DE102019127580A1 - Projection unit for a field of view display device in a motor vehicle - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Projektionseinheit für eine Blickfeldanzeigevorrichtung, die zum Erzeugen und Projizieren eines Projektionslichtstrahlenbündels mit einem Anzeigeinhalt auf eine benutzerseitig reflektierende und rückseitig transparente Projektionsscheibe, insbesondere eine Frontscheibe eines Kraftfahrzeugs, ausgebildet ist, um ein virtuelles Anzeigebild dahinter zu erzeugen, umfassend:- einen flachen, insbesondere planaren, optischen Wellenleiter, in dessen flacher Oberfläche ein Auskoppelelement zum Auskoppeln des Projektionslichtstrahlenbündels zur Projektionsscheibe hin ausgebildet ist, sowie eine Bilderzeugungseinheit zum Erzeugen des in den Wellenleiter einzukoppelnden Projektionslichtstrahlenbündels;- einen im Strahlengang des Projektionslichtstrahlenbündels angeordneten elektrisch ansteuerbaren räumlichen Phasenmodulator; und- eine Steuereinheit, die zum Ansteuern des räumlichen Phasenmodulators zu einer solchen Phasenfrontänderung des Projektionslichtstrahlenbündels eingerichtet ist, die einen unerwünschten Einfluss einer Projektionsscheibenkrümmung bei dessen nachfolgenden Reflexion an der Projektionsscheibe kompensiert.The invention relates to a projection unit for a field of view display device, which is designed to generate and project a projection light beam with a display content onto a projection screen that is reflective on the user side and transparent on the rear side, in particular a front screen of a motor vehicle, in order to generate a virtual display image behind it, comprising: a flat one , in particular planar, optical waveguide, in whose flat surface a decoupling element for decoupling the projection light beam towards the projection screen is formed, as well as an image generation unit for generating the projection light beam to be coupled into the waveguide; - an electrically controllable spatial phase modulator arranged in the beam path of the projection light beam; and a control unit which is set up to control the spatial phase modulator for such a phase front change of the projection light beam that compensates for an undesired influence of a projection screen curvature during its subsequent reflection on the projection screen.
Description
Technisches GebietTechnical area
Die Erfindung betrifft Blickfeldanzeigevorrichtungen, insbesondere Head-Up-Displays für Kraftfahrzeuge, deren Projektionseinheiten einen optischen Wellenleiter umfassen. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung Maßnahmen zur Kompensation unerwünschter Effekte einer Projektionsscheibenkrümmung, wie z. B. einer Verzerrung des virtuellen Anzeigebilds oder unerwünschter Fokuseffekte, die durch Reflexion eines Projektionslichtstrahlenbündels an einer gekrümmten Projektionsscheibe, insbesondere einer Frontscheibe des Fahrzeugs, verursacht werden.The invention relates to visual field display devices, in particular head-up displays for motor vehicles, the projection units of which comprise an optical waveguide. In particular, the present invention relates to measures to compensate for undesirable effects of a projection screen curvature, such. B. a distortion of the virtual display image or undesired focus effects that are caused by the reflection of a projection light beam on a curved projection screen, in particular a windshield of the vehicle.
Technischer HintergrundTechnical background
Blickfeldanzeigevorrichtungen in einem Kraftfahrzeug sind insbesondere unter der Bezeichnung Head-Up-Display (HUD) bekannt. Damit wird beispielsweise eine Angabe über eine Geschwindigkeitsbegrenzung als ein virtuelles Anzeigebild der vom Fahrer beobachteten realen Umgebung vor dem Fahrzeug überlagert. Hierzu umfasst eine Blickfeldanzeigevorrichtung eine Projektionseinheit, die ein Projektionslichtstrahlenbündel mit gewünschtem Anzeigeinhalt erzeugt und es typischerweise auf die Frontscheibe des Fahrzeugs projiziert, von der es zum Fahrer hin reflektiert wird, wodurch das virtuelle Anzeigebild in sein Blickfeld vor dem Fahrzeug eingeblendet wird.Field of view display devices in a motor vehicle are known in particular under the designation head-up display (HUD). In this way, for example, information about a speed limit is superimposed as a virtual display image on the real environment in front of the vehicle observed by the driver. For this purpose, a field of view display device comprises a projection unit that generates a projection light beam with the desired display content and typically projects it onto the windshield of the vehicle, from which it is reflected towards the driver, whereby the virtual display image is faded into his field of view in front of the vehicle.
