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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft Projektionsanzeigevorrichtungen, wie beispielsweise Head-up-Displays, zum Einsatz in Kraftfahrzeugen oder Flugzeugen. Weiterhin betrifft die Erfindung Projektionsanzeigevorrichtungen zur Darstellung von Abbildungen in mehreren Anzeigeebenen.
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Technischer Hintergrund
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Projektionsanzeigevorrichtungen dienen zur Projektion eines Anzeigebildes über ein Scheibenfeld (Kombinierfläche) auf einer Windschutzscheibe eines Kraftfahrzeugs, um einem Fahrer des Kraftfahrzeugs Informationen, wie beispielsweise Warnhinweise, Geschwindigkeitsinformationen, Fahrzeugzustände, Navigationshinweise und dergleichen darzustellen. Derartige Projektionsanzeigevorrichtungen projizieren eine Abbildung über das Scheibenfeld, so dass der Fahrer ein in Fahrtrichtung vorausliegendes virtuelles Anzeigebild wahrnimmt. Das projizierte Bild befindet sich auf einer Anzeigeebene, deren Lage und Projektionsdistanz durch die Projektionsanzeigevorrichtung und der Frontscheibe festgelegt ist. Weiterhin sind aus dem Stand der Technik Projektionsanzeigevorrichtungen bekannt, bei denen virtuelle Anzeigebilder auf mehreren Anzeigeebenen angezeigt werden, die unterschiedliche Entfernungen vom Fahrer aufweisen.
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Beispielsweise ist aus der Druckschrift
DE 10 2013 218 108 A1 ein Head-up-Display mit einer Bilderzeugungseinrichtung bekannt, die ein reales Bild erzeugt, wobei die Lichtstrahlen des realen Bildes über mindestens einen Spiegel zu einem Combiner reflektiert werden und so einen Strahlengang bilden und von dort in Richtung eines Beobachters reflektiert werden, so dass der Beobachter ein virtuelles Bild hinter dem Combiner wahrnehmen kann. Mindestens ein Spiegel weist zwei Bereiche mit unterschiedlichen Krümmungsfeldern auf, wobei den unterschiedlichen Krümmungsfeldern unterschiedliche Bereiche der Bilderzeugungseinrichtung zugeordnet sind.
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Weiterhin ist aus der Druckschrift
DE 10 2014 226 360 A1 ein Verfahren zum Verändern eines Bildabstands zwischen einem von einem Head-up-Display projizierten virtuellen Bild und einem Betrachter des virtuellen Bildes bekannt. Das Head-up-Display weist dazu zumindest eine verstellbare Streufläche und einen Projektor mit einem verstellbaren Objektiv zum Projizieren eines Bildes auf der Streufläche auf. Zudem weist es eine Verstelleinrichtung auf, die das Verstellen der Streufläche und des Objektivs erlaubt. Ein Streuflächen-Verstellsignal wird an die Verstelleinrichtung ausgegeben, um durch ein Verstellen der Streufläche den Bildabstand zu verändern. Ein Objektiv-Verstellsignal wird an die Verstelleinrichtung bereitgestellt, um durch ein Verstellen des Objektivs den Fokus und/oder die Lage des Objektivs in Abhängigkeit von einer Verstellung der Streufläche zu verändern, so dass das Objektiv auf die Streufläche fokussiert.
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Aus der Druckschrift
DE 10 2014 226 354 A1 ist ein Verfahren zum Verändern des Bildabstands zwischen einem virtuellen Bild eines Head-up-Displays und einem Betrachter des virtuellen Bilds bekannt. Das Head-up-Display weist eine Bilderzeugungseinheit, einen in dem Strahlengang des Lichtstrahlenbündels in zumindest einer Richtung bewegbar angeordneten Spiegel zum Umlenken des Lichtstrahlenbündels, sowie eine Bewegungseinrichtung zum Bewegen des Spiegels, auf. Ein Verstellsignal wird an die Bewegungseinrichtung ausgegeben, um durch ein Bewegen des Spiegels einen zum Bildabstand repräsentierenden Abstand zwischen der Bilderzeugungseinrichtung und dem Spiegel zu verstellen.
