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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Head-up Display für ein Kraftfahrzeug. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Head-up Display mit einer Einrichtung, die eine Anzeigeeinheit des Head-up Displays vor Beschädigungen durch Sonneneinstrahlung schützt.
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Stand der Technik
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Head-up Displays sind eine mehr und mehr verbreitete Einrichtung in Kraftfahrzeugen, die dazu dient, Informationen bezüglich des Kraftfahrzeugs und/oder der Umgebung auf der Frontscheibe (Windschutzscheibe) bildlich darzustellen. Dadurch kann der Fahrer die Informationen erfassen, ohne den Blick von dem Verkehrsgeschehen vor dem Fahrzeug abwenden zu müssen. Die betreffenden Informationen können einfache Abbildungen umfassen, wie etwa eine Anzeige der gefahrenen Geschwindigkeit oder relevante Verkehrsinformationen wie eine symbolhafte Darstellung von Verkehrszeichen. Neuere Entwicklungen gehen dahin, auch komplexere Bildinformation, wie etwa Informationen über vorausfahrende Fahrzeuge oder Hindernisse auf einem Head-up Display darzustellen („agumented reality - Erweiterte Realität“).
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Eine bekannte Klasse von Head-up Displays umfasst eine Anzeigeeinrichtung, zum Beispiel eine Flüssigkristallanzeige (LCD - Liquid Crystal Display) mit Hintergrundbeleuchtung, sowie ein optisches System, welches eingerichtet ist, ein auf der Anzeigeeinrichtung angezeigtes Bild auf die Windschutzscheibe zu projizieren. Mit anderen Worten stellt das optische System einen Lichtweg (Projektionslichtweg), auch als Strahlengang, optischer Weg oder optischer Pfad bezeichnet, von der Anzeigeeinrichtung zu der Windschutzscheibe zur Verfügung.
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Ein Problem ergibt sich daraus, dass auch der umgekehrte optische Pfad, also der umgekehrte Projektionslichtweg zur Verfügung steht. Somit kann intensive Sonneneinstrahlung durch die Windschutzscheibe in das Head-up Display eintreten und durch die damit verbundene Wärmeentwicklung insbesondere die Anzeigeeinrichtung beschädigen. Zum Beispiel umfasst die Anzeigeeinrichtung häufig ein integriertes Dünnschichttransistor-Display (Thin Film Transistor Display oder kurz TFT-Display) mit einem Polarisator. Wenn Sonnenstrahlung hoher Leistung (Intensität) auf eine solche Anzeigeeinheit eintrifft, wird die TFT-Schicht zerstört (so genannter Bonanza-Effekt) und es kommt darüber hinaus zu einer Funktionsverschlechterung des Polarisators. Andererseits sind auch Beschädigungen des Flüssigkristallmaterials oder anderer Bestandteile der Anzeigeeinrichtung möglich.
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Eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs mit einem konventionellen Head-up Display zur Erläuterung des oben genannten Problems ist in 1A ausgeführt. Das Kraftfahrzeug ist mit einer Head-up-Displayeinrichtung 10 ausgerüstet, die in der Zeichnung als „Blackbox“ dargestellt ist. Die Head-up Displayeinrichtung ist im Instrumentenbereich (Armaturenbrett) des Kraftfahrzeugs eingebaut. Mit ihr werden Informationen auf die Windschutzscheibe 16 projiziert, wodurch diese von einem Betrachter 12 (Fahrer) wahrgenommen werden können (als virtuelles Bild in der Bildebene 15). Wie weiterhin gezeigt, gelangt die von oben auf das Kraftfahrzeug eintreffende Sonnenstrahlung 13 von der Sonne 14 durch die Windschutzscheibe 16 in den umgekehrten Projektionslichtweg und damit in das optische System des Head-up Displays 10, was je nach Intensität der Sonneneinstrahlung 13 über einen kürzeren oder längeren Zeitraum zu einer unzulässigen Wärmeentwicklung und dadurch zu einer Beschädigung der Anzeigeeinheit führt.
