DE102015001930A1

DE102015001930A1 - Anzeigevorrichtung für ein Fahrzeug

Info

Publication number: DE102015001930A1
Application number: DE102015001930.9A
Authority: DE
Inventors: Heiko Charle; Peter Brandt; Georg Bauer
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2015-02-13
Filing date: 2015-02-13
Publication date: 2016-08-18
Also published as: US9784970B2; US20160238840A1; CN105892052A

Abstract

Eine Anzeigevorrichtung umfasst eine lichtdurchlässige Scheibe, insbesondere die Windschutzscheibe (2) eines Kraftfahrzeugs, eine in die Scheibe (2) über eine Kante (4) derselben einstrahlende schmalbandige Lichtquelle (6, 8, 9) und eine in der Scheibe (2) ausgebildeten, das Licht der Lichtquelle (6, 8, 9) zum Auge (22) eines Fahrers beugenden periodischen Struktur (3).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anzeigevorrichtung, die insbesondere in einem Kraftfahrzeug einsetzbar ist, um einem Fahrer des Kraftfahrzeugs Informationen anzuzeigen.
Aus DE 10 2004 016 808 A1 ist eine Anzeigevorrichtung bekannt, die die Windschutzscheibe eines Kraftfahrzeugs als Anzeigeschirm nutzt. Bei dieser herkömmlichen Anzeigevorrichtung sind über einen wesentlichen Teil der Fahrzeugscheibe Anzeigeelemente verteilt, denen jeweils über einen Lichtleiter Licht einer am Rand der Scheibe angeordneten Lichtquelle zugeleitet wird. Damit das Licht einer solchen Lichtquelle das Auge eines Fahrzeuglenkers erreicht, muss es in den Anzeigeelementen gestreut werden. Die Anzeigeelemente sollen in nicht beleuchtetem Zustand die Sicht des Fahrzeuglenkers nicht behindern. Deswegen sollen sie Strukturen umfassen, die so klein sind, dass sie in nicht beleuchtetem Zustand vom menschlichen Auge nicht gesehen werden können. Derartige Strukturen wirken auf Umgebungslicht jedoch in gleicher Weise wie auf Licht der Lichtquelle, nämlich in dem sie es streuen. Insofern erscheint die Scheibe in den Augen des Fahrers am Ort eines Anzeigeelements zwangsläufig getrübt. Die Trübung ist umso stärker, je deutlicher das Anzeigeelement bei gegebener Beleuchtungsstärke der Lichtquelle sein soll, d. h. je dichter die lichtstreuenden Strukturen sind. Um eine gute Sichtbarkeit des Anzeigeelements bei gleichzeitig geringer Trübung der Scheibe zu erreichen, muss die Dichte der lichtstreuenden Strukturen gering sein, und dementsprechend muss die Lichtquelle, die das Anzeigeelement beleuchtet, eine hohe Lichtstärke aufweisen. Dies führt zu hohem Energiebedarf, außerdem können an den Rändern der Scheibe irritierende Lichtreflexe auftreten, wenn ein großer Teil des Lichts sich in der Scheibe ausbreitet, ohne von einem Anzeigeelement nach außen gestreut zu werden.
Eine Aufgabe der Erfindung ist, eine Anzeigevorrichtung mit einer lichtdurchlässigen Scheibe zu schaffen, die ein hohes Maß an Sichtbarkeit auch bei geringer Lichtstärke einer Lichtquelle erreicht.
Die Aufgabe wird einer Ausgestaltung der Erfindung zu Folge gelöst, indem bei einer Anzeigevorrichtung mit einer lichtdurchlässigen Scheibe eine in die Scheibe über eine Kante derselben einstrahlende der Lichtquelle schmalbandig ausgeführt ist und in der Scheibe eine das Licht der Lichtquelle beugende periodische Struktur ausgebildet ist. Mit einer solchen Struktur kann das Licht der Lichtquelle gezielt und mit hoher Effizienz in eine Richtung abgelenkt werden, aus der es gesehen werden soll, andererseits bleibt breitbandiges Umgebungslicht, das die Scheibe passiert, weitestgehend ungestreut, so dass die Sichtbarkeit der periodischen Struktur, wenn sie nicht von der Lichtquelle beleuchtet ist, tatsächlich wirksam minimiert ist.
