-
Gebiet der Erfindung
-
Die Erfindung betrifft die Frontscheibenprojektion in Fahrzeugen. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Frontscheibenprojektor zur Erzeugung von polarisationsselektiven optischen Pfaden sowie ein Verfahren zum selektiven Polarisieren von Lichtstrahlen in einem Frontscheibenprojektor.
-
Hintergrund der Erfindung
-
Frontscheibenprojektoren, wie beispielsweise Head-Up-Displays in Fahrzeugen, projizieren ein Bild in den Sichtbereich des Fahrzeugführers hinter der Windschutzscheibe. Dadurch wird es dem Fahrer ermöglicht, durch das Head-Up-Display angezeigte Informationen abzulesen, wobei seine Blickrichtung weiterhin durch die Windschutzscheibe auf die Straße gerichtet ist.
-
Hierbei werden die aus einer bildgebenden Einheit emittierten Lichtbündel über eine Anordnung von Spiegeln zur Windschutzscheibe geleitet. Die Größe des projizierten Bildes sowie des Sichtbereichs, in dem das Bild vom Fahrer wahrgenommen werden kann (sog. Eyebox), wird von der Größe der optischen Elemente sowie von der Vergrößerung und der Länge des optischen Weges bzw. vom Bauvolumen bestimmt. Aufgrund des begrenzten Bauraums unter der Armaturentafel eines Fahrzeugs, wird in der Regel der optische Pfad im Head-Up-Display mit Hilfe von Spiegeln optisch gefaltet, um eine effizientere Ausnutzung des zur Verfügung stehenden Bauraums zu erreichen. Ferner wird die Qualität und die Größe des projizierten Bildes von der Position und Ausrichtung der optischen Elemente innerhalb des Head-Up-Displays beeinflusst.
-
Zusammenfassung der Erfindung
-
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Fahrkomfort und die Sicherheit im Straßenverkehr bei der Verwendung von Frontscheibenprojektoren zu erhöhen.
-
Diese Aufgabe wird durch einen Frontscheibenprojektor für ein Fahrzeug und ein Verfahren zum selektiven Polarisieren von Lichtstrahlen gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Beispielhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
-
Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist ein Frontscheibenprojektor für ein Fahrzeug angegeben. Der Frontscheibenprojektor weist eine optische Diode auf, die ausgeführt ist, Licht einer ersten Richtung zur Projektion über oder auf eine Scheibe des Fahrzeugs zu transmittieren. Die optische Diode ist ferner ausgeführt, eine Rückreflexion von Licht einer Gegenrichtung zur ersten Richtung mittels Polarisationsselektion zu verhindern. Dies kann so verstanden werden, dass das Licht der ersten Richtung auf die Scheibe transmittiert wird, also von der optischen Diode auf die Scheibe gelenkt wird. Dieses Licht kann zur Projektion eines virtuellen Bildes, welches sich vom Fahrer aus gesehen hinter der Scheibe befinden kann, genutzt werden. Das Licht kann also über die Scheibe zum Fahrer hin gelenkt bzw. transmittiert werden.
-
Der Frontscheibenprojektor ist beispielsweise ein Head-Up-Display, welches in das Fahrzeug integriert ist. Das Licht der ersten Richtung, welches innerhalb des Fronscheibenprojektors, zum Beispiel durch eine bildgebende Einheit, erzeugt wird, kann von der optischen Diode transmittiert werden, so dass ein von der bildgebenden Einheit erzeugtes Bild über die Frontscheibe des Fahrzeugs in das Sichtfeld des Fahrers projiziert wird. Dabei verlässt das Licht der ersten Richtung die optische Diode des Frontscheibenprojektors. Das Licht der Gegenrichtung zur ersten Richtung ist beispielsweise Licht, welches aus der Umgebung stammt und entgegen der ersten Richtung in die optische Diode hineingeleitet wird. Dabei wird durch die Anordnung und die Eigenschaften der optischen Bauelemente, welche die optische Diode umfasst, eine Rückreflexion in den Fahrzeuginnenraum bzw. zum Auge des Fahrers des in die optische Diode hineingeleiteten Lichts verhindert. Eine Rückreflexion könnte dabei zum Beispiel auf die Frontscheibe des Fahrzeugs erfolgen, so dass der Fahrer geblendet werden würde. Eine Blendung Fahrers kann somit durch den hier beschriebenen Frontscheibenprojektor verhindert werden.
-
Mit Hilfe der optischen Diode, welche beispielhaft einen polarisierenden Spiegel, eine optische Verzögerungsplatte und einen weiteren Spiegel umfassen kann, kann erreicht werden, dass das Licht der Gegenrichtung zur ersten Richtung die Anordnung der optischen Diode durchläuft und nicht zur Frontscheibe und zum Fahrer zurückreflektiert wird. Dies wird weiter im Kontext der 2 erläutert. Das bedeutet, dass das Licht bzw. die Lichtstrahlen, die aus der Umgebung von außen in die optische Diode hineingelangen nicht wieder zum Fahrer zurückreflektiert, sondern innerhalb des Frontscheibenprojektors absorbiert werden können. Dadurch wird der Fahrer nicht durch zurückreflektierte Strahlen geblendet, wodurch wiederum der Fahrkomfort als auch die Sicherheit im Straßenverkehr erhöht werden kann. Mit anderen Worten ermöglicht die Anordnung der drei beschriebenen optischen Elemente als optische Diode beim rückwärtigen Durchgang der Lichtstrahlen durch die optische Verzögerungsplatte den zum Eingangsstrahl orthogonalen Polarisationszustand einzunehmen, so dass durch den polarisierenden Spiegel eine effiziente Trennung von Eingangs- und Ausgangsstrahlen bei nur minimalen Leistungsverlusten und Restreflexionen erfolgt. Dabei bezeichnen die Eingangsstrahlen die auf die optische Verzögerungsplatte auftreffenden Lichtstrahlen, die anschließend an dem weiteren Spiegel reflektiert werden, so dass bei erneutem Durchgang durch die optische Verzögerungsplatte als Ausgangsstrahlen bezeichnete Lichtstrahlen von der optischen Verzögerungsplatte weggeleitet werden. Die lineare Polarisationsrichtung der Eingangsstrahlen unterscheidet sich also von der linearen Polarisationsrichtung der Ausgangsstrahlen, was auf die Reflexion am weiteren Spiegel zurückgeführt werden kann. Diese selektive Mehrfachreflexion durch den Einsatz von Polarisationsoptiken stellt also eine Möglichkeit dar, eine qualitativ hochwertige optische Abbildung bei möglichst kompaktem Bauraum bereitzustellen und gleichzeitig störende Reflexe zu vermeiden.
