DE102018213061A1

DE102018213061A1 - Gerät zum Generieren eines virtuellen Bildes mit Störlichtunterdrückung

Info

Publication number: DE102018213061A1
Application number: DE102018213061.2A
Authority: DE
Inventors: Hans-Peter Kreipe; Arne Jachens; Willi Scheffler-Juschtschenko; Rudolf Mitsch
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2018-08-03
Filing date: 2018-08-03
Publication date: 2020-01-30

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Gerät zum Generieren eines virtuellen Bildes mit Störlichtunterdrückung. Das Gerät weist zumindest eine Lichtquelle zum Erzeugen eines Lichtstrahls (L1) und eine bildgebende Einheit (100) zum Erzeugen eines Bildes auf. Ein Lichtrichtungsselektor (97) dient zur Unterdrückung von Störlicht. Der Lichtrichtungsselektor (97) ist oberhalb einer Begrenzungsfläche (501) eines Lichtwellenleiters (5) zum Aufweiten einer Austrittspupille oder oberhalb einer Abdeckung einer Optikeinheit angeordnet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gerät zum Generieren eines virtuellen Bildes.
Unter einem Head-Up-Display, auch als HUD bezeichnet, wird ein Anzeigesystem verstanden, bei dem der Betrachter seine Blickrichtung beibehalten kann, da die darzustellenden Inhalte in sein Sichtfeld eingeblendet werden. Während derartige Systeme aufgrund ihrer Komplexität und Kosten ursprünglich vorwiegend im Bereich der Luftfahrt Verwendung fanden, werden sie inzwischen auch im Automobilbereich in Großserie verbaut.
Head-Up-Displays bestehen im Allgemeinen aus einem Bildgenerator, einer Optikeinheit und einer Spiegeleinheit. Der Bildgenerator erzeugt das Bild. Die Optikeinheit leitet das Bild auf die Spiegeleinheit. Der Bildgenerator wird oft auch als bildgebende Einheit oder PGU (Picture Generating Unit) bezeichnet. Die Spiegeleinheit ist eine teilweise spiegelnde, lichtdurchlässige Scheibe. Der Betrachter sieht also die vom Bildgenerator dargestellten Inhalte als virtuelles Bild und gleichzeitig die reale Welt hinter der Scheibe. Als Spiegeleinheit dient im Automobilbereich oftmals die Windschutzscheibe, deren gekrümmte Form bei der Darstellung berücksichtigt werden muss. Durch das Zusammenwirken von Optikeinheit und Spiegeleinheit ist das virtuelle Bild eine vergrößerte Darstellung des vom Bildgenerator erzeugten Bildes.
Der Betrachter kann das virtuelle Bild nur aus der Position der sogenannten Eyebox betrachten. Als Eyebox wird ein Bereich bezeichnet, dessen Höhe und Breite einem theoretischen Sichtfenster entspricht. So lange sich ein Auge des Betrachters innerhalb der Eyebox befindet, sind alle Elemente des virtuellen Bildes für das Auge sichtbar. Befindet sich das Auge hingegen außerhalb der Eyebox, so ist das virtuelle Bild für den Betrachter nur noch teilweise oder gar nicht sichtbar. Je größer die Eyebox ist, desto weniger eingeschränkt ist der Betrachter somit bei der Wahl seiner Sitzposition.
Die Größe der Eyebox herkömmlicher Head-Up-Displays wird durch die Größe der Optikeinheit begrenzt. Ein Ansatz zur Vergrößerung der Eyebox besteht darin, das von der bildgebenden Einheit kommende Licht in einen Lichtwellenleiter einzukoppeln. Das in den Lichtwellenleiter eingekoppelte Licht wird an dessen Grenzflächen totalreflektiert und wird somit innerhalb des Lichtwellenleiters geleitet. Zusätzlich wird an einer Vielzahl von Positionen entlang der Ausbreitungsrichtung jeweils ein Teil des Lichts ausgekoppelt. Durch den Lichtwellenleiter erfolgt auf diese Weise eine Aufweitung der Austrittspupille. Die effektive Austrittspupille setzt sich hier aus Bildern der Apertur des Bilderzeugungssystems zusammen.
Vor diesem Hintergrund beschreibt die US 2016/0124223 A1 eine Anzeigevorrichtung für virtuelle Bilder. Die Anzeigevorrichtung umfasst einen Lichtwellenleiter, der bewirkt, dass von einer bildgebenden Einheit kommendes Licht, das durch eine erste Lichteinfallsfläche einfällt, wiederholt einer internen Reflexion unterzogen wird, um sich in einer ersten Richtung von der ersten Lichteinfallsfläche weg zu bewegen. Der Lichtwellenleiter bewirkt zudem, dass ein Teil des im Lichtwellenleiter geführten Lichts durch Bereiche einer ersten Lichtaustrittsfläche, die sich in der ersten Richtung erstreckt, nach außen austritt. Die Anzeigevorrichtung umfasst weiterhin ein erstes lichteinfallseitiges Beugungsgitter, das auftreffendes Licht beugt, um zu bewirken, dass das gebeugte Licht in den Lichtwellenleiter eintritt, und ein erstes lichtausfallendes Beugungsgitter, das vom Lichtwellenleiter einfallendes Licht beugt.
