dazu senkrechten, die Flächennormale enthaltenden, Ebene unterschiedliche Krümmungsradien R_|| und R_⊥ bzw. die entsprechenden Brechkräfte φ_|| und φ_⊥ aufweisen. Als Korrekturmaßnahme sind die Brechkräfte bzw. die entsprechenden Krümmungsradien der Freiformflächen so gewählt, dass für den Zentralstrahl folgende Beziehung für die astigmatische Wirkung der Fläche (im folgenden Astigmatismus A genannt) gilt

wobei der Zusammenhang zwischen Brechkräften und Krümmungsradien definiert ist als

und ε der Einfallswinkel ist. Diese spezielle Korrekturmaßnahme kann besonders vorteilhaft dadurch erreicht werden, dass ein Spiegel als Konkav- und einer als Konvexspiegel ausgebildet ist, was bewirkt, dass die Brechkräfte unterschiedliche Vorzeichen haben. Die Konfiguration mit dem Spiegel negativer Brechkraft nahe der Bilderzeugungseinheit vermindert außerdem die Einfallswinkel an der Bilderzeugungseinheit.In a preferred embodiment, an optical corrective measure is taken to obtain a good imaging quality, although the angle of incidence at the concave mirror is chosen to be greater than 30 °. For this purpose, the two mirrors are designed as special free-form mirrors, reflective elements being described here as free-form mirrors which have different radii of curvature R _|| in the plane of incidence at the central ray and the plane containing the surface normal and R _⊥ and the corresponding powers φ _|| and φ _⊥ . As a corrective measure, the refractive powers or the corresponding radii of curvature of the freeform surfaces are selected such that the following relationship applies to the central ray for the astigmatic effect of the surface (referred to below as astigmatism A)

wherein the relationship between powers and radii of curvature is defined as

and ε is the angle of incidence. This special corrective measure can be achieved particularly advantageously in that a mirror is designed as a concave mirror and one as a convex mirror, which has the effect that the refractive powers have different signs. The negative power mirror configuration near the image forming unit also reduces the incident angles at the image forming unit.

Durch diesen Aufbau, der sich besonders gut in Verbindung mit einem großen Einfallswinkel am Konkavspiegel und einer flachen Projektionseinheit vereinbaren lässt, kann ein nahezu telezentrischer Strahlengang am bilderzeugenden Display erreicht werden. Dies ist für viele Displays und deren Ausleuchtung besonders vorteilhaft. Diese spezielle Anordnung von hierfür entwickelten optischen Elementen mit Freiformflächen gestattet sogar die Korrektur der Verzeichnung. This construction, which can be particularly well in combination with a large angle of incidence on the concave mirror and a flat projection unit, a nearly telecentric beam path can be achieved on the image-forming display. This is particularly advantageous for many displays and their illumination. This special arrangement of optical elements with free-form surfaces developed for this purpose even allows the correction of the distortion.

In einer weiteren Ausführungsform, die sich für manche Anwendungen als vorteilhaft erwiesen hat, sind zwischen der Bilderzeugungseinheit und dem Spiegel mit negativer Brechkraft und/oder den beiden Spiegeln und/oder dem Spiegel mit positiver Brechkraft und dem Combiner ein oder mehrere Planspiegel zur weiteren Faltung des Strahlengangs angeordnet. Dadurch lässt sich die Kompaktheit der Projektionseinheit weiter erhöhen und es kann mehr Flexibilität in der Anpassung an bauliche Vorgaben im Fahrzeug erzielt werden.In a further embodiment, which has proved to be advantageous for some applications, one or more plane mirrors for further folding of the image generation unit and the mirror with negative refractive power and / or the two mirrors and / or the mirror with positive refractive power and the combiner Beam path arranged. As a result, the compactness of the projection unit can be further increased and it can be achieved more flexibility in adapting to structural requirements in the vehicle.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen im Zusammenhang mit der Beschreibung von Ausführungsbeispielen, die anhand der Zeichnungen eingehend erläutert werden.Further details and advantages of the invention will become apparent from the dependent claims in connection with the description of exemplary embodiments, which are explained in detail with reference to the drawings.

Es zeigen:Show it:

1 Schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Head-up Displays in einem Fahrzeug oberhalb des Fahrers angeordnet sowie den Abbildungsstrahlengang vom Display bis zur Eyebox, 1 Schematically arranged a first embodiment of a head-up display according to the invention in a vehicle above the driver and the imaging beam path from the display to the eyebox,

2 schematisch dasselbe Ausführungsbeispiel aber unterhalb der Windschutzscheibe angeordnet und nur einem Teil des Strahlengangs, 2 schematically the same embodiment but arranged below the windshield and only a part of the beam path,

3 schematisch dasselbe Ausführungsbeispiel mit einem zusätzlichen Planspiegel und 3 schematically the same embodiment with an additional plane mirror and

4 ein weiteres Ausführungsbeispiel, ebenfalls mit einem Planspiegel und unterhalb der Windschutzscheibe angeordnet. 4 a further embodiment, also arranged with a plane mirror and below the windshield.

Die 1 zeigt in einer schematischen Darstellung den Aufbau eines erfindungsgemäßen Head-up Displays mit einem Display 1, wie z. B. einem selbstleuchtenden Display wie einem LED-, VFD- oder OLED-Display oder einem Display wie einem LCD-Display, das von einer nicht dargestellten Lichtquelle beleuchtet wird, einer Projektionseinheit 2 und einem Combiner 3. Die Projektionseinheit 2 umfasst einen Konvexspiegel 4, der nahe des Displays 1 angeordnet ist und einen Konkavspiegel 5, der zwischen dem Konvexspiegel 4 und dem Combiner 3 angeordnet ist. Das Head-up Display ist direkt unterhalb des Fahrzeugdaches 6 angeordnet, der Combiner 3 befindet sich nahe der Windschutzscheibe 7.The 1 shows a schematic representation of the structure of a head-up display according to the invention with a display 1 , such as As a self-luminous display such as an LED, VFD or OLED display or a display such as an LCD display, which is illuminated by a light source, not shown, a projection unit 2 and a combiner 3 , The projection unit 2 includes a convex mirror 4 that's near the display 1 is arranged and a concave mirror 5 that is between the convex mirror 4 and the combiner 3 is arranged. The head-up display is directly below the vehicle roof 6 arranged, the combiner 3 is located near the windshield 7 ,

An dem Display 1 wird ein Bild einer anzuzeigenden Information, wie bspw. die Fahrzeuggeschwindigkeit, Außentemperatur, Streckenverlauf oder Ähnliches erzeugt. Dieses Bild, bzw. das vom Display 1 emittierte oder das durch das Display 1 durchtretenden Licht wird über den Konvexspiegel 4 und den Konkavspiegel 5 auf den Combiner 3 reflektiert. Der Combiner 3 ist teildurchlässig, so dass er das Bild der anzuzeigenden Information mit der Umgebungsinformation überlagert in die Eyebox 8 des Auges 9 projiziert. Der Strahlengang der Projektion bzw. Abbildung ist in der 1 anhand der Strahlenbündel der Randstrahlen 10 und 11 sowie des Zentralstrahls 12 dargestellt, welcher sich von der Mitte des Displays 1 zur Mitte der Eyebox 8 erstreckt.On the display 1 an image of information to be displayed, such as the vehicle speed, outside temperature, route or the like is generated. This picture, or that of the display 1 emitted or through the display 1 passing light is transmitted through the convex mirror 4 and the concave mirror 5 on the combiner 3 reflected. The combiner 3 is partially transparent so that it overlays the image of the information to be displayed with the environmental information in the eyebox 8th of the eye 9 projected. The beam path of the projection or image is in the 1 based on the beams of the marginal rays 10 and 11 as well as the central ray 12 shown, which is from the center of the display 1 to the middle of the eyebox 8th extends.

Der Konvexspiegel 4 ist nahe des Displays 1 so angeordnet, dass der Einfallswinkel ε, unter dem der Zentralstrahl vom Display 1 auf den Konvexspiegel 1 trifft, 20° beträgt. In Strahlrichtung nach dem Konvexspiegel 4 ist der Konkavspiegel 5 so angeordnet, dass der Einfallswinkel ε des Zentralstrahls mindestens 30°, konkret 33.5° beträgt. Diese Wahl eines relativ großen Einfallswinkels, insbesondere eines großen Einfallswinkels am Konkavspiegel 5, gewährleistet einen Aufbau der Projektionseinheit 2, der sehr flach ist. Dadurch ist es möglich, das Head-up Display oberhalb des Fahrers direkt unterhalb des Fahrzeugdaches 6 anzubringen, ohne dass dieses weit in das Fahrzeug hineinragt und damit als störend empfunden würde. Durch diese Positionierung des Head-up Displays kann viel störende Sonneneinstrahlung vermieden werden. Darüber hinaus kann durch diesen Aufbau ein nahezu telezentrischer Strahlengang am bilderzeugenden Display 1 erreicht werden, was bei vielen Displays 1 und deren Ausleuchtung vorteilhaft ist. Üblicherweise leidet bei der Wahl großer Einfallswinkel die Qualität der Abbildung. Dem wird jedoch entgegengewirkt, indem die Konvexspiegel 4 und Konkavspiegel 5 als Freiformspiegel ausgebildet sind, wobei die Krümmungsradien R_|| und R_⊥ in der Einfallsebene am Zentralstrahl und der dazu senkrechten, entlang der Flächennormalen verlaufenden Ebene so gewählt sind, dass die entsprechenden Brechkräfte so zusammenwirken, dass der als

definierte Astigmatismus kleiner als 0.1 ist. In diesem besonders vorteilhaften Ausführungsbeispiel konnte sogar erreicht werden, dass der Astigmatismus maximal bei 0.02 liegt. Dies wird erreicht durch die in der Tabelle 1 angegebene Gestaltung von mit S-bezeichnetem Konvexspiegel 4, mit S+ bezeichnetem Konkavspiegel 5 und C bezeichnetem Combiner 3. Tabelle 1

R_|| R_⊥ f'_|| f'_⊥ ε[°] A C –933.5 –795.6 438.6 423.3 20.0 –0.018 S+ –332.5 –241 138.6 144.5 33.5 0.02 S– 189 154.8 –85.6 –85.4 –25.0 0.001

The convex mirror 4 is near the display 1 arranged so that the angle of incidence ε, below which the central ray from the display 1 on the convex mirror 1 meets, 20 °. In the beam direction after the convex mirror 4 is the concave mirror 5 arranged so that the angle of incidence ε of the central jet is at least 30 °, specifically 33.5 °. This choice of a relatively large angle of incidence, in particular a large angle of incidence on the concave mirror 5 , ensures a structure of the projection unit 2 which is very flat. This makes it possible, the head-up display above the driver directly below the vehicle roof 6 to install, without this far protrudes into the vehicle and thus would be distracting. Through this positioning of the head-up display much disturbing sunlight can be avoided. In addition, this construction allows a nearly telecentric beam path on the image-forming display 1 be achieved, which in many displays 1 and whose illumination is advantageous. Usually the quality of the picture suffers when choosing large angles of incidence. However, this is counteracted by the convex mirror 4 and concave mirror 5 are formed as a free-form mirror, wherein the radii of curvature R _|| and R _{⊥ are selected} in the plane of incidence at the central _ray and the plane perpendicular thereto, along the surface normal, so that the corresponding refractive powers cooperate in such a way that the

defined astigmatism is less than 0.1. In this particularly advantageous embodiment it could even be achieved that the astigmatism is at a maximum of 0.02. This is achieved by the design of S-designated convex mirror given in Table 1 4 , concave mirror denoted S + 5 and C designated combiner 3 , Table 1

R _|| R _⊥ f ' _|| f ' _⊥ ε [°] A C -933.5 -795.6 438.6 423.3 20.0 -0,018 S + -332.5 -241 138.6 144.5 33.5 12:02 S- 189 154.8 -85.6 -85.4 -25.0 0001

Dabei bezeichnen f'_|| und f'_⊥ die den Brechkräften entsprechenden Brennweiten.Where f ' _|| and f ' _⊥ the focal lengths corresponding to the powers.

In diesem Ausführungsbeispiel können extrem kleine Werte des Astigmatismus realisiert werden und gleichzeitig relativ kleine Einfallswinkel am Combiner 3 und ein relativ großer Einfallswinkel am Konkavspiegel 5. Dadurch ist ein flacher Aufbau der Projektionseinheit 2 erreichbar. Diese ist zudem recht kompakt, wie anhand der Abstände der optischen Elemente, die in diesem Ausführungsbeispiel in der Tabelle 2 in Millimetern angegeben sind, ersichtlich wird. Tabelle 2 d (Objekt-Eyebox) –2100 d (Eyebox-Combiner) 900 d (Combiner-Konkavspiegel) 162 d (Konkaxspiegel-Konvexspiegel) 45.2 d (Konvexspiegel-Display) 42.8 In this embodiment, extremely small values of astigmatism can be realized and at the same time relatively small angles of incidence on the combiner 3 and a relatively large angle of incidence at the concave mirror 5 , This is a flat structure of the projection unit 2 reachable. This is also quite compact, as is apparent from the distances of the optical elements, which are given in this embodiment in Table 2 in millimeters. Table 2 d (object eyebox) -2100 d (Eyebox combiner) 900 d (combiner concave mirror) 162 d (concave mirror convex mirror) 45.2 d (convex mirror display) 42.8

Die 2 zeigt eine Modifikation der Positionierung des im ersten Ausführungsbeispiel dargestellten Head-up Displays. Diese ist nunmehr so angeordnet, dass es im Fahrzeug im Bereich des Armaturenbrettes unter- bzw. vorderhalb des Lenkrades 13 eingebaut werden kann. Die Position des Lenkrades 13 ist mit einem Kreis als Orientierungshilfe angegeben. Der Aufbau des Head-up Displays selbst ist mit dem der 1 identisch. Die optischen. Elemente mit ihren Krümmungsradien, Brechkräften, Einfallswinkeln, Astigmatismus und Abständen sind mit denen von 1 identisch und werden deshalb ebenfalls mit Display 1, Konvexspiegel 4, Konkavspiegel 5 und Combiner 3 bezeichnet. Es gelten ebenfalls die in Tabelle 1 und 2 angegebenen Größen. Auch der Strahlengang, in dem der Zentralstrahl 12 wiederum gestrichelt dargestellt ist, entspricht dem in der 1 dargestellten. Nur die Gesamtanordnung der Elemente ist umgekehrt. Diese Anordnung des Head-up Displays im Fahrzeug ist zwar optisch nachteilig bezüglich Sonneneinstrahlung und Reflexen, kann aber aufgrund der baulichen Verhältnisse im Fahrzeug notwendig sein. Aufgrund der extrem guten Astigmatismus-Bedingungen, die in diesem Ausführungsbeispiel erreicht werden, ist die optische Qualität so hoch, dass eine solche Anordnung gut möglich ist.The 2 shows a modification of the positioning of the head-up display shown in the first embodiment. This is now arranged so that it in the vehicle in the area of the dashboard below or above the steering wheel 13 can be installed. The position of the steering wheel 13 is indicated with a circle as a guide. The structure of the head-up display itself is with that of 1 identical. The optical. Elements with their radii of curvature, powers, angles of incidence, astigmatism and distances are with those of 1 identical and therefore also with display 1 , Convex mirror 4 , Concave mirror 5 and combiner 3 designated. The sizes given in Tables 1 and 2 also apply. Also the beam path in which the central beam 12 again shown in dashed lines, corresponds to that in the 1 shown. Only the overall arrangement of the elements is reversed. Although this arrangement of the head-up display in the vehicle is visually disadvantageous with respect to solar radiation and reflections, but may be necessary due to the structural conditions in the vehicle. Due to the extremely good astigmatism conditions achieved in this embodiment, the optical quality is so high that such an arrangement is quite possible.

