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Die vorliegende Erfindung liegt auf dem Gebiet der situationsbasiert angepassten Informationsdarstellung in Fahrzeugen mittels eines Head-Up Displays, das für den Fahrer wahrzunehmende Informationsinhalte als virtuelle Bilder in den Sicht- und Wahrnehmungsbereich des Fahrers projiziert, wobei die dargestellte Information und/oder die Projektion in Abhängigkeit von momentanen Begebenheiten verändert werden.
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Die Darstellung des virtuellen Bildes erfolgt durch Abstrahlung eines Bildsignals von einer Emissionseinheit und mehrfache Reflexion des Signals auf einem gefalteten Projektionspfad, wobei die letzte Reflexion im direkten Sichtfeld des Fahrers erfolgt, sodass sich das projizierte Bildsignal dem Sichtbereich des Fahrers überlagert, insbesondere an der Windschutzscheibe oder an einer sogenannten Combiner-Scheibe. Der Verlauf des Projektionspfads ist durch die Steuerung der Orientierung zumindest eines beweglichen Reflektors in der Head-Up Displayeinheit beeinflussbar.
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Technologie zur situationsadaptiven Darstellung von Bildinhalten. Dies können statische Bildinhalte sein sowie Bildinhalte, die situationsangepasst mit der Sicht auf reale Objekte in der Außenumgebung überlagert werden (im Folgenden als Reality-Overlay Bildinhalte oder als Augmented Reality Bildinhalte bezeichnet).
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Aus
JP 2008 155 720 A ist ein Head-Up Display bekannt, bei dem die Anzeigeposition eines virtuellen Bildes an die Sichtlinie (Blickgerade) eines Fahrers angepasst wird. Die Darstellung im Head-Up Display wird ausschließlich in Abhängigkeit von der momentanen Augen-Position des Fahrers angepasst. Die Augen-Position wird über eine in das Head-Up System integrierte Kamera ermittelt. Eine Anpassung des virtuellen Bildes erfolgt nur unter der Voraussetzung, dass die Ist-Position des virtuellen Bildes von einer berechneten optimalen SollPosition des virtuellen Bildes um einen Mindestabstand und für eine Mindestdauer abgewichen ist. Mit anderen Worten wird eine Adaption erst deutlich nach der Erfassung einer bereits aufgetretenen zeitlichen und räumlichen Abweichung des virtuellen Bildes von einer grundsätzlich bekannten Idealposition vorgenommen. Hierdurch sollen eine zu häufige Veränderung des virtuellen Bildes vermieden und der Energieverbrauch der Head-Up Displayeinheit verringert werden. Die zeitliche Verzögerung führt allerdings auch zu einer mäßigen Dynamik des Systems.
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JP 2009 113 710 A offenbart ein Head-Up Display, bei dem zwei Höhenpositionen für ein virtuelles Bild manuell durch den Fahrer eingestellt werden können. Das Head-Up Display wählt während der Fahrt eine dieser voreingestellten Höhen aus, um eine Bildinformation anzuzeigen. Die Auswahl erfolgt basierend auf einer Information über den Typ der befahrenen Straße, welche von einem Navi bezogen wird, und der momentanen Geschwindigkeit des Fahrzeugs. Aus diesen Informationen wird eine Schätzung über die Sichtlinie des Fahrers vorgenommen.
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In
US 2004 0 178 894 A1 ist das Grundkonzept der situationsadaptiven Darstellung einer Reality-Overlay Information in der Art einer Aufgabenstellung genannt. Eine Veränderung der Anzeigeposition des virtuellen Bildes soll kontinuierlich in Abhängigkeit von einer kamerabasierten Erfassung der Position der Augen durchgeführt werden. Für diese Anpassung soll die Krümmung der Windschutzscheibe mit beachtet werden. Es ist nicht angegeben, durch welche Mittel und nach welcher Methode die Anzeigeposition des virtuellen Bildes geändert werden soll.
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DE 10 2012 001 951 A1 /
WO 2013 113 347 A1 offenbart ein Head-Up Display zur kontaktanalogen Darstellung von Bildinformationen wie Abbiegepfeilen im Sichtfeld des Fahrers. Die Anzeige soll ausschließlich unter Kompensation der Eigenbewegung des Fahrzeugs verändert werden, wobei auch eine Vorausschau auf zu erwartende Eigenbewegungen berücksichtigt wird. Eine solche Vorausschau kann auf Basis von Sensoren (Front-Kamera), Navigationsdaten, Mitteilungen per Fahrzeug-zu-Fahrzeug Kommunikation oder einer Datenbank erfolgen, in der momentan erfasste Eigenbewegungen für spätere Fahrten auf demselben Weg abgespeichert werden. Durchführbare Anpassungen des Bildinhalts sind eine Verschiebung in Hoch- und/oder Querrichtung, eine zumindest bereichsweise Vergrößerung und/oder Verkleinerung und eine Drehung der Bildinformation. Ferner soll eine Verzerrung der Bildinformation infolge der geänderten Perspektive auf eine Oberfläche kompensiert werden, wobei nicht ausgeführt ist, welche Oberfläche gemeint ist. Es sind keine Mittel angegeben, durch welche die besagten Anpassungen berechnet oder vorgenommen werden können.
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DE 10 2009 019 945 A1 offenbart ein Headup-Display eines Fahrzeugs mit einer Bildanpassung und Bildverarbeitung, um Verzerrungseffekte zu kompensieren, die durch eine gegebene Windschutzscheibenform eingeführt werden. Ein Bildprozessor ist vorgesehen, um Originalbilddaten auf eine variable Weise in angepasste Bilddaten zu transformieren. Die Transformation erfolgt durch eine oder mehrere anpassbare Eigenschaften oder Parameter des HUD-Systems und auf eine vom Benutzer initiierte Anforderung hin. Die Anforderung kann insbesondere ein Befehl zur Verstellung eines Spiegels sein, durch den eine Bildzielfläche an der Windschutzscheibe ausgewählt wird, damit das reflektierte Bild den Sichtbedürfnissen eines speziellen Fahrers gerecht wird. Durch die Anpassung sei es nicht notwendig, dass die Eyebox verschiedene Sichtwinkel und Sichtlinien berücksichtigt.
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US 2013 / 0 188 259 A1 offenbart ein Head-up Display mit zwei Displayvorrichtungen, einem Reflexionsspiegel und einem optischen Vergrößerungselement, das im optischen Pfad zwischen dem Reflexionsspiegel und dem Fahrer angeordnet ist. Der Reflexionsspiegel ist translatorisch entlang einer optischen Axis verschiebbar, um die wahrgenommene Größe und wahrgenommene Entfernung eines virtuellen Bildes zu ändern.
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EP 2 713 197 A1 offenbart ein Head-up Display mit einem Lichtgenerator, der kollimiertes Licht auf einen Diffusor projiziert, um dort ein reales Bild zu erzeugen. Im weiteren Verlauf hinter dem Diffusor sind ein oder mehrere statisch angeordnete Reflexionsspiegel vorgesehen, um das vom Diffusor abgestrahlte Bildsignal zu einem Betrachter zu projizieren. Zwischen dem Lichtgenerator und dem Diffusor ist ein erstes optisches Subsystem gebildet und zwischen dem Diffusor und dem Betrachter ist ein zweites optisches Subsystem gebildet. Durch eine Bewegung des Lichtgenerators, der eine Optik enthält, ist die Größe des Bildes auf dem Diffusor veränderbar.
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DE 10 2015 109 027 A1 offenbart ein Head-Up Displayeinheit für ein Fahrzeug zur Erzeugung eines virtuellen Bildes im Sichtfeld des Fahrers auf die Fahrzeugumgebung. Die Displayeinheit umfasst eine Emissionseinheit zur Erzeugung und Abstrahlung eines Bildsignals, das auf einem mehrfach gefalteten Projektionspfad (PP) in den Sichtbereich des Fahrers projiziert wird. Der Fahrer nimmt das projizierte Bildsignal als das virtuelle Bild wahr. Die Displayeinheit umfasst mindestens einen beweglichen Reflektor, der einen Teil des Projektionspfads (PP) beeinflusst.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Head-Up Displayeinheit für ein Fahrzeug aufzuzeigen, die eine bessere Anpassung der dargestellten Bildinformationen an die momentane Situation ermöglicht, wobei insbesondere Einflüsse des Fahrzeugs, der Umgebung und des Fahrers gemeinsam berücksichtigt werden.
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Gemäß der vorliegenden Offenbarung ist eine Kombination der Veränderung des Projektionspfads mit einer Modifizierung des abgestrahlten Bildsignals gegenüber einem Bildsignal im Rohzustand vorgesehen. Durch eine Bewegung des Reflektors sind erhebliche Veränderungen der Darstellungsposition des virtuellen Bildes möglich. Dasselbe gilt für eine Verschiebung der Eimissionseinheit entlang der Abstrahlrichtung bzw. entlang des Projektionspfads. Allerdings entstehen durch die Krümmung der Windschutzscheibe oder der Combiner-Scheibe Verzerrungen, die dazu führen können, dass das virtuelle Bild nicht oder nicht im gesamten Bereich der Überlagerung mit dem Sichtfeld des Fahrers korrekt wahrgenommen wird.
