DE102016204605B4

DE102016204605B4 - Optische Einrichtung

Info

Publication number: DE102016204605B4
Application number: DE102016204605.5A
Authority: DE
Inventors: Junichi Matsushita
Original assignee: Yazaki Corp
Current assignee: Yazaki Corp
Priority date: 2015-03-24
Filing date: 2016-03-21
Publication date: 2021-05-27
Anticipated expiration: 2036-03-22
Also published as: US10061126B2; US20160282616A1; DE102016204605A1; JP2016180871A

Abstract

Eine optische Einrichtung mit:einem plattenförmigen Fresnel-Linsenbereich (FM), der aus einem ersten optischen Material (11) hergestellt ist, wobei der Fresnel-Linsenbereich (FM) einen Fresnel-förmigen Bereich (11a) auf einer Seite des Fresnel-Linsenbereichs (FM) in einer Dickenrichtung des Fresnel-Linsenbereichs (FM) aufweist und wobei der Fresnel-förmige Bereich (11a) mehrere Rillen (31-36) hat; undeiner teilweise reflektierenden Spiegelschicht (12), die auf einer Oberfläche des Fresnel-förmigen Bereichs (11a) vorgesehen ist,wobei die mehreren Rillen (31-36) des Fresnel-förmigen Bereichs (11a) so ausgebildet sind, dass eine Oberflächenkonfiguration des Fresnel-förmigen Bereichs (11a) optisch Eigenschaften einer Freiformfläche hat und die Rillen (31-36) eine nicht gleichförmige Tiefe (VH, VV) besitzen,dadurch gekennzeichnet, dassjede der Rillen (31-36) so ausgebildet ist, dass ein Neigungswinkeleiner reflektierenden Oberfläche davon kontinuierlich in Abhängigkeit von einer Position auf einem Umfang entlang der Rille (31-36) variiert.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Einrichtung zur Projektion von Anzeigelicht mit Eigenschaften derart, dass durch ihre eine Oberfläche Licht einer Anzeige bzw. Anzeigelicht, das von einer Anzeigeeinheit ausgesendet wird, reflektiert wird und das resultierende Reflexionslicht zur Projektion auf einen Augpunkt projiziert wird, und Licht von außen, das auf die andere Oberfläche einfällt, durchgelassen wird.
STAND DER TECHNIK
Beispielsweise wird in üblichen Frontscheiben-Anzeige- bzw. HeadUp-Display-(HUD) Einrichtungen ein optisches Bild, das diverse anzuzeigende Informationen enthält, von einer HUD-Einheit auf eine Frontscheibe (vorderes Glasfenster) oder eine Reflexionsplatte, die als eine Kombiniereinheit bezeichnet wird, projiziert und es wird ein optischer Weg so erzeugt, dass von der Frontscheibe reflektiertes Licht beispielsweise in Richtung zu dem Betrachtungspunkt eines Fahrers läuft. Daher kann der Fahrer als ein virtuelles Bild eine visuelle HUD-Anzeigeinformation, die beispielsweise auf der Frontscheibe angezeigt wird, betrachten, während er eine vor dem Fahrzeug liegende Szene durch die Frontscheibe wahrnimmt. D.h., der Fahrer kann visuell diverse Informationen in Form einer HUD-Anzeige visuell erkennen, ohne dass er seinen bzw. ihren Blick abwenden muss, während er in einem normalen Zustand des Fahrens bleibt.
Beispielsweise ist gemäß einem Stand der Technik eine spezielle optische Einrichtung (die Kombiniereinheit) mit einer Glasoberfläche einer Frontscheibe verbunden (siehe beispielsweise JP 2012-123393A ). Licht, das von einer HUD-Einheit ausgesendet wird, wird von der Oberfläche der optischen Einrichtung, die auf der Frontscheibe ausgebildet ist, reflektiert und wandert in Richtung zu dem Augpunkt eines Fahrers. Da die optische Einrichtung aus einem Material hergestellt ist, das sichtbares Licht durchlässt, ist der Fahrer in der Lage, nicht nur ein angezeigtes Bild, das vor der optischen Einrichtung angezeigt wird, als ein virtuelles Bild zu betrachten, sondern er kann auch ein Bild einer Szene vor dem Fahrzeug durch die Frontscheibe und die optische Einrichtung hindurch erkennen.
In diesem Stand der Technik ist ein optisches Vergrößerungssystem gebildet durch eine Fresnel-Linse, die auf der optischen Einrichtung platziert wird. Dies ermöglicht es, die Größe der HUD-Einheit zu reduzieren. Ferner ermöglicht es die Verwendung der Fresnel-Linse, die Dicke der optischen Einrichtung zu verringern.
Konventionelle Fresnel-Linsenbereiche haben eine Form derart, dass kreisförmige Fresnel-Rillen in einer konzentrischen Weise angeordnet sind. Diese Form kann reflektierende Oberflächeneigenschaften, die einer Kugeloberfläche oder einer rotationssymmetrischen asphärischen Oberfläche entsprechen, bereitstellen. Aufgrund der Rotationssymmetrie kann diese Art einer Form relativ einfach unter Anwendung eines maschinellen Werkzeugs, etwa einer Drehbank, hergestellt werden.
Jedoch können derartige Fresnel-Linsenbereiche keine reflektierenden Oberflächeneigenschaften einer polynomialen asphärischen Oberfläche bereitstellen, da jede Fresnel-Rille bzw. Rinne eine relativ einfache sphärische Oberfläche oder eine rotationssymmetrische asphärische Oberfläche hat. Daher erzeugt ein von der Mitte entfernter Teil eines Fresnel-Linsenbereichs eine Verzerrung und dadurch wird das Abbildungsverhalten beeinträchtigt. Ferner ergibt sich ein deutlicher binokukarer Parallaxen-Fehler für gewisse Blickrichtungen eines Fahrers. Wenn ein optisches Vergrößerungssystem einer HUD-Einrichtung aufgebaut wird, indem ein Fresnel-Linsenbereich auf einer Frontscheibe oder einer Kombiniereinheit angeordnet wird, kann der Einfluss durch Verzerrung aufgrund des optischen Systems und dergleichen nicht vermieden werden, da der Fresnel-Linsenbereich parallel zu der gekrümmten Oberfläche der Frontscheibe oder der Kombiniereinheit angeordnet ist.
