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Die vorliegende Erfindung beschreibt ein bewegungsausgleichendes Head-up-Display für ein Fahrzeug.
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Die
DE 10 2007 044 535 A1 beschreibt ein Verfahren zur Fahrerinformation in einem Kraftfahrzeug, wobei durch eine Anzeigeeinheit ein Bildausschnitt wiedergegeben wird. Dabei wird der Umgebungsausschnitt, der dem Fahrer dargestellt wird, selbsttätig verändert.
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Die
KR 20050028503 A1 offenbart eine Positionssteuervorrichtung eines Head-up-Displays.
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Aus der
DE 10 2012 216 623 A1 ist eine dynamische Informationsdarstellung auf einer Headup-Anzeige bekannt.
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Die
DE 10 2015 104 834 A1 offenbart ein Verfahren zur Einstellung einer relativen Position zwischen einer Kopfobenanzeigeeinrichtung und einer Augenposition.
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Die
DE 10 2013 208 971 A1 beschreibt ein Projizieren einer Bildinformation in ein Blickfeld eines Fahrzeuginsassen.
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Mit einem Head-up-Display werden fahrtrelevante Informationen auf einem virtuellen Bild, welches beispielsweise in die Frontscheibe eines Fahrzeugs eingespiegelt wird, dargestellt. Damit kann eine situationsgerechte Anzeige von rechnergenerierten Daten im Sichtfeld des Fahrers realisiert werden.
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Die vorliegende Erfindung stellt sich die Aufgabe, die nach dem Stand der Technik bekannten Head-up-Displays zu verbessern.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Head-up-Display nach Anspruch 1 gelöst. Der abhängige Anspruch definiert eine bevorzugte und vorteilhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird ein Head-up-Display für ein Fahrzeug bereitgestellt, welches eine Projektionseinheit umfasst. Dabei ist die Pröjektionseinheit ausgestaltet, um eine Information in ein Sichtfeld eines Fahrers des Fahrzeugs zu projizieren, um dadurch ein virtuelles Bild zu erzeugen. Das erfindungsgemäße Head-up-Display ist ausgestaltet, um eine Relativbewegung zwischen dem Kopf des Fahrers und dem Head-up-Display auszugleichen, um dadurch eine Relativbewegung zwischen dem virtuellen Bild und dem Kopf des Fahrers zu verringern.
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Die Projektionseinheit von bekannten Head-up-Displays ist in der Regel fest mit dem Fahrzeug verbunden. Wenn sich das Fahrzeug beispielsweise aufgrund einer Fahrbahnunebenheit (nach oben bzw. nach unten) bewegt, bewegt sich das von dem Head-up-Display erzeugte virtuelle Bild ebenfalls, da die Projektionseinheit starr bzw. fest mit dem Fahrzeug verbunden ist. Der Kopf des Fahrers (und somit seine Augen) bewegen sich aufgrund der Masseträgheit später als das Fahrzeug, so dass die Augen des Fahrers eine vorbestimmte Head-up-Display-Sichtachse zumindest für einige Momente verlassen. Gerade wenn die von dem Head-up-Display dargestellten Informationen lagerichtig dargestellt werden sollen, ist dieses Verlassen der geplanten bzw. vorbestimmten Sichtachse unerwünscht, da zumindest vorübergehend keine korrekte Überlagerung zur realen Umgebung hergestellt werden kann. Darüber hinaus nimmt der Fahrer in einem solchen Fall das virtuelle von dem Head-up-Display dargestellte Bild sozusagen schwimmend zum umgebenden realen Umfeld war, was ebenfalls unerwünscht ist.
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Indem die Relativbewegung zwischen dem Kopf des Fahrers und dem Head-up-Display durch die vorliegende Erfindung ausgeglichen wird, können die vorab beschriebenen Nachteile zumindest gemildert werden.
