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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Projektion eines Bildes in einen Anzeigebereich, mit einem das Bild erzeugenden Bildgeber, einer ersten Projektionseinrichtung zur Erzeugung eines reellen Zwischenbildes des Bildes, einem Schirm, auf den die erste Projektionseinrichtung das Zwischenbild projiziert, und einer zweiten Projektionseinrichtung, die das Zwischenbild in den Anzeigebereich projiziert.
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Stand der Technik
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Vorrichtungen zur Projektion eines Bildes der eingangs genannten Art sind allgemein bekannt. Beispielsweise ist eine solche Vorrichtung Bestandteil einer sogenannten Blickfeldanzeige (Head-up-Display), die einem Insassen eines Kraftfahrzeuges Informationen im Blickfeld des Insassen anzeigt. Die Informationen werden im Anzeigebereich der Vorrichtung beispielsweise als ein virtuelles Bild in das Blickfeld des Betrachters projiziert.
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Oftmals ist der Anzeigebereich durch ein teiltransparentes oder Licht teilweise reflektierendes Element, beispielsweise eine Scheibe und insbesondere eine Windschutzscheibe des Kraftfahrzeuges, ausgebildet. Da der für die Vorrichtung zur Verfügung stehende Bauraum gerade in Kraftfahrzeugen, aber auch bei anderen Anwendungen, begrenzt ist, können die Komponenten der Vorrichtung nicht beliebig groß sein. Insbesondere der verwendete Bildgeber, beispielsweise ein DMD (Digital Micromirror Device mit matrixförmig angeordneten Mikrospiegelaktoren, welche Mikrospiegel zur Bilddarstellung bewegen) oder ein LCoS (Liquid Cristal an Silicon, Flüssigkristalle auf einem Siliziumsubstrat) sind so klein ausgebildet, dass die Étendue des Bildgebers nicht ausreicht, die Étendue einer das Bild direkt vom Bildgeber in den Anzeigebereich projizierenden Projektionseinrichtung auszufüllen. Étendue bezeichnet den möglichen Lichtleitwert und gibt die maximal übertragene Strahlung an, wobei die Étendue unter anderem vom Raumwinkel, unter dem Licht vom Bildgeber abgestrahlt wird, abhängt.
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Um die Étendue der zweiten Projektionseinrichtung besser ausfüllen zu können, erzeugt die erste Projektionsvorrichtung das reelle Zwischenbild auf dem Schirm. Der Schirm ist beispielsweise eine Mattscheibe, welche das reelle Bild mit einem größeren Raumwinkel abstrahlt, als es der Bildgeber bestrahlt. Die Vergrößerung des Raumwinkels der Abstrahlung kann auch durch einen Schirm mit oder in Form von Mikrolinsenarrays, diffraktiven Strukturen oder anderen Mitteln erfolgen.
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Aufgrund der verwendeten Schirme geht jedoch vom Schirm abgestrahltes Licht des reellen Bildes teilweise an einer Eingangspupille der zweiten Projektionseinrichtung vorbei, so dass das Licht nicht zur Anzeige des Bildes in den Anzeigebereich gelangt. Da das vom Bildgeber abgestrahlte Licht nur teilweise in den Anzeigebereich gelangt, ist das Bild im Anzeigebereich entweder dunkel oder eine stärkere Lichtquelle ist einzusetzen. Ein anderer negativer Effekt besteht in der ungleichmäßigen Ausleuchtung einer Eingangspupille der zweiten Projektionseinrichtung, welche sich in Helligkeitsschwankungen für den Betrachter, zum Beispiel bei Bewegung des Auges in der Eyebox, auswirkt.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Aufgabe der Erfindung besteht also darin, eine Vorrichtung zur Projektion eines Bildes in einen Anzeigebereich bereitzustellen, wobei das Bild effizienter und insbesondere heller darstellbar ist.
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Diese Aufgabe wird für die eingangs genannte Vorrichtung dadurch gelöst, dass Hauptabstrahlrichtungen des Schirms, in denen im wesentlichen alle Abschnitte des Zwischenbildes mit der maximalen Intensität abgestrahlt werden, in die Eingangspupille der zweiten Projektionseinrichtung weisen.
