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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Blickfeldanzeigegerät zum Projizieren einer grafischen Information für einen Fahrer eines Fahrzeugs in eine Augenbereichsfläche des Blickfeldanzeigegeräts, auf ein Verfahren zum Projizieren einer grafischen Information für einen Fahrer eines Fahrzeugs in eine Augenbereichsfläche eines Blickfeldanzeigegeräts sowie auf ein entsprechendes Computerprogrammprodukt.
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In modernen Fahrzeugen besteht die Tendenz, Informationen für einen Fahrer direkt auf die Windschutzscheibe einzuspiegeln, damit der Fahrer seinen Blick nicht mehr vom Verkehrsgeschehen abwenden muss, um die Informationen zu erfassen. Hierzu offenbart beispielsweise die
DE 10 2008 009 095 A1 ein Durchsicht-Display-System.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund wird mit der vorliegenden Erfindung ein Blickfeldanzeigegerät zum Projizieren einer grafischen Information für einen Fahrer eines Fahrzeugs in eine Augenbereichsfläche des Blickfeldanzeigegeräts, weiterhin ein Verfahren zum Projizieren einer grafischen Information für einen Fahrer eines Fahrzeugs in eine Augenbereichsfläche eines Blickfeldanzeigegeräts sowie schließlich ein entsprechendes Computerprogrammprodukt gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
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Ein Volumenhologramm eines Objekts besteht aus einem Interferenzmuster in einer Trägersubstanz. Das Interferenzmuster bildet das Objekt in einer Schichtdicke des Volumenhologramms ab. Eine Interferenzinformation eines beliebigen Hologrammpunkts des Volumenhologramms repräsentiert eine Ansicht des Objekts aus einer Perspektive des Hologrammpunkts bei der Aufnahme oder Erstellung des Volumenhologramms. Je nachdem, aus welchem Blickwinkel das Interferenzmuster betrachtet wird, wird ein winkelabhängiger Teil der Interferenzinformation für einen Betrachter bereitgestellt. Die kombinierten Interferenzinformationen der Hologrammpunkte des Interferenzmusters ergeben aus jedem Blickwinkel eine andere perspektivische Ansicht auf das abgebildete Objekt. Wenn das Volumenhologramm mit zwei Augen betrachtet wird, sieht der Betrachter mit jedem Auge eine andere Perspektive des Objekts. Die beiden Perspektiven können von dem Betrachter als eine räumliche Darstellung des Objekts wahrgenommen werden.
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Wenn das im Interferenzmuster repräsentierte Objekt ein idealer Diffusor ist, dann ergeben die kombinierten Interferenzinformationen der Hologrammpunkte aus jedem Blickwinkel eine perspektivische Ansicht des Diffusors. Wenn das Interferenzmuster homogen mit gleicher Intensität beleuchtet wird, kann das Abbild des Diffusors über eine vollständige Fläche des Volumenhologramms mit gleichbleibender Helligkeit wahrgenommen werden. Das Abbild erscheint aus jedem Blickwinkel gleich hell. Die Darstellung des Volumenhologramms ist damit vignettierungsfrei. Der mögliche Blickwinkel zur Betrachtung des Volumenhologramms kann auf einen Betrachtungsbereich begrenzt werden. Außerhalb des Betrachtungsbereichs erscheint das Volumenhologramm dann trotz der Beleuchtung unbeleuchtet. Außerhalb des Betrachtungsbereichs wird kein Licht abgestrahlt.
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Wenn das Volumenhologramm des idealen Diffusors als diffraktives optisches Element mit einem Bild aus Bildpunkten angestrahlt wird, dann werden die einzelnen Hologrammpunkte mit den Farb- und/oder Helligkeitsinformationen der einzelnen Bildpunkte des Bilds beleuchtet. Bildlich ausgedrückt leuchtet der in einem einzelnen Hologrammpunkt abgebildete Diffusor mit der Farb- und/oder Helligkeitsinformation des jeweils darauf gestrahlten Bildpunkts. Durch die vignettierungsfreie Abstrahlcharakteristik des Interferenzmusters ist der Bildpunkt aus jedem Blickwinkel des Betrachtungsbereichs gleich hell wahrnehmbar. Das Bild wird im gesamten Betrachtungsbereich vignettierungsfrei bereitgestellt. Außerhalb des Betrachtungsbereichs kann das Bild nicht gesehen werden.
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Es wird ein Blickfeldanzeigegerät zum Projizieren einer grafischen Information für einen Betrachter in eine Augenbereichsfläche des Blickfeldanzeigegeräts vorgestellt, wobei das Blickfeldanzeigegerät die folgenden Merkmale aufweist:
einen Projektor zum Bereitstellen der grafischen Information in Richtung einer optischen Achse des Blickfeldanzeigegeräts; und
eine Projektionsflächeneinheit zum Wandeln der grafischen Information in ein reelles Bild, die in der optischen Achse zwischen dem Projektor und einem Bildausgang des Blickfeldanzeigegeräts angeordnet ist, wobei die Projektionsflächeneinheit ein Volumenhologramm mit einer auf die Augenbereichsfläche gerichteten Streucharakteristik für die grafische Information aufweist oder als Volumenhologramm mit einer auf die Augenbereichsfläche gerichteten Streucharakteristik für die grafische Information ausgeführt ist.