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Gemäß einer ersten nicht zur Erfindung gehörenden Ausführungsform umfasst das Head-up-Display einen oder mehrere Sensoren, um eine Relativbewegung zwischen der Projektionseinheit und dem Kopf des Fahrers zu erfassen. Bei dieser Ausführungsform ist das Head-up-Display ausgestaltet, um abhängig von der erfassten Relativbewegung eine Maßnahme durchzuführen, um die Relativbewegung zwischen dem virtuellen Bild und dem Kopf des Fahrers zu verringern.
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Beispielsweise kann das Head-up-Display zwei Gyrosensoren umfassen, wobei der eine Gyrosensor am Kopf des Fahrers und der andere Gyrosensor an der Projektionseinheit anbringbar ist. Anhand der Differenz der von den beiden Gyrosensoren erzeugten Messdaten, lässt sich die Relativbewegung zwischen der Projektionseinheit und dem Kopf des Fahrers erfassen. Der an dem Kopf des Fahrers anbringbare Gyrosensor kann beispielsweise Bestandteil einer von dem Fahrer zu tragenden Brille (z.B. einer Datenbrille) sein. Dabei wird unter einem Gyrosensor ein Sensor zur Erfassung der Masseträgheit oder ein Inertialsensor oder eine so genannte „inertial measurement unit“ (insbesondere eine Inertialmesseinheit) verstanden.
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Anstelle des Gyrosensors am Kopf des Fahrers kann die Relativbewegung zwischen der Projektionseinheit und dem Kopf des Fahrers auch mit einem Trackingverfahren oder Trackingsystem bestimmt werden. Ein Trackingsystem umfasst ein Kamerasystem oder nur eine Kamera, um den Kopf des Fahrers zu erfassen. Das Trackingsystem ist in der Lage eine Bewegung des Kopfes relativ zum Fahrzeug und damit relativ zur Projektionseinheit zu erfassen. Ein solches Trackingsystem kann beispielsweise zusätzlich zur Müdigkeitserkennung, zum Kopfpositionstracking (Erfassen der Position des Kopfes) oder zum Eye-Tracking (Erfassen einer Blickrichtung der Augen) eingesetzt werden.
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Das Head-up-Display kann einen oder mehrere Stellmotoren umfassen, welche eingerichtet sind, um als die Maßnahme die Projektionseinheit abhängig von der mit dem Sensor oder mit den Sensoren erfassten Relativbewegung zu verschieben. Bei dieser Variante der ersten Ausführungsform ist die Projektionseinheit quasi schwimmend angeordnet.
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Mit Hilfe des oder der Stellmotoren wird die Projektionseinheit derart verschoben, dass die erfasste Relativbewegung zwischen der Projektionseinheit und dem Kopf des Fahrers quasi ausgeglichen wird, so dass sich das von dem Head-up-Display erzeugte virtuelle Bild für den Fahrer quasi nicht bewegt, auch wenn eine Relativbewegung zwischen dem Head-up-Display und dem Kopf des Fahrers stattfindet.
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Darüber hinaus könnte ein Feder-Dämpfer-System zur Verschiebung der Projektionseinheit eingesetzt werden. Dazu sind insbesondere pro Bewegungsachse (d.h. in allen drei Raumrichtungen (z.B. längs, quer und hoch)) jeweils ein Feder-Dämpfer-System an der Projektionseinheit angebracht. Mit Hilfe dieser Feder-Dämpfer-Systeme kann die Projektionseinheit abhängig von der erfassten Relativbewegung verschoben werden, wobei die Projektionseinheit mit diesen Feder-Dämpfer-Systemen schwingungsarm wieder an die Ausgangsposition (Position, von der die Verschiebung ausgeführte wurde) zurück geführt werden kann.
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Jedes dieser Feder-Dämpfer-Systeme kann durch einen der vorab beschriebenen Stellmotoren (synthetisch) nachgebildet werden. Dazu werden die Stellmotoren derart angesteuert bzw. verhalten sich so, als wäre die Projektionseinheit in ein Feder-Dämpfer-System eingespannt oder eingebettet.