Weiterer Stand der Technik ist aus den Dokumenten DE 11 2015 000 979 T5 , US 2015/0036 223 A1 und US 7 656 585 B1 bekannt.
ÜBERBLICK
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine optische Einrichtung bereitzustellen, die eine reflektierende Oberfläche, die zur Verwendung für eine Projektion einer HUD-Einrichtung geeignet ist, und eine optische Vergrößerungsfunktion aufweist, und die eine Verzerrung aufgrund eines optischen Projektionssystems und dergleichen verhindert.
Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand von Anspruch 1 gelöst.
Andere Aspekte und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung, den Zeichnungen und den Patentansprüchen.
Figurenliste

1 ist eine perspektivische Ansicht einer Frontscheibe eines Fahrzeugs und ihrer Umgebung, bei Betrachtung aus einem Fahrzeuginnenraum, wobei eine optische Einrichtung zur Projektion von Anzeigelicht bzw. zur Anzeigelichtprojektion gemäß einer anschaulichen Ausführungsform installiert ist;
2 ist eine vertikale Schnittansicht bei Betrachtung von der gleichen Seite aus wie in 1;
3A bis 3C zeigen einen beispielhaften Aufbau eines Fresnel-Linsenbereichs, der in der optischen Einrichtung zur Anzeigelichtprojektion gemäß der anschaulichen Ausführungsform verwendet wird, 3A ist eine Draufsicht, 3B ist eine Schnittansicht entlang der Linie B-B in 3A und 3C ist eine Schnittansicht entlang der Linie C-C in 3A;
4 ist eine vertikale Schnittansicht entlang der Dickenrichtung der optischen Einrichtung zur Anzeigelichtprojektion gemäß der anschaulichen Ausführungsform;
5 zeigt ein spezielles Beispiel eines Teils von Verarbeitungsdaten, die zur Herstellung, mittels maschineller Bearbeitung, eines Fresnel-Linsenbereichs mit einer Fresnel-Form zu verwenden sind, so dass sie die gewünschten Eigenschaften zeigt; und
6 ist eine vertikale Schnittansicht, die die Form einer optischen Einrichtung zur Anzeigelichtprojektion gemäß einem modifizierten Beispiel zeigt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Im weiteren werden anschauliche Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung detailliert mit Bezug zu den Zeichnungen beschrieben. Jedoch beschränken die folgenden anschaulichen Ausführungsformen den Schutzbereich der beanspruchten Erfindung nicht.
Beispiel einer Umgebung zur Nutzung einer optischen Einrichtung zur Anzeigelichtprojektion 1 ist eine Ansicht, die schräg aus dem Inneren einer Fahrzeugzelle erfolgt, einer Frontscheibe WS eines Fahrzeugs und ihrer Umgebung, in welchem eine optische Einrichtung zur Anzeigelichtprojektion gemäß einer anschaulichen Ausführungsform installiert ist. 2 ist eine vertikale Schnittansicht bei Betrachtung von der gleichen Seite aus wie in 1 und zeigt, wie einzelne Komponenten und Einheiten angeordnet sind.
In dem Beispiel der 1 und 2 enthält eine Frontscheibe WS (Fensterglas) des Fahrzeugs, das ein Verbundglas ist, eine optische Einrichtung zur Anzeigelichtprojektion als eine Zwischenschicht. Ein Gebiet eines Fresnel-Linsenbereichs FM ist in der optischen Einrichtung zur Anzeigelichtprojektion ausgebildet. Das Gebiet FM des Fresnel-Linsenbereichs hat grundsätzlich eine Funktion eines Halbspiegels: das Gebiet des Fresnel-Linsenbereichs FM hat derartige Eigenschaften, dass Licht, das auf das Gebiet des Fresnel-Linsenbereichs FM von innerhalb der Fahrzeugzelle auftritt, reflektiert wird und Licht, das in 2 nach rechts läuft und auf das Gebiet des Fresnel-Linsenbereichs FM von außerhalb des Fahrzeugs fällt, durchgelassen wird. Wie auch eine Fresnel-Linse bildet das Gebiet des Fresnel-Linsenbereichs FM ein optisches Vergrößerungssystem. Ein spezieller Aufbau der optischen Einrichtung zur Anzeigelichtprojektion ist nachfolgend detailliert beschrieben.
Obwohl in dem Beispiel der 1 und 2 angenommen ist, dass die optische Einrichtung zur Anzeigelichtprojektion in der Frontscheibe WS enthalten ist, kann die optische Einrichtung zur Anzeigelichtprojektion in der Nähe der Frontscheibe WS als eine Kombiniereinheit einer HUD-(HeadUp-Display) Einrichtung unabhängig von der Frontscheibe WS angeordnet sein.
In dem in 1 gezeigten Fahrzeug ist eine HUD-Einheit 20 unter einem Armaturenbrett 22 vor einem Instrument 21 angeordnet. Die HUD-Einheit 20 hat in ihrem Inneren eine Flachpanel-Anzeige, etwa eine Flüssigkristallanzeige, und eine Beleuchtungslichtquelle (Hintergrundlicht). Bei Bedarf werden diverse Informationen, die für das Fahren zweckdienlich sind, etwa eine Fahrzeuggeschwindigkeit, auf dem Bildschirm der Flachpanel-Anzeige in Form sichtbarer Information, etwa durch Buchstaben, Ziffern und Symbole, angezeigt. Durch Beleuchtung des Bildschirms durch das Hintergrundlicht kann die HUD-Einheit 20 Anzeigelicht, das ein Bild einer angezeigten sichtbaren Information beinhaltet, aussenden.
Das Armaturenbrett 22 ist mit einer rechteckigen Öffnung 22a über der HUD-Einheit 20 versehen. Anzeigelicht, das von der HUD-Einheit 20 ausgesendet wird, läuft durch einen darüber angeordneten Bereich der Frontscheibe WS durch die Öffnung 22a. Das zuvor genannte Gebiet des Fresnel-Linsenbereichs FM ist in dem Bereich der Frontscheibe WS angeordnet, auf den von der HUD-Einheit 20 ankommendes Anzeigelicht fällt.