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Im vorliegenden Fall (vereinfachte Darstellung), wenn angenommen wird, dass das Head-up Display genau waagerecht im Kraftfahrzeug eingebaut ist, ist das dargestellte Problem am gravierendsten, wenn die Sonne direkt über dem Kraftfahrzeug steht (vorausgesetzt das Kraftfahrzeug selbst befindet sich in der Ebene). Jedoch ist es häufig so, dass die Head-up-Displayeinrichtung (Blackbox 10) leicht nach hinten geneigt (leicht im Uhrzeigersinn aus der Waagerechten gedreht) eingebaut wird. Dann ist der beschriebene Effekt am stärksten, wenn die Sonne leicht von hinten auf das Kraftfahrzeug einstrahlt. Wie der Fachmann leicht erkennt, sind andere Konstellationen denkbar, zum Beispiel wenn das Fahrzeug sich nicht in der Ebene befindet, sondern bergauf oder bergab fährt. Detailliertere Ausführungen zu den Auswirkungen verschiedener Sonnenstände relativ zum Fahrzeug werden weiter unten mit Bezug auf 3C vorgenommen. Trifft die Sonneneinstrahlung 13 hingegen von vorn auf die Windschutzscheibe 16, so wird sie aufgrund der Konstruktion des optischen Systems dieses auf einem anderen Weg durchlaufen und trifft an einer Position neben der Anzeigeeinheit 18 ein, wo insbesondere vorzugsweise ein geeignetes Absorbermaterial angeordnet ist. So kann eine Bündelung der Sonneneinstrahlung auf der Anzeigeeinheit 18 verhindert werden.
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Eine detailliertere Darstellung des optischen Systems des Head-up Displays 10 ist in 1B gegeben. Der Projektionslichtweg (durchgezogene Pfeillinie) führt von der Anzeigeeinheit 18 über die beiden Spiegel 19a und 19b durch eine Öffnung in dem Gehäuse des Head-up Displays nach oben. Der entsprechende umgekehrte Projektionslichtweg ist mit Hilfe der gestrichelten Pfeillinie dargestellt. Wie der Zeichnung zu entnehmen ist, kann die Sonnenstrahlung 13 dadurch auf die Anzeigeeinheit 18 treffen.
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Die zunehmende Bedeutung dieses Problems ergibt sich insbesondere dadurch, dass man, wie bereits erwähnt, zunehmend auch komplexere Bildinhalte im Rahmen des Konzepts der „Erweiterten Realität“ mit dem Head-up Display auf der Frontscheibe darstellen will, gleichzeitig aber die Größe der Displayeinrichtung selbst, einschließlich der Anzeigeeinrichtung aufgrund des beschränkten Einbauraums im Kraftfahrzeug ebenfalls beschränkt ist. Deshalb muss mit zunehmenden Vergrößerungen in dem Projektionslichtweg gearbeitet werden, um eine für den Benutzer (Fahrer) akzeptable Darstellungsgröße von Bildinhalten von einer kleinen Anzeigeeinheit 18 zu erreichen (zum Beispiel Vergrößerungen mit einem Faktor von 3 bis 4). Ein hoher Vergrößerungsfaktor führt aber umgekehrt zu einer starken Konzentration (Bündelung) der den umgekehrten Projektionslichtweg beschreibenden Sonnenstrahlung 13. Diese hat eine besonders starke Erwärmung zur Folge, was die Zeitdauer, während derer die Anzeigeeinheit 18 über den umgekehrten Projektionslichtweg der Sonneneinstrahlung ausgesetzt werden kann, deutlich reduziert.
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Bekannte Gegenmaßnahmen sind zum Beispiel einerseits bewegliche Spiegel in dem optischen System. Hierbei werden die Spiegel, wenn erforderlich, (d.h. bei der beschriebenen Situation starker Sonneneinstrahlung) in eine Parkposition außerhalb des Strahlengangs gefahren, wodurch die Sonnenstrahlen nicht mehr auf die Anzeigeeinheit gelangen können. Da hierdurch auch der Projektionslichtweg unterbrochen wird, ist natürlich hierbei das gesamte Head-up Display zeitweise außer Betrieb. Eine solche Maßnahme ist in der Druckschrift
WO 2015/180817 A1 beschrieben.
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Andererseits ist eine Reduktion der Hintergrundbeleuchtung möglich (da auch diese zwangsläufig zur Erwärmung beiträgt). Dies ist insbesondere deshalb möglich, da das Problem nicht verstärkt auftritt, wenn die Sonne von vorn auf das Kraftfahrzeug eintrifft, so dass eine ausreichende Sichtbarkeit noch bei reduzierter Hintergrundbeleuchtung gegeben sein kann. Eine solche Maßnahme ist zum Beispiel in der Druckschrift
WO 2013/161541 A1 beschrieben. Hierbei ist allerdings zu beachten, dass bei hohen Vergrößerungsfaktoren die Intensität der Sonneneinstrahlung ein Vielfaches (etwa dreifach oder mehr) der Hintergrundbeleuchtung beträgt und somit der Einfluss der Hintergrundbeleuchtung gering ist, was die Effizienz einer solchen Maßnahme reduziert.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, die vorstehend beschriebenen Nachteile zu überwinden und ein Head-up Display bereitzustellen, bei dem Beschädigungen durch den Einfluss der Sonnenstrahlung sicher verhindert und gleichzeitig eine ausreichende Sichtbarkeit des auf die Frontscheibe projizierten Bildes gewährleistet werden kann.
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Dies wird mit den Merkmalen des Hauptanspruchs 1 erreicht.
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Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Head-up Display für die Frontscheibe eines Kraftfahrzeugs bereitgestellt. Das Head-up Display umfasst eine Anzeigeeinheit und ein optisches System mit einem Projektionslichtweg zum Abbilden von auf der Anzeigeeinheit angezeigter Bildinformation in einem Bereich der Frontscheibe. Weiterhin umfasst das Head-up Display eine optische Filtereinrichtung mit steuerbarer Lichtdurchlässigkeit zum Reduzieren der Intensität der auf die Frontscheibe treffenden und in den umgekehrten Projektionslichtweg eintretenden Sonnenstrahlung. Die Filtereinrichtung ist an einer Position in dem Projektionslichtweg von der Anzeigeeinheit bis einschließlich der Frontscheibe angeordnet.
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Es ist der besondere Ansatz der vorliegenden Erfindung, die über den umgekehrten Projektionslichtweg auf die Anzeigeeinheit eines Head-up Displays (Projektors) auftreffende Sonnenstrahlung mit Hilfe einer Filtereinrichtung mit steuerbarer Lichtdurchlässigkeit zu reduzieren. Die Filtereinrichtung ist in dem Projektionslichtweg angeordnet. Durch eine entsprechende Steuerung der Lichtdurchlässigkeit in Abhängigkeit von der festgestellten Intensität der Sonnenstrahlung kann eine unzulässige Erwärmung verhindert werden, oder zumindest die Zeitdauer verlängert werden, bis ein Abschalten des Head-up Displays erforderlich wird.
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Vorzugsweise wird die Intensität der in den umgekehrten Projektionslichtweg eintretenden Sonnenstrahlung erfasst. Dem Fachmann sind hierfür verschiedene Möglichkeiten bekannt. Zum Beispiel kann ein Sensor zum Messen der Intensität sowohl in das Head-up Display integriert als auch außerhalb davon vorgesehen sein. Ebenfalls beispielsweise ist eine indirekte Erfassung der Intensität über eine Temperaturerfassung der Anzeigeeinheit möglich. Ein entsprechender Temperatursensor kann zum Beispiel direkt in die Anzeigeeinheit integriert sein.
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Weiter vorzugsweise ist das Head-up Display eingerichtet, die Lichtdurchlässigkeit der Filtereinrichtung in Abhängigkeit von der erfassten Intensität der in den umgekehrten Projektionslichtweg eintretenden Sonneneinstrahlung zu steuern. Dadurch kann insbesondere bei großer Sonneneinstrahlung (hoher Intensität) eine stärkere Filterung (größere Reduktion) vorgenommen werden, als bei geringer Sonneneinstrahlung.
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Ebenfalls vorzugsweise wird zusätzlich eine Intensität des von der Anzeigeeinheit für die Projektion (die Abbildung der Bildinformation von der Anzeigeeinheit auf die Frontscheibe) verwendeten Lichts in Abhängigkeit von der erfassten Intensität der in den umgekehrten Projektionslichtweg eintretenden Sonnenstrahlung gesteuert. Insbesondere kann dadurch eine stärkere Filterwirkung bei großer Sonnenintensität durch eine hellere Beleuchtung der Anzeigeeinheit ausgeglichen werden, um eine gute Sichtbarkeit der auf die Windschutzscheibe projizierten Information zu erhalten.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Anzeigeeinheit eine TFT-Anzeigeeinheit mit einer Hintergrundbeleuchtungseinrichtung. Gemäß einer alternativen bevorzugten Ausführungsform ist die Anzeigeeinheit eine OLED-Anzeigeeinheit (OLED: „Organic Light Emitting Diode“ - organische Leuchtdiode). Auch diese kann in TFT-Technologie ausgeführt sein. In diesem Falle kann insbesondere die Intensität entweder der Hintergrundbeleuchtung oder des von den organischen Leuchtdioden emittierten Lichts in Abhängigkeit von der erfassten Intensität der in den umgekehrten Projektionslichtweg eintretenden Sonnenstrahlung gesteuert werden.
