DE102013001097A1

DE102013001097A1 - Head-up-Display und Verfahren zum Betrieb eines Head-up-Displays

Info

Publication number: DE102013001097A1
Application number: DE102013001097.7A
Authority: DE
Inventors: Yanning Zhao; Hannes Rene Boehm
Original assignee: Johnson Controls GmbH
Current assignee: Johnson Controls GmbH
Priority date: 2012-08-10
Filing date: 2013-01-23
Publication date: 2014-02-13
Also published as: JP2015531083A; WO2014023830A1; US9541760B2; US20150212321A1

Abstract

Es wird ein Head-up-Display für ein Fahrzeug vorgeschlagen, wobei das Head-up-Display einen Laser und ein Scanning-System aufweist, mit denen ein in einem Sichtfeld eines Fahrers des Fahrzeugs darzustellendes Bild aus einzelnen Punkten punktweise erzeugt wird, wobei das Head-up-Display ein Projektionssystem mit einer Projektionsfläche und einer Vergrößerungsoptik aufweist, wobei das Projektionssystem dazu konfiguriert ist, das darzustellende Bild in eine virtuelle Bildebene zu projizieren und dabei zu vergrößern, wobei das Projektionssystem so gestaltet ist, dass die Größe der Punkte in der virtuellen Bildebene kleiner ist als das Auflösungsvermögen des menschlichen Auges.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Head-up-Display gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Head-up-Displays (HUD) sind aus dem Stand der Technik bekannt und werden zur Darstellung von Informationen in einer virtuellen Ebene, beispielsweise vor der Windschutzscheibe eines Kraftfahrzeuges, eingesetzt. Ein Fahrzeuginsasse bzw. ein Fahrer des Fahrzeugs kann die Informationen ablesen, ohne seinen Blick auf das Armaturenbrett senken zu müssen. Auf diese Weise werden der Komfort und die Sicherheit für den Fahrer erhöht.
Das darzustellende Bild wird dabei in der Regel zunächst auf eine Projektionsfläche als Zwischenebene projiziert und dann vergrößert, bevor es an der Windschutzscheibe oder einem sogenannten Kombinierer (Combiner) reflektiert und dann in der virtuellen Ebene vor der Windschutzscheibe zu sehen ist. Beim HUD wird bevorzugt ein Laser als Strahlungsquelle eingesetzt, die mit dem sogenannten „Laser-Scanning-Verfahren” das darzustellende Bild erzeugt.
Die Verwendung von Lasern hat jedoch den Nachteil, dass es aufgrund von Bildrauschen zu unerwünschten Helligkeitsunterschieden, sogenannten Speckles, bei dem dargestellten Bild kommt.
Offenbarung der Erfindung
Es war deshalb die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Head-up-Display zur Verfügung zu stellen, das die Nachteile des Standes der Technik nicht aufweist und eine bessere Anzeigequalität gewährleistet. Insbesondere soll das Head-up-Display keine für einen Betrachter wahrnehmbaren ungewollten Helligkeitsunterschiede aufweisen.
Gelöst wird die Aufgabe mit einem Head-up-Display, das einen Laser, insbesondere einen RGB-Laser, und ein Scanning-System aufweist, mit denen das darzustellende Bild punktweise erzeugt wird, das mit einem Projektionssystem, das eine Projektionsfläche und eine Vergrößerungsoptik aufweist, in eine virtuelle Bildebene projiziert und dabei vergrößert wird, wobei das Projektionssystem so gestaltet ist, dass die Größe der Punkte in der virtuellen Bildebene kleiner ist als das Auflösungsvermögen des menschlichen Auges.
Es hat sich gezeigt, dass die Ausbildung der unerwünschten Helligkeitsunterschiede unterdrückt wird, wenn die Größen der Punkte kleiner als das Auflösungsvermögen des menschlichen Auges gewählt werden. Die Anzeigequalität des in der virtuellen Ebene dargestellten Bildes wird somit im Vergleich zum Stand der Technik erheblich verbessert. Das Auflösungsvermögen des menschlichen Auges beträgt unter idealen Bedingungen etwa 0,5' bis 1' (entsprechend 1 mm auf 3–6 Meter). Das Projektionssystem des erfindungsgemäßen Head-up-Displays ist daher insbesondere derart gewählt, dass die Größen der Punkte in der virtuellen Ebene kleiner als 0,5' für den betrachtenden Fahrzeuginsassen bzw. Fahrer sind. Denkbar ist, den Begriff Laserpunkt vorzugsweise durch den Begriff Bildpunkt zu ersetzen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.
