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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Nachführen eines Projektionsstrahls eines Blickfeldanzeigegeräts zum Projizieren einer Bildinformation in einem Blickfeld eines Fahrers eines Fahrzeugs und auf ein entsprechendes Steuergerät.
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Bei einer herkömmlichen Blickfeldanzeige wird ein Einblickkorridor manuell auf eine voraussichtliche Augenposition eines Fahrers eines Fahrzeugs ausgerichtet. Bewegt der Fahrer seinen Kopf aus dem Einblickkorridor heraus, ist eine Information der Blickfeldanzeige nicht mehr erkennbar. Die Eyebox (als Eyebox wird in diesem Zusammenhang ein Bereich der Augen im Gesicht bezeichnet) kann in vertikaler Richtung einstellbar sein, um an verschiedene Fahrergrößen anpassbar zu sein. Dies ist neben der Einstellung der Rückspiegel und Sitzpositionen eine weitere manuell durchzuführende Anpassung vor Fahrtbeginn.
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In der
EP-1783531 wird eine Projektionsanzeige für ein Fahrzeug beschrieben, die eine Vergrößerungslinse zum Projizieren eines virtuellen Bilds auf eine Projektionsoberfläche aufweist. Weiterhin weist die Projektionsanzeige eine Kamera zum Erfassen einer Blickrichtung eines Fahrers des Fahrzeugs auf. Als Projektionsfläche wird eine Windschutzscheibe des Fahrzeugs genutzt.
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Die
EP-2026117-A1 beschreibt eine Projektionsanzeige für ein Fahrzeug, wobei die Projektionsanzeige einen Speicher zum Speichern einer Grund-Blickrichtung eines Fahrers des Fahrzeugs aufweist, um eine Position eines virtuellen Bilds zu bestimmen. Weiterhin weist die Projektionsanzeige ein Steuergerät auf, das Informationen über gefährliche Gegenstände vor dem Fahrzeug abschätzt.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund werden mit der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Nachführen eines Projektionsstrahls eines Blickfeldanzeigegeräts zum Projizieren einer Bildinformation in einem Blickfeld eines Fahrers eines Fahrzeugs und ein Steuergerät, das dieses Verfahren verwendet, gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
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Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass ein optisches Element eine andere Reflexionseigenschaft und/oder Beugungseigenschaft für Licht im sichtbaren Wellenlängenbereich aufweisen kann, als für Licht im unsichtbaren Wellenlängenbereich. Dadurch kann in einen Strahlengang eines Projektionsgeräts ein zusätzlicher Lichtkegel eingeblendet werden, obwohl eine Quelle des Lichtkegels außerhalb des Strahlengangs angeordnet ist. Ebenso kann eine, von einem mit dem Lichtkegel beleuchteten Objekt zurückgeworfene Bildinformation aus dem Strahlengang extrahiert werden. Der Lichtkegel kann als Zielbeleuchtung verwendet werden und die zurückgeworfene Bildinformation kann zur Zielführung ausgewertet werden, um den Strahlengang dem angestrahlten Objekt nachzuführen.
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Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zum Nachführen eines Projektionsstrahls eines Blickfeldanzeigegeräts zum Projizieren einer Bildinformation in einem Blickfeld eines Fahrers eines Fahrzeugs, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
Einkoppeln eines, einen ersten Wellenlängenbereich aufweisenden, Illuminationsstrahls zum Illuminieren zumindest eines Kopfbereichs des Fahrers in eine Achse des Projektionsstrahls, der einen zweiten Wellenlängenbereich aufweist, unter Verwendung einer wellenlängenselektiven Eigenschaft einer optischen Komponente des Blickfeldanzeigegeräts, wobei der erste Wellenlängenbereich von dem zweiten Wellenlängenbereich unterschiedlich ist;
Auskoppeln eines am Fahrer reflektierten Teils des Illuminationsstrahls an dem Fahrer aus der Achse des Projektionsstrahls unter Verwendung der wellenlängenselektiven Eigenschaft der optischen Komponente; und
Ermitteln eines Nachführsignals für ein, den Projektionsstrahl schwenkendes Bauteil des Blickfeldanzeigegeräts unter Verwendung einer aus dem reflektierten Teil des Illuminationsstrahls ermittelten Kopfposition des Fahrers, um unter Verwendung des Nachführsignals den Projektionsstrahl nachzuführen.
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Unter einem Blickfeldanzeigegerät kann ein Head-up Display (HUD) verstanden werden. Das Blickfeldanzeigegerät kann eine Bildinformation in ein Sichtfeld eines Fahrers eines Fahrzeugs einspiegeln. Die Bildinformation kann mittels eines Projektionsstrahls eingeblendet werden. Ein teilverspiegeltes Bauteil kann den Projektionsstrahl in das Sichtfeld des Fahrers einspiegeln. Der Projektionsstrahl kann Licht mit sichtbaren Wellenlängen umfassen. Ein Illuminationsstrahl kann Licht mit unsichtbaren Wellenlängen, insbesondere Infrarotstrahlung, aufweisen. Ein Kopfbereich des Fahrers kann beispielsweise von einem Schulterbereich aufwärts definiert sein. Damit können kleinere Kopfbewegungen, wie Seitenblicke, ohne Einschränkungen erfasst werden. Ein reflektierter Teil des Illuminationsstrahls kann ein Abbild des Kopfbereichs betreffen. In dem reflektierten Teil können charakteristische Merkmale eines Gesichts des Fahrers abgebildet sein. Eine Kopfposition kann unter Verwendung einer Verarbeitungsvorschrift aus dem reflektierten Teil bestimmt werden. Beispielsweise kann eine Position der Augen des Fahrers als Zentrum des Projektionsstrahls angestrebt werden. Beispielsweise kann das teilverspiegelte Bauteil in einem Winkel geschwenkt werden, um den Projektionsstrahl nachzuführen.