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Es wird ferner ein Verfahren zum Projizieren einer grafischen Information für einen Betrachter in eine Augenbereichsfläche eines Blickfeldanzeigegeräts vorgestellt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
Bereitstellen der grafischen Information in Richtung einer optischen Achse des Blickfeldanzeigegeräts; und
Streuen der grafischen Information an einer Projektionsflächeneinheit, um die grafische Information in einem reellen Bild zu projizieren, wobei die Projektionsflächeneinheit in der optischen Achse des Blickfeldanzeigegeräts angeordnet ist und ein Volumenhologramm mit einer auf die Augenbereichsfläche gerichteten Streucharakteristik für die grafische Information aufweist oder als Volumenhologramm mit einer auf die Augenbereichsfläche gerichteten Streucharakteristik für die grafische Information ausgeführt ist.
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Unter einem Blickfeldanzeigegerät kann ein Head-Up Display verstanden werden. Eine grafische Information kann eine Bildinformation und/oder ein Lichtstrahl (oder ein Lichtstrahlenbündel) zur Abbildung eines Bildpunktes (oder mehrerer Bildpunkte) auf der Projektionsflächeneinheit sein. Ein Betrachter kann insbesondere ein Fahrer eines Fahrzeugs sein. Das Blickfeldanzeigegerät ist dazu ausgebildet, ein virtuelles Bild im Bereich einer Augenbereichsfläche bereitzustellen. Die Augenbereichsfläche kann eine Position oder ein Bereich einer Augenpartie des Betrachters sein, an der die Augen in der Regel angeordnet sind. Das virtuelle Bild ist ein Abbild einer grafischen Information, die dem Betrachter in seinem Blickfeld „schwebend“ eingeblendet wird. Das Blickfeldanzeigegerät projiziert die grafische Information unter Verwendung einer transparenten Fläche im Blickfeld des Betrachters. Die transparente Fläche kann eine Frontscheibe eines Fahrzeugs sein. Die transparente Fläche kann auch eine zusätzliche Fläche, beispielsweise ein zwischen der Frontscheibe und dem Betrachter angeordneter Combiner sein. Ein Projektor kann die grafische Information beispielsweise unter Verwendung eines Bildgebers in Form eines Strahlenbündels bereitstellen. Dabei kann sich das Strahlenbündel von dem Projektor in einer Abstrahlrichtung des Projektors aufweiten, um die grafische Information zu skalieren. Eine optische Achse kann beispielsweise als ein zentral angeordneter Mittelstrahl des Strahlenbündels verstanden werden. Die optische Achse kann mit der Abstrahlrichtung des Projektors übereinstimmen. Die optische Achse kann durch und/oder über alle optischen Bauteile des Blickfeldanzeigegeräts bis zu einem Zentralpunkt der Augenbereichsfläche verlaufen. Die optische Achse kann zumindest einen Knick aufweisen, insbesondere wenn ein der optischen Achse folgender Lichtstrahl reflektiert oder gebeugt würde. Eine Projektionsflächeneinheit kann als Diffusor bezeichnet werden. Die Projektionsflächeneinheit kann dazu ausgebildet sein, die grafische Information gezielt in Richtung auf die Augenbereichsfläche zu streuen. Das aus der grafischen Information entstehende reelle Bild auf der Projektionsflächeneinheit kann aus der gesamten Augenbereichsfläche erkannt werden. Ein Bildausgang kann beispielsweise ein Bereich oder ein Ort sein, an dem das Bild aus einem Gehäuse des Blickfeldanzeigegeräts austritt. Ein Volumenhologramm kann ein Hologramm sein, das Informationen (insbesondere optische Informationen) in drei (räumlichen) Dimensionen speichert. Das Volumenhologramm kann sich über eine vorbestimmte Breite, Höhe und Tiefe erstrecken. Das Volumenhologramm kann in einem Material der Projektionsflächeneinheit integriert sein. Eine Streucharakteristik kann einen Verlauf der Intensität der Abstrahlung eines Punkts des Volumenhologramms in Bezug auf einen Winkel relativ zum Mittelstrahl bezeichnen.
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Der Projektor und die Projektionsflächeneinheit können derart angeordnet sein, dass die grafische Information auf einer dem Bildausgang gegenüberliegenden Seite in die Projektionsflächeneinheit eingeblendet wird und das Bild auf einer dem Bildausgang zugewandten Seite aus der Projektionsflächeneinheit ausgeblendet wird. Die Projektionsflächeneinheit kann somit in einer Durchlicht-Anordnung im Blickfeldanzeigegerät verbaut sein. Bei der Durchlicht-Anordnung kann eine besonders große Menge Licht in die Augenbereichsfläche gestreut werden.
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Der Projektor und die Projektionsflächeneinheit können derart angeordnet sein, dass die grafische Information auf einer dem Bildausgang zugewandten Seite in die Projektionsflächeneinheit eingeblendet wird und das Bild auf der dem Bildausgang zugewandten Seite aus der Projektionsflächeneinheit ausgeblendet wird. Die Projektionsflächeneinheit kann somit in einer Auflicht-Anordnung im Blickfeldanzeigegerät verbaut sein. Bei der Auflicht-Anordnung kann das Licht besonders gleichmäßig in die Augenbereichsfläche gestreut werden.