Daher trifft Anzeigelicht, das von der HUD-Einheit 20 ausgesendet wird, auf die Oberfläche der Frontscheibe WS, wird durch das Gebiet des HUD-Linsenbereichs FM reflektiert und erreicht einen Augpunkt EP, der einer angenommenen Position der Augen eines Fahrers entspricht. Da das Anzeigelicht von dem Gebiet des Fresnel-Linsenbereichs FM reflektiert wird, sieht der Fahrer ein angezeigtes Bild als ein virtuelles Bild, das so erscheint, als ob es in einer virtuellen Abbildungsebene 24 angezeigt würde, die vor der Frontscheibe WS (davon beispielsweise ungefähr 10 m entfernt) angeordnet ist. Da das Gebiet des Fresnel-Linsenbereichs FM ebenso wie die Frontscheibe WS Licht durchlässt, das von vor dem Fahrzeug in Richtung zu der Fahrzeugzelle läuft, kann der Fahrer auch eine Szene vor dem Fahrzeug durch das Gebiet des Fresnel-Linsenbereichs FM wahrnehmen. D.h., der Fahrer kann eine Szene vor dem Fahrzeug und ein angezeigtes Bild der HUD-Einheit 20 gleichzeitig in überlagerter Weise sehen.
Bei Verwendung eines Fresnel-Linsenbereichs kann das Gebiet des Fresnel-Linsenbereichs FM in der Dicke reduziert und somit in der Frontscheibe WS integriert werden. Da das Gebiet des Fresnel-Linsenbereichs FM ein optisches Vergrößerungssystem bildet, ist es für die HUD-Einheit 20 nicht erforderlich, ein optisches Vergrößerungssystem aufzuweisen. Ferner kann die Apertur-Fläche der Öffnung 22a kleiner gemacht werden als in einem Falle, in welchem die HUD-Einheit 20 ein optisches Vergrößerungssystem enthält.
Eine Abdeckung 23 ist in der Nähe der Öffnung 22a angeordnet. Die Abdeckung 23 hat die Funktion, eine Reflexion von unnötigem Außenlicht in der Nähe der Öffnung 22a und dessen Ausbreitung in Richtung zu dem Augpunkt EP zu verhindern, um damit die Sichtbarkeit der HUD-Anzeige zu verbessern.
Beispiel eines Fresnel-Linsenbereichs >
3A bis 3C zeigen einen beispielhaften Aufbau eines Fresnel-Linsenbereichs 11, der in der optischen Einrichtung zur Anzeigelichtprojektion gemäß der anschaulichen Ausführungsform verwendet ist. 3A ist eine Draufsicht, 3B ist eine Schnittansicht entlang der Linie B-B in 3A und 3C ist eine Schnittansicht entlang der Linie C-C in 3A.
Der Fresnel-Linsenbereich 11, der ein Basiselement ist, ist eine dünne Platte, die aus transparentem Material mit einem bekannten Brechungsindex n1, etwa Harz oder Glas, hergestellt ist. Eine der Oberflächen des Fresnel-Linsenbereichs 11, die in der Dickenrichtung angeordnet ist, ist mit einem Fresnel-förmigen Bereich 11a versehen, und die andere Oberfläche ist eine glatte Oberfläche 11c.
Obwohl sich die anschauliche Ausführungsform auf einen Fall bezieht, derart, dass, wie in 3A gezeigt ist, Umrisse und Umfänge 31a, 32a, 33a, 34a, 35a, 36a viele elliptische oder näherungsweise elliptische Fresnel-Rillen 31, 32, 33, 34, 35, 36 aufweisen, können selbst kreisförmige Fresnel-Rillen 31 bis 36 eine Verzerrung aufgrund des optischen Systems unterdrücken, indem der Neigungswinkel (Winkel des Durchhangs) jeder reflektierenden Oberfläche 31b bis 36b (später beschrieben) abhängig von der Position in der Umfangsrichtung der Rille variiert wird.
Es ist erforderlich, die Anzahl an Fresnel-Rillen, den Abstand der Anordnung und dergleichen entsprechend den erforderlichen optischen Eigenschaften und dergleichen zu vergrößern oder zu verkleinern. Die Fresnel-Rillen 31 bis 36 sind in konzentrischer Weise um einen mittleren Teil 30 des Fresnel-Linsenbereichs 11 herum angeordnet.
Wie in 3B und 3C gezeigt ist, wird eine Projektion zwischen jedem angrenzenden Paar der Fresnel-Rillen 31 bis 36 gebildet. D.h., der Fresnel-förmige Bereich 11a hat sägezahnförmige Oberflächen im Querschnitt und die reflektierenden Oberflächen 31b, 32b, 33b, 34b, 35b, 36b sind geneigte Oberflächen, die zu der Richtung geneigt sind, die senkrecht zu der Dickenrichtung des Fresnel-Linsenbereichs 11 steht. Eine senkrechte Wand 11b ist an der Grenze zwischen den reflektierenden Oberflächen jedes angrenzenden Paares aus Fresnel-Rillen derart ausgebildet, dass sie sich in der Dickenrichtung des Fresnel-Linsenbereichs 11 erstreckt. Die geneigten reflektierenden Oberflächen 31b-36b sind näherungsweise fortlaufend so ausgebildet, dass sie keine Oberflächen bilden, die senkrecht zu der Dickenrichtung stehen. Diese Oberflächenkonfiguration bildet optisch eine Linse.
Die Fresnel-Rillen 31 bis 36 verleihen dem Fresnel-förmigen Bereich 11a Licht reflektierende Eigenschaften, die Eigenschaften einer Freiformfläche sind. Die reflektierenden Oberflächen 31b-36b der Fresnel-Rillen 31 bis 36 sind so ausgebildet, dass der Neigungswinkel (Winkel des Durchhangs) jeder reflektierenden Oberfläche kontinuierlich in Abhängigkeit von der Umfangsposition der Rille variiert.
Dort, wo die Tiefe (VH, VV) jeder der Fresnel-Rillen 31 bis 36 konstant ist, wird der Neigungswinkel jeder der reflektierenden Oberflächen 31b-36b kontinuierlich in Abhängigkeit von der Umfangsposition variiert und der Abstand (PH, PV) zwischen den Umfängen jedes der angrenzenden Paare aus Rillen wird dadurch in Abhängigkeit von der Umfangsposition variiert. Folglich haben die Fresnel-Rillen 31 bis 36 elliptische Umfänge.
In dem Beispiel der 3A bis 3C ist der Abstand PV zwischen den Umfängen bzw. Umfangslinien 35a und 36a in dem B-B-Querschnitt kleiner als der Abstand PV zwischen ihnen in dem C-C-Querschnitt, da elliptische Muster gebildet sind, wobei in jedem davon die Abmessung in der X-Achsenrichtung größer ist als in der Y-Achsenrichtung. Der Neigungswinkel der reflektierenden Oberfläche 36b, der dem Abstand PH entspricht, ist kleiner als derjenige, der dem Abstand PV entspricht. Selbstverständlich gilt, dass, wenn die Montageposition des Fresnel-Linsenbereichs 11, seine Positionsabhängigkeit in Bezug auf den Augpunkt EP oder ein gewisser anderer Faktor eine gewisse Bedingungen erfüllen, elliptische Muster erzeugt werden können, in denen jeweils die Abmessung in der Y-Achsenrichtung größer ist als diejenige in der X-Achsenrichtung.
Wenn die Tiefe (VH, VH) der Rille entsprechend einer Variation des Neigungswinkels (Winkel des Durchhangs) jeder der reflektierenden Oberflächen 31b-36b variiert wird, ist es möglich, den Abstand (PH, PV) zwischen den Umfängen bzw. Umfangslinien aller angrenzender Paare als konstant bzw. gleichbleibend festzulegen. In diesem Falle können die Lichtreflexionseigenschaften, die Eigenschaften einer Freiformfläche sind, erhalten werden, selbst wenn die Fresnel-Rillen 31 bis 36 perfekte Kreise oder Formen, die diesen näherungsweise entsprechen, annehmen.
Die Umrissformen der Umfänge der Fresnel-Rillen 31 bis 36 sind nicht auf elliptische Formen, die in 3A gezeigt sind, oder Kreisformen beschränkt, und können gekrümmt sein, etwa beispielsweise wie die Umrisslinien für erforderliche Eigenschaften einer Freiformfläche.
Wenn beispielsweise ein angezeigtes Bild, das von einem HUD-Anzeigesystem erzeugt wird, so verzerrt wird, dass es unterschiedliche Größen in der vertikalen Richtung und in der horizontalen Richtung hat, kann eine Anzeige mit hoher Qualität realisiert werden, indem eine Bildverzerrung oder ein binokularer Parallaxen-Fehler durch Verwendung eines Fresnel-Linsenbereichs 11 mit elliptischen Mustern, die im Verhältnis vertikal/horizontal eingestellt sind, unterdrückt wird. Ferner kann eine Miniaturisierung erreicht werden, da der Fresnel-Linsenbereich 11 eine dünne Platte ist.
Herstellungsverfahren für Fresnel-Linsenbereich >
5 zeigt ein spezielles Beispiel eines Teils von Verarbeitungsdaten, die zur Herstellung eines Fresnel-Linsenbereichs 11 mittels maschineller Bearbeitung zu verwenden sind, der eine Fresnel-Form derart aufweist, dass er die gewünschten Eigenschaften hat. D.h., Verarbeitungsdaten, wie in 5 gezeigt sind, werden bei der Verarbeitung (d.h. Formgebung) eines Materials verwendet, um einen Fresnel-förmigen Bereich 11a herzustellen, wie er in 3C gezeigt ist.
In der Praxis können Verarbeitungsdaten, wie sie in 5 gezeigt sind, automatisch durch einen Computer mittels eines Entwurfswerkzeugs auf der Grundlage von Parametern einer asphärischen Polynom-Oberfläche entsprechend den Eigenschaften einer Freiformfläche zur Vermeidung von Verzerrung eines angezeigten Bildes oder von binokularen Parallaxen-Fehlern von Blickrichtungen unter Anwendung eines optimierenden Entwurfsmodels erzeugt werden, das unter Anwendung einer optischen Entwurfs-Software erstellt wird.
Die in 5 gezeigten Verarbeitungsdaten sind 5-Achs-Daten bestehend aus 3-Achs-Koordinatendaten, die Positionen in Richtung der X-, Y-und Z-Achse darstellen, Normalenvektoren θ und Fresnel-Winkeln Φ. Die Normalenvektoren θ repräsentieren Neigungswinkel der reflektierenden Oberfläche 31b, 36b, die in 3A bis 3C gezeigt sind, an entsprechenden Sätzen aus Koordinaten. Die Fresnel-Winkel Φ sind Winkel des Durchhangs.
Die Verarbeitungsdaten sind nicht auf die Daten in der Form beschränkt, die in 5 gezeigt ist, und es kann eine beliebige Form von Daten zur Herstellung eines geeigneten Fresnel-Linsenbereichs 11 angewendet werden, solange sie Umfangsformen der Fresnel-Rillen 31 bis 36, die in 3A bis 3C gezeigt sind, Neigungswinkel (Winkel des Durchhangs) der reflektierenden Oberfläche an jeweiligen Koordinatensätzen und Tiefen (Tiefe des Durchhangs) in der Z-Achsenrichtung kennzeichnen.
Da der Fresnel-förmige Bereich 11a des Fresnel-Linsenbereichs 11 sehr komplex in seiner Form ist, wird eine erforderliche Pressform auf der Grundlage von Verarbeitungsdaten hergestellt, wie in 5 gezeigt (beispielsweise unter Verwendung einer 3D-Bearbeitungsmaschine). Ein Material, etwa Harz, wird unter Anwendung der auf diese Weise hergestellten Pressform so bearbeitet, dass der Fresnel-förmige Bereich 11a mit der beabsichtigten Form erzeugt wird.
Gesamtaufbau der optischen Einrichtung für Anzeigelichtprojektion
4 ist eine Schnittansicht entlang der Dickenrichtung, wobei der Aufbau der optischen Einrichtung zur Anzeigelichtprojektion gemäß der anschaulichen Ausführungsform dargestellt ist.
In der anschaulichen Ausführungsform ist die optische Einrichtung zur Anzeigelichtprojektion als eine Kombiniereinheit 10 zum Projizieren von Anzeigelicht der HUD-Einheit 20 ausgebildet. Die Kombiniereinheit 10 ist so ausgebildet, dass sie die gleiche Rechteckform wie der Fresnel-Linsenbereich 11 aufweist, der in 3A gezeigt ist, und so, dass sie größer dimensioniert ist als das Gebiet des Fresnel-Linsenbereichs FM, das in 1 gezeigt ist.
Wie in 4 gezeigt ist, hat die Kombiniereinheit 10 mehrere Schichten, die in der Dickenrichtung aufeinander geschichtet sind. Genauer gesagt, die Kombiniereinheit 10 weist den Fresnel-Linsenbereich 11 als ein Basiselement, eine teilweise reflektierende Spiegelschicht 12, eine Füllschicht 13, eine transparente Platte 14 und AR-Beschichtungslagen 15, 16 auf.
Die teilweise reflektierende Spiegelschicht 12 ist auf einer Oberfläche des Fresnel-förmigenbereichs 11a des Fresnel-Linsenbereichs 11 ausgebildet. Genauer gesagt, die teilweise reflektierende Spiegelschicht 12 wird durch Dampfabscheidung eines Metalls oder als anorganische Mehrlagen-Dünnschicht auf den Oberflächen gebildet. Die teilweise reflektierende Spiegelschicht 12 ist so aufgebaut, dass sie eine Lichtreflekivität von beispielsweise 20 % besitzt. Die Dicke der teilweise reflektierenden Spiegelschicht 12, die hergestellt ist, wird auf kleiner als 100 nm festgelegt.
In der anschaulichen Ausführungsform unterliegen bei der Herstellung der teilweise reflektierenden Spiegelschicht 12 die senkrechten Wände 11b des Fresnel-förmigen Bereichs 11a nicht der Dampfabscheidung. D.h., die teilweise reflektierende Spiegelschicht 12 wird auf Oberflächen gebildet, die nicht die senkrechten Seitenwände 11b sind, die die Grenzen zwischen den Rillen des Fresnel-förmigen Bereichs 11a sind und sich parallel zu der Dickenrichtung erstrecken. Da die teilweise reflektierende Spiegelschicht 12 auf den senkrechten Wänden 11b nicht besteht, wird eine Reflexion durch die senkrechten Wände 11b von Licht, das einen anderen Weg nimmt als das regulär durchgelassene Licht oder das einmal reflektierte Licht, unterdrückt, wodurch die Wahrscheinlichkeit des Auftretens ungewünschter Lichtstrahlen durch derartige Reflexionen minimiert wird. Folglich wird auch die Wahrscheinlichkeit des Auftretens eines Bildes aus Lichtreflexen verringert.
Die Füllschicht 13 ist vorgesehen, um die Erhebungen und Vertiefungen des Fresnel-förmigen Bereichs 11a des Fresnel-Linsenbereichs 11 abzudecken und somit eine glatte Oberfläche zu erzeugen. Die Füllschicht 13 wird hergestellt, indem ein transparentes Material aufgebracht und ausgehärtet wird, etwa ein Ultraviolett-(UV) aushärtendes Harz. Das Material der Füllschicht 13 ist auf derartige Materialien beschränkt, deren Brechungsindizes n3 näherungsweise gleich dem Brechungsindex des Fresnel-Linsenbereichs 11 sind.
Eine Oberfläche 13a der Füllschicht 13 auf einer Seite in der Dickenrichtung ist glatt und die andere Oberfläche 13b, die in unmittelbarem Kontakt mit dem Fresnel-förmigen Bereich 11a ist, und die teilweise reflektierende Spiegelschicht 12 haben Oberflächenkonfiguration, die den Erhebungen und Vertiefungen des Fresnel-förmigen Bereichs 11a entsprechen.
Die transparente Platte 14 ist vorgesehen, um die Oberfläche der Kombiniereinheit 10 zu schützen. Die transparente Platte 14 ist aus einem transparenten Material aufgebaut, dessen Brechungsindex n2 ungefähr gleich dem Brechungsindex des Fresnel-Linsenbereichs 11 ist, und sie ist als eine dünne Platte ausgebildet.
Wie in 4 gezeigt, sind die Antireflexions-(AR) Beschichtungslagen 15, 16 vorgesehen, um zwei jeweilige Außenflächen der Kombiniereinheit 10 bereitzustellen, die in der Dickenrichtung angeordnet sind. Daher wird durch diese Oberflächen die Reflexion von Licht, das auf die Kombiniereinheit 10 einfällt und von Licht, das austritt, unterdrückt. Als spezielle Wirkungen können die AR-Beschichtungslagen 15, 16 die Erzeugung eines Geisterbildes mit gleicher Vergrößerung und Lichthof aufgrund der internen Streureflexionen verhindern.
In dem Beispiel der 1 und 2 ist die in 4 gezeigte Kombiniereinheit 10 in die Frontscheibe WS als eine Zwischenschicht eingebaut und integriert. D.h., die teilweise reflektierende Spiegelschicht 12 der Kombiniereinheit 10 bildet das Gebiet des Fresnel-Linsenbereichs FM, das in 1 und 2 gezeigt ist. Aufgrund der Bereitstellung von optischen Eigenschaften, die äquivalent zu den optischen Eigenschaften einer Fresnel-Linse mit vergrößernder optische Brechkraft aufgrund der Formen des Fresnel-förmigen Bereichs 11a sind, bildet die teilweise reflektierende Spiegelschicht 12 ein vergrößerndes optisches System für einfallendes Licht, das von der HUD-Einheit 20 stammt. Folglich kann ein virtuelles Bild an einer entfernten Position vor der Frontscheibe WS erzeugt werden (d.h., in der virtuellen Abbildungsebene 24).
Obwohl in dem Beispiel der 1 und 2 die Kombiniereinheit 10 in die Frontscheibe WS integriert ist, kann die Kombiniereinheit 10 an einer Position derart angeordnet werden, dass sie von der Frontscheibe WS getrennt ist; beispielsweise kann eine unabhängige Kombiniereinheit 10 über dem Armaturenbrett 22 so angebracht werden, dass sie geneigt ist.