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Die Darstellung des virtuellen Bildes ist im Rahmen der vorliegenden Offenbarung zusätzlich zu der Veränderung der Reflektor-Orientierung durch eine Modifikation des abgestrahlten Bildsignals veränderbar. Diese Veränderung bewirkt zumindest einen Ausgleich der Verzerrungen, die infolge der Krümmung der Windschutzscheibe entstehen. Darüber hinaus können weitere vorteilhafte Veränderungen des Bildsignals vorgenommen werden, beispielsweise um leichte Änderungen der Augen-Position zu kompensieren.
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Alternativ oder zusätzlich ist die Darstellung des virtuellen Bildes im Rahmen der vorliegenden Offenbarung durch eine translatorische Verschiebung der Emissionseinheit veränderbar. Die Verschiebung bewirkt zumindest eine Verlängerung oder Verkürzung eines Teils des Projektionspfads, der sich zwischen der Emissionseinheit und dem beweglichen Reflektor erstreckt. Durch die körperliche Verschiebung der Emissionseinheit wird die vom Fahrer wahrgenommene Position des virtuellen Bildes in Längsrichtung seiner Blickgeraden, d.h. der wahrgenommene Abstand des virtuellen Bildes vom Auge des Fahrers, verändert. Das virtuelle Bild kann also als weiter vom Fahrer entfernt oder näher am Fahrer liegend dargestellt werden.
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Durch die Kombination der gesteuerten Bewegung des Reflektors mit der Modifikation des Bildsignals können Fehldarstellungen vermieden werden, die auf verschiedenen Ursachen beruhen können, insbesondere auf einer Änderung der Augen-Position und zusätzlich auf einer Änderung des momentanen Fahrzeug-Zustands, wie beispielsweise einem Nicken oder Wanken, und/oder einer Änderung der Fahrzeug-Umgebung, wie beispielsweise einem steigenden oder fallenden Terrain.
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Eine Modifikation des Bildsignals kann alternativ oder zusätzlich eingesetzt werden, um unerwünschte Darstellungsänderungen infolge einer Verschiebung der Emissionseinheit zu kompensieren.
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Bei größeren Verschiebungen der Emissionseinheit kann es ggfs. zu unerwünschten optischen Effekten kommen, insbesondere zu Unschärfen in der Darstellung des virtuellen Bildes. Die Head-Up Displayeinheit kann eine zusätzliche Optik zur Kompensation solcher unerwünschten optischen Effekte, die aus der Bewegung der Emissionseinheit resultieren, aufweisen. Die zusätzliche Optik kann beliebig ausgebildet sein, insbesondere in Form einer beweglichen Linse oder eines beweglichen Linsensystems. Alternativ oder zusätzlich kann die zusätzliche Optik durch ein Objektiv mit veränderlicher Brennweite gebildet sein.
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Die Displayeinheit weist bevorzugt einen Satz von Anpassungsregeln mit vordefinierten Parametern für die Ansteuerung des beweglichen Reflektors und die Veränderung des abgestrahlten Bildsignals auf. Alternativ oder zusätzlich können Anpassungsregeln für die Verschiebung der Emissionseinheit und ggfs. die Einstellung oder Bewegung der zusätzlichen Optik vorgesehen sein.
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Die Anpassungsregeln sind bevorzugt in einem Regelspeicher abgelegt. Es können unterschiedliche Sätze von Anpassungsregeln vorgesehen sein, die jeweils von einem bestimmten Referenz-Zustand ausgehende Veränderungen der Augen-Position, des Fahrzeug-Zustands und der Fahrzeugumgebung mit Parametern für die Bewegung des Reflektors, die Verschiebung der Emissionseinheit, die Einstellung oder Verschiebung einer zusätzlichen Optik und/oder für die Modifikation des Bildsignals korrelieren, welche durch die Änderung notwendig werden, um eine korrekte Einblendung der Bildinformation in das Sichtfeld zu erreichen.
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Die Anpassungsregeln können in einer geordneten Datenstruktur abgelegt sein, insbesondere in Form eines Kennfeldes und/oder in Form von Funktionen. Derartige Funktionen können als Näherungs-Polynome vorliegen, die die lokalen Abweichungen der optischen Brechung im Projektionspfad gegenüber einem Basisfall beschreiben oder kompensieren. Die Funktionen können entsprechend lokal notwendige Modifikation des Bildsignals beschreiben, die sich aus der lokal unterschiedlichen Krümmung der Windschutzscheibe oder der Combiner-Scheibe, der momentanen Ausrichtung des beweglichen Reflektors, der momentanen Position der Emissionseinheit bzw. der Länge des Projektionspfads, und der momentanen Augen-Position ergeben.
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Bevorzugt können allerdings im Vorfeld berechnete Kennfelder verwendet werden, die mit deutlich höherer Geschwindigkeit zur Bildung von Steuerwerten ausgelesen werden können.
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Nachfolgend wird unter dem Begriff eines Parameters in einer Anpassungsregel eine beliebige Art der mathematischen Zuordnung von Eingangswerten über die aktuelle Situation zu den Steuerwerten verstanden, welche eine Bewegung des Reflektors und/oder eine Bewegung der Emissionseinheit und/oder eine Einstellung oder Bewegung einer zusätzlichen Optik, eine Modifizierung des Bildsignals festlegen. Eine kompensatorische Einstellung oder Bewegung einer der zusätzlichen Optik kann allein anhand der momentanen oder geplanten Position der Emissionseinheit erfolgen. Alternativ oder zusätzlich können auch Steuerwerte für die Einstellung oder Bewegung einer zusätzlichen Optik in einer Anpassungsregel enthalten sein.
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Eine durchzuführende Anpassung der Darstellung des virtuellen Bildes wird bevorzugt gemäß einem sensorisch erfassten Fahrzeug-Zustand und/oder einem erfassten Zustand der Fahrzeugumgebung und zusätzlich gemäß einer sensorisch erfassten Augen-Position bestimmt. Es ist dabei insbesondere vorgesehen, dass die vorgenannten erfassten Zustände gemeinsam die aktuelle Situation beschreiben und als Eingangswerte einer Anpassungsregel zugeführt werden, um die besagten Steuerwerte zu ermitteln.
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Eine durchzuführende Verschiebung der Emissionseinheit wird bevorzugt gemäß einer Fahrsituation, insbesondere gemäß einem sensorisch erfassten und/oder antizipierten Fahrzeug-Zustand und/oder einem erfassten Zustand der Fahrzeug-Umgebung und ggfs. zusätzlich gemäß einer sensorisch erfassten Augen-Position bestimmt, insbesondere gemäß der Augen-Position in Längsrichtung des Fahrzeugs.
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Die besagten Zustände (insbesondere der erfasste Fahrzeug-Zustand und die erfasste Augen-Position) oder deren zeitlicher Verlauf können ferner verwendet werden, um eine Anpassungsregel auszuwählen und die Bewegung des Reflektors, die Verschiebung der Emissionseinheit, die Anpassung oder Bewegung einer zusätzlichen Optik sowie die Modifikation des Bildsignals gemäß den Parametern in dieser ausgewählten Anpassungsregel vorzunehmen.
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Die Verwendung von vordefinierten Anpassungsregeln hat mehrere Vorteile. Einerseits wird nur eine vergleichbar geringe Rechenleistung benötigt, um das virtuelle Bild im Sichtfeld des Fahrers an die momentane Situation anzupassen und eine korrekte Überlagerung der Bildinhalte mit den realen Objekten in der Fahrzeugumgebung zu ermöglichen. Die in den Anpassungsregeln enthaltenen Parameter können im Vorfeld für verschiedene Szenarien berechnet und abgelegt werden. Die Berechnung kann unter Berücksichtigung der komplexen optischen Darstellungsregeln für eine Vielzahl von möglichen Augen-Positionen innerhalb des Fahrzeugs erfolgen und muss nicht in Echtzeit durchgeführt werden.
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Ferner ist eine systematische Trennung zwischen der Erzeugung der Bildinhalte, die sich auf den darzustellenden Inhalt beziehen (Bildsignal im Rohzustand) und den Transformationen möglich, die sich auf die notwendige Form der Darstellung beziehen. Es ist also beispielsweise möglich, ein erstes Basis-Koordinatensystem für die Erzeugung eines Bild-Signals im Rohzustand zu definieren sowie ein zweites Koordinatensystem für die tatsächlich erforderliche Darstellung des virtuellen Bildes in der jeweiligen Situation.
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Durch die Anpassungsregeln kann eine Transformation zwischen den vorgenannten Koordinatensystemen in einem separaten Prozess durchgeführt werden. Mit anderen Worten ist es möglich, anzuzeigende Bildinhalte unter Berücksichtigung der Relation zwischen der Fahrzeug-Umgebung und dem Fahrzeug für das Basis-Koordinatensystem zu erzeugen. Dafür kann ein Basis-Fall angenommen werden, in dem der Fahrzeug-Zustand, der Zustand der Fahrzeugumgebung und die Augen-Position als statische Größen angenommen werden.