-
Die optische Verzögerungsplatte ist z. B. eine Viertelwellen-Verzögerungsplatte. Ferner kann als optische Verzögerungsplatte eine achromatische bzw. eine breitbandige Verzögerungsplatte verwendet werden. Dadurch kann ein großer Teil des Wellenlängenspektrums des sichtbaren Lichts abgedeckt werden.
-
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst die optische Diode einen polarisierenden Spiegel, eine optische Verzögerungsplatte und einen weiteren Spiegel. Der polarisierende Spiegel ist dazu ausgeführt, Lichtstrahlen einer ersten linearen Polarisationsrichtung zu reflektieren und Lichtstrahlen einer zweiten linearen Polarisationsrichtung zu transmittieren, wobei die erste lineare Polarisationsrichtung zur zweiten linearen Polarisationsrichtung orthogonal ist. Die optische Verzögerungsplatte ist ausgeführt, die an dem polarisierenden Spiegel reflektierten Lichtstrahlen der ersten linearen Polarisationsrichtung zirkular zu polarisieren, so dass erste zirkular polarisierte Lichtstrahlen beim Durchtritt durch die optische Verzögerungsplatte entstehen. Der weitere Spiegel ist dazu ausgeführt, die ersten zirkular polarisierten Lichtstrahlen, die von der Verzögerungsplatte kommen, zu reflektieren und dadurch einen Drehsinn, d. h. die Händigkeit, der ersten zirkular polarisierten Lichtstrahlen umzukehren, so dass zweite zirkular polarisierte Lichtstrahlen entstehen. Beim rückwärtigen Durchtritt der zweiten zirkular polarisierten Lichtstrahlen durch die optische Verzögerungsplatte entstehen zweite linear polarisierte Strahlen. Aufgrund der entgegengesetzten Händigkeit zwischen den ersten und zweiten zirkular polarisierten Strahlen ist auch die Polarisation der ersten und zweiten linear polarisierten Strahlen orthogonal.
-
Unter dem Begriff „Polarisation“ versteht der Fachmann die Schwingungsrichtung der verwendeten elektromagnetischen Wellen, i. e. des Lichts. Eine Transversalwelle ist eine physikalische Welle, bei der Schwingungsrichtung und Ausbreitungsrichtung senkrecht zueinander orientiert sind. Elektromagnetische Strahlung im freien Raum kann durch Transversalwellen beschrieben werden, deren Ausbreitungsrichtung senkrecht zu den Vektoren des elektrischen und magnetischen Feldes der Welle gemäß einem Rechtshandsystem orientiert ist. Wenn eine elektromagnetische Welle durch ein Objekt transmittiert oder an diesem reflektiert oder gestreut wird, kann man eine Bezugsebene angeben, in der die einfallende und die auslaufende Welle liegen. Hierbei unterscheidet man zwischen parallel polarisiertem bzw. p-polarisiertem Licht und senkrecht polarisiertem bzw. s-polarisiertem Licht. Mit diesen Bezeichnungen wird die lineare Polarisationsrichtung von Lichtstrahlen festgelegt. Von p-polarisiertem Licht spricht man, wenn die Schwingungsebene des magnetischen Feldes senkrecht zu der durch Einfallsvektor und Flächennormale des Objekts aufgespannten Ebene gerichtet ist. Von s-polarisiertem Licht spricht man, wenn die Schwingungsebene des elektrischen Feldes senkrecht zu der durch Einfallsvektor und Flächennormale des Objekts aufgespannten Ebene gerichtet ist.
-
An dem polarisierenden Spiegel werden die einfallenden Lichtstrahlen selektiv reflektiert, so dass ein Teil der Lichtstrahlen reflektiert und ein anderer Teil der Lichtstrahlen transmittiert wird. Das einfallende Licht stammt beispielsweise von einer bilderzeugenden Einheit oder einer zwischengelagerten Bildebene, deren Bilder über die Scheibe des Fahrzeugs durch den Frontscheibenprojektor projiziert werden sollen. Der Fahrer nimmt das Bild wahr, als ob es von ihm aus gesehen hinter der Scheibe über der Motorhaube des Fahrzeugs erscheint. Das Bild wird also virtuell vor die Scheibe projiziert. Die bilderzeugende bzw. bildgebende Einheit kann eine Anzeige mit Dünnschichttransistor-Ansteuerung bzw. ein TFT Display (Thin-film-transistor-Display) oder eine andere Anzeige sein, die geeignet ist unpolarisiertes oder polarisiertes Licht zu erzeugen, welches anschließend auf den polarisierenden Spiegel gelenkt wird.
