DE102017104835A1

DE102017104835A1 - Bilderzeugungseinheit für ein Head-up-Display

Info

Publication number: DE102017104835A1
Application number: DE102017104835.9A
Authority: DE
Inventors: Tolga Yüksel
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2017-03-08
Filing date: 2017-03-08
Publication date: 2018-09-13

Abstract

Eine Bilderzeugungseinheit (20) für ein Head-up-Display (92) hat einen Bildgeber (21), einen asphärischen Spiegel (22) und einen Umlenkspiegel (30). Der asphärische Spiegel (22) hat eine erste Seite (221) und eine zweite Seite (222), wobei der Bildgeber (21) auf der ersten Seite (221) und der Umlenkspiegel (30) auf der zweiten Seite (222) angeordnet sind. Der asphärische Spiegel (22) hat mindestens zwei Abschnitte (26, 27), welche jeweils ein zugeordnetes Filterelement (261, 271) aufweisen, welches Filterelement (261, 271) in einem ersten Zustand (Z1) zumindest teilweise lichtdurchlässig und in einem zweiten Zustand (Z2) zumindest teilweise opak oder reflektierend ist, und welches Filterelement (261, 262) zwischen dem ersten Zustand (Z1) und dem zweiten Zustand (Z2) umschaltbar ist. Im ersten Zustand (Z1) eines vorgegebenen Filterelements (261, 271) wird ein Strahlengang (71, 72) vom Bildgeber (21) über den dem vorgegebenen Filterelement (261, 262) zugeordneten Abschnitt (26, 27) zum Umlenkspiegel (30) ermöglicht, und im zweiten Zustand (Z2) eines vorgegebenen Filterelements (261, 271) wird ein Strahlengang (71, 72) vom Umlenkspiegel (30) über den dem vorgegebenen Filterelement (261, 271) zugeordneten Abschnitt (26, 27) zum Head-up-Display (92) ermöglicht. Der Umlenkspiegel (30) ist dazu ausgebildet, einen vom Bildgeber (21) durch einen vorgegebenen Abschnitt (26, 27) zum Umlenkspiegel (30) verlaufenden Lichtstrahl (71, 72) zumindest teilweise auf einen anderen Abschnitt (27, 26) umzulenken.