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Vorzugsweise umfasst die optische Filtereinrichtung ein aktives optisches Filter, bei dem die Lichtdurchlässigkeit einstellbar ist. Dies kann durch die Verwendung entsprechender Filtermaterialien zum Beispiel elektrisch, durch Anlegen einer vorbestimmten Spannung, geschehen. Weiter vorzugsweise ist die Lichtdurchlässigkeit des aktiven optischen Filter stufenlos einstellbar. Dadurch kann die Lichtdurchlässigkeit an verschiedene Situationen, etwa ungehinderte Sonneneinstrahlung oder verminderte Sonnenstrahlung durch Wolken, angepasst werden. Ebenfalls vorzugsweise ist die Lichtdurchlässigkeit des aktiven optischen Filters in verschiedenen Regionen des Filterquerschnitts jeweils separat einstellbar. Hiermit kann man die Tatsache ausnutzen, dass die Sonneneinstrahlung in Abhängigkeit vom Sonnenstand in der Regel nicht über die gesamte Fläche der Anzeigeeinheit gleichmäßig erfolgt. Eine Reduktion der Lichtdurchlässigkeit kann somit durch eine entsprechende Ansteuerung auf diejenigen Bereiche des optischen Lichtwegs beschränkt werden, in denen eine intensive Sonnenstrahlung auf die Anzeigeeinheit erfolgt, während in anderen Bereichen keine oder eine geringere Filterung erfolgt. Weiter vorzugsweise ist die Lichtdurchlässigkeit in kleinen Bereichen, insbesondere pixelweise, einstellbar.
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Vorzugsweise umfasst ein Head-up Display mit einem aktiven optischen Filter eine Steuereinrichtung, die zum zeitlichen Modulieren der Lichtdurchlässigkeit des aktiven optischen Filters eingerichtet ist. Hierdurch kann zum Beispiel, wenn unter Umständen die kritische Sonneneinstrahlung für einen zu langen Zeitraum anhält, durch ein Ein-/Ausschalten des aktiven Filters in kurzen Zeitintervallen ein ausreichendes Bild auf der Windschutzscheibe zumindest kurzfristig, zum Beispiel für die Darstellung sicherheitsrelevanter Information, erhalten bleiben.
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Gemäß einer alternativen bevorzugten Ausführungsform umfasst die Filtereinrichtung ein passives optisches Filter und eine mechanische Bewegungseinrichtung, mit der das passive optische Filter in den Projektionslichtweg hinein und aus dem Projektionslichtweg heraus bewegt werden kann.
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Vorzugsweise umfasst das optische System einen oder mehrere Spiegel. Insbesondere ist das optische System vorzugsweise durch die Verwendung von Spiegeln sowie darüber hinaus optional weitere passive optische Elemente wie Linsen zur Vergrößerung eines auf der Anzeigeeinheit dargestellten Bildes eingerichtet.
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Vorzugsweise ist die Filtereinrichtung in dem Projektionslichtweg zwischen der Anzeigeeinheit und der Frontscheibe angeordnet.
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Alternativ vorzugsweise ist die Filtereinrichtung auf der Frontscheibe angeordnet.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Kraftfahrzeug mit einem Head-up Display gemäß dem ersten Aspekt bereitgestellt.
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand abhängiger Patentansprüche.