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Aus der Druckschrift
DE 10 2012 210 445 A1 ist ein Head-up-Display in einem Fahrzeug bekannt. Das Head-up-Display weist eine erste Bildquelle auf, deren Lichtstrahlenbündel von einem ersten Spiegel und einem Vergrößerungsspiegel auf einen Combiner reflektiert und von dort zu einem Beobachter reflektiert werden, so dass der Beobachter den Bildinhalt der Bildquelle in einer ersten Bildebene hinter dem Combiner als virtuelles Bild wahrnehmen kann. Eine zweite Bildquelle ist vorgesehen, deren Lichtstrahlenbündel ebenfalls von dem Vergrößerungsspiegel auf den Combiner und von dort zu dem Beobachter reflektiert werden, wobei die Länge des Strahlengangs zwischen der zweiten Bildquelle und dem Vergrößerungsspiegel verschieden ist von der Länge des Strahlengangs zwischen der ersten Bildquelle und dem Vergrößerungsspiegel, so dass der Beobachter den Bildinhalt der zweiten Bildquelle in einer zweiten Bildebene als virtuelles Bild wahrnehmen kann.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Projektionsanzeigevorrichtung und ein Projektionssystem zur Verfügung zu stellen, mit denen eine Darstellung eines virtuellen Anzeigebildes in unterschiedlichen Anzeigeebenen in einfacher Weise realisiert werden kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird durch die Projektionsanzeigevorrichtung zum Bereitstellen von virtuellen Anzeigebildern auf mehreren Anzeigeebenen gemäß Anspruch 1 sowie durch das Projektionssystem gemäß dem nebengeordneten Anspruch gelöst.
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Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß einem ersten Aspekt ist eine Projektionsanzeigevorrichtung zum Bereitstellen von virtuellen Anzeigebildern auf mehreren zueinander versetzte Anzeigeebenen vorgesehen, umfassend:
- – eine Projektionseinheit zum Bereitstellen eines Projektionsbildes;
- – eine Abbildungsoptik, die ausgebildet ist, um das Projektionsbild auf ein Scheibensegment zu richten und die virtuellen Anzeigebilder in den mehreren Anzeigeebenen abzubilden;
gekennzeichnet durch:
- – mindestens ein Fokusänderungselement, das an einer bildgebenden Fläche der Projektionseinheit oder einer Zwischenbildebene in einem Teilbereich des Projektionsbildes angeordnet ist, um verschiedene optische Strecken für verschiedene Teilbereiche des Projektionsbildes auszubilden und dadurch die Teilbereiche des Projektionsbildes als virtuelle Anzeigebilder auf zueinander versetzten Anzeigeebenen abzubilden.
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Eine Idee der obigen Projektionsanzeigevorrichtung besteht darin, zwei virtuelle Anzeigebilder mit unterschiedlichen Projektionsabständen zu erzeugen, indem ein von einer Projektionseinheit bereitgestelltes Projektionsbild durch eine gemeinsame Abbildungsoptik geführt wird. Um die Anzeigeebenen in unterschiedlichen Abständen zu einem Beobachter darzustellen, ist an der Projektionseinheit bzw. an einer Zwischenbildebene ein optisches Fokusänderungselement in einem für eines der virtuellen Anzeigebilder vorgesehenen Anzeigebereich des Projektionsbildes vorgesehen. Das Fokusänderungselement bewirkt insbesondere über die Dicke und den Brechungsindex eine Änderung von Brennweiten der Abbildungsoptik, dass in einem Abstand zwischen den Anzeigeebenen resultiert. Insbesondere entsteht durch die Differenz des Brechungsindex des optischen Fokusänderungselements und der umgebenden Luftatmosphäre ein unterschiedlicher optischer Weg für die Teilbereiche des Projektionsbildes, wodurch unterschiedliche Projektionsabstände und damit unterschiedliche Abstände der Anzeigeebenen bewirkt werden.
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Da das optische Fokusänderungselement nahe der Projektionseinheit angebracht werden kann, ist der für die Projektionsanzeigevorrichtung benötigte Bauraum nicht größer als bei einer herkömmlichen Projektionsanzeigevorrichtung. Durch Anpassung der geometrischen Form des optischen Fokusänderungselements besteht zudem die Möglichkeit, optische Eigenschaften, wie Bildschärfe und Projektionsabstand, gezielt anzupassen und optische Verzerrungen zu verringern. Die Verwendung des optischen Fokusänderungselements ermöglicht die Verwendung nur eines Anzeigeelements für die Projektionseinheit und stellt somit eine kostengünstige Lösung zur Darstellung von virtuellen Anzeigebildern auf mehreren zueinander versetzten Anzeigeebenen dar.
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Zudem können bestehende Projektionsanzeigevorrichtungen entsprechend durch das optische Fokusänderungselement ergänzt werden, so dass keine vollständige Neukonstruktion von bestehenden Projektionsanzeigevorrichtungen notwendig ist.
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Das Aufbringen des optischen Fokusänderungselements auf dem Anzeigeelement der Projektionseinheit ermöglicht eine Abführung von an dem Anzeigeelement entstehende Wärme, so dass die thermische Belastung des Anzeigeelements reduziert werden kann.
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Durch das Vorsehen von mehreren optischen Fokusänderungselementen mit unterschiedlichen Dicken und/oder Brechungsindizes können auch mehr als zwei zueinander versetzte Anzeigeebenen realisiert werden.
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Weiterhin kann das mindestens eine Fokusänderungselement auf der bildgebenden Fläche aufgebracht sein.
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Das mindestens eine Fokusänderungselement kann aus einem dispersionsarmen, transparenten Material bestehen, das insbesondere Glas, PMMA und/oder ein weiterer transparenter Kunststoff enthält.
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Gemäß einer Ausführungsform kann ein weiterer Teilbereich des Projektionsbildes nicht mit dem mindestens einen Fokusänderungselement versehen sein.
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Weiterhin können mehrere Fokusänderungselemente mit verschiedenen Dicken und/oder Brechungsindices versehen sein, um verschiedene optische Strecken für verschiedene Teilbereiche des Projektionsbildes auszubilden.
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Es kann vorgesehen sein, dass das mindestens eine Fokusänderungselement eine variierende Dicke aufweist und insbesondere keilförmig ausgebildet ist oder eine geneigte Oberfläche aufweist, um den betreffenden Teilbereich des Projektionsbildes auf einer zumindest teilweise zu einer anderen Anzeigeebene geneigten Anzeigeebene abzubilden.
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Weiterhin kann eine Oberfläche des mindestens einen Fokusänderungselements entspiegelt sein und/oder mit einer Anti-Reflexionsbeschichtung versehen sein.
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Es kann vorgesehen sein, dass eine Seitenkante des mindestens einen Fokusänderungselements, die einen Rand zwischen zwei Teilbereichen des Projektionsbilds definiert, intransparent ausgebildet ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Projektionsanzeigesystem in einem Kraftfahrzeug vorgesehen, umfassend:
- – die obige Projektionsanzeigevorrichtung,
- – ein Scheibensegment der Windschutzscheibe des Kraftfahrzeugs, an dem das von der Projektionsanzeigevorrichtung ausgesandte Projektionsbild reflektiert wird und so für den Beobachter ein virtuelles Bild bereitgestellt wird.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Querschnittsdarstellung eines Projektionsanzeigesystems; und
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2 eine schematische Querschnittsdarstellung durch ein bildgebendes Anzeigeelement der Projektionseinheit.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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1 zeigt ein Projektionsanzeigesystem 1 mit einer Projektionsanzeigevorrichtung 2, die ein Projektionsbild an einem Scheibensegment A einer Windschutzscheibe 3 reflektiert, um so ein virtuelles Anzeigebild für das Auge eines Beobachters 4 sichtbar zu machen. Der Beobachter 4 nimmt virtuelle Anzeigebilder B1, B2 in Anzeigeebenen E1, E2 wahr. Die virtuellen Anzeigebilder B1, B2 in den Anzeigeebenen E1, E2 werden auf der dem Beobachter 4 gegenüberliegenden Seite der Windschutzscheibe 3, d.h. außerhalb des Kraftfahrzeugs, wahrgenommen.
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Die Projektionsanzeigevorrichtung 2 weist eine Abbildungsoptik 21 auf, die im dargestellten Ausführungsbeispiel einen Konkavspiegel 22 und einen Flachspiegel 23 als optische Abbildungselemente aufweist. Andere Ausführungsformen können andere optische Abbildungselemente, wie beispielsweise eine Sammellinse, eine konvexe Linse und dergleichen aufweisen. In der dargestellten Ausführungsform wird ein von einer Projektionseinheit 24 ausgesandtes Projektionsbild über den Flachspiegel 23 auf den Konkavspiegel 22 reflektiert und dort an dem Scheibensegment A reflektiert, um die entsprechenden virtuellen Anzeigebilder B1, B2 für das Auge des Beobachters 4 bereitzustellen.
