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Die Erfindung betrifft eine Projektionsvorrichtung für ein Head-up-Display gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Head-up-Display und ein Fahrzeug mit einer solchen Projektionsvorrichtung.
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Bei einem Head-up-Display werden relevante Fahrinformationen als Bild auf die Frontscheibe eines Fahrzeugs und damit direkt in das Sichtfeld des Fahrers projiziert, wodurch dieser die Informationen schnell aufnehmen kann, ohne seinen Blick vom Verkehrsgeschehen abwenden zu müssen.
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Aus
DE 10 2009 057 033 A1 ist eine Projektionseinheit für ein Head-up-Display bekannt, bei welchem im Strahlengang zwischen einer Kondensorlinse und einer bildgebenden Einheit in Form eines TFT-Displays ein Zirkular-Polarisator in Form eines Viertelwellenblättchens angeordnet ist, durch welches störende Reflexe des von außen in die Projektionseinheit eindringenden Sonnenlichts an der Kondensorlinse eliminiert werden.
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Bei Projektionseinheiten dieser Art kann nicht ausgeschlossen werden, dass bei einem Durchgang des in der Projektionseinheit selbst erzeugten Lichts durch insbesondere planparallele optische Komponenten Doppelbilder entstehen. Diese können sich sogar mit Doppelbildern überlagern, die bei der Reflexion der projizierten Bilder an der Frontscheibe entstehen können. In jedem Fall kann es vorkommen, dass die an der Frontscheibe reflektierten Bilder vom Fahrer als unscharf wahrgenommen werden.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Projektionsvorrichtung für ein Head-up-Display, ein Head-up-Display sowie ein Fahrzeug mit einer solchen Projektionsvorrichtung anzugeben, bei welcher bzw. welchem möglichst scharfe, insbesondere doppelbildfreie, Bilder erhalten werden.
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Diese Aufgabe wird durch die Projektionsvorrichtung, das Head-up-Display und das Fahrzeug gemäß Anspruch 1, 11 bzw. 12 gelöst.
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Die erfindungsgemäße Projektionsvorrichtung für ein Head-up-Display weist eine zur Erzeugung eines Bildes ausgebildete Bildgebungseinrichtung auf und ist dazu ausgelegt, das von der Bildgebungseinrichtung erzeugte Bild auf eine Projektionsfläche, wie zum Beispiel eine Frontscheibe eines Fahrzeugs, zu projizieren. Die Projektionsvorrichtung weist ferner ein oder mehrere polarisationsdrehende Elemente auf, welche dazu ausgebildet sind, die Polarisationsrichtung von linear polarisiertem Licht bei dessen Durchgang durch das jeweilige polarisationsdrehende Element um etwa 90° zu drehen.
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Das erfindungsgemäße Head-up-Display weist eine Projektionsfläche, beispielsweise eine Frontscheibe eines Fahrzeugs, und die erfindungsgemäße Projektionsvorrichtung auf.
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Das erfindungsgemäße Fahrzeug weist eine Projektionsfläche, insbesondere in Form einer Frontscheibe, und die erfindungsgemäße Projektionsvorrichtung auf.
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Bei einem Fahrzeug im Sinne der vorliegenden Erfindung handelt es sich vorzugsweise um ein Kraftfahrzeug, insbesondere einen Personenkraftwagen, Lastkraftwagen oder Omnibus oder ein Kraftrad, welches insbesondere eine Brennkraftmaschine oder einen Elektroantrieb aufweist. Grundsätzlich kann es sich bei dem Fahrzeug aber auch um ein Luft- oder Wasserfahrzeug handeln.
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Die Erfindung basiert auf dem Ansatz, ein oder mehrere polarisationsdrehende Elemente derart auszugestalten und/oder anzuordnen, dass Mehrfachreflexionen des in der Projektionsvorrichtung erzeugten Lichts, insbesondere des von der Bildgebungseinrichtung ausgehenden Lichts, an einer oder mehreren optisch durchlässigen Komponenten der Projektionsvorrichtung unterdrückt oder zumindest reduziert werden. Solche Mehrfachreflexionen können insbesondere an optisch dicken und/oder planparallelen Komponenten der Projektionsvorrichtung auftreten. Das mindestens eine polarisationsdrehende Element ist hierbei so ausgestaltet, dass die Polarisationsrichtung von linear polarisiertem Licht um 90° gedreht wird, wenn dieses das polarisationsdrehende Element passiert. Ist das aus der Bildgebungseinrichtung austretende Licht beispielsweise s-polarisiert und trifft dieses auf eine planparallele optische Komponente, die auf seiner der Bildgebungseinrichtung zugewandten Seite mit einem solchen polarisationsdrehenden Element versehen ist, so wird die Polarisationsrichtung des ursprünglich s-polarisierten Lichts beim Durchtritt durch das polarisationsdrehende Element so gedreht, dass das Licht nunmehr p-polarisiert ist. Da die Reflektivität von p-polarisiertem Licht innerhalb der Komponente, insbesondere bei Einfallswinkeln von bis zu 60° oder 70°, wesentlich niedriger ist als bei s-polarisiertem Licht, werden Mehrfachreflexionen in der Komponente und die daraus resultierenden Doppelbilder im Verhältnis zum eigentlichen Hauptbild um einen Faktor von bis zu 100 verringert. Etwaige Doppelbilder sind dadurch für den Fahrer praktisch nicht mehr wahrnehmbar.
