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Die Erfindung betrifft ein Head-Up-Display und ein Verfahren zum Darstellen von Bildern.
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Head-Up-Displays sind bereits seit mehreren Jahren bekannt und werden sowohl in Fahr- oder Flugzeugen als auch in Daten- oder Videobrillen verwendet. Ein Head-Up-Display (im Folgenden auch mit ‚HUD‘ abgekürzt) umfasst dabei stets einen Bilderzeuger, dessen durch Licht übertragene Bildinformationen mittels einer Optik umgelenkt und einer Person zur Verfügung gestellt wird. Diese Person sieht dann das Bild in der Regel als eine im Raum schwebende Projektion.
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Nachteile der HUDs des Standes der Technik sind unter Anderem die eingeschränkte Sichtbarkeit des Bildes nur innerhalb eines kleinen räumlichen Bereichs, nämlich der Betrachtungsebene, der sogenannten Eyebox, eine verhältnismäßig hohe Leistungsaufnahme des HUD und der nur unzureichenden Realisierbarkeit einer verzerrungsfreien Darstellung gleichzeitig für beide Augen, sofern die Windschutzscheibe als optisches Element in die Bildgebung mit einbezogen wird.
Zudem werden bei vielen HUD viele Funktionen und Einstellungen mechanisch durchgeführt, was die Fehleranfälligkeit erhöht.
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DE 10 2009 043 351 A1 offenbart ein Verfahren und eine Projektionseinheit zum Erzeugen eines Bilds durch eine Projektionseinheit für ein Head-Up-Display mit den folgenden Schritten: Erzeugen von zwei überlappfreien Projektionslichtbündeln mit aufgeprägten, unterschiedlichen Bildinformationen.
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US 5,734,357 A beschreibt eine Anzeigevorrichtung mit einem Display zum Anzeigen von Fahrzeug-Informationen, eine Kamera zum Aufnehmen eines Fahrers, eine Bildverarbeitungseinheit zum Erfassen einer Position des aufgenommenen Fahrers und einen Einstellmechanismus zum Einstellen eines Winkels einer Reflexionseinrichtung der ein von der Anzeige emittiertes Anzeigelicht auf der Grundlage der Position der Augen des Fahrers reflektiert.
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DE 10 016 817 A1 befasst sich mit einem Farb-Head-up Display bei dem das Licht einer Lichtquelle durch eine zumindest lichtdurchlässige Anzeige gesendet wird und auf eine Scheibe projizierbar ist. Dabei sind eine Vielzahl von roten, blauen und grünen Leuchtdioden ohne Verpackung auf einem gemeinsamen Träger angeordnet und wird gekühlt.
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DE 10 2005 010 250 A1 offenbart ein Verfahren und eine Einrichtung zum Nachführen von Sweet-Spots für Displays. Dazu enthält eine Sweet-Spot-Einheit eine Beleuchtungsmatrix sowie Abbildungsmittel mit Abbildungselementen. Das Verfahren basiert auf einer inversen Strahlberechnung, bei dem erfasste Positionsdaten von Betrachteraugen einer Steuereinheit zugeführt werden, die entsprechende Leuchtmittel schaltet.
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US 2011/310234 A1 beschreibt ein Verfahren und ein System zum Darstellen von Informationen. Dazu wird ein Anzeigefeld verwendet, das eine Anordnung von Anzeigeelementen und eine Beleuchtungsbaugruppe umfasst.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden oder abzumildern und ein verbessertes Head-Up-Display und ein verbessertes Darstellungsverfahren zur Verfügung zu stellen.
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Diese Aufgabe wird von einem Head-Up-Display und einem Darstellungsverfahren gemäß den Ansprüchen gelöst.
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Das erfindungsgemäße Head-Up-Display umfasst ein System zur Hintergrundbeleuchtung, ein System zur Bildgebung, ein Steuersystem, und ein Sensorsystem zur Feststellung der Augenposition von Betrachtern, wobei das System zur Hintergrundbeleuchtung mindestens vier getrennt schaltbare Elemente zur Emission von Licht (Lichtemitter) umfasst, deren Lichtemission vom Steuersystem individuell gesteuert werden kann, und sich zwischen dem System zur Hintergrundbeleuchtung und dem System zur Bildgebung eine Kondensoroptik befindet, welche in den beiden Achsen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung unterschiedlich starke Brennweiten und damit unterschiedliche Kollimationswinkel aufweist und/oder welche so gestaltet ist, dass sie in mehrere nebeneinander angeordnete Sammellinsen unterteilt ist, von denen jede dieser Sammellinsen einen Lichtemitter oder eine Gruppe von Lichtemittern überdeckt.