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Der am Schirm ankommende Strahlengang weitet sich zumindest zwischen der ersten Projektionseinrichtung und dem Schirm oftmals in seinem Verlauf, so dass einzelne Strahlen des Strahlengangs unterschiedlich ausgerichtet auf den Schirm treffen. Die Hauptabstrahleinrichtungen des Schirms hängen vom Einfallswinkel der Strahlung zum Schirm ab, wobei der Einfallswinkel der auf den Schirm gerichteten Lichtstrahlen in der Regel den Ausfallswinkeln zwischen den Hauptabstrahleinrichtungen und dem Schirm entspricht. Beispielsweise weist die Hauptabstrahlrichtung eines zentralen Bereichs des Schirms in die Eingangspupille der zweiten Projektionseinrichtung. Hauptabstrahlrichtungen von Randbereichen des Schirms können jedoch an der Eingangspupille vorbei weisen, so dass nicht das mit der maximalen Intensität vom Randbereich abgegebene Licht durch die Eingangspupille tritt, sondern nur Licht, das mit einer geringeren Intensität vom Randbereich abgegeben wird. Weicht die Abstrahlrichtung von der Hauptabstrahlrichtung ab, so wird das Licht vom Schirm nämlich mit einer geringeren als der maximal möglichen Intensität zur Erzeugung des Bildes im Anzeigebereich abgestrahlt.
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Dadurch, dass die Hauptabstrahlrichtungen des Schirms in die Eingangspupille der zweiten Projektionseinrichtung weisen, ist gewährleistet, dass das Zwischenbild mit der maximalen Intensität in die Eingangspupille abgestrahlt wird. Das Bild wird also als Zwischenbild mit maximaler Effizienz vom Schirm in die zweite Projektionseinrichtung abgegeben, was die Gesamtprojektionseffizienz der Vorrichtung erhöht. Der erfindungsgemäße Schirm gibt also ein durch die Hauptabstrahlrichtungen definiertes Lichtbündel ab, das in Vergleich zum beim Schirm ankommenden Lichtbündel aufgeweitet ist und über das gesamte Feld des Schirmes die Eingangspupille der zweiten Projektionseinrichtung möglichst mittig trifft.
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Die erfindungsgemäße Lösung kann durch verschiedene, jeweils für sich vorteilhafte, beliebig miteinander kombinierbare Ausgestaltungen weiter verbessert werden. Auf diese Ausgestaltungsformen und die mit ihnen verbundenen Vorteile wird im Folgenden eingegangen.
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So kann der Schirm gekrümmt ausgebildet sein, damit der Einfalls- und somit auch der Ausfallswinkel des einfallenden und des vom Schirm abgegebenen Lichts so bemessen sind, dass die Hauptabstrahlrichtungen des Schirms in insbesondere über den gesamten Schirm in die Eingangspupille der zweiten Projektionseinrichtung weisen.
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Alternativ kann der Schirm in Segmente unterteilt sein, die zu einer Ebene unterschiedlich ausgerichtet sind, so dass die Hauptabstrahlrichtungen eines jeden der Segmente in die Eingangspupille weisen. Ferner kann der Schirm eine Linse und beispielsweise eine Anordnung von Linsen und beispielsweise von sehr kleinen, sogenannten Mikrolinsen aufweisen, die das auf den Schirm treffende Licht im Wesentlichen vollständig in die Eingangspupille der zweiten Projektionseinrichtung lenkt. Ein solcher Schirm kann zum Beispiel als eine Feldlinse oder als eine Fresnellinse ausgebildet sein.
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Gemäß einer besonders einfachen Ausgestaltungsform kann der Schirm sphärisch, sich also zumindest abschnittsweise oder vollständig entlang einer Kugeloberfläche erstreckend, ausgebildet sein. Insbesondere kann der Schirm auf die erste Projektionseinrichtung zu gekrümmt sein, so dass sich der vom Schirm abgehende Strahlengang stärker weitet als der am Schirm ankommende Strahlengang.