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Notwendige Anpassungen der Darstellung des virtuellen Bildes, die sich aus einer Abweichung der tatsächlichen Situation von diesem Basis-Zustand und bspw. einer Veränderung der optischen Brechung ergeben, können in einem separaten Schritt vorgenommen werden. Auf diese Weise wird die Komplexität der insgesamt erforderlichen Transformationen erheblich reduziert und die notwendigen Rechenoperationen können auf zwei oder mehr separat ausführbare Prozesse verteilt werden.
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Die Verschiebung der Emissionseinheit kann bevorzugt in Abhängigkeit von einer erfassten und/oder antizipierten Fahrsituation erfolgen. Bei Fahrten mit hoher Geschwindigkeit und größeren Abständen zwischen Folgefahrzeugen kann eine weiter entfernte Darstellung von virtuellen Bildinhalten für den Fahrer bevorzugt sein. Bei Fahrten mit geringerer Geschwindigkeit und geringeren Abständen zwischen Folgefahrzeugen ist überwiegend eine nahe gelegene Darstellung vorteilhaft.
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Der Blick des Fahrers ist bei schneller Fahrt und/oder bei großem Abstand zu relevanten benachbarten Verkehrsteilnehmern und Umfeld-Objekten zumeist mehr auf die Ferne gerichtet. Weiter entfernt dargestellte Informationen im virtuellen Bild können dann leichter und schneller wahrgenommen werden, weil sich das Auge des Fahrers nicht oder in geringerem Umfang beim Blick auf das virtuelle Bild oder dessen Bestandteile akkommodieren muss. Mit anderen Worten vereinfacht sich die Nah-Fern-Akkommodation für das Auge des Fahrers oder sie kann vollständig entfallen, wenn das virtuelle Bild oder dessen Teile mit einer lateralen Position eingeblendet werden, die dem Blickverhalten des Fahrers angepasst ist.
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Es ist jedoch nicht unbedingt notwendig, alle Bildinhalte, insbesondere alle Reality-Overlay Bildinhalte genau mit einem solchen lateralen Abstand zum Fahrer anzuzeigen, der dem realen Abstand des zugehörigen Objekts zum Fahrer entspricht. Positive Effekte werden bereits bei einer Annäherung der lateralen Darstellungsposition an den realen Abstand erreicht. Durch perspektivische Darstellung der anzuzeigenden Information, d.h. des Reality-Overlay-Bildinhalts, kann die Zuordenbarkeit der Information durch den Fahrer weiter verbessert werden.
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Augmented Reality-Bildinhalte, wie beispielsweise situationsadaptiv eingeblendete Abbiegehinweise, werden bei Fahrten mit höherer Geschwindigkeit in der Regel mit einem größeren Voraus-Abstand angezeigt, und bei Fahren mit geringerer Geschwindigkeit mit geringerem Voraus-Abstand. Der Fahrer will sich in der Regel mit einer gewissen Vorlaufzeit auf eine bevorstehende Abbiege-Situation einstellen und ein entsprechender Hinweis soll optisch kongruent zu dem entfernten Abbiegebereich angezeigt werden. Infolge der unterschiedlichen Fahrgeschwindigkeit entspricht die Vorlaufzeit unterschiedlichen Darstellungsabständen. Auch hier ist es hilfreich, wenn bei schneller Fahrt das virtuelle Bild als weiter vom Fahrer entfernt erscheint, damit die Überdeckung der eingeblendeten Information mit der tatsächlichen Fahrzeug-Umgebung möglichst frühzeitig und korrekt erfolgen kann.
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Durch eine Modifikation des abgestrahlten Bildes an der Emissionseinheit sind zusätzliche bereichsweise Anpassungen der wahrgenommenen lateralen Position des virtuellen Bildes möglich (Auge-Bild-Abstand), die im Weiteren als Mikro-Positionsänderungen bezeichnet werden. Eine Verschiebung der Emissionseinheit insgesamt ermöglicht (in Kombination mit der optischen Brechung im Projektionspfad, insbesondere der Vergrößerung am gekrümmten Spiegel) demgegenüber deutlich größere Veränderungen der wahrgenommenen lateralen Position. Diese werden nachfolgend als Makro-Positionsänderungen bezeichnet. Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung ist vorgesehen, dass die laterale Darstellungsposition des virtuellen Bildes oder einzelner Bildanteile in Abhängigkeit von der momentanen und/oder antizipierten Fahrsituation angepasst wird. Für diese Anpassung können Mikro-Positionsänderungen und Makro-Positionsänderungen in beliebiger Weise jeweils einzeln oder in Kombination ausgeführt werden.
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Durch die Anpassungsregeln kann eine gegenseitige Abstimmung bzw. Kompensation zwischen der Mikro-Positionsänderung und der Makro-Positionsänderung erreicht werden, die den unterschiedlichen Anforderungen der jeweiligen Fahrsituation bzw. der Übergänge zwischen Fahrsituationen Rechnung tragen. Beispielsweise kann die Makro-Positionsänderung (infolge einer Verschiebung der Emissionseinheit) in einem ersten Schritt in Abhängigkeit von der (absoluten) Geschwindigkeit des Fahrzeugs oder zusätzlich von der relativen Veränderung der Geschwindigkeit des Fahrzeugs erfolgen. Grundlage für die Änderung kann bevorzugt eine Kombination aus der momentan erfassten Geschwindigkeit und einer antizipierten Geschwindigkeitsänderung sein, die in Anbetracht der momentanen oder bevorstehenden Fahrsituation zu erwarten ist (Global-Anpassung). Diese Anpassung kann vergleichsweise mäßig oder träge erfolgen, d.h. bei geringen Änderungsgeschwindigkeiten für die Verschiebung der Emissionseinheit und eine etwaige Einstellung oder Bewegung der zusätzlichen Optik. Insbesondere kann bei globalen Übergangen der Fahrsituation (Stadtverkehr vs. Überlandfahrten vs. Autobahnfahrten etc.) eine Grund-Verschiebung der lateralen Position des virtuellen Bildes im Makro-Bereich erfolgen. Dieser Makro-Verschiebung können ggfs. zusätzliche Verschiebungen im Mikro-Bereich überlagert werden, die mit höherer ÄnderungsGeschwindigkeit ausgeführt werden und stärker von momentanen Aspekten der Fahrsituation abhängen.
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Eine Mikro-Positionsänderung kann beispielsweise von der momentanen Augen-Position des Fahrers abhängig sein, insbesondere von der Augen-Position in Längsrichtung des Fahrzeugs. Ferner kann eine Mikro-Positionsänderung von der Fahrzeug-Umgebungssituation abhängig sein, also bspw. von der realen Entfernung des Fahrzeugs zu einem Umgebungs-Objekt, auf das sich eine anzuzeigende Information beziehen soll.
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Mit anderen Worten können Makro-Positionsänderungen zur Anpassung der Darstellung des virtuellen Bildes an längerfristige Änderungen der Fahrsituation ausgeführt werden, denen Mikro-Positionsänderungen zur Anpassung an momentane Fahrsituation überlagert werden.
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Eine spezielle Anwendung sieht vor, dass für bestimmte Fahrsituationen Grund-Entfernungen festgelegt sind. Für Fahrten im Stadtverkehr, insbesondere in Wohngebieten, auf Parkplätzen etc., kann beispielsweise ein Nahfeld-Bereich definiert sein, während für Überlandfahrten ein Mittelfeld-Bereich und für Autobahnfahrten ein Fernfeld-Bereich definiert sind. Durch die Vorgabe dieser Grund-Entfernungen können jeweils maximale und minimale laterale Positionen für einen virtuellen Bildinhalt festgelegt sein, die mit entsprechenden maximalen und minimalen Anordnungspositionen der Emissionseinheit korrelieren. Ein Wechsel zwischen den Grund-Entfernungen kann in Abhängigkeit von globalen Änderungen der Fahrsituation erfolgen. Einer Grund-Entfernung kann also eine Basis-Verschiebung der Emissionseinheit zugeordnet sein, insbesondere in einen definierten PositionsBereich, innerhalb dessen weitere Fein-Verschiebungen erfolgen können.
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In Abhängigkeit von dem aktuellen Geschwindigkeitsniveau des Fahrzeugs und/oder der aktuellen RelativGeschwindigkeit zu relevanten Verkehrsobjekten und/oder dem Fahrzeugabstand (insb. dem Abstand des Eigen-Fahrzeugs zum Vorderfahrzeug) und/oder der realen Entfernung eines Objekts, auf das sich eine darzustellende Information beziehen soll, kann innerhalb der Grund-Entfernung eine Feinanpassung der Darstellungsposition erfolgen, insbesondere durch eine überlagerte Verschiebung der Emissionseinheit.
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In Abhängigkeit von den sonstigen ermittelten Zuständen, insbesondere der Augen-Position des Fahrers, kann nochmals überlagert die Mikro-Anpassung der lateralen Darstellungsposition des virtuellen Bildes erfolgen, insbesondere durch Modifikation der abgestrahlten Bildinhalte und deren perspektivische Darstellung.
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In den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie der beigefügten Zeichnung sind weitere vorteilhafte Ausbildungen der Head-Up Displayeinheit gemäß der vorliegenden Offenbarung erläutert.
