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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Head-Up-Display-Vorrichtung zur Erzeugung eines virtuellen Bildes auf einer Windschutzscheibe oder einem Combinerspiegel eines Fahrzeuges, mit einer Projektionseinrichtung, die eine Bilderzeugungseinheit und mindestens ein reflektierendes optisches Bauelement umfasst, um das virtuelle Bild von der Bilderzeugungseinheit über das zumindest eine reflektierende optische Bauelement entlang eines ersten optischen Pfades auf die Windschutzscheibe oder den Combinerspiegel zu projizieren, und mit einer Detektionsvorrichtung, insbesondere zur Erkennung von Regen und/oder Schmutzpartikeln auf der Windschutzscheibe, welche einen optischen Sensor zur optischen Erfassung der Windschutzscheibe entlang eines zweiten optischen Pfades umfasst. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Fahrzeug mit einer derartigen Head-Up-Display-Vorrichtung.
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Im Fahrzeug dient ein Regensensor zu automatischen Steuerung der Wischfunktion für die Windschutzscheibe (Frontscheibe). Der Regensensor ist dabei typischerweise im Bereich des Innenspiegelfußes platziert. Nachteilig ist hierbei, dass der Detektionsbereich des Sensors außerhalb des Sichtbereichs des Fahrers liegt und damit relativ ungenaue Informationen über die Benetzung der Windschutzscheibe mit Regentropfen beziehungsweise die Verschmutzung im direkten Sichtbereich liefert. Störend wirkt sich dabei aus, dass häufig die Wischfunktion aktiviert wird ohne dass sich im tatsächlichen Sichtbereich Regentropfen auf der Scheibe befinden, zum Beispiel wenn Wasser von der Dachkante in den Bereich des Sensors läuft. Störend bei der Scheibenwaschfunktion ist auch das Nachlaufen des Wischers um eine feste Anzahl von Zyklen auch wenn die Scheibe bereits trocken ist.
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Eine Head-Up-Display-Vorrichtung (HuD: Head up Display) mit Regensensorfunktion ist aus der Druckschrift
US 2012/0268582 A1 bekannt. Die dort beschriebene Vorrichtung zur Erzeugung eines virtuellen Bildes auf der Windschutzscheibe eines Fahrzeuges umfasst einerseits eine Projektionseinrichtung, die eine Bilderzeugungseinheit und zwei reflektierende optische Bauelement umfasst, um das virtuelle Bild von der Bilderzeugungseinheit über das zumindest eine reflektierende optische Bauelement entlang eines optischen Pfades auf die Windschutzscheibe zu projizieren, und andererseits eine Detektionsvorrichtung zur Erkennung von Regen und/oder Schmutzpartikeln auf der Windschutzscheibe, welche einen optischen Sensor zur optischen Erfassung der Windschutzscheibe entlang des optischen Pfades umfasst. Eines der reflektierenden optischen Bauelemente ist als Strahlteilerwürfel ausgebildet, der eine zumindest teilweise reflektierende Grenzfläche aufweist.
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Für bestimmte Anwendungssituationen ist dieser Aufbau der Head-Up Display-Vorrichtung mit Regensensorfunktion jedoch nicht optimal.
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Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Head-Up-Display-Vorrichtung mit alternativem Aufbau und ein Fahrzeug mit einer derartigen Head-Up-Display-Vorrichtung mit alternativem Aufbau anzugeben, die für bestimmte Anwendungssituationen optimiert sind.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die Head-Up-Display-Vorrichtung zur Erzeugung eines virtuellen Bildes auf einer Windschutzscheibe oder einem Combinerspiegel eines Fahrzeuges weist erfindungsgemäß ein Gehäuse auf, in welchem eine Projektionseinrichtung angeordnet ist, wobei die Projektionseinrichtung eine Bilderzeugungseinheit und mindestens ein reflektierendes optisches Bauelement umfasst, um das virtuelle Bild von der Bilderzeugungseinheit über das zumindest eine reflektierende optische Bauelement durch eine Gehäuseöffnung hindurch entlang eines ersten optischen Pfades auf die Windschutzscheibe oder den Combinerspiegel zu projizieren. Weiterhin weist die Head-Up-Display-Vorrichtung eine Detektionsvorrichtung, insbesondere zur Erkennung von Regen und/oder Schmutzpartikeln auf der Windschutzscheibe, auf, welche einen optischen Sensor zur optischen Erfassung der Windschutzscheibe entlang eines zweiten optischen Pfades umfasst, der sich unter Umgehung des zumindest einen reflektierenden optischen Bauelementes vom optischen Sensor durch die Gehäuseöffnung hindurch erstreckt. Der optische Sensor erfasst die Windschutzscheibe dabei an allen reflektierenden optischen Bauelementen vorbei bevorzugt durch die Anordnung der reflektierenden optischen Bauelemente hindurch.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kreuzen sich der erste optische Pfad und der zweite optische Pfad mindestens einmal. Die optischen Pfade können dadurch auf einem relativ kleinen Raum effizient angeordnet werden. Da der zweite optische Pfad das reflektierende optische Bauelement oder die reflektierenden optischen Bauelemente umgeht, liegt der Kreuzungspunkt stets außerhalb dieses zumindest einen reflektierenden optischen Bauelementes.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass sich der zweite optische Pfad direkt, also im Sinne von gradlinig, vom optischen Sensor durch die Gehäuseöffnung hindurch erstreckt. Dabei ist der optische Sensor insbesondere auf einer der Gehäuseöffnung gegenüberliegenden Rückseite der Projektionseinrichtung angeordnet.