Description

Die Erfindung betrifft eine Bilderzeugungseinheit für ein Head-up-Display.
Bei einem Head-up-Display, das auch als Blickfeldanzeige bezeichnet werden kann, wird einem Insassen eines Fahrzeugs, bspw. einem Fahrer oder Beifahrer, ein Bild im Bereich seines Sichtfelds angezeigt. Bei kleinen Anzeigen kann die Bilderzeugungseinheit für das Head-up-Display klein ausgeführt werden. Neue Entwicklungen, wie die Augmented Reality, erfordern jedoch eine größere Anzeige und einen tieferen Fokus, um eine optische Verschmelzung der Anzeige und des Umfelds zu ermöglichen. Hierfür sind physikalisch die Verlängerung des Strahlenwegs sowie eine Vergrößerung der optischen Elemente erforderlich. Die Verlängerung des Strahlenwegs kann bspw. durch eine vertikal versetzte Spiegelanordnung erreicht werden, indem das Licht über eine oder mehrere Stufen einer Bilderzeugungseinheit gespiegelt wird. Diese Technik erfordert jedoch einen großen Bauraum, und insbesondere im Bereich des Cockpits ist nur wenig Platz vorhanden. Insbesondere im Bereich des Fahrers wird der Bauraum durch Bauelemente und andere Faktoren begrenzt, bspw. durch den Lenkstrang, den Pedallagerblock, die Luftführung, den Tragrahmen usw.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine neue Bilderzeugungseinheit für ein Head-up-Display bereitzustellen. Die Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand des Anspruchs 1.
Durch die genannte Anordnung des Bildgebers, des asphärischen Spiegels und des Umlenkspiegels und durch die mehrfunktionale Nutzung der Abschnitte des asphärischen Spiegels kann die Bilderzeugungseinheit für das Head-up-Display sehr kompakt ausgebildet werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weisen die Abschnitte mindestens einen ersten Abschnitt und einen zweiten Abschnitt auf, und die Bilderzeugungseinheit ist dazu ausgebildet, gleichzeitig eine Ansteuerung des Filterelements des ersten Abschnitts im ersten Zustand und des Filterelements des zweiten Abschnitts im zweiten Zustand zu ermöglichen. Hierdurch kann ein Abschnitt lichtdurchlässig und ein anderer Abschnitt opak bzw. spiegelnd geschaltet werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Bilderzeugungseinheit dazu ausgebildet, gleichzeitig eine Ansteuerung des Filterelements des ersten Abschnitts im zweiten Zustand und des Filterelements des zweiten Abschnitts im ersten Zustand zu ermöglichen. Hierdurch können zwei Abschnitte in bevorzugter Weise zusammen wirken, indem einmal der eine Abschnitt lichtdurchlässig ist und das Licht am anderen Abschnitt gespiegelt wird, und die Reihenfolge von erstem und zweitem Abschnitt vertauschbar ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Umlenkspiegel als Mehrfachspiegel mit zwei in einem vorgegebenen Winkel zueinander angeordneten Spiegeln oder als Prismenspiegel ausgebildet. Diese Spiegel erlauben eine Umlenkung eines von einem ersten Abschnitt kommenden Strahls zu einem zweiten Abschnitt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der asphärische Spiegel im Bereich einer Verbindungslinie zwischen dem Bildgeber und dem Umlenkspiegel angeordnet. Diese lineare Anordnung der optischen Bauelemente ermöglicht eine kompakte Bauweise.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind der Bildgeber, der asphärische Spiegel und der Umlenkspiegel horizontal zu einander angeordnet. Insbesondere in Kraftfahrzeugen ermöglicht die horizontale Anordnung der Bauteile vorteilhaft mehr Bauraum für andere Bauelemente in der Vertikalen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Bilderzeugungseinheit eine Steuervorrichtung zur Ansteuerung der Filterelemente auf. Hierdurch können die Abschnitte von einer Steuervorrichtung angesteuert werden und müssen nicht autark ihren Zustand wechseln.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Steuervorrichtung dazu ausgebildet, die Filterelemente mit einer Umschaltrate von mindestens 48 Hz zwischen dem ersten und zweiten Zustand umzuschalten. Eine solche schnelle Umschaltung führt dazu, dass der Betrachter die Teilbilder als zusammengesetztes Bild mit flüssiger Bilddarstellung wahrnehmen kann.
Weitere Ausführungsformen und Ausführungsbeispiele ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen sowie aus der Beschreibung und den Zeichnungen.
Es zeigt

1 ein Fahrzeug mit einer Bilderzeugungseinheit und einem Head-up-Display,
2 die Bilderzeugungseinheit von 1 mit einem Vergleich des Bauraums der Bilderzeugungseinheit von 1 im Vergleich zu einer anderen Bilderzeugungseinheit,
3 die Bilderzeugungseinheit von 1 mit einem ersten Strahlengang,
4 die Bilderzeugungseinheit von 1 mit einem zweiten Strahlengang,
5 die Bilderzeugungseinheit von 1 mit der Erzeugung eines oberen Teilbilds, und
6 die Bilderzeugungseinheit von 1 mit einem unteren Teilbild.

1 zeigt ein Fahrzeug 10, insbesondere nach Art eines Personenkraftwagens oder Lastkraftwagens. Ein Betrachterraum 100, in dem sich die Augen des Betrachters während der Fahrt befinden, ist schematisch eingezeichnet. Der Betrachterraum 100 wird auch als eye-box 100 bezeichnet. Eine Windschutzscheibe 90 ist schematisch angedeutet, und der Bereich eines Head-up-Displays 92 ist an der Windschutzscheibe 90 angedeutet. Das Head-up-Display 92 ist in die Windschutzscheibe 90 integriert, es kann aber bspw. auch als zusätzlicher Schirm ausgebildet sein.
Unterhalb der Windschutzscheibe 90 ist eine Bilderzeugungseinheit 20 angeordnet. Die Bilderzeugungseinheit 20 hat einen Bildgeber 21, einen asphärischen Spiegel 22 und einen Umlenkspiegel 30.
Der asphärische Spiegel 22 hat eine erste Seite 221 und eine zweite Seite 222. Der Bildgeber 21 ist auf der ersten Seite 221 und der Umlenkspiegel 30 auf der zweiten Seite 222 angeordnet.
Der Bildgeber 21 kann beispielsweise ein digitaler Projektor oder ein anderer Bildgeber sein.
Der asphärische Spiegel 22 hat einen ersten Abschnitt 26 und einen zweiten Abschnitt 27. Dem ersten Abschnitt 26 ist ein erstes Filterelement 261 und dem zweiten Abschnitt 27 ein zweites Filterelement 271 zugeordnet. Die Abschnitte 26, 27 können auch als Zonen oder Bereiche bezeichnet werden.
Das erste Filterelement 261 und das zweite Filterelement 271 können direkt auf dem asphärischen Spiegel 22 appliziert sein, beispielsweise durch Beschichtung, oder sie können als separate Bauteile an dem asphärischen Spiegel angeordnet sein. Die Filterelemente 261, 271 können beispielsweise durch Anlegen einer vorgegebenen Spannung zwischen einem transluzenten Zustand (erster Zustand Z1) und einem opaken Zustand (zweiter Zustand Z2) hin- und hergewechselt werden, oder aber zwischen einem transluzenten (erster Zustand Z1) und einem spiegelnden Zustand (zweiter Zustand Z2). Im zweiten Fall kann als asphärischer Spiegel 22 eine Glasscheibe verwendet werden, wobei die Filterelemente 261, 271 die Spiegelung bewirken. Derartige Filterelemente 261, 262 sind unter dem Fachbegriff „intelligente Gläser“ bekannt.
Der Umlenkspiegel 30 ist im Ausführungsbeispiel als Mehrfachspiegel ausgebildet, welcher zwei in einem vorgegebenen Winkel zueinander angeordnete Spiegel aufweist, wobei die beiden Spiegel bevorzugt einen Winkel von 90° zueinander haben. Als Umlenkspiegel 30 kann auch ein Prismenspiegel oder ein Freiformspiegel verwendet werden.
Eine Steuervorrichtung 50 ist vorgesehen, um die Filterelemente 261, 271 anzusteuern.
2 zeigt die Bilderzeugungseinheit 20 von 1. Der Bauraum der Bilderzeugungseinheit 20 ist mit einer Umgrenzungslinie 32 angedeutet. Eine weitere Umrandungslinie 34 zeigt den Bauraum für eine Bilderzeugungseinheit 20 mit einer vertikal versetzten Spiegelanordnung. Es ist im Vergleich gut zu sehen, dass die Bilderzeugungseinheit 20 mit der Umrandung 34 mehr Bauraum benötigt, insbesondere in vertikaler Richtung. Im Gegensatz hierzu benötigt die Bilderzeugungseinheit 20 mit dem Bildgeber 21, dem asphärischen Spiegel 22 und dem Umlenkspiegel 30 weniger Bauraum, insbesondere in vertikaler Richtung. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind der Bildgeber 21, der asphärische Spiegel 22 und der Umlenkspiegel 30 horizontal zueinander angeordnet. Dies kann auch als In-line-Anordnung bezeichnet werden.
Anders ausgedrückt kann zwischen dem Bildgeber 21 und dem Umlenkspiegel 30 eine Verbindungslinie 40 gezogen werden, und der asphärische Spiegel 22 ist im Bereich dieser Verbindungslinie 40 angeordnet.
3 zeigt einen ersten Strahlengang 71 durch die Bilderzeugungseinheit 20. In 3 bis 6 ist der asphärische Spiegel 22 jeweils durch die Abschnitte 26, 27 dargestellt, da es sich bevorzugt funktional um eine Einheit aus asphärischem Spiegel 22 und Filterelementen 261, 271 handelt.
Der erste Abschnitt 26 des asphärischen Spiegels 22 ist durch das zugehörige Filterelement 261 durchlässig (erster Zustand Z1) für einen vom Bildgeber 21 erzeugten Lichtstrahl 71A, welcher durch den ersten Abschnitt 26 hindurch zum Umlenkspiegel 30 verläuft (71B) und dort mit einem Versatz zurück zum asphärischen Spiegel 22 umgelenkt wird, vgl. Strahl 71C. Der zweite Abschnitt 27 ist nicht lichtdurchlässig (zweiter Zustand Z2), und am asphärischen Spiegel 22 wird der Lichtstrahl 71 gespiegelt und damit zur Windschutzscheibe 90 umgelenkt. Hierdurch kann ein Bild am Head-up-Display 92A erzeugt werden.
4 zeigt die Bilderzeugungseinheit 20 von 3, wobei der erste Abschnitt 26 lichtundurchlässig (zweiter Zustand Z2) und der zweite Abschnitt 27 lichtdurchlässig (erster Zustand Z1) geschaltet ist. Der vom Bildgeber 21 erzeugte Lichtstrahl 72 kann somit als Lichtstrahl 72A durch den zweiten Abschnitt 27 zum Umlenkspiegel 30 gelangen, vgl. Lichtstrahl 72B. Am Umlenkspiegel 30 wird der Lichtstrahl umgelenkt und gelangt als Lichtstrahl 72C auf den ersten Abschnitt 26 des asphärischen Spiegels 22, so dass er als Lichtstrahl 72D zur Windschutzscheibe 90 hin umgelenkt wird und am Head-up-Display 92B ein Bild erzeugen kann, welches vom Benutzer über den Lichtstrahl 72E gesehen werden kann. Das Head-up-Display 92 hat somit mit den Teilbereichen 92A und 92B zwei Teilbereiche, die über unterschiedliche Zustände des ersten Abschnitts 26 und des zweiten Abschnitts 27 erzeugt werden können.
5 und 6 zeigen jeweils eine Mehrzahl von Lichtstrahlen für die Erzeugung des Teilbereichs 92A des Head-up-Displays 92 und des Teilbereichs 92B des Head-up-Displays 92, und es ist zu sehen, dass ein Bild erzeugt werden kann.
Im Betrieb kann die Steuervorrichtung 50 von 1 die Filterelemente 261, 271 umschalten. Hierbei wird bevorzugt mit einer Umschaltrate von mindestens 48 Hz gearbeitet, so dass die Umschaltung zwischen dem ersten Zustand Z1 und dem zweiten Zustand Z2 und zurück sehr schnell erfolgt. Hierdurch wird eine flüssige Bilddarstellung sowohl bei dynamischen als auch bei statischen Inhalten ermöglicht. Für eine flüssige Bilddarstellung wird üblicherweise eine Frequenz von 24 Hz benötigt, wie sie beispielsweise in Kinos verwendet wird. Da bei den gezeigten Ausführungsbeispielen mit Teilbildern (Halbbildern) entsprechend den Zuständen Z1 und Z2 gearbeitet wird, setzt sich das Gesamtbild aus zwei oder mehr Umschaltzyklen zusammen. Dies verringert die wahrgenommene Bildfrequenz entsprechend bei zwei Teilbildern um die Hälfte. Um diesem Effekt entgegen zu wirken, wird daher die doppelte Umschaltfrequenz verwendet. Bei 48 Halbbildern pro Sekunde wird eine Umschaltfrequenz von 48 Hz benötigt, um 24 Vollbilder pro Sekunde zu erhalten. Eine Umschaltfrequenz von 48 Hz zwischen den Zuständen Z1 und Z2 ermöglicht somit eine effektive Gesamtumschaltrate von 24 Hz.
Naturgemäß sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung vielfache Abwandlungen und Modifikationen möglich.
In den Ausführungsbeispielen wurden zwei Abschnitte 26, 27 verwendet. Es sind auch drei, vier etc. Abschnitte möglich, und die Abschnitte müssen nicht zwangsläufig paarweise zusammenwirken, sondern die Lichtstrahlen können beispielsweise auch jeweils an andere Abschnitte weitergeleitet werden.