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Ist der Schirm transmissiv und beispielsweise als Fresnellinse ausgebildet, so kann es jedoch schwierig sein, Licht von nicht zur Vorrichtung gehörenden Lichtquellen und insbesondere Sonnenlicht daran zu hindern, auf den Schirm zu scheinen, wobei Reflexe dieses Lichtes die Abbildung des Bildes stören. Um durch einen linsenförmigen Schirm hervorgerufene Reflexe zu vermeiden, ist der Schirm vorzugsweise als ein reflektiver Schirm ausgebildet und beispielsweise eine Mattscheibe.
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Ferner können Reflexe auf dem Schirm vermieden werden, in dem der Schirm zu einer optischen Achse der Vorrichtung verkippt angeordnet ist. Insbesondere kann die optische Achse des Schirms verkippt zu einer optischen Achse der ersten und/oder der zweiten Projektionseinrichtung verlaufen.
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Damit das Zwischenbild scharf projiziert werden kann, ist das Zwischenbild vorzugsweise entsprechend der Geometrie des Schirms geformt und beispielsweise gekrümmt und/oder verkippt.
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Darüber hinaus lässt sich mit dem reflektiven Schirm der Strahlengang der Vorrichtung falten, so dass die Vorrichtung kompakter und eine kleine Schnittweite, von beispielsweise kleiner als 300 mm, kleiner als 200 mm, beispielsweise kleiner als 120 mm oder sogar kleiner als 80 mm aufweisen kann.
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Um die Vorrichtung besonders kompakt ausgestalten zu können und um beispielsweise einen Projektionsstrahlengang der Vorrichtung weiter falten zu können, kann der Schirm als ein Ellipsoidenausschnitt mit zwei Brennpunkten ausgeformt sein, wobei einer der Brennpunkte in einer Ausgangspupille der ersten Projektionseinrichtung und ein anderer der Brennpunkte in der Pupille der zweiten Projektionseinrichtung angeordnet sein kann.
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Um zu vermeiden, dass die Krümmung des Schirms zu einer unscharfen Abbildung des durch den Bildgeber erzeugten Bildes führt, kann die erste Projektionseinrichtung ausgebildet sein, das Zwischenbild gekrümmt zu erzeugen und die zweite Projektionseinrichtung ein entsprechend gekrümmtes Objekt abzubilden.
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Vorzugsweise ist der Anzeigebereich ein Anzeigebereich einer Blickfeldanzeige und beispielsweise entlang einer Windschutzscheibe eines Kraftfahrzeuges oder eines anderen Combiners, zum Beispiel einer im Blickfeld angeordneten teilreflektiven Scheibe, angeordnet. Im Anzeigebereich kann das Bild als ein reelles oder als ein virtuelles Bild ausgebildet sein. Virtuelle Zwischenbilder sind im Kraftfahrzeug bevorzugt, da sie in eine Entfernung vom Betrachter gebracht werden können, die praktisch keine Akkommodationszeiten für die Blickfeldumschaltung des Betrachters von Außenszenen zum Darstellungsinhalt der Projektion erfordern.
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Im Folgenden ist die Erfindung beispielhaft anhand von Ausführungsformen mit Bezug auf die Zeichnungen erläutert. Die unterschiedlichen Merkmale der Ausführungsformen können dabei unabhängig voneinander kombiniert werden, wie es bei den einzelnen vorteilhaften Ausgestaltungen bereits dargelegt wurde.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung;
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2 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung, wobei ein Projektionsstrahlengang weitergefaltet ist;
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3 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Schirms;
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4 und 5 eine schematische Teildarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer Seiten- und in einer Aufsicht, bei dem der Bildgeber auf ein gekrümmtes Zwischenbild projiziert ist; und
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6 eine schematische Ansicht des in den 4 und 5 gezeigten Ausführungsbeispiels, hier jedoch die zweite Projektionseinrichtung der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Zunächst sind Aufbau und Funktion einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Bezug auf das Ausführungsbeispiel der 1 beschrieben.