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Die Erfindung ist in den Zeichnungen beispielhaft und schematisch dargestellt. Es zeigen:
- 1: eine Querschnittsdarstellung eines Fahrzeugs mit einer Head-Up Displayeinheit;
- 2: Eine vergrößerte Darstellung einer Head-Up Displayeinheit mit einer beweglichen Emissionseinheit;
- 3: Eine alternative Ausführungsform einer Head-Up Displayeinheit mit einer zusätzlichen Optik.
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Nachfolgend wird zunächst eine Head-Up Displayeinheit (10) gemäß 1 mit einer fest installierten Emissionseinheit (20) erläutert. Alle hierzu beschriebenen oder gezeigten Merkmale können in beliebiger Weise mit der nachfolgend unter Bezug auf 2 und 3 beschriebenen Head-Up Displayeinheit (10) mit einer verschieblichen Emissionseinheit (20) kombiniert werden.
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Aus Gründen der vereinfachten Darstellung wird nachfolgend eine Head-Up Displayeinheit (10) gezeigt und beschrieben, die ein Bildsignal (18) auf einem gefalteten Projektionspfad (PP) über einen fest installierten Flachspiegel (21) und einen beweglichen Reflektor (22) in Richtung einer Windschutzscheibe (16) abstrahlt. Alle hierzu beschriebenen und gezeigten Merkmale können in derselben Form oder in entsprechend angepasster Form auf eine Head-Up Displayeinheit (10) übertragen werden, die eine andere Führung des Projektionspfads (PP) vorsieht und ggfs. mehr oder weniger Faltungen aufweist. Die Abstrahlung kann alternativ in Richtung einer Combiner-Scheibe oder eines beliebigen anderen Reflexions-Mediums im direkten Blickfeld oder Sichtfeld (13) des Fahrers (12) erfolgen.
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1 zeigt im oberen Bereich eine Querschnittsdarstellung durch den vorderen Teil eines Fahrzeugs (11). Im Innenraum des Fahrzeugs befindet sich ein Fahrer (12), der durch eine Windschutzscheibe (16) auf die frontale Umgebung des Fahrzeugs (11) blickt. Das Sichtfeld (13) des Fahrers auf die Fahrzeugumgebung umfasst einen mit gestrichelten Linien dargestellten Teilbereich, in dem ein virtuelles Bild (15) dem Sichtfeld (13) überlagert ist.
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Links oben in 1 ist beispielhaft das Sichtfeld (13) mit der Überlagerung des virtuellen Bilds bzw. der für den Fahrer wahrnehmbaren Bildinhalte skizziert. Innerhalb des Sichtfelds des Fahrers sind ferner das Lenkrad des Fahrzeugs und eine Grenzkontur des Armaturenbretts sowie der Windschutzscheibe erkennbar. Das virtuelle Bild (15) kann statische Bildinhalte (bspw. momentane Geschwindigkeit des Fahrzeugs, Geschwindigkeitsbeschränkung, Navigationshinweise, Warnungen, Infotainment-Informationen etc.) sowie Reality-Overlay Inhalte (objektbezogene Hinweise, perspektivisch angepasste Abbiegepfeile etc.) umfassen, die im Weiteren unterschieden werden.
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Die Head-Up Displayeinheit (10) gemäß der vorliegenden Offenbarung ist in dem Fahrzeug (11) in einem Bereich unterhalb der Windschutzscheibe (16) angeordnet, insbesondere fest in das Armaturenbrett eingebaut. Die Head-Up Displayeinheit (10) verfügt über eine Emissionseinheit (20), die ein Bildsignal (18) abstrahlt. Das Bildsignal (18) wird in dem gezeigten Beispiel über einen mehrfach gefalteten Projektionspfad (PP) in das Sichtfeld (13) des Fahrers (12) projiziert. Alternativ oder zusätzlich kann eine Brechung oder Krümmung des Projektionspfads durch entsprechende optische Mittel vorgesehen sein.
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Der Aufbau der Head-Up Displayeinheit kann beliebig gewählt sein. In dem gezeigten Beispiel erfolgt eine erste Brechung des abgestrahlten Bildsignals (18) an einem Flachspiegel (21), der das Bildsignal weiter auf den beweglichen Reflektor (22) wirft.
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Der bewegliche Reflektor (22) ist in dem gezeigten Beispiel ein gekrümmter Spiegel, insbesondere ein Vergrößerungsspiegel (Hohlspiegel). Die Krümmung des Reflektors (22) kann dazu angepasst sein, einen Teil der Verzerrungen zu kompensieren, die sich aus der mehrdimensionalen Krümmung der Windschutzscheibe (16) ergeben. Mit anderen Worten kann die Krümmung des beweglichen Reflektors (22) an die Krümmung der Windschutzscheibe (16) und/oder an eine zu erreichende Vergrößerung des Bildsignals angepasst sein. Eine solche angepasste Krümmung wird in der Regel für eine bestimmte Augen-Position (14) berechnet und vorgegeben, welche für eine Vielzahl von Fahrsituationen als relevant angesehen wird - also beispielsweise für den oben genannten Basis-Fall.
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Wenn sich die momentane Augen-Position (14) von der Position gemäß dem Basis-Fall unterscheidet, werden die Krümmungen der Windschutzscheibe und des beweglichen Reflektors (22) zu einer Projektion führen, die gegenüber dem Basis-Fall verändert ist und insbesondere werden in verschiedenen lokalen Bereichen des virtuellen Bildes (15) unterschiedliche Verzerrungen auftreten.
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Auch für die Orientierung des Reflektors nach dem Basis-Fall kann ein statischer Wert angenommen werden. Diese Orientierung kann beispielsweise in Bezug auf die angenommene statische Augen-Position eine in Vertikalrichtung (V) und Horizontalrichtung (H) korrekte Überlagerung des virtuellen Bildes (15) mit der realen Umgebung ergeben.
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Wenn die tatsächliche Augen-Position (14) abweicht, wird der Fahrer das virtuelle Bild (15) nicht in der korrekten Lage wahrnehmen, und es ist erforderlich, die Orientierung des Reflektors (22) derart zu verändern, dass das virtuelle Bild in Bezug auf die tatsächliche Augen-Position in vertikaler und/oder horizontaler Richtung verschoben wird. Dabei wird jedoch der Projektionspfad (PP) einen gegenüber dem Basisfall abweichenden Teilbereich der Windschutzscheibe (16) treffen, und demzufolge wird das Bildsignal (18) nach veränderten Bedingungen in das Sichtfeld (13) projiziert, sodass es ebenfalls zu lokalen Verzerrungen des virtuellen Bild (15) kommt.
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Im unteren Bereich von 1 ist links ein Bildsignal (18') im Rohzustand dargestellt, welches durch die Modifizierung gemäß der Parameter in einer Anpassungsregel (19) in ein abgestrahltes Bildsignal (18) transformiert wird. Das Bildsignal (18') im Rohzustand kann beispielsweise für den oben genannten Basis-Fall, d.h. beispielsweise für ein Basis-Koordinatensystem in an sich bekannter Weise erzeugt werden. Das tatsächlich abgestrahlte Bildsignal (18) ist gegenüber dem Bildsignal (18') im Rohzustand derart verändert, dass zumindest die oben genannten lokalen Verzerrungen kompensiert werden.
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Hierzu werden lokale kompensierende Modifikationen an den Inhalten des Bildsignals (18') im Rohzustand vorgenommen. Diese kompensierenden Modifikationen sind in Form von Parametern in einer Anpassungsregel (19) gespeichert und können gemäß der momentanen Situation abgerufen werden.
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In dem in 1 gezeigten Beispiel sind in dem Bildsignal (18') im Rohzustand mehrere Rasterpositionen (30) definiert, die beispielsweise eine Position von lokalen Bildinhalten in dem Basis-Koordinatensystem wiedergeben. Diese Rasterpositionen (30) können einzeln, in Gruppen oder insgesamt gemäß der Anpassungsregel (19) verschoben werden. Mit anderen Worten wird eine lokale Verformung oder Verzerrung herbeigeführt, welche die lokalen Bildinhalte in das für die momentane Situation erforderliche Koordinatensystem überführt. Dabei wird eine lokale Verzerrung von einem oder mehreren zwischen den Rasterpositionen (30) eingeschlossenen Teilabschnitten (31) definiert.
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Bei dem in 1 dargestellten Beispiel wird ein Teilabschnitt (31) rechts unten im Bildsignal (18') in den verzerrten Teilabschnitt (31*) transformiert. Die Art der Transformation wird dabei über die lokale Verschiebung der Rasterpositionen (30) im Bildsignal (18') im Rohzustand zur veränderten Rasterposition (30*) im abgestrahlten Bildsignal (18) definiert.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante kann die erforderliche Transformation jeweils eines Teilabschnitts (31) oder von Gruppen von Teilabschnitten (31) in separaten Prozessen durchgeführt werden. Mehrere solche Prozesse können parallel durchgeführt werden, so dass die gesamte Modifikation der Bildinhalte auch bei beschränkter Leistung eines einzelnen Prozessors in Echtzeit durchführbar ist.