Bei der aktuell bekannten Auslegung eines derartigen Geräts, bei dem der Lichtwellenleiter aus Glasplatten besteht, innerhalb derer Beugungsgitter oder Hologramme angeordnet sind, tritt ein Problem im Fall von Sonneneinstrahlung auf. Das eingestrahlte Sonnenlicht wird im Lichtwellenleiter mehrfach gebrochen und in seine Spektralfarben zerlegt. Diese kommen an zahlreichen Stellen wieder aus dem Lichtwellenleiter heraus und werden unter anderem in Richtung des Auges gebrochen. Dies führt zu regenbogenähnlichen oder kontrastmindernden Qualitätsverlusten. Das eigentliche Bild wird dadurch nur noch schwächer wahrgenommen. Vergleichbare Probleme treten bei anderen Störlichtquellen sowie auch bei direkten Lichtreflexen am Lichtwellenleiter oder an einer Abdeckung einer Optikeinheit auf.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Gerät zum Generieren eines virtuellen Bildes vorzuschlagen, bei dem der Einfluss von Störlicht reduziert ist.
Diese Aufgabe wird durch ein Gerät mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung weist ein Gerät zum Generieren eines virtuellen Bildes auf:

- zumindest eine Lichtquelle zum Erzeugen eines Lichtstrahls;
- ein Anzeigeelement zum Erzeugen eines Bildes; und
- einen Lichtrichtungsselektor zur Unterdrückung von Störlicht, der oberhalb einer Begrenzungsfläche eines Lichtwellenleiters zum Aufweiten einer Austrittspupille oder oberhalb einer Abdeckung einer Optikeinheit angeordnet ist.

Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, den Lichtwellenleiter oder die Abdeckung der Optikeinheit an der der Störlichtquelle zugewandten Seite mit einem Lichtrichtungsselektor zu versehen. Ein Problem bei herkömmlichen Systemen ist, dass das einfallende Störlicht an der Begrenzungsfläche des Lichtwellenleiters oder an der Abdeckung reflektiert wird und für den Betrachter deutlich sichtbar ist. Die für die Lichtrichtungsselektion vorgesehenen Elemente des Lichtrichtungsselektors ermöglichen einen gerichteten Lichtaustritt, so dass Stör- und Fremdlicht deutlich unterdrückt werden. Durch Aufbringen des Lichtrichtungsselektors, der parallel zur vom Gerät genutzten Lichtrichtung ausgerichtet ist, wird verhindert, dass Fremdlicht aus anderen Einfallsrichtungen die Oberfläche des Lichtwellenleiters oder der Abdeckung trifft bzw. von dort zu den Augen des Betrachters reflektiert wird.
Durch die erfindungsgemäße Lösung wird eine erhebliche Verbesserung der Bildqualität und des Kontrasts bei Anwesenheit von Störlichtquellen erzielt. Durch die deutlich reduzierte Einkopplung von Sonnenlicht in das optische System verringert sich auch eine aus der Sonneneinstrahlung resultierende Erwärmung des Systems, wodurch eine gleichbleibende Bildqualität erreicht wird.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist zwischen der Begrenzungsfläche und dem Lichtrichtungsselektor eine reflektierende Schicht angeordnet. Die reflektierende Schicht sorgt dafür, dass vom Lichtwellenleiter her auf die Kontaktflächen der Strukturen des Lichtrichtungsselektors mit der oberen Begrenzungsfläche gelangendes Licht wieder in den Lichtwellenleiter reflektiert wird. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass es trotz des aufgebrachten Lichtrichtungsselektors zu Totalreflexionen an den Grenzflächen des Lichtwellenleiters kommt. Alternativ kann zwischen der Begrenzungsfläche und dem Lichtrichtungsselektor ein Luftspalt oder eine Schicht aus einem Material angeordnet sein, dessen Brechungsindex im Bereich des Brechungsindex von Luft liegt. Auch auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass es trotz des aufgebrachten Lichtrichtungsselektors zu Totalreflexionen an den Grenzflächen des Lichtwellenleiters kommt.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung weist der Lichtrichtungsselektor lichtdichte oder absorbierende oder diffus streuende Elemente auf. Das auf den Lichtrichtungsselektor auftreffende Störlicht wird somit von diesem nicht reflektiert, wodurch eventuelle negative Effekte aufgrund von reflektiertem Licht vermieden werden. Im Falle von diffus streuenden Elementen tritt zwar Streulicht auf, allerdings gelangt nur ein deutlich geringer Anteil des gestreuten Lichts in den Lichtwellenleiter. Auch diese Lösung reduziert somit den Einfluss von Störlicht.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung weicht eine vom Lichtrichtungsselektor selektierte Lichtrichtung von einer Normalen der Begrenzungsfläche oder der Abdeckung ab. Dies hat den Vorteil, dass parallel zur selektierten Lichtrichtung einfallendes Licht nicht in sich selbst zurückgespiegelt wird, sondern nach der Reflexion auf den Lichtrichtungsselektor trifft. Von diesem kann es dann beispielsweise absorbiert oder diffus gestreut werden.