Bei einer klassischen HUD-Bauweise im Automobilbereich ist die Projektionseinheit im Inneren der Instrumententafel eingetaucht und enthält im Strahlengang unter anderem einen Konkavspiegel zur Bildvergrößerung und/oder Bildkorrektur. Die Größe dieses Konkavspiegels skaliert dabei typischerweise linear mit der Größe der Eyebox (d. h. eines Raumbereichs, aus dem das virtuelle Anzeigebild für den Benutzer zu sehen ist) und mit der Größe des mit dem HUD darstellbaren virtuellen Anzeigebilds. Möchte man das HUD-Anzeigebild bzw. das damit abdeckbare Field-of-View deutlich vergrößern, um beispielsweise eine kontaktanaloge AR-Anzeige (Augmented Reality) mit an realen Umweltobjekten orientierten virtuellen Objekten zu ermöglichen, kann sich bei der klassischen Bauweise ein so großer Konkavspiegel und damit ein so großes Volumen der Projektionseinheit ergeben, dass sie nur noch schwerlich in einem Kraftfahrzeug zu integrieren wäre. Neben diesem Bauraumproblem wird bei der klassischen Projektionseinheit das virtuelle Anzeigebild meist in einer konstanten Entfernung vor der Frontscheibe außerhalb des Fahrzeugs erzeugt, die durch den optischen Aufbau der Projektionseinheit festgelegt ist.In a classic HUD design in the automotive sector, the projection unit is immersed in the interior of the instrument panel and contains, among other things, a concave mirror in the beam path for image enlargement and / or image correction. The size of this concave mirror typically scales linearly with the size of the eyebox (i.e. an area of space from which the virtual display image can be seen for the user) and with the size of the virtual display image that can be displayed with the HUD. If you want to enlarge the HUD display image or the field-of-view that can be covered with it, for example to enable a contact-analog AR display (Augmented Reality) with virtual objects oriented towards real environmental objects, such a large concave mirror can be used with the classic design and thus result in such a large volume of the projection unit that it would be difficult to integrate it in a motor vehicle. In addition to this installation space problem, with the classic projection unit, the virtual display image is usually generated at a constant distance in front of the windshield outside the vehicle, which is determined by the optical structure of the projection unit.
Als eine potentielle Lösung für das geschilderte Bauraumproblem ist der Einsatz eines optischen Wellenleiters (Waveguides) in Form einer Glasplatte bekannt. Der Wellenleiter dient in diesem Zusammenhang als ein sogenannter Pupil-Expander und ermöglicht dadurch prinzipiell eine sehr flache Projektionseinheit bei einem sehr großen virtuellen Anzeigebild bzw. Field-of-View des HUDs.The use of an optical waveguide in the form of a glass plate is known as a potential solution to the installation space problem described. In this context, the waveguide serves as a so-called pupil expander and thereby in principle enables a very flat projection unit with a very large virtual display image or field-of-view of the HUD.
Ein Problem dieses Ansatzes besteht darin, dass man mit der Waveguide-Technologie im Unterschied zur Konkavspiegel-Technologie nur schwerlich eine Kompensation unerwünschter Einflüsse der Frontscheibenkrümmung erreichen kann. Diese Frontscheibenkompensation kann aber für eine gute Bildqualität des HUD-Anzeigebilds unerlässlich sein, da die fahrzeugbedingte Frontscheibenkrümmung neben einer oft nützlichen Anzeigebildvergrößerung auch einen unerwünschten Einfluss auf das Projektionslichtstrahlenbündel, wie z. B. eine Verzerrung des virtuellen Anzeigebilds oder unerwünschte Fokuseffekte, die sich negativ auf die Bildqualität ausüben, haben kann. Diese Fokuseffekte können sich im besten Fall als Bildfeldwölbung bemerkbar machen, im schlimmsten Fall aber als Unschärfen im virtuellen Anzeigebild. Es gibt durchaus Ansätze, solch eine Frontscheibenkompensation bei einem Waveguide-HUD zu erreichen. Jeder dieser Ansätze ist allerdings mit erheblichen Nachteilen verbunden, wie zum Beispiel:
- - Einsatz einer Fresnel-Linse über dem Auskoppelelement des Wellenleiters: Dieser Ansatz kann zu einer Reduktion der Auflösung des optischen Systems und damit zu Qualitätseinbußen beim HUD-Anzeigebild führen. Zusätzlich kann ein Risiko von Sonnenreflexen an den Kanten der Fresnel-Struktur und eine Reduktion des Kontrasts im HUD-Anzeigebild aufgrund von Streulichteffekten entstehen.