In einer weiteren Modifikation des in der 1 beschriebenen Ausführungsbeispiels bleiben sowohl die Positionierung des Head-up Displays im oberen Bereich des Fahrzeuges als auch die Charakteristika der optischen Elemente, von Display 1, Konvexspiegel 4, Konkavspiegel 5 und Combiner 3, welche in der Tabelle 1 gegeben sind, erhalten. Verändert wird der Strahlengang, welcher erneut über den gestrichelt dargestellten Zentralstrahl 12 festgelegt ist. Dieser Strahlengang wird über den, zwischen Konkavspiegel 5 und Combiner 3 angeordneten Planspiegel 14 zusätzlich gefaltet. Durch das Vorsehen eines weiteren Planspiegels 14 kann das Head-up Display noch kompakter gestaltet und auch flexibler an die Geometrie eines Fahrzeuges angepasst werden.In a further modification of the in the 1 described embodiment remain both the positioning of the head-up display in the upper region of the vehicle as well as the characteristics of the optical elements of display 1 , Convex mirror 4 , Concave mirror 5 and combiner 3 , which are given in Table 1, obtained. Is changed, the beam path, which again on the dashed central axis shown 12 is fixed. This beam path is over, between concave mirror 5 and combiner 3 arranged plane mirror 14 additionally folded. By providing a further plane mirror 14 The head-up display can be made even more compact and also more flexible to the geometry of a vehicle.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel, das ein im unteren Bereich eines Fahrzeuges angeordnetes Head-up Display zeigt, ist in der 4 dargestellt. Auch dieses Head-up Display umfasst ein Display 21, welches entsprechend dem Display in 1 mehrere Realisierungsmöglichkeiten hat und drei abbildende Elemente, den Konvexspiegel 24, den Konkavspiegel 25 und den Combiner 23. Diese drei optischen Elemente sind gemäß den in der Tabelle 3 angegebenen Größen als Freiformflächen so ausgebildet, dass der Astigmatismus A an jedem Element auf einen Wert kleiner als 0.03 reduziert ist, was eine gute optische Qualität garantiert. Der Einfallswinkel ε am Konkavspiegel 25 beträgt in diesem Beispiel sogar über 40° und ermöglicht so eine sehr flache Bauweise des Head-up Displays. So kann das Head-up Display gut in jedes Fahrzeug eingebaut werden, wie dies hier für den unteren Fahrzeugbereich dargestellt ist. Hier befindet sich das Head-up Display zwischen dem Lenkrad 26 und der Windschutzscheibe 27. Der, durch den Zentralstrahl 28 charakterisierte Strahlengang wird in diesem Beispiel durch einen Planspiegel 22 zusätzlich gefaltet, um die Kompaktheit des Head-up Displays zu erhöhen. Der Planspiegel 22 ist in diesem Beispiel zwischen Display 21 und Konvexspiegel 24 angeordnet. Es könnte aber auch zwischen Combiner 23 und Konkavspiegel 25 angeordnet sein. Die Position des Planspiegels 22 wird je nach baulichen Bedingungen im Fahrzeug sinnvoll gewählt. Tabelle 3 R_|| R_⊥ f'_|| f'_⊥ ε[°] A C –762.4 –656.3 350.9 356.5 23.0 0.008 S+ –617.8 –348 225.2 238.7 43.2 0.029 S– 757.2 459.7 –298.3 –291.7 –38.0 –0.011 A further exemplary embodiment, which shows a head-up display arranged in the lower region of a vehicle, is shown in FIG 4 shown. This head-up display also includes a display 21 which according to the display in 1 has several implementation options and three imaging elements, the convex mirror 24 , the concave mirror 25 and the combiner 23 , These three optical elements are formed according to the sizes shown in Table 3 as free-form surfaces so that the astigmatism A is reduced at each element to a value less than 0.03, which guarantees a good optical quality. The angle of incidence ε at the concave mirror 25 is in this example even over 40 °, allowing a very flat design of the head-up display. So the head-up display can be well installed in any vehicle, as shown here for the lower vehicle area. Here is the head-up display between the steering wheel 26 and the windshield 27 , The, through the central ray 28 characterized beam path is in this example by a plane mirror 22 additionally folded to increase the compactness of the head-up display. The plane mirror 22 is in this example between display 21 and convex mirror 24 arranged. It could also be between combiner 23 and concave mirror 25 be arranged. The position of the plane mirror 22 Depending on the structural conditions in the vehicle, it is sensibly chosen. Table 3 R _|| R _⊥ f ' _|| f ' _⊥ ε [°] A C -762.4 -656.3 350.9 356.5 23.0 0008 S + -617.8 -348 225.2 238.7 43.2 0029 S- 757.2 459.7 -298.3 -291.7 -38.0 -0,011

Die Abstände d, die sich in dem in der 4 dargestellten Beispiel für die optischen Elemente und Positionen ergeben, sind in der Tabelle 4 in mm angegeben.The distances d, which in the in the 4 shown example of the optical elements and positions are given in Table 4 in mm.

