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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Projektionsoptik für ein Display, insbesondere eine Projektionsoptik für ein Head-up Display mit verbesserter Lichtausbeute.
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Stand der Technik
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Es gibt eine Reihe von Projektionsaufgaben, bei denen ein virtuelles Bild erzeugt wird und einem Betrachter über eine optisch transparente Fläche, beispielsweise eine Windschutzscheibe eines Kraftfahrzeugs, eingespiegelt wird. Solche Displays sind beispielsweise sogenannte Head-up Displays – nachfolgend auch als HUD bezeichnet – oder Head-mounted Displays, nachfolgend auch als HMD bezeichnet.
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Ein konventionelles Head-up Display ist beispielsweise aus
DE 10 2010 002 956 A1 bekannt. Für die genannten Displaytypen werden häufig Bildgeber, beispielsweise ein DMD, sogenannt „dot matrix device“, oder ein LCoS, sogenannt „Liquid Crystal on Silicon“, verwendet.
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Für viele HUD-Anwendungen sind größere Bildfelder von Bedeutung, insbesondere in horizontaler Blickrichtung, beispielsweise bei Anwendungen in Kraftfahrzeugen. Für solche Anwendungen mit großen Bildfeldern in horizontaler Blickrichtung werden häufig HUD-Systeme mit einer (reellen) Zwischenabbildung genutzt, bei denen die Bildinformation eines Bildgebers (z.B. DMD oder LCoS) zunächst auf einen Schirm abgebildet und auf diesem Schirm das erforderliche Etendue zur Erzeugung des virtuellen Bildes durch Streuung oder andere Methoden erzeugt.
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Aus Kostengründen ist es vorteilhaft, möglichst kleine Bildgeber zu verwenden. Das Etendue solcher Bildgeber ist jedoch durch die kleine Fläche und den Akzeptanzwinkel beschränkt. Dies führt häufig zu Problemen mit der erforderlichen Helligkeit im Zwischenbild, die benötigt wird, um das virtuelle Bild und die Eyebox des Betrachters auszuleuchten.
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Die Formate (d.h. das Seitenverhältnis Breite zu Höhe) von kommerziell erhältlichen Standard-Bildgebern sind durch andere Anwendungen wie Projektoren vorbestimmt, beispielsweise 4:3 oder 16:9. Für das Zwischenbild eines HUD sind jedoch häufig deutlich breitere Formate wie beispielsweise 84 × 25 mm erwünscht.
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Um trotzdem kommerziell preiswert erhältliche Standard-Bildgeber verwenden zu können, wird herkömmlicherweise nur ein Teil der Fläche des Bildgebers für das virtuelle Bild des HUD verwendet.
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Um ein ausreichend helles Bild beim Betrachter zu erzeugen, muss die Bildinformation durch den Bildgeber mit hoher Intensität emittiert werden, was einerseits zu erhöhten Kosten beim Bildgeber, andererseits zu einer ungewollten Erwärmung im Bereich des Bildgebers führt.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Lichtausbeute von Displays, welche ein virtuelles Bild erzeugen und einem Betrachter über eine optisch transparente Fläche einspiegeln, bei Verwendung preiswerter Komponenten zu erhöhen.
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Offenbarung der Erfindung
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Projektionsoptik für ein Display offenbart, umfassend: eine bildgebende Anzeigeeinheit, eine Abbildungsoptik, die dazu ausgebildet ist, ein reelles Zwischenbild einer von der Anzeigeeinheit stammenden Bildinformation zu erzeugen und ein virtuelles Bild einer vom reellen Zwischenbild stammenden Bildinformation in einem Anzeigebereich darzustellen, wobei die Abbildungsoptik und/oder die bildgebende Anzeigeeinheit erfindungsgemäß ausgebildet ist, eine anamorphotische Abbildung zu realisieren. Bevorzugt weist die Abbildungsoptik und/oder die bildgebende Anzeigeeinheit mindestens eine Fläche auf, die geeignet ist, eine anamorphotische Abbildung zu realisieren. Flächen, die geeignet sind, eine anamorphotische Abbildung zu realisieren, können vorzugsweise auf Basis torischer Flächen (Zylinderlinsen) oder Prismen realisiert werden, wobei die anamorphotische Abbildung im Falle der Verwendung von Prismen über die Keilwirkung (ebene Fläche) erzeugt werden kann.