Die Lichtemitter sind erfindungsgemäß in mindestens einem Feld bestehend aus einem System aus zueinander versetzten Zeilen und Spalten angeordnet, wobei das System zur Hintergrundbeleuchtung mindestens 2 Zeilen und/oder mindestens 4 Spalten mit Lichtemittern umfasst. Die Lichtemitter sind so gestaltet, dass Lichtbündel in unterschiedliche Richtungen emittiert werden, um beide Augen separat zu erfassen und das Steuersystem ist dazu ausgestaltet, dass bei einer Bewegung des Kopfes die Lichtbündel umgeschaltet werden um entsprechend angepasste Lichtbündel zu erzeugen, wobei die unterschiedlichen Strahlengänge zu den beiden Augen alleine durch die Auswahl der geeigneten Lichtemitter aus dem System zur Hintergrundbeleuchtung realisiert wird, so dass keine mechanischen Elemente zur Justage der auf die beiden Augen passenden Ausleuchtung benötigt werden, die Lichtemitter also nicht mechanisch bewegt sondern lediglich gezielt ein- und ausgeschaltet werden.
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Das erfindungsgemäße Darstellungsverfahren bedient sich eines solchen Head-Up-Displays und basiert auf den Schritten:
- - Messung der Position der Augen mindestens eines Betrachters,
- - Berechnung desjenigen Lichtemitters des System zur Hintergrundbeleuchtung, dessen Licht durch das System zur Bildgebung das eine Auge des Betrachters erreichen würde (Lichtemitter A),
- - Berechnung desjenigen Lichtemitters des System zur Hintergrundbeleuchtung, dessen Licht durch das System zur Bildgebung das andere Auge des Betrachters erreichen würde (Lichtemitter B),
- - Anschalten der Lichtemitter A und B gleichzeitig oder zeitlich nachfolgend.
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Bevorzugt werden beide Augen des mindestens einen Betrachters gemessen und insbesondere zusätzlich die jeweiligen Bildinhalte zu der dazu passenden Hintergrundbeleuchtung berechnet, so dass zu dem Licht der Hintergrundbeleuchtung jedes der beiden Augen ein individuelles Bild erreicht. Dazu wird zusätzlich zur Berechnung des Lichtemitters der Bildinhalt zu der dazu passenden Hintergrundbeleuchtung berechnet, so dass das Licht durch das System zur Bildgebung abwechselnd das eine und das andere Auge des Betrachters erreicht (jeweils abwechselnd von Lichtemittern A und B), wobei zu dem zeitlich nachfolgenden Anschalten der Lichtemitter A und B ein synchronisiertes Umschalten der dazugehörigen Bildinhalte erfolgt.
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Das System zur Hintergrundbeleuchtung umfasst mindestens zwei Elemente, welche räumlich voneinander getrennt sind und zur Emission von Licht vorgesehen sind (Im folgenden als ‚Lichtemitter‘ bezeichnet). Bevorzugte Lichtemitter umfassen Lampen oder LEDs. Auch wenn die Anordnung der Lichtemitter zunächst beliebig ist, ist es bevorzugt, wenn die Elemente auf einer gemeinsamen Ebene liegen oder zumindest Gruppen von Lichtemittern jeweils auf einer gemeinsamen Ebene liegen, wobei mindestens eine der Ebenen (vorzugsweise alle Ebenen) parallel zur Bildebene des Systems zur Bildgebung ausgerichtet sind.
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Die Größe der Lichtemitter ist vorzugsweise dermaßen gewählt, dass ihr Licht, nach Durchlaufen der nachgeschalteten Kollimations- bzw. Kondensoroptik, nur auf eines der beiden Augen eines Betrachters fällt.