Durchlasseigenschaften
4 zeigt die Kombiniereinheit 10, in der jeweils der Brechungsindex n1 des Materials des Fresnel-Linsenbereichs 11, der Brechungsindex n2 des Materials der transparenten Platte 14 und der Brechungsindex n3 des Materials der Füllschicht 13 gleich sind. In diesem Aufbau kann die Brechung des Lichts aufgrund eines Unterschieds im Brechungsindex jeweils an der Grenze zwischen dem Fresnel-Linsenbereich 11 und der Füllschicht 13 und der Grenze zwischen der Füllschicht 13 und der transparenten Platte 14 verhindert werden. Wenn die Kombiniereinheit 10 in der Frontscheibe WS als eine Zwischenschicht montiert ist, kann durch Festlegung des Brechungsindex des Materials der Frontscheibe WS gleich dem Brechungsindex n1 des Materials des Fresnel-Linsenbereichs 11 ein Teil der Frontscheibe WS als eine transparente Platte 14 dienen (d.h., die transparente Platte 14 wird weggelassen).
Wenn die Brechungsindizes in der zuvor beschriebenen Weise eingestellt sind, kann an dem in 2 gezeigten Augpunkt EP der Fahrer visuell eine Szene vor dem Fahrzeug als ein Bild mit der gleichen Vergrößerung (keine optische Vergrößerung) wahrnehmen, selbst wenn einfallendes Licht durch das Gebiet des Fresnel-Linsenbereichs FM läuft. D.h., es ergeben sich keine Unterschiede in der Größe, Position, Form, dergleichen eines wahrgenommenen Bildes einer Szene vor dem Fahrzeug, wenn es durch das Gebiet des Fresnel-Linsenbereichs FM wahrgenommen wird, im Vergleich einem Fall, in welchem es durch ein Gebiet wahrgenommen wird, das nicht das Gebiet des Fresnel-Linsenbereichs FM der Frontscheibe WS ist. Selbst wenn daher das Gebiet des Fresnel-Linsenbereichs FM verwendet wird, kann ein gutes Sichtfeld, das zum Fahren erforderlich ist, gewährleistet werden. Da ferner die AR-Beschichtungslagen den 15, 16 eine Reflexion von Licht durch die vordere Oberfläche und die hinteren Oberfläche der Kombiniereinheit 10 unterdrücken, kann die Erzeugung eines Geisterbildes mit gleicher Vergrößerung und gleichem Lichthof aufgrund der internen Streureflexionen verhindert werden.
Durch die Anordnung der Kombiniereinheit 10 mit dem optischen Vergrößerungssystem, das durch den Fresnel-Linsenbereich 11 gebildet ist, in oder in der Nähe der Frontscheibe WS kann ein virtuelles Bild mit einem weiten Betrachtungswinkel durch die HUD-Einheit 20 angezeigt werden. Da es ferner nicht erforderlich ist, ein vergrößerndes optisches System in der HUD-Einheit 20 vorzusehen, kann die HUD-Einheit 20 verkleinert und die Fläche der Öffnungen 22a kann reduziert werden.
Da, wie zuvor beschrieben ist, der Fresnel-förmige Bereich 11a des Fresnel-Linsenbereichs 11 der in 4 gezeigten Kombiniereinheit 10 die speziellen Formen aufweist, können Lichtreflexionseigenschaften, die Eigenschaften einer Freiformfläche sind, erhalten werden und somit können ideale Linseneigenschaften einer asphärischen Polynom-Oberfläche realisiert werden. Selbst ohne Verwendung einer großen Linse oder eines Spiegels werden folglich das Abbildungsverhalten und das Verhalten im Hinblick auf binokulare Parallaxen-Fehler, Anzeigeverzerrung und dergleichen des HUD-Systems verbessert und somit kann die Anzeigequalität verbessert werden.
Fresnel-Abstand P
In dem in 3A bis 3C gezeigten Fresnel-Linsenbereich 11 ist der Abstand für die Ausbildung der Rillen des Fresnel-förmigen Bereichs 11a, d.h., der Fresnel-Abstand P, so festgelegt, dass er gleich einem Näherungswert der folgenden Gleichung oder ein kleinerer Wert ist. $P = (tan θ d - D) / Pixel$

θd: Anzeigeblickwinkel
D: Abstand zwischen vermutetem Augpunkt und Fresnel-förmigem Bereich
Pixel: Anzahl vertikaler oder horizontaler Pixel auf einem Anzeigebildschirm der HUD-Einheit 20

Es sei beispielsweise ein Fall angenommen, in welchem die Anzahl an vertikalen oder horizontalen Pixel auf dem Bildschirm der Flachpanel-Anzeige, die in der HUD-Einheit 20 angeordnet ist, 640 Pixel beträgt, der Anzeigeblickwinkel θd gleich 16 Grad beträgt und der Abstand D 1000 mm beträgt. In diesem Falle wird gemäß der vorhergehenden Gleichung P = 0,45 mm gewählt.
Durch Festlegung des Fresnel-Abstands P des Fresnel-förmigen Bereichs 11a in der zuvor beschriebenen Weise wird einem angezeigten Bild, das der Fahrer an dem Augpunkt EP betrachtet, die Fähigkeit verliehen, eine minimale erforderliche Anzahl an Punkt-Pixel anzuzeigen, die für die HUD-Einheit 20 erforderlich ist. Es ist auch möglich, eine Farbtrennung (Erzeugung von Regenbogenfarben) und die Erzeugung eines Geisterbildes, etwa eines doppelten Bildes aufgrund von Beugung an den Fresnel-Rändern zu verhindern und die Wahrscheinlichkeit des Auftretens eines Lichtreflexbildes aufgrund von Streureflexion zu verringern.
Modifikation
6 zeigt eine Querschnittsform einer Kombiniereinheit 10B (optische Einrichtung zur Anzeigelichtprojektion) gemäß einem modifizierten Beispiel.
Wenn die Kombiniereinheit 10 als eine Zwischenschicht der Frontscheibe WS in der Weise, die in 1 und 2 gezeigt ist, realisiert wird, um die Qualität der HUD-Anzeige zu optimieren, ist es wünschenswert, die Form der Kombiniereinheit in eine gekrümmte Form entsprechen der Form einer Kombiniereinheit 10B zu ändern, die in 6 gezeigt ist.