-
Der polarisierende Spiegel ist zum Beispiel ein Nano-Wire-Spiegel. Durch den polarisierenden Spiegel kann die Komponente der ersten linearen Polarisationsrichtung reflektiert und die Komponente der zweiten linearen Polarisationsrichtung transmittiert und damit für den weiteren Strahlengang aussortiert werden. Die Komponente der ersten linearen Polarisationsrichtung kann p-polarisiertes Licht und die Komponente der zweiten linearen Polarisationsrichtung kann s-polarisiertes Licht sein. Es ist jedoch auch möglich, dass die Komponente der ersten linearen Polarisationsrichtung s-polarisiertes Licht und die Komponente der zweiten linearen Polarisationsrichtung p-polarisiertes Licht ist. Der Frontscheibenprojektor kann so ausgeführt sein, dass der größte Anteil der Lichtstrahlen am polarisierenden Spiegel transmittiert wird.
-
Die reflektierten Lichtstrahlen der ersten linearen Polarisationsrichtung werden vom polarisierenden Spiegel zur optischen Verzögerungsplatte hin reflektiert. Auch dieser Vorgang erfolgt innerhalb des Frontscheibenprojektors bzw. in der optischen Diode. Die optische Verzögerungsplatte oder Wellenplatte kann zum Beispiel ein Lambda-Viertel-Plättchen sein. Die optische Verzögerungsplatte kann ferner als eine optische Viertel-Wellen-Verzögerungsplatte oder eine optische Viertel-Wellen-Verzögerungsfolie vorgesehen sein. Generell kann als optische Verzögerungsplatte jedes optische Bauelement verwendet werden, welches geeignet ist die Polarisation und die Phase von durchtretenden elektromagnetischen Wellen zu ändern, so dass linear polarisiertes Licht zirkular polarisiert werden kann. Die optische Verzögerungsplatte ist zum Beispiel eine dünne Scheibe bzw. ein dünn geschnittener Kristall anisotropen Materials. Ein solches Material kann beispielsweise ein Quarz sein. Die optische Verzögerungsplatte kann auch eine folienförmige Struktur aufweisen.
-
Bei zirkular polarisiertem Licht ändert sich die Schwingungsrichtung des magnetischen und elektrischen Feldes mit konstanter Winkelgeschwindigkeit um die Längsachse der Ausbreitungsrichtung der elektromagnetischen Wellen. Hierbei unterscheidet man zwischen links- und rechtsdrehendem polarisiertem Licht. Die Drehrichtung bzw. die Händigkeit des zirkular polarisierten Lichts wird im Folgenden als Drehsinn bezeichnet.
-
Beim Durchlaufen der optischen Verzögerungsplatte werden die vom polarisierenden Spiegel reflektierten Lichtstrahlen, die p-polarisiert sein können, zirkular polarisiert. Die nun zirkular polarisierten Lichtstrahlen weisen dabei einen bestimmten Drehsinn auf. Das heißt mit anderen Worten, dass die optische Verzögerungsplatte bei Transmission von polarisiertem Licht mit geeigneter Orientierung dessen Polarisationszustand in eine zirkulare Polarisation umwandelt. Nach dem Durchlaufen der optischen Verzögerungsplatte gelangen die zirkular polarisierten Lichtstrahlen unmittelbar auf einen angereihten weiteren Spiegel, an dem durch Reflexion der Drehsinn der zirkular polarisierten Lichtstrahlen umgekehrt wird. Dieser weitere Spiegel kann ein metallischer und/oder gewölbter Spiegel mit einer beliebigen Krümmung bzw. Wölbung oder auch ein asphärischer Spiegel sein. Natürlich sind auch andere Ausführungsformen möglich.
-
Die am weiteren Spiegel einfallenden zirkular polarisierten Lichtstrahlen mit einem bestimmten Drehsinn werden am weiteren Spiegel reflektiert bzw. gespiegelt, so dass sich der Drehsinn der zirkular polarisierten Lichtstrahlen ändert. Durch den weiteren Spiegel wird der Drehsinn der einfallenden zirkular polarisierten Lichtstrahlen gespiegelt, so dass die reflektierten ebenfalls zirkular polarisierten Lichtstrahlen einen unterschiedlichen Drehsinn aufweisen. Beispielsweise ändert sich der Drehsinn des zirkular polarisierten Lichts von linksdrehendem zu rechtsdrehendem zirkular polarisiertem Licht oder umgekehrt. Der Reflexionswinkel am weiteren Spiegel kann beliebig klein gewählt werden, um die Abbildungsqualität des über die Windschutzscheibe projizierten, für den Fahrer sichtbaren Bildes zu erhöhen, ohne dass hierfür Nachteile bezüglich der Bildgröße bzw. des Bauraums entstehen.
-
Die beschriebene Anordnung, welche den polarisierenden Spiegel, die optische Verzögerungsplatte und den weiteren Spiegel umfasst, ist eine beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die optischen Bauelemente sind dabei derart angeordnet, dass ein geringer Bauraum benötigt wird. Die optischen Bauelemente sind in der Regel für den Fahrer nicht sichtbar in der Fahrzeugarmatur bzw. in einem Gehäuse untergebracht. Jedoch kann auch davon abgewichen werden, ohne den Bereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
-
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist die optische Verzögerungsplatte ferner ausgeführt, die zweiten zirkular polarisierten Lichtstrahlen in Lichtstrahlen der zweiten linearen Polarisationsrichtung umzuwandeln. Die optische Verzögerungsplatte ist ferner dazu ausgeführt und/oder derart im Fahrzeug angeordnet, dass die Lichtstrahlen der zweiten linearen Polarisationsrichtung auf die Frontscheibe des Fahrzeugs geleitet werden.