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Eine oder mehrere Anpassungsregeln (19) sind bevorzugt für vordefinierte Szenarien bestimmt. Ein Szenario umfasst in mathematischer Hinsicht eine strukturierte Aggregation von Werten. Im Hinblick auf die Verwendung dient ein Szenario zur Beschreibung einer häufig auftretenden Änderung der Situation, die eine Anpassung des virtuellen Bildes notwendig macht.
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Für je ein definiertes Szenario kann ein Satz von Anpassungsregeln definiert sein. Die Werte sind bevorzugt in der Form einer Wertematrix angegeben, die eine zu erwartende Änderung der Situation beschreiben. Dies können insbesondere eine Änderung des Fahrzeug-Zustands und/oder eine Änderung des Zustands der Fahrzeugumgebung und zusätzlich eine Änderung der Augen-Position sein.
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Szenarien sind in vielfältiger Weise festlegbar. Beispielsweise kann ein Szenario für eine Kurvenfahrt festgelegt werden. Eine zu erwartende Änderung der Augen-Position (14) kann in dem Szenario in Abhängigkeit von einer momentanen Geschwindigkeit des Fahrzeugs und einem Krümmungsradius der momentan befahrenen Kurve beschrieben sein. Wenn beispielsweise anhand von Navigationsdaten ermittelt wird, dass ein Fahrzeug in Kürze in eine Kurvenfahrt übergehen wird, kann das vorgenannte Szenario identifiziert und ein Satz zugehöriger Anpassungsregeln ausgewählt werden. Innerhalb des Satzes kann eine momentan zu verwendende Anpassungsregel auf Basis der momentanen Situation ausgewählt werden.
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In der ausgewählten Anpassungsregel ist dann ein für dieses Szenario und den momentanen Ausgangszustand beschränkter Satz an Parametern enthalten, der die für dieses Szenario wesentlichen situativen Bedingungen bzw. Änderungen abdeckt, insbesondere eine zu erwartende Änderung des Fahrzeug-Zustands und/oder eine zu erwartende Änderung des Zustands der Fahrzeugumgebung und eine voraussichtliche Änderung der Augen-Position. Innerhalb dieses beschränkten Umfangs kann eine Bestimmung der Steuerwerte für die Bewegung des Reflektors (22) und die Modifikation des Bildsignals (18) deutlich schneller erfolgen, als wenn alle möglichen Zustände berücksichtigt werden müssten.
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Es ist nicht immer sinnvoll, die Darstellung des virtuellen Bildes (15) sofort an eine erfasste Änderung der Situation anzupassen, d.h. in Echtzeit und bei maximaler Anpassungsdynamik. Wenn beispielsweise der Fahrer (12) nur kurzzeitig den Kopf bewegt, um in einen Seiten- oder Rückspiegel zu blicken, verändert sich zwar die momentane Augen-Position (40). Allerdings wird der Fahrer (12) während dieses Spiegel-Blicks seine Aufmerksamkeit nicht auf das frontale Sichtfeld (13) richten, und er würde nicht davon profitieren, wenn die Darstellung des virtuellen Bildes (15) in diesen Moment angepasst würde. Ferner könnte wegen der sehr schnellen Veränderung der Augen-Position (14) eine ebenfalls sehr schnelle Anpassung des virtuellen Bildes den Fahrer (12) ablenken.
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Ebenso wird der Fahrer bei einem kurzfristigen Überfahren einer Bodenwelle, die zu einer Nickbewegung des Fahrzeugs führt, aus welcher das Fahrzeug jedoch sofort in die vorherige Lage zurückkehrt, nicht unbedingt von einer Anpassung der Darstellung des virtuellen Bildes (15) profitieren.
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Gemäß einem eigenständigen Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist vorgesehen, dass eine Anpassungsregel (19) für eine Anpassung der Darstellung des virtuellen Bildes (15) eine beschränkte Änderungsgeschwindigkeit definiert. Die Beschränkung der Änderungsgeschwindigkeit kann in verschiedener Weise erfolgen. Einerseits kann eine maximale Änderungsgeschwindigkeit festgelegt sein, durch die sichergestellt wird, dass ein Bildinhalt nicht sprunghaft seine Position ändert, sodass der Fahrer nicht den Überblick verliert oder abgelenkt wird. Alternativ oder zusätzlich kann eine minimale Änderungsgeschwindigkeit definiert sein und/oder ein Mindest-Schwellenwert für eine absolute Änderung der Horizontal- oder Vertikal-Veränderung eines Bildinhalts. Eine solche untere Beschränkung kann beispielsweise dazu führen, dass nur wesentliche Änderungen der Situation in eine tatsächliche Anpassung der Darstellung umgesetzt werden. Hierdurch wird für den Fahrer der Eindruck vermieden, die angezeigten Bildinhalte würden ständig schwimmen.
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Die Beschränkung der Änderungsgeschwindigkeit kann besonders bevorzugt für unterschiedliche Bildinhalte separat festgelegt sein. Für statische Bildinhalte kann bevorzugt eine vergleichsweise hohe Mindestgeschwindigkeit und/oder eine vergleichsweise niedrige Maximalgeschwindigkeit definiert sein. Derartige statische Inhalte werden demzufolge vergleichsweise träge angepasst und/oder eine Anpassung erfolgt nur im Fall von erheblichen Änderungen der momentanen Situation.
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Statische Inhalte können also beispielsweise während einer längeren Autobahnfahrt infolge der größeren Fahrtgeschwindigkeit des Fahrzeugs und dem weiter nach vorne gerichteten Blick des Fahrers verhältnismäßig höher im Sichtbereich (13) platziert werden. Bei Fahrten in der Stadt und/oder bei geringen Geschwindigkeiten mit kleineren Abständen zu einem Vorderfahrzeug können die statischen Inhalte hingegen an einer niedrigeren Position platziert werden, um nicht die Sicht des Fahrers auf die Umgebung zu beeinträchtigen.
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Reality-Overlay Inhalte (wie beispielsweise die Hervorhebung von identifizierten Tieren oder Personen auf der Straße oder am Fahrbahnrand, die Einblendung von situationsadaptierten Navigationshinweisen etc.), die einen direkten Bezug zu einem realen Objekt in Sichtfeld des Fahrers haben sollen, können demgegenüber deutlich schneller angepasst werden, wobei auch auf geringfügige Änderung der Situation reagiert wird. Dementsprechend können für Reality-Overlay Bildinhalte vergleichsweise niedrige Minimalgeschwindigkeiten und vergleichsweise hohe Maximalgeschwindigkeiten definiert sein.
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Eine Begrenzung der Änderungsgeschwindigkeit kann in einer Anpassungsregel (19) bevorzugt als eine kombinierte Begrenzung für die Modifikation des abgestrahlten Bildsignals (18) und die Bewegung des Reflektors (22) definiert sein. Mit anderen Worten kann eine Beschränkung für die wahrnehmbare Anpassung der Darstellung definiert sein, die sich zu entsprechenden Anteilen aus der Bewegung des Reflektors (22) und der Modifikation des Bildsignals (18) zusammensetzt.
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Gemäß einem weiteren eigenständigen Aspekt der vorliegenden Offenbarung können eine oder mehrere Anpassungsregeln (19), insbesondere ein Satz von Anpassungsregeln (19), auf Basis einer Schätzung über eine bevorstehende Fahrbewegung vorausgewählt werden. Eine derartige Vorauswahl kann beispielsweise auf Basis von im Fahrzeug vorliegenden Daten über die Fahrzeugumgebung durchgeführt werden. Derartige Daten können beispielsweise von einer Frontal-Sensorik (26) vorliegen. Frontal-Sensoriken sind in verschiedener Form bekannt und ggfs. in anderen Systemen des Fahrzeugs bereits vorhanden (beispielsweise: in einem System zur Abstandsfolgeregelung eine Kamera und/oder ein Radar, in einem Bremsassistenten eine Kamera, in einem Spurwechselassistenten eine Kamera etc.). Derartige Frontal-Sensoriken können für die Head-Up Displayeinheit mitgenutzt werden. Alternativ kann die Head-Up Displayeinheit (10) eine eigene Frontal-Sensorik umfassen.
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Alternativ oder zusätzlich können Daten zur Antizipation einer Fahrzeug-Bewegung aus dem Kartenmaterial eines Navigationssystems (25) und/oder aus per Fahrzeug-zu-Fahrzeug Kommunikation übermittelten Informationen stammen. Die Vorauswahl der Anpassungsregeln (19) begünstigt eine schnelle Reaktionsfähigkeit der Head-Up Displayeinheit (10).
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Ein momentaner Fahrzeug-Zustand kann bevorzugt durch einen oder mehrere Sensoren erfasst sein. Dazu gehört insbesondere ein Beschleunigungssensor (G-Sensor) (24). Alternativ oder zusätzlich können von einem anderen Steuergerät im Fahrzeug (12) bezogene Informationen über die absolute oder relative Lage des Fahrzeugs, dessen Geschwindigkeit, Lenkeinschlag usw. ausgewertet werden.
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Darüber hinaus kann eine Veränderung des Fahrzeug-Zustands auf Basis einer Schätzung über die bevorstehende Fahrzeugbewegung antizipiert werden. Die Antizipation kann beispielsweise auf Basis einer Analyse über vermutliche Fahrmanöver erfolgen. Solche Fahrmanöver können sich beispielsweise aus einer erfassten Änderung einer Geschwindigkeitsbeschränkung, aus einem erfassten Abstand zu einem Vorderfahrzeug, aus einer Navigationsempfehlung, aus einem durch Blinken angezeigten Spurwechselwunsch, einer bevorstehenden Änderung der Steigung der Fahrbahn etc. ergeben.
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Auf Basis einer antizipierten Fahrzeugbewegung kann außerdem eine bevorstehende Änderung der Augen-Position (14) antizipiert werden. Denn die Bewegungen des Fahrers dienen zu einem wesentlichen Anteil dem Ausgleich von Beschleunigungskräften, die sich aus der Fahrzeugbewegung ergeben. Das Bewegungsverhalten des Fahrers und insbesondere die Änderung der Augen-Position (14) kann daher für bevorstehende Beschleunigungen in Axialrichtung (A) des Fahrzeugs und damit verbundene Nick-Bewegungen sowie für Beschleunigungen in Horizontalrichtung (H) des Fahrzeugs modelliert oder über einen längeren Zeitraum erlernt werden. Das Bewegungsverhalten des Fahrers kann insbesondere durch Kalibrierung der Parameter einer Anpassungsregel (19) in einem Lernprozess ermittelt und gespeichert werden, worauf weiter unten noch genauer eingegangen wird.
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Um eine möglichst hohe Dynamik der Anpassung des virtuellen Bildes (15) zu erreichen, können auf Basis der antizipierten Veränderungen eine Anpassungsregel (19) ausgewählt und eventuell konkrete Steuerwerte für die Bewegung des Reflektors (22) und die Modifikation des Bildsignals (18) bestimmt werden. Die antizipierte Veränderung der Augen-Position und/oder die antizipierte Änderung des Fahrzeug-Zustands können im weiteren Verlauf auf Basis der momentan erfassten Augen-Position und/oder auf Basis des momentan erfassten Fahrzeug-Zustands nachkalibriert werden. Auch hierfür kann ein Lernprozess vorgesehen sein.
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Die antizipierten Werte können insbesondere dazu dienen, den auf Basis der erfassten Werte durchzuführenden Verlauf einer Anpassung zu glätten. Hierdurch wird erreicht, dass die Anpassung der Darstellung des virtuellen Bilds (15) einerseits frühzeitig eingeleitet und andererseits gleichmäßig erfolgt. Ferner werden momentane Erfassungsfehler ausgeglichen.
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Eine Augen-Position (14) des Fahrers (12) wird bevorzugt mittels einer Fahrer-Sensorik (27) ermittelt, insbesondere durch mindestens eine Kamera, die auf den Kopf des Fahrers (12) gerichtet ist. Alternativ oder zusätzlich kann eine Fahrer-Sensorik Messmittel umfassen, die eine Stellung des Fahrersitzes und/oder eine Verteilung der Kontaktkräfte zwischen Fahrer (12) und Fahrersitz bestimmen. Eine Fahrer-Sensorik (27) kann Bestandteil der Head-Up Displayeinheit (10) sein. Alternativ oder zusätzlich kann eine Fahrer-Sensorik (27) von anderen Systemen des Fahrzeugs (11) mitbenutzt werden.
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Die Augen-Position (14) des Fahrers kann besonders bevorzugt zu Beginn einer Fahrt sensorisch erfasst und als Referenzwert gespeichert werden. Ein Satz von Anpassungsregeln (19) kann basierend auf diesem Referenzwert vorausgewählt werden. So können beispielsweise für verschiedene Ausgangs-Höhenlagen der Augen-Position (14) bestimmte Sätze von Anpassungsregeln (19) definiert sein. Für einen besonders großen Fahrer, kann also ein anderer Satz von Anpassungsregeln (19) vorausgewählt werden, als für einen besonders kleinen Fahrer. Zur Anpassung der Darstellung des virtuellen Bildes (15) braucht dann nur noch durch eine folgende Auswahl innerhalb des vorausgewählten Satzes zu erfolgen, wodurch die Dynamik ebenfalls verbessert wird.
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Eine Erfassung der Augen-Position kann auf beliebige Weise erfolgen. Einerseits kann eine zeitliche Änderung der Augen-Position (14) erfasst werden, d.h. eine Geschwindigkeit der Änderung der Augen-Position (14). Diese Geschwindigkeit stellt ein Maß für die erforderliche Schnelligkeit dar, mit der insbesondere Reality-Overlay Inhalte in der Darstellung angepasst werden müssen.
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Alternativ oder zusätzlich kann eine Änderung der Augen-Position (14) relativ zu dem gespeicherten Referenzwert für die Augen-Position bei Fahrtbeginn erfasst werden. Die Krümmung der Windschutzscheibe (16) kann in Teilbereichen einheitlich sein, sodass innerhalb dieser Teilbereiche jeweils identische Anpassungen des virtuellen Bildes (15) erforderlich werden, die nur von der Änderung der Augen-Position gegenüber einem Ausgangswert abhängen. Ferner können für verschiedene Höhenlagen der Augen-Position einheitliche Anpassungen in Bezug auf die anderen situativen Bedingungen notwendig sein. Daher können in der Head-Up Displayeinheit (10) Anpassungsregeln (19) vorliegen, die mehrfach verwendbar sind. Die Erfassung der Änderung der Augen-Position (14) relativ zu dem gespeicherten Referenzwert begünstigt die schnelle Auswahl und Wiederverwendung solcher Anpassungsregeln.
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Die Anpassungsregeln (19) können für einen bestimmten Fahrzeugtyp und eine bestimmte Head-Up Displayeinheit (10) vom Hersteller vorbereitet (bspw. anhand von Modellen für die optische Brechung genau berechnet und am realen Fahrzeug geprüft) und in einem Regelspeicher (23) der Head-UP Displayeinheit (10) abgelegt sein. Die Anpassungsregeln (19) können dann während der gesamten Nutzungsdauer des Fahrzeugs unverändert bleiben oder lediglich im Rahmen von Updates aktualisiert werden.
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Die Berechnung der Anpassungsregeln kann beispielsweise derart erfolgen, dass in Bezug auf das konkrete Design eines Fahrzeugs (Größe und Form der Windschutzscheibe, Verlauf des Projektionspfads, beabsichtigte Größe und Position des virtuellen Bildes, relative Position des Fahrers gegenüber der Straße bzw. Fahrzeugumgebung) ideale Abbildungsparameter berechnet werden und zwar bevorzugt für einen oder mehrere Referenzwerte für die Augen-Position. Bei der Berechnung kann auch berücksichtigt werden, an welcher Stelle die ein oder mehreren Fahrer-Sensoren (27) angeordnet sind. Die Anpassungsregeln (19) können Transitionen zwischen diesen Abbildungsparametern in Abhängigkeit einer Änderung zwischen den Referenzwerten wiedergeben und zwar bevorzugt in Form eines Kennfelds oder einer Tabelle. Somit können mehrere gespeicherte Referenzwerte für die Augenposition vorliegen.
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Alternativ oder zusätzlich können die Anpassungsregeln (19) und insbesondere die in einer Anpassungsregel beinhalteten Parameter während des Fahrbetriebs im Rahmen eines Lernprozesses verändert sowie personalisiert werden.
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Dazu kann während des Fahrbetriebs eine Ideal-Darstellung des virtuellen Bildes (15) im Sichtbereich (13) des Fahrers (12) zu einem bestimmten Zeitpunkt rückschauend berechnet werden. Für denselben Zeitpunkt kann die Ist-Darstellung ermittelt werden, die sich aus der durchgeführten Modifikation des Bildsignals (18) und der Orientierung des Reflektors (22) zu diesem Zeitpunkt ergeben hat. Die Ideal-Darstellung kann mit der Ist-Darstellung verglichen werden, um vorliegende Abweichungen zu ermitteln. Auf Basis der Abweichungen können dann eine oder mehrere Anpassungsregeln (19) nachkalibriert werden. Insbesondere können die in einer Anpassungsregel (19) beinhalteten Parameter verändert werden, damit die Ist-Darstellung der Ideal-Darstellung angenähert wird.
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Eine kalibrierte Anpassungsregel kann bei einem erneuten Aufruf in einer ähnlichen Situation bzw. in einem ähnlichen oder demselben Szenario eine schnellere oder genauere Anpassung der Darstellung des virtuellen Bildes (15) bewirken. Auf diese Weise wird die Anpassungsfähigkeit der Head-UP Displayeinheit (10) an die konkreten Nutzungsbedingungen angepasst.
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Ein Fahrer (12), der momentan das Fahrzeug (11) benutzt, kann identifiziert werden. Eine Identifikation kann beispielsweise über die oben genannte Fahrer-Sensorik (27) erfolgen. Alternativ oder zusätzlich kann eine Identifikation anhand des vom Fahrer benützten Zündschlüssels oder ein Mobilgerät erfolgen, das mit dem Fahrzeug (11) bzw. dem Infotainment System gekoppelt wird und in der Regel nur von einem bestimmten Fahrer (12) genutzt wird. Dies kann beispielsweise ein Mobiltelefon oder ein digitales Abspielgerät sein. Alternativ kann ein Fahrer (12) auf beliebige andere Art identifizierbar sein.