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung sind Kontaktflächen des Lichtrichtungsselektors mit der Begrenzungsfläche von Lichtaustrittszentren des Lichtwellenleiters beabstandet. Als Lichtaustrittszentren werden dabei die Stellen bezeichnet, an denen Licht aus dem Lichtwellenleiter austritt. Hier wird erfindungsgemäß die Eigenschaft des Lichtwellenleiters ausgenutzt, dass dieser die Austrittspupille aufweitet, indem er das in ihn eintretende Strahlenbündel in zwei Dimensionen aufspaltet. Als Resultat treten an seiner Austrittsfläche viele einzelne Strahlenbündel mit identischer Winkelverteilung an den Lichtaustrittszentren aus. Um ein Lichtaustrittszentrum herum tritt umso weniger Licht aus, je größer der Abstand vom Lichtaustrittszentrum ist. Die von den Lichtaustrittszentren beabstandete Anordnung der Elemente des Lichtrichtungsselektors führt dazu, dass diese das austretende Licht nicht oder nur unwesentlich durch ihr Vorhandensein behindern.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung weist der Lichtrichtungsselektor Lamellen oder eine Struktur aus prismenförmigen Zellen oder zylindrischen Zellen auf. Dies sind einfach herstellbare Strukturen, die dennoch gut die Anforderungen an einen Lichtrichtungsselektor erfüllen. Prismenförmige oder zylindrische Zellen sind etwas aufwendiger in der Herstellung als Lamellen, weisen aber eine höhere mechanische Stabilität auf. Bei diesen Zellen wird jeweils ein prismenförmiger oder zylindrischer Raum durch seitliche Wände aus einem lichtdichten, absorbierenden oder diffus streuenden Material eingefasst, d.h. die Struktur des Lichtrichtungsselektors besteht lediglich aus den Mantelflächen dieser Zellen. Abhängig von der vom Lichtrichtungsselektor selektierten Lichtrichtung bilden die Zellen gerade oder schiefe Prismen bzw. Zylinder.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung sind die Lamellen oder die Struktur aus prismenförmigen Zellen oder zylindrischen Zellen in eine Folie eingearbeitet. Die Verwendung einer derartigen Folie hat den Vorteil, dass der Lichtrichtungsselektor sehr einfach auf den Lichtwellenleiter bzw. dessen Begrenzungsfläche oder auf die Abdeckung aufgebracht werden kann. Aufgrund der geringen Dicke einer Folie sollten die Abstände zwischen den Strukturen des Lichtrichtungsselektors bei dieser Lösung recht klein ausgeführt sein, um eine Richtungsselektivität zu gewährleisten.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung parkettieren die Grundflächen der prismenförmigen Zellen die Begrenzungsfläche oder die Abdeckung. Eine solche Parkettierung kann beispielweise erzielt werden, wenn die Grundflächen als (regelmäßige) Dreiecke, als Quadrate oder Rechtecke oder als regelmäßige Sechsecke ausgeführt sind. Bei einer Ausführung als regelmäßige Sechsecke ergibt sich eine Wabenstruktur, die ein besonders günstiges Verhältnis von Wandmaterial zu Volumen hat. Allgemein hat die Parkettierung den Vorteil, dass die Begrenzungsfläche oder die Abdeckung lückenlos mit Zellen des Lichtrichtungsselektors versehen werden können.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung sind die Grundflächen der zylindrischen Zellen kreisförmig oder elliptisch. Auch mit kreisförmig oder elliptisch ausgestalteten Grundflächen der zylindrischen Zellen lässt sich eine weitgehende Bedeckung der Begrenzungsfläche oder der Abdeckung mit Zellen des Lichtrichtungsselektors erreichen. Indem die zylindrischen Zellen so auf der Begrenzungsfläche angeordnet werden, dass die Mittelpunkte der Grundflächen mit den jeweiligen Lichtaustrittszentren zusammenfallen, haben die Lücken in der Bedeckung keinen störenden Einfluss auf die Effektivität des Lichtrichtungsselektors.
Vorzugsweise wird ein erfindungsgemäßes Gerät in einem Fahrzeug, insbesondere einem Kraftfahrzeug, eingesetzt. Die reduzierte Einkopplung von Störlicht ermöglicht es, den Lichtwellenleiter horizontal oder nur unter einem kleinen Winkel im Fahrzeug zu verbauen, was einen deutlichen Bauraumvorteil bietet. Der Lichtrichtungsselektor wird vorzugsweise farbtechnisch an das Design des Armaturenbrettes des Fahrzeugs angepasst. Dies verhindert Irritationen des Fahrers oder anderer Verkehrsteilnehmer, die durch eine uneinheitlich erscheinende Oberfläche des Armaturenbretts hervorgerufen werden können, und erhöht somit die Verkehrssicherheit.
Die erfindungsgemäße Lösung lässt sich überall dort sinnvoll einsetzen, wo Displays gerichtetes Licht abstrahlen. Besonders vorteilhaft lässt sich die erfindungsgemäße Lösung dabei nutzen, wenn die Abstrahlung nicht orthogonal zur Oberfläche des Displays erfolgt.
Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung und den angehängten Ansprüchen in Verbindung mit den Figuren ersichtlich.
Figurenliste

1 zeigt schematisch ein Head-Up-Display gemäß dem Stand der Technik für ein Kraftfahrzeug;
2 zeigt einen Lichtwellenleiter mit zweidimensionaler Vergrößerung;
3 zeigt schematisch ein Head-Up-Display mit Lichtwellenleiter;
4 zeigt schematisch ein Head-Up-Display mit Lichtwellenleiter in einem Kraftfahrzeug;
5 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Gerät im Querschnitt;
6 zeigt eine erste Ausführungsform eines Lichtwellenleiters mit aufgesetzten Lamellen in vergrößerter Darstellung;
7 zeigt eine zweite Ausführungsform eines Lichtwellenleiters mit aufgesetzten Lamellen in vergrößerter Darstellung;
8 zeigt schematisch einen Lichtwellenleiter mit einer ersten Ausführungsformen eines Lichtrichtungsselektors;
9 zeigt schematisch einen Lichtwellenleiter mit einer zweiten Ausführungsformen eines Lichtrichtungsselektors;
10 zeigt schematisch einen Lichtwellenleiter mit einer dritten Ausführungsformen eines Lichtrichtungsselektors;
11 zeigt schematisch einen Lichtwellenleiter mit einer vierten Ausführungsformen eines Lichtrichtungsselektors; und
12 zeigt schematisch einen Lichtwellenleiter mit einer fünften Ausführungsformen eines Lichtrichtungsselektors.

Figurenbeschreibung
Zum besseren Verständnis der Prinzipien der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Ausführungsformen der Erfindung anhand der Figuren detaillierter erläutert. Gleiche Bezugszeichen werden in den Figuren für gleiche oder gleichwirkende Elemente verwendet und nicht notwendigerweise zu jeder Figur erneut beschrieben. Es versteht sich, dass sich die Erfindung nicht auf die dargestellten Ausführungsformen beschränkt und dass die beschriebenen Merkmale auch kombiniert oder modifiziert werden können, ohne den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen, wie er in den angehängten Ansprüchen definiert ist.
Zunächst soll anhand der 1 bis 4 der Grundgedanke eines Head-Up-Displays mit Lichtwellenleiter dargelegt werden.
1 zeigt eine Prinzipskizze eines Head-Up-Displays gemäß dem Stand der Technik für ein Kraftfahrzeug. Das Head-Up-Display weist einen Bildgenerator 1, eine Optikeinheit 2 und eine Spiegeleinheit 3 auf. Von einem Anzeigeelement 11 geht ein Strahlenbündel SB1 aus, welches von einem Faltspiegel 21 auf einen gekrümmten Spiegel 22 reflektiert wird, der es Richtung Spiegeleinheit 3 reflektiert. Die Spiegeleinheit 3 ist hier als Windschutzscheibe 31 eines Kraftfahrzeugs dargestellt. Von dort gelangt das Strahlenbündel SB2 in Richtung eines Auges 61 eines Betrachters.
Der Betrachter sieht ein virtuelles Bild VB, welches sich außerhalb des Kraftfahrzeugs oberhalb der Motorhaube oder sogar vor dem Kraftfahrzeug befindet. Durch das Zusammenwirken von Optikeinheit 2 und Spiegeleinheit 3 ist das virtuelle Bild VB eine vergrößerte Darstellung des vom Anzeigeelement 11 angezeigten Bildes. Hier sind symbolisch eine Geschwindigkeitsbegrenzung, die aktuelle Fahrzeuggeschwindigkeit sowie Navigationsanweisungen dargestellt. So lange sich das Auge 61 innerhalb der durch ein Rechteck angedeuteten Eyebox 62 befindet, sind alle Elemente des virtuellen Bildes für das Auge 61 sichtbar. Befindet sich das Auge 61 außerhalb der Eyebox 62, so ist das virtuelle Bild VB für den Betrachter nur noch teilweise oder gar nicht sichtbar. Je größer die Eyebox 62 ist, desto weniger eingeschränkt ist der Betrachter bei der Wahl seiner Sitzposition.
Die Krümmung des gekrümmten Spiegels 22 dient zum einen dazu, den Strahlengang aufzubereiten und somit für ein größeres Bild und eine größere Eyebox 62 zu sorgen. Zum anderen gleicht die Krümmung eine Krümmung der Windschutzscheibe 31 aus, sodass das virtuelle Bild VB einer vergrößerten Wiedergabe des vom Anzeigeelement 11 dargestellten Bildes entspricht. Der gekrümmte Spiegel 22 ist mittels einer Lagerung 221 drehbar gelagert. Die dadurch ermöglichte Drehung des gekrümmten Spiegels 22 ermöglicht ein Verschieben der Eyebox 62 und somit eine Anpassung der Position der Eyebox 62 an die Position des Auges 61. Der Faltspiegel 21 dient dazu, dass der vom Strahlenbündel SB1 zurückgelegte Weg zwischen Anzeigeelement 11 und gekrümmtem Spiegel 22 lang ist, und gleichzeitig die Optikeinheit 2 dennoch kompakt ausfällt. Die Optikeinheit 2 wird durch eine transparente Abdeckung 23 gegen die Umgebung abgegrenzt. Die optischen Elemente der Optikeinheit 2 sind somit beispielsweise gegen im Innenraum des Fahrzeugs befindlichen Staub geschützt. Auf der Abdeckung 23 befindet sich weiterhin eine optische Folie 24 oder eine Beschichtung, die einfallendes Sonnenlicht SL daran hindern soll, über die Spiegel 21, 22 auf das Anzeigeelement 11 zu gelangen. Dieses könnte sonst durch eine dabei auftretende Wärmeentwicklung vorübergehend oder auch dauerhaft geschädigt werden. Um dies zu verhindern, wird beispielsweise ein Infrarotanteil des Sonnenlichts SL mittels der optischen Folie 24 ausgefiltert. Ein Blendschutz 25 dient dazu, von vorne einfallendes Licht abzuschatten, sodass es nicht von der Abdeckung 23 in Richtung Windschutzscheibe 31 reflektiert wird, was eine Blendung des Betrachters hervorrufen könnte. Außer dem Sonnenlicht SL kann auch das Licht einer anderen Störlichtquelle 64 auf das Anzeigeelement 11 gelangen.
2 zeigt in schematischer räumlicher Darstellung einen Lichtwellenleiter 5 mit zweidimensionaler Vergrößerung. Im unteren linken Bereich erkennt man ein Einkoppelhologramm 53, mittels dessen von einer nicht dargestellten bildgebenden Einheit kommendes Licht L1 in den Lichtwellenleiter 5 eingekoppelt wird. In diesem breitet es sich in der Zeichnung nach rechts oben aus, entsprechend dem Pfeil L2. In diesem Bereich des Lichtwellenleiters 5 befindet sich ein Falthologramm 51, das ähnlich wie viele hintereinander angeordnete teildurchlässige Spiegel wirkt, und ein in Y-Richtung verbreitertes, sich in X-Richtung ausbreitendes Lichtbündel erzeugt. Dies ist durch drei Pfeile L3 angedeutet. In dem sich in der Abbildung nach rechts erstreckenden Teil des Lichtwellenleiters 5 befindet sich ein Auskoppelhologramm 52, welches ebenfalls ähnlich wie viele hintereinander angeordnete teildurchlässige Spiegel wirkt, und durch Pfeile L4 angedeutet Licht in Z-Richtung nach oben aus dem Lichtwellenleiter 5 auskoppelt. Hierbei erfolgt eine Verbreiterung in X-Richtung, sodass das ursprüngliche einfallende Lichtbündel L1 als in zwei Dimensionen vergrößertes Lichtbündel L4 den Lichtwellenleiter 5 verlässt.
3 zeigt in räumlicher Darstellung ein Head-Up-Display mit drei Lichtwellenleitern 5R, 5G, 5B, die übereinanderliegend angeordnet sind und für je eine Elementarfarbe Rot, Grün und Blau stehen. Sie bilden gemeinsam den Lichtwellenleiter 5. Die in dem Lichtwellenleiter 5 vorhandenen Hologramme 51, 52, 53 sind wellenlängenabhängig, sodass jeweils ein Lichtwellenleiter 5R, 5G, 5B für eine der Elementarfarben verwendet wird. Oberhalb des Lichtwellenleiters 5 sind ein Bildgenerator 1 und eine Optikeinheit 2 dargestellt. Die Optikeinheit 2 weist einen Spiegel 20 auf, mittels dessen das vom Bildgenerator 1 erzeugte und von der Optikeinheit 2 geformte Licht in Richtung des jeweiligen Einkoppelhologramms 53 umgelenkt wird. Der Bildgenerator 1 weist drei Lichtquellen 14R, 14G, 14B für die drei Elementarfarben auf. Man erkennt, dass die gesamte dargestellte Einheit eine im Vergleich zu ihrer lichtabstrahlenden Fläche geringe Gesamtbauhöhe aufweist.
4 zeigt ein Head-Up-Display in einem Kraftfahrzeug ähnlich zu 1, hier allerdings in räumlicher Darstellung und mit einem Lichtwellenleiter 5. Man erkennt den schematisch angedeuteten Bildgenerator 1, der ein paralleles Strahlenbündel SB1 erzeugt, welches mittels der Spiegelebene 523 in den Lichtwellenleiter 5 eingekoppelt wird. Die Optikeinheit ist der Einfachheit halber nicht dargestellt. Mehrere Spiegelebenen 522 reflektieren jeweils einen Teil des auf sie auftreffenden Lichts Richtung Windschutzscheibe 31, der Spiegeleinheit 3. Von dieser wird das Licht Richtung Auge 61 reflektiert. Der Betrachter sieht ein virtuelles Bild VB über der Motorhaube bzw. in noch weiterer Entfernung vor dem Kraftfahrzeug.
5 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Gerät im Querschnitt. Man erkennt die bildgebende Einheit 100, die ein Lichtbündel L1 in den Lichtwellenleiter 5 einkoppelt. An dessen oberer Begrenzungsfläche 501 treten vervielfachte Lichtbündel L4 unter einem Hauptrichtungswinkel α aus. Dies ist durch gestrichelte Pfeile angedeutet, die im jeweiligen Lichtaustrittszentrum 96 an der oberen Begrenzungsfläche 501 beginnen. Die durch den Hauptrichtungswinkel α definierte Lichtrichtung Lα weicht von der Richtung N der Normalen des Lichtwellenleiters 5 ab. Die Lichtbündel L4 werden von der als Spiegeleinheit 3 dienenden Windschutzscheibe 31 reflektiert und gelangen in das Auge 61 des hier nicht dargestellten Betrachters, der somit ein virtuelles Bild VB sieht. Dieses ist hier aus Platzgründen unverhältnismäßig nahe an der Windschutzscheibe 31 angedeutet. Der Lichtrichtungsselektor 97 ist hier aus vielen schräggestellten Lamellen 971 bestehend dargestellt.
6 zeigt eine Ausschnittsvergrößerung einer ersten Ausführungsform des Lichtwellenleiters 5 mit aufgesetzten Lamellen 971. Bei dieser Ausführungsform sind die Lamellen 971 von der oberen Begrenzungsfläche 501 beabstandet. Dies verhindert, dass Kontaktflächen der Lamellen 971 mit der Begrenzungsfläche 501 einen negativen Einfluss auf die Totalreflexion im Lichtwellenleiter 5 ausüben. Man erkennt in der Ausschnittsvergrößerung zudem von außen einfallendes Sonnenlicht SL als Störlicht. Dieses fällt im Wesentlichen in demselben Winkel α ein, in dem auch die Lamellen 971 geneigt sind. Es wird von den Lamellen 971 daher absorbiert, nachdem es an der oberen Begrenzungsfläche 501 des Lichtwellenleiters 5 reflektiert worden ist.
7 zeigt eine Ausschnittsvergrößerung einer zweiten Ausführungsform des Lichtwellenleiters 5 mit aufgesetzten Lamellen 971. Bei dieser Ausführungsform ist zwischen den Lamellen 971 und der oberen Begrenzungsfläche 501 an den jeweiligen Kontaktflächen eine zum Lichtwellenleiter 5 hin reflektierende Schicht 94 angeordnet. Auch diese reflektierende Schicht 94 sorgt dafür, dass die Totalreflexion im Lichtwellenleiter 5 nicht beeinträchtigt wird, obwohl hier die Lamelle 971 mittels der reflektierenden Schicht 94 mit dem Lichtwellenleiter 5 verbunden ist. Wie schon in 6 ist von außen einfallendes Sonnenlicht SL zu sehen, das als Störlicht auf das optische System trifft. Das Sonnenlicht SL fällt wie zuvor in demselben Winkel α ein, in dem auch die Lamellen 971 geneigt sind. Es wird von den Lamellen 971 daher absorbiert, nachdem es an der Begrenzungsfläche 501 des Lichtwellenleiters 5 reflektiert worden ist
8 zeigt in schematischer perspektivischer Darstellung einen Lichtwellenleiter 5 mit einer ersten Ausführungsform eines Lichtrichtungsselektors 97. Man erkennt den an der oberen Begrenzungsfläche 501, der Lichtaustrittsseite des Lichtwellenleiters 5, angeordneten Lichtrichtungsselektor 97. Dieser ist in Form von schrägstehenden Lamellen 971 ausgeführt, die hier die gesamte Begrenzungsfläche 501 bedecken. Der Lichtwellenleiter 5 weist ein Substrat 54, eine Deckschicht 55 und eine dazwischenliegende Hologrammschicht 56 auf. Mit L4 ist das an den Lichtaustrittszentren 96 und um diese herum aus dem Lichtwellenleiter 5 austretende Licht bezeichnet, das der Einfachheit halber nur für ein einziges Lichtaustrittszentrum 96 dargestellt ist. Das von der als Störlichtquelle 64 bezeichneten Sonne kommende Sonnenlicht SL trifft auf die intransparenten Bereiche 93 des Lichtrichtungsselektors 97, hier die seitlichen Flächen der Lamellen 971, und wird von diesen daran gehindert, in den Lichtwellenleiter 5 einzutreten. Dies kann nur in einem kleinen Winkelbereich um den Hauptrichtungswinkel α herum erfolgen. Da dieser von der Normalen abweicht, wird ein großer Teil des Störlichts reflektiert, und es tritt nur ein geringer Anteil des Sonnenlichts SL in den Lichtwellenleiter 5 ein. Dieser geringe Anteil wird innerhalb des Lichtwellenleiters 5 reflektiert oder verlässt diesen an einer seiner anderen Begrenzungsflächen. Nur ein geringer Anteil des durch den Lichtrichtungsselektor 97 hindurch in den Lichtwellenleiter 5 gelangten Sonnenlichts SL gelangt wieder von innen an die obere Begrenzungsfläche 501 und verlässt den Lichtwellenleiter 5 dort. Somit ist das Richtung Auge gelangende Störlicht stark reduziert.
9 zeigt in schematischer perspektivischer Darstellung einen Lichtwellenleiter 5 mit einer zweiten Ausführungsform eines Lichtrichtungsselektors 97. In diesem Beispiel ist der Lichtrichtungsselektor 97 in Form von prismatischen Zellen 972 mit einer rechteckigen, beispielsweise quadratischen Grundfläche ausgeführt. Die einzelnen prismatischen Zellen 972 grenzen unmittelbar aneinander, so dass die obere Begrenzungsfläche 501 vollständig parkettiert werden kann. Die intransparenten Bereiche 93 des Lichtrichtungsselektors 97 werden durch die Wände der prismatischen Zellen 972 gebildet.
10 zeigt in schematischer perspektivischer Darstellung einen Lichtwellenleiter 5 mit einer dritten Ausführungsform eines Lichtrichtungsselektors 97. In diesem Beispiel ist der Lichtrichtungsselektor 97 in Form von prismatischen Zellen 972 mit einer sechseckigen Grundfläche ausgeführt, d.h. die prismatischen Zellen 972 bilden Waben. Wie zuvor grenzen die einzelnen prismatischen Zellen 972 unmittelbar aneinander, so dass auch hier die obere Begrenzungsfläche 501 vollständig parkettiert werden kann. Die intransparenten Bereiche 93 des Lichtrichtungsselektors 97 werden wiederum durch die Wände der prismatischen Zellen 972 gebildet.
11 zeigt in schematischer perspektivischer Darstellung einen Lichtwellenleiter 5 mit einer vierten Ausführungsform eines Lichtrichtungsselektors 97. In diesem Beispiel ist der Lichtrichtungsselektor 97 in Form von zylindrischen Zellen 973 mit einer elliptischen, beispielsweisekreisförmigen Grundfläche ausgeführt. Auch hier grenzen die einzelnen zylindrischen Zellen 973 unmittelbar aneinander, wobei allerdings aufgrund der zylindrischen Form Zwischenräume entstehen. Die intransparenten Bereiche 93 des Lichtrichtungsselektors 97 werden in diesem Fall durch die Wände der zylindrischen Zellen 973 gebildet.
Selbstverständlich können die verschiedenen Ausführungsformen des Lichtrichtungsselektors 97 auch miteinander kombiniert werden.
12 zeigt in schematischer perspektivischer Darstellung einen Lichtwellenleiter 5 mit einer fünften Ausführungsform eines Lichtrichtungsselektors 97. Auch hier ist der Lichtrichtungsselektor 97 in Form von zylindrischen Zellen 973 mit einer elliptischen, beispielsweisekreisförmigen Grundfläche ausgeführt. Die einzelnen zylindrischen Zellen 973 sind allerdings voneinander beabstandet, so dass ein größerer Teil der oberen Begrenzungsfläche 501 nicht von den zylindrischen Zellen 973 bedeckt ist. Dieser nicht bedeckte Teil ist vorzugsweise ebenfalls intransparent ausgebildet. Dazu kann der nicht bedeckte Teil, wie es in 12 dargestellt ist, mit einer reflektierenden Schicht 94 versehen sein.
Die Dicke der Lamellen 971 beziehungsweise die Wandstärke der prismatischen oder zylindrischen Zellen 972, 973 liegt vorzugsweise im Bereich von 1mm oder weniger. Der Wert sollte möglichst klein gewählt sein, wobei er durch die Fertigbarkeit und gegebenenfalls durch die aufgrund von Lichtabsorption entstehende Wärme begrenzt ist. Die Höhe der Lamellen 971 beziehungsweise der Zellen 972, 973 liegt vorzugsweise in der Größenordnung von 1-2cm. Der Abstand zwischen den Lamellen 971 oder den Zellen 972, 973 ist vorzugsweise an diese Höhe sowie an den Abstand der Lichtaustrittszentren angepasst.