-
Bei erneutem, d. h. rückwärtigem, Durchlaufen der vom weiteren Spiegel reflektierten zirkular polarisierten Lichtstrahlen durch die optische Verzögerungsplatte werden die zirkular polarisierten Lichtstrahlen wieder in linear polarisierte Lichtstrahlen umgewandelt. Dabei werden die am weiteren Spiegel reflektierten zirkular polarisierten Lichtstrahlen in Lichtstrahlen der zweiten linearen Polarisationsrichtung, also beispielsweise s-polarisiertes Licht umgewandelt. Bei diesem zweiten Durchlaufen der optischen Verzögerungsplatte entstehen Lichtstrahlen der zweiten linearen Polarisationsrichtung, da beim ersten Durchgang durch die optische Verzögerungsplatte Lichtstrahlen der ersten linearen Polarisationsrichtung in erste zirkular polarisierte Lichtstrahlen umgewandelt wurden und anschließend der Drehsinn der ersten zirkular polarisierten Lichtstrahlen in zweite zirkular polarisierte Lichtstrahlen gespiegelt/gedreht wurde. Aufgrund der Spiegelung des Drehsinns der zirkular polarisierten Lichtstrahlen entstehen bei einem erneuten Durchlaufen der optischen Verzögerungsplatte aus den zweiten zirkular polarisierten Lichtstrahlen nun Lichtstrahlen der zweiten linearen Polarisationsrichtung. Die Lichtstrahlen der zweiten linearen Polarisationsrichtung, also beispielweise die s-polarisierten Lichtstrahlen, sind nun in der Lage bei einem erneuten Auftreffen auf den polarisierenden Spiegel von diesem transmittiert zu werden und nach außerhalb des Frontscheibenprojektors zu gelangen. Die transmittierten Strahlen der zweiten linearen Polarisationsrichtung werden letztendlich auf die Frontscheibe bzw. Windschutzscheibe des Fahrzeugs oder einer zusätzlichen teiltransparenten Combiner-Scheibe virtuell in das Sichtfeld des Fahrers projiziert.
-
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist die erste lineare Polarisationsrichtung zur zweiten linearen Polarisationsrichtung orthogonal.
-
Das bedeutet, dass die Schwingungsrichtung der Lichtstrahlen der ersten linearen Polarisationsrichtung, zum Beispiel der p-polarisierten Lichtstrahlen senkrecht bzw. orthogonal zur Schwingungsrichtung der Lichtstrahlen der zweiten Polarisationsrichtung, also beispielweise der s-polarisierten Lichtstrahlen ist. Die Schwingungsrichtung oder auch die Auslenkrichtung der Schwingung bezeichnet die Richtung, die senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der elektromagnetischen Welle bzw. der Lichtstrahlen ausgerichtet ist.
-
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung sind die Lichtstrahlen der ersten linearen Polarisationsrichtung p-polarisiert und die Lichtstrahlen der zweiten linearen Polarisationsrichtung s-polarisiert.
-
Die s-polarisierten Lichtstrahlen und die p-polarisierten Lichtstrahlen weisen damit orthogonale Polarisationsrichtungen auf. Der polarisierende Spiegel ist dabei geeignet, s-polarisierte Lichtstrahlen zu transmittieren und p-polarisierte Lichtstrahlen zu reflektieren. Die Anordnung der optischen Diode ist ferner derart ausgeführt, dass sich die lineare Polarisationsrichtung der die optische Verzögerungsplatte zum ersten Mal durchlaufenden Lichtstrahlen von der linearen Polarisationsrichtung der die optische Verzögerungsplatte zum zweiten Mal durchlaufenden Lichtstrahlen unterscheidet. Treffen beispielsweise beim ersten Durchgang p-polarisierte Lichtstrahlen auf die optische Verzögerungsplatte auf, so treten beim zweiten Durchgang s-polarisierte Lichtstrahlen aus der optischen Verzögerungsplatte aus. Dies ist auf die Spiegelung des zirkular polarisierten Lichts bzw. der zirkular polarisierten Lichtstrahlen zwischen dem ersten und dem zweiten Durchgang der Lichtstrahlen durch die optische Verzögerungsplatte zurückzuführen.
-
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist der polarisierende Spiegel ein Nano-Wire-Spiegel.
-
Der polarisierende Spiegel kann auch eine folienartige Struktur aufweisen. Auch eine Verwendung von ein- bzw. mehrschichtigen reflektiven Filmsystemen, wie z. B ein Dual-Brightness-Enhancement-Film (DBEF), ist möglich.
-
Generell ist der polarisierende Spiegel ausgeführt, unpolarisiertes Licht linear zu polarisieren oder polarisiertes Licht entsprechend der Polarisation zu reflektieren oder zu transmittieren. Dabei wird beispielsweise s-polarisiertes Licht transmittiert und p-polarisiertes Licht reflektiert. Der polarisierende Spiegel kann eine gewölbte Fläche mit einer beliebigen Krümmung bzw. Wölbung aufweisen oder auch ein planer oder zylindrischer Spiegel sein. Darüber hinaus sind auch andere Ausführungsformen möglich. Die Form des Spiegels sollte so gestaltet sein, dass Licht aus der Umgebung, z. B. Sonnenlicht, nicht zum Fahrer reflektiert wird und ihn blendet.
-
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist der weitere Spiegel ein asphärischer und/oder ein metallischer und/oder ein dielektrischer Spiegel.