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Insgesamt werden durch die Erfindung Doppelbilder effizient unterdrückt, wodurch wesentlich schärfere Bilder erhalten werden.
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Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist die Projektionsvorrichtung mindestens ein zwischen der Bildgebungseinrichtung und der Projektionsfläche angeordnetes optisches Element auf, das zwei im Wesentlichen planparallele Flächen aufweist, an welchen jeweils eines der polarisationsdrehenden Elemente vorgesehen ist. Dadurch wird verhindert, dass das von der Bildgebungseinrichtung erzeugte Bild durch Mehrfachreflexionen am nachgeschalteten optischen Element beeinträchtigt wird.
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Das optische Element, bei dem es sich vorzugsweise um eine transparente Platte oder Schicht aus Glas oder Kunststoff handelt, kann insbesondere im Bereich einer Ausgangsöffnung eines Gehäuses der Projektionsvorrichtung, in welchem die Bildgebungseinrichtung untergebracht ist, vorgesehen sein. Das optische Element dient in diesem Fall als Abdeckelement der Ausgangsöffnung, ohne gleichzeitig die Schärfe des von der Bildgebungseinrichtung erzeugten Bildes durch Mehrfachreflexionen bzw. Doppelbilder zu beeinträchtigen. Durch die an beiden planparallelen Flächen des Abdeckelements vorgesehenen polarisationsdrehenden Elemente, welche die Polarisation um jeweils 90° drehen, wird erreicht, dass die Polarisationsrichtung des aus der Projektionsvorrichtung austretenden Lichts im Wesentlichen identisch ist mit der Polarisationsrichtung des von der Bildgebungseinrichtung abgegebenen Lichts.
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Es ist ferner bevorzugt, dass das von der Bildgebungseinrichtung erzeugte Bild im Wesentlichen lediglich s-polarisiertes Licht aufweist, dessen Polarisationsrichtung von einem ersten der polarisationsdrehenden Elemente um 90° gedreht wird, wodurch p-polarisiertes Licht erhalten wird, dessen Polarisation durch ein zweites polarisationsdrehendes Element um 90° gedreht wird, wodurch wieder s-polarisiertes Licht erhalten wird. Für den Fall, dass die beiden polarisationsdrehenden Elemente am Abdeckelement der Projektionsvorrichtung vorgesehen sind, verlässt also spolarisiertes Licht die Projektionsvorrichtung, welches mit hoher Effizienz an der Frontscheibe des Fahrzeugs reflektiert wird, sodass der Fahrer doppelbildfreie Bilder mit hoher Intensität und hohem Kontrast wahrnehmen kann.
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Es ist ferner bevorzugt, eine oder mehrere, an unterschiedlichen Stellen der Projektionsvorrichtung angeordnete Komponenten, insbesondere optisch dicke und/oder planparallele Komponenten, mit dem bzw. den polarisationsdrehenden Elementen zu versehen, so dass ursprünglich s-polarisiertes Licht lediglich beim Passieren der jeweiligen Komponente kurzfristig eine p-Polarisation aufweist, wodurch mehrfache Reflexionen an den planparallelen Flächen der Komponenten und damit Doppelbilder stark reduziert werden.
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Alternativ ist es aber auch möglich, dass das von der Bildgebungseinrichtung erzeugte Bild im Wesentlichen p-polarisiertes Licht aufweist, dessen Polarisationsrichtung im nachfolgenden Strahlengang innerhalb der Projektionsvorrichtung im Wesentlichen erhalten bleibt. Wie vorstehend bereits dargelegt, lassen sich dadurch Mehrfachreflexionen, insbesondere an planparallelen Flächen optischer Komponenten, im Strahlengang besonders einfach und effizient unterdrücken. Vorzugsweise wird hierbei die Polarisationsrichtung des von der Bildgebungseinrichtung ausgegebenen p-polarisierten Lichts von einem zwischen der Bildgebungseinrichtung und der Projektionsfläche, insbesondere im Bereich der Ausgangsöffnung des Gehäuses der Projektionsvorrichtung, angeordneten polarisationsdrehenden Element um 90° gedreht, wodurch s-polarisiertes Licht erhalten wird. Auch bei dieser Alternative kommen die vorstehend genannten Vorteile im Zusammenhang mit der Reflexion von s-polarisiertem Licht an der Frontscheibe zum Tragen.
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Es ist ferner bevorzugt, dass das bzw. die polarisationsdrehenden Elemente als λ/2-Verzögerungsplatte ausgebildet ist bzw. sind. Eine λ/2-Verzögerungsplatte wird auch als Halbwellenretarder bezeichnet und hat die Eigenschaft, Licht, das parallel zu einer spezifischen Achse polarisiert ist, um eine halbe Wellenlänge bzw. um eine Phase π gegenüber dazu senkrecht polarisiertem Licht zu verzögern. Dadurch kann die Polarisationsrichtung von polarisiertem Licht um einen wählbaren Winkel, im vorliegenden Fall um etwa 90°, gedreht werden. Die Polarisationsänderung kommt dadurch zustande, dass Lichtanteile entlang von zwei senkrecht zueinander stehenden Polarisationsrichtungen das Medium des polarisationsdrehenden Elements mit unterschiedlicher Geschwindigkeit passieren, sodass deren Phasen gegeneinander verschoben werden.
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Eine λ/2-Verzögerungsplatte weist vorzugsweise eine Schicht aus einem doppelbrechenden Kristall oder einem doppelbrechenden Polymer auf. Vorzugsweise wird die Dicke der Schicht und/oder die Ausrichtung des Kristalls bzw. der Polymerstrukturen in der Schicht so gewählt, dass diese eine Drehung der Polarisation des Lichts um etwa 90° bewirkt.
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Vorzugsweise ist die mindestens eine Schicht aus einem doppelbrechenden Polymer durch Laminieren oder mittels Coating auf mindestens einer Fläche eines optischen Elements der Projektionsvorrichtung aufgebracht.
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Grundsätzlich ist es möglich, an beliebigen Stellen im Strahlengang innerhalb der Projektionsvorrichtung befindliche optische Elemente, insbesondere wenn diese optisch dick sind und/oder planparallele Flächen aufweisen, an einer oder beiden Außenflächen mit jeweils mindestens einem polarisationsdrehenden Element zu versehen, um das Auftreten von Mehrfachreflexionen bzw. Doppelbilder effizient zu unterbinden.
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Vorzugsweise ist es auch möglich, das polarisationsdrehende Element bzw. die polarisationsdrehenden Elemente so zu auszugestalten und/oder derart in der Projektionsvorrichtung anzuordnen, dass die Polarisationsrichtung des Lichts über den gesamten Strahlengang des Lichts innerhalb der Projektionsvorrichtung oder zumindest in bestimmten Abschnitten des Strahlengangs p-polarisiert ist. Hierbei kann es bevorzugt sein, das p-polarisierte Licht durch ein im Bereich des Ausgangs der Projektionsvorrichtung vorgesehenes polarisationsdrehendes Element in spolarisiertes Licht umzuwandeln, welches dann mit einer besonders hohen Effizienz an der Frontscheibe reflektiert wird, so dass das auf die Frontscheibe projizierte doppelbildfreie Bild vom Fahrer besonders gut wahrgenommen werden kann.
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Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Zusammenhang mit den Figuren. Es zeigen:
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1 ein Beispiel eines Head-up-Displays mit einer Projektionsvorrichtung in einer schematischen Darstellung; und
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2 ein Beispiel eines optischen Elements der Projektionsvorrichtung mit zwei polarisationsdrehenden Elementen.
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1 zeigt ein Beispiel eines Head-up-Displays mit einer Projektionsvorrichtung 1 und einer Projektionsfläche 11, beispielsweise einer Frontscheibe eines Fahrzeugs, welche auch als kombinierendes Element oder Combiner bezeichnet wird.