Vorzugsweise umfasst das System zur Hintergrundbeleuchtung mindestens 8 Lichtemitter, wobei diese Anzahl insbesondere pro Auge vorliegt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist das System zur Hintergrundbeleuchtung dermaßen mit Lichtemittern bestückt und die Kollimator, bzw. die Kollimationsoptik so gestaltet, dass in der Betrachtungsebene ein zusammenhängender, homogen ausgeleuchteter und/oder lückenloser Bereich von der Gesamtheit der angesteuerten Lichtemitter beleuchtet wird. Bevorzugt können auch zwei oder mehr benachbarte Lichtemitter angesteuert werden, um Übergangsbereiche zwischen zwei Lichtemittern besser auszuleuchten.
Die Betrachtungsebene ist diejenige Ebene, in welcher der Beobachter bei bestimmungsgemäßer Verwendung des HUD das Bild sehen soll. Bezüglich der Betrachtungsebene umfasst das System zur Hintergrundbeleuchtung mindestens drei Zeilen und mindestens vier Spalten von Lichtemittern.
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Sofern einzelne Lichtemitter durch gezielte Ansteuerung von Spalte und Zeile mit Strom versorgt werden, kann die Projektionsrichtung horizontal und vertikal entsprechend der Augenpositionen gewählt werden. Hierbei erreicht man eine besonders günstigste Lichtausbeute, und damit einhergehend einen besonders geringen Energiebedarf.
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Schaltet man nacheinander zwei benachbarte Lichtemitter zur Ausleuchtung eines Auges ein, so ergibt sich bei zueinander versetzten Lichtemittern eine günstigere Homogenität der Ausleuchtung. und die kleinste realisierbare Winkeldifferenz der horizontalen Projektionsrichtung reduziert sich deutlich gegenüber einfachen in Spalten angeordneten Lichtemittern.
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Jeder Lichtemitter weist einen Beleuchtungsbereich auf. Da eine Lichtintensität oftmals kontinuierlich abnimmt, wird die Begrenzung dieses Beleuchtungsbereichs dadurch bestimmt, dass die maximale Intensität durch den betreffenden Lichtemitter in dem Bereich jenseits dieser Begrenzung weniger als 10% beträgt.
Die Kollimations- oder Kondensoroptik ist insbesondere so gestaltet, dass Licht eines jeden Lichtemitters oder einer gleichzeitig angesteuerten Gruppe von Lichtemittern in der Betrachtungsebene einen Beleuchtungsbereich aufweist, dessen Ausdehnung zumindest im Hinblick auf die Linie von Auge zu Auge des Beobachters, nicht größer als 6 cm ist, vorzugsweise nicht größer als 4 cm ist. Auf diese Weise wird verhindert, dass beide Augen des Betrachters ein Bild sehen, das von dem gleichen Lichtemitter ausgeleuchtet wird. Daher sind auch diesbezügliche Ausdehnungen von maximal 3 cm zumindest im Hinblick auf die Linie von Auge zu Auge bevorzugt. Generell sollte die Größe der Lichtemitter und die dazugehörige Kondensor- bzw. Kollimatoroptik dermaßen gestaltet sein, dass das ausgesandte Licht dieser Komponenten in der Betrachtungsebene ausschließlich ein einziges Auge ausleuchtet, das Licht desjenigen Lichtemitters, der eines der Augen ausleuchtet, also nicht von dem anderen Auge gesehen wird.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfassend eine Kondensoroptik ist diese so gestaltet, dass sie (relativ zum Strahlengang) in mehrere nebeneinander angeordnete Sammellinsen unterteilt ist, von denen jede dieser Sammellinsen einen Lichtemitter oder eine Gruppe von Lichtemittern überdeckt. Die Lichtemitter umfassen dabei bevorzugt lichterzeugende Elemente (z.B. LEDs), welche Licht unterschiedlicher Farbe abstrahlen, wobei eine Überlagerung dieser Farben Weiß ergibt, wobei die Linsen der Kondensoroptik dermaßen angeordnet sind, dass sich im Strahlengang einer jeden dieser Linsen die Farbe Weiß ergibt, zumindest in einem Bereich des Strahlengangs.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Kollimations- bzw Kondensoroptik in den beiden Achsen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung unterschiedlich starke Brennweiten und damit unterschiedliche Kollimationswinkel auf. Damit kann die gesamte Betrachtungsebene in vertikaler Richtung mit einem einzelnen Lichtemitter ausgeleuchtet werden. Insbesondere sind bei Verwendung einer derartigen Optik drei Lichtemitter unterschiedlicher Farben vertikal dermaßen angeordnet, sodass sich diese in der Betrachtungsebene zu einem weißen Farbeindruck überlagern.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das System zur Hintergrundbeleuchtung Lichtemitter auf, die so gestaltet sind, dass Lichtbündel in unterschiedliche Richtungen emittiert werden, um beide Augen separat zu erfassen. Bei einer Bewegung des Kopfes werden die Lichtbündel umgeschaltet um entsprechend angepasste Lichtbündel zu erzeugen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Oberflächen der Kondensor- bzw. Kollimationsoptik als komplexe Freiformflächen berechnet um eine homogenere Ausleuchtung der Betrachtungsebene sowie bessere Kollimation zu ermöglichen.