-
Der weitere Spiegel kann eine beliebige Form aufweisen und ist innerhalb der optischen Diode derart angeordnet, dass die von der optischen Verzögerungsplatte kommenden ersten zirkular polarisierten Lichtstrahlen gespiegelt und als zweite zirkular polarisierte Lichtstrahlen zurück zur optischen Verzögerungsplatte reflektiert werden. Die ersten und zweiten zirkular polarisierten Lichtstrahlen unterscheiden sich dabei im jeweiligen Drehsinn. Der Reflexionswinkel zwischen den ersten und zweiten zirkular polarisierten Lichtstrahlen auf dem weiteren Spiegel kann beliebig eingestellt werden, wobei durch kleine Winkel eine höhere Abbildungsqualität erreicht wird. Vorzugsweise ist der Reflexionswinkel ein spitzer Winkel.
-
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ferner eine bildgebende Einheit angegeben, die ausgeführt ist, unpolarisierte Lichtstrahlen auf den polarisierenden Spiegel zu lenken.
-
Die bildgebende Einheit kann eine Anzeigeeinheit sein, die unpolarisiertes Licht erzeugt. Dieses unpolarisierte Licht wird von der bildgebenden Einheit unmittelbar oder mittelbar auf den polarisierenden Spiegel gelenkt, wo es linear polarisiert wird. Das heißt, dass Lichtstrahlen der ersten Polarisationsrichtung reflektiert und Lichtstrahlen der zweiten Polarisationsrichtung transmittiert werden. Der optische Pfad zwischen bildgebender Einheit und polarisierendem Spiegel ist also durch unpolarisiertes Licht gekennzeichnet. Jedoch kann hier auch p-polarisiertes Licht vorliegen, welches durch den polarisierenden Spiegel anschließend vollständig auf die optische Verzögerungsplatte reflektiert werden kann.
-
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist die bildgebende Einheit eine Anzeige mit Dünnschichttransistor-Ansteuerung (TFT-Display) oder eine zwischengelagerte Bildebene.
-
Die bildgebende Einheit kann auch eine Anzeigeeinheit, wie beispielsweise ein Flüssigkeitskristall Display (LCD) oder ein anderer Monitor sein, der unpolarisiertes Licht erzeugt und auf den polarisierenden Spiegel lenkt. Ferner kann auch eine zwischengelagerte Bildebene vorgesehen sein, von der unpolarisiertes Licht auf den polarisierenden Spiegel gelenkt wird. Das heißt, es kann eine bildgebende Einheit vorgesehen sein, die Licht erzeugt und zuerst auf die zwischengelagerte Bildebene lenkt, bevor von der zwischengelagerten Bildebene unpolarisiertes Licht auf den polarisierenden Spiegel gelenkt wird.
-
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist die optische Verzögerungsplatte ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus einer Viertel-Wellen-Verzögerungsplatte oder einer Viertel-Wellen-Verzögerungsfolie.
-
Die Viertel-Wellen-Verzögerungsplatte kann beispielsweise ein Lambda-Viertel-Plättchen sein, welches die Polarisation und die Phase von einfallendem Licht ändern kann. Die Viertel-Wellen-Verzögerungsplatte bzw. Viertel-Wellen-Verzögerungsfolie verzögert das einfallende Licht einer bestimmten Polarisationsrichtung gegenüber polarisiertem Licht einer dazu senkrechten Richtung um Lambda Viertel, wobei Lambda die Wellenlänge der Lichtstrahlen bezeichnet. Eine Viertel-Wellen-Verzögerungsplatte kann aus einem doppelbrechenden Kristall, wie beispielsweise Calcit, bestehen. Ebenso kann eine Viertel-Wellen-Verzögerungsfolie mit der gleichen Funktion vorgesehen sein. Die beschriebene Anordnung kann natürlich auch mehrere optische Verzögerungsplatten vorsehen. Darüber hinaus kann die Form der Verzögerungsplatte eine beliebige Wölbung und Krümmung aufweisen und kann mit der Oberfläche des weiteren Spiegels verbunden sein.
-
Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist ein Fahrzeug mit einem Frontscheibenprojektor und einer Scheibe angegeben. Die Scheibe kann eine Fahrzeugscheibe sein, auf welche das Licht der ersten Richtung gelenkt wird. Der Frontscheibenprojektor kann eine optische Diode aufweisen, die geeignet ist Lichtstrahlen selektiv zu polarisieren. Durch den Frontscheibenprojektor kann ein Bild virtuell über die Scheibe des Fahrzeugs projiziert werden. Über die Scheibe kann dabei so verstanden werden, dass das Licht über die Scheibe zum Fahrer hin gelenkt wird, d. h. die Lichtstrahlen an der Scheibe umgelenkt werden können. Der Fahrer nimmt das virtuelle Bild wahr, als ob dieses hinter die Scheibe über die Motorhaube projiziert wird.
-
Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum selektiven Polarisieren von Lichtstrahlen in einem Frontscheibenprojektor eines Fahrzeugs angegeben. In einem ersten Schritt des Verfahrens wird Licht einer ersten Richtung zur virtuellen Projektion über eine Scheibe des Fahrzeugs transmittiert (S1). In einem weiteren Schritt wird eine Rückreflexion von Licht einer Gegenrichtung zur ersten Richtung mittels Polarisationsselektion verhindert (S2).
-
Gemäß einem Aspekt der Erfindung sind weitere Verfahrensschritte zum selektiven Polarisieren von Lichtstrahlen in einem Frontscheibenprojektor in einem Fahrzeug angegeben. In einem Schritt des Verfahrens werden Lichtstrahlen einer ersten linearen Polarisationsrichtung reflektiert und Lichtstrahlen einer zweiten linearen Polarisationsrichtung transmittiert (S3). In einem weiteren Schritt des Verfahrens werden die reflektierten Lichtstrahlen der ersten linearen Polarisationsrichtung durch die optische Verzögerungsplatte polarisiert, so dass erste zirkular polarisierte Lichtstrahlen entstehen (S4). In einem weiteren Schritt des Verfahrens werden die ersten zirkular polarisierten Lichtstrahlen an einem weiteren Spiegel reflektiert und damit der Drehsinn der ersten zirkular polarisierten Lichtstrahlen umgekehrt, so dass zweite zirkular polarisierte Lichtstrahlen entstehen (S5). Diese Lichtstrahlen können dann nach außen geleitet werden.