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Die Projektionsvorrichtung 1 weist Strahlungsquellen 2, beispielsweise in Form von Leuchtdioden, auf, welche Licht in vorzugsweise unterschiedlichen Spektralbereichen emittieren. Ferner ist ein sogenannter Lichtschacht 3 vorgesehen, in welchem das von den Strahlungsquellen 3 emittierte Licht durch Reflexionen an den Innenwänden des Lichtschachts 3 gemischt wird. Das am Ende des Lichtschachts 3 austretende Licht trifft auf einen Diffusor 4, an welchem das Licht zusätzlich gemischt wird, um schließlich eine spektral und räumlich möglichst homogene Lichtverteilung zu erhalten.
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An den Diffusor 4 schließt sich eine Kondensorlinsenanordnung 5 an, durch welche das weitgehend homogenisierte Licht so geformt wird, dass es eine Bildgebungseinrichtung 6 ausleuchtet. Im gezeigten Beispiel setzt sich die Kondensorlinsenanordnung 5 aus zwei plankonvexen Linsen zusammen, in deren Brennpunkt der Diffusor 4 liegt, wodurch auf der gegenüberliegenden Seite der Kondensorlinsenanordnung 5 im Wesentlichen parallele Strahlen erhalten werden, die senkrecht auf die Bildgebungseinrichtung 6 auftreffen. Bei Letzterer kann es sich vorzugsweise um eine lichtdurchlässige Flüssigkristallanzeige (LCD) beispielsweise in Form eines sogenannten TFT-Displays handeln.
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Nach Durchlaufen eines optionalen optischen Elements 7 und einer Reflexion an einem Planspiegel 8 sowie darauf folgend an einem Konkavspiegel 9 durchläuft das Licht ein weiteres optisches Element 10 in Form eines die Austrittsöffnung des Gehäuses 13 der Projektionsvorrichtung 1 abdeckenden Abdeckelements und trifft schließlich auf die Frontscheibe 11, an welcher das Licht reflektiert wird und vom Fahrer wahrgenommen werden kann, was in der hier gewählten Darstellung durch ein schematisch dargestelltes Auge 18 angedeutet ist. Der Fahrer nimmt dabei das von der Bildgebungseinrichtung 6 erzeugte und auf die Frontscheibe 11 projizierte Bild als virtuelles Bild wahr, das dem realen Bild der vor der Frontscheibe 11 befindlichen Fahrzeugumgebung überlagert ist.
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Zusätzlich ist in der hier gewählten Darstellung eine sogenannte Eyebox 19 eingezeichnet, die im Wesentlichen den räumlichen Bereich angibt, innerhalb dessen der Fahrer sich bewegen kann, ohne dass das an der Frontscheibe 11 wahrgenommene virtuelle Bild wesentlich beeinträchtigt wird.
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Vorzugsweise ist wenigstens eines der optischen Elemente mit im Wesentlichen planparallelen Außenflächen, nämlich der Diffusor 4 und/oder die bildgebende Einheit 6 und/oder das optionale optische Element 7 und/oder das lichtdurchlässige Abdeckelement 10, mit wenigstens einem polarisationsdrehenden Element versehen, durch welches die Polarisationsrichtung von linear polarisierten Licht bei dessen Durchgang durch das polarisationsdrehende Element um etwa 90° gedreht wird.
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Weist das von der Bildgebungseinrichtung 6 erzeugte Bild beispielsweise im Wesentlichen s-polarisiertes Licht auf, so würden insbesondere an den nachfolgenden optischen Komponenten 7 und 10 mit im Wesentlichen planparallelen Außenflächen Mehrfachreflexionen auftreten, die in der Projektion auf die Frontscheibe 11 als Doppel- oder Mehrfachbilder erscheinen und das vom Fahrer wahrgenommeine virtuelle Bild als unscharf erscheinen lassen können.
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Zur Vermeidung dieses Nachteils kann beispielsweise das optische Element 7 mit einem polarisationsdrehenden Element versehen sein oder selbst als polarisationsdrehendes Element ausgebildet sein, welches das von der Bildgebungseinrichtung 6 ausgegebene s-polarisierte Licht durch Drehung der Polarisationsrichtung um 90° in p-polarisiertes Licht umwandeln kann. Mehrfachreflexionen an optischen dicken und/oder planparallelen optischen Komponenten der Projektionsvorrichtung 1, wie zum Beispiel an der optischen Komponente 7 selbst und/oder am Abdeckelement 10, werden hierdurch gegenüber s-polarisiertem Licht signifikant reduziert. Um eine möglichst hohe Reflektivität des aus der Projektionsvorrichtung 1 austretenden Lichts an der Frontscheibe 11 zu erzielen, ist vorzugsweise die Außenseite des Abdeckelements 10 ebenfalls mit einem polarisationsdrehenden Element versehen, welches das auftreffende p-polarisierte Licht durch Drehung der Polarisationsrichtung um 90° in s-polarisiertes Licht umwandelt, welches dann an der Frontscheibe 11 mit hoher Reflektivität reflektiert wird.