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Das System zur Bildgebung dient dazu, ein Bild zur Verfügung zu stellen, welches mittels des Lichtes der Hintergrundbeleuchtung ausgeleuchtet werden kann. Solche Systeme sind dem Fachmann bekannt und werden beispielsweise in Flachbildschirmen, Bildprojektoren (Beamern) und Mobiltelefonen verwendet. Bevorzugte Systeme zur Bildgebung enthalten mindestens einen Bildgeber umfassend mindestens ein LCD-Modul und/oder mindestens ein DLP-Modul.
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Das Steuersystem steuert die Lichtemission der einzelnen Lichtemitter des Systems zur Hintergrundbeleuchtung und das System zur Bildgebung. Das Steuersystem umfasst vorzugsweise mindestens eines der folgenden Elemente: Prozessor und/oder Mikrocontroller und zusätzlich insbesondere einen Speicherbaustein und/oder einen Netzwerkzugang. Weitere Schnittstellen zur Datenübermittlung sind ebenfalls bevorzugt.
Im Hinblick auf die Lichtemission der einzelnen Lichtemitter ist es besonders bevorzugt, wenn das Steuersystem so ausgestaltet ist, dass es jeden einzelnen Lichtemitter oder zumindest eine Gruppe von Lichtemittern unabhängig von anderen Lichtemittern an- und abschalten kann oder die Helligkeit der einzelnen Lichtemitter oder Gruppen von Lichtemittern stufenlos regulieren kann.
In dem Falle, dass eine Gruppe von Lichtemittern von dem Steuersystem parallel gesteuert wird, sind diese vorzugsweise in einem zusammenhängenden Bereich, insbesondere in Form von Ketten hintereinander angeordnet.
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Das Steuersystem berechnet die Bildinhalte bevorzugt für das linke und das rechte Auge in getrennter Weise. Die Berechnung der Bildinhalte bezieht sich beispielsweise auf Bildverzerrungen die sich schnell und kontinuierlich verändern können oder auf einen lateralen Versatz von Bildausschnitten oder einzelnen Symbolen oder dem Gesamtbild. Ein lateraler Versatz kann gezielt dafür verwendet werden um die wahrgenommene Entfernung der Bildinhalte oder Ausschnitte daraus zu steuern (Stereoskopisches Sehen). Durch die Möglichkeit der unterschiedlichen Berechnung der Bilder für jedes einzelne Auge kann auch die Parallaxe kompensiert werden, die sich auf Bilder störend auswirkt, die sich optisch näher am Betrachter befinden als der Hintergrund.
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Insbesondere geschieht die Ansteuerung des bildgebenden Systems mit dem entsprechenden Bildinhalt synchron zu der Ansteuerung der entsprechenden Lichtemitter oder des entsprechenden Lichtemitters, so dass jedes Auge des Betrachters ein anderes Bild wahrnimmt.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist das Head-Up-Display zusätzlich eine Optik zwischen dem Bilderzeuger und dem Betrachter auf. Diese Optik dient der Abbildung des Bilderzeugers auf der Netzhaut des Auges bzw. der Optimierung des Strahlenganges und umfasst insbesondere refraktive oder reflektierende Elemente. Die Optik ist insbesondere von Vorteil wenn der Strahlengang aufgrund baulicher Vorgaben nicht geradlinig verlaufen kann und wenn reelle oder virtuelle Bilder im Raum erzeugt werden sollen. Dies ist z.B. beim Einbau in Fahrzeugen und Flugzeugen, in Augmented-Reality-Brillen oder bei Anwendungen als Ersatz für Bildschirme der Fall.