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Als wellenlängenselektive Eigenschaft kann eine wellenlängenabhängige Reflexion verwendet werden. Beispielsweise kann das Bauteil dichroitisch beschichtet oder ausgerüstet sein. Damit können vorbestimmte Bereiche der Wellenlängen des Lichts aufgrund von Interferenzen am Bauteil reflektiert werden. Andere Bereiche der Wellenlängen können das Bauteil ungehindert passieren.
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Als wellenlängenselektive Eigenschaft kann eine holografische Eigenschaft verwendet werden. Beispielsweise kann ein Teilbereich des Bauteils das Hologramm aufweisen, das für vorbestimmte Wellenlängen im sichtbaren und/oder nahinfraroten Bereich des Spektrums eine spezifische optische Funktion aufweist. Damit kann der Illuminationsstrahl und/oder die Reflexion aus dem Strahlengang des Projektionsstrahls ausgeschwenkt werden. Die wellenlängendiskriminierenden Eigenschaften können kombiniert angewandt werden.
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Eine Achse des Illuminationsstrahls kann einen ersten Einfallswinkel zur optischen Komponente aufweisen und die Achse des Projektionsstrahls kann einen zweiten, von dem ersten Winkel unterschiedlichen, Einfallswinkel zur optischen Komponente aufweisen, wobei die Achse des Illuminationsstrahls und die Achse des Projektionsstrahls einen näherungsweise übereinstimmenden Ausfallswinkel zur optischen Komponente aufweisen. Der Einfallswinkel kann ein Winkel zwischen einer Hauptachse der optischen Komponente und einer Strahlrichtung sein.
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Ein Einfallswinkel des reflektierten Teils des Illuminationsstrahls zur optischen Komponente und ein Ausfallswinkel der Achse des Projektionsstrahls zur optischen Komponente können näherungsweise übereinstimmen, wobei der reflektierte Teil einen Ausfallswinkel zur optischen Komponente aufweisen kann, der von einem Einfallswinkel der Achse des Projektionsstrahls zur optischen Komponente unterschiedlich ist.
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Zumindest ein weiterer Illuminationsstrahl kann in die Achse des Projektionsstrahls eingekoppelt werden, wobei der weitere Illuminationsstrahl einen Versatz zu dem Illuminationsstrahl aufweist. Die Illuminationsstrahlen können unterschiedliche Charakteristika aufweisen. Beispielsweise können die Illuminationsstrahlen unterschiedliche Lichtmuster aufweisen.
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Zumindest ein weiterer reflektierter Teil des Illuminationsstrahls kann aus der Achse des Projektionsstrahls ausgekoppelt werden, wobei der weitere reflektierte Teil den Fahrer aus einem anderen Blickwinkel abbildet, als der reflektierte Teil, um eine räumliche Position des Fahrers zu erkennen. Durch eine weitere Reflexion kann eine Entfernung des Fahrers von dem Blickfeldanzeigegerät aufgelöst werden. Dadurch kann beispielsweise eine Bildinformation des Projektionsstrahls besonders einfach scharf eingestellt werden.
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Die optische Komponente kann mit dem, den Projektionsstrahl schwenkenden Bauteil übereinstimmen oder dieses enthalten. Die optische Komponente kann auch innerhalb des Blickfeldanzeigegeräts angeordnet sein. Bei einer zusammengefassten Anordnung in dem strahlschwenkenden Bauteil kann die Strahlteilung besonders einfach erfolgen.
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Die Kopfposition kann durch eine Augenposition erkannt werden. Augen können besonders einfach in Bildinformationen erkannt werden, da eine Augenform besonders eindeutig ist.
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Die vorliegende Erfindung schafft ferner eine Vorrichtung, die ausgebildet ist, um die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens in entsprechenden Einrichtungen durchzuführen bzw. umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form einer Vorrichtung kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden.
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Unter einer Vorrichtung kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Die Vorrichtung kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen der Vorrichtung beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Nachführen eines Projektionsstrahls eines Blickfeldanzeigegeräts zum Projizieren einer Bildinformation in einem Blickfeld eines Fahrers eines Fahrzeugs gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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die 2a bis 2c Darstellungen eines Blickfeldanzeigegeräts mit einem Strahlengang in verschiedenen Situationen;
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3 eine Darstellung eines Blickfeldanzeigegeräts mit einer Vorrichtung zum Nachführen eines Projektionsstrahls gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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4 eine Darstellung eines Blickfeldanzeigegeräts mit einer Vorrichtung zum Nachführen eines Projektionsstrahls gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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5 eine Darstellung eines Blickfeldanzeigegeräts mit einer Vorrichtung zum Nachführen eines Projektionsstrahls gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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6 eine Darstellung eines Blickfeldanzeigegeräts mit einer Vorrichtung zum Nachführen eines Projektionsstrahls gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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7 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zum Nachführen eines Projektionsstrahls in einem Blickfeldanzeigegerät gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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8 eine Darstellung eines Blickfeldanzeigegeräts mit einer Vorrichtung zum räumlichen Nachführen eines Projektionsstrahls gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
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9 ein Beispielbild einer in eine Blickfeldanzeige gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung integrierten Fahrerbeobachtungskamera.
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In der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
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1 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Nachführen 100 eines Projektionsstrahls eines Blickfeldanzeigegeräts zum Projizieren einer Bildinformation in einem Blickfeld eines Fahrers eines Fahrzeugs gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren 100 weist einen Schritt des Einkoppelns 102, einen Schritt des Auskoppelns 104 und einen Schritt des Ermittelns 106 auf. Im Schritt des Einkoppelns 102 wird ein, einen ersten Wellenlängenbereich aufweisenden, Illuminationsstrahl zum Illuminieren zumindest eines Kopfbereichs des Fahrers in eine Achse des Projektionsstrahls, der einem zweiten Wellenlängenbereich aufweist, unter Verwendung einer wellenlängenselektiven Eigenschaft einer optischen Komponente des Blickfeldanzeigegeräts eingekoppelt. Der erste Wellenlängenbereich ist verschieden von dem zweiten Wellenlängenbereich. Im Schritt des Auskoppelns 104 wird ein am Fahrer reflektierter Teil des Illuminationsstrahls aus der Achse des Projektionsstrahls unter Verwendung der wellenlängenselektiven Eigenschaft der optischen Komponente ausgekoppelt. Im Schritt des Ermittelns 106 wird ein Nachführsignal für ein, den Projektionsstrahl schwenkendes Bauteil des Blickfeldanzeigegeräts unter Verwendung einer aus dem reflektierten Teil des Illuminationsstrahls ermittelten Kopfposition des Fahrers in der Reflexion ermittelt, um den Projektionsstrahl nachzuführen.
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Die 2a bis 2c zeigen Darstellungen eines Blickfeldanzeigegeräts 200 mit Strahlengängen 202 in verschiedenen Situationen. Der Strahlengang 202 verläuft von einem Bildgeber 204 über optische Komponenten des Blickfeldanzeigegeräts 200 gefaltet bis zu einer Augenpartie 206 eines Betrachters 208 des Blickfeldanzeigegeräts 200. Im Regelfall wird der Betrachter 208 ein Fahrer eines Fahrzeugs sein. Dann wird dem Fahrer 208 ein Abbild des Bildgebers 204 in sein Blickfeld 210 eingespiegelt. Eine der optischen Komponenten ist ein Kombinierer 212, der teilverspiegelt ist, um den Strahlengang in das Blickfeld 210 einzuspiegeln. Der Kombinierer 212 ist innerhalb des Fahrzeugs zwischen dem Betrachter 208 und der Frontscheibe 214 angeordnet. Das Abbild erscheint als vor einer Frontscheibe 214 des Fahrzeugs schwebend.
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2a zeigt das Blickfeldanzeigegerät 200 und den Kopf des Betrachters 208 in korrekter Lage zueinander. Der Betrachter 208 kann das Abbild in seinem Blickfeld 210 wahrnehmen. 2a zeigt ein typisches Combiner-HUD (HUD = Head up Display = Blickfeldanzeige) oder CHUD mit Gehäuse 200 vor der Windschutzscheibe 214. Bei einer an die Eyebox 206 angepasster Kopflage des Fahrers 208 erscheint das virtuelle Bild 210 hinter dem Combiner 212.
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Mit anderen Worten zeigt die 2a ein herkömmliches CHUD 200, welches ein virtuelles Bild 210 hinter Windschutzscheibe 214 und Combiner 212 für den Fahrer 208, von der Eyebox 206 aus sichtbar, erscheinen lässt. Das CHUD 200 verfügt dabei neben dem Combiner 212 über ein Deckglas (nicht eingezeichnet), einen weiteren Spiegel und einen nicht näher beschriebenen Bildgeber 204. Bis auf den Combiner 212 sind alle Komponenten in ein Gehäuse 200 integriert, welches ins Armaturenbrett eingebaut wird.
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2b zeigt den Kopf des Betrachters 208 in einer relativ zu 2a erhöhten Position. Dadurch ist der Strahlengang 202 nicht mehr auf die Augenpartie 206 ausgerichtet und der Betrachter 208 kann das Abbild nicht mehr vor der Frontscheibe 214 sehen. Dem im Vergleich zu 2a größere Fahrer 208 erscheint das virtuelle Bild 210 nicht mehr, da die Augen des Fahrers nicht in der Eyebox 206 liegen.
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In 2b ist der Fall dargestellt, bei dem ein größerer Fahrer 208 ins Fahrzeug steigt und das CHUD-Bild 210 auf Anhieb nicht sehen kann, da seine Augen nicht in der Eyebox 206 liegen.
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2c zeigt den Strahlengang 202 auf die erhöhte Position nachgeführt. Der Strahlengang 202 ist erneut auf die Augenpartie 206 ausgerichtet. Der Betrachter 208 kann das Abbild wieder vor der Frontscheibe 214 wahrnehmen. Zum Ausrichten des Strahlengangs 202 wurde der Kombinierer 212 um eine Schwenkachse in Richtung der Frontscheibe 214 geschwenkt, bis der Strahlengang 202 wieder auf die Augenpartie 206 ausgerichtet ist. Das Abbild erscheint nun tiefer im Blickfeld 210. Nach Anpassung der Neigung des Combiners 212 verschiebt sich die Eyebox 206 nach oben. Dadurch erscheint dem im Vergleich zu 2a größeren Fahrer das virtuelle Bild 210 etwas weiter unten.
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Wie in 2c dargestellt kann daher beispielsweise der Fahrer 208 die Neigung des Combiners 212 über einen Taster anpassen, um die Eyebox 206 nach oben zu verschieben.
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3 zeigt eine Darstellung eines Blickfeldanzeigegeräts 200 mit einer Vorrichtung zum Nachführen eines Projektionsstrahls 202 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Blickfeldanzeigegerät 200 entspricht den Darstellungen in 2. Von der Vorrichtung zum Nachführen ist eine Einrichtung zum kombinierten Einkoppeln und Auskoppeln 300 dargestellt eine zur Vorrichtung gehörige Einrichtung zum Ermitteln ist nicht abgebildet. Zusätzlich zu der Darstellung in 2 weist das Blickfeldanzeigegerät 200 eine Illuminationseinrichtung 302 und eine Kamera 304 auf. Die Einrichtung zum kombinierten Einkoppeln und Auskoppeln 300 ist dazu ausgebildet, unter Verwendung einer wellenlängendiskriminierenden Eigenschaft einen Illuminationsstrahl der Illuminationseinrichtung 302 mit einem ersten Wellenlängenbereich in den Projektionsstrahl 202 mit einem zweiten Wellenlängenbereich einzukoppeln. Der Projektionsstrahl 202, der von dem Bildgeber 204 abgestrahlt wird, wird von der Einrichtung 300 um einen Winkel abgelenkt, während der Illuminationsstrahl unbeeinflusst durch die Einrichtung 300 dringt. Der Projektionsstrahl 202 und der Illuminationsstrahl werden von dem Kombinierer 212 erneut um einen Winkel abgelenkt und treffen auf die Augenpartie 206 des Betrachters 208. Zumindest der Illuminationsstrahl wird an dem Betrachter 208 reflektiert. Die Reflexion wird auf dem gleichen Pfad entlang des Projektionsstrahls 202 zurückgeworfen. Die Einrichtung zum kombinierten Einkoppeln und Auskoppeln 300 lässt die Reflexion aufgrund der wellenlängendiskriminierenden Eigenschaft durch, sodass die Reflexion von der Kamera erfasst wird. In der Einrichtung zum Ermitteln wird eine Position der Augenpartie 206 in einem Bild der Kamera ausgewertet und ein Nachführsignal für den Kombinierer 212, als strahlschwenkendes Bauteil, erzeugt, um den Projektionsstrahl 202 entsprechend der Position der Augenpartie 206 nachzuführen. Das CHUD 200 weist die Kamera 304 und die Beleuchtungseinheit 302 zur Fahrerbeobachtung auf. Die Kamera 304 ist in diesem Ausführungsbeispiel hinter einem dichroitisch ausgelegten HUD-Spiegel 300 platziert, welcher die von der Kamera 304 und der Beleuchtung 302 genutzten NIR-Wellenlängen durchlässt und im sichtbaren Bereich reflektiert. Dies führt zu einer größeren HUD Box 200.
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Mit anderen Worten ist in 3 ein System dargestellt, welches die Einstellung der Neigung des Kombinierers 212 automatisch vollzieht. Durch die hinter einem in diesem Fall dichroitischen Spiegel 300 platzierte Kamera 304 und Beleuchtungseinheit 302 werden die Fahreraugen 206 erfasst und die mit einem Elektromotor verbundene Combinerscheibe 212 automatisch derart eingestellt, dass die Augen des Fahrers in der Mitte der vertikalen Eyebox 206 liegen. Der dichroitische Spiegel 300 wirkt dabei für die für die in der HUD-Anzeige 200 verwendeten Wellenlängen reflektierend und ist für die von der Kamera 304 und Beleuchtungseinheit 302 genutzten Wellenlängen (vorzugsweise im NIR) transparent. Das Gehäuse 200 wächst im dargestellten Fall, um die hinzugefügte Kamera 304 und die Beleuchtungseinheit 302 zu beherbergen.
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4 zeigt eine Darstellung eines Blickfeldanzeigegeräts 200 mit einer Vorrichtung zum Nachführen eines Projektionsstrahls 202 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Blickfeldanzeigegerät 200 ist im Wesentlichen analog zu den Darstellungen in den 2 und 3 aufgebaut. Im Gegensatz zu der Darstellung in 3 sind die Illuminationseinrichtung 302 und die Kamera 304 seitlich unter einem Winkel zu dem Strahlengang 202 angeordnet. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Kombinierer 212 eine Einheit mit der Einrichtung zum Einkoppeln und Auskoppeln 300. Der Kombinierer 212 weist zumindest in Teilbereichen eine wellenlängendiskriminierende Eigenschaft auf. Der Illuminationsstrahl und seine Reflexion am Betrachter 208 werden unter einem anderen Winkel reflektiert, als der Projektionsstrahl 202. Durch eine Anordnung der Illuminationseinrichtung und der Kamera seitlich vom Projektionsstrahl kann ein Gehäuse des Blickfeldanzeigegeräts 200 kompakter gestaltet werden, als in 3 dargestellt. Bei Verwendung einer holografischen Reflexionsschicht im Combiner 212 können die Kamera 304 und die Beleuchtungseinheit 302 nahezu beliebig im HUD-Gehäuse 200 platziert werden, da bei einem Hologramm Einfalls- und Ausfallswinkel flexibel gewählt werden können.
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Mit anderen Worten ist in 4 ein Ausführungsbeispiel dargestellt, bei der zusätzlich zur Kamera 304 und Beleuchtungseinheit 302 eine holografische Schicht in den HUD Combiner 212 integriert ist, welche es ermöglicht, Kamera 304 und Beleuchtungseinheit 302 flexibel zu platzieren, da bei geeigneter Auslegung des Hologramms ein Einfallswinkel und ein Ausfallswinkel flexibel gewählt werden können. Das Hologramm wirkt dabei ausschließlich für den von Kamera 304 und Beleuchtungseinheit 302 verwendeten Wellenlängenbereich (bevorzugt im NIR-Spektrum). Neben der flexiblen Platzierbarkeit von Kamera 304 und Beleuchtungseinheit 302 kann bei Verwendung eines Hologramms im HUD Combiner 212 eine Reflektivität im für die Fahrerbeobachtung verwendeten Wellenlängenbereich verbessert werden und der Blickwinkel der Kamera 304 unabhängig von der HUD-Anzeigeoptik eingestellt werden. So kann der von der Kamera 304 gesehene Bereich des Fahrers 208 weit größer als die Eyebox 206 sein.
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5 zeigt eine Darstellung eines Blickfeldanzeigegeräts 200 mit einer Vorrichtung zum Nachführen 500 eines Projektionsstrahls 202 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung weist eine Einrichtung zum Einkoppeln und Auskoppeln 300 und eine Einrichtung zum Ermitteln 502 auf. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Einrichtung 300 als dichroitischer Spiegel 300 ausgeführt und dazu ausgebildet, ein vorbestimmtes Wellenlängenspektrum zu reflektieren. Der Illuminationsstrahl 504 weist dieses Wellenlängenspektrum auf. Das sichtbare Licht des Projektionsstrahls 202, das von dem Bildgeber 204 ausgeht, durchdringt den dichroitischen Spiegel 300 ungestört. Die Einrichtung zum Ermitteln 502 weist in diesem Ausführungsbeispiel einen Emitter und einem Rezeptor für den Illuminationsstrahl 504, bzw. seine Reflexion auf. Der Illuminationsstrahl 504 ist auf eine reflektierende Seite der Einrichtung zum Einkoppeln 300 ausgerichtet, wobei ein Einfallswinkel des Illuminationsstrahls 504 auf die Einrichtung zum Einkoppeln 300 gleich einem Ausfallswinkel des reflektierten Illuminationsstrahls 504 und des Projektionsstrahls 202 ist. Der Projektionsstrahl 202 wird von dem Bildgeber 204 durch die Einrichtung zum Einkoppeln 300 gesandt, ohne dass er abgelenkt wird. Der Illuminationsstrahl 504 und der Projektionsstrahl 202 treffen auf einen fokussierenden Spiegel 506, der beide Strahlen 202, 504 auf einen winkelveränderlichen Kombinierer 212, der beide Strahlen 202, 504 in Richtung eines Betrachters ablenkt.
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6 zeigt eine Darstellung eines Blickfeldanzeigegeräts 200 mit einer Vorrichtung zum Nachführen 500 eines Projektionsstrahls 202 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Wie in 5 weist die Vorrichtung 500 eine Einrichtung zum kombinierten Einkoppeln und Auskoppeln 300 sowie eine Einrichtung zum Ermitteln 502 mit einer Illuminationseinrichtung und einer Kamera auf. Im Gegensatz zu 5 ist die Einrichtung zum Einkoppeln und Auskoppeln 300 als fokussierender Spiegel ausgebildet, der dazu ausgebildet ist, einen Wellenlängenbereich eines Projektionsstrahls 202 von einem Bildgeber 204 zu einem Kombinierer 212 zu reflektieren und einen Wellenlängenbereich eines Illuminationsstrahls 504 ungehindert passieren zulassen. Der Illuminationsstrahl 504 durchdringt die Einrichtung zum Einkoppeln 300 unbeeinflusst ebenso durchdringt eine Reflexion des Illuminationsstrahls 504 die Einrichtung zum Auskoppeln 300 ungehindert.
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7 zeigt ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zum Nachführen 500 eines Projektionsstrahls 202 in einem Blickfeldanzeigegerät 200 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Blickfeldanzeigegerät 200 weist einen Bildgeber 204 und eine Optik 700, sowie einen Kombinierer 212 auf. Der Kombinierer 212 ist mittels eines Drehmechanismus 702 schwenkbar, um einen Projektionsstrahl 202 auf eine Augenpartie 206 eines Betrachters 208 auszurichten. Von dem Betrachter 208 aus gesehen hinter dem Kombinierer 212, erscheint ein projiziertes Bild 210 des Bildgebers 204 in einer Projektionsebene. An das Blickfeldanzeigegerät 200 ist eine Illuminationseinrichtung 302 zum Erzeugen eines Illuminationsstrahls 504 und eine Kamera 304 zum Empfangen einer Reflexion 704 des Illuminationsstrahls 504 an dem Betrachter 208 angeschlossen. Die Kamera ist mit einer Einrichtung zum Ermitteln eines Nachführsignals 502 verbunden. Die Einrichtung 502 ist ein Bestandteil der Vorrichtung zum Nachführen 500. Eine Bildinformation der Kamera 304 wird in der Einrichtung 502 auf eine Kopfposition des Betrachters 208 und/oder auf eine Position der Augenpartie 206 ausgewertet. Unter Verwendung der Position wird in der Einrichtung 502 das Nachführsignal erzeugt und an das Blickfeldanzeigegerät 200 weitergegeben. In der Blickfeldanzeige sind eine Einrichtung zum Einkoppeln 300a und eine Einrichtung zum Auskoppeln 300b als weitere Bestandteile der Vorrichtung zum Nachführen 500 angeordnet. Die Einrichtungen 300a und 300b sind als Bestandteil der Optik 700 ausgeführt und nicht gesondert dargestellt. Die Einrichtungen 300 a und 300b weisen eine wellenlängendiskriminierende Eigenschaft auf, um den Illuminationsstrahl 504 in den Projektionsstrahl 202 einzukoppeln und die Reflexion 704 aus dem Strahlengang des Projektionsstrahls 202 auszukoppeln.
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Mit anderen Worten zeigt 8 das allgemeine Prinzip eines aktiv gesteuerten Fahrzeug HUD (HUD=Head up Display = Blickfeldanzeige). Das HUD weist sechs Hauptteile auf. Ein Imaging-Modul 200 beinhaltet die Anzeige 204 und die vergrößernde Optik 700. Dieses Gerät ermöglicht es dem Fahrer 208, die virtuellen Informationen des projizierten Bildes auf dem Kombinierer 212 wahrzunehmen. Der Combiner 212 weist als optische Komponente eine Fläche auf, auf der das Bild projiziert wird. Es kann beispielsweise mit einer Infrarot-Beschichtung behandelt werden, um die Reflexion für spezifische Wellenlängen zu erhöhen, die von dem Beleuchtungsmodul abgegeben werden. Ein Illumination Modul 302 beleuchtet das Gesicht des Fahrers 208, um eine ausreichende Erfassung des Kopfteils mit Konturen der Augenposition 206 ermöglichen. Die Quelle 302 kann aus verschiedenen Arten emittierender Vorrichtungen im Nah-Infrarot (NIR) bestehen, unter ihnen beispielsweise Laser, Laserdioden, Licht emittierende Dioden (LED) oder Breitband-Quellen mit einem NIR-Filter. Die Beleuchtungseinrichtung 302 kann eine, zwei oder mehrere NIR Quellen aufweisen. Die Quellen können Zeitmultiplex und synchron gesteuert werden, um einen Nachweis für die Echtzeit-Diskriminierung der Augenposition 206 von parasitären Reflexionen zu erhalten. Die Kamera 304 kann als unterschiedliche Arten von Kameras ausgeführt sein. Die Kamera 304 ist dazu ausgebildet, NIR-Strahlung zu empfangen. Die Kamera kann auch dazu ausgebildet sein, sichtbares Licht zu empfangen. Ein Standardobjektiv 700 oder unabhängige Imaging-Objektive sind in den Strahlengang des bildgebenden Geräts 200 platziert.
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Die Kamera 304 liefert die notwendigen Informationen in Bezug auf einen Teil des Kopfes des Fahrers 208. Die Steuerung 502 führt diese Daten zusammen und extrahiert die relative Position der Augen 206. Das Steuergerät 502 berechnet weiterhin die benötigte Neigung/Rotation des Kombinierers 212, um den Winkel mit der besten virtuellen Optimierung der Bildqualität zu bestimmen. Im Falle von Fahrzeugführern mit Brille kann die Mitte jedes Glases als Lage des Auges in Betracht gezogen werden. Der Combiner 212 wird durch einen Mechanismus 702 gedreht, der einen Motor und einen Drehwinkelsensor zur Steuerung der gezielten Kippstellung aufweist.
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In 7 sind die optischen Pfade der Bildgebung und der Beleuchtung in durchgezogenen und strichpunktierten Linien dargestellt. Die gestrichelten Linien stellen den I/0 Datenstrom der Steuereinheit 502 dar. Die Augen Konturen 206 werden durch die Kamera 304 über das reflektierte Bild im Kombinierer 212 gewonnen. Einer oder mehrere dichroitische Spiegel können in dem Strahlengang des Gerätes 200 angeordnet werden, um die NIR-Strahlung aus dem sichtbaren Licht zu trennen. Der dichroitische Spiegel kann eine unabhängige planare Fläche oder ein integraler Bestandteil der Abbildungsoptik sein.
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8 zeigt eine Darstellung eines Blickfeldanzeigegeräts 200 mit einer Vorrichtung zum räumlichen Nachführen 800 eines Projektionsstrahls 202 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Blickfeldanzeigegerät 200 ist zwischen einer Frontscheibe 214 eines Fahrzeugs und einem Lenkrad 800 des Fahrzeugs angeordnet. Ein Projektionsstrahl 202 des Blickfeldanzeigegeräts 200 ist auf einen Fahrer 208 des Fahrzeugs gerichtet. Ein Kombinierer 212 des Blickfeldanzeigegeräts 200 weist zwei Bereiche 802 mit wellenlängendiskriminierenden Eigenschaften auf. Eine Reflexion des Betrachters 208 eines Illuminationsstrahls aus dem Blickfeldanzeigegerät 200 wird von den beiden Bereichen 802 zu einer Kamera 304 in dem Blickfeldanzeigegerät 200 reflektiert. Die Kamera 304 erfasst ein Stereobild des Betrachters 208. In einer Einrichtung zum Ermitteln wird das Stereobild verwendet, um eine Position des Betrachters 208 dreidimensional zu erfassen. Unter Verwendung der Position kann der Projektionsstrahl 202 einer Augenpartie des Betrachters 208 nachgeführt werden, wobei eine Schärfenebene des Projektionsstrahls 202 kontinuierlich der Position der Augenpartie nachgeführt werden kann. Bei der stereoskopischen Variante ist die Kamera 304 auf den Combiner 212 gerichtet. Der Combiner 212 verfügt über zwei in Reflexion arbeitende Hologramme 802, welche es erlauben den Fahrer 208 aus diesen beiden durch die Lage der beiden Hologramme 802 definierten Blickwinkeln zu beobachten.