- - Einsatz einer klassischen Linse über dem Auskoppelelement: Diese würde sich zwar nicht negativ auf die Bildqualität auswirken, wäre jedoch bei den relevanten HUD-Abmessungen einige cm hoch, entsprechend schwer und sehr teuer in der Fertigung. Darüber hinaus würde sich auch das Risiko für Sonnenreflexe an der gekrümmten Linsen-Oberfläche deutlich erhöhen.
- - Frontscheibenkompensation, die bereits im Auskoppelelement des Waveguides erfolgt: Dieser Ansatz funktioniert nur bei holographischen Auskoppelelementen. Die Fertigung der Master solcher Auskoppelelemente ist allerdings extrem zeitaufwändig und damit kostenintensiv.
- - Use of a Fresnel lens above the coupling-out element of the waveguide: This approach can lead to a reduction in the resolution of the optical system and thus to a loss of quality in the HUD display image. In addition, there may be a risk of sun reflections on the edges of the Fresnel structure and a reduction in the contrast in the HUD display image due to the effects of stray light.
- - Use of a classic lens above the decoupling element: This would not have a negative effect on the image quality, but with the relevant HUD dimensions it would be a few cm high, correspondingly heavy and very expensive to manufacture. In addition, the risk of solar reflections on the curved lens surface would also increase significantly.
- - Windshield compensation, which already takes place in the waveguide's decoupling element: This approach only works with holographic decoupling elements. However, the manufacture of the master of such decoupling elements is extremely time-consuming and therefore cost-intensive.
Alle bisher bekannten Ansätze dieser Art haben zudem gemein, dass sie nur eine statische Frontscheibenkompensation ermöglichen. Das bedeutet zum einen, dass man für jede Frontscheibengeometrie eigens gefertigte Werkzeuge mit damit verbundenen Herstellungskosten benötigen würde, während bestehende Projektionseinheiten nicht ohne Weiteres zur Nachrüstung bei wechselnder Fahrzeuggeometrie nutzbar sind. Des Weiteren ist auch hier die Bildentfernung, in der das virtuelle Anzeigebild erzeugt wird, in der Regel fixiert. Dies kann insbesondere für die Anwendung in einem AR-HUD einen großen Nachteil bedeuten: In der Stadt wäre ein kürzerer Bildabstand zum Benutzer besser geeignet, während sich bei Überlandfahrten deutlich weitere Bildabstände besser eignen würden.All previously known approaches of this type also have in common that they only allow static windshield compensation. On the one hand, this means that specially manufactured tools are used for each windshield geometry associated manufacturing costs would require, while existing projection units are not readily usable for retrofitting when the vehicle geometry changes. Furthermore, the image distance at which the virtual display image is generated is usually fixed here as well. This can mean a major disadvantage, especially for use in an AR-HUD: In the city, a shorter image distance to the user would be more suitable, while significantly wider image distances would be more suitable for cross-country trips.
Für Head-Mounted-Displays (HMD), insbesondere für AR-Brillen, mit einem direkt vor Benutzeraugen angeordneten Waveguide-Display ist es beispielsweise aus
Ferner offenbart
SLM kann ferner ausgelegt sein, um darauf einfallende Lichtstrahlen zu streuen, zu teilen oder durchzulassen, und als ein Hologramm implementiert sein.Also disclosed
SLM can also be designed to scatter, split, or transmit light rays incident thereon, and be implemented as a hologram.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine insbesondere im Hinblick auf die Qualität und Darstellungsmöglichkeiten des virtuellen Anzeigebilds und/oder im Hinblick auf die Herstellungskosten verbesserte Waveguide-basierte Projektionseinheit für eine Blickfeldanzeigevorrichtung der eingangs genannten Art, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, sowie ein geeignetes Verfahren zu deren Betrieb, eine entsprechende Blickfeldanzeigevorrichtung und ein entsprechendes Kraftfahrzeug anzugeben.It is the object of the present invention to provide a waveguide-based projection unