DE102016209526A1

DE102016209526A1 - Projektionseinrichtung und Verfahren zum Projizieren eines virtuellen Bilds in einen Sichtbereich eines Fahrers eines Fahrzeugs

Info

Publication number: DE102016209526A1
Application number: DE102016209526.9A
Authority: DE
Inventors: Marcus Haefner; Matus Banyay
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2015-06-12
Filing date: 2016-06-01
Publication date: 2016-12-15
Also published as: CN106249411A; US20160363765A1

Abstract

Die Projektionseinrichtung zum Projizieren eines virtuellen Bildes in einen Sichtbereich eines Fahrers (3) eines Fahrzeugs (1) umfasst einen Bildgeber (5) zum Aussenden eines Lichtsignals mit einer vorher bestimmbaren Intensität zur Darstellung des virtuellen Bildes, ein Projektionselement (7) zum Einblenden des Lichtsignals in den Sichtbereich, einen Lichtsensor (10) zum Erfassen eines Bereichs (9), der im Sichtbereich des Fahrers liegt und von dem die dort vorherrschende Intensität des Umgebungslichts durch den Lichtsensor (10) bestimmt wird, und eine Steuerschaltung, um die Intensität des ausgesandten Lichtsignals abhängig von der vom Lichtsensor erfassten Intensität des Umgebungslichts anzupassen. Im Strahlengang zwischen dem Bildgeber (5) und dem Projektionselement (7) ist ein optisches Element (6) angeordnet. In einem Gehäuse (8) sind das optische Element (6), der polarisiertes Licht aussendende Bildgeber (5) und der Lichtsensor (10) angeordnet, es hat eine Öffnung (17) für das optische Element (6). Der Bereich (9) wird über das optische Element (6) auf den Lichtsensor (10) abgebildet. Im Gehäuse (8) und zwischen dem optischen Element (6) und dem Lichtsensor (10) ist ein Polarisationsfilter (15) im Strahlengang zwischen dem Bereich (9) und dem Lichtsensor (10) angeordnet, der Licht derjenigen Polarisation, wie es vom Bildgeber (5) emittiert wird, blockiert. Es wird auch ein Verfahren beschrieben.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Projektionseinrichtung, insbesondere ein Head-up-Display nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Projizieren eines virtuellen Bilds in einen Sichtbereich eines Fahrers eines Fahrzeugs, insbesondere Kraftfahrzeugs, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 8.
Aus DE 10 2012204303 A1 ist eine Projektionseinrichtung zum Projizieren eines virtuellen Bildes in einen Sichtbereich eines Fahrers eines Fahrzeugs bekannt. Die Projektionseinrichtung hat einen Bildgeber zum Aussenden eines Lichtsignals mit vorbestimmter Intensität zur Darstellung eines virtuellen Bildes, ein Projektionselement 3 zum Einblenden des Lichtsignals in den Lichtbereich und einen Lichtsensor 6 zum Erfassen einer im Sichtbereich des Fahrers vorherrschenden Intensität eines Umgebungslichtes, das aus einem Bereich vor dem Sichtbereich stammt, um die Intensität des ausgesandten Lichtsignals abhängig von der Erfassen Intensität des Umgebungslichtes anzupassen. Als Bildgeber wird beispielsweise ein LCD-Bildgeber angegeben. Dadurch wird eine gute Wahrnehmbarkeit bzw. Lesbarkeit des virtuellen Bilds im Sichtbereich des Fahrers erhalten, denn es wird ein bestimmtes Kontrastverhältnis zwischen den auf das Projektionselement projizierten Lichtsignalen und dem im Sichtbereich des Fahrers augenblicklich vorherrschenden Umgebungslicht erreicht.
Aus der DE 10 2009 054 194 A1 ist eine Nutzung der optischen Elemente eines Head-up-Displays zur kamerabasierten Regen- und Schmutzsensorik, Fahreridentifikation und Müdigkeitserkennung bekannt. Es wird vorgeschlagen, ein Polarisationsfilter vorzusehen, das Lichtstrahlung aus der Umgebung (von oben durch die Windschutzscheibe) in den Lichtsensor unterbindet. Auf diese Weise wird Lichtstrahlung absorbiert, die nicht über die Windschutzscheibe aus dem Fahrzeuginneren eingespiegelt ist.
Zum Stand der Technik ist schließlich noch auf DE 10 2013 219 376 A1 hinzuweisen.
Head-up-Displays haben die Aufgabe, Informationen in das Sichtfeld eines Fahrers eines Fahrzeugs, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, zu projizieren beziehungsweise einzublenden. Dazu sind gewöhnlich wenigstens ein Bildgeber und ein Projektionselement vorgesehen. Der Bildgeber generiert die darzustellenden Informationen als Bild und stellt dieses durch Lichtsignale dar, die von dem Projektionselement in den Sichtbereich des Fahrers eingeblendet werden. Bei dem Projektionselement handelt es sich um eine lichtdurchlässige und spiegelnde Fläche, wie beispielsweise eine Windschutzscheibe des Kraftfahrzeugs. Die von dem Bildgeber ausgesendeten Lichtsignale werden auf die Innenseite der Windschutzscheibe projiziert, so dass der Fahrer sowohl das projizierte, virtuelle Bild als auch die reale Welt hinter der Windschutzscheibe gleichzeitig sehen beziehungsweise erfassen kann. Die Informationen erscheinen dem Fahrer dabei derart, als ob sie jenseits der Windschutzscheibe frei schwebend stehen würden.
Combiner-Head-up-Displays sind Head-up-Displays, die ein virtuelles Bild über eine separate Scheibe in das Sichtfeld des Fahrers des Fahrzeugs einblenden. Dadurch ist ein Combiner-Head-up-Display unabhängig von der Windschutzscheibe und insbesondere ihrer Form und daher für verschiedene Fahrzeugtypen einsetzbar.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Projektionseinrichtung sowie ein Verfahren zum Projizieren eines virtuellen Bildes in einen Sichtbereich eines Fahrers eines Fahrzeugs zu schaffen, die eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Anpassung der Helligkeit des virtuellen Bildes in Abhängigkeit von unterschiedlichen Verhältnissen des Umgebungslichtes ermöglicht und somit eine gute Wahrnehmbarkeit bzw. Lesbarkeit des virtuellen Bildes durch den Fahrer des Fahrzeugs gewährleistet. Zudem soll der Montageaufwand für den Einbau der Projektionseinrichtung in ein Fahrzeug möglichst gering sein und die Projektionseinrichtung kompakt bauen und einfach ausgelegt sein.
Diese Aufgabe wird durch eine Projektionseinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst. Weitere und besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung offenbaren die jeweiligen Unteransprüche.
Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den Ansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. So ist es möglich, Einzelmerkmale aus Sätzen und/oder aus Ansprüchen beliebig zusammenzufassen.
Die Projektionseinrichtung selbst gibt polarisiertes Licht ab. Konkret gibt der Bildgeber selbst oder im Zusammenwirken mit einem vorgeschalteten Polarisationsfilter polarisiertes Licht ab. Unter einem vorgeschalteten Polarisationsfilter wird ein üblicher Polarisationsfilter nach dem Stand der Technik verstanden, das in den Strahlengang zwischen Bildgeber und Projektionselement eingefügt ist, insbesondere unmittelbar in Nähe des Bildgebers oder in Kontakt mit diesem. Das emittierte Licht ist in der Regel linear polarisiert. Wenn der Bildgeber beispielsweise ein LCD-Display bzw. TFT-Display ist, weist er bereits gekreuzte Polarisationsfilter auf, zwischen denen sich die Flüssigkristallschicht befindet. Wenn stattdessen z.B. eine Leuchtdiodenmatrix als Bildgeber verwendet wird, wird ihr ein Polarisationsfilter vorgeschaltet, so dass nur polarisiertes Licht das Projektionselement erreicht.
Erfindungsgemäß umfasst eine Projektionseinrichtung, insbesondere ein Head-up-Display oder Combiner-Head-up-Display, zum Projizieren eines virtuellen Bilds in einen Sichtbereich eines Fahrers eines Fahrzeugs, insbesondere Kraftfahrzeugs, einen Bildgeber zum Aussenden eines Lichtsignals mit einer vorherbestimmbaren Intensität zur Darstellung des virtuellen Bilds, ein Projektionselement zum Einblenden des Lichtsignals in den Sichtbereich und wenigstens einen Lichtsensor zum Erfassen von einer im Sichtbereich des Fahrers vorherrschenden Intensität eines Umgebungslichts, um die Intensität des ausgesandten Lichtsignals abhängig von der erfassten Intensität des Umgebungslichts anzupassen. Dies gewährleistet eine gute Wahrnehmbarkeit bzw. Lesbarkeit des virtuellen Bildes durch den Fahrer des Fahrzeugs.
Unter einer Projektionseinrichtung kann ein Projektor, beispielsweise ein Head-up-Display oder ein Combiner-Head-up-Display, verstanden werden, der eine Bildinformation beispielsweise vor dem Fahrer des Fahrzeugs in den Sichtbereich des Fahrers durch eine Front- bzw. Windschutzscheibe des Fahrzeugs projizieren kann. Bei dem Fahrzeug kann es sich um ein Kraftfahrzeug, beispielsweise um einen Personenkraftwagen, einen Lastkraftwagen, ein Motorrad oder ein Flugzeug, handeln. Als Sichtbereich ist im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere der in Blickrichtung des Fahrers in normaler Fahrtrichtung nach vorn vor dem Fahrer angeordnete Raum zu verstehen.
Beispielsweise kann der Sichtbereich in Richtung einer Windschutzscheibe des Fahrzeugs angeordnet sein.
Bei dem virtuellen Bild kann es sich um eine Darstellung handeln, die sich aus Sicht des Fahrers in dem Sichtbereich befindet. Beispielsweise kann das virtuelle Bild aus Sicht des Fahrers scheinbar schwebend vor der Windschutzscheibe dargestellt oder in ein sich in dem Sichtbereich befindliches Umfeld des Fahrzeugs eingeblendet sein. Das virtuelle Bild kann zum Beispiel ein Zeichen darstellen. Zusätzlich oder alternativ kann das virtuelle Bild auch in einen Sichtbereich eines anderen Insassen des Fahrzeugs, beispielsweise eines Beifahrers, projiziert werden.