Bevorzugte Elemente für diese Optiken sind Elemente der Gruppe Linsen (z.B. (Konkavlinsen, Konvexlinsen), Spiegel (z.B. Konkavspiegel, Konvexspiegel), Glasscheiben (z.B. Windschutzscheiben, optische Filter) und Prismen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform, welche einen besonders geringen Energieverbrauch aufweist und wenige Komponenten benötigt, ist das Steuersystem dazu ausgelegt, in einem einzigen Bildgeber des Systems zur Bildgebung in zeitlich sukzessiver Abfolge das Bild für das eine und darauffolgend das Bild für das andere Auge zu erzeugen und gleichzeitig denjenigen Lichtemitter anzuschalten, dessen Licht (insbesondere ausschließlich) das betreffende Auge ausleuchtet. Auf diese Weise kann ein und derselbe Bildgeber dazu verwendet werden, um dem linken und dem rechten Auge ein individuelles Bild zukommen zu lassen, was beispielsweise eine Veränderung der wahrgenommenen Entfernung des Bildes angepasst an die reale Entfernung der durch die Windschutzscheibe sichtbaren Umgebung oder eine 3D-Darstellung der Bildhinhalte oder einzelner Bildausschnitte mit nur einem Bildgeber ermöglicht. Ein und derselbe Bildgeber kann aber auch dafür verwendet werden, Bildverzerrungen die durch die Reflexion an der typischerweise freiformartig gekrümmten Windschutzscheibe eines Fahrzeugs entstehen, für jedes Auge unabhängig voneinander zu kompensieren.
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In einer bevorzugten Ausführungsform werden die unterschiedlichen Strahlengänge zu den beiden Augen alleine durch die Auswahl der geeigneten Lichtemitter aus dem System zur Hintergrundbeleuchtung realisiert, so dass keine mechanischen Elemente zur Justage der auf die beiden Augen passenden Ausleuchtung benötigt werden, die Lichtemitter werden also nicht mechanisch bewegt sondern lediglich gezielt ein- und ausgeschaltet.
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Vorrichtungen zum Tracking von Augen sind dem Fachmann generell bekannt. Es wird jedoch eine Ausführungsform bevorzugt, bei der im Strahlengang zwischen dem bildgebenden System und dem Betrachter ein Kaltlichtspiegel, ein Warmlichtspiegel, ein teildurchlässiger Spiegel oder ein teilweise durchlässiger Spiegel oder ein durchsichtiges optisches Element (z.B. eine Linse oder eine Platte) angeordnet ist, dessen transmittiertes oder reflektiertes Bild des Betrachters von einem Kamerasystem aufgenommen wird.
Auf diese Weise lassen sich die Augen des Betrachters aufnehmen und die Position der Augen mit bekannten Verfahren aus den Bildern ableiten lassen. Die gemessene Augenposition wird insbesondere dazu verwendet, um die passende Ansteuerung des Beleuchtungsarrays zu berechnen, um gezielt ausschließlich das linke oder das rechte Auge auszuleuchten.
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Zudem ist es auf diese Weise möglich, auch andere Körperteile (z.B. Hände oder Finger) oder Gegenstände (z.B. Zeigegeräte oder Stifte) auf den Bildern zu erkennen und einem computerverständlichen Objekt zuzuordnen. Auf diese Weise ist es möglich, die Körperteile oder Gegenstände zu erkennen und parallaxenfrei einem eindeutigen Ort innerhalb des projizierten Bildes zuzuordnen und diesen Ort dem HUD Steuersystem z.B. als Eingabebefehl vergleichbar einer Computermaus in der Ansteuersoftware zu berücksichtigen.