Als periodische Struktur kommt insbesondere ein Liniengitter in Betracht.
Wenn in der periodischen Struktur Bereiche mit unterschiedlichem Brechungsindex miteinander abwechseln, kann eine Lichtbeugung bei gleichzeitig minimaler Absorption erreicht werden, außerdem begünstigt eine solche Struktur die Ausbreitung des Lichts der Lichtquelle in der Scheibe, wobei nacheinander eine Vielzahl von Bereichen mit unterschiedlichem Brechungsindex durchlaufen werden.
Um das Licht der Lichtquelle zu der periodischen Struktur zu leiten, kann die Scheibe wenigstens einen planaren Wellenleiter umfassen, der zwischen zwei Mantelschichten eingebettet ist. Der Wellenleiter ist planar, um das Licht zwar quer zur Ebene der Scheibe gebündelt zu halten, gleichzeitig aber eine Ausbreitung über die Breite der Scheibe hinweg zuzulassen, so dass eine einzelne Lichtquelle eine quer zu ihrer Hauptstrahlrichtung ausgedehnte periodische Struktur in der Scheibe beleuchten kann.
Die Mantelschichten haben im Allgemeinen einen höheren Brechungsindex als der planare Wellenleiter, um das Licht im planaren Wellenleiter durch totale interne Reflektion zu leiten.
Die periodische Struktur kann an einer an den planaren Wellenleiter angrenzenden Oberfläche einer Mantelschicht oder in dem planaren Wellenleiter selbst ausgebildet sein, wobei die zweite Alternative hier bevorzugt ist.
Es können mehrere periodische Strukturen mit unterschiedlicher Periode auf der Scheibe überlappen.
Jeder dieser mehreren periodischen Strukturen kann eine Lichtquelle zugeordnet sein, wobei die wellenähnliche Lichtquelle so an die Periode der zugeordneten periodischen Struktur angepasst ist, dass die periodischen Strukturen Licht der jeweils zugeordneten Lichtquelle in eine gleiche Richtung beugen. So können einem Benutzer, der die Anzeigevorrichtung aus dieser Richtung betrachtet, verschiedenfarbige Lichtsignale an der gleichen Stelle der Scheibe angezeigt werden.
Des Weiteren können wenigstens zwei voneinander beabstandete periodische Strukturen an der Scheibe gebildet sein, so dass auch anhand des Orts, an dem aus der Sicht des Benutzers eine periodische Struktur auf der Scheibe aufleuchtet, dem Benutzer eine Information vermittelt werden kann. Auch hier sollte jeder der wenigstens zwei periodischen Strukturen einer Lichtquelle zugeordnet sein, wobei die Wellenlänge jeder Lichtquelle so an die Periode der zugeordneten periodischen Struktur angepasst ist, dass an den periodischen Strukturen gebeugte Strahlen einander kreuzen. Wenn das Auge des Benutzers sich an diesem Kreuzungspunkt befindet, können die mehreren periodischen Strukturen gleichzeitig wahrgenommen werden.
Einer bevorzugten Anwendung zu Folge ist die Scheibe als Windschutzscheibe eines Fahrzeugs ausgebildet.
Die wenigstens eine periodische Struktur sollte dann Licht in Richtung des Kopfes eines Fahrers beugen.