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Ein Satz von (kalibrierten) Anpassungsregeln (19) kann bevorzugt für den identifizierten Fahrer (12) gespeichert und bei dessen erneuter Identifikation wieder aufgerufen werden. Insbesondere können die oben beschriebenen Kalibrierungen von Anpassungsregeln (19) in personalisierter Weise erfolgen, d.h. getrennt für jeden identifizierten Fahrer (12).
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Wie oben bereits für die Begrenzung der Änderungsgeschwindigkeit erläutert wurde, kann bei der Anpassung der Darstellung des virtuellen Bilds (15) bevorzugt zwischen unterschiedlichen Bildinhalten differenziert werden. Es können insbesondere unterschiedliche Anpassungsregeln (19) für verschiedene Bildinhalte hinterlegt sein. Dies können insbesondere unterschiedliche Sätze für statische Bildinhalte und für Reality-Overlay-Inhalte sein.
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Nachfolgend wird unter Bezug auf 2 und 3 eine alternative oder ergänzende Ausführung des Head-Up Displayeinheit (10) beschrieben, bei der eine translatorische Verschiebung der Emissionseinheit (20) vorgesehen ist.
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Durch die Verschiebung der Emissionseinheit (20) entlang des Projektionspfads (PP) kann die laterale Darstellungsposition des virtuellen Bildes (15) in der Wahrnehmung des Fahrers (12) verändert wird. Wenn die Emissionseinheit (20) entlang des Projektionspfads (PP), d.h. im Wesentlichen parallel zur Abstrahlrichtung des Bildsignals (18) näher in Richtung des beweglichen Reflektors (22) bewegt wird, wird das virtuelle Bild (15) ebenfalls näher am Fahrer (12) liegend wahrgenommen. Mit anderen Worten bewirkt eine Verkürzung des inneren Projektionspfads (der Teil des Projektionspfads (PP), der sich zwischen der Emissionseinheit (20) und dem beweglichen Reflektor (22) erstreckt) eine Verringerung der lateralen Darstellungsentfernung (X1) des virtuellen Bildes (15) gegenüber der lateralen Augen-Position (X0, 14) des Fahrers (12) und umgekehrt.
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In 1 sind eine erste laterale Anordnungsposition (X1) des virtuellen Bildes (15) und eine zweite laterale Anordnungsposition (X2) des virtuellen Bildes (15') gezeigt. Das virtuelle Bild (15) ist also weiter vom Fahrer (12) entfernt, als das verschobene virtuelle Bild (15'). Die erste laterale Anordnungsposition (X1) des virtuellen Bildes (15) in 1 entspricht einer ersten Anordnungsposition (P1) der Emissionseinheit (20) in 2. Die zweite laterale Anordnungsposition (X2) des virtuellen Bildes (15') entspricht der zweiten Anordnungsposition (P2) der Emissionseinheit (20) in 2.
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Die Emissionseinheit (20) kann auf beliebige Weise entlang des Projektionspfads (PP) bewegt werden.
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Bevorzugt ist eine motorisch und gesteuert antreibbare Bewegungsvorrichtung (32) vorgesehen, die hier beispielhaft in Form einer Gewindespindel dargestellt ist. Alternativ kann zur Bewegung der Emissionseinheit (20) ein beliebiger anderer Stellantrieb vorgesehen sein, insbesondere ein Schrittmotor. Der Stellantrieb kann ggfs. über ein Getriebe mit der Emissionseinheit verbunden sein.
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Alternativ oder zusätzlich zu der Bewegung der Emissionseinheit (20) kann eine beliebige andere Form der Verlängerung oder Verkürzung des inneren Projektionspfads (PP) vorgesehen sein. Insbesondere ist es möglich, den Flachspiegel (21) zur Verlängerung oder Verkürzung des inneren Projektionspfads (PP) zu verschieben. Die Verschiebung der Emissionseinheit (20) hat demgegenüber jedoch verschiedene Vorteile.
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Die Emissionseinheit (20) kann parallel zur Abstrahlrichtung des Bildsignals (18) verschoben werden. Durch eine solche Verschiebung wird der sonstige richtungsmäßige Verlauf des Projektionspfads nicht verändert. Insbesondere sind keine Angleichung der Faltungswinkel des Projektionspfads und keine kompensierende Drehung des beweglichen Reflektors (22) notwendig. Eine Verschiebung des Flachspiegels (21) würde hingegen zu einer Veränderung der Einstrahlrichtung des reflektierten Bildsignals (18) auf den beweglichen Reflektor (22) führen, die einerseits durch eine gegenläufige Drehung des beweglichen Reflektors (22) und andererseits etwaig durch eine überlagerte Drehung des Flachspiegels (21) kompensiert werden müsste. Demnach ist eine Steuerung bzw. Regelung der lateralen Darstellungsposition (X) des virtuellen Bildes (15) über die Verschiebung der Emissionseinheit (20) mit deutlich geringerem Aufwand und höherer Genauigkeit durchführbar.
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Gemäß den obigen Ausführungen können für die Anordnungsposition (P) der Emissionseinheit (20) in Abhängigkeit von der Fahrsituation Grund-Entfernungen (NF, MF, FF) festgelegt sein. In 2 sind beispielhaft ein Nahfeld-Bereich (NF), ein Mittelfeld-Bereich (MF) und ein Fernfeld-Bereich (FF) dargestellt.
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Die Schärfentiefe (SF) (Scharfdarstellungsfeld) der Optik der Head-UP Displayeinheit, d.h. die Ausdehnung von Entfernungszonen der Emissionseinheit (20) mit ausreichender Darstellungsschärfe des virtuellen Bildes, hängt von den Brechungsparametern der optischen Elemente ab, insbesondere von der Brennweite des beweglichen Reflektors (22) und der etwaig sonstigen optischen Elemente im Projektionspfad. Nach den grundlegenden Gesetzten der optischen Darstellung gilt: Je größer die Brennweite ist, desto größer ist die Entfernungszone, in der die Emissionseinheit (20) positioniert werden kann, ohne dass die Schärfe des virtuellen Bildes in übermäßigem Umfang beeinträchtigt wird.
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Andererseits bedingt eine niedrige Brennweite eine geringe Vergrößerung des Bildsignals. Um eine große Ausdehnung des virtuellen Bildes (15) im Sichtfeld (13) des Fahrers (1) zu erreichen, ist allerdings eine gewisse Vergrößerung notwendig, oder das abgestrahlte Bildsignal (18) muss bereits eine hohe Ausdehnung quer zur Abstrahlrichtung aufweisen.
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In der flächigen Ausdehnung verhältnismäßig große Bildsignale (18) bedürfen einer geringeren Vergrößerung, erlauben eine höhere Brennweite der Optik und lassen weitreichende Verschiebungen der Emissionseinheit (20) zu. Die vorgenannten Parameter beeinflussen sich gegenseitig und stehen in einem berechenbaren Zusammenhang.
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Für eine möglichst große Flexibilität in der Veränderung der lateralen Position (X) des virtuellen Bildes (15) und damit der Veränderung der Anordnungsposition der Emissionseinheit (20) ohne Erzeugung unerwünschter optischer Effekte, sind also folgende Ausbildungsmerkmale der Head-Up Displayeinheit (10) zuträglich:
- - eine niedrige Gesamt-Brennweite der Optik;
- - eine große flächige Ausdehnung des Bildsignals (18) bzw. der Emissionseinheit (20) quer zur Abstrahlrichtung;
- - eine große Länge des inneren Projektionspfads (PP), d.h. ein großer Abstand der Emissionseinheit (20) zum beweglichen Reflektor (22).
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Es ist allerdings möglich, die Gesamt-Brechungsparameter der Head-Up Displayeinheit (10) zu verändern, um eine größere oder veränderte Schärfentiefe (SF) zu erreichen. Die Schärfentiefe (SF) bestimmt im Wesentlichen eine maximale und eine minimale Anordnungsposition (Pmax, Pmin) der Emissionseinheit. Die Veränderung der Gesamt-Brechungsparameter ist insbesondere in Abhängigkeit von der Anordnungsposition (P) der Emissionseinheit (20) durchführbar, um die maximale und/oder die minimale Anordnungsposition (Pmax, Pmin) nach außen hin zu verschieben.
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In 2 wird ein statischer Wert für die Gesamt-Brechungsparameter der Head-Up Displayeinheit (10) angenommen, der insbesondere von der Brennweite des beweglichen Reflektors (22) abhängt. Die Schärfentiefe (SF) ist ebenfalls als statischer Wert angenommen und legt die minimale Anordnungsposition (Pmin) der Emissionseinheit (20) fest, d.h. die kürzeste Länge des inneren Projektionspfads (PP), sowie ggfs. die maximale Anordnungsposition (Pmax), d.h. die größte Länge des inneren Projektionspfads (PP). Es gilt somit in 2 die Beziehung: SF = Pmax - Pmin.