-
Das Verfahren kann weitere Schritte aufweisen. Beispielsweise werden in einem weiteren Schritt des Verfahrens die zweiten zirkular polarisierten Lichtstrahlen von der optischen Verzögerungsplatte linear polarisiert, so dass Lichtstrahlen der zweiten linearen Polarisationsrichtung entstehen. Ferner werden in einem weiteren Schritt des Verfahrens die Lichtstrahlen der zweiten linearen Polarisationsrichtung auf die Windschutzscheibe des Fahrzeugs gelenkt.
-
Gemäß einem weiteren Aspekt ist die Verwendung einer optischen Diode in einem Frontscheibenprojektor zur Polarisationsselektion angegeben.
-
Die Erfindung beruht auf selektiver Reflexion von Licht, beispielweise an einem polarisierenden Spiegel, der die Komponente einer Polarisationsrichtung reflektiert und deren komplementäre orthogonale Komponente transmittiert. Bei Änderung des Polarisationszustandes, nach Rückreflexion am weiteren Spiegel zum polarisierenden Spiegel wird der polarisierende Spiegel für die Lichtstrahlen durchlässig und blockiert nicht den weiteren optischen Pfad zur Windschutzscheibe des Fahrzeugs.
-
Kurze Beschreibung der Figuren
-
1 zeigt den optischen Pfad der Lichtstrahlen von der Anzeigeeinheit zur Frontscheibe eines Fahrzeugs in einem Frontscheibenprojektor gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
-
2 zeigt den optischen Pfad von Lichtstrahlen aus der Umgebung in den Fronscheibenprojektor gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
-
3 zeigt ein Flussdiagramm für ein Verfahren zum selektiven Polarisieren von Lichtstrahlen in einem Frontscheibenprojektor eines Fahrzeugs gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
-
Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen
-
1 zeigt einen Fronscheibenprojektor 1 in einem Fahrzeug. Der Frontscheibenprojektor 1 ist beispielsweise ein Head-Up-Display, welches dazu ausgeführt ist, eine optische Abbildung einer Anzeigeeinheit bzw. einer bildgebenden Einheit 3, zum Beispiel eines hinterleuchteten Flüssigkeitskristall-Displays (LCD) über die Windschutzscheibe 7 oder einer zusätzlichen teiltransparenten Combiner-Scheibe virtuell im Sichtfeld des Fahrers zu projizieren. Der Frontscheibenprojektor 1 weist eine bildgebende Einheit 3, einen polarisierenden Spiegel 4, eine optische Verzögerungsplatte 5 und einen weiteren Spiegel 6 auf. Der Frontscheibenprojektor 1 weist ferner ein Gehäuse 2 auf, welches den Bauraum kennzeichnet, innerhalb dem die optischen Bauelemente vorgesehen sind. Ferner umfasst der Frontscheibenprojektor 1 eine Windschutzscheibe 7, über die eine optische Abbildung virtuell in das Sichtfeld des Fahrers projiziert wird. Der polarisierende Spiegel 4, die optische Verzögerungsplatte 5 sowie der weitere Spiegel 6 bilden gemeinsam eine optische Diode. Es sei angemerkt, dass 1 nicht maßstabsgetreu ist.
-
Dazu erzeugt die bildgebende Einheit 3 unpolarisiertes Licht 8, welches von der bildgebenden Einheit 3 unmittelbar auf einen polarisierenden Spiegel 4 gelenkt wird. Von dem polarisierenden Spiegel 4 werden daraufhin Lichtstrahlen einer ersten linearen Polarisationsrichtung 9, d. h. p-polarisiertes Licht, reflektiert, wohingegen Lichtstrahlen einer zweiten linearen Polarisationsrichtung, d. h. s-polarisiertes Licht, vom polarisierenden Spiegel transmittiert werden. Es sei angemerkt, dass Lichtstrahlen der ersten linearen Polarisationsrichtung auch s-polarisiertes Licht und Lichtstrahlen der zweiten linearen Polarisationsrichtung auch p-polarisiertes Licht umfassen können. Mit anderen Worten bedeutet das, dass sich unpolarisiertes Licht 8 durch den polarisierenden Spiegel 4 derart in zwei Komponenten aufteilen lässt, dass die Komponente einer ersten linearen Polarisationsrichtung reflektiert und deren komplementäre orthogonale Komponente vom polarisierenden Spiegel 4 transmittiert bzw. durchgelassen wird. Dabei ist der polarisierende Spiegel 4 von beiden Seiten lichtdurchlässig, so dass sodass auf den polarisierenden Spiegel 4 auftreffendes unpolarisiertes Licht bzw. s-polarisiertes Licht in beide Richtungen durch den polarisierenden Spiegel 4 transmittiert werden kann. Analog kann p-polarisiertes Licht an beiden Seiten des polarisierenden Spiegels 4 reflektiert werden. Der polarisierende Spiegel 4 kann auch eine folienförmige Struktur aufweisen. Jedenfalls ist der polarisierende Spiegel 4 geeignet unpolarisiertes Licht linear zu polarisieren. Der polarisierende Spiegel 4 ist ferner ausgeführt auf ihn auftreffendes unpolarisisertes Licht linear zu polarisieren, egal von welcher Seite es auf ihn auftrifft.