Aus diesen Daten lässt sich die sehr kompakte Bauweise des Head-up Displays gut erkennen. Tabelle 4 d (Objekt-Eyebox) –2500 d (Eyebox-Combiner) 830 d (Combiner-Konkavspiegel) 120 d (Konkaxspiegel-Konvexspiegel) 45.8 d (Konvexspiegel-Display) 64.1 From these data, the very compact design of the head-up display can be easily recognized. Table 4 d (object eyebox) -2500 d (Eyebox combiner) 830 d (combiner concave mirror) 120 d (concave mirror convex mirror) 45.8 d (convex mirror display) 64.1

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Displaydisplay
22: Projektionseinheitprojection unit
33: CombinerAssemblers
44: Konvexspiegelconvex
55: Konkavspiegelconcave mirror
66: Fahrzeugdachvehicle roof
77: WindschutzscheibeWindshield
88th: Eyeboxeyebox
99: Augeeye
1010: Randstrahlenmarginal rays
1111: Randstrahlenmarginal rays
1212: Zentralstrahlcentral beam
1313: Lenkradsteering wheel
1414: Planspiegelplane mirror
2121: Displaydisplay
2222: Planspiegelplane mirror
2323: CombinerAssemblers
2424: Konvexspiegelconvex
25 25: Konkavspiegelconcave mirror
2626: Lenkradsteering wheel
2727: WindschutzscheibeWindshield
2828: Zentralstrahlcentral beam

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 10157605 C1 [0006]

Claims

Head-up display with projection unit ( 2 ) for a vehicle, with an image generation unit ( 1 . 21 ) for emitting beams of an image to be displayed and optical elements for directing the beams onto an image superimposing unit ( 3 . 23 ), at which the image is superimposed on the surroundings of the vehicle, characterized in that the optical elements comprise two mirrors ( 4 . 5 ; 24 . 25 ), wherein the image forming unit ( 1 . 21 ) facing mirrors ( 4 . 24 ) negative refractive power and the image superimposing unit ( 3 . 23 ) facing mirrors ( 5 . 25 ) has positive refractive power.

Head-up display with projection unit ( 2 ) according to claim 1, characterized in that the image superimposing unit ( 3 . 23 ) as partially permeable combiner ( 3 . 23 ) is formed with positive refractive power.

Head-up display with projection unit ( 2 ) according to claim 2, characterized in that the combiner ( 3 . 23 ) is arranged so that the angle of incidence ε of the central beam ( 12 . 28 ) of the image to be displayed on the combiner ( 3 . 23 ) is a maximum of 45 °.

Head-up display with projection unit ( 2 ) according to claim 2 or 3, characterized in that the refractive power of the combiner ( 3 . 23 ) smaller than the refractive powers of the individual mirrors ( 4 . 5 ; 24 . 25 ) of the projection unit ( 2 ).

Head-up display with projection unit ( 2 ) according to claim 1, 2, 3 or 4, characterized in that the distance between combiner ( 3 . 23 ) and the mirror ( 5 . 25 ) with positive refractive power is greater than the distance between the mirror ( 5 . 25 ) with positive refractive power and the mirror ( 4 . 24 ) with negative refractive power.

Head-up display with projection unit ( 2 ) according to claim 1, 2, 3 or 4, characterized in that the mirror ( 5 . 25 ) is arranged with positive refractive power so that the angle of incidence ε of the central beam ( 12 . 28 ) of the image to be displayed on this mirror ( 5 . 25 ) is greater than 30 °.

Head-up display with projection unit ( 2 ) according to claim 6, characterized in that the two mirrors ( 4 . 24 ; 5 . 25 ) are formed as free-form mirrors, wherein their respective in two mutually orthogonal sections at each point different radii of curvature R _|| and R _⊥ and the corresponding powers φ _|| and φ _⊥ are chosen such that the following applies to the central _ray for the astigmatism A.

being for the refractive powers

and ε is the angle of incidence.

Head-up display with projection unit ( 2 ) according to any one of the preceding claims, characterized in that between the image-forming unit ( 1 . 21 ) and the mirror ( 4 . 24 ) with negative refractive power and / or the two mirrors ( 4 . 24 ; 5 . 25 ) and / or the mirror ( 5 . 25 ) with positive refractive power and the combiner ( 3 . 23 ) one or more plane mirrors ( 14 . 22 ) are arranged for further folding of the beam path.