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Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der optische Sensor benachbart zu dem im ersten optischen Pfad letzten reflektierenden optischen Bauelement vor der Gehäuseöffnung angeordnet. Das im ersten optischen Pfad letzte reflektierende optische Bauelemente wird oft auch als Umlenk- oder Freiformspiegel bezeichnet und ist beispielsweise als Konkavspiegel oder ebener Spiegel ausgestaltet. Durch dieses letzte der reflektierenden optischen Bauelemente wird vor der Windschutzscheibe die Strahlung aufgeweitet und/oder zur Windschutzscheibe gelenkt. Genau wie bei einer Anordnung, die nur ein einziges reflektierendes optisches Bauelement aufweist, ist die Detektionsvorrichtung mit Sensor somit in einem sogenannten „Umlenk-Bereich“ beziehungsweise „Baffle-Bereich“ angeordnet.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung überlappen sich der Projektionsbereich der Projektionseinrichtung und der Detektionsbereich der Detektionsvorrichtung. Die beiden Bereiche sind dabei insbesondere Bereiche auf der Windschutzscheibe. Das virtuelle Bild befindet sich in der Regel im Sichtbereich des Fahrers. Durch den Überlapp der beiden Bereiche der Windschutzscheibe ist also sichergestellt, dass auch der Sensor im Sichtbereich des Fahrers detektiert.
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Alternativ wäre es allerding auch möglich, dass der Detektionsbereich getrennt vom Projektionsbereich liegt und keine Überlappung stattfindet. Hierdurch kann unabhängig vom Projektionsbereich die Stelle auf der Windschutzscheibe zur Detektion ausgewählt werden, welche als Detektionsbereich optimal ist. In einigen Anwendungsfällen wäre es sogar denkbar, dass der Projektionsbereich mit dem Detektionsbereich identisch ist.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Detektionsvorrichtung als Kamera ausgebildet. Eine Kamera ist eine bilderzeugende Detektionsvorrichtung mit Bildsensor und einer dem Bildsensor vorgeschalteten Optik. Eine andere mögliche Detektionsvorrichtung ist beispielsweise eine Detektormatrix, insbesondere bestehend aus Infrarot-Empfängern wie zum Beispiel Infrarot-Photodioden.
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Dabei ist mit Vorteil vorgesehen, dass die Kamera als Time-of-Flight-Kamera (ToF: Time of Flight) ausgebildet ist. TOF-Kameras sind 3D-Kamerasysteme, die über ein Laufzeitverfahren Distanzen messen.
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Alternativ oder zusätzlich ist mit Vorteil vorgesehen, dass die Kamera als Infrarot-Kamera ausgebildet ist. Die Kamera detektiert somit in einem Wellenlängenbereich, der vom Wellenlängenbereich der Projektion des Head-Up-Displays zumindest teilweise abweicht.
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Alternativ oder zusätzlich ist mit Vorteil vorgesehen, dass die Kamera mit für das menschliche Auge sichtbarem Licht arbeitet. Die Kamera detektiert somit in einem Wellenlängenbereich, der vom Wellenlängenbereich der Projektion des Head-Up-Displays nicht abweicht.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Kamera eine Optik aufweist, mittels derer die Außenseite der Windschutzscheibe im Detektionsbereich und/oder der Augenbereich des Fahrers fokussiert auf den Bildsensor abbildbar ist. Dies kann beispielsweise gleichzeitig jedoch lokal getrennt und/oder zeitlich getrennt und lokal nicht getrennt geschehen. Auf diese Weise kann eine Regensensor- und/oder eine Müdigkeitserkennungs-Funktion realisiert werden, im weiteren kann die Kopfposition des Fahrers und dessen Augenposition für die Nachführung der HuD Bildposition verwendet werden.
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Mit Vorteil ist das reflektierende optische Bauelement oder zumindest eines der reflektierenden optischen Bauelemente als Kaltlichtspiegel ausgestaltet. Ein wärmedurchlässiger Kaltlichtspiegel entsprechender Grenzwellenlänge lässt infrarote Strahlung passieren (im Sinne von Transmission) und reflektiert das sichtbare Licht (Strahlung im sichtbaren Bereich). Bei Verwendung einer Kombination aus Infrarotkamera und Kaltlichtspiegel ergibt sich eine lichtstarke Projektion bei gleichzeitig guter Sensorfunktion der Kamera.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist die Head-Up-Display-Vorrichtung eine auf die Wellenlängensensitivität des Bildsensors abgestimmte Beleuchtungseinheit auf. Die Beleuchtung ist beispielsweise zur Beleuchtung des Detektionsbereichs der Windschutzscheibe und/oder zur Beleuchtung des Augenbereichs des Fahrers vorgesehen.
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Schließlich ist vorgesehen, dass die Head-Up-Display-Vorrichtung eine Auswerteeinheit zur Auswertung der Sensordaten des optischen Sensors, insbesondere zur Bildauswertung der per Bildsensor erstellten Bilder, aufweist. Über diese Auswertung wird die Regensensorfunktion und/oder Müdigkeitserkennungs-Funktion realisiert.
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Bei dem erfindungsgemäßen Fahrzeug mit Head-Up-Display-Vorrichtung ist vorgesehen, dass diese Vorrichtung als vorstehend genannte Head-Up-Display-Vorrichtung ausgebildet ist. Das Fahrzeug ist insbesondere ein Kraftfahrzeug.
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Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen anhand einer bevorzugten Ausführungsform näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine Head-Up-Display-Vorrichtung mit einer Projektionseinrichtung und einer Detektionsvorrichtung und
- 2 eine Head-Up-Display-Vorrichtung mit einer Projektionseinrichtung und einer Detektionsvorrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
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In 1 ist eine Head-Up-Display-Vorrichtung 10 gezeigt. Diese Vorrichtung 10 weist eine Beleuchtungseinheit 12 sowie eine von dieser Beleuchtungseinheit 12 von hinten beleuchtete Bilderzeugungseinheit 14 auf. DieseVorrichtung weist eine Bildgebereinheit auf (12+14). Das entsprechende Bild wird über einen ersten optischen Pfad 16 und darin angeordneten total oder teilweise reflektierenden optischen Bauelementen 18, 20 auf die Windschutzscheibe (Frontscheibe) 22 des Fahrzeugs projiziert. Mit anderen Worten wird über eine Projektionseinrichtung, die die Beleuchtungs- und Bilderzeugungseinheiten 12, 14 sowie zwei reflektierende optische Bauelemente 18, 20 aufweist, ein entsprechendes virtuelles Bild auf der Windschutzscheibe 22 erzeugt. Das virtuelle Bild wird dabei in einen Projektionsbereich 23 der Windschutzscheibe 22 projiziert. Die Projektion ist nun so ausgerichtet, dass die Augen des auf dem Fahrersitz sitzenden Fahrers des Fahrzeugs in einem Augenbereich 24 liegen, die ihn ein virtuelles Bild vor der Windschutzscheibe 22 erleben lässt.
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Die Komponenten 12, 14, 16, 18 der Projektionseinrichtung sind in einem Gehäuse 25 der Head-Up-Display-Vorrichtung 10 angeordnet und werden somit von diesem Gehäuse 25 eingehaust. In dem Gehäuse 25 ist eine lichtdurchlässige Gehäuseöffnung 26 ausgebildet, durch die die Projektionseinrichtung das virtuelle Bild entlang des ersten optischen Pfades 16 auf die Windschutzscheibe 22 oder alternativ auf einen (nicht gezeigten) Combinerspiegel projiziert. Die Gehäuseöffnung 26 kann beispielsweise als Fenster ausgebildet sein, welches mit einem lichtdurchlässigen Verschluss versehen ist. Dieser Verschluss kann eine Glasplatte, ein Deckglas, etc. sein.