Wenn die wenigstens eine periodische Struktur symmetrisch bezüglich einer Spiegelung an der Ebene der Scheibe ist, dann wird Licht mit der gleichen Intensität, mit der es in Richtung des Kopfes des Fahrers gebeugt wird, auch ins Freie abgelenkt und geht so nutzlos verloren. Durch eine geeignete Asymmetrie der periodischen Struktur bezüglich einer Spiegelung an der Ebene der Scheibe kann der ins Freie gebeugte Anteil zugunsten des zum Kopf des Fahrers hin gebeugten Anteils minimiert werden.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren. Es zeigen:
1 eine schematische Ansicht von Frontscheibe und Armaturenbrett eines mit einer erfindungsgemäßen Anzeigevorrichtung ausgestatteten Kraftfahrzeugs;
2 einen unteren Rand der Windschutzscheibe in einer vergrößerten schematischen Darstellung;
3 einen schematischen Schnitt durch die Windschutzscheibe gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung;
4 einen zu 3 analogen schematischen Schnitt gemäß einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung; und
5 eine zu 1 analoge Ansicht gemäß einer dritten Ausgestaltung der Erfindung.
1 zeigt aus der Perspektive eines Fahrers eine schematische Ansicht eines Armaturenbretts 1 und einer Windschutzscheibe 2 eines Kraftfahrzeugs. Eine periodische Struktur in Form eines Liniengitters 3 ist in der Windschutzscheibe 2 benachbart zu deren unterer Kante 4, in Geradeaus-Blickrichtung des Fahrers, jenseits eines Lenkrads 5 angeordnet. Schmalbandige monochromatische LEDs, die über die untere Kante 4 Licht in die Windschutzscheibe 2 einstrahlen, sind unter der unteren Kante 4 der Windschutzscheibe 2 im Armaturenbrett 1 verborgen.
2 zeigt in einer vergrößerten schematischen Darstellung den unteren Randbereich der Windschutzscheibe 2 mit dem Liniengitter 3 und einer Mehrzahl von LEDs 6, die entlang der Kante 4 verteilt angeordnet sind, um über die Kante 4 monochromatisches Licht in die Windschutzscheibe 2 einzustrahlen. Der Abstand der Linien des Liniengitters 3 ist so gewählt, dass in erster Ordnung gebeugtes Licht der LEDs 6 sich vom Liniengitter 3 aus sich zu den Augen des Fahrers hin, d. h. in einer xz-Ebene des Fahrzeugs in leicht nach hinten ansteigender Richtung ausbreitet.
Während das Licht der LEDs 6 durch Reflexion an Grenzschichten der Windschutzscheibe 2 auf dem Weg von der unteren Kante 4 bis zum Liniengitter 3 in einer zur Scheibenoberfläche senkrechten Richtung eng gebündelt bleibt, ist eine solche Bündelung in der Ebene der Scheibe 2 nicht vorgesehen; wie durch gestrichelt dargestellte Lichtkegel 7 in 2 angedeutet, kann sich das Licht in der Ebene der Scheibe 2 seitwärts frei ausbreiten, so dass eine begrenzte Zahl von jeweils beabstandet voneinander angeordneten LEDs 6 ausreicht, um das Liniengitter 3 auf seiner gesamten Ausdehnung gleichmäßig auszuleuchten, und zwischen den LEDs 6 Platz für weitere LEDs 8, 9 bleibt, die monochromatisches Licht mit anderen Wellenlängen als die LEDs 6 abstrahlen.
3 zeigt einen schematischen Längsschnitt durch die Windschutzscheibe 2. Die Schnittebene verläuft senkrecht zu den Linien des Liniengitters 3 durch eine der LEDs 6. Das Liniengitter 3 ist in einer planaren Wellenleiterschicht 10 aus Kunststoff gebildet, die zwischen zwei Mantelschichten 11 aus Mineralglas eingebettet ist. Um das Licht der LEDs in der Wellenleiterschicht 10 eingeschlossen zu halten, ist deren Brechungsindex niedriger als der der Deckschichten 11. Windschutzscheiben mit einer Sandwichstruktur, bei der eine zähe Kunststoffschicht zwischen zwei Mineralglasschichten eingebettet ist, sind als Sicherheitsglas bekannt und im Kraftfahrzeugbau allgemein verbreitet. Die Kunststoffschicht eines solchen Sicherheitsglases kann erfindungsgemäß genutzt werden, um darin das Liniengitter 3 zu bilden.
Licht der LEDs 6, das nicht am Liniengitter 3 gebeugt wird, breitet sich in der Wellenleiterschicht 10 weiter aus, bis es an einer oberen Kante 19 der Scheibe 2 einen Absorber 20 erreicht. Der Absorber 20 kann durch eine Schicht schwarzer Farbe an der oberen Kante 19 gebildet sein, der vorzugsweise am Boden einer Nut, zum Beispiel einer den Rand der Windschutzscheibe 2 einfassenden Dichtung 21, angeordnet ist, um einen eventuellen Widerschein des Absorbers 20 von den Augen des Fahrers und anderer Verkehrsteilnehmer abzuschatten.
Die Linien des Liniengitters 3 sind hier durch quer zur Schnittebene langgestreckte Zonen 12, 13 gebildet, wobei der Brechungsindex der Zonen 12 vom Brechungsindex des umgebenden Kunststoffmaterials der Wellenleiterschicht 10 abweicht. Solche Zonen 12 können beispielsweise erhalten werden, wenn die Wellenleiterschicht 10 während des Aushärtens zwei sich kreuzenden und dabei ein Interferenzmuster entsprechend der Anordnung der Zonen 12 in der Wellenleiterschicht 10 erzeugenden Laserstrahlen ausgesetzt ist.
In 3 sind die Zonen 12 jeweils mit einem in Bezug auf eine Spiegelung an einer zur Oberfläche der Windschutzscheibe 2 parallelen Ebene asymmetrischen, hier rautenförmigen Querschnitt ausgebildet. Wenn die Zonen 12 in Bezug auf die Ausbreitungsebene des Lichts in der Windschutzscheibe 2 symmetrisch wären, dann wäre ein gebeugter Strahl 14, der sich von der Windschutzscheibe 2 aus ins Freie ausbreitet, genauso stark wie der unter einem gleich großen Winkel wie der Strahl 14 gegen die ursprüngliche Ausbreitungsrichtung des Lichts in der Wellenleiterschicht 10 abgelenkte, das Auge 22 des Fahrers treffende Strahl 15. Die Asymmetrie erlaubt es, den Strahl 15 stärker als den Strahl 14 zu machen und so das Licht der LEDs 6 effizient zu nutzen.
Die Zonen 12 könnten sich über die gesamte Stärke der Wellenleiterschicht 10, von einer Mantelschicht 11 zur anderen, erstrecken, um einen intensiven gebeugten Strahl 15 zu erhalten.
Bei der Ausgestaltung der 3 sind die Zonen 12 jedoch nur auf eine Oberfläche der Wellenleiterschicht 10 beschränkt, an der gegenüberliegenden Oberfläche befinden sich Zonen 16, 17 eines Liniengitters 18 mit kürzerer Periode als der des Liniengitters 3. Die Periode des Liniengitters 18 ist auf die Wellenlänge der LEDs 8 (s. 2) abgestimmt, um deren Licht in gleicher Richtung wie den Strahl 15, zum Auge 22 des Fahrers, zu beugen. Auf diese Weise können auf der aus Sicht des Fahrers gleichen Fläche der Windschutzscheibe 2 zwei Signale in unterschiedlichen Farben angezeigt werden.
Da das Licht sich in der Wellenleiterschicht 10 nicht exakt oberflächenparallel ausbreitet, sondern verschiedene Ausbreitungsmodi existieren, in denen es sich unter jeweils unterschiedlichen, kleinen Winkeln zur Oberfläche der Wellenleiterschicht 10 fortpflanzt, ist auch das gebeugte Licht nicht exakt in Richtung des Strahls 15 gebündelt, sondern der Strahl 15 gibt allenfalls die Richtung maximaler Intensität des gebeugten Lichts an; sichtbar ist es, wenn auch mit geringerer Intensität, auch noch aus einer Augenposition, die von der gezeigten nach oben oder unten abweicht.
4 zeigt eine Weiterbildung der Ausgestaltung von 3, bei der sich an beiden Oberflächen der Wellenleiterschicht 10 Liniengitter mit unterschiedlichen Perioden abwechseln. Im hier betrachteten Fall sind Liniengitter 3, 18, 23 mit drei unterschiedlichen Perioden vorgesehen, die jeweils auf Wellenlängen der LEDs 6, 8, 9 an der unteren Kante 4 der Windschutzscheibe 2 abgestimmt sind, um deren Licht in erster Ordnung auf das Auge 22 des Fahrers zu beugen. Die in der Figur durch Schraffur hervorgehobenen Liniengitter 3 befinden sich jeweils abwechselnd an Innen- und Außenseite der Wellenleiterschicht 10 und überlappen jeweils zum Teil mit einem Liniengitter 18 und einem Liniengitter 23 an der jeweils gegenüberliegenden Seite der Wellenleiterschicht 10. Wenn die verschiedenen Liniengitter 3, 18, 23 einander in hinreichend enger Staffelung abwechseln, scheint jedes von ihnen aus der Entfernung, mit den Augen 22 des Fahrers betrachtet, eine homogen leuchtende Fläche zu bilden.
Die Wellenlängen der LEDs 6, 8, 9 können jeweils im roten, gelben und grünen Spektralbereich ausgewählt sein, um je nach Farbe dem Fahrer ein Warnsignal mit unterschiedlichen Dringlichkeitsstufen zu vermitteln. Denkbar ist auch, rote, grüne und blaue LEDs zu verwenden, um durch gleichzeitiges Betreiben aller LEDs vor den Augen 22 des Fahrers eine weiß leuchtende Fläche erscheinen zu lassen oder um durch selektives Betreiben verschiedener LEDs 6, 8, 9, ggf. mit abgestuft variablen Intensitäten, Lichtsignale in beliebigen Farbtönen zu erzeugen.
5 zeigt eine zu 1 analoge Ansicht gemäß einer Weiterentwicklung der Erfindung, bei der mehrere Liniengitter 3, ggf. wie oben beschrieben mit Liniengittern 18, 23 mit abweichenden Linienabständen überlappend, über die Breite der Windschutzscheibe 2 hinweg verteilt sind. Eine strichpunktierte Linie bezeichnet eine vertikale Ebene 24, die durch eine hinter dem Lenkrad 5 verborgene LED verläuft und in der sich Licht dieser LED ausbreitet, zunächst innerhalb der Windschutzscheibe 2 durch das mittlere Liniengitter 3, und nach Beugung am Liniengitter 3, in Richtung des Fahrers zu dessen Auge 22 ausbreitet. Die linienförmigen Zonen 12, 13 des mittleren Gitters 3 stehen auf der Ebene 24 senkrecht.
Entsprechend kann auch den außermittigen Liniengittern 3', 3'', ... jeweils eine Ebene 24', 24'',... zugeordnet werden, in der sich das Licht von den diesen Liniengittern 3', 3'', ... zugeordneten LEDs 6 ausbreiten muss, um das Auge des Fahrers zu erreichen. Um eine effiziente Beugung zwischen den Augen des Fahrers zu erreichen, haben alle diese Liniengitter 3', 3'', ... Linien 12, die auf den entsprechenden Ebenen 24', 24'', ... senkrecht stehen.