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Ein weiteres erfindungsgemäßes Head-Up-Display, welches ebenfalls die Aufgabe löst, umfasst ein System zur Hintergrundbeleuchtung, ein System zur Bildgebung, ein Steuersystem, und ein Sensorsystem zur Feststellung der Augenposition von Betrachtern, wobei das Head-Up-Display des Weiteren ein Kamerasystem und einen einen Kaltlichtspiegel, einen Warmlichtspiegel, einen teildurchlässigen Spiegel, einen teilweise durchlässigen Spiegel oder ein durchsichtiges optisches Element (z.B. eine Linse oder eine Platte) umfasst, wobei dieser Spiegel, bzw. dieses Element im Strahlengang zwischen dem bildgebenden System und dem Betrachter angeordnet ist, und dessen transmittiertes oder reflektiertes Bild des Betrachters von dem Kamerasystem aufgenommen wird.
Bevorzugt umfasst bei diesem HUD das System zur Hintergrundbeleuchtung mindestens zwei getrennt schaltbare Elemente zur Emission von Licht (Lichtemitter), deren Lichtemission vom Steuersystem individuell gesteuert werden kann, und sich zwischen dem System zur Hintergrundbeleuchtung und dem System zur Bildgebung insbesondere eine Kondensor- und/oder Kollimatoroptik befindet.
Die oben und unten aufgeführten bevorzugten Merkmale und Ausführungsformen sind auch bevorzugte Merkmale und Ausführungsformen dieses HUD mit dem Kamerasystem und dem Spiegel.
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In einer bevorzugten Ausführungsform für alle Erfindungsgemäßen HUDs befindet sich im Strahlengang zwischen dem Betrachter und der Optik bzw. dem bildgebenden System eine durchsichtige, feste Ebene (z.B. eine Glas- oder Kunststoffplatte), die insbesondere orthogonal zum Strahlengang ausgerichtet ist, oder bei der zumindest die Flächennormale in einem Winkel von kleiner als 45° zum Strahlengang steht.
Auf diese Weise lässt sich bei Berührung dieser festen Ebene mit einem Körperteil (z.B. einem Finger) oder einem Gegenstand bei gleichzeitiger Kenntnis der Position der Augen des Betrachters eine nahezu parallaxenfreie Bestimmung der Position des Körperteils/Gegenstandes durchführen. Auf diese Weise lässt sich das Trackingsystem gleichzeitig zu einer Gestensteuerung nutzen. Als auslösendes Signal kann insbesondere die Berührung der Platte (z.B. über einen Touchscreen) das Erreichen von bestimmten Positionen oder eine weitere Geste verwendet werden.
Beispielsweise kann bei einer Berührung der festen Ebene mit einem Finger genau bestimmt werden, welcher Punkt auf der Platte berührt worden ist. Ein virtuelles Eingabefeld, welches per HUD in die Augen des Betrachters projiziert wurde und welches von diesem im Bereich der festen Ebene wahrgenommen wird, kann auf diese Weise bedient werden, ohne dass ein nebenstehender Dritter erkennen kann, welche Taste auf dem virtuellen Bedienfeld gedrückt worden ist.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das HUD eine Verstelleinheit auf, mittels der der das HUD oder der Spiegel automatisch in zumindest einer Ebene verkippt werden kann. Geeignete Verstelleinheiten sind dem Fachmann bekannt und umfassen insbesondere Elektromotoren, eine Hydraulik oder eine Pneumatik.
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Die Steuereinheit ist in dieser bevorzugten Ausführungsform zusätzlich dazu ausgelegt, diese Verkippung des HUD oder des Spiegels gemäß der vom Trackingsystem erkannten Augen zu steuern, so dass sich diese insbesondere stets in einem vorher eingestellten Bereich des Kamerabildes befinden. Da eine Verkippung des Spiegels eine Veränderung der Augenposition im Kamerabild bewirkt, ist die korrekte Verkippung durch Rückkopplung in kurzer Zeit erreichbar. Insbesondere wird, sobald nach einer Kopfbewegung durch Verkippung des Spiegels die Position der Augen in dem Kamerabild wieder zentriert ist, auch die Ausleuchtung der einzelnen Augen angepasst. Dies kann geschehen, ohne dass auch die Hintergrundbeleuchtung angepasst werden muss oder durch Ansteuerung der entsprechenden Lichtemitter.
Der bei der korrigierten Bildentstehung getroffene Windschutzscheibenausschnitt kann zu einer Verzerrung führen, der für jedes Auge und für jeden Projektionswinkel nach den oben beschriebenen Methoden wieder kompensiert werden kann.