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Bei einer bevorzugten Variante der ersten Ausführungsform umfasst das Head-up-Display drei Kugeln, auf welchen die Projektionseinheit gelagert ist. Durch diese Lagerung kann die Projektionseinheit in genau zwei Richtungen (gegenüber dem restlichen Head-up-Display) verschoben werden. Bei dieser Variante umfasst das Head-up-Display drei Stellmotoren, wobei jeder dieser Stellmotoren einen Magneten und eine Stromspule aufweist. Während die drei Magnete fest mit der Projektionseinheit verbunden sind, sind die drei Stromspulen an dem restlichen Head-up-Display (d.h. dem Teil des Head-up-Displays, welcher weder die Projektionseinheit noch die drei Magnete umfasst) angeordnet, wobei jede Stromspule in der Nähe eines Magneten angeordnet ist. Das Head-up-Display umfasst eine Steuerung, welche ausgestaltet ist, um einen Stromfluss durch jede der Stromspulen individuell zu steuern und um anhand dieser Stromflüsse durch die Stromspulen die Projektionseinheit abhängig von der erfassten Relativbewegung innerhalb einer von den beiden Richtungen aufgespannten Ebene zu verschieben.
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Durch die Realisierung der Stellmotoren mittels Magnet und Stromspulen kann die Verschiebung der Projektionseinheit sehr rasch durchgeführt werden, so dass der von den Sensoren erfassten Relativbewegung so rasch entgegengewirkt werden kann, dass der Fahrer kaum eine Bewegung des von dem Head-up-Display erzeugten virtuellen Bildes bemerkt.
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Gemäß einer weiteren Variante der ersten Ausführungsform umfasst die Projektionseinheit einen bildgebenden Chip. Auch bei dieser Variante umfasst das Head-up-Display einen oder mehrere Motoren, welche ausgestaltet sind, um als die Maßnahme den Chip abhängig von der erfassten Relativbewegung zu verschieben. Bei dieser Variante der ersten Ausführungsform ist der bildgebende Chip quasi schwimmend angeordnet.
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Eine Projektionseinheit umfasst neben dem bildgebenden Chip in der Regel mindestens eine Linse und mindestens einen Spiegel, um den von dem bildgebenden Chip erzeugten Lichtstrahl in vorbestimmter Form an eine vorbestimmte Stelle zu projizieren. Während bei der vorab beschriebenen Variante die gesamte Projektionseinheit abhängig von der erfassten Relativbewegung verschoben wird, wird bei der hier beschriebenen Variante nur der bildgebende Chip abhängig von der erfassten Relativbewegung verschoben.
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Wie vorab bereits angedeutet ist, kann die Projektionseinheit einen Spiegel und/oder eine Linse umfassen. Dabei ist der Spiegel und/oder die Linse in einem Strahlengang angeordnet, welchen ein von der Projektionseinheit (genauer von dem bildgebenden Chip) erzeugte Lichtstrahl durchläuft. Dabei kann ein oder können mehrere Motoren des Head-up-Displays ausgestaltet sein, um als die Maßnahme den Spiegel und/oder die Linse abhängig von der erfassten Relativbewegung derart zu verschieben, dass dadurch die Relativbewegung zwischen dem virtuellen Bild und dem Kopf des Fahrers zumindest verringert wird.
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Im Vergleich zu der Verschiebung der gesamten Projektionseinheit hat die Verschiebung des Chips, des Spiegels oder der Linse den Vorteil, dass der Chip, der Spiegel oder die Linse eine wesentlich geringere Masse aufweist, so dass eine rasche Verschiebung einfacher realisiert werden kann. Während bei der Verschiebung der gesamten Projektionseinheit die Umsetzung der von den Sensoren erfassten Relativbewegung in die von den Motoren zu bewirkende Verschiebung relativ einfach zu bestimmen ist, muss bei der Bestimmung der Verschiebung des Chips, des Spiegels oder der Linse abhängig von der von den Sensoren erfassten Relativbewegung der Aufbau der Projektionseinheit (d.h. die geometrische Anordnung von Chip, Linse und Spiegel) berücksichtigt werden.