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Figurenliste
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Zusätzliche Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden in der detaillierten Beschreibung erläutert und in den beigefügten Zeichnungen dargestellt, wobei:
- 1A eine allgemeine Darstellung des der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegenden Problems ist,
- 1B eine beispielhafte Darstellung des direkten und umgekehrten Strahlengangs (Projektionslichtwegs) in einem beispielhaften bekannten Head-up Display ist,
- 2A mögliche Anordnungen aktiver optischer Filter im Strahlengang des optischen Systems eines Head-up Displays zwischen der Anzeigeeinrichtung und der Windschutzscheibe gemäß beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zeigt,
- 2B eine mögliche Positionierung eines aktiven Filters auf der Windschutzscheibe eines Kraftfahrzeugs gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt,
- 3A eine beispielhafte Darstellung der Wirkung der Anwendung einer Filtereinrichtung mit einstellbarer Lichtdurchlässigkeit gemäß der vorliegenden Erfindung ist,
- 3B eine beispielhafte Darstellung der Wirkung der Anwendung einer beispielhaften Filtereinrichtung mit regional separat einstellbarer Lichtdurchlässigkeit gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist,
- 3C das Ergebnis einer Simulation der auf die Fläche einer Anzeigeeinrichtung eines beispielhaften Head-up Displays eintreffenden Sonnenstrahlung in Abhängigkeit vom Einfallwinkel der Sonnenstrahlung zeigt und
- 4 eine mögliche Anordnung eines mechanisch beweglichen passiven optischen Filters im Strahlengang des optischen Systems eines Head-up Displays gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
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In den verschiedenen Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils gleiche oder einander entsprechende Merkmale, so dass auf eine erneute Beschreibung gegebenenfalls verzichtet wird.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Die vorliegende Erfindung löst das Problem einer möglichen Beschädigung der Anzeigeeinheit eines Head-up Displays durch über den umgekehrten Projektionslichtweg eintretende Sonnenstrahlung, die unter ungünstigen Umständen im Bereich der Anzeigeeinheit gebündelt wird und somit durch Wärmeentwicklung in diesem Bereich zu unzulässig hohen Temperaturen führt, durch die Bauteile der Anzeigeeinheit beschädigt oder zerstört werden können.
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Die erfindungsgemäße Lösung besteht in der Einführung einer Filtereinrichtung mit einstellbarer Lichtdurchlässigkeit, insbesondere eines aktiven optischen Filters, in den Lichtweg der Sonnenstrahlen (umgekehrter Projektionslichtweg). Diese Filtereinrichtung kann verschieden im Lichtweg positioniert werden, zum Beispiel an verschiedenen Positionen innerhalb des Gehäuses des Head-up Displays wie etwa in der Nähe der Anzeigeeinrichtung oder im Bereich eines oder mehrerer Spiegel, oder auch direkt auf der Windschutzscheibe.
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Die Erfindung geht davon aus, dass (wie in 1 dargestellt) das der Erfindung zu Grunde liegende Problem insbesondere dann auftritt, wenn die Sonne von oben oder leicht schräg von hinten auf das Kraftfahrzeug einstrahlt. In diesem Fall, bei dem die Sonne also nicht direkt vor dem Kraftfahrzeug steht, wird nicht die volle Helligkeit der Anzeigeeinrichtung (etwa die volle Helligkeit der Hintergrundbeleuchtung) benötigt. Die Reduktion der Intensität des ausgehenden Lichts (Projektionslichts zum Projizieren des Bildes auf die Frontscheibe) durch die Filtereinrichtung lässt daher das Bild weiterhin gut sichtbar auf der Windschutzscheibe erscheinen, wohingegen die einfallenden Sonnenstrahlen und dadurch die Strahlungsleistung der Sonnenstrahlen und die auftretende Wärmeentwicklung (Hitze) erheblich reduziert werden. Wie weiter oben ausgeführt, kann aber als zusätzliche Maßnahme auch die Helligkeit der Anzeigeeinrichtung angepasst werden, insbesondere bei einer festgestellten hohen eintretenden Sonnenintensität erhöht werden (wobei gleichzeitig auch die Filterwirkung erhöht (Lichtdurchlässigkeit verringert)) wird.
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Es ist davon auszugehen, dass aufgrund der Bewegung der Sonne im Tagesverlauf (sowie in der Regel zusätzlich auch der Bewegung des Fahrzeugs) eine für das Auftreffen der Sonnenstrahlung auf die Anzeigeeinheit kritische Sonnenposition maximal über einen Zeitraum in einer Größenordnung von etwa 15 Minuten auftritt. Ohne Anwendung von Gegenmaßnahmen ist jedoch bereits wesentlich schneller, nämlich nach maximal etwa 1 bis 2 Minuten, eine so hohe Erwärmung im Bereich der Anzeigeeinheit erreicht, dass mit Beschädigungen der Anzeigeeinheit, etwa einer TFT-Schicht oder eines Polarisators zu rechnen ist. Deshalb müssen herkömmliche Head-up Displays ohne Schutzmaßnahmen im Falle einer kritischen Sonneneinstrahlung bereits nach wenigen Minuten abgeschaltet werden. Mit der vorliegenden Erfindung kann durch eine entsprechende Einstellung der Lichtdurchlässigkeit der Filtereinrichtung die Zeit bis zum Auftreten einer unzulässigen Erwärmung im Bereich der Anzeigeeinheit so verlängert werden, dass ein Betrieb des Head-up Displays bei kritischer Sonneneinstrahlung für die relevante Dauer von ungefähr 15 Minuten ohne Beschädigung möglich ist.
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Falls unter Umständen dennoch eine unzulässig hohe Sonneneinstrahlung so lange anhält, dass durch die Anwendung einer Filtereinrichtung eine unzulässige Erwärmung im Bereich der Anzeigeeinheit nicht mehr vermieden werden kann, besteht im Rahmen der Erfindung darüber hinaus die Möglichkeit, durch eine Modulation der Lichtdurchlässigkeit eines aktiven optischen Filters (zum Beispiel das Ein-/Ausschalten in kurzen Intervallen) einen längeren Betrieb aufrechtzuerhalten. Zum Beispiel kann die Lichtdurchlässigkeit des Filters vorübergehend auf Null reduziert werden (wodurch dann kein Betrieb des Head-up Displays möglich ist), aber in kritischen Situationen kann dann kurzzeitig wieder Licht durchgelassen werden, um zum Beispiel ein Bild auf der Windschutzscheibe zur Darstellung kritischer Informationen (sicherheitsrelevanter Informationen) zu erzeugen.
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Gemäß bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung enthält die Filtereinrichtung ein aktives optisches Filter (elektrisch stimuliertes Filter), dessen Lichtdurchlässigkeit von außen, insbesondere durch Anlegen einer elektrischen Spannung, gesteuert werden kann.
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Geeignete Materialien sind Flüssigkristallgläser, deren Lichtdurchlässgkeit elektrisch eingestellt werden kann. Diese Materialien sind selbst temperaturstabil (indem sie Energie aus der Sonnenstrahlung entnehmen).
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Nicht einschränkend und lediglich beispielhaft sei als ein mögliches Material Licrivsion™ von Merck (eine Marke der Firma Merck) erwähnt, dem Fachmann sind jedoch auch andere geeignete Materialien bekannt.
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Verschiedene Positionen für die Anordnung eines Filters im Strahlengang eines Head-up Displays innerhalb des Gehäuses, also zwischen der Anzeigeeinheit und der Windschutzscheibe, sind in 2A gezeigt.
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Die grundsätzliche Anordnung des erfindungsgemäßen Head-up Displays 20 entspricht derjenigen des in 1B dargestellten konventionellen Head-up Displays 10, mit einer Anzeigeeinheit 18 sowie einem Paar von Spiegeln 19a und 19b. Der Projektionslichtweg ist wieder in Form einer durchgezogenen und der umgekehrte Projektionslichtweg, der von den Sonnenstrahlen 13 von der Sonne 14 durchlaufen wird, als gestrichelte Pfeillinie dargestellt. Das erfindungsgemäße Head-up Display 20 unterscheidet sich von dem herkömmlichen Head-up Display 10 aus 1A durch ein Filter, insbesondere ein aktives Filter 22 im Lichtweg. Drei verschiedene Positionen für die Anordnung des Filters 22 sind dargestellt. Insbesondere kann das Filter 22 angeordnet sein zwischen der Anzeigeeinheit 18 und dem ersten Spiegel 19b, oder es kann zwischen beiden Spiegeln angeordnet sein, oder es kann angeordnet sein auf dem Weg zwischen dem zweiten Spiegel 19a und der Windschutzscheibe, insbesondere zwischen dem zweiten Spiegel 19a und der Austrittsöffnung des Projektionslichts aus dem Gehäuse des Head-up Displays.
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In der vorliegenden Figur sind die unterschiedlichen Einbaupositionen für das Filter 22 als Alternativen gezeigt. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf das Vorhandensein nur eines Filters beschränkt. Es können vielmehr auch zwei oder mehr Filter in entsprechenden Positionen gleichzeitig vorhanden sein.
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Darüber hinaus sei betont, dass die vorliegende Erfindung nicht auf Head-up Displays mit zwei Spiegeln (Konvexspiegeln) beschränkt ist. Zum Beispiel sind auch Ausführungsformen mit nur einem Spiegel oder einer anderen Kombination von Spiegeln (insbesondere ebener Spiegel und von Spiegeln beliebiger Formen möglich).
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Eine alternative Ausführungsform, bei der ein aktives Filter 22 direkt auf der Windschutzscheibe 16 angebracht ist, ist in 2B dargestellt. Ähnlich der 1A zeigt diese eine schematische Darstellung des Kraftfahrzeugs mit der von oben einfallenden Sonnenstrahlung 13, und einem Head-up Display 20, bei dem ein aktives optisches Filter 22 unmittelbar auf den Bereich der Windschutzscheibe 16, auf den die Projektion erfolgt (der demzufolge im Projektionslichtweg liegt) aufgebracht wird.
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3A zeigt Beispiele der Wirkung eines einem natürlichen Bild aufgesetzten aktiven Filters in zwei verschiedenen elektrisch stimulieren Zuständen. Insbesondere ist in der linken Hälfte ein Filter mit einer elektrisch stimulieren Lichtdurchlässigkeit (Transluzenz) von ca. 50% und in der rechten Hälfte mit einer Transluzenz von ca. 75% aufgesetzt.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht beschränkt auf Filter, bei denen die Lichtdurchlässigkeit über die gesamte Querschnittsfläche gleichmäßig (homogen) einstellbar ist. Vielmehr ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch die Möglichkeit der Verwendung regional einstellbar aktiver Filter vorgesehen. Hierbei wird die Querschnittsfläche des Filters in verschiedene Regionen eingeteilt, die jeweils individuell, also separat voneinander, elektrisch stimuliert werden können. Dies kann insbesondere eine Einteilung in zwei verschiedene Regionen, eine Gitteranordnung (Array) oder sogar eine individuelle Stimulierbarkeit in der Größenordnung einzelner Pixel umfassen. Damit kann die Lichtdurchlässigkeit präziser in Abhängigkeit von dem je nach Sonnenstand unterschiedlichen Bereich der Anzeigeeinrichtung, der der Sonnenstrahlung ausgesetzt ist, gesteuert werden. Dies wird weiter unten unter Bezug auf 3C näher erläutert.
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3B zeigt Beispiele der Wirkung regional einstellbarer aktiver optischer Filter (wobei bei im linken Beispiel vier Regionen gleicher Größe und im rechten Beispiel neun Regionen unterschiedlicher Größe gezeigt sind). Wie oben bereits ausgeführt, ist die vorliegende Erfindung keineswegs auf die beispielhaften Anordnungen der Regionen in den Figuren beschränkt.
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Wenn bei einem regional einstellbaren aktiven optischen Filter die Lichtdurchlässigkeit in verschiedenen Bereichen eines Arrays unterschiedlich eingestellt wird, muss demzufolge auch die Helligkeit der Beleuchtung (zum Beispiel Hintergrundbeleuchtung oder OLED-Intensität) regional individuell eingestellt werden, um ein homogen beleuchtetes Projektionsbild auf der Frontscheibe zu erzielen.
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In 3C sind Simulationsergebnisse dargestellt, die zeigen, wie sich der Winkel der Sonneneinstrahlung auf den von der Sonneneinstrahlung betroffenen Bereich der Fläche der Anzeigeeinheit auswirkt. Die Darstellung erfolgt beispielhaft anhand eines in 2A gezeigten Head-up Displays mit zwei Spiegeln, wobei als bilderzeugende Anzeigeeinheit ein 3,1-Zoll-TFT-Display angenommen wird und vereinfacht davon ausgegangen wird, dass das Gehäuse des Head-up Displays waagerecht in dem Fahrzeug eingebaut ist.
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Die jeweiligen individuellen Bilder zeigen den gesamten Bereich der Fläche der Anzeigeeinheit jeweils als schwarzes Rechteck, in welchem der jeweilige von der Sonneneinstrahlung betroffene Bereich heller dargestellt ist. Die Richtung der Sonneneinstrahlung wird dabei durch zwei Winkelparameter bestimmt, deren Werte jeweils links unterhalb des entsprechenden individuellen Bildes angegeben sind. Dabei bezeichnet der erste Winkel (vor dem /) einen Winkel in einer längsseitigen Mittenebene des Fahrzeugs, der die Abweichung der Richtung vom Fahrzeug zur Sonne von der Senkrechten angibt: negativer Wert: Sonne steht vor dem Fahrzeug, 0°: Sonne steht senkrecht über dem Fahrzeug, positiver Wert: Sonne steht hinter dem Fahrzeug). Der zweite Winkel (nach dem /) bezeichnet einen Winkel in einer Ebene quer zur Fahrtrichtung, der die Abweichung der Richtung vom Fahrzeug zur Sonne von der Senkrechten in dieser Ebene angibt: negativer Wert: Sonne steht (von vorn betrachtet) links vom Fahrzeug, 0°: Sonne steht senkrecht über dem Fahrzeug und positiver Wert: Sonne steht (von vorn betrachtet) rechts vom Fahrzeug. Die Senkrechte ist in den schematischen Darstellungen auf der rechten Seite der 3C jeweils als Strichpunktlinie eingezeichnet.
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Somit veranschaulicht die erste Gruppe von fünf Darstellungen im oberen Bereich der 3C, bei der sich nur der Wert des zweiten Winkels ändert, die Veränderung des von der Sonneneinstrahlung betroffenen Bereichs bei der Bewegung der Sonne (und bei Kurvenfahrt gegebenenfalls des Fahrzeugs) quer zur Fahrtrichtung (siehe die obere schematische Darstellung des Fahrzeugs mit der Sonne 14, die sich quer zur Fahrtrichtung bewegt und dem Sonnenstrahl 13). In der längsseitigen Mittenebene wird in allen diesen Bildern ein Wert von 0° angenommen. Wie der Bildserie zu entnehmen ist, ist zunächst (bei -8°) nur ein kleiner Bereich am linken Rand des TFT-Displays betroffen. Mit absolut sinkender Größe des Winkels (zweites Bild mit -5°) vergrößert sich dieser betroffene Bereich. Bei 0° hat er seine größte Ausdehnung und ist in etwa mittig angeordnet. In den nachfolgenden Bildern (5° und 8°) wandert der Bereich langsam nach rechts außen und verkleinert seine Ausdehnung im Bereich der Displayoberfläche insgesamt dadurch, dass der sich innerhalb der Displayfläche befindende Teil kleiner wird.
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Die zweite Gruppe von drei Bildern, bei der sich nur der Wert des ersten Winkels ändert, zeigt die Veränderung des von der Sonnenstrahleinstrahlung betroffenen Bereichs aufgrund der Bewegung der Sonne (und gegebenenfalls des Fahrzeugs) in Fahrzeuglängsrichtung, wie dies schematisch in der unteren Darstellung des Fahrzeugs mit der Sonne 14, die sich längs zur Fahrtrichtung bewegt, veranschaulicht ist). Hierbei ist zunächst (-5°) nur ein kleiner Teil im oberen Bereich der Fläche des TFT-Displays betroffen. Dieser wandert von oben nach unten durch das Display (nimmt dementsprechend erneut bei 0° einen großen zentralen Bereich der Displayfläche ein), um dann bei steigenden positiven Winkeln (5°) durch die untere Kante des Displays wieder zu verschwinden.
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4 ist eine schematische Darstellung einer alternativen Ausführungsform der Filtereinrichtung der vorliegenden Erfindung. In der Ausführungsform der 4 wird anstelle eines elektrisch einstellbaren aktiven optischen Filters im Lichtweg der Sonnenstrahlen ein passives Filter verwendet, welches mechanisch in den Lichtweg geschoben werden kann.
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In 4 ist erneut ein Head-up Display ähnlich dem in der 2A gezeigt, bei der jedoch anstelle eines (aktiven) Filters 22 ein mechanisch bewegliches (angedeutet durch Doppelpfeil und die gestrichelten Umrisse des Filters in der Ruheposition, außerhalb des Strahlengangs) passives optisches Filter 24 vorgesehen ist.
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Die Anzahl von Filtern ist auch in einer solchen Ausführungsform nicht auf nur ein Filter 24 beschränkt. Insbesondere kann durch mehrere, unabhängig voneinander in den Lichtweg und wieder heraus bewegliche Filter (gegebenenfalls mit unterschiedlicher Lichtdurchlässigkeit) auch in einem gewissen Rahmen erreicht werden, dass unterschiedliche Werte der Lichtdurchlässigkeit zur Anwendung kommen. Wenn zum Beispiel passive Filter verschiedener Größe verwendet werden, oder diese nur teilweise in den Strahlengang hinein bewegt werden, kann auch mit passiven Filtern in einem gewissen Rahmen eine regionale Variation der Lichtdurchlässigkeit über die Fläche der Anzeigeeinheit realisiert werden.
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Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung ein Head-up Display für ein Kraftfahrzeug, bei dem eine Anzeigeeinheit von der in den umgekehrten Projektionslichtweg eintretenden Sonnenstrahlung mittels einer Filtereinrichtung mit einstellbarer Lichtdurchlässigkeit geschützt wird. Dadurch kann die Zeitdauer erhöht werden, während derer das Head-up Display unter den Bedingungen kritischer Sonneneinstrahlung benutzt werden kann, ohne dass Schäden an den Bauteilen des Head-up Displays, insbesondere der Anzeigeeinheit, auftreten.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2015/180817 A1 [0009]
- WO 2013/161541 A1 [0010]