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Der Projektor kann dazu ausgebildet sein, die grafische Information in Form von Bildpunkten des Bilds auf der Projektionsflächeneinheit bereitzustellen. Das Volumenhologramm kann dazu ausgebildet sein, dass ohne Berücksichtigung einer höheren Beugungsordnung von jedem Bildpunkt der Projektionsflächeneinheit eine Abstrahlpyramide aufgespannt wird, die als Grundfläche die Augenbereichsfläche des Blickfeldanzeigegeräts aufweist. Unter einer höheren Beugungsordnung kann eine Beugungserscheinung eines Lichtstrahls mit einer Ordnung von mindestens zwei verstanden werden. Auch kann das Volumenhologramm dazu ausgebildet sein, die Bildpunkte in auf die Augenbereichsfläche zentrierten Abstrahlpyramiden bereitzustellen. Die Abstrahlpyramiden können eine gemeinsame virtuelle Grundfläche im Bereich der Augenbereichsfläche aufweisen. Das Volumenhologramm kann eine Vielzahl von Bildpunkten aufweisen. In jedem Bildpunkt kann ein, für eine Koordinate des Bildpunkts optimierter Diffusor repräsentiert sein, der eine (rechteckige) Abstrahlung direkt auf eine Referenzfläche in der Augenbereichsfläche ermöglicht. Die Grundfläche kann die Referenzfläche sein. Durch die pyramidenförmige Abstrahlung und die gemeinsame Grundfläche ergeben sich ein besonders helles virtuelles Bild und ein besonders stark ausgeprägter Helligkeitsgradient am Rand der Grundfläche.
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Die Projektionsflächeneinheit kann auf einer dem Bildausgang zugewandten Seite eine selektiv reflektierende Oberfläche aufweisen, die für die grafische Information und/oder das reelle Bild durchlässig ist, insbesondere wobei die Oberfläche unter einem Winkel zu der optischen Achse angestellt ist. Eine selektiv reflektierende Oberfläche kann einen ersten Wellenlängenbereich des Lichts, insbesondere des sichtbaren Lichts, reflektieren. Die selektiv reflektierende Oberfläche kann einen zweiten Wellenlängenbereich durchlassen. Die Oberfläche kann insbesondere einen Wellenlängenbereich der vom Projektor bereitgestellten grafischen Information durchlassen. Die Oberfläche kann eine Beschichtung, beispielsweise eine Vergütung und/oder eine Teilverspiegelung aufweisen. Durch das selektive Reflektieren an der, dem Bildausgang zugewandten Seite der Projektionsflächeneinheit kann ein Eindringen von störendem Streulicht in das Blickfeldanzeigegerät verhindert werden. Durch das schräge Anstellen der Projektionsflächeneinheit kann der erste Wellenlängenbereich aus der optischen Achse heraus reflektiert werden und eine Blendung des Betrachters durch Streulicht verhindert werden. Der erste Wellenlängenbereich kann in eine Lichtfalle abgelenkt werden.
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Das Volumenhologramm kann dazu ausgebildet sein, die grafische Information um einen Winkel zu beugen, insbesondere wobei der Winkel abweichend von einem Reflexionswinkel und/oder Brechungswinkel der Projektionsflächeneinheit ist. Das Volumenhologramm kann die grafische Information streuen und beugen. Dadurch kann die dreidimensionale Struktur des Volumenhologramms besonders effizient das einfallende Licht in die Augenbereichsfläche umlenken.
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Der Projektor kann ein Laserprojektor zum zeilenweisen und/oder spaltenweisen Bereitstellen der grafischen Information sein. Der Projektor kann auch auf LEDs basieren, jedoch ist dann von einer weniger scharfkantigen Abstrahlcharakteristik auszugehen. Der Projektor kann dazu ausgebildet sein, das Bild zeilenweise und/oder spaltenweise aufzubauen. Dabei kann einer oder mehrere Laserstrahlen über die Projektionsflächeneinheit bewegt werden, um Bildpunkte der grafischen Information bereitzustellen. Durch einen Laserprojektor kann ein besonders helles Bild erreicht werden.
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In der optischen Achse kann zwischen der Projektionsflächeneinheit und dem Bildausgang eine Abbildungsoptik angeordnet sein, um das Bild zu skalieren und an die Augenbereichsfläche anzupassen. Eine Abbildungsoptik kann Linsen und/oder Spiegel umfassen. Die Abbildungsoptik kann dazu ausgebildet sein, das Bild auf der Projektionsflächeneinheit in einer Projektionsentfernung vor dem Betrachter „schweben“ zu lassen.