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Die Projektionseinheit 24 weist eine Leuchtquelle 25 und ein Anzeigeelement 26 auf, das beispielsweise als ein LCD-Anzeigeelement ausgebildet sein kann. Das Anzeigeelement 26 ist mit ansteuerbaren Pixeln versehen, um ein Projektionsbild darzustellen. Die Lichtquelle 25 ist flächig ausgebildet, um eine flächige Hintergrundbeleuchtung des Anzeigeelements 26 bereitzustellen, so dass je nach Ansteuerung der Pixel des Anzeigeelements 26 ein entsprechendes Projektionsbild in Richtung des Flachspiegels 23 projiziert wird.
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Das Anzeigeelement 26 ist in 2 im Querschnitt dargestellt. Es weist neben der bildgebenden LCD-Fläche 261 ein optisches Fokusänderungselement 262 auf, das auf der bildgebenden LCD-Fläche 261 aufgebracht ist. Ein erster Teilbereich T1 der bildgebenden LCD-Fläche 261 ist somit nicht mit dem optischen Fokusänderungselement 262 beaufschlagt und das optische Fokusänderungselement 262 ist an einem zweiten Teilbereich T2 aufgebracht.
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Das optische Fokusänderungselement 262 entspricht einem optisch transparenten Element mit einem gegenüber der Umgebungsatmosphäre größeren Brechungsindex. Das optische Fokusänderungselement 262 dient nun dazu, die optische Strecke zwischen der Projektionseinheit 24 und den virtuellen Anzeigeebenen E1, E2 zu verändern, so dass die virtuellen Anzeigebilder B1, B2 in unterschiedlichen Anzeigeebenen E1, E2 von dem Beobachter 4 wahrgenommen werden. Der Versatz des durch den ersten Teilbereich T1, der nicht mit dem optischen Fokusänderungselement 262 versehen ist, dargestellten ersten virtuellen Anzeigebilds B1 zu der Anzeigeebene E2 des durch den zweiten Teilbereich T2 projizierten virtuellen Anzeigebildes B2 wird maßgeblich durch die Dicke des optischen Fokusänderungselements 262 und dessen Brechungsindex bestimmt.
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Das optische Fokusänderungselement 262 ist aus einem transparenten dispersionsarmen Material, wie Glas, PMMA oder dergleichen ausgebildet. Ferner kann das optische Fokusänderungselement 262 an seinen freien Oberflächen entspiegelt sein, um Doppelbilder der virtuellen Bilder zu unterdrücken. Eine direkte optische Kopplung zwischen der bildgebenden LCD-Fläche 261 und dem optischen Fokusänderungselement 262 hat zudem den Vorteil, dass in dem Anzeigeelement 26 entstehende Wärme besser abgeleitet werden kann.
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Weiterhin können mehrere optische Fokusänderungselemente 262 mit insbesondere unterschiedlichen Dicken auf verschiedenen Teilbereichen der bildgebenden LCD-Fläche 261 aufgebracht werden, um ein Tiefenerlebnis für den Beobachter über die gesamte Anzeigefläche A zu erzeugen, indem mehrere verschiedene Anzeigeebenen E1, E2 definiert werden.
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Beispielsweise können so Navigationspfeile mit Hilfe eines geneigten keilförmigen Fokusänderungselements 262 räumlich entlang verschiedener Projektionsabstände dargestellt werden. Dabei kann der Pfeilanfang mit einem kürzeren, die Pfeilspitze hingegen mit einem längeren Projektionsabstand dargestellt werden. Insbesondere kann das optische Fokusänderungselement 262 keilförmig aufgebracht werden, um so eine geneigte virtuelle Anzeigeebene zu ermöglichen.
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Um Reflexionen weiter zu unterdrücken, kann eine Seitenkante 263 des Fokusänderungselements 262 an einer Grenze zwischen zwei Teilbereichen der bildgebenden LCD-Fläche 261 intransparent gestaltet sein.
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Mögliche ungewünschte Reflexe die zum Doppelbild führen können, und Leuchtdichteverluste können durch Antireflexionsbeschichtungen auf der Oberfläche des optischen Fokusänderungselements 262 reduziert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Projektionsanzeigesystem
- 2
- Projektionsanzeigevorrichtung
- 3
- Windschutzscheibe
- 4
- Beobachter
- 21
- Abbildungsoptik
- 22
- Konkavspiegel
- 23
- Faltspiegel
- 24
- Projektionseinheit
- 25
- Lichtquelle
- 26
- Anzeigeelement
- 261
- bildgebende LCD-Fläche
- 262
- optisches Fokusänderungselement
- 263
- Seitenbereich
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013218108 A1 [0003]
- DE 102014226360 A1 [0004]
- DE 102014226354 A1 [0005]
- DE 102012210445 A1 [0006]