-
Die reflektierten Lichtstrahlen der ersten linearen Polarisationsrichtung 9 werden vom polarisierenden Spiegel 4 in Richtung einer optischen Verzögerungsplatte 5 gelenkt. Die Reflexion der Lichtstrahlen der ersten linearen Polarisationsrichtung 9 an dem polarisierenden Spiegel 4 kann derart erfolgen, dass der Winkel zwischen den Lichtstrahlen des auftreffenden unpolarisierten Lichts 8 und der Lichtstrahlen der ersten linearen Polarisationsrichtung 9 spitz und/oder stumpf ist. Durchlaufen die Lichtstrahlen der ersten linearen Polarisationsrichtung 9, also p-polarisiertes Licht, die optische Verzögerungsplatte 5, so werden die Lichtstrahlen der ersten linearen Polarisationsrichtung 9 zirkular polarisiert. Durch diese zirkulare Polarisation an der optischen Verzögerungsplatte 5, welche beispielsweise ein Lambda-Viertel-Plättchen ist, entstehen erste zirkular polarisierte Lichtstrahlen 10.
-
Die ersten zirkular polarisierten Lichtstrahlen 10 werden anschließend an dem weiteren Spiegel 6 reflektiert, so dass sich der Drehsinn der ersten zirkular polarisierten Lichtstrahlen 10 spiegelt. Der weitere Spiegel 6 ist zum Beispiel ein metallischer Spiegel und/oder weist eine beliebige Form auf. Er kann zum Beispiel ein asphärischer Spiegel sein. Bei der Reflexion der ersten zirkular polarisierten Lichtstrahlen 10 wird der Drehsinn der ersten zirkular polarisierten Lichtstrahlen 10 verändert, so dass zweite zirkular polarisierte Lichtstrahlen 11 entstehen. An dem weiteren Spiegel 6 wird demnach die Polarisationsrichtung der zirkular polarisierten Lichtstrahlen umgekehrt. Der Reflexionswinkel zwischen den Lichtstrahlen des ersten zirkular polarisierten Lichts 10 und den Lichtstrahlen des zweiten zirkular polarisierten Lichts 11 kann ein beispielsweise spitzer Winkel sein. Nach der Reflexion am weiteren Spiegel 6 treffen die zweiten zirkular polarisierten Lichtstrahlen 11 erneut auf die optische Verzögerungsplatte 5. An der optischen Verzögerungsplatte 5 werden die zweiten zirkular polarisierten Lichtstrahlen 11 linear polarisiert, so dass Lichtstrahlen der zweiten linearen Polarisationsrichtung 12 entstehen. Die Lichtstrahlen der zweiten linearen Polarisationsrichtung 12 werden auch als s-polarisiertes Licht bezeichnet.
-
Anschließend werden die Lichtstrahlen der zweiten linearen Polarisationsrichtung 12 vom polarisierenden Spiegel 4 transmittiert, da der polarisierende Spiegel 4 ausgeführt ist, s-polarisiertes Licht zu transmittieren. Beim Durchgang der Lichtstrahlen der zweiten linearen Polarisationsrichtung 12 durch den polarisierenden spiegel 4 erfolgt keine Änderung der Polarisation, sodass die Lichtstrahlen der zweiten linearen Polarisationsrichtung 12 das Gehäuse 2 des Frontscheibenprojektors 1 bzw. des Head-Up-Displays verlassen und auf die Windschutzscheibe 7 des Fahrzeugs gelenkt werden. Es sei angemerkt, dass die Projektion auch über/mit jeder anderen Fahrzeugscheibe erfolgen kann. Beispielsweise ist auch eine Projektion über/mit einer Seitenscheibe des Fahrzeugs möglich.
-
Der optische Pfad des Lichts in der optischen Diode zeigt, dass der polarisierende Spiegel 4 zum einen zur Reflexion von Lichtstrahlen einer ersten linearen Polarisationsrichtung 9 und zum anderen zur Transmission von Lichtstrahlen der zweiten linearen Polarisationsrichtung 12 genutzt wird. Ebenso wird die optische Verzögerungsplatte 5 in zwei unterschiedlichen Richtungen von Lichtstrahlen durchlaufen. Durch den Einsatz der optischen Diode ist es daher möglich die Strecke zwischen den beiden Spiegeln doppelt als optischen Pfad zu nutzen und somit den Bauraumbedarf für Head-Up-Display-Optiken zu verringern.
-
2, die ebenfalls nicht maßstabsgetreu ist, zeigt den optischen Pfad von aus der Umgebung des Fahrzeugs in den Fronscheibenprojektor 1 eindringenden Lichtstrahlen 14. Dabei gelangen zum Beispiel Lichtstrahlen einer externen Lichtquelle 21 in den Frontscheibenprojektor hinein. In der Regel ist ein solches aus der Umgebung stammendes Licht unpolarisiert. Die eindringenden Lichtstrahlen 14 werden am polarisierenden Spiegel 4 in eindringende Lichtstrahlen einer ersten linearen Polarisationsrichtung 15 und eindringende Lichtstrahlen einer zweiten linearen Polarisationsrichtung 16 aufgeteilt, wobei die eindringenden Lichtstrahlen der ersten linearen Polarisationsrichtung 15, also das p-polarisierte Licht, am polarisierenden Spiegel 4 in die Umgebung zurück reflektiert werden und die eindringenden Lichtstrahlen der zweiten linearen Polarisationsrichtung 16, also s-polarisiertes Licht, vom polarisierenden Spiegel 4 transmittiert werden. Der polarisierende Spiegel 4 ist dabei derart ausgerichtet, dass der Fahrer nicht durch zurückreflektierte Lichtstrahlen geblendet wird.