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Auch zur Verschiebung des Chips, des Spiegels oder der Linse kann das vorab bezüglich der Projektionseinheit beschriebene Konzept, welches drei Stellmotoren mit jeweils einem Magneten und einer Stromspule voraussetzt, eingesetzt werden. Dazu umfasst die Projektionseinheit drei Kugeln, auf welchen der Chip, der Spiegel oder die Linse derart gelagert sind, dass er bzw. sie in nur zwei Richtungen gegenüber der restlichen Projektionseinheit (d.h. dem Teil der Projektionseinheit, welcher weder die drei Kugeln und die drei Magnete noch den Chip, den Spiegel oder die Linse umfasst) bewegt werden können. Die drei Magnete der drei Stellmotoren des Head-up-Displays sind an dem Chip, dem Spiegel oder der Linse befestigt, je nachdem welches dieser drei Objekte beweglich innerhalb der Projektionseinheit auf den Kugeln gelagert ist. Die drei Stromspulen der Stellmotoren sind an der restlichen Projektionseinheit jeweils in der Nähe eines ihnen zugeordneten Magneten angeordnet. Die Steuerung des Head-up-Displays ist ausgestaltet, um den Stromfluss durch die jeweilige Stromspule derart zu steuern, dass' anhand dieses Stromflusses der Chip, der Spiegel oder die Linse abhängig von der erfassten Relativbewegung entsprechend verschoben wird.
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Gemäß einer zweiten nicht zur Erfindung gehörenden Ausführungsform ist die Projektionseinheit ausgestaltet, um nur einen Bildausschnitt eines größeren von dem Head-up-Display erzeugten Bildes als die Information in das Sichtfeld zu projizieren. Bei dieser zweiten Ausführungsform ist das Head-up-Display ausgestaltet, um als die Maßnahme einen weiteren Bildausschnitt dieses Bildes als die Information in das Sichtfeld zu projizieren. Dabei ist der weitere Bildausschnitt gegenüber dem Bildausschnitt abhängig von der erfassten Relativbewegung verschoben.
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Bei der zweiten Ausführungsform erzeugt das Head-up-Display ein Bild, von welchem nur ein bestimmter Ausschnitt dem Fahrer dargestellt wird. Wenn nun mit den Sensoren die Relativbewegung zwischen der Projektionseinheit und dem Kopf des Fahrers erfasst wird, wird der bestimmte Ausschnitt, welcher dem Fahrer als virtuelles Bild dargestellt wird, innerhalb des von dem Head-up-Display erzeugten Bildes entsprechend verschoben.
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Der Vorteil der zweiten Ausführungsform gegenüber der ersten Ausführungsform besteht darin, dass die zweite Ausführungsform ohne Stellmotoren und damit ohne bewegliche Lagerung bestimmter Teile des Head-up-Displays realisiert werden kann.
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Gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform kann die Projektionseinheit oder der bildgebende Chip in einer geeigneten Flüssigkeit gelagert werden.
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Durch die Lagerung der Projektionseinheit oder des bildgebenden Chips in einer geeigneten Flüssigkeit wird quasi die Massenträgheit des Kopfes des Fahrers simuliert. Mit anderen Worten bewegt sich bei einer Bewegung des Fahrzeugs aufgrund einer Fahrbahnunebenheit die Projektionseinheit oder der bildgebende Chip innerhalb der Flüssigkeit in der gleichen Weise wie der Kopf des Fahrers.