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Die Idee der vorliegenden Erfindung besteht darin, für die Abbildung vom Bildgeber zu dem (vorzugsweise auf einem Schirm abgebildeten) Zwischenbild eine anamorphotische Abbildung zu verwenden, so dass das Etendue des gesamten Bildgebers für das eigentliche HUD-System trotz unterschiedlicher Formate von Bildgeber (bildgebende Anzeigeeinheit) und desjenigen Teils des Zwischenbilds, der zur Erzeugung des virtuellen Bildes beiträgt, verwendet werden kann. Dadurch ist es möglich, die optische Effizienz des HUD-Systems zu erhöhen, so dass bei einer vorgegebenen Helligkeit des virtuellen Bildes ein vergleichsweise preiswerter Bildgeber verwendet werden kann.
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Vorzugsweise ist die anamorphotische Fläche zwischen der bildgebenden Anzeigeeinheit und dem reellen Zwischenbild angeordnet. Bekannt sind anamorphotische Vorsätze auf Basis von Zylinderlinsen oder Prismen. Alternativ ist es jedoch möglich, dass die anamorphotische Fläche in die bildgebende Anzeigeeinheit integriert ist.
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Der Anamorphot der Abbildungsoptik, d.h. das die anamorphotisch(e) (wirkende) Fläche aufweisende optische Element, ist vorzugsweise als separates optisches Element ausgebildet und zwischen der bildgebenden Anzeigeeinheit und dem reellen Zwischenbild angeordnet. Alternativ ist es jedoch möglich, dass der Anamorphot in die bildgebende Anzeigeeinheit integriert ist.
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Vorzugsweise ist der Anamorphot als Einzellinse oder als Linsensystem ausgebildet. Vorzugsweise ist der Anamorphot als Zylinderlinse ausgebildet. Alternativ ist es bevorzugt, dass der Anamorphot als Zylinderspiegel oder als Prismensystem ausgebildet ist. Vorzugsweise weist der Anamorphot mindestens eine torische Fläche und/oder mindestens ein Prisma und/oder mindestens eine Freiformfläche auf.
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Vorzugsweise ist das Stauchungsverhältnis des Anamorphoten derart gewählt, dass das Verhältnis von Breite zu Höhe der von der bildgebenden Anzeigeeinheit stammenden Bildinformation im reellen Zwischenbild vergrößert wird. Die Verbreiterung der von der bildgebenden Anzeigeeinheit stammenden Bildinformation erfolgt vorzugsweise um einen Faktor zwischen 1,5 und 3,0, bevorzugter zwischen 1,8 und 2,6.
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Vorzugsweise ist im reellen Zwischenbild ein Schirm angeordnet. Dieser Schirm kann als transmissiver oder reflektiver Schirm ausgeführt werden. Der Schirm ist zur Vermeidung von Reflexen von Sekundärlichtquellen (Sonne) vorzugsweise gekippt angeordnet. Bei reflektiven Schirmen ist eine Verkippung prinzipiell notwendig.
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Vorzugsweise weist die Abbildungsoptik zur Erzeugung eines virtuellen Bildes mindestens einen konkaven Reflektor auf. Dieser konkave Reflektor ist vorzugsweise zwischen den (sonstigen) Elementen der Abbildungsoptik und der optisch transparenten Fläche (Windschutzscheibe) angeordnet.
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Vorzugsweise ist die bildgebende Anzeigeeinheit ausgebildet, eine Bildinformation zu erzeugen, die aus einer Vielzahl von matrixförmig angeordneten Pixeln besteht. Vorzugsweise ist das Ausgangsbild der bildgebenden Anzeigeeinheit (d.h. das Objekt für die Abbildungsoptik) planar und rechteckig geformt. Vorzugsweise weist das Ausgangsbild der bildgebenden Anzeigeeinheit eine Breite zwischen 5 und 10 mm sowie eine Höhe zwischen 3 und 8 mm auf. Für extreme Anwendungen, das Bildfeld und die Auflösung betreffend, kann die Anzeigeneinheit auch Formate bis 20 × 10 mm besitzen.