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Das im ersten optischen Pfad 16 angeordnete erste reflektierende optische Bauelement 18 ist als ein nur teilweise reflektierend ausgestaltetes reflektierendes optisches Bauelement 27, nämlich als eine Art Strahlteiler, ausgebildet, welches bezüglich elektromagnetischer Strahlung beziehungsweise Licht neben seinen reflektierenden Eigenschaften auch Transmissionseigenschaften aufweist. Das ebenfalls im ersten optischen Pfad 16 angeordnete dahinterliegende zweite reflektierende optische Bauelement 20 ist das letzte reflektierende optische Bauelement vor der Gehäuseöffnung 26 im Gehäuse 25. Dieses zweite reflektierende optische Bauelement 20 weitet den Strahlengang des ersten optischen Pfades 16 auf und lenkt den ersten optischen Pfad 16 in Richtung der Windschutzscheibe 22 um. Beide reflektierende optische Bauelemente 18, 20 sind als Spiegel ausgestaltet. Das erste (teilweise) reflektierende optische Bauelement 18 als Kaltlichtspiegel und das zweite reflektierende optische Bauelement 20 als Umlenkspiegel.
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Hinter dem als Kaltlichtspiegel ausgestalteten teilweise reflektierenden optischen Bauelement 18, 26 ist ein optischer Sensor 28 angeordnet. Der Sensor 28 ist Teil einer ebenfalls im Gehäuse 25 befindlichen Detektionsvorrichtung 29, hier im Beispiel einer Kamera 29 mit (nicht gezeigter) Optik und Bildsensor. Die in 1 gezeigte Kamera 29 ist bevorzugt eine als Infrarot-Kamera ausgebildete Kamera 29. Die Kamera 29 ist derart hinter dem nur teilweise reflektierend ausgestalteten reflektierenden optischen Bauelement 27 angeordnet, dass sie einen Detektionsbereich 30 der Windschutzscheibe 22 über einen zweiten optischen Pfad 31 erfasst, der durch dieses teilweise reflektierend ausgestaltete optische Bauelement 26 in Transmission hindurch, über das als Umlenkspiegel ausgestaltete zweite reflektierende optische Bauelement 20 und durch die Gehäuseöffnung 26 hindurch verläuft. Der Projektionsbereich 23 und der Detektionsbereich 30 sind auf der Windschutzscheibe einander weitgehend überlappen angeordnet.
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Das im Folgenden über die Kamera gesagte gilt entsprechend auch für andere Arten von Detektionsvorrichtungen 29.
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Es ergibt sich folgende Funktion: Ein wärmedurchlässiger Kaltlichtspiegel 27 entsprechender Grenzwellenlänge lässt infrarote Strahlung passieren (im Sinne von Transmission) und reflektiert das sichtbare Licht (Strahlung im sichtbaren Bereich). Bei Verwendung einer Kombination aus Infrarotkamera 29 und Kaltlichtspiegel 27 ergibt sich eine lichtstarke Projektion der Head-Up-Displayvorrichtung 10 bei gleichzeitig guter Funktion der Kamera 29 zur Detektion von Regen oder sonstiger Partikel auf der Oberfläche 32 der Windschutzscheibe 22. Die Funktionen „Display-Projektion“ und „Detektion“ sind sauber voneinander getrennt, obwohl ihre Komponenten 12, 14, 18, 20, 29 in dem Gehäuse 25 der Vorrichtung 10 vereint sind und sich die entsprechenden Bereiche (Projektions- und Detektionsbereich) 23, 30 auf der Windschutzscheibe 22 stark überlappen.
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Die 2 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel der Head-Up-Display-Vorrichtung 10 mit Regensensorfunktion, die in vielen Belangen mit dem Ausführungsbeispiel der 1 übereinstimmt, sodass hier hauptsächlich auf die Unterschiede eingegangen werden soll.
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Bei der in 2 gezeigten Head-Up Display-Vorrichtung 10 sind beide reflektierenden optische Bauelemente 18, 20 als reflektierende Spiegel ausgebildet. Die als Kamera ausgebildete Detektionsvorrichtung 29 ist nun derart benachbart zu dem als UmlenkSpiegel ausgestalteten zweiten reflektierenden optischen Bauelement 20, also in einem Baffle- oder Umlenk-Bereich, angeordnet, dass sie den zweiten Detektionsbereich 30 an den reflektierenden optischen Bauelementen 18, 20 vorbei erfasst. Der zweite optische Pfad 31 erstreckt sich direkt, also geradlinig, vom optischen Sensor 28 der Kamera 29 durch die Gehäuseöffnung 26 hindurch bis zu dem Detektionsbereich 30 auf der Windschutzscheibe 22. Dabei kreuzen sich der erste optische Pfad 16 und der zweite optische Pfad 31. Da der zweite optische Pfad 31 die reflektierenden optischen Bauelemente 18, 20 umgeht, liegt der Kreuzungspunkt der beiden optischen Pfade 16, 31 außerhalb jedes dieser reflektierenden optischen Bauelemente 18, 20. Die optischen Pfade 16, 31 können auf diese Weise recht dicht „gepackt“ sein.