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Als Variante dieser erfindungsgemäßen Ausführungsform kann es sich bei der Flüssigkeit um eine elektrorheologische Flüssigkeit handeln. Dadurch kann das Fließverhalten der Flüssigkeit beispielsweise vom Fahrer eingestellt werden. Durch die Einstellung des Fließverhaltens kann das Schwingverhalten der in der Flüssigkeit gelagerten Projektionseinheit oder des in der Flüssigkeit gelagerten Chips bestimmt oder eingestellt werden, wodurch quasi das Ausmaß der Trägheit, mit welcher die Projektionseinheit oder der Chip der Bewegung des Fahrzeugs folgt, festgelegt wird.
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Der Vorteil der erfindungsgemäßen Ausführungsform ist, dass weder Sensoren, um die Relativbewegung zwischen der Projektionseinheit und dem Kopf des Fahrers zu erfassen, noch Stellmotoren benötigt werden.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird auch ein Fahrzeug bereitgestellt, welches ein erfindungsgemäßes Head-up-Display umfasst.
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Mit der vorliegenden Erfindung können das von dem Head-up-Display erzeugte virtuelle Bild und die Relativbewegung des Fahrers zueinander synchronisiert werden. Dadurch sich auch kontaktanaloge / kongruente ,Augmented Reality'-Darstellungen mit dem Head-up-Display möglich, wodurch Fahrtinformationen oder Navigationshinweise ortsgenau mit einem virtuellen Bild dargestellt werden können.
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Die vorliegende Erfindung ist insbesondere für Kraftfahrzeuge geeignet. Selbstverständlich ist die vorliegende Erfindung nicht auf diesen bevorzugten Anwendungsbereich eingeschränkt, da die vorliegende Erfindung auch für Schiffe, Flugzeuge sowie gleisgebundenen oder spurgeführten Fahrzeuge eingesetzt werden kann.
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Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter erfindungsgemäßer Ausführungsformen mit Bezug zu den Figuren im Detail beschrieben.
- In 1 ist ein erfindungsgemäßes Head-up-Display 20 dargestellt.
- In 2 ist eine gelagerte Linse eines Head-up-Displays dargestellt.
- 3 zeigt die Verschiebung eines Bildausschnitts.
- In 4 ist schematisch ein Fahrzeug dargestellt.
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In 1 ist ein erfindungsgemäßes Head-up-Display 20 dargestellt. Das Head-up-Display 20 umfasst einen bildgebenden Chip 3 und einen Spiegel 7. Ein von dem bildgebenden Chip 3 erzeugtes Bild wird über den Spiegel 7 und die Windschutzscheibe des Fahrzeugs 10 in das Sichtfeld des Fahrers projiziert, wodurch sich ein virtuelles Bild 14 ergibt. Dabei ist das Sichtfeld, in welchem das virtuelle Bild 14 zu sehen ist, in der Regel auf ca. 6° horizontal und 2,5° vertikal beschränkt. Die so genannte virtuelle Objektweite (Abstand des virtuellen Bildes 14 vom Fahrer) liegt beispielsweise in einem Bereich von 2 m bis 10 m.
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Bewegt sich nun beispielsweise aufgrund einer Fahrbahnunebenheit der Kopf 15 des Fahrers relativ zu dem Head-up-Display 20, würde sich bei einem nicht erfindungsgemäßen Head-up-Display aus Sicht des Fahrers auch das virtuelle Bild 14 bewegen. Das erfindungsgemäße Head-up-Display 20 ist allerdings in der Lage, die Relativbewegung des Kopfes 15 des Fahrers zu dem Head-up-Display 20 auszugleichen, um dadurch die Relativbewegung zwischen dem virtuellen Bild 14 und dem Kopf 15 des Fahrers zumindest zu verringern.
