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Die Erfindung betrifft ein Head-Up Display für ein Fahrzeug, ein Verfahren zur Projektion sowie ein Fahrzeug mit mindestens einer solchen Vorrichtung.
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Derzeitige Head-Up Displays (HUDs) erzeugen ein virtuelles Bild in ca. 2m Entfernung vor dem Fahrer. Dabei entsteht für den Fahrer der Eindruck, als würde ein ebenes Display nahezu senkrecht zu seiner Blickrichtung frei schweben.
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Nun wäre es für bestimmte Informationen, z.B. Navigationshinweise, von Vorteil, Inhalte in unterschiedlichen Ebenen bzw. Tiefen darzustellen und so neben der zweidimensionalen Information auch eine Tiefeninformation in dem HUD darzustellen.
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Bei dem bekannten HUD können perspektivische Inhalte lediglich in Form einer perspektivischen Darstellung auf dem zweidimensionalen HUD selbst vermittelt werden. Hierbei ist der Eindruck der dreidimensionalen Darstellung für den Betrachter zumeist künstlich, die Tiefeninformation kann auch nicht auf große Flächen der Umgebung (z.B. Straßen) projiziert werden.
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Es sind sogenannte autostereoskopische Displays bekannt, die mittels einer speziellen Beleuchtungseinheit und/oder Displaytechnologie für das linke und das rechte Auge je ein unterschiedliches virtuelles Bild erzeugen. Unter Ausnutzung der binokularen Disparität kann so für den Betrachter ein dreidimensionaler Bildeindruck erzeugt werden. Autostereoskopische Displays benötigen aber eine aufwändige und teure Technologie zur Beleuchtung bzw. Bildgebung. Zudem ist zur Realisierung ein erheblicher Bauraum notwendig. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass die Darstellung von dreidimensionalen Inhalten lediglich über binokulare Disparität unter Vernachlässigung von Tiefenkriterien wie Akkommodation und Konvergenz beim Betrachter zur Ermüdung oder sogar zur Übelkeit führen kann.
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Weiterhin sind Displays bekannt, deren Abstand zu einer HUD-Optik mit mechanischen Mitteln variiert wird. Die hieraus folgende Variation des Projektionsabstands, d.h. der Abstand zwischen dem virtuellem Bild und dem Betrachter, erlaubt die Darstellung von Inhalten in einer Tiefendimension. Hierbei ist es von Nachteil, dass die benötigte Anordnung zur Umsetzung der mechanischen Bewegung des Bildgebers zu einem komplizierten und damit teuren Aufbau des HUDs führt und aufgrund der beweglichen Teile wartungsintensiv ist. Weiterhin sind schnell schaltbare Displays notwendig, um ein Flackern des Bildes zu vermeiden. Die schnellen Displays wiederum erfordern eine aufwändige Hardware, die in der Lage ist, große Datenmengen zu verarbeiten.
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EP 1 544 660 A1 offenbart ein Head-Up Display, bei dem ein Projektionsschirm mehrere Teilbereiche in einer Fresnel-Anordnung aufweist, deren Facetten zueinander so verkippt ausgeführt sind, dass der eintretende Lichtstrom in zwei Teillichtströme aufgeteilt wird. Die beiden Teillichtströme werden in ein jeweiliges Auge eines Fahrers projiziert. Die beiden Teillichtströme sind dazu vorgesehen, dass bei Minimierung der Elemente der optischen Einrichtung eine genügend große Pupillenfläche ausgeleuchtet wird, um das virtuell erzeugte Bild der Informationen von beiden Augen zu erkennen. Die beiden Teillichtströme tragen die gleiche Bildinformation sind lediglich zum Zwecke einer verbesserten Sichtbarkeit aufgespalten.
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DE 102 24 016 A1 offenbart ein Head-Up Display, bei dem ein Lichtstrom in zwei Teillichtströme aufgeteilt wird, um ein stereoskopisches Bild zu erzeugen. Die Teillichtströme tragen die gleiche Bildinformation und werden in einem Kombiner zu einem einzigen 3D-Bild kombiniert.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die vorstehend genannten Nachteile zu vermeiden und insbesondere eine effiziente und überzeugende Darstellung von dreidimensionalen Inhalten zu ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche 1 und 9 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich auch aus den abhängigen Ansprüchen.
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Somit erscheint für den Betrachter der eine Teilbereich des virtuellen Bildes im Wesentlichen senkrecht zu seiner Betrachtungsrichtung zu stehen und der anderer Teilbereich erscheint sich entlang der Betrachtungsrichtung zu erstrecken.
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Bei der Betrachtungsrichtung handelt es sich um eine Betrachtungsrichtung eines Fahrers, z.B. entlang einer Straße. Somit können vorteilhaft dreidimensionale Informationen entlang der Betrachtungsrichtung projiziert werden, z.B. Navigationsinformationen, Gebäude, Markierungen, etc.
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Auch ist es eine Weiterbildung, dass das von dem Projektionssystem erzeugte Bild derart vorverzerrbar ist, dass sich bei Betrachtung des auf die Projektionsebene bzw. in die virtuelle Bildebene projizierten Bildes ein unverzerrtes Bild ergibt.
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Beispielsweise kann mittels eines bildverarbeitenden Systems das Bild vorverarbeitet und über das Projektionssystem ausgegeben werden.
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Bei der Optik kann es sich z.B. um eine HUD-Optik handeln, die mindestens einen Spiegel aufweist.
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Im Rahmen einer zusätzlichen Weiterbildung ist der Projektionsschirm durchleuchtbar ausgeführt.
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Auf diese Art kann mittels des Projektionssystems der Projektionsschirm durchleuchtet werden.
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Eine nächste Weiterbildung besteht darin, dass der Projektionsschirm reflektierend ausgeführt ist.
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Der Projektionsschirm kann insbesondere umfassen:
- - eine streuende Diffusor-Folie,
- - ein eingebettetes Streuelement,
- - ein Element mit einer lichtstreuenden Oberfläche, z.B. Milchglas,
- - einen Volumenstreuer,
- - einen holografischen Diffusor,
- - einen holografischen Projektionsschirm,
- - eine integrierte Fresnel-Struktur,
- - eine Mikrostruktur,
- - eine Mikrolinsenstruktur.
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Die genannten Ausführungsbeispiele des Projektionsschirms können sowohl in reflektiver als auch transmissiver Anordnung betrieben werden.
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Eine Ausgestaltung ist es, dass das Projektionssystem mindestens eine der folgenden Komponenten umfasst:
- - einen LCD-Projektor,
- - einen Laser-Projektor,
- - einen Video-Projektor,
- - ein Rück-Projektionssystem,
- - einen Mikrospiegel-Projektor,
- - einen LCoS-Projektor
- - einen DMD-Projektor.
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Eine Ausführungsform besteht darin, dass der Projektionsschirm von dem Projektionssystem durchleuchtet wird oder bei dem der Projektionsschirm von dem Projektionssystem angestrahlt und das reflektierte Licht auf die Projektionsebene bzw. in die virtuelle Bildebene projiziert wird.
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Eine nächste Ausgestaltung ist es, dass das von dem Projektionssystem erzeugte Bild so vorverarbeitet wird, dass das auf die Projektionsebene bzw. in die virtuelle Bildebene projizierte Bild im Wesentlichen unverzerrt dargestellt wird.
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Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden schematischen Beschreibung von Ausführungsbeispielen, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei können zur Übersichtlichkeit gleiche oder gleichwirkende Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sein.
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Es zeigen:
- 1 eine beispielhafte Anordnung zur Erzeugung eines dreidimensionalen Bildes in einem Head-Up Display;
- 2 einen Ausschnitt aus 1 mit dem Projektor, der einen Hauptstrahl in Richtung einer Anzeigefläche emittiert;
- 3 ein schematisches Blockschaltbild zur Veranschaulichung einer Erzeugung eines Bildinhalts auf dem Projektionsschirm und entsprechend als virtuelles Bild in der Windschutzscheibe;
- 4 schematisch die Entfernung unterschiedlicher Teile des Projektionsschirms von dem Projektor, woraus sich eine gewisse Mindestanforderung an die Tiefenschärfe ergibt.
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Es wird vorgeschlagen, Inhalte in der Tiefe mittels zueinander gekippter Ebenen darzustellen. Hierzu wird ein verfügbares vertikales Bildfeld aufgeteilt: Ein erster Teil des Bildfeldes wird so ausgeführt, dass die erzeugte Teilbildebene von dem Fahrer als ein (nahezu aufrecht) stehendes Bild wahrgenommen wird. Ein zweiter Teil des Bildfeldes wird so ausgelegt, dass die erzeugte Teilbildebene von dem Fahrer als ein hierzu gekipptes Bild wahrgenommen wird.
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1 zeigt eine beispielhafte Anordnung zur Erzeugung eines dreidimensionalen Bildes in einem Head-Up Display. Ein Betrachter 107, z.B. ein Fahrer eines Fahrzeugs, sieht durch eine Windschutzscheibe 106 ein virtuelles Bild umfassend
- - ein Teilbild 108, das im Wesentlichen senkrecht auf dem Sichtstrahl 110 des Betrachters 107 steht sowie
- - ein Teilbild 109, das z.B. nahezu parallel zur Straße bzw. zur Bewegung des Fahrzeugs ausgeführt sein kann.
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Auf dem Teilbild 108 werden vorzugsweise Inhalte angezeigt, die der Betrachter 107 als stehende Anzeige erwartet, z.B. eine numerische oder grafische Anzeige der Geschwindigkeit, Schilder oder Textanzeigen.
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Das Teilbild 109 visualisiert beispielsweise Inhalte, für die eine Darstellung mit einem Tiefeneffekt vorteilhaft ist, z.B. Navigationsinformationen (z.B. ein auf eine Straße projizierter virtueller Abbiegepfeil). In so einem Fall erscheint das Teilbild 109 beispielsweise perspektivisch auf der Fahrbahn zu liegen.
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Ein Projektor 101 (z.B. ein beliebiges Projektionsgerät) projiziert ein Bild auf einen Projektionsschirm 105, der einen ersten Bereich 103 und einen zweiten Bereich 104 aufweist. Die Bereiche 103 und 104 sind unterschiedlich zueinander und/oder in Bezug auf den Projektionsstrahl gekippt bzw. angewinkelt.
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Beispielsweise zeigt zur Veranschaulichung 2 einen Ausschnitt aus 1 mit dem Projektor 101, der einen Hauptstrahl 201 in Richtung einer Anzeigefläche 202 ausstrahlt. Hierbei sei angemerkt, dass die Anzeigefläche 202 der Veranschaulichung dient, um darzustellen, wie das aus den zwei Bereichen 103 und 104 das zusammengesetzte Bild mittels des Projektionsschirms 105 erzeugt werden kann. Beispielhaft steht hierfür die Anzeigefläche 202 in 2 senkrecht zu dem Hauptstrahl 201. Der Bereich 103 ist gegenüber der Anzeigefläche 202 um einen Winkel α gekippt.
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Entsprechend ist der Bereich 104 gegenüber der Anzeigefläche 202 um einen Winkel β gekippt. Hierbei sind die Bereiche 103, 104 beispielhaft auf verschiedenen Seiten der Anzeigefläche 202 angeordnet.
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Das auf dem Projektionsschirm 105 projizierte Bild wird beispielsweise durch eine HUD-Optik 102 umgelenkt und auf die Windschutzscheibe 106 projiziert. Es entsteht das virtuelle Bild mit den beiden Teilbildern 108 und 109, die zueinander um einen Winkel
gekippt sind.
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Vorzugsweise können die Winkel α und β so gewählt werden, dass sich hieraus mittels der HUD-Optik 102 die virtuellen Teilbilder 108 und 109 ergeben. Das stehend erscheinende Teilbild 108 ist dabei in dem Winkel αv zu dem Sichtstrahl 110 angeordnet, das liegend erscheinende Teilbild 109 ist in dem Winkel βv zu dem Sichtstrahl 110 angeordnet.
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Die HUD-Optik 102 kann z.B. optische Mittel zur Umlenkung des von dem Projektionsschirm erhaltenen Bildes eingesetzt werden. Hierbei kann je nach Anwendungsgebiet bzw. Dimensionierung mindestens eine Umlenkeinheit mit mindestens einem Spiegel vorhanden sein, wobei die Geometrie der HUD-Optik 102 das Bild beeinflusst, dass in die Windschutzscheibe 106 eingespiegelt wird.
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Die vertikale Auslenkung der beiden Teilbilder 108 und 109 kann flexibel bestimmt werden und über den gewünschten Bereich der Windschutzscheibe 106 projiziert werden.
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3 veranschaulicht anhand eines schematischen Blockschaltbildes die Erzeugung eines Bildinhalts 303 auf dem Projektionsschirm 105 und entsprechend als virtuelles Bild in der Windschutzscheibe 106.
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Das von dem Projektor 101 erzeugte Bild 303 umfasst zwei Teilbereiche 301 und 302, wobei der Teilbereich 301 den Inhalt für den Bereich 103 und der Teilbereich 302 den Inhalt für den Bereich 104 bereitstellt. Der Projektor 101 projiziert die Teilbereiche 301 und 302 auf die Bereiche 103 und 104 des Projektionsschirms 105. Hierbei wird das Bild vorzugsweise z.B. mit elektronischen Mitteln so vorverarbeitet (z.B. vorverzerrt), dass sich durch die optische Umlenkung sowie den Projektionsschirm 105 in der Windschutzscheibe 106 ein unverzerrt erscheinendes virtuelles Bild (umfassend die Teilbilder 108 und 109) ergibt.
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Vorzugsweise ist sicherzustellen, dass das auf den Projektionsschirm 105 projizierte Bild eine vorgegebene Bildschärfe aufweist. 4 zeigt schematisch die Entfernung unterschiedlicher Teile des Projektionsschirms 105 von dem Projektor 101. Durch die Verkippung gegenüber der in 2 dargestellten Anzeigefläche 202 ergeben sich unterschiedliche Abstände der Bereiche 103 und 104 des Projektionsschirms 105 von dem Projektor 101. In 4 ist ein Punkt 401 um einen Abstand 403 weiter von dem Projektor 101 entfernt als ein Punkt 402. Somit wird vorteilhaft eine Projektionsoptik eingesetzt, die eine ausreichende Tiefenschärfe aufweist, so dass beide Punkte 401 und 402 mit einer ausreichenden Schärfe in dem virtuellen Bild dargestellt werden können. Desweiteren kann die geometrische Anordnung von Projektor und Projektionsschirm gewählt werden, so dass der Abstand 403 minimiert wird und dadurch eine geringere Tiefenschärfe des Projektionssystems erforderlich ist. Zusätzlich oder alternativ können optische Systeme mit hoher Tiefenschärfe eingesetzt werden, z.B. Laser-Projektoren.
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Weitere Vorteile uns Ausgestaltungen:
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Beispielsweise kann eine Projektion oder eine Rückprojektion eingesetzt werden, um die beiden zueinander verkippten virtuellen Teilbilder eines Head-Up Displays zu erzeugen. Hierdurch sind ein hoher Kontrast sowie eine hohe Farbstabilität gewährleistet.
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Grundsätzlich sind unterschiedliche Möglichkeiten der optischen Bildgebung als Projektionssystem (hier auch bezeichnet als Projektor) realisierbar. Das von dem Projektionssystem erzeugte Bild wird über den Projektionsschirm über die Windschutzscheibe projiziert und ergibt ein virtuelles Bild. Hierbei bestimmt die Geometrie des Projektionsschirms den Eindruck des virtuellen Bildes. Mindestens ein Knick in dem Projektionsschirm erzeugt somit für den Betrachter des virtuellen Bildes einen dreidimensionalen Eindruck. Der Projektionsschirm kann hierbei von dem Projektionssystem durchleuchtet werden. Alternativ ist der Projektionsschirm reflektierend ausgeführt, wird von dem Projektionssystem angestrahlt und reflektiert das Licht in Richtung der Windschutzscheibe.
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Beispielhaft ist hier das über eine Scheibe projizierte Head-Up Display als mögliche Anwendung genannt. Andere Anwendungen, die z.B. einen mehrdimensionalen Eindruck eines projizierten Bildes vermitteln wollen, sind entsprechend ebenso möglich.
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Bei dem Projektionssystem kann es sich z.B. um einen LCD-Projektor, einen Laser-Projektor, einen Video-Projektor, ein Rück-Projektionssystem, einen Mikrospiegel-Projektor, einen LCoS-Projektor (LCoS oder LCOS: „Liquid Crystal on Silicon“), einen DMD-Projektor o.ä. handeln.
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Bezugszeichenliste
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- 101
- Projektor (Projektionssystem)
- 102
- HUD-Optik
- 103
- erster Bereich des Projektionsschirms
- 104
- zweiter Bereich des Projektionsschirms
- 105
- Projektionsschirm
- 106
- Windschutzscheibe
- 107
- Betrachter
- 108
- (virtuelles) Teilbild
- 109
- (virtuelles) Teilbild
- 110
- Sichtstrahl (bei der Betrachtung der virtuellen Teilbilder 108 und 109)
- 201
- Hauptstrahl des Projektors 101
- 202
- Anzeigefläche
- 301
- Teilbereich
- 302
- Teilbereich
- 303
- (zu projizierendes) Bild
- 401
- Punkt
- 402
- Punkt
- 403
- Abstand zwischen dem Punkt 401 und dem Punkt 402