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Die Kamera 29 in diesem Ausführungsbeispiel kann als „normale“ Kamera für sichtbares Licht, als Infrarot-Kamera oder als Time-of-Flight-Kamera ausgebildet sein.
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Im Folgenden sollen weitere Ausgestaltungsmöglichkeiten und deren Vorteile genannt werden:
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Die Optik der Kamera 29 ist bevorzugt derart ausgebildet, dass durch sie die Außenseite 32 der Windschutzscheibe 22 im Detektionsbereich 30 wie auch der Gesichts- beziehungsweise Augenbereich 24 des Fahrers fokussiert auf den optischen (Bild-)Sensor 28 abgebildet werden kann. Auf diese Weise ist neben der Funktion „Regenerkennung“ auch eine Funktion „Müdigkeitserkennung des Fahrers“ möglich. Die Vorrichtung 10 weist dazu eine (nicht gezeigte) Auswerteeinheit zur Bildauswertung der per Bildsensor erstellten Bilder auf. Über diese Bildauswertung wird die Regensensorfunktion und/oder Müdigkeitserkennungs-Funktion realisiert.
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Vorteilhafterweise ist über einen entsprechenden Bildverarbeitungs-Algorithmus auch ein Unterscheidung von verschmutzter zu nasser Windschutzscheibe 22 möglich, wobei somit eine Waschempfehlung der Windschutzscheibe 22 an der Fahrer gegeben werden kann, beziehungsweise ein selbsttätiges Waschen der Windschutzscheibe 22 zu einem geeigneten Zeitpunkt möglich ist.
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Im Weiteren ist es möglich Beschlag und/oder Eis auf der Scheibe 22 zu erkennen, verbunden mit zum Beispiel dem sperren des Fahrbetriebs, aktivieren der Windschutzscheiben-Heizung/Klimatronic, oder sperren der Wischfunktion zum Schutz des Wischblattes bei Scheibenvereisung. Eine weiter Möglichkeit wäre die Aktivierung eines Enteisungsvorganges unter Einbeziehung der Wischanlage (Enteiser-Spray).
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Weiterhin ist es möglich die Wischqualität zu überwachen, um ein unnötiges Nachlaufen des Wischers zu vermeiden. Zusätzlich könnten Steinschläge und Kratzer detektiert werden verbunden mit der entsprechenden Empfehlungen an den Fahrer (zum Beispiel Scheibenaustausch) Im weiteren kann die Kamera 29 auch für die Lichtfunktion zur Lichtsteuerung am Fahrzeug beziehungsweise Helligkeitssteuerung des HuD verwendet werden.
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Wird der Sichtbereich der Kamera 29 auf den Kopfbereich 24 des Fahrers ausgeweitet kann über geeignete Algorithmen auch die Augenposition des Fahrers erkannt werden mit dem Ziel die HuD Eyebox entsprechend automatisch auf die verschiedenen Kopfpositionen in der Höhe zu verstellen.
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Ebenso ist es möglich eine Müdigkeitserkennung basierend auf der Augenaktivität und Mimik zu realisieren. Im weiteren wäre es so möglich das Autonome Fahren dahingehend zu unterstützen das die Vorrichtung 10 erkennt ob der Fahrer abgelenkt oder konzentriert ist, zum Beispiel daran, ob sein Blick auf Handy oder Straße gerichtet ist.
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Bezugszeichenliste
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| Head-Up-Display-Vorrichtung |
10 |
| Beleuchtungseinheit |
12 |
| Bilderzeugungseinheit |
14 |
| erster optischer Pfad (Projektionspfad) |
16 |
| erstes reflektierendes optisches Bauelement |
18 |
| zweites reflektierendes optisches Bauelement |
20 |
| Windschutzscheibe |
22 |
| Projektionsbereich |
23 |
| Augenbereich (Fahrer) |
24 |
| Gehäuse |
25 |
| Gehäuseöffnung |
26 |
| teilweise reflektierendes optisches Bauelement |
27 |
| optischer Sensor |
28 |
| Detektionsvorrichtung |
29 |
| Detektionsbereich |
30 |
| zweiter optischer Pfad (Detektionspfad) |
31 |
| Außenoberfläche (Windschutzscheibe) |
32 |
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2012/0268582 A1 [0003]