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Die Vorrichtung 1 zur Projektion eines Bildes in einen Anzeigebereich 2 ist mit einem durch Pfeile dargestellten Projektionsstrahlengang 3 dargestellt. Entlang des Projektionsstrahlengangs 3 wird das Bild von einem Bilderzeuger in den Anzeigebereich 2 projiziert. Der Projektionsstrahlengang 3 erstreckt sich von einem Projektor 4 zu einem Schirm 5, vom Schirm 5 zu einem ersten Spiegel 6 und von dort zu einem zweiten Spiegel 7 und vom zweiten Spiegel 7 bis zum Anzeigebereich 2. Das in den Anzeigebereich 2 projizierte Bild ist von einem Betrachter 8 erkennbar, wobei das Bild im Anzeigebereich 2 ein reelles oder ein virtuelles Bild sein kann.
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Der Projektor 4 kann den das Bild erzeugenden Bildgeber und eine das Bild vom Bildgeber auf den Schirm 5 projizierende erste Projektionseinrichtung aufweisen. Um die Étendue des Projektors 4 zu vergrößern, ist der Schirm 5 vorgesehen, der beispielsweise ein reflektiver oder ein transmissiver Schirm sein kann und der das vom Projektor 4 empfangene Bild in einen größeren Raumwinkel abstrahlt, als es der Projektor 4 tut. Der Projektor 4 projiziert das Bild als ein reelles Zwischenbild R auf den Schirm 5, so dass das Bild als reelles Zwischenbild R von den beiden eine zweite Projektionseinrichtung 9 ausbildenden Spiegeln 6, 7 in den Anzeigebereich 2 projiziert werden kann. Die Spiegel 6, 7 können plane Spiegel sein oder eine Brechkraft aufweisen, um das reelle Zwischenbild R vergrößert oder verkleinert in den Anzeigebereich 2 zu reflektieren. Die Vergrößerung des Bildes im Anzeigebereich ist bevorzugt. Zusätzlich oder alternativ kann die zweite Projektionseinrichtung 9 auch Linsen, Prismen oder andere optische Elemente zur Projektion des Zwischenbildes R in den Anzeigebereich 2 aufweisen.
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Um das reelle Bild R mit einer möglichst hohen Intensität in den Anzeigebereich 2 projizieren zu können, ist der Schirm 5 ausgebildet, im Wesentlichen alle Abschnitte des Zwischenbildes R mit der maximalen Intensität in Richtung auf die zweite Projektionseinrichtung 9 und insbesondere in Richtung einer Eingangspupille der zweiten Projektionseinrichtung 9 abzustrahlen. Im Ausführungsbeispiel der 1 ist der Schirm 5 hierzu gekrümmt ausgebildet, so dass sowohl zentrale als auch Randbereiche des Zwischenbildes R mit der maximalen Intensität in Richtung auf die zweite Projektionseinrichtung 9 abgestrahlt werden.
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2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei für Elemente, die in Funktion und/oder Aufbau den Elementen des Ausführungsbeispiels der 1 entsprechen, dieselben Bezugszeichen verwendet sind. Der Kürze halber ist lediglich auf die Unterschiede zum Ausführungsbeispiel der 1 eingegangen.
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Die in der 2 dargestellte Vorrichtung 1 weist im Vergleich zur gemäß dem Ausführungsbeispiel der 1 gezeigten Vorrichtung 1 zusätzlich ein Umlenkelement 10 auf, das den Projektionsstrahlengang 3 zwischen dem Projektor 4 und dem Schirm 5 faltet, um die Vorrichtung 1 kompakter ausbilden zu können. Das Umlenkelement 10 ist beispielsweise ein Spiegel oder ein Prisma.
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3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Schirms 5 schematisch in einer Seitenansicht. Für Elemente, die in Funktion und/oder Aufbau den Elementen der Ausführungsbeispiele der 1 oder 2 entsprechen, sind dieselben Bezugszeichen verwendet. Der Kürze halber ist lediglich auf die Unterschiede zu den Ausführungsbeispielen der 1 und 2 eingegangen.