Auf diese Weise können beispielsweise in einem Fahrzeug Betrachter verschiedener Körpergrößen das HUD optimal nutzen ohne dass eine manuelle Nachsteuerung des Systems vonnöten ist.
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Die ermittelte Augenposition kann somit als Regelsignal verwendet werden, um das HUD in zwei Achsen derart zu verkippen, dass immer beide Augen in der Bildmitte zentriert liegen und damit optimal ausgeleuchtet werden, unter Verwendung genau eines Lichtemitters je Auge. Eine aktiv nachregelnde Projektionsrichtung ermöglicht zudem eine Ausleuchtung einer gegenüber dem Stand der Technik deutlich größeren Betrachtungsbereich.
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Eine oben beschriebene mechanische Nachregelung der Projektionsachse kann weiterhin dafür verwendet werden, um mit einer zweiten Kamera mit deutlich längerer Brennweite und einem Bildausschnitt von der Größe eines Auges eine Iriserkennung durchzuführen, die dann z.B. für eine Sicherheitsabfrage verwendet werden kann. Im gleichen Zuge zu der Ausrichtung der Projektionsachse wird ebenfalls die für die Iriserkennung erforderliche gerichtete Infrarotbeleuchtung, welche dem Fachmann bekannt ist, ausgerichtet.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Head-Up-Display dazu ausgelegt, in einem Kraftfahrzeug integriert zu werden. Dazu umfasst das HUD im Rahmen der vorgenannten Optik bevorzugt einen konkav gebogenen Spiegel und die Windschutzscheibe des Fahrzeugs.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Head-Up-Display dazu ausgelegt, in einer Brille integriert zu werden. Dazu umfasst das HUD im Rahmen der vorgenannten Optik bevorzugt einen konkav gebogenen Spiegel und die Brillengläser.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Head-Up-Display als Ersatz für einen Bildschirm ausgelegt. Dazu wird bevorzugt, dass das Display die vorgenannte Trackingvorrichtung aufweist, da auf diese Weise auch Gegenstände oder Körperteile, welche sich im Bereich des Strahlengangs des HUD befinden aufgenommen werden können und deren Position bestimmt werden kann. Durch diese Möglichkeit des Trackings wird es ermöglicht, mit Gesten Eingaben auf einer virtuellen, durch das HUD abgebildeten, Eingabeeinheit durchzuführen, ohne dass ein außenstehender die virtuellen Abbildungen mit den Gesten in Übereinstimmung bringen könnte.
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Beispiele für bevorzugte Ausführungsformen des Head-Up-Displays sind in den Abbildungen dargestellt.
- 1 zeigt schematisch eine bevorzugte Ausführungsform.
- 2 zeigt schematisch eine weitere bevorzugte Ausführungsform.
- 3 zeigt schematisch eine weitere bevorzugte Ausführungsform.
- 4 zeigt schematisch ein bevorzugtes System zur Hintergrundbeleuchtung.
- 5 zeigt schematisch ein bevorzugtes System zur Hintergrundbeleuchtung.
- 6 zeigt schematisch das Prinzip einer bevorzugten Kondensoroptik.
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1 zeigt schematisch eine bevorzugte Ausführungsform, bei der das rechte Auge 1 und das linke Auge 2 eines ansonsten nicht dargestellten Betrachters das Bild eines HUD sehen (Strahlengänge). Das Bild wird durch einen Bildgeber 5 erzeugt und durch einen Hohlspiegel 4 und über Reflexion an der Windschutzscheibe 3 zu dem Betrachter gelenkt.
Der Bildgeber 5 wird mittels einer Kondensorlinse 6 vom Licht eines Systems zur Hintergrundbeleuchtung 7 ausgeleuchtet und zwar nicht von allen Lichtemittern des Systems zur Hintergrundbeleuchtung 7 gleichzeitig sondern nur von einzelnen Lichtemittern oder Gruppen von Lichtemittern.
Die betreffenden Lichtemitter werden von einem Steuersystem aus den Daten eines Trackingsystems dermaßen ermittelt, dass nur diejenigen Lichtemitter (ggf. Gruppen von Lichtemittern) angeschaltet werden, deren Strahlen eines der Augen des Betrachters erreichen.