In der in 6 gezeigten Kombiniereinheit 10B wird beim optischen Entwerfen der Krümmungsradius (einer Basiskurve) der Fresnel-Oberfläche entsprechend einer Kugelfläche festgelegt, die durch einen gewissen Radius R repräsentiert ist, oder durch eine asphärische Polynom-Oberfläche, die für die gekrümmte Oberflächenform speziell der Frontscheibe WS geeignet ist. Wie in dem Fresnel-Linsenbereich 11, der in 3A bis 3C gezeigt ist, werden die Umfänge der Fresnel-Rillen 31 bis 36 elliptisch gestaltet oder die Neigung oder die Tiefe jeder reflektierenden Oberfläche 31b-36b wird kontinuierlich in Abhängigkeit von der Position am Umfang variiert. Bei der Bestimmung einer Basisform bzw. Grundgestalt des Fresnel-förmigen Bereichs 11a wird eine Berechnung durchgeführt, wobei die spezielle gekrümmte Oberflächenform der Frontscheibe WS berücksichtigt wird.
Selbst in einem Falle, in welchem ein voraus liegender Bereich durch das Gebiet des Fresnel-Linsenbereichs FM mit verbesserter HUD-Anzeigequalität betrachtet wird, kann folglich eine Durchsichtigkeit mit gleichem Niveau wie im Falle der Betrachtung durch eine normale Frontscheibe WS bereitgestellt werden.
Nachfolgend sind einige Merkmale der Kombiniereinheit 10 entsprechend der anschaulichen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zusammengefasst.
Eine optische Einrichtung umfasst einen plattenförmigen Fresnel-Linsenbereich (11), der aus einem ersten optischen Material hergestellt ist, wobei der Fresnel-Linsenbereich einen Fresnel-förmigen Bereich (11a) auf einer Seite des Fresnel-Linsenbereichs in einer Dickenrichtung des Fresnel-Linsenbereichs aufweist, wobei der Fresnel-förmige Bereich mehrere Rillen bzw. Rinnen aufweist, und eine teilweise reflektierende Spiegelschicht (12) aufweist, die auf einer Oberfläche des Fresnel-förmigen Bereichs vorgesehen ist. Die mehreren Rillen des Fresnel-förmigen Bereichs sind so gestaltet, dass eine Oberflächenkonfiguration des Fresnel-förmigen Bereichs optisch Eigenschaften einer Freiformfläche hat und derart, dass jede Stelle eine nicht gleichmäßige Tiefe hat.
Da die teilweise reflektierende Spiegelschicht auf der Oberfläche des Fresnel-förmigen Bereichs ausgebildet ist, kann gemäß dieser optischen Einrichtung ein vergrößerndes optisches System für das Licht, das reflektiert wird, gebildet werden. Die Eigenschaften einer Freiformfläche können bereitgestellt werden, indem der Winkel der reflektierenden Oberfläche jeder Rille entsprechend der Position auf dem Umfang entlang der Rille variiert wird, wodurch eine dreidimensionale Verzerrung aufgrund des optischen Systems und dergleichen vermieden werden kann.
Die optische Einrichtung kann als eine Einrichtung zur Anzeigelichtprojektion (Kombiniereinheit 10) ausgebildet sein, und der Fresnel-Linsenbereich (11) kann so ausgebildet sein, dass er Licht, das von einer Anzeigeeinheit (HUD-Einheit 20) ausgesendet wird, an einer Position in der Nähe der einen Seite des Fresnel-Linsenbereichs reflektiert, um das Licht in Richtung zu einem Augpunkt (EP) zu projizieren, und Außenlicht in der Dickenrichtung, das in den Fresnel-Linsenbereich von einer weiteren Seite des Fresnel-Linsenbereichs eintritt, durchzulassen.
Gemäß dieser optischen Einrichtung wird das von der Anzeigeeinheit ausgesandte Anzeigelicht von der Oberfläche der teilweise reflektierenden Spiegelschicht reflektiert und in Richtung zu dem Augpunkt eines Fahrers gelenkt. Andererseits verläuft das Außenlicht, das von dem Bereich vor dem Fahrzeug stammt, durch die optische Einrichtung zur Anzeigelichtprojektion hindurch und wird in Richtung zu dem Augpunkt gelenkt. Durch Ausbildung der teilweise reflektierenden Spiegelschicht auf der Oberfläche des Fresnel-förmigen Bereichs bildet sie ein vergrößerndes optisches System für das Licht, das reflektiert wird. Wiederum werden die Eigenschaften einer Freiformfläche bereitgestellt, indem der Winkel der reflektierenden Oberfläche jeder Rille entsprechend der Position auf dem Umfang entlang der Rille variiert wird, wodurch eine dreidimensionale Verzerrung aufgrund des optischen Systems und dergleichen vermieden werden kann.
Jede der Rillen kann so gestaltet sein, dass ein Winkel einer reflektierenden Oberfläche davon sich kontinuierlich in Abhängigkeit von einer Position auf einem Umfang entlang der Rille ändert. Dies ermöglicht es, in einfacher Form die Eigenschaften einer Freiformfläche bereitzustellen, die zur Vermeidung einer dreidimensionalen Verzerrung aufgrund diverser Faktoren erforderlich sind. Jede der Rillen des Fresnel-förmigen Bereichs kann in einer Ringform derart ausgebildet sein, dass mindestens ein Abstand von einem zentralen Teil (30) des Fresnel-förmigen Bereichs zu dem Umfang (31a-36a) entlang der Rille kontinuierlich in Abhängigkeit von der Position auf dem Umfang variiert.
Da der Abstand von dem zentralen Teil des Fresnel-förmigen Bereichs zu dem Umfang entlang jeder Rille kontinuierlich in Abhängigkeit von der Position auf dem Umfang variiert, kann gemäß dieser optischen Einrichtung selbst in einem Falle, in welchem jede Rille eine gleichbleibende Tiefe aufweist, eine Form, die zum Erhalt von Eigenschaften einer Freiformfläche erforderlich ist, an jedem Bereich der reflektierenden Oberfläche erhalten werden, indem der Neigungswinkel der reflektierenden Oberfläche abhängig von der Position eingestellt wird.