Unter dem Bildgeber wird eine beliebige, aktiv leuchtende Anzeigeeinrichtung verstanden, zum Beispiel ein Display, insbesondere ein TFT-Display, ein OLED Display oder eine Bildröhre. Der Bildgeber kann eine Mehrzahl von Lichtquellen zur Erzeugung einzelner Bildpunkte des virtuellen Bilds aufweisen, z.B. als LED-Matrix ausgeführt sein. Somit kann es sich bei dem Lichtsignal um ein Bündel aus mehreren Lichtstrahlen handeln. Die einzelnen Lichtstrahlen können unterschiedliche Wellenlängen aufweisen, um das virtuelle Bild mit unterschiedlichen Farben darstellen zu können. Das Projektionselement und der Bildgeber sind so angeordnet, dass das von dem Bildgeber ausgesandte Lichtsignal auf eine Oberfläche des Projektionselements trifft und von der Oberfläche des Projektionselements in den Sichtbereich reflektiert wird. Das Projektionselement kann eine Scheibe sein. Das Projektionselement kann gegenüber dem Lichtsignal reflektierend ausgeführt sein. Ferner kann das Projektionselement in Bezug auf von einer dem Fahrer abgewandten Seite des Projektionselements auf das Projektionselement treffendes Licht lichtdurchlässig ausgeführt sein. Auf diese Weise kann der Sichtbereich des Fahrers durch das Projektionselement nicht oder nur geringfügig eingeschränkt werden und es kann dennoch das virtuelle Bild in den Sichtbereich projiziert werden.
Der Lichtsensor kann eine Fotodiode oder eine Anzahl von lichtempfindlichen Elementen, z.B. eine Kamera bzw. eine CCD-Matrix sein. Als Umgebungslicht ist im Sinne der vorliegenden Erfindung Licht zu verstehen, das aus dem das Fahrzeug umgebenden Raum auf dieses leuchtet. Insbesondere wird gemäß der Erfindung dasjenige Umgebungslicht von dem Lichtsensor erfasst, das in dem Sichtbereich des Fahrers von diesem wahrgenommen wird. Es stammt aus einem Bereich, der selbst nicht abgegrenzt ist. Er ist dadurch definiert, dass aus ihm das Licht stammt, das den Lichtsensor direkt erreicht.
Die Intensität des Umgebungslichts wird erfasst, vorzugsweise kontinuierlich, die Intensität des ausgesandten Lichtsignals des Bildgebers wird vorzugsweise fortlaufend an die augenblickliche Intensität des Umgebungslichts im Sichtbereich des Fahrers angepasst. Hierbei wird im Allgemeinen die Intensität des ausgesandten Lichtsignals mit zunehmender Intensität des Umgebungslichts im Sichtbereich des Fahrers erhöht und umgekehrt.
Gemäß der Erfindung weist das vom Bildgeber im Zusammenwirken mit dem Polarisationsfilter ausgesandte Lichtsignal eine vorherbestimmte Polarisationseigenschaft auf. Die Erfindung macht sich die Eigenschaft von Flüssigkristallanzeigen, zum Beispiel eines TFT-Displays, zunutze, dass diese das Lichtsignal polarisiert aussenden, weil sie bereits ein für ihre Funktion notwendiges Polarisationsfilter aufweisen. Wenn dagegen ein Geber verwendet wird, der selbst nicht polarisiertes Licht aussendet, wird ihm ein zusätzlicher Polarisationsfilter zugeordnet, beide zusammen bilden dann den Bildgeber. Zu derartigen Gebern gehören z.B. OLED Displays.
Das Umgebungslicht ist hingegen nicht polarisiert. Im Strahlengang des Umgebungslichts zum Lichtsensor ist ein Polarisationsfilter angeordnet, der das auf den Lichtsensor fallende Umgebungslicht derart filtert, dass die Polarisationseigenschaft des vom Bildgeber ausgesandten Lichtsignals herausgefiltert wird. Mit anderen Worten filtert der Polarisationsfilter das polarisierte, von dem Bildgeber stammende Lichtsignal und auch die entsprechende Polarisation aus dem Umgebungslicht aus dem auf ihn einfallenden Licht heraus, bevor es auf den Lichtsensor trifft. Somit ist sichergestellt, dass die vom Lichtsensor erfasste Intensität des einfallenden Lichts nur vom Umgebungslicht im Sichtbereich des Fahrers abhängig ist und möglichst keinen Anteil des von dem Bildgeber ausgesandten Lichtsignals aufweist.
Im Strahlengang des von dem Bildgeber ausgesandten Lichtsignals ist nach dem Bildgeber und vor dem Projektionselement wenigstens ein optisches Element zur Führung und insbesondere Abbildung des von dem Bildgeber ausgesandten Lichtsignals angeordnet. Ein optisches Element kann beispielsweise ein reflektierendes Element, wie ein Spiegel, Hohlspiegel und dergleichen, oder ein refraktierendes Element, wie eine Linse, z.B. Sammellinse und dergleichen, oder ein halbdurchlässiges Element, wie ein halbdurchlässiger Spiegel, Prisma und dergleichen, oder ein dielektrisches oder dichroitisches Element, wie ein wellenlängenfilternder Spiegel und dergleichen, als auch eine Kombination dieser sein. Ein oder mehrere dieser optischen Elemente sind im Strahlengang zwischen dem Bildgeber und dem Projektionselement angeordnet.