In den obigen Beispielen wird der Lichtrichtungsselektor für ein Head-Up-Display mit einem Lichtwellenleiter genutzt. Der beschriebene Lichtrichtungsselektor kann allerdings auch in Kombination mit Head-Up-Displays ohne Lichtwellenleiter genutzt werden. In diesem Fall wird der Lichtrichtungsselektor vorzugsweise auf die transparente Abdeckung aufgebracht, die zum Schutz der Optikeinheit des Head-Up-Displays vor Fremdkörpern dient. Diese Abdeckung ist üblicherweise so gekrümmt, dass keine direkten Reflexe von einfallendem Sonnenlicht zum Fahrer kommen können. Durch die Krümmung und den daraus resultierenden flachen Auftreffwinkel des von der bildgebenden Einheit kommenden Lichts auf die Abdeckung kommt es unter anderem zu Doppelbildern. Der beschriebene Lichtrichtungsselektor erlaubt es, auf eine Krümmung der Abdeckung zu verzichten und die Abdeckung orthogonal im Strahlengang zu platzieren. Durch den Lichtrichtungsselektor wird dennoch eine effektive Sonnenreflexunterdrückung erreicht.
Bezugszeichenliste

1: Bildgenerator
100: Bildgebende Einheit
11: Anzeigeelement
14, 14R, 14G, 14B: Lichtquelle
2: Optikeinheit
20: Spiegel
21: Faltspiegel
22: Gekrümmter Spiegel
221: Lagerung
23: Transparente Abdeckung
24: Optische Folie
25: Blendschutz
3: Spiegeleinheit
31: Windschutzscheibe
5: Lichtwellenleiter
501: Obere Begrenzungsfläche
51: Falthologramm
52: Auskoppelhologramm
522: Spiegelebene
523: Spiegelebene
53: Einkoppelhologramm
61: Auge
62: Eyebox
64: Störlichtquelle
93: Intransparenter Bereich
94: Reflektierende Schicht
95: Luftspalt
96: Lichtaustrittszentrum
97: Lichtrichtungsselektor
971: Lamelle
972: Prismenförmige Zelle
973: Zylindrische Zelle
L1...L4: Licht
Lα: Lichtrichtung
N: Normale
SB1, SB2: Strahlenbündel
SL: Sonnenlicht
VB: Virtuelles Bild

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2016/0124223 A1 [0006]

Claims

Gerät zum Generieren eines virtuellen Bildes (VB), mit: - zumindest einer Lichtquelle (14, 14R, 14G, 14B) zum Erzeugen eines Lichtstrahls (L1); und - einer bildgebenden Einheit (100) zum Erzeugen eines Bildes; gekennzeichnet durch - einen Lichtrichtungsselektor (97) zur Unterdrückung von Störlicht, der oberhalb einer Begrenzungsfläche (501) eines Lichtwellenleiters (5, 5R, 5G, 5B) zum Aufweiten einer Austrittspupille oder oberhalb einer Abdeckung (23) einer Optikeinheit (2) angeordnet ist.
Gerät gemäß Anspruch 1, wobei zwischen der Begrenzungsfläche (501) und dem Lichtrichtungsselektor (97) eine reflektierende Schicht (94), ein Luftspalt (95) oder eine Schicht aus einem Material angeordnet ist, dessen Brechungsindex im Bereich des Brechungsindex von Luft liegt.
Gerät gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei der Lichtrichtungsselektor (97) lichtdichte oder absorbierende oder diffus streuende Elemente (971, 972) aufweist.
Gerät gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei eine vom Lichtrichtungsselektor (97) selektierte Lichtrichtung (Lα) von einer Normalen (N) der Begrenzungsfläche (501) oder der Abdeckung (23) abweicht.
Gerät gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei Kontaktflächen des Lichtrichtungsselektors (97) mit der Begrenzungsfläche (501) von Lichtaustrittszentren (96) des Lichtwellenleiters (5) beabstandet sind.
Gerät gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Lichtrichtungsselektor (97) Lamellen (971) oder eine Struktur aus prismenförmigen Zellen (972) oder zylindrischen Zellen (973) aufweist.
Gerät gemäß Anspruch 6, wobei die Lamellen (971) oder die Struktur aus prismenförmigen Zellen (972) oder zylindrischen Zellen (973) in eine Folie eingearbeitet sind.
Gerät gemäß Anspruch 6 oder 7, wobei die Grundflächen der prismenförmigen Zellen (972) die Begrenzungsfläche (501) oder die Abdeckung (23) parkettieren.
Gerät gemäß Anspruch 6 oder 7, wobei die Grundflächen der zylindrischen Zellen (973) kreisförmig oder elliptisch sind.
Fahrzeug mit einem Gerät gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 zum Generieren eines virtuellen Bildes (VB) für einen Fahrer des Fahrzeugs.