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Mit anderen Worten zeigt 8 eine stereoskopische Variante, welche mit nur einer Kamera 304 auskommt. Dabei sind zwei versetzt angeordnete Hologramme 802 in den Combiner 212 integriert, die das aus der jeweiligen Perspektive aufgenommene Bild des Fahrers 208 auf den Kamerachip abbilden. Dabei kann eine Hälfte des Kamerachips für einen ersten Blickwinkel genutzt werden, während die andere für den anderen Blickwinkel genutzt werden kann. Zum leichteren Verständnis der Zeichnung ist das Lenkrad 800 dargestellt. Die Beleuchtungseinheit ist nicht dargestellt. Bei einem solchen System können zusätzlich zur Intensitätsinformation Tiefeninformationen genutzt werden, um den Fahrer 208 zu überwachen. Dadurch kann eine höhere Robustheit insbesondere gegenüber schnell wechselnden Schatten, z. B. beim schnellen Durchfahren einer Brücke an einem sonnigen Tag, erreicht werden. Weiterhin kann die Lage des Fahrerkopfes auch in der Tiefe exakt bestimmt werden. Alternativ zur Verwendung von zwei Ansichten wie in 8 kann das Hologramm 802 auch dazu verwendet werden ein Lichtmuster auf den Fahrerkopf 208 zu projizieren, welches die Kamera 304 erfasst und über Triangulation auf Tiefeninformation auswertet.
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Die beschriebenen Tiefen erfassenden Varianten eignen sich besonders für eine kontinuierliche und robuste Erfassung des Fahrers während der Fahrt. Daher ist es besonders bei diesen Varianten denkbar, die Eyeboxlage dynamisch an die Position der Augen des Fahrers anzupassen. Dies ermöglicht die Verkleinerung der Eyebox und somit die Verkleinerung der optischen Elemente des CHUDs, wodurch der erforderliche Bauraum minimiert werden kann. Andererseits erfordert dies die dynamische Nachführbarkeit der Eyebox entweder durch ein dynamisch verstellbares optisches Element (z. B. Combiner) oder durch Verwendung eines elektronisch verschiebbaren Bildausschnitts auf dem Bildgeber.
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Head-up Displays (HUD) präsentieren Fahrinformationen in einem Sichtfeld des Fahrers. Aktuelle HUD Geräte bestehen aus einer Anordnung von einem Display und einem oder mehreren optischen Komponenten (Linsen und/oder Spiegeln). Das projizierte Bild wird auf der Windschutzscheibe des Fahrzeugs oder auf einem kippbaren Kombinierer wiedergegeben. Daher sieht der Fahrer, schwebend vor ihm in einer bestimmten Entfernung ein vergrößertes virtuelles Bild des Displays. Das optische Design ist optimal für eine gegebene Fahrerkopfposition und eine Blickrichtung. Ein von der Optik definiertes Rechteck bildet eine sogenannte "Eyebox". Der Combiner/Kombinierer ist die Fläche, auf der die Informationen projiziert werden. Er kann flach oder gekrümmt sein, abhängig von dem optischen Konzept. Spezielle Beschichtungen können auf der Oberfläche aufgetragen werden, um eine Erhöhung der Reflexion bei bestimmten Wellenlängen zu erreichen. Der Kombinierer kann fix oder versenkbar ausgeführt werden und vertikal gekippt werden. Er kann entweder manuell oder durch einen Motor, der durch Tasten aktiviert werden kann, in seiner Neigung geändert werden.
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Ein ähnliches optisches System kann die Windschutzscheibe als Projektionsfläche nutzen. Die Projektionsanzeige für ein Kraftfahrzeug kann ein vergrößerndes Objektiv für die Projektion eines virtuellen Bilds auf einer Projektionsfläche aufweisen. Eine Kamera kann eine Sichtachse eines Fahrers des Fahrzeugs erkennen. Eine Windschutzscheibe des Fahrzeugs kann als Projektionsfläche genutzt werden.
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Eine hohe Bildqualität mit dem Kombinierer zu erreichen ist schwer. Es wird immer wichtiger ein erweitertes Sichtfeld (auch als FOV = field of view bezeichnet) und ein flexibles Design für mehr Kopfbewegungsfreiheit zu bieten. Um die kommenden Anforderungen zu befriedigen, werden die optischen Designs immer komplexer und prekärer. Combiner-Parameter wie Form, Abmessungen und Ausrichtungswinkel werden vor allem durch die Eyebox und die Abmessungen des gewünschten virtuellen Bildes bestimmt. Optimale Kombinierer Parameter sind ein komplexer Kompromiss zwischen oben genannten Parametern und den zugehörigen optischen Komponenten.
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Daher wird hier beschrieben, ein HUD mit abgesetztem Kombinierer mit einem Augen-Tracker-System zu kombinieren, um in Echtzeit die Position der Augen zu erkennen. Design-Einschränkungen aufgrund optischer Beschränkungen können durch die Tatsache, dass die Position der Augen kontinuierlich bekannt ist, vereinfacht werden. So können die Dimensionen einiger optischen Komponenten reduziert werden.
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Ein HUD-Gerät, das die beschriebene Augen Positionserfassung integriert kann selbstständig (automatisch) die Positionen des Displays und der optischen Komponenten steuern, um eine Verzerrung auszugleichen, um eine Aberration zu reduzieren und die Position des angezeigten virtuellen Bildes anzupassen. Der Bildwinkel auf dem Display kann in Echtzeit modifiziert werden, um die Verzerrung zu reduzieren. Darüber hinaus kann, mit der Augenpositionserfassung, die vertikale Neigung des Kombinierers automatisch angepasst werden und somit die optimale Position für das virtuelle Bild ausgewählt werden, das der Fahrer wahrnimmt.
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Der Fahrersichtkomfort wird durch die Tatsache verbessert, dass die Augenposition bekannt ist und die angezeigten Informationen entsprechend angepasst werden.
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Der Hauptvorteil liegt jedoch in der Tatsache, dass für vergleichbare Anforderungen einer HUD-Einrichtung mit fixen Bestandteilen, die Einführung aktiv gesteuerter Bewegungen der verschiedenen optischen Komponenten wie die Kombinierer, die Gestaltung der Form der optischen Flächen vereinfacht. Daher können damit die Herstellungskosten reduziert werden.
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Andererseits können bei gleicher Komplexität der optischen Flächen das Sichtfeld und die Kopfbewegungsfreiheit erhöht werden, wenn die Positionen der optischen Komponenten entsprechend gesteuert werden. Zum Beispiel die Kombinierer Kippstellung.
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Mit anderen Worten zeigen die 2 bis 8 ein Combiner-Head-up-Display 200 mit Fahrerbeobachtungsfunktionalität. Combiner-HUDs (CHUDs) 200 sind Head-up-Displays (HUDs), die das virtuelle Bild über eine separate Scheibe 212 in das Sichtfeld des Fahrers 206 einblenden. Dadurch ist ein CHUD 200 unabhängig von Windschutzscheibenform (und -toleranzen) und daher für verschiedene Fahrzeugtypen und -ausführungen (z. B. Links- und Rechtslenker) einsetzbar. Der Combiner 212 eines CHUDs 200 kann beschichtet werden, um Transmissionsverluste zu minimieren und eine Bildhelligkeit zu erhöhen und das Doppelbild zu eliminieren. Der Kombinierer 212 kann neigbar gelagert sein, um eine Eyeboxverstellung in vertikaler Richtung zur Anpassung an verschiedene Fahrergrößen zu ermöglichen. Neben der üblichen HUD-Anzeige können Fahrerbeobachtungsfunktionen realisiert werden.
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In dem hier vorgestellten Ansatz wird ein System vorgestellt, welches es ermöglicht, die Eyebox automatisch an verschiedene Fahrergrößen anzupassen. Dazu wird mittels einer Kamera der Lichtweg zur Informationsdarstellung im CHUD zur Überwachung des Fahrers invertiert.
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Die Kamera, welche im NIR-Spektrum arbeiten kann, wird samt NIR-Beleuchtungseinheit ins Gehäuse des CHUDs integriert und beobachtet über den Combiner den Fahrer, insbesondere dessen Augenbereich. Neben den, die HUD-Anzeige optimierenden, Combiner Beschichtungen verfügt der Combiner zusätzlich über eine wellenlängenselektive Schicht, welche die Reflexion im, von der Kamera genutzten, NIR-Wellenlängenbereich optimiert. Bei entsprechender Auswertung der Kamerabilder können die Positionen der Fahreraugen mittels bildverarbeitendem Verfahren detektiert werden und die Neigung des Combiners automatisch an den Fahrer angepasst werden, wodurch die sonst ggf. notwendige eine manuelle Einstellung entfällt. Das bildverarbeitende Verfahren kann in Grundzügen einer Gesichtserkennung in Digitalkameras entsprechen. Weiterhin kann die Information über die Augenposition genutzt werden, um die Orientierung der Rückspiegel automatisch einzustellen.
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9 zeigt ein Beispielbild einer in eine Blickfeldanzeige gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung integrierten Fahrerbeobachtungskamera. Das Bild zeigt eine Darstellung eines von einem Illuminationsstrahl im infrarot Wellenlängenbereich angeleuchteten Gesichts. Eine Position der Augen 900 ist unter Anwendung einer Verarbeitungsvorschrift auf das Bild markiert worden. Beispielsweise kann die Verarbeitungsvorschrift totalreflektierende Bereiche kategorisieren. Durch die Verarbeitungsvorschrift können auch parasitäre Reflexe 902 ignoriert werden. Der Projektionsstrahl kann unter Verwendung der Augenposition 900 nachgeführt werden.
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Mit anderen Worten zeigt 9 ein beispielhaftes Bild von einer Fahrerbeobachtungskamera, welche in ein HUD integriert wurde. Die Augen 900 des Fahrers werden durch bildverarbeitende Verfahren extrahiert.
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Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden.
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Ferner können erfindungsgemäße Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden.
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Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1783531 [0003]
- EP 2026117 A1 [0004]