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Eine erfindungsgemäße Möglichkeit, die Relativbewegung zwischen dem virtuellen Bild 14 und dem Kopf 15 des Fahrers zu verringern, besteht darin, mit Hilfe von Sensoren (z.B. Gyrosensoren) die Relativbewegung zwischen einer Projektionseinheit des Head-up-Displays 20 und dem Kopf 15 des Fahrers zu erfassen und abhängig von der erfassten Relativbewegung das virtuelle Bild 14 derart zu verschieben, dass es sich aus Sicht des Fahrers nicht verschiebt. Das virtuelle Bild 14 wird dabei von der Projektionseinheit erzeugt. Genauer erzeugt ein bildgebender Chip der Projektionseinheit ein Bild, welches über mindestens eine Linse und mindestens einen Spiegel in das Sichtfeld des Fahrers projiziert wird. Um also das virtuelle Bild 14 zu verschieben, kann entweder die gesamte Projektionseinheit oder der bildgebende Chip oder eine Linse oder ein Spiegel entsprechend verschoben werden.
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In 2 ist ein Teil einer Projektionseinheit dargestellt, mit welchem eine Linse 1, welche sich im Strahlengang der Optik der Projektionseinheit befindet, verschoben werden kann. Dazu ist die Linse über 3 Stahlkugeln 13 derart gelagert in der Projektionseinheit angeordnet, dass sie innerhalb einer Ebene, auf welcher die optische Achse der Linse senkrecht steht, verschiebbar ist. An der Linse 1 sind drei Magnete 11 befestigt. In der Nähe jedes Magneten 11 befindet sich jeweils eine Stromspule 12, wobei die drei Stromspulen 12 fest mit dem Teil der Projektionseinheit verbunden sind, gegenüber welchem die Linse 1 beweglich angeordnet ist. Durch eine entsprechende Einstellung des Stromflusses durch die Stromspulen 12 kann die Linse 1 sehr genau und sehr rasch gegenüber der restlichen Projektionseinheit verschoben werden.
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In 3 ist eine andere Möglichkeit dargestellt, um das virtuelle Bild 14 zu verschieben. Dabei wird zur Erzeugung des virtuellen Bildes 14 nur ein Ausschnitt 5, 6 eines größeren Bildes 4 eingesetzt. Beispielsweise wird vor der zu erfassenden Relativbewegung zwischen der Projektionseinheit und dem Kopf des Fahrers zur Erzeugung des virtuellen Bildes 14 der Bildausschnitt 5 (links in 3) eingesetzt. Bewegt sich das Fahrzeug 10 nach rechts, wird die entsprechende Relativbewegung zwischen der Projektionseinheit und dem Kopf des Fahrers erfasst und der zur Erzeugung des virtuellen Bildes 14 eingesetzte Pixelbereich bzw. Bildausschnitt 6 wird im Vergleich zum Bildausschnitt 5 nach links verschoben, wie es in 3 rechts dargestellt ist.
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Mit der in 3 dargestellten Lösung wird das virtuelle Bild 14 quasi durch eine virtuelle Verschiebung von Bildinhalten eines größeren Bildes 4 realisiert.
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In 4 ist schematisch ein Fahrzeug 10 dargestellt, welches ein erfindungsgemäßes Head-up-Display 20 umfasst. Das erfindungsgemäße Head-up-Display 20 umfasst seinerseits eine Projektionseinheit 2, eine Steuerung 8 und einen Gyrosensor 9. Die Projektionseinheit 2 umfasst den bildgebenden Chip 3, eine Linse 1 und einen Spiegel 7.
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Mit dem Gyrosensor (besser mit zwei Gyrosensoren) wird die Relativbewegung zwischen der Projektionseinheit 2 und dem Kopf 15 des Fahrers erfasst. Abhängig von dieser erfassten Relativbewegung wird eine Maßnahme durchgeführt, um die Relativbewegung zwischen dem virtuellen Bild 14 und dem Kopf 15 des Fahrers zumindest zu verringern.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Linse
- 2
- Projektionseinheit
- 3
- bildgebender Chip
- 4
- Bild
- 5,6
- Bildausschnitt
- 7
- Spiegel
- 8
- Steuerung
- 9
- Gyrosensor
- 10
- Fahrzeug
- 11
- Magnet
- 12
- Stromspule
- 13
- Kugel
- 14
- virtuelles Bild
- 15
- Kopf des Fahrers
- 20
- Head-up-Display