Die Projektionseinrichtung weist ein Gehäuse auf, in dem zumindest der Bildgeber, der Lichtsensor, der Polarisationsfiltervor dem Lichtsensor und das wenigstens eine optische Element aufgenommen sind. Auf diese Weise lässt sich insbesondere der Montageaufwand für die Projektionseinrichtung erheblich reduzieren, da keine zusätzlichen, von dem Gehäuse der Projektionseinrichtung abgesetzten Komponenten installiert werden müssen. Außerdem lässt sich die Projektionseinrichtung auf diese Weise kompakt ausbilden, da alle wesentlichen Komponenten innerhalb des Gehäuses angeordnet sind. Das Projektionselement ist nicht im Gehäuses angeordnet.
Der Lichtsensor ist derart angeordnet, dass das Umgebungslicht vor dem Auftreffen auf den Lichtsensor auf das wenigstens eine optische Element trifft. Es handelt sich dabei um dasselbe optische Element, das sich auch im Strahlengang zwischen dem Bildgeber und dem Projektionselement befindet. Mit anderen Worten wird sowohl für die Projektion des von dem Bildgeber ausgesandten Lichtsignals auf die Oberfläche des Projektionselements, als auch für die Projektion des aus dem Bereich stammenden, im Sichtbereich des Fahrers vorherrschenden Umgebungslichts auf den Lichtsensor dasselbe optische Element verwendet. Es bedarf demnach keines zusätzlichen optischen Elements zum Führen des Umgebungslichts zum Lichtsensor, was den Aufbau und die Herstellungskosten der Projektionseinrichtung vereinfacht. Es wird ein Übersprechen des aus dem Bildgeber heraustretenden Lichts auf den Lichtsensor vermieden.
Der Bereich ist zumindest ein Teil des Sichtbereichs des Fahrers. Er befindet sich vorzugsweise innerhalb des Sichtbereichs. Er fällt maximal mit diesem zusammen.
Vorzugsweise befindet sich im Strahlengang vom Bildgeber zum Projektionselement kein reflektierendes Element, von dem aus Licht zu dem Lichtsensor gelangen könnte. Die Bauteile sind vorzugsweise geschwärzt.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Projizieren eines virtuellen Bilds in einen Sichtbereich eines Fahrers eines Fahrzeugs bereitgestellt, das ein Aussenden eines Lichtsignals mit einer vorherbestimmbaren Intensität zur Darstellung des virtuellen Bilds, ein Einblenden des Lichtsignals in den Sichtbereich unter Verwendung eines Projektionselements, ein Erfassen von einer im Sichtbereich des Fahrers vorherrschenden Intensität eines Umgebungslichts unter Verwendung wenigstens eines Lichtsensors und ein Anpassen der Intensität des ausgesandten Lichtsignals in Abhängigkeit von der Intensität des erfassten Umgebungslichts umfasst. Hinsichtlich der Bedeutung der vorstehenden Begriffe wird auf die obigen Erläuterungen zur erfindungsgemäßen Projektionseinrichtung verwiesen, die analog auch für das erfindungsgemäße Verfahren zutreffen sollen.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht ferner das Modulieren des ausgesandten Lichtsignals derart vor, dass es eine vorherbestimmte Polarisationseigenschaft besitzt. Diese Modulation des von dem Bildgeber ausgesandten Lichtsignals wird erfindungsgemäß entweder durch die spezielle Ausbildung des Bildgebers selbst, insbesondere beispielsweise durch ein TFT-Display, erreicht, oder dadurch erhalten, dass dem eigentlichen Bildgeber ein Polarisationsfilter nachgeschaltet ist. So kann man z.B. LED-Matrizen oder OLED-Displays verwenden. Ferner umfasst das Verfahren das Herausfiltern der vorherbestimmten Polarisationseigenschaft des ausgesandten Lichtsignals aus dem auf den Lichtsensor fallenden Licht vor dem Auftreffen auf den Lichtsensor unter Verwendung eines Polarisationsfilters.
Gemäß des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das ausgesandte Lichtsignal zum Projektionselement unter Verwendung wenigstens eines optischen Elements geführt und das Umgebungslicht zum Lichtsensor unter Verwendung desselben optischen Elements geführt.
Die Schritte des Verfahrens können von Elementen und Einrichtungen einer Projektionseinrichtung wie vorstehend beschrieben umgesetzt werden. Erforderliche Steuersignale zum Ansteuern entsprechender Elemente oder Einrichtungen können von einer geeigneten Steuereinrichtung, beispielsweise in Form einer elektrischen Schaltung, bereitgestellt werden.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung zweier nicht einschränkend zu verstehender Ausführungsbeispiele der Erfindung, die im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert wird. In dieser Zeichnung zeigen schematisch:
1 eine Seitenschnittansicht eines Fahrzeugs mit einer Projektionseinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung sowie eine vergrößerte Ausschnittansicht hiervon,
2 ein Blockdiagramm der Projektionseinrichtung aus 1 und
3 eine Blockdiagramm ähnlich 2 für ein zweites Ausführungsbeispiel.
1 stellt eine Seitenschnittansicht eines Fahrzeugs 1 mit einer Projektionseinrichtung 2 zum Projizieren eines virtuellen Bilds in einen Sichtbereich eines Fahrers 3 des Fahrzeugs 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dar. In einer oberen Bildhälfte der Figur sieht man die gesamte Ansicht, eine vergrößerte Ausschnittansicht der Projektionseinrichtung 2 findet sich in einer unteren linken Bildhälfte.
Die Projektionseinrichtung 2 ist bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel als ein Combiner-Head-up-Display ausgeführt und benachbart zu einer Windschutzscheibe 4 des Fahrzeugs 1 angeordnet. Bei Betrieb der Projektionseinrichtung 2 wird ein virtuelles Bild in den Sichtbereich des Fahrers 3 des Fahrzeugs 1 eingeblendet.
Die Projektionseinrichtung 2 weist einen Bildgeber 5, hier ein TFT-Display, zum Aussenden eines Lichtsignals zur Darstellung des virtuellen Bildes auf. Das Lichtsignal wird über ein optisches Element 6, hier in Form eines Spiegels, beispielsweise eines Hohlspiegels oder Flachspiegels oder Freiformspiegels, auf ein Projektionselement 7 zum Einblenden des Lichtsignals in den Sichtbereich des Fahrers 3 reflektiert. Das Projektionselement 7 stellt bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel der Combiner des Combiner-Head-up-Displays 2 dar.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel sind der Bildgeber 5 und das optische Element 6 in einem Gehäuse 8 angeordnet, das in ein Armaturenbrett des Fahrzeugs 1 integriert ist. Das Gehäuse 8 weist zu der Oberfläche des Armaturenbretts hin eine Öffnung 17 auf, durch die das von dem optischen Element 6 reflektierte Lichtsignal aus dem Gehäuse 8 austreten und auf das Projektionselement 7 treffen kann. Das Projektionselement 7 ist als eine Scheibe, hier eine gebogene Scheibe, beispielsweise sphärisch, asphärisch oder in Freiform ausgeführt. Das Projektionselement 7 ist separat und außerhalb des Gehäuses 8 angeordnet und erstreckt sich ausgehend von einer Oberfläche des Armaturenbretts von der Oberfläche des Armaturenbretts weg. Zumindest ein von der Oberfläche des Armaturenbretts abgewandter Bereich des Projektionselements 7 befindet sich in dem Sichtbereich des Fahrers 3. Das Projektionselement 7 kann beispielsweise rechteckig oder halbrund ausgeführt sein. Das Projektionselement 7 ist ausgebildet, ein von dem Lichtsignal dargestelltes Bild in den Sichtbereich des Fahrers 3 zu projizieren. Das Projektionselement 7 ist lichtdurchlässig ausgeführt, so dass der Fahrer 3 durch das Projektionselement 7 hindurch die Umgebung des Fahrzeugs wahrnehmen kann.
Gemäß dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst die Projektionseinrichtung 2 ferner einen Lichtsensor (nicht dargestellt) zum Erfassen von einer im Sichtbereich des Fahrers vorherrschenden Intensität eines Umgebungslichts, um die Intensität des ausgesandten Lichtsignals abhängig von der erfassten Intensität des Umgebungslichts anzupassen. Der Lichtsensor erfasst Umgebungslicht aus einem Bereich 9 vor der Windschutzscheibe 4 des Fahrzeugs 1, der in 1 mittels eines schmalen, vertikal angeordneten Rechtecks gekennzeichnet ist. Des Weiteren sind in 1 unterschiedliche, mögliche Strahlengänge des Umgebungslichts mittels entsprechender Pfeile (durchgezogen, punktiert, gestrichelt) dargestellt. Es ist zu erkennen, dass das Umgebungslicht aus dem Sichtbereich des Fahrers 3 durch das lichtdurchlässige Projektionselement 7 auf das optische Element 6 trifft und von diesem in Richtung des Lichtsensors 10 (siehe 2) innerhalb des Gehäuses 8 geführt wird. Bevorzugt ist der Lichtsensor am Ende der jeweiligen Pfeile, also zum Beispiel oberhalb, unterhalb oder seitlich neben dem Bildgeber 5, im Gehäuse 8 angeordnet, je nachdem welcher Strahlengang des die Projektionseinrichtung 2 erreichenden Umgebungslichts erfasst und ausgewertet werden soll.
Denkbar ist auch, dass die Projektionseinrichtung 2 mehr als einen Lichtsensor 10 innerhalb des Gehäuses 8 aufweist, so dass die Lichtintensität unterschiedlicher Strahlengänge von den entsprechenden Lichtsensoren erfasst werden können, aus denen beispielsweise ein Mittelwert zur Bestimmung der im Sichtbereich des Fahrers 3 vorherrschenden Intensität des Umgebungslichts gebildet werden kann.
Ferner weist die in 1 dargestellte Projektionseinrichtung 2 einen dem Lichtsensor (in 1 nicht dargestellt) zugeordneten Polarisationsfilter (ebenfalls nicht dargestellt) auf. Der Polarisationsfilter befindet in dem Gehäuse 8 und ist beispielsweise in unmittelbarer Nähe zum Lichtsensor angeordnet. Bei einer Flüssigkristallanzeige weist das von dem Bildgeber 5 ausgesandte Lichtsignal eine Polarisationseigenschaft auf, die von der Funktionsweise des als Bildgebers 5 fungierenden (TFT-)Displays herrührt, wie allgemein bekannt ist. Das Umgebungslicht weist hingegen im Wesentlichen keine Polarisation auf. Der dem Lichtsensor zugeordnete Polarisationsfilter ist nun derart gewählt, dass er die Polarisationseigenschaft des ausgesandten Lichtsignals aus dem auf den Lichtsensor auftreffenden Umgebungslicht herausfiltert. Mit anderen Worten lässt der Polarisationsfilter keinen Anteil des Lichts, auch nicht des Umgebungslichts, passieren, der so wie das Lichtsignal des Bildgebers 5 polarisiert ist, so dass die von dem Lichtsensor erfasste Lichtintensität lediglich von dem im Sichtbereich des Fahrers 3 vorherrschenden Umgebungslicht abhängt.