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Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, wenn das Programmprodukt auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein Blockschaltbild eines Blickfeldanzeigegeräts zum Projizieren einer grafischen Information in eine Augenbereichsfläche gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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2 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Projizieren einer grafischen Information in eine Augenbereichsfläche eines Blickfeldanzeigegeräts gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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3 eine Prinzipdarstellung eines Blickfeldanzeigegeräts;
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4 eine Prinzipdarstellung eines Blickfeldanzeigegeräts mit einer Lichtfalle;
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5 eine Prinzipdarstellung eines Blickfeldanzeigegeräts mit einem Projektor ohne Lichtfalle;
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6 eine Darstellung eines Blickfeldanzeigegeräts zum Projizieren einer grafischen Information in eine Augenbereichsfläche gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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7 eine Darstellung eines Blickfeldanzeigegeräts zum Projizieren einer grafischen Information in eine Augenbereichsfläche gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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8 eine schematische Darstellung einer Projektion einer grafischen Information in eine Eye-Box; und
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9 eine schematische Darstellung einer Projektion einer grafischen Information in eine Augenbereichsfläche eines Blickfeldanzeigegeräts gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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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 Blockschaltbild eines Blickfeldanzeigegeräts 100 zum Projizieren einer grafischen Information in eine Augenbereichsfläche 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Blickfeldanzeigegerät 100 weist einen Projektor 104 und eine Projektionsflächeneinheit 106 auf. Der Projektor 104 ist dazu ausgebildet, die grafische Information in Richtung einer optischen Achse 108 des Blickfeldanzeigegeräts 100 bereitzustellen. Die optische Achse 108 ist hier zur Vereinfachung der Darstellung geradlinig und verkürzt dargestellt. Die optische Achse 108 kann gefaltet ausgeführt sein. Die optische Achse 108 verläuft von dem Projektor 104 über eine Mitte der Projektionsflächeneinheit 106 zu einem Mittelpunkt der Augenbereichsfläche 102. Die Projektionsflächeneinheit 106 ist in der optischen Achse 108 zwischen dem Projektor 104 und einem Bildausgang 110 des Blickfeldanzeigegeräts 100 angeordnet. Die Projektionsflächeneinheit 106 ist dazu ausgebildet, die grafische Information in ein reelles Bild zu wandeln. Die Projektionsflächeneinheit 106 ist als Volumenhologramm 111 mit einer auf die Augenbereichsfläche 102 gerichteten Streucharakteristik für das reelle Bild ausgeführt. Die grafische Information wird von dem Projektor 104 als von einem Brennpunkt ausgehendes sich aufweitendes Strahlenbündel bereitgestellt, das um die optische Achse 108 zentriert ist. Beispielhaft ist hier ein Strahl 112 der grafischen Information dargestellt, der unter einem Winkel von dem Projektor 104 auf die Projektionsflächeneinheit 106 gerichtet ist. An einem Auftreffpunkt 114 des Strahls 112 auf die Projektionsflächeneinheit 106 wird der Strahl 112 gestreut. Von dem Auftreffpunkt 114 wird durch die Streucharakteristik des Volumenhologramms 111 ein konusförmiger Streubereich 116 aufgespannt, der genau auf die Augenbereichsfläche 102 gerichtet ist. Von jeder Position der Augenbereichsfläche 102 ist der Auftreffpunkt 114 mit gleichbleibender Helligkeit erkennbar. Die Streucharakteristik des Volumenhologramms 111 ist auf die Augenbereichsfläche 102 begrenzt. Von außerhalb der Augenbereichsfläche 102 weisen die Auftreffpunkte der grafischen Information eine Helligkeit unterhalb einer Wahrnehmungsschwelle auf.
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Mit anderen Worten zeigt 1 eine Projektionsanzeige 100 mit einem Volumenhologramm als Streufläche 106.
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2 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 200 zum Projizieren einer grafischen Information in eine Augenbereichsfläche eines Blickfeldanzeigegeräts gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren 200 weist einen Schritt 202 des Bereitstellens und einen Schritt 204 des Streuens auf. Im Schritt 202 des Bereitstellens wird die grafische Information in Richtung einer optischen Achse des Blickfeldanzeigegeräts bereitgestellt. Im Schritt 204 des Streuens wird die grafische Information an einer Projektionsflächeneinheit gestreut, um die grafische Information zu projizieren, wobei die Projektionsflächeneinheit in der optischen Achse des Blickfeldanzeigegeräts angeordnet ist und als Volumenhologramm mit einer auf die Augenbereichsfläche gerichteten Streucharakteristik für die grafische Information ausgeführt ist.