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3 zeigt beispielhaft eine zusätzliche Optik (33) in Form einer Linse, die innerhalb des inneren Projektionspfads (PP) angeordnet ist, also zwischen der Emissionseinheit (20) und dem beweglichen Reflektor (22). Die zusätzliche Optik (33) ist aus Packaging-Gründen bevorzugt zwischen der Emissionseinheit (20) und dem ersten Faltungspunkt des Projektionspfads (PP) angeordnet, hier also vor dem Flachspiegel (21). Alternativ ist eine beliebige andere Anordnung der zusätzlichen Optik (33) möglich, beispielsweise zwischen dem Flachspiegel (21) und dem beweglichen Reflektor (22).
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Die zusätzliche Optik (33) kann dazu genutzt werden, die Gesamt-Brechungsparameter der Head-Up Displayeinheit zu verändern, um die Schärfentiefe (SF) zu verändern, insbesondere zu erhöhen. Dazu kann bevorzugt die Gesamt-Brennweite der Head-Up Displayeinheit (10) vergrößert werden.
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Durch die Einstellung oder Bewegung der zusätzlichen Optik (33) ist der zur Verfügung stehende Raum (Pmin - Pmax) für Verschiebungen der Emissionseinheit (20) vergrößerbar.
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Für jede Position bzw. Einstellung der zusätzlichen Optik (33) in Kombination mit der Position (P) der Emissionseinheit (20) ist eine separate Schärfentiefe (SF1, SF2, SF3) festgelegt. Durch eine Bewegung der Emissionseinheit (20) mit überlagerter Einstellung oder Bewegung der zusätzlichen Optik (33) kann somit die Gesamt-Schärfentiefe (SF) an die Bedürfnisse der Informationsdarstellung angepasst werden.
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Insbesondere können bei einer gegebenen Brennweite des beweglichen Reflektors (22) eine geringere minimale laterale Anordnungsposition (Pmin) und eine größere maximale laterale Anordnungsposition (Pmax) der Emissionseinheit (20) zur Erzeugung eines scharf dargestellten virtuellen Bildes (15) erreicht werden.
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Alternativ oder zusätzlich kann die Querausdehnung der Bilddarstellung (18) an der Emissionseinheit (20) modifiziert werden. Mit anderen Worten können eine Modifikation des Bildsignals (18) und/oder eine Einstellung oder Bewegung einer zusätzlichen Optik (33) genutzt werden, um unerwünschte optische Effekte zu kompensieren, die aus der Verschiebung der Emissionseinheit (20) resultieren. Solche unerwünschten optischen Effekte können neben einer (übermäßigen) Unschärfe des virtuellen Bildes (15) chromatische Aberrationen oder lokale Verzerrungen sein.
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Analog zu den obigen Ausführungen können Steuerparameter für eine Modifikation des Bildsignals (18) und/oder eine Einstellung oder Bewegung einer zusätzlichen Optik (33) zur Kompensation der unerwünschten optischen Effekte in den vorbeschriebenen Anpassungsregeln (19) enthalten sein. Die Bewegung der Emissionseinheit (20) und/oder eine Einstellung oder Bewegung der zusätzlichen Optik (33) können bevorzugt einzeln oder gemeinsam bei vorgegebenen maximalen oder minimalen Änderungsgeschwindigkeiten erfolgen, insbesondere analog zu den obigen Ausführungen.
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In dem Beispiel von Figur (3) sind in Abhängigkeit von der Fahrsituation ein Nahfeld-Bereich (NF), ein Mittelfeld-Bereich (MF) und ein Fernfeld-Bereich (FF) festgelegt, in denen die Emissionseinheit (20) frei verschiebbar ist und zwar unter Meidung der unerwünschten optischen Effekte. Jeder dieser Bereiche (NF, MF, FF) resultiert aus einer vorgegebenen Einstellung bzw. Anordnungsposition der zusätzlichen Optik, hier der Linse (33). Mit anderen Worten sind die Grenzen dieser Bereiche (NF, MF, FF) im Wesentlichen durch die jeweilige Schärfentiefe (SF1, SF2, SF3) bestimmt, die sich aus den Gesamt-Brechungsparametern der Head-Up Displayeinheit (10) für die jeweilige Einstellung oder Anordnungsposition der zusätzlichen Optik (33) ergeben.
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Abwandlungen der Erfindung sind in verschiedener Weise möglich. Insbesondere können die zu den Ausführungsbeispielen beschriebenen, gezeigten oder beanspruchten Merkmale in beliebiger Weise miteinander kombiniert, gegeneinander ersetzt, ergänzt oder weggelassen werden.
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Eine Bewegungsvorrichtung (34) für die zusätzliche Optik (33) kann beliebig ausgebildet sein, insbesondere analog zu der oben beschriebenen Bewegungsvorrichtung (32) für die Emissionseinheit (20). Alternativ kann eine gemeinsame Bewegungsvorrichtung für die zusätzliche Optik (33) und die Emissionseinheit (20) vorgesehen sein.
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Eine zusätzliche Optik (33) kann beliebig ausgebildet sein. Sie kann insbesondere ein Objektiv mit einer oder mehreren Linsen umfassen, deren Abstand untereinander veränderlich ist. Alternativ oder zusätzlich kann die zusätzliche Optik (33) eine Blende mit einstellbarer Öffnungsweite haben, insbesondere eine Lochblende. Durch die Veränderung der Öffnungsweite kann ebenfalls die Schärfentiefe (SF) beeinflusst werden.
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Die Emissionseinheit (20) kann eine beliebige Ausbildung aufweisen. Sie kann insbesondere als TFT- oder LCD-Display ausgebildet sein. Alternativ kann die Emissionseinheit (20) als sogenannter „spatial light modulator“ bzw. als „digital micromirror device“ ausgebildet sein.
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Bevorzugt weist die Emissionseinheit (20) eine einstellbare Abstrahlintensität auf. Die Abstrahlintensität kann in Abhängigkeit von der Anordnungsposition (P) der Emissionseinheit (20) und/oder der Einstellung oder Anordnungsposition der zusätzlichen Optik (33) angepasst werden, um unerwünschte Aufhellungen oder Verdunklungen des virtuellen Bildes zu kompensieren.
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Bezugszeichenliste
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| 10 |
Head-Up Displayeinheit |
Head-Up Display Unit
|
| 11 |
Fahrzeug |
Vehicle
|
| 12 |
Fahrer |
Driver
|
| 13 |
Sichtfeld des Fahrers |
Vision field of the
driver
|
| 14 |
Augen-Position |
Eye-position
|
| 15 |
Virtuelles Bild |
Virtual image
|
| 15’ |
Virtuelles Bild |
Virtual image
|
| 16 |
Windschutzscheibe mit komplexer Krümmung |
Wind screen with complex curvature
|
| 17 |
Motorhaube |
Bonnet
|
| 18 |
Abgestrahltes Bildsignal |
Radiated image signal
|
| 18’ |
Bildsignal im Rohzustand |
Image signal - raw state
|
| 19 |
Anpassungsregel |
Adaptation rule
|
| 20 |
Emissionseinheit |
Emission unit
|
| 21 |
Flachspiegel |
Flat mirror
|
| 22 |
Beweglicher Reflektor |
Movable reflector
|
| 23 |
Regelspeicher |
Rule storage
|
| 24 |
G-Sensor |
G-sensor
|
| 25 |
Navigationssystem / Navi |
Navigation system / Navi
|
| 26 |
Frontal-Sensorik / Kamera / LIDAR |
Frontal sensor system / Camera / LIDAR
|
| 27 |
Fahrer-Sensor / Kamera |
Driver Sensor / Camera
|
| 30 |
Rasterposition |
Grid position
|
| 30* |
Verschobene Rasterposition |
Shifted grid position
|
| 31 |
Teilabschnitt des Bildinhalts |
Partial section of image content
|
| 31* |
Verzerrter Teilabschnitt |
Distorted partial
section
|
| 32 |
Bewegungsvorrichtung für Emissionseinheit |
Movement device for emission unit
|
| 33 |
Zusatzoptik / Linse |
Additional Optics /
Lense
|
| 34 |
Bewegungsvorrichtung für Zusatzoptik |
Movement device for additional optics
|
| H |
Horizontalrichtung |
Horizontal direction
|
| V |
Vertikalrichtung |
Vertical direction
|
| A |
Axialrichtung / Fahrtrichtung |
Axial direction / driving direction
|
| X |
Laterale Position eines virtuellen Bildes oder Bildinhaltes |
Lateral position of a virtual image or image content
|
| X0 |
Augen-Position in Axialrichtung A |
Eye-Position in axial direction A
|
| X1 |
Erste Position / Fern-Position |
First position / Far position
|
| X2 |
Zweite Position / Nah-Position |
Second position / Near position
|
| P |
Anordnungsposition der Emissionseinheit |
Arrangement position of the emission unit. |
| Pmin |
Minimale Anordnungsposition |
Minmum arrangement position
|
| Pmax |
Maximale Anordnungsposition |
Maximum arrangement position
|
| PP |
Projektionspfad |
Projection path
|
| NF |
Nahfeld-Bereich |
Near field range
|
| MF |
Mittelfeld-Bereich |
Middle field range
|
| FF |
Fernfeld-Bereich |
Far field range
|
| SF |
Schärfentiefe (Scharfdarstellungsfeld) |
Depth of field (Sharp depiction field)
|