-
Treffen die eindringenden Lichtstrahlen der zweiten linearen Polarisationsrichtung 16 auf die optische Verzögerungsplatte 5 so werden die eindringenden Lichtstrahlen der zweiten linearen Polarisationsrichtung 16 zirkular polarisiert, so dass erste eindringende zirkular polarisierte Lichtstrahlen 17 entstehen. Die ersten eindringenden zirkular polarisierten Lichtstrahlen 17 werden am weiteren Spiegel 6 reflektiert, wobei der Drehsinn der ersten eindringenden zirkular polarisierten Lichtstrahlen 17 gespiegelt bzw. umgekehrt wird. Durch die Reflexion am weiteren Spiegel 6 entstehen aus den ersten eindringenden zirkular polarisierten Lichtstrahlen 17 zweite eindringende zirkular polarisierte Lichtstrahlen 18, die auf die optische Verzögerungsplatte 5 reflektiert werden. Beim Durchlaufen der zweiten eindringenden zirkular polarisierten Lichtstrahlen 18 durch die optische Verzögerungsplatte 5 werden diese wiederum linear polarisiert, so dass eindringende Lichtstrahlen der ersten linearen Polarisationsrichtung 19, also p-polarisiertes Licht, entstehen. Die eindringenden Lichtstrahlen der ersten linearen Polarisationsrichtung 19 können dann vom polarisierenden Spiegel 4 reflektiert werden, da der polarisierende Spiegel 4 ausgeführt ist, p-polarisiertes Licht zu reflektieren. Vom polarisierenden Spiegel 4 wird das eindringende s-polarisierte Licht 20 beispielsweise an die Innenwandung des Gehäuses 2 reflektiert, so dass die eindringenden Strahlen im Gehäuse absorbiert werden können. Ferner kann das vom polarisierenden Spiegel 4 reflektierte p-polarisierte Licht 20 auch auf die bildgebende Einheit 3 reflektiert werden, wodurch es ebenfalls zu einer Absorption des eindringenden p-polarisierten Lichts 20 kommt.
-
Mit dieser Anordnung der optischen Elemente kann also eine Rückreflexion von aus der Umgebung in den Fronscheibenprojektor 1 eindringendem Licht verhindert werden, womit eine Blendung des Fahrers durch reflektierte Lichtstrahlen des Frontscheibenprojektors 1 vermieden werden kann.
-
3 zeigt ein Flussdiagramm für ein Verfahren zum selektiven Polarisieren von Lichtstrahlen in einem Frontscheibenprojektor eines Fahrzeugs. In einem Schritt des Verfahrens wird Licht einer ersten Richtung zur Projektion über eine Scheibe des Fahrzeugs von einer bilderzeugenden Einheit durch eine optische Diode des Fahrzeugs transmittiert (S1). In einem weiteren Schritt des Verfahrens wird eine Rückreflexion von Licht einer Gegenrichtung zur ersten Richtung mittels Polarisationsselektion durch die optische Diode des Fahrzeugs verhindert (S2).
-
In einem weiteren Ausführungsbeispiel basierend auf 3 sind weitere Verfahrensschritte angegeben, die das in 3 gezeigte Verfahren ergänzen bzw. weiterführen können. In einem weiteren Schritt des Verfahrens werden Lichtstrahlen einer ersten linearen Polarisationsrichtung 9 reflektiert und Lichtstrahlen einer zweiten linearen Polarisationsrichtung transmitteiert (S3). In einem weiteren Schritt des Verfahrens werden die reflektierten Lichtstrahlen der ersten linearen Polarisationsrichtung 9 durch die optische Verzögerungsplatte 5 polarisiert, so dass erste zirkular polarisierte Lichtstrahlen 10 entstehen (S4). In einem weiteren Schritt des Verfahrens werden die ersten zirkular polarisierten Lichtstrahlen 10 am weiteren Spiegel 6 reflektiert und damit der Drehsinn der ersten zirkular polarisierten Lichtstrahlen 10 umgekehrt, so dass zweite zirkular polarisierte Lichtstrahlen 11 entstehen (S5).
-
Durch den zusätzlichen Einsatz von Polarisationsoptiken, wie beispielsweise der polarisierende Spiegel 4 und die optische Verzögerungsplatte 5, wird es ermöglicht, den optischen Pfad im Inneren des Head-Up-Displays zwischen dem polarisierenden Spiegel 4 und dem weiteren Spiegel 6 doppelt zu nutzen und somit den Bauraumbedarf für die Abbildungsoptik zu verringern.
-
Darüber hinaus wird durch die selektive Reflexion am polarisierenden Spiegel 4 bzw. am Faltspiegel ermöglicht, dass der Einfalls- bzw. Reflexionswinkel der Strahlen ausgehend von der bildgebenden Einheit 3 am weiteren Spiegel 6 beliebig klein sein kann, ohne dass der polarisierende Spiegel 4 den Strahlengang blockiert und damit die Größe des virtuellen Bildes oder der Austrittspupille bzw. Eyebox einschränkt.
-
Außerdem werden von außen kommende Lichtstrahlen, zum Beispiel Sonnenlicht, beim Auftreffen auf den polarisierenden Spiegel 4 teils reflektiert. Bei geeigneter Ausrichtung des polarisierenden Spiegels 4 führt dies nicht zu einer Blendung des Fahrers. Die relevantere transmittierte Komponente des Lichts durchläuft die optische Diode im Inneren des Gehäuses 2 des Head-Up-Displays und wird daher nicht in Richtung des Fahrers, also in seine Augen, zurück reflektiert, sondern im Inneren des Head-Up-Displays an geschwärzten Oberflächen des Gehäuses 2 absorbiert.
-
Ergänzend sei darauf hingewiesen, dass „umfassend“ und „aufweisend“ keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und „eine“ oder „ein“ keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkungen anzusehen.