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3 zeigt eine Prinzipdarstellung eines Blickfeldanzeigegeräts 300. Das Blickfeldanzeigegerät 300 weist einen Bildgeber 302, einen Spiegel 304 und eine Reflexionsfläche 306 auf. Der Bildgeber 302 ist als LCD Flachbildschirm mit einer spiegelnden Oberfläche ausgeführt. Der Spiegel 304 lenkt ein Bild auf dem Bildgeber 302 nach oben auf die Reflexionsfläche 306 ab. Die Reflexionsfläche 306 ist teilreflektierend bzw. halbdurchlässig ausgeführt. An der Reflexionsfläche 306 wird das Bild in ein Blickfeld eines Betrachters 310 als virtuelles Bild 308 eingeblendet. Das virtuelle Bild 308 scheint im Blickfeld des Betrachters 310 zu schweben. Hier ist die Reflexionsfläche 306 eine Frontscheibe eines Fahrzeugs und der Betrachter 310 ist ein Fahrer des Fahrzeugs. Der Bildgeber 302 ist senkrecht zu einer optischen Achse 108, die eine Augenpartie des Betrachters 310 mit einer Mitte des Bildgebers 302 verbindet, ausgerichtet. Die optische Achse 108 weist am Spiegel 304 und an der Reflexionsfläche 306 einen Knick auf. Wenn Licht von einer Störquelle 312, beispielsweise einer Straßenlaterne oder der Sonne über dem Fahrzeug näherungsweise parallel zu der optischen Achse 108 zwischen der Reflexionsfläche 306 und dem Spiegel 304 in das Blickfeldanzeigegerät 300 einfällt, wird das Licht auf den Bildgeber 302 umgelenkt. Das umgelenkte Licht wird am Bildgeber 302 reflektiert und näherungsweise parallel zur optischen Achse 108, dem Bild überlagert, in Richtung auf den Betrachter 310 zurückgeworfen. Das Licht kann dabei störend das virtuelle Bild 308 überlagern und schlimmstenfalls den Betrachter 310 blenden.
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Mit anderen Worten ist in 3 ein einfaches HUD 300 (HUD = Head-Up-Display = Blickfeldanzeigegerät) dargestellt, welches ein reelles Bild von einem Bildgeber 302 über einen Hohlspiegel 304 und die Windschutzscheibe 306 als virtuelles Bild 308 für den Fahrer 310 im primären Sichtfeld darstellt. Die Oberfläche des Bildgebers 302 ist dabei in diesem beispielhaften Fall senkrecht zum Mittelstrahl 108 orientiert, wodurch ein Lichtstrahl von einer Fremdlichtquelle 312 von diesem reflektiert wird und mit dem virtuellen Bild 308 in Form eines Rückreflexes überlagert wird. Dadurch verliert das virtuelle Bild 308 an Kontrast und der Fahrer 310 wird im schlimmsten Fall geblendet.
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4 zeigt eine Prinzipdarstellung eines Blickfeldanzeigegeräts 300 mit einer Lichtfalle 400. Das Blickfeldanzeigegerät 300 entspricht der Darstellung in 3. Im Gegensatz zu 3 ist der Bildgeber 302 hier unter einem Winkel zu der optischen Achse 108 angestellt. Damit wird das am Bildgeber 302 reflektierte Licht in Richtung der Lichtfalle 400 nach unten abgelenkt und gelangt nicht zum Betrachter 310.
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Eine Flüssigkristallanzeige 302 kann derart zur optischen Achse 108 verdreht werden, dass einfallendes Licht 312 an ihrer glatten, spiegelnden Oberfläche reflektiert wird und auf einen Absorber 400 trifft und nicht wieder in den Strahlengang zurückreflektiert wird. Optische HUD-Auslegungen, die als Lichtfalle 400 funktionieren, werden als rückreflexfrei bezeichnet.
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In 4 ist der Bildgeber 302 zum Mittelstrahl 108 geneigt, um einen von einer Fremdlichtquelle 312 ausgehenden Lichtstrahl nicht in den Nutzstrahlengang 108 zu reflektieren und von einem Absorber 400 aufzunehmen. Im Allgemeinen reduziert sich durch die Neigung des Bildgebers 302 im Vergleich zu dem HUD 300 in 3 die Bildqualität, weswegen die anderen optischen Komponenten 304, 306 des HUD-Systems 300, in diesem Fall der Hohlspiegel 304, dies kompensieren müssen.
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5 zeigt eine Prinzipdarstellung eines Blickfeldanzeigegeräts 300 mit einem Projektor 104 ohne Lichtfalle. Das Blickfeldanzeigegerät 300 entspricht der Darstellung in 4. Im Gegensatz zu 3 ist der Bildgeber durch den Projektor 104 und einen Projektionsschirm 500 ersetzt. Der Projektionsschirm 500 ist ebenso unter einem Winkel zu der optischen Achse 108 angestellt, um eine direkte Reflexion von eindringendem Licht in Richtung des Betrachters 310 zu verhindern. Der Projektionsschirm 500 ist dazu ausgebildet, eine Bildinformation vom Projektor 104 in eine reale Projektion zu wandeln und diffus zu streuen, um die Projektion aus einem Winkelbereich erkennen zu können. Wenn Licht von einer Störquelle 312 auf den Projektionsschirm 500 geworfen wird, so wird das Licht ebenfalls diffus gestreut. Damit wird ein Kontrast der Projektion verringert und der Betrachter 310 kann die Projektion nur noch schlecht oder gar nicht mehr erkennen.
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Um einen Miniaturbildprojektor 104 im HUD 300 einzusetzen, wird eine Projektionsflächeneinheit 106 benötigt, die das vom Projektor 104 einfallende Licht streut und so ein reelles Bild sichtbar macht. Dieses reelle Bild wird durch die Abbildungsoptik 304 vergrößert und als virtuelles Bild ins primäre Sichtfeld des Fahrers 310 eingespiegelt.