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In der 3 ist der Schirm 5 plan dargestellt. Ist der Schirm 5 in der Vorrichtung 1 verbaut und wird das Bild des Bildgebers beispielsweise durch den Projektor 4 als das reelle Zwischenbild R auf dem Schirm 5 angezeigt, so weisen Hauptabstrahlrichtungen H, H', H'' des Schirms 5 in eine schematisch dargestellte Eingangspupille 20 der zweiten Projektionseinrichtung 9. Die Hauptabstrahlrichtungen H, H', H'' sind dabei Richtungen, in denen der Schirm 5 das reelle Zwischenbild R mit maximaler Intensität Imax abstrahlt. In von den Hauptabstrahlrichtungen H, H', H'' abweichenden Richtungen h kann das Zwischenbild R mit geringerer Intensität abgestrahlt werden. Die maximale Intensität Imax des vom Schirm 5 abgestrahlten Zwischenbildes R ist durch die Länge der die Hauptabstrahlrichtungen H, H', H'' im Vergleich zu den von den Hauptabstrahlrichtungen H, H', H'' abweichenden Richtungen h darstellenden Pfeile angegeben.
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Insbesondere in Randbereichen E, E' des Schirms 5 bzw. des Zwischenbildes R können die Hauptabstrahlrichtungen H', H'' anders ausgerichtet sein, als in einem zentralen Bereich Z des Schirms 5 bzw. des Zwischenbildes R. Der Schirm 5 ist dabei vorzugsweise so ausgebildet, dass alle Hauptabstrahlrichtungen H, H', H'' in die Eingangspupille 20 weisen. Die Ausrichtung der Hauptabstrahlrichtungen H, H', H'' hängt dabei von einer Breite B des Schirms 5 bzw. des Zwischenbildes R und einem Durchmesser D der Eingangspupille 20 ab. So können insbesondere die Hauptabstrahlrichtungen H', H'' der Randbereiche E, E' wie im Ausführungsbeispiel der 3 gezeigt, zumindest komponentenweise aufeinander zu weisen. Alternativ können zumindest die Hauptabstrahlrichtungen H', H'' parallel zueinander oder voneinander weg weisend orientiert sein.
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Im Ausführungsbeispiel der 3 ist der Durchmesser D der Eingangspupille 20 kleiner als die Breite B des Schirms 5 bzw. des Zwischenbildes R. Folglich weisen die Hauptabstrahlrichtungen H', H'' zumindest komponentenweise aufeinander zu. Würden die Hauptabstrahlrichtungen H, H', H'' alle parallel zueinander und insbesondere senkrecht zum Schirm 5 ausgerichtet sein, so würden zumindest die Hauptabstrahlrichtungen H', H'' an der Eingangspupille 20 vorbei weisen, so dass das Zwischenbild R wenigstens in den Randbereichen E, E' nicht mit der maximalen Intensität Imax in die Eingangspupille 20 abgegeben und folglich auch nicht mit der maximal möglichen Intensität Imax in den Anzeigebereich 2 projiziert würde.
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Die 4 bis 6 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei die 4 und 5 einen ersten Teil der Vorrichtung 1 in einer Seitenansicht bzw. einer Aufsicht und die 6 einen zweiten Teil der Vorrichtung 1 in einer Seitenansicht darstellen. Für Elemente, die in Funktion und/oder Aufbau den Elementen der Ausführungsbeispiele der bisherigen Figuren entsprechen, sind dieselben Bezugszeichen verwendet. Der Kürze halber ist lediglich auf die Unterschiede zu den bisherigen Ausführungsformen eingegangen.
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4 zeigt einen ersten Projektionsabschnitt 30 der Vorrichtung 1, wobei sich der erste Projektionsabschnitt 30 vom Projektor 4 bis zum Schirm 5 erstreckt. Der erste Projektionsabschnitt 30 ist in einer Seitenansicht dargestellt.
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Der Projektor 4 des in der 4 gezeigten Ausführungsbeispiels ist mit einem Bildgeber 31 und einer entlang des Projektionsstrahlengangs 3 zwischen dem Bildgeber 31 und dem Schirm 5 angeordneten ersten Projektionseinrichtung 32 abgebildet. Die erste Projektionseinrichtung 32 ist beispielsweise mit mehreren Linsen ausgebildet, die das vom Bildgeber 31 erzeugte Bild als das reelle Zwischenbild R auf dem Schirm 5 abbildet.