In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Lichtemitter, deren Strahlen das rechte und das linke Auge erreichen sukzessive folgend an- und ausgeschaltet, so dass immer abwechselnd ein Lichtbündel das eine und danach das andere Auge trifft. Durch ein passendes Umschalten des Bildgebers 5, so dass er stets passend die Bildinformation für das betreffende Auge darstellt, wenn der betreffende Lichtemitter angeschaltet ist, kann mittels nur eines einzigen Bildgebers ein 3D-Eindruck vermittelt werden.
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2 entspricht der Ausführungsform nach 1 mit dem Unterschied, dass die einzelnen Lichtemitter oder Gruppen von Lichtemittern des Systems zur Hintergrundbeleuchtung 7 mit einer eigenen Kondensorlinse 6 ausgestattet ist, wobei die Menge der Kondensorlinsen die Kondensoroptik ergibt.
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3 entspricht der Ausführungsform nach 1 mit dem Unterschied, dass sich hier ein teildurchlässiger Spiegel 8 im Strahlengang des HUD befindet, z.B. ein Kaltlichtspiegel um den Infrarotanteil von dem in das Wageninnere fallende Sonnenlicht von dem empfindlichen Bildgeber fernzuhalten. Dieser Spiegel transmittiert einen Teil des Bildes des Betrachters auf eine Kamera 9, welche dazu verwendet werden kann, mittels einer geeigneten Verarbeitung ihrer Bilddaten, die Augenpositionen oder sogar die Pupillenpositionen des Betrachters zu erfassen und diese Daten dem HUD zugänglich zu machen. Die Lichtemitter des Systems zur Hintergrundbeleuchtung können dann entsprechend der Augenpositionen an- und abgeschaltet werden.
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4 und 5 stellen bevorzugte Ausführungsformen des Systems zur Hintergrundbeleuchtung dar. Die einzelnen Lichtemitter sind dort als weiße Quadrate dargestellt, welche über Stromleitungen (schwarze Striche 10) miteinander gruppenweise verbunden sind. Mittels der unten zu erkennenden freien Leitungen kann eine ganze Spalte von Lichtemittern mit Energie versorgt und damit zum Leuchten angeregt werden. Es ist selbstverständlich auch möglich, jeden einzelnen der Lichtemitter separat ansteuerbar zu gestalten. In 4 liegen alle Lichtemitter in identischen Reihen vor, in 5 sind die Lichtemitter versetzt zueinander positioniert.
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6 zeigt schematisch das Prinzip einer bevorzugten Kondensoroptik 6. Diese besteht aus mindestens einer Linse, wobei jede der betreffenden Linsen einen Bereich überdeckt, in dem von einem oder mehreren Lichtemittern ein rotes Lichtbündel 11, ein blaues Lichtbündel 12 und ein grünes Lichtbündel 13 ausgesendet wird. In dem Bereich, in dem sich die drei Lichtbündel überlappen (rechts dargestellt) ergibt sich die Farbe Weiß.
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Ebenso zeigt 6 schematisch das Prinzip einer bevorzugten Kondensoroptik 6 bestehend aus mindestens einer Linse, wobei jede der betreffenden Linsen einen Bereich überdeckt, in dem von einem oder mehreren Lichtemittern Lichtbündel in unterschiedliche Richtungen emittiert werden, um die beiden Augen separat zu erfassen, beispielsweise das Lichtbündel 11 für das eine Auge, Lichtbündel 12 für das andere Auge. Bei einer Bewegung des Kopfes werden die Lichtbündel umgeschaltet um entsprechend angepasste Lichtbündel zu erzeugen, beispielsweise Lichtbündel 12 für das eine und Lichtbündel 13 für das andere Auge.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Rechtes Auge
- 2
- Linkes Auge
- 3
- Windschutzscheibe
- 4
- Hohlspiegel
- 5
- Bildgeber
- 6
- Kondensorlinse
- 7
- System zur Hintergrundbeleuchtung
- 8
- Teildurchlässiger Spiegel
- 9
- Kamera
- 10
- Stromleitungen
- 11
- Lichtbündel
- 12
- Lichtbündel
- 13
- Lichtbündel