2 stellt ein Blockdiagramm der Projektionseinrichtung 2 aus 1 dar. Schematisch dargestellt sind der Fahrer 3, die Windschutzscheibe 4, der Bildgeber 5, das wenigstens eine optische Element 6, der Bereich 9 des erfassten Umgebungslichts sowie ein Lichtsensor 10.
Wie in 2 in der linken Bildhälfte zu erkennen ist, wird ein polarisiertes Lichtsignal 11, beispielsweise s-polarisiertes Licht, von dem Bildgeber 5 ausgesendet. Der Bildgeber 5, beispielsweise ein TFT-Display, dient hierbei in bekannter Weise als Modulator des Lichtsignals. Anschließend wird das s-polarisierte Lichtsignal 11 von dem wenigstens einen optischen Element 6, beispielsweise ein Spiegel, zu dem in 2 nicht dargestellten Projektionselement geführt, so dass dieses das virtuelle Bild des Lichtsignals in den Sichtbereich des Fahrers 3 einblenden kann.
In der rechten Bildhälfte der 2 ist zu erkennen, wie nicht polarisiertes Umgebungslicht 12 aus dem Bereich 9 durch die Windschutzscheibe 4 ins Fahrzeuginnere fällt und dort von demselben optischen Element 6 der Projektionseinrichtung 2, das das vom Bildgeber 5 ausgesandte s-polarisierte Lichtsignal 11 zum Fahrer 3 geführt hat, zu dem Lichtsensor 10 geführt wird. Auf dem Weg von der Windschutzscheibe 4 bis zu dem Lichtsensor 10 wird das zunächst nicht polarisierte Umgebungslicht 12 mittels eines Polarisationsfilters (nicht dargestellt) gefiltert, so dass dieses nach dem Passieren des Polarisationsfilters ebenfalls eine Polarisationseigenschaft aufweist. Der Polarisationsfilter ist nun derart gewählt, dass er die Polarisationseigenschaft des s-polarisierten Lichtsignals 11 herausfiltert. Mit anderen Worten filtert der Polarisationsfilter bei dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel der Projektionseinrichtung 2 s-polarisiertes Licht 11 aus dem auf ihn einfallenden Licht, insbesondere aus dem nicht polarisierten Umgebungslicht 12 heraus, so dass dieses nach dem Passieren des Polarisationsfilters eine Polarisationseigenschaft aufweist, nämlich in diesem Fall p-polarisiert ist. Das p-polarisierte Umgebungslicht 13, dessen Intensität nach der Filterung lediglich von der Intensität des im Sichtbereich des Fahrers 3 vorherrschenden Umgebungslichts abhängt und nicht von der Intensität des ausgesandten Lichtsignals 11 beeinflusst ist, trifft anschließend auf den Lichtsensor 10, wo die Intensität des Umgebungslichts erfasst wird. Anschließend wird die Intensität des ausgesandten Lichtsignals 11 in Abhängigkeit von der Intensität des von dem Lichtsensor 10 erfassten Umgebungslichts derart angepasst, dass stets eine gute Wahrnehmbarkeit bzw. Lesbarkeit des virtuellen Bilds durch den Fahrer 3 infolge eines ausreichenden Kontrasts gewährleistet ist.
Aus dem Blockdiagramm gemäß 3 sind alle Elemente ersichtlich, die auch in 1 und 2 dargestellt sind. Der Bildgeber 5 weist ein OLED-Display auf, das von Hause aus nicht speziell polarisiertes Licht aussendet. Im Strahlengang zwischen diesem Display, das als eigentlicher Bildgeber bezeichnet wird, und der Windschutzscheibe 4, die als Projektionselement 7 dient, ist ein zusätzlicher Polarisationsfilter 14 eingefügt. Beide zusammen bilden den Bildgeber 5. Der genannte Strahlengang wird im Folgenden als erster Strahlengang bezeichnet. Zwischen dem Polarisationsfilter 14 und der Windschutzscheibe 4 ist das Lichtsignal linear polarisiert. Es tritt durch das optische Element 6 hindurch, das hier beispielsweise als Hohlspiegel ausgeführt ist.
Aus dem Bereich 9, der sich für den Fahrer 3 vor der Windschutzscheibe befindet, fällt unpolarisiertes Licht entlang eines zweiten Strahlengangs zum Lichtsensor 10 zunächst durch die Windschutzscheibe 4, anschließend durch dasselbe optische Element 6, das auch für den ersten Strahlengang verwendet wird, dann durch ein Polarisationsfilter 15 und schließlich auf den Lichtsensor 10. Wie auch der zusätzliche Polarisationsfilter 14 ist der Polarisationsfilter 15 möglichst nahe dem eigentlichen Bildgeber bzw. dem Lichtsensor 10 zugeordnet, vorzugsweise mit diesem verbunden. Der Lichtsensor 10 wandelt das auf ihn einfallende Licht in ein elektrisches Signal um, das über eine Leitung einer Steuerung 16 zugeleitet und dort verarbeitet wird. Es wird weiter über eine elektrische Leitung dem Bildgeber 5 zugeleitet. Elektrische Verbindungen sind in kontinuierlichen Strichen ausgeführt, Strahlengänge in gestrichelten Linien gezeichnet.