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Eine optische Achse O des Schirms 5 ist wie in der Seitenansicht der 4 ersichtlich, verkippt zu einer optischen Achse O' des Projektors 4. Ein Winkel W zwischen der optischen Achse O und der optischen Achse O' ist größer Null und beträgt bevorzugt 15°, aber auch Winkel bis zu 30° oder 5° Verkippung sind möglich.
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Der Schirm 5 ist geschnitten dargestellt und weist eine Krümmung, insbesondere eine sphärische Krümmung auf. Ein Mittelpunkt der Krümmung des Schirms 5 liegt auf der Seite des Schirms 5, auf der auch der Projektor 4 entlang des Projektionsstrahlengangs 3 angeordnet ist. Der Radius r der Krümmung liegt beispielsweise zwischen 100 und 1.000 mm und beträgt beispielsweise 250, 500 oder 750 mm.
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In der 5 ist der erste Projektionsabschnitt 30 der Vorrichtung 1 in einer Aufsicht dargestellt, wobei in der Aufsicht die optischen Achsen O, O' beispielsweise übereinander liegen.
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In der 6 ist ein zweiter Projektionsabschnitt 40 der Vorrichtung 1 gezeigt, der sich entlang des Projektionsstrahlengangs 3 vom Schirm 5 bis zum Anzeigebereich 2 erstreckt. Entlang des Projektionsstrahlenganges 3 ist hinter dem Schirm 5 und vor dem Anzeigebereich 2 die zweite Projektionseinrichtung 9 angeordnet, die das Zwischenbild R des Schirms 5 in den Anzeigebereich 2 als das virtuelle Bild V projiziert. Der Anzeigebereich 2 ist im Ausführungsbeispiel der 6 ein teilreflektiver Spiegel, zum Beispiel eine Scheibe und insbesondere die Windschutzscheibe des Kraftfahrzeuges, mit einer Reflektivität von weniger als 20%, zum Beispiel 10 oder 5%. Ist der Kopf des Betrachters 8 in einer sogenannten Eyebox angeordnet, so kann er das virtuelle Bild V sehen.
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Typische Parameter für den Bildgeber sind eine Breite von 7 mm und ein genutzter Lichtkegel von +–12° (numerische Apertur ca. 0.21). Jedoch sind auch andere Bildgebergrößen von Interesse, insbesondere bei Anwendungen mit einem Blickwinkel von größer 10°, für den Betrachter sind größere Bildgeber bis zu einer Breite von 12 mm und einer entsprechend großen Pixelzahl von Interesse. Das Zwischenbild ist typischerweise 70 mm breit, jedoch sind auch Breiten im Bereich von 40 mm bis 120 mm gebräuchlich. Typische Werte für die Breite der Eyebox sind im Bereich von 120 mm bis 200 mm. Für den Betrachter werden Bildfelder im Bereich von 8 bis 16° (+–4 bis +–8°) angeboten bei einer Entfernung des virtuellen Bildes von größer gleich 2 m.
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Mögliche optische Daten der in den
4 bis
6 gezeigten Ausführungsform der Vorrichtung
1 sind in den folgenden Tabellen 1 bis 4 aufgeführt:
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorrichtung
- 2
- Anzeigebereich
- 3
- Projektionsstrahlengang
- 4
- Projektor (mit Bildgeber und erster Projektionseinrichtung)
- 5
- Schirm
- 6, 7
- erster, zweiter Spiegel
- 8
- Betrachter
- 9
- zweite Projektionseinrichtung
- 10
- Umlenkelement
- 20
- Eingangspupille der zweiten Projektionseinrichtung
- 30
- erster Projektionsabschnitt
- 31
- Bildgeber
- 32
- erste Projektionseinrichtung
- 40
- zweiter Projektionsabschnitt
- B
- Breite des Schirms, R
- D
- Durchmesser der Eingangspupille der zweiten Projektionseinrichtung
- E, E'
- Randbereich des Schirms, R
- h
- von H, H', H'' abweichende Richtung
- H, H', H''
- Hauptabstrahlrichtungen
- Imax
- maximale Intensität
- O, O'
- optische Achsen
- r
- Radius des Schirms
- R
- reelles Zwischenbild
- V
- virtuelles Bild
- W
- Winkel zwischen O und O'
- Z
- zentraler Bereich des Schirms, R