Vorzugsweise wird der Laser so gewählt, dass die Laserpunkte auf der Projektionsfläche so klein sind, dass sie nach der Vergrößerung des darzustellenden Bildes in der virtuellen Bildebene immer noch kleiner sind als das Auflösungsvermögen des menschlichen Auges.
Alternativ oder zusätzlich wird die Anzahl der Laserpunkte, mit denen das darzustellende Bild auf der Projektionsfläche dargestellt wird, so groß gewählt, dass das menschliche Auge die einzelnen Laserpunkte in der virtuellen Ebene nicht mehr einzeln wahrnehmen kann. In vorteilhafter Weise wird somit eine derart hohe Auflösung erzielt, dass keine Helligkeitsunterschiede vom Betrachter bzw. Fahrzeuginsassen wahrgenommen werden und somit eine im Vergleich zum Stand der Technik gesteigerte Anzeigequalität erzielt wird. Bei durchschnittlichen Verhältnissen sind vom menschlichen Auge zwei Punkte getrennt wahrnehmbar, wenn ihr Winkelabstand 2' beträgt. Das Head-up-Display ist daher insbesondere derart konfiguriert, dass der Winkelabstand zwischen zwei benachbarten Punkten für den Fahrzeuginsassen bzw. Fahrer stets kleiner als 0,5' ist. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass benachbarte Punkte vom Betrachter stets als zusammenhängende Fläche aufgefasst werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass das Scanning-System derart konfiguriert ist, dass eine Scan-Frequenz, mit der das darzustellende Bild erzeugt wird, höher als die Wahrnehmungsfrequenz des menschlichen Auges ist. In vorteilhafter Weise kann somit eine größere Anzahl von Laserpunkten und hierdurch eine höhere Auflösung zur Steigerung der Anzeigequalität verwendet werden.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Betrieb eines Head-up-Displays in einem Fahrzeug, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mittels eines Lasers und eines Scanning-Systems ein aus einer Mehrzahl von Laserpunkten bestehendes Projektionsbild auf eine Projektionsebene punktweise projiziert wird, wobei mittels eines Projektionssystems ein vergrößertes virtuelles Abbild des Projektionsbildes in einem Sichtfeld eines Fahrers des Fahrzeugs erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserpunkte derart in das Sichtfeld des Fahrers projiziert werden, dass die Größe der in die virtuelle Bildebene projizierten Laserpunkte kleiner ist als das Auflösungsvermögen des menschlichen Auges.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass derart kleine Laserpunkte mittels des Lasers auf der Projektionsfläche erzeugt werden, dass die Laserpunkte nach der Vergrößerung des darzustellenden Bildes in der virtuellen Bildebene immer noch kleiner sind als das Auflösungsvermögen des menschlichen Auges.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform oder eines weiteren Gegenstands der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Anzahl der Laserpunkte, mit denen das darzustellende Bild auf der Projektionsfläche dargestellt wird, so groß gewählt wird, dass das menschliche Auge die einzelnen Laserpunkte in der virtuellen Ebene nicht mehr einzeln wahrnehmen kann.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass das virtuelle Abbild mittels einer Relay-Optik in die virtuelle Bildebene projiziert wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass das darzustellende Bild mit einer Scan-Frequenz erzeugt wird, welche höher als die von einem Menschen maximal wahrnehmbare Bildfrequenz, insbesondere höher als 20 Hz, ist.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Zeichnungen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen anhand der Zeichnungen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt das erfindungsgemäße Head-up-Display.
2 zeigt die Erzeugung des Bildes auf der Projektionsebene.
3 zeigt mögliche Scan-Wege eines Laserpunktes zur Erzeugung des darzustellenden Bildes.
4 zeigt diskrete Laserspot-Punkte zur Erzeugung des darzustellenden Bildes.
Ausführungsformen der Erfindung
In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt.
In 1 sind zwei mögliche, erfindungsgemäße Head-up-Displays 1 dargestellt. Im Wesentlichen sind die beiden Head-up-Displays 1 identisch, wobei es sich bei dem linken Head-up-Display 1 um den sogenannten Reflexionstyp und bei dem rechten Head-up-Display 1 um den sogenannten Transmissionstyp handelt. Bezug nehmend auf die linke Darstellung wird mit einem Laser 20 und einer entsprechenden Mechanik 2 ein darzustellendes Bild aus einzelnen Laserpunkten punktweise aufgebaut, auf eine Projektionsebene 3 projiziert und dort reflektiert. Dieses von der Projektionsebene 3 reflektierte Bild wird mittels einer Vergrößerungsoptik 4 eines Projektionssystems 30 vergrößert und an der Windschutzscheibe 6 in eine virtuelle Bildebene 5 reflektiert, in der das Bild, hier ein Herz 50, für das menschliche Auge 7 des Fahrzeugfahrers sichtbar ist. Das Head-up-Display 1 auf der rechten Seite entspricht im Wesentlichen der Darstellung des Head-up-Displays 1 auf der linken Seite, wobei in dem vorliegenden Fall das darzustellende Bild an der Projektionsebene 3 nicht reflektiert wird, sondern durch die Projektionsebene 3 transmittiert wird. Bei beiden Systemen ist das Projektionssystem 30 nun erfindungsgemäß derart konfiguriert, dass die Laserpunkte, mit denen das Bild auf der Projektionsebene 3 hergestellt wird, so klein sind, dass sie auch nach deren Vergrößerung und Darstellung in der virtuellen Ebene 5 durch das Projektionssystem 30 kleiner sind als das maximale Auflösungsvermögen des menschlichen Auges 7, insbesondere sind die Größen der Punkte in der virtuellen Ebene 5 kleiner als 0,5' für den betrachtenden Fahrzeugfahrer. Alternativ oder zusätzlich wird die Anzahl der Laserpunkte, mit denen das darzustellende Bild auf der Projektionsfläche 3 dargestellt wird, so groß gewählt, dass das menschliche Auge 7 die einzelnen Laserpunkte in der virtuellen Ebene 5 nicht mehr einzeln wahrnehmen kann. Die Auflösung des darzustellenden Bildes übersteigt somit die maximal mögliche Auflösung des menschlichen Auges 7.
In 2 ist ein Rot-Grün-Blau-Laser 20 dargestellt. Das von den einzelnen Laserquellen 20' (rot, grün, blau) abgestrahlte Laserlicht 22 unterschiedlicher Wellenlängen wird zunächst jeweils durch einen Kollimator 8 geschickt, der die Strahlen der jeweiligen Laserquelle 20 parallel zueinander ausrichtet. Danach werden die Strahlen unterschiedlicher Wellenlängen über zwei Spiegel 23 miteinander kombiniert und mit einem Scanning-System 21, insbesondere einer Mechanik und/oder einer Optik, so bewegt, dass auf der Projektionsfläche 3 das gewünschte Bild entsteht. Das Bild wird dabei aus einzelnen Strahlenpaketen aufgebaut, welche durch zeilenartiges Abfahren der Projektionsfläche 3 durch den gebündelten Laserstrahl 22 und entsprechendes Ein-/Ausschalten der verschiedenfarbigen Laserquellen 20' erzeugt werden und die einzelnen Laserpunkte auf der Projektionsfläche 3 bilden. Die Ausdehnung der Laserpunkte in der Fläche der Projektionsfläche 3 ist derart bemessen, dass die Ausdehnung der Laserpunkte auch nach der Vergrößerung der Laserpunkte durch das Projektionssystem 30 in die virtuelle Ebene 5 kleiner als das maximale Auflösungsvermögen des menschlichen Auges 7 ist. Über ein Linsensystem wird der Laserstrahl 22 auf die Projektionsfläche 3 projiziert.
In 3 ist beispielhaft ein mögliches Bewegungsmuster des Laserspots zur Erzeugung des gewünschten Bildes 50 dargestellt. Die Scan-Frequenz dieses Laserpunktes ist vorzugsweise höher als das zeitliche Auflösungsvermögen des menschlichen Auges 7, d. h. es werden so viele Bilder pro Sekunde erzeugt, dass die einzelnen Bilder für das menschliche Auge nicht mehr wahrnehmbar sind. Mit anderen Worten: Das Scanning-System 21 des Head-up-Displays 1 ist derart konfiguriert, dass die Scan-Frequenz, mit der das darzustellende Bild 50 erzeugt wird, höher als die Wahrnehmungsfrequenz des menschlichen Auges 7 ist. Die Grenzen des menschlichen Auges 7 sind schematisch als maximales Auflösungsvermögen 24 eingezeichnet.
In 4 sind schematisch unterschiedliche Laserpunkte zur Erzeugung des gewünschten Bildes beim Scan-Vorgang dargestellt. Erfindungsgemäß sind die Laserpunkte 9 so klein und/oder ihre Anzahl so hoch, dass das menschliche Auge 7 die einzelnen Laserpunkte nicht mehr auflösen kann. Die Grenzen des menschlichen Auges 7 sind schematisch als maximales Auflösungsvermögen 24 eingezeichnet. Aufgrund der begrenzten Auflösung des menschlichen Auges 7 wird die Mehrzahl von kleinen Laserpunkten 9 vom Betrachter als gemeinsame Bildfläche erkannt.
Bezugszeichenliste