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Vorzugsweise ist die bildgebende Anzeigeeinheit durch ein LCoS oder durch ein DMD ausgebildet. Vorzugsweise beträgt das Verhältnis von Breite zu Höhe der Bildfläche der bildgebenden Anzeigeeinheit zwischen 1,2 und 2,0, bevorzugter zwischen 1,3 und 1,8.
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Vorzugsweise beträgt das Format des Bildgebers 4:3 oder 16:9. Vorzugsweise werden Zwischenbilder mit einer Breite im Bereich zwischen 60 und 100 mm verwendet. Vorzugsweise beträgt das Format des reellen Zwischenbildes 84:25, besonders bevorzugt 84 × 25mm.
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Vorzugsweise ist das Stauchungsverhältnis des Anamorphoten derart gewählt, dass das Verhältnis von Breite zu Höhe der von der bildgebenden Anzeigeeinheit stammenden Bildinformation im reellen Zwischenbild zwischen 2,5 und 4,0, bevorzugter zwischen 3,0 und 3,5 und noch bevorzugter zwischen 3,3 und 3,4 beträgt.
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Durch die erfindungsgemäße Projektionsoptik kann die Helligkeit bei einem Bildgeber mit einem Standardformat von 16:9 und einem vorgegebenen Zwischenbildformat von 84 × 25mm um 89% erhöht werden.
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Aufgrund der Verzerrung (Verbreiterung) des reellen Zwischenbilds zur Erhöhung der Helligkeit im virtuellen Bild ist es vorzugsweise vorgesehen, die zu projizierende Bildinformation vorab rechnerisch derart zu verzerren, dass das mittels des Anamorphoten erzeugte Zwischenbild kongruent zur ursprünglichen (zu projizierenden) Bildinformation ist. Dann ist das Stauchungsverhältnis des Anamorphoten vorzugsweise zum Stauchungsverhältnis der rechnerischen Verzerrung invertiert. Die Projektionsoptik weist vorzugsweise Mittel zur rechnerischen Transformation der durch den Bildgeber zu emittierenden Bildinformation auf, wobei die Transformation vorzugsweise eine Inversion der durch den Anamorphoten erzeugten (Bild-)Transformation ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Display mit einer durchsichtigen Fläche offenbart, wobei die durchsichtige Fläche in Blickrichtung eines Betrachters als Anzeigebereich fungiert, und wobei das Display eine erfindungsgemäße Projektionsoptik nach mindestens einem der vorhergehenden Merkmale aufweist.
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Vorzugsweise ist das Display ein Head-up Display oder ein Head-mounted Display. Vorzugsweise erfolgt die Einstrahlung des Zwischenbilds auf die optisch transparente Fläche unter einem Winkel zwischen 30° und 85°, bevorzugte r zwischen 45° und 75° in Bezug auf den Normalenvektor der optisch transparenten Fläche. Besonders bevorzugt erfolgt die Einstrahlung des Zwischenbilds auf die optisch transparente Fläche unter einem Winkel von ±20°, bevorzugter ±10° des Brewsterwinkels bezoge n auf den Normalenvektor der optisch transparenten Fläche. Die optisch transparente Fläche (Windschutzscheibe) muss nicht notwendigerweise planar ausgebildet sein, sondern kann eine gewisse Krümmung aufweisen. In einem solchen Fall wird der Winkel desjenigen Normalenvektors der optisch transparenten Fläche betrachtet, der sich im geometrischen Schwerpunkt des an der Reflexion beteiligten Bereichs der optisch transparenten Fläche befindet.
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Die optisch transparente Fläche ist vorzugsweise nicht verspiegelt, d.h. dass die Reflexion (sichtbaren Lichts) der optisch transparenten Fläche unter einem Winkel von 0° vorzugsweise kleiner 10%, noch bevorzugter kleiner 5% ist.
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Vorzugsweise wird die erfindungsgemäße Projektionsoptik in einem Head-up Display oder in einem Head-mounted Display verwendet.
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Vorzugsweise ist eine Fokussiereinheit zwischen dem reellen Zwischenbild und dem konkaven Reflektor vorgesehen.