Es versteht sich, dass die obige detaillierte Beschreibung und die Zeichnungen zwar bestimmte exemplarische Ausgestaltungen der Erfindung darstellen, dass sie aber nur zur Veranschaulichung gedacht sind und nicht als den Umfang der Erfindung einschränkend ausgelegt werden sollen. Diverse Abwandlungen der beschriebenen Ausgestaltungen sind möglich, ohne den Rahmen der nachfolgenden Ansprüche und deren Äquivalenzbereich zu verlassen. Insbesondere gehen aus dieser Beschreibung und den Figuren auch Merkmale der Ausführungsbeispiele hervor, die nicht in den Ansprüchen erwähnt sind. Solche Merkmale können auch in anderen als den hier spezifisch offenbarten Kombinationen auftreten. Die Tatsache, dass mehrere solche Merkmale in einem gleichen Satz oder in einer anderen Art von Textzusammenhang miteinander erwähnt sind, rechtfertigt daher nicht den Schluss, dass sie nur in der spezifisch offenbarten Kombination auftreten können; stattdessen ist grundsätzlich davon auszugehen, dass von mehreren solchen Merkmalen auch einzelne weggelassen oder abgewandelt werden können, sofern dies die Funktionsfähigkeit der Erfindung nicht in Frage stellt.
Bezugszeichenliste

1: Armaturenbrett
2: Scheibe
3: Periodische Struktur, Liniengitter
4: untere Kante
5: Lenkrad
6: LED
7: Lichtkegel
8: LED
9: LED
10: Wellenleiterschicht
11: Mantelschicht
12: linienförmige Zone
13: linienförmige Zone
14: gebeugter Strahl
15: gebeugter Strahl
16: linienförmige Zone
17: linienförmige Zone
18: Liniengitter
19: obere Kante
20: Absorber
21: Dichtung
22: Auge
23: Liniengitter
24: Ebene

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102004016808 A1 [0002]

Claims

Anzeigevorrichtung mit einer lichtdurchlässigen Scheibe (2), einer in die Scheibe (2) über eine Kante (4) derselben einstrahlenden schmalbandigen Lichtquelle (6, 8, 9) und einer in der Scheibe (2) ausgebildeten, das Licht der Lichtquelle (6, 8, 9) beugenden periodischen Struktur.
Anzeigevorrichtung nach Anspruch 1, bei der die periodische Struktur ein Liniengitter (3, 18, 23) ist.
Anzeigevorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der in der periodischen Struktur Bereiche (12, 13) mit unterschiedlichem Brechungsindex miteinander abwechseln.
Anzeigevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Scheibe (2) wenigstens einen planaren Wellenleiter (10) umfasst, der zwischen zwei Mantelschichten (11) eingebettet ist.
Anzeigevorrichtung nach Anspruch 4, bei der die periodische Struktur in dem planaren Wellenleiter (10) ausgebildet ist.
Anzeigevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der mehrere periodische Strukturen (3, 18, 23) mit unterschiedlicher Periode auf der Scheibe (2) überlappen.
Anzeigevorrichtung nach Anspruch 6, bei der jeder der mehreren periodischen Strukturen (3, 18, 23) eine Lichtquelle (6, 8, 9) zugeordnet ist und die Wellenlänge jeder Lichtquelle (6, 8, 9) so an die Periode der zugeordneten periodischen Struktur (3, 18, 23) angepasst ist, dass die periodischen Strukturen (3, 18, 23) Licht der zugeordneten Lichtquellen in eine gleiche Richtung beugen.
Anzeigevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der wenigstens zwei voneinander beabstandete periodische Strukturen (3, 18, 23) an der Scheibe (2) gebildet sind und jeder der wenigstens zwei periodischen Strukturen (3, 3', 3'') eine Lichtquelle (6) zugeordnet ist, wobei die Wellenlänge jeder Lichtquelle (6) so an die Periode der zugeordneten periodischen Struktur (3, 3', 3'') angepasst ist, dass an den periodischen Strukturen (3, 3', 3'') gebeugte Strahlen einander kreuzen.
Anzeigevorrichtung, bei der die Scheibe (2) als Windschutzscheibe (2) eines Fahrzeugs ausgebildet ist.
Anzeigevorrichtung nach Anspruch 9, bei der die wenigstens eine periodische Struktur (3, 3', 3'', 18, 23) Licht in Richtung des Auges (22) eines Fahrers beugt.
Anzeigevorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, bei der die wenigstens eine periodische Struktur (3, 18) asymmetrisch bezüglich einer Spiegelung an der Ebene der Scheibe (2) ist.