Es ist ein Gehäuse 8 vorgesehen, in dem sich bis auf das Projektionselement 7 alle Bauteile der Projektionseinrichtung 2 befinden, nämlich der Bildgeber 5, hier zusammen mit dem zugehörigen zusätzlichen Polarisationsfilter 14, der Lichtsensor 10, der Polarisationsfilter 15, die Steuerung 16 und das optische Element 6. Da letzteres einen Durchlass benötigt, damit Lichtstrahlen von außen in das Gehäuse 8 eintreten können, hat das Gehäuse die Öffnung 17, in die das optische Element 6 eingesetzt ist. Handelt es sich bei dem optischen Element 6 beispielsweise um eine Linse, ist diese mit dem Rand der Öffnung 17 verbunden. Der Rand der Öffnung 17 wirkt als Blende und begrenzt den ersten und/oder den zweiten Strahlengang. Von den Strahlengängen ist jeweils nur ein prinzipieller Zentralstrahl gezeigt, um den sich herum der vollständige Strahlengang befindet. Die Blende wirkt auf den vollständigen Strahlengang. ausgenommen das Projektionselement
Auch im Fall der Ausbildung gemäß 3 sind die Polarisationsrichtungen der beiden Polarisationsfilter 14, 15 so, dass insgesamt, würde man sie unmittelbar hintereinander anordnen, kein Licht durch die beiden Polarisationsfilter hindurchtritt. Anders ausgedrückt sind die Polarisationsrichtungen der beiden Polarisationsfilter 14, 15 gekreuzt.
Alle Oberflächen der Bauteile innerhalb des Gehäuses 8, soweit dieses möglich ist, und die Innenfläche des Gehäuses 8 sind geschwärzt, um mögliche Reflektionen innerhalb des Gehäuses 8 bzw. durch die Bauelemente zu unterdrücken. Aufgrund der Polarisation ist ein Übersprechen von Licht, das vom Bildgeber 5 kommt, und innerhalb und/oder außerhalb des Gehäuses auf den Lichtsensor 10 fallen könnte, nicht zu befürchten. Ein Übersprechen wird insbesondere dann verhindert, wenn der Polarisationsfilter 15 nicht, wie in 3 zur besseren Erkennbarkeit dargestellt, vom Lichtsensor 10 beabstandet ist, sondern diesen unmittelbar umgibt bzw. mit ihm verbunden ist. Es soll kein Licht zwischen Polarisationsfilter 15 und Lichtsensor 10 eindringen können. Auf diese Weise kann z.B. kein Licht, das bei einem als Glaslinse ausgebildeten optischen Element 6 an dessen Eintrittsfläche reflektiert wird und vom Bildgeber 5 stammt, den Lichtsensor 10 erreichen.
Die erfindungsgemäße Projektionseinrichtung sowie das Verfahren wurden anhand zweier in den Figuren dargestellter Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Projektionseinrichtung und das Verfahren sind jedoch nicht auf die hierin beschriebene Ausführungsform beschränkt, sondern umfassen auch gleich wirkende weitere Ausführungsformen. Insbesondere lässt sich die Erfindung auf Windschutzscheiben-Head-up-Displays sowie Combiner-Head-up-Displays gleichermaßen anwenden. Des Weiteren wird die Polarisierungseigenschaft des ausgesandten Lichtsignals von dem verwendeten Typ des Bildgebers abhängen, so dass der Polarisationsfilter entsprechend derart gewählt wird, dass er in jedem Fall in der Lage ist, das ausgesandte polarisierte Lichtsignal aus dem nicht polarisierten Umgebungslicht herauszufiltern. So kann beispielsweise bei einem vom Bildgeber zirkular polarisierten Lichtsignal linkshändiger Polarisierung das von dem Polarisationsfilter gefilterte Umgebungslicht nach dem Passieren des Filters rechtshändig polarisiert sein. Hierzu kann der Polarisationsfilter beispielsweise ein Lambda/4-Filter zur Filterung zirkular polarisierten Lichts sein (links- bzw. rechtshändige Polarisation) oder ein Lambda/2-Filter für den Fall des linear polarisierten Lichts (s- bzw. p-Polarisation).
In bevorzugter Ausführung wird die erfindungsgemäße Projektionseinrichtung als Windschutzscheiben-Head-up-Display oder als Combiner-Head-up-Display in einem Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug, verwendet.