Claims

Bilderzeugungseinheit (20) für ein Head-up-Display (92), welche Bilderzeugungseinheit (20) einen Bildgeber (21), einen asphärischen Spiegel (22) und einen Umlenkspiegel (30) aufweist, welcher asphärische Spiegel (22) eine erste Seite (221) und eine zweite Seite (222) aufweist, wobei der Bildgeber (21) auf der ersten Seite (221) und der Umlenkspiegel (30) auf der zweiten Seite (222) angeordnet ist, welcher asphärische Spiegel (22) mindestens zwei Abschnitte (26, 27) aufweist, welche Abschnitte (26, 27) jeweils ein zugeordnetes Filterelement (261, 271) aufweisen, welches Filterelement (261, 271) in einem ersten Zustand (Z1) zumindest teilweise lichtdurchlässig und in einem zweiten Zustand (Z2) zumindest teilweise opak oder reflektierend ist, und welches Filterelement (261, 262) zwischen dem ersten Zustand (Z1) und dem zweiten Zustand (Z2) umschaltbar ist, um im ersten Zustand (Z1) eines vorgegebenen Filterelements (261, 271) einen Strahlengang (71, 72) vom Bildgeber (21) über den dem vorgegebenen Filterelement (261, 262) zugeordneten Abschnitt (26, 27) zum Umlenkspiegel (30) zu ermöglichen und im zweiten Zustand (Z2) eines vorgegebenen Filterelements (261, 271) einen Strahlengang (71, 72) vom Umlenkspiegel (30) über den dem vorgegebenen Filterelement (261, 271) zugeordneten Abschnitt (26, 27) zum Head-up-Display (92) zu ermöglichen, und welcher Umlenkspiegel (30) dazu ausgebildet ist, einen vom Bildgeber (21) durch einen vorgegebenen Abschnitt (26, 27) zum Umlenkspiegel (30) verlaufenden Lichtstrahl (71, 72) zumindest teilweise auf einen anderen Abschnitt (27, 26) umzulenken.
Bilderzeugungseinheit (20) nach Anspruch 1, bei welcher die Abschnitte (26, 27) mindestens einen ersten Abschnitt (26) und einen zweiten Abschnitt (27) aufweisen, welche Bilderzeugungseinheit (20) dazu ausgebildet ist, gleichzeitig eine Ansteuerung des Filterelements (261) des ersten Abschnitts (26) im ersten Zustand (Z1) und des Filterelements (271) des zweiten Abschnitts (27) im zweiten Zustand (Z2) zu ermöglichen.
Bilderzeugungseinheit (20) nach Anspruch 2, welche dazu ausgebildet ist, gleichzeitig eine Ansteuerung des Filterelements (261) des ersten Abschnitts (26) im zweiten Zustand (Z2) und des Filterelements (271) des zweiten Abschnitts (27) im ersten Zustand (Z1) zu ermöglichen.
Bilderzeugungseinheit (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher der Umlenkspiegel (30) als Mehrfachspiegel mit zwei in einem vorgegebenen Winkel zueinander angeordneten Spiegeln, als Prismenspiegel oder als Freiformspiegel ausgebildet ist.
Bilderzeugungseinheit (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher der asphärische Spiegel (22) im Bereich einer Verbindungslinie (40) zwischen dem Bildgeber (21) und dem Umlenkspiegel (30) angeordnet ist.
Bilderzeugungseinheit (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher der Bildgeber (21), der asphärische Spiegel (22) und der Umlenkspiegel (30) horizontal zu einander angeordnet sind.
Bilderzeugungseinheit (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche eine Steuervorrichtung (50) zur Ansteuerung der Filterelemente (261, 271) aufweist.
Bilderzeugungseinheit (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die Steuervorrichtung (50) dazu ausgebildet ist, die Filterelemente (261, 271) mit einer Umschaltrate von mindestens 48 Hz zwischen dem ersten und zweiten Zustand umzuschalten.