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Alternativ ist es auch möglich, das lichtdurchlässige Abdeckelement 10 im Bereich der Ausgangsöffnung des Gehäuses 13 der Projektionsvorrichtung 1 sowohl auf der dem Inneren der Projektionsvorrichtung 1 zugewandten Innenfläche als auch auf der gegenüberliegenden Außenfläche mit jeweils einem polarisationsdrehenden Element zu versehen, durch welches das von innen auf das Abdeckelement 10 auftreffende s-polarisierte Licht in seiner Polarisationsrichtung um 90° gedreht wird, sodass im Inneren des Abdeckelements 10 im Wesentlichen lediglich p-polarisiertes Licht vorhanden ist, für welches die jeweiligen Grenzflächen eine erheblich geringere Reflektivität aufweisen als für s-polarisiertes Licht. Beim Verlassen des Abdeckelements 10 wird das p-polarisierte Licht durch das an der Außenseite des Abdeckelements 10 befindliche polarisationsdrehende Element wieder durch Polarisationsdrehung um 90° in s-polarisiertes Licht umgewandelt und daher mit hoher Effizienz an der Frontscheibe 11 reflektiert.
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Dies wird anhand von 2 näher erläutert, die ein Beispiel eines optischen Elements der Projektionsvorrichtung 1 in Form des Abdeckelements 10 zeigt, das sowohl auf seiner Innenseite als auch auf seiner Außenseite mit jeweils einem polarisationsdrehenden Element 12 bzw. 14 in Form einer sogenannten λ/2-Verzögerungsplatte bzw. einem sogenannten Halbwellenretarder versehen ist. Trifft s-polarisiertes Licht auf der Innenseite des Abdeckelements 10 auf die erste polarisationsdrehende Schicht 12, so wird dieses in p-polarisiertes Licht umgewandelt, das im Inneren des Abdeckelements 10 nur geringfügig reflektiert wird, was durch dünn gezeichnete Strahlengänge angedeutet ist. Das auf der Außenseite des Abdeckelements 10 austretende p-polarisierte Licht wird durch eine zweite polarisationsdrehende Schicht 14 wieder durch Polarisationsdrehung in s-polarisiertes Licht umgewandelt. Mehrfachreflexionen, die in der gezeigten Darstellung durch dünn gezeichnete Strahlengänge angedeutet sind, werden auf diese Weise so stark reduziert, dass etwaige Doppelbilder im Verhältnis zum eigentlichen virtuellen Bild so schwach sind, dass diese nicht mehr wahrnehmbar sind.
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Die vorstehend im Zusammenhang mit dem Abdeckelement näher erläuterte doppelseitige Beschichtung des optischen Elements 10 mit polarisationsdrehenden Elementen kann grundsätzlich bei allen im Strahlengang befindlichen planparallelen Komponenten der Projektionsvorrichtung 1 vorgesehen sein, also z.B. auch am Diffusor 4 und/oder an der Bildgebungseinrichtung 6 und/oder am optischen Element 7, um Mehrfachreflexionen an diesem Komponenten und damit die Entstehung von Doppelbildern effizient zu unterdrücken.
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Neben den bereits erwähnten Vorteilen erhöht die Erfindung ferner die Flexibilität in der Bauraumauslegung von Head-up-Displays und lässt darüber hinaus eine universelle Unterdrückung von Doppelbildern bei verschiedensten Head-up-Display-Konzepten mit unterschiedlichen Bildgebungseinrichtungen zu, wie zum Beispiel TFTs, Digital Micromirror Devices (DMD), Laser-basierten Einheiten sowie farbigen oder monochromen bildgebenden Einrichtungen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Projektionsvorrichtung
- 2
- Lichtquellen
- 3
- Lichtschacht
- 4
- Diffusor
- 5
- Kondensorlinsenanordnung
- 6
- Bildgebungseinrichtung
- 7
- optisches Element
- 8
- Planspiegel
- 9
- Konkavspiegel
- 10
- optisches Element (Abdeckelement)
- 11
- Frontscheibe
- 12
- erstes polarisationsdrehendes Element
- 13
- Gehäuse
- 14
- zweites polarisationsdrehendes Element
- 18
- Auge
- 19
- Eyebox
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009057033 A1 [0003]