Bezugszeichenliste

1: Fahrzeug
2: Projektionseinrichtung
3: Fahrer
4: Windschutzscheibe
5: Bildgeber
6: Optisches Element
7: Projektionselement
8: Gehäuse
9: Bereich des erfassten Umgebungslichts
10: Lichtsensor
11: s-polarisiertes Lichtsignal
12: nicht polarisiertes Umgebungslicht
13: p-polarisiertes Umgebungslicht
14: zusätzlicher Polarisationsfilter
15: Polarisationsfilter
16: Steuerung
17: Öffnung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102012204303 A1 [0002]
DE 102009054194 A1 [0003]
DE 102013219376 A1 [0004]

Claims

Projektionseinrichtung zum Projizieren eines virtuellen Bildes in einen Sichtbereich eines Fahrers (3) eines Fahrzeugs (1), umfassend einen Bildgeber (5) zum Aussenden eines Lichtsignals mit einer vorher bestimmbaren Intensität zur Darstellung des virtuellen Bildes, ein Projektionselement (7) zum Einblenden des Lichtsignals in den Sichtbereich, wenigstens einen Lichtsensor (10) zum Erfassen eines Bereichs (9), der im Sichtbereich des Fahrers liegt und von dem die dort vorherrschende Intensität des Umgebungslichts durch den Lichtsensor (10) bestimmt wird, und mit einer Steuerschaltung, um die Intensität des ausgesandten Lichtsignals abhängig von der vom Lichtsensor erfassten Intensität des Umgebungslichts anzupassen, wobei im Strahlengang zwischen dem Bildgeber (5) und dem Projektionselement (7) wenigstens ein optisches Element (6) zur Führung des vom Bildgeber (5) ausgesandten Lichtsignals angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gehäuse (8) vorgesehen ist, in dem das optische Element (6), der polarisiertes Licht aussendende Bildgeber (5) und der Lichtsensor (10) angeordnet sind und dass eine Öffnung (17) für das optische Element (6) aufweist, dass der Bereich (9) über das optische Element (6) auf den Lichtsensor (10) geleitet, insbesondere abgebildet wird, und dass im Gehäuse (8) und zwischen dem optischen Element (6) und dem Lichtsensor (10) ein Polarisationsfilter (15) im Strahlengang zwischen dem Bereich (9) und dem Lichtsensor (10) angeordnet ist, der Licht derjenigen Polarisation, wie es vom Bildgeber (5) emittiert wird, blockiert oder zumindest weitgehend zurückhält.
Projektionseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (8) bis auf die Öffnung (17) lichtdicht ist und dass das optische Element (6) lichtdicht in die Öffnung (17) des Gehäuses (8) eingesetzt ist.
Projektionseinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (6) und ggf. auch die Öffnung (17) des Gehäuses (8) den Strahlengang zwischen dem Bereich (9) und dem Lichtsensor (10) so begrenzen, dass ausschließlich Umgebungslicht aus dem Bereich (9) den Lichtsensor (10) erreicht.
Projektionseinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (6) mindestens eine Linse oder mindestens einen Spiegel, vorzugsweise einen nichtebenen Spiegel aufweist.
Projektionseinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Blende im Strahlengang zwischen dem Bereich (9) und dem Lichtsensor (10) vorgesehen ist, wobei diese Blende vorzugsweise durch die Öffnung (17) des Gehäuses (8) gebildet ist.
Projektionseinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlengang zwischen dem Bildgeber (5) und dem Projektionselement (7) keine reflektierenden Elemente aufweist, die Licht vom Bildgeber (5) auf den Lichtsensor (10) lenken.
Projektionseinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bildgeber (5) ein Polarisationsfilter aufweist, wobei der Polarisationsfilter entweder notwendiger Bestandteil des Bildgebers ist oder nicht.
Verfahren zum Projizieren eines virtuellen Bildes in einen Sichtbereich eines Fahrers (3) eines Fahrzeugs (1) umfassend die Schritte: – Zur Verfügungsstellung eines Bildgebers (5), mindestens eines optischen Elements (6) und eines Projektionselements (7) und Aussenden eines Lichtsignals entlang eines ersten Strahlengangs und mit einer vorbestimmbaren Intensität zur Darstellung des vom Bildgeber (5) stammenden Lichtsignals als virtuelles Bild und Einblenden des Lichtsignals in den Sichtbereich, – Erfassen eines im Sichtbereich des Fahrers liegenden Bereichs (9), in dem Umgebungslicht herrscht und Leiten des Umgebungslichts entlang eines zweiten Strahlengangs auf einen Lichtsensor (10), – Zur Verfügungstellen einer Steuerschaltung (16), die mit dem Lichtsensor (10) und dem Bildgeber (5) verbunden ist und das vom Bildgeber (5) ausgesandte Lichtsignal in Abhängigkeit vom Ausgangssignal des Lichtsensors (10) steuert, – Anpassen der Intensität des ausgesandten Lichtsignals in Abhängigkeit von der Intensität des erfassten Umgebungslichts, – dadurch gekennzeichnet, dass ein Bildgeber (5) verwendet wird, der polarisiertes Licht abgibt, dass – ein Polarisationsfilters (15) möglichst dicht vor dem Lichtsensor (10) angeordnet wird, der diejenige Polarisationseigenschaft, die das vom Bildgeber (5) ausgesandte Lichtsignal aufweist, aus dem den Lichtsensor (10) erreichenden Licht herausfiltert, dass – ein Gehäuse (8) zur Verfügung gestellt wird, in dem das optische Element (6), der polarisiertes Licht aussendende Bildgeber (5) und der Lichtsensor (10) angeordnet sind und das eine Öffnung (17) für das optische Element (6) aufweist, und dass – der erste Strahlengang und der zweite Strahlengang durch das optische Elements (6) hindurch geleitet werden.