Jede der Rillen (Fresnel-Rillen 31-36) des Fresnel-förmigen Bereichs hat eine elliptische Form.
Da jede Rille eine elliptische Form annimmt, ändert sich gemäß dieser optischen Einrichtung der Abstand von dem mittleren Teil des Fresnel-förmigen Bereichs zu dem Umfang entlang jeder Rille kontinuierlich in Abhängigkeit von der Position auf dem Umfang. Selbst wenn jede Rille eine konstante Tiefe hat, kann daher eine Form, die zum Erhalten von Eigenschaften einer Freiformfläche erforderlich ist, an jedem Bereich der reflektierenden Oberfläche erhalten werden, indem der Neigungswinkel der reflektierenden Oberfläche in Abhängigkeit von der Position eingestellt wird.
Die optische Einrichtung kann ferner ein zweites optisches Material (Füllschicht 13) als ein transparentes Füllmaterial aufweisen, das Erhebungen und Vertiefungen einer Oberfläche der teilweise reflektierenden Spiegelschicht auffüllt, um eine glatte bzw. ebene Oberfläche zu bilden, und kann ein drittes optisches Material (transparente Platte 14) aufweisen, das eine Außenfläche des zweiten optischen Materials schützt. Ein Brechungsindex des ersten optischen Materials, ein Brechungsindex des zweiten optischen Materials und ein Brechungsindex des dritten optischen Materials sind im Wesentlichen gleich.
Da die Brechungsindizes des ersten optischen Materials, des zweiten optischen Materials und des dritten optischen Materials im Wesentlichen gleich sind für Licht, das durch die optische Einrichtung zur Anzeigelichtprojektion läuft, tritt gemäß dieser optischen Einrichtung keine Brechung an den Grenzen zwischen ihren Oberflächen auf. Wenn daher ein Fahrer eine vor dem Fahrzeug liegende Ansicht wahrnimmt, kann der Fahrer Licht, das die optische Einrichtung zur Anzeigelichtprojektion durchläuft, visuell als ein Bild mit der gleichen Vergrößerung wie eine normale Szene wahrnehmen, die durch die Frontscheibe betrachtet wird.
Ein Aufbau der mehreren Rillen (Fresnel-Rillen 31 bis 36) des Fresnel-förmigen Bereichs kann auf der Grundlage von Parametern gestaltet werden, die dreidimensionale Koordinaten (X, Y, Z) entsprechend zu jeweiligen Positionen auf dem Fresnel-Linsenbereich, einen Normalenvektor (θ) und einen Fresnel-Winkel (Φ) enthalten.
Gemäß dieser optischen Einrichtung kann durch die Verwendung der 5-Achs-Parameter ein Fresnel-förmiger Bereich mit Formen, die zur Realisierung von Eigenschaften einer Freiformfläche des optischen Systems erforderlich sind, in einfacher Weise gebildet werden.

Claims

Eine optische Einrichtung mit: einem plattenförmigen Fresnel-Linsenbereich (FM), der aus einem ersten optischen Material (11) hergestellt ist, wobei der Fresnel-Linsenbereich (FM) einen Fresnel-förmigen Bereich (11a) auf einer Seite des Fresnel-Linsenbereichs (FM) in einer Dickenrichtung des Fresnel-Linsenbereichs (FM) aufweist und wobei der Fresnel-förmige Bereich (11a) mehrere Rillen (31-36) hat; und einer teilweise reflektierenden Spiegelschicht (12), die auf einer Oberfläche des Fresnel-förmigen Bereichs (11a) vorgesehen ist, wobei die mehreren Rillen (31-36) des Fresnel-förmigen Bereichs (11a) so ausgebildet sind, dass eine Oberflächenkonfiguration des Fresnel-förmigen Bereichs (11a) optisch Eigenschaften einer Freiformfläche hat und die Rillen (31-36) eine nicht gleichförmige Tiefe (VH, VV) besitzen, dadurch gekennzeichnet, dass jede der Rillen (31-36) so ausgebildet ist, dass ein Neigungswinkel einer reflektierenden Oberfläche davon kontinuierlich in Abhängigkeit von einer Position auf einem Umfang entlang der Rille (31-36) variiert.
Die optische Einrichtung nach Anspruch 1, wobei der Fresnel-Linsenbereich (FM) ausgebildet ist, von einer Anzeigeeinheit (20) ausgesandtes Anzeigelicht an einer Position in der Nähe der einen Seite des Fresnel-Linsenbereichs (FM) derart zu reflektieren, dass das Licht in Richtung zu einem Augpunkt (EP) projiziert wird, und in der Dickenrichtung Außenlicht, das in den Fresnel-Linsenbereich (FM) von einer weiteren Seite des Fresnel-Linsenbereichs (FM) eintritt, durchzulassen.
Die optische Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei jede der Rillen (31-36) des Fresnel-förmigen Bereichs (11a) in einer Ringform ausgebildet ist derart, dass zumindest ein Abstand von einem zentralen Teil des Fresnel-förmigen Bereichs (11a) zu dem Umfang entlang der Rille (31-36) kontinuierlich in Abhängigkeit von der Position auf dem Umfang variiert.
Die optische Einrichtung nach Anspruch 3, wobei jede der Rillen (31-36) des Fresnel-förmigen Bereichs (11a) eine elliptische Form hat.
Die optische Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, die ferner umfasst: ein zweites optisches Material (13) als ein transparentes Füllmaterial, das Erhebungen und Vertiefungen einer Oberfläche der teilweise reflektierenden Spiegelschicht (12) so auffüllt, dass eine glatte Oberfläche gebildet ist; und ein drittes optisches Material (14), das eine Außenfläche des zweiten optischen Materials (13) schützt, wobei ein Brechungsindex des ersten optischen Materials (11), ein Brechungsindex des zweiten optischen Materials und ein Brechungsindex des dritten optischen Materials (14) im Wesentlichen gleich sind.
Die optische Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei ein Aufbau der mehreren Rillen (31-36) des Fresnel-förmigen Bereichs (11a) auf der Grundlage von Parametern gebildet ist, die dreidimensionale Koordinaten entsprechend jeweiligen Positionen auf dem Fresnel-Linsenbereich (FM), einen Normalenvektor und einen Fresnel-Winkel enthalten.