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Vorzugsweise wird die anamorphotische Wirkung durch eine Vorsatzoptik realisiert. Ein anamorphotischer Vorsatz ist eine Optikeinheit, welche wahlweise an eine (Ausgangs-)Optik angefügt werden kann und welche das Seitenverhältnis verändert. Die (Ausgangs-)Optik ist auch ohne Vorsatz als abbildendes System geeignet. Vorzugsweise weist die Vorsatzoptik mindestens eine torische Fläche auf. Besonders bevorzugt weist die Vorsatzoptik mindestens eine Zylinderfläche auf. In einer alternativen bevorzugten Variante weist die Vorsatzoptik mindestens ein Prisma auf. Weiterhin ist es bevorzugt, dass die anamorphotische Wirkung durch torische (zylindrische) Flächen oder Prismen innerhalb der Projektionsoptik realisiert wird (d.h. nur torische/zylindrische oder nur Prismen oder Kombination aus beiden).
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Zeichnungen
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnungen und nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine erfindungsgemäße Projektionsoptik für ein Head-up Display in schematischer, geschnittener Darstellung,
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2 eine schematische Darstellung des reellen Zwischenbilds bei Verwendung einer herkömmlichen Projektionsoptik nach dem Stand der Technik, und
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3 eine schematische Darstellung des reellen Zwischenbilds bei Verwendung einer erfindungsgemäßen Projektionsoptik,
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4a einen horizontalen Schnitt einer Projektionsoptik mit anamorphotischer Wirkung,
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4b eine vergrößerte Darstellung der Projektionsoptik der 4a,
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5a einen vertikalen Schnitt der Projektionsoptik von 4a, und
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5b eine vergrößerte Darstellung der Projektionsoptik der 5a.
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1 zeigt ein Head-up Display mit erfindungsgemäßer Projektionsoptik 1. Der Bildgeber 2 (bildgebende Anzeigeeinheit) erzeugt eine flächige, vorzugsweise rechteckförmige Bildinformation, die mittels der Projektionsoptik 1 einem Betrachter 8 als virtuelles Bild in der Fokussierungsebene 9 dargestellt wird. Das Head-up Display ist vorzugsweise ausgebildet, die Bildinformation des Bildgebers 2 in unterschiedlichen Fokussierungsebenen darzustellen. Dies kann beispielsweise durch einen konkaven Reflektor 7 mit variabler Brennweite realisiert werden. Alternativ wird die Bildinformation des Bildgebers 2 in lediglich einer Fokussierungsebene 9 dargestellt. Die Bildinformation des Bildgebers 2 wird über die optisch transparente Fläche 3, die als Anzeigebereich fungiert, eingespiegelt. Da die optisch transparente Fläche 3 beispielsweise als Windschutzscheibe eines Kraftfahrzeugs dient, ist diese nicht verspiegelt.
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Um ein ausreichend helles Bild beim Betrachter 8 zu erzeugen, muss die Bildinformation durch den Bildgeber 2 mit ausreichend hoher Intensität emittiert werden, was zu erhöhten Kosten beim Bildgeber 2 und zu einer ungewollten Erwärmung im Bereich des Bildgebers 2 führen kann.
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Die optische Effizienz eines herkömmlichen HUD-Systems ist dabei beschränkt, da das Format kommerziell preiswert erhältlicher Standard-Bildgeber (beispielsweise 4:3 oder 16:9) vom Format des im HUD erforderlichen Zwischenbildes (beispielsweise 84 × 25 mm) deutlich abweicht. Daher wird herkömmlicherweise nur ein Teil der Fläche des Bildgebers 2 für das virtuelle Bild des HUD verwendet, wie in 2 schematisch dargestellt ist. Da das Seitenverhältnis Breite zu Höhe des Bildgebers 2 deutlich kleiner als der zur Erzeugung des virtuellen Bildes wirksame Teil 11 des reellen Zwischenbilds 10 ist, kann herkömmlicherweise nur ein Ausschnitt 11 des Zwischenbilds 10 zur Erzeugung des virtuellen Bildes beitragen, wodurch der außerhalb des Bereichs 11 liegende Teil des Zwischenbilds 10 abgeschnitten werden muss. Dadurch geht optische Energie verloren, so dass die Ausgangsintensität des Bildgebers 2 entsprechend höher ausgelegt werden muss.
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Diesem Problem kann erfindungsgemäß dadurch begegnet werden, dass für die Abbildung vom Bildgeber 2 zu dem (vorzugsweise auf einem Schirm 5 abgebildeten) Zwischenbild eine anamorphotische Abbildung mittels des Anamorphoten 4 erzeugt wird, so dass das Etendue des gesamten Bildgebers 2 für das eigentliche HUD-System trotz unterschiedlicher Ausgangsformate von Bildgeber 2 (beispielsweise 4:3 oder 16:9) und desjenigen Teils 11 des Zwischenbilds 10 (beispielsweise 84 × 25 mm), der zur Erzeugung des virtuellen Bildes beiträgt, verwendet werden (wie in 3 schematisch dargestellt ist). Dabei wird der Stauchungsfaktor des Anamorphoten 4 vorzugsweise derart gewählt, dass das Format des Zwischenbildes 10 dem Format des zur Erzeugung des virtuellen Bildes wirksamen Teils 11 des reellen Zwischenbilds 10 (beispielsweise 84 × 25 mm) entspricht.
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Dadurch ist es möglich, die optische Effizienz des HUD-Systems zu erhöhen, so dass bei einer vorgegebenen Helligkeit des virtuellen Bildes ein vergleichsweise preiswerter Bildgeber 2 verwendet werden kann.
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Das Zwischenbild 10 wird nachfolgend mittels der Fokussiereinheit 6 und des Konkavspiegels 7 über die optisch transparente Fläche 3 als virtuelles Bild, das in der Fokussierungsebene 9 erscheint, abgebildet. Zur Verringerung von Abbildungsfehlern können weitere optische Flächen und/oder optische Elemente vorgesehen werden. Der Betrachter 8 kann nun die vom Bildgeber 2 erzeugte Bildinformation als hinter der transparenten Fläche 9 befindlich wahrnehmen. In den 4a, 4b, 5a und 5b sind zwei Ansichten eines anamorphotischen Projektionssystems dargestellt. Die Systemdaten dieses Systems sind tabellarisch in Tabelle 1 enthalten. Die anamorphotische Wirkung dieses Projektionssystems wird durch 4 zylindrische Flächen realisiert, die in diesem Projektionssystem integriert sind. Die Integration der zylindrischen Flächen in das eigentliche Projektionssystem ermöglicht eine kompakte Realisierung der anamorphotischen Abbildung. Die Verwendung von anamorphotischen Vorsätzen (auf Basis von Zylinderlinsen oder Prismen) erfordert einen größeren Bauraum. Die anamorphotische Wirkung innerhalb des Projektionssystems kann auch mittels torischen Flächen, Freiformflächen oder Keilen realisiert werden.
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In der Ausführungsvariante der 4a, 4b, 5a und 5b handelt es sich um ein Projektionssystem, bei dem kein Bild ohne Verzerrung generiert wird, d.h. ohne die zylindrischen Elemente entsteht kein reelles Bild.
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In der Tabelle 1 sind die Flächen 1, 4, 5 und 12 als Zylinder ausgebildet, es sind jeweils zwei Radien für diese Flächen angegeben. Der jeweils erste Radius wirkt in der vertikalen Richtung (kleine Bildfeldausdehnung, 4) und der zweite Radius in der horizontalen Richtung (große Bildfeldausdehnung, 5). Die Optik ist für einen 0,3“ Bildgeber (DMD von Texas Instruments) ausgelegt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Abbildungsoptik
- 2
- Bildgebende Anzeigeeinheit
- 3
- Durchsichtige Fläche/Anzeigebereich
- 4
- Anamorphot
- 5
- Schirm
- 6
- Fokussiereinheit
- 7
- Konkaver Reflektor
- 8
- Betrachter
- 9
- Fokussierungsebene des virtuellen Bildes
- 10
- Zwischenbild/Zwischenbildebene
- 11
- zur Erzeugung des virtuellen Bildes wirksamer Teil des reellen Zwischenbilds
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010002956 A1 [0003]