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Miniaturprojektoren 104 stellen für ein HUD 300 eine interessante Alternative zu Flüssigkristallanzeigen dar. Sie bieten eine größere Auslegungsfreiheit in Bezug auf die Größe des beim HUD 300 zugrunde liegenden reellen Bildes. Um eine Änderung des Bildes zu erreichen, genügt es, die Distanz zwischen Projektor 104 und Bildfläche 106 bei festem Projektionswinkel zu verändern. Außerdem versprechen verfügbare Laserlichtquellen höhere Kontraste und einen erweiterten Farbraum. Allerdings erfordert dies eine geeignete Projektionsflächeneinheitstechnologie, welche das vom Miniaturprojektor 104 kommende Licht derart streut, dass möglichst viel Licht homogen verteilt in den Eyebox-Bereich fällt, von dem das virtuelle HUD-Bild aus sichtbar ist. Projektionsflächeneinheiten 106, welche über eine solche gerichtete, elliptische Abstrahlcharakteristik verfügen, bestehen im Allgemeinen aus mikrostrukturierten Oberflächen, die entweder refraktiv (z. B. Mikrolinsenarrays) oder diffraktiv (periodisch oder nicht-periodisch) ausgeführt sind.
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Die Projektionsflächeneinheiten 500 oder Diffusoren 500 bestehen aus einer strukturierten Oberfläche, welche refraktiv, reflektiv oder diffraktiv funktioniert. An diesen strukturierten Oberflächen kann Fremdlicht zum Teil diffus reflektiert werden. Bezogen auf die HUD-Optik bedeutet dies, dass Fremdlicht 312 z. T. in den Nutzstrahlengang zurückreflektiert wird und den Kontrast des HUD-Bildes verschlechtert. Eine solche Optik ist also nicht rückreflexfrei.
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In 5 ist ein projektionsbasiertes HUD-System 300 mit Projektionsflächeneinheit 500 dargestellt. Der Projektor 104 ist dabei nicht detailliert dargestellt und strahlt hier von vorne auf die Projektionsflächeneinheit 106, auf der ein reelles Bild entsteht, welches über Hohlspiegel 304 und Windschutzscheibe 306 ins primäre Sichtfeld des Fahrers 310 als virtuelles Bild 308 eingespiegelt wird. Aufgrund der strukturierten Oberfläche von Projektionsflächeneinheit 500 wird der an der Projektionsflächeneinheit 500 reflektierte Teil eines von Fremdlichtquelle 312 ausgehenden Lichtstrahls nicht ausschließlich spekular, sondern auch diffus reflektiert. Der diffus reflektierte Teil des Fremdlichts kann dadurch in den Nutzstrahlengang 108 gelangen, wodurch er für den Fahrer 310 Bildkontrast reduzierend wirkt und im schlimmsten Fall blendend.
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6 zeigt eine Darstellung eines Blickfeldanzeigegeräts 100 zum Projizieren einer grafischen Information in eine Augenbereichsfläche 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Wie in 1 weist das Blickfeldanzeigegerät 100 einen Projektor 104 und eine Projektionsflächeneinheit 106 auf. Zusätzlich weist das Blickfeldanzeigegerät 100 wie in den 3 bis 5 einen Spiegel 304 und eine Reflexionsfläche 306 auf. Ferner weist das Blickfeldanzeigegerät wie in 4 eine Lichtfalle 400 auf. Der Bildausgang 110 ist hier als Fenster zwischen dem Spiegel 304 und der Reflexionsfläche 306 ausgebildet, um eine Barriere für Verschmutzungen bereitzustellen. Die Projektionsflächeneinheit 106 weist zusätzlich zu dem Volumenhologramm, mit der auf die Augenbereichsfläche 102 gerichteten Streucharakteristik, eine dem Bildausgang 110 zugewandte selektiv reflektierende Oberfläche auf. Die Oberfläche ist dazu ausgebildet, Streulicht von der Störquelle 312 in Richtung der Lichtfalle 400 abzulenken. Die Projektionsflächeneinheit 106 ist dazu schräg zur optischen Achse 108 ausgerichtet. Der Projektor 104 ist auf einer vom Bildausgang 110 abgewandten Seite der Projektionsflächeneinheit 106 angeordnet. Die Projektionsflächeneinheit 106 ist in einer Durchlicht-Konfiguration ausgeführt. Das Volumenhologramm fungiert hier als Mattscheibe mit spezieller Abstrahlcharakteristik. Durch die Abstrahlcharakteristik ist das virtuelle Bild 308 vom Betrachter 310 in der gesamten Augenbereichsfläche 102 gleichmäßig hell zu erkennen.
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7 zeigt eine Darstellung eines Blickfeldanzeigegeräts 100 zum Projizieren einer grafischen Information in eine Augenbereichsfläche 102 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Blickfeldanzeigegerät 100 entspricht dem Blickfeldanzeigegerät in 6. Im Gegensatz zu 6 ist der Projektor 104 auf die, dem Bildausgang 110 zugewandte Seite der Projektionsflächeneinheit 106 gerichtet. Der Projektor 104 ist zwischen dem Spiegel 304 und der Lichtfalle 400 angeordnet. Da der Projektor 104 eine sehr kleine Austrittsöffnung für die grafische Information aufweist und damit wenig Bauraum beansprucht, kann die Lichtfalle 400 nahe an dem Spiegel 304 angeordnet werden und das Blickfeldanzeigegerät 100 sehr kompakt gebaut werden. Die Projektionsflächeneinheit 106 ist hier in einer Auflicht-Konfiguration ausgeführt. Das Volumenhologramm fungiert als idealer Diffusor mit der speziellen Streucharakteristik. Die selektiv reflektierende Oberfläche der Projektionsflächeneinheit 106 reflektiert Wellenlängenbereiche des Streulichts, bevor sie auf das Volumenhologramm treffen. Für Wellenlängenbereiche, in den der Projektor 104 die Information bereitstellt, ist die selektiv reflektierende Oberfläche durchlässig.
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Die in den 6 und 7 dargestellten Head-up Displays 100 (HUDs) sind als Lichtfalle ausgelegt, d. h. derart konstruiert, dass das durch das Deckglas 110 ins optische System eindringendes Fremdlicht nicht wieder herausreflektiert wird, um den Fahrer 310 zu stören oder im schlimmsten Fall zu blenden. Umgesetzt ist dies bei der hier dargestellten optischen Auslegung, indem die optischen Elemente zum Mittelstrahl 108 geneigt werden, um einfallendes Fremdlicht 312 aus dem Nutzstrahlengang herauszureflektieren.
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Die Projektionsflächeneinheit 106 (die auch als Projektionsfläche betrachtet oder bezeichnet werden kann) eignet sich für ein rückreflexfreies HUD-Design, d. h., einfallendes Fremdlicht 312 wird nicht in den Nutzstrahlengang zurückreflektiert und dadurch für den Fahrer 310 unsichtbar. Wie in 4 können TFT-Anzeigen zum Mittelstrahl geneigt angeordnet werden. Dies funktioniert, da die Oberfläche der Flüssigkristallanzeige eine spekular reflektierende Glasschicht ist.
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Bei dem hier vorgestellten Ansatz wird statt einer herkömmlichen Projektionsflächeneinheit mit Oberflächenstruktur ein Volumenhologramm verwendet, das als Streuscheibe 106 ausgelegt ist. Dieses verfügt über eine glatte Oberfläche und kann so wie die Flüssigkristallanzeige in 4 geneigt zum Mittelstrahl 108 verbaut werden, um jegliche Rückreflexe zu eliminieren.
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Ein weiterer Vorteil bei der Verwendung volumenholografischer Streuflächen 106 ist der, dass die Streucharakteristik ideal an die HUD-Optik angepasst werden kann, wodurch ausschließlich die Eyebox 102 ausgeleuchtet wird. Dies hat zur Folge, dass die Bildhelligkeit über die Eyebox 102 sehr homogen erscheint und das virtuelle Bild 308 hell wird, bzw. die Anforderungen an die optische Leistung der Lichtquelle reduziert werden können.
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Bei Verwendung eines Volumenhologramms anstelle einer strukturierten Oberfläche als Projektionsflächeneinheit 106 wird das Fremdlicht wie bei den aktuell verbauten Flüssigkristallbildschirmen spekular reflektiert.
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8 zeigt eine schematische Darstellung einer Projektion einer grafischen Information 800 in eine Augenbereichsfläche 102. Die grafische Information 800 wird von einem Projektor 104 auf eine Projektionsflächeneinheit 500 projiziert und erscheint dort als ein reales Bild 802. In der Projektionsflächeneinheit 500, die hier als Mattscheibe ausgeführt ist, wird die grafische Information 800 ungerichtet gestreut. Dabei weist jeder einzelne Bildpunkt des realen Bilds 802 eine Abstrahlcharakteristik auf, die in einer Abstrahlachse des realen Bilds 802 ein Helligkeitsmaximum aufweist. Mit zunehmender Winkelabweichung von der Abstrahlachse sinkt die abgestrahlte Helligkeit. Deshalb erscheint einem Betrachter im Bereich der Augenbereichsfläche 102 ein jeweils in Abstrahlrichtung von einem Beobachtungspunkt angeordneter zentraler Bildpunkt des realen Bilds 802 am hellsten. Bildpunkte, die weiter von dem zentralen Bildpunkt entfernt auf der Projektionsflächeneinheit angeordnet sind, weisen einen deutlichen Helligkeitsabfall auf. Außerhalb der Augenbereichsfläche 102 können Bereiche des realen Bilds 802 bereits unterhalb einer Wahrnehmungsschwelle liegen und damit nicht mehr erkennbar sein, während andere Bereiche noch erkannt werden können.
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Mit anderen Worten zeigt 8 schematisch (HUD-Abbildungsoptik nicht eingezeichnet) eine transmissive Projektionsfläche 500, die von hinten von einem Projektor 104 bestrahlt wird. Die Oberflächenstruktur der Projektionsfläche 500 führt zu einer Streuung des einfallenden Lichts 800, die über die Fläche 500 gleich ist, sodass ein Großteil in der Eyebox 102 ankommt, aber auch ein signifikanter Teil daran vorbeigeht. Dabei weist die Projektionsfläche 500 beispielsweise elliptische Abstrahlcharakteristiken auf, da die Eyebox 102 in der Regel rechteckig ist und daher verschiedene Abstrahlwinkel in horizontaler respektive vertikaler Richtung erfordern.
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9 zeigt eine schematische Darstellung einer Projektion einer grafischen Information 800 in eine Augenbereichsfläche 102 eines Blickfeldanzeigegeräts 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Wie in 8 wird die grafische Information von einem Projektor 104 als Strahlenbündel auf die Projektionsflächeneinheit 106 projiziert. An der Projektionsflächeneinheit 106 entsteht das reale Bild 802. Die Projektionsflächeneinheit 106 ist als Volumenhologramm ausgeführt. Das Volumenhologramm ist dazu ausgebildet, das Licht von jedem Bildpunkt des realen Bilds 802 in eine Abstrahlpyramide zu streuen, die als Grundfläche die Augenbereichsfläche 102 aufweist. Außerhalb der Abstrahlpyramide wird kein Licht abgegeben oder die abgegebene Helligkeit liegt unterhalb der Wahrnehmungsschwelle. Die Projektionsflächeneinheit 106 ist hier zwischen dem Projektor 104 und der Augenbereichsfläche 102 angeordnet. Die grafische Information 800 fällt auf einer Seite der Projektionsflächeneinheit 106 ein und tritt als das reale Bild 802 auf der anderen Seite der Projektionsflächeneinheit 106 wieder aus. Eine optische Achse, die von einem Austrittspunkt der grafischen Information 800 am Projektor 104 über einen effektiven Zentralpunkt der Projektionsflächeneinheit 106 zu einem Zentralpunkt der Augenbereichsfläche 102 verläuft, weist an der Projektionsflächeneinheit 106 einen Knick auf. Die grafische Information 800 wird zur Erzeugung des realen Bilds 802 zusätzlich zum Streuen um einen Winkel gebeugt. Der Winkel an einem Bildpunkt ist abhängig von einer Koordinate des Bildpunkts auf der Projektionsflächeneinheit 106, da die grafische Information 800 als Strahlenbündel von einem Fokus im Projektor 104 emittiert wird, das einen x- und einen y-Winkelbereich abdeckt. Das Strahlenbündel weist damit annähernd eine Pyramidenform auf, die als Grundfläche die Projektionsflächeneinheit 106 aufweist. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Projektor 104 unterhalb der Projektionsflächeneinheit 106 angeordnet. Die optische Achse verläuft von der Projektionsflächeneinheit 106 zu der Augenbereichsfläche 102 näherungsweise waagerecht. Die optische Achse kann wie in den 6 und 7 dargestellt zwischen der Projektionsflächeneinheit 106 und der Augenbereichsfläche 102 und/oder zwischen dem Projektor 104 und der Projektionsflächeneinheit 106 Knicks aufweisen. Die Darstellung in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel ist vereinfacht.
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Als Projektor 104 kann ein RGB-Laserscanner oder ein LED-Laserprojektor verwendet werden, welcher beispielsweise über einen in Resonanz schwingenden Mikrospiegel verfügt, um zeilenweise ein Bild auf die Projektionsfläche 106 zu schreiben. Alternativ dazu kann der Laserscanner auch zwei separat angesteuerte Spiegel für jeweils eine Raumrichtung aufweisen.
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Die Strahlen des Lasers treffen auf die Projektionsfläche 106, welche aus einem Volumenhologramm besteht. Dieses Volumenhologramm rekonstruiert Punkt für Punkt die Abstrahlcharakteristik eines holografisch aufgenommenen konventionellen Diffusors, wodurch von jedem beleuchteten Punkt der Projektionsfläche 106 eine Abstrahlpyramide aufgespannt wird, die als Grundfläche die Eyebox 102 des HUD 100 hat, wobei höhere Beugungsordnungen hier vernachlässigt werden.
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Weiterhin ist die volumenholografische Streufläche 106 zum Mittelstrahl derart geneigt, dass einfallendes Fremdlicht aus dem Nutzstrahlengang herausreflektiert wird und auf einen Absorber trifft. Dies ist möglich, da das Volumenhologramm über glatte, spekular reflektierende Oberflächen verfügt. Der spektrale Anteil des einfallenden Fremdlichts, der den Nutzwellenlängen der Bildquelle entspricht, wird dabei zum Teil in Richtung des Laserscanners 104 gebeugt, was hier vernachlässigt wird. Weiterhin hat die volumenholografische Streufläche 106 den Vorteil, dass sie in jedem Punkt eine optimal an die HUD-Optik angepasste Abstrahlcharakteristik aufweist, wodurch die Lichtausbeute im Vergleich zu einem HUD mit gleichen Abstrahlcharakteristika über alle Bildpunkte steigt.
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In 9 ist eine als Volumenhologramm realisierte Streufläche 106 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dargestellt, welche in jedem Punkt eine unterschiedliche Streucharakteristik realisiert. Dadurch wird die Eyebox 102 optimal ausgeleuchtet. Verluste durch höhere Beugungsordnungen seien hier vernachlässigt und sind daher nicht eingezeichnet.
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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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- DE 102008009095 A1 [0002]