1: Head-up-Display (HUD)
2: Laser und Scan-Mechanik
3: Projektionsfläche
4: Vergrößerungsoptik, Relay-Optik
5: virtuelle Ebene
6: Windschutzscheibe
7: menschliches Auge
8: Kollimator
9: Laser-Punkte
20: Laser
20': Laserquelle
21: Scanning-System
22: Laserlicht
23: Spiegel
24: Auflösungsvermögen
25: Linsen
30: Projektionssystem
50: dargestelltes Bild in der virtuellen Ebene

Claims

Head-up-Display (1) für ein Fahrzeug, wobei das Head-up-Display (1) einen Laser (20) und ein Scanning-System (21) aufweist, mit denen ein in einem Sichtfeld eines Fahrzeuginsassen darzustellendes Bild aus einzelnen Laserpunkten punktweise erzeugt wird, wobei das Head-up-Display (1) ein Projektionssystem (30) mit einer Projektionsfläche (3) und einer Vergrößerungsoptik (4) aufweist, wobei das Projektionssystem (30) dazu konfiguriert ist, das darzustellende Bild in eine virtuelle Bildebene (5) zu projizieren und dabei zu vergrößern, dadurch gekennzeichnet, dass das Projektionssystem (30) so gestaltet ist, dass die Größe der Laserpunkte in der virtuellen Bildebene (5) kleiner als das Auflösungsvermögen des menschlichen Auges ist.
Head-up-Display (1) nach Anspruch 1, wobei der Laser (20) so gewählt ist, dass die Laserpunkte auf der Projektionsfläche (3) so klein sind, dass sie nach der Vergrößerung des darzustellenden Bildes in der virtuellen Bildebene (5) immer noch kleiner als das Auflösungsvermögen des menschlichen Auges sind.
Head-up-Display (1) nach Anspruch 1 oder nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wobei das Head-up-Display (1) derart konfiguriert ist, dass die Anzahl der Laserpunkte, mit denen das darzustellende Bild auf der Projektionsfläche (3) dargestellt wird, so groß gewählt ist, dass das menschliche Auge die einzelnen Laserpunkte in der virtuellen Bildebene (5) nicht mehr einzeln wahrnehmen kann.
Head-up-Display (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Projektionssystem (30) eine Relay-Optik (4) aufweist.
Head-up-Display (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Scanning-System (21) derart konfiguriert ist, dass eine Scan-Frequenz, mit der das darzustellende Bild erzeugt wird, höher als die Wahrnehmungsfrequenz des menschlichen Auges ist.
Verfahren zum Betrieb eines Head-up-Displays (1) in einem Fahrzeug, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mittels eines Lasers (20) und eines Scanning-Systems (21) ein aus einer Mehrzahl von Laserpunkten bestehendes Projektionsbild auf eine Projektionsfläche (3) punktweise projiziert wird, wobei mittels eines Projektionssystems (30) ein vergrößertes virtuelles Abbild des Projektionsbildes in einem Sichtfeld eines Fahrzeuginsassen erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserpunkte derart in das Sichtfeld des Fahrers projiziert werden, dass die Größe der in die virtuelle Bildebene projizierten Laserpunkte kleiner als das Auflösungsvermögen des menschlichen Auges ist.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei derart kleine Laserpunkte mittels des Lasers (20) auf der Projektionsfläche (3) erzeugt werden, dass die Laserpunkte nach der Vergrößerung des darzustellenden Bildes in der virtuellen Bildebene (5) immer noch kleiner als das Auflösungsvermögen des menschlichen Auges sind.
Verfahren nach Anspruch 6 oder nach dem Oberbegriff des Anspruchs 6, wobei die Anzahl der Laserpunkte, mit denen das darzustellende Bild auf der Projektionsfläche (3) dargestellt wird, so groß gewählt wird, dass das menschliche Auge die einzelnen Laserpunkte in der virtuellen Bildebene (5) nicht mehr einzeln wahrnehmen kann.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei das virtuelle Abbild mittels einer Relay-Optik (4) in die virtuelle Bildebene projiziert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei das darzustellende Bild mit einer Scan-Frequenz erzeugt wird, welche höher als die Wahrnehmungsfrequenz des menschlichen Auges, insbesondere höher als 20 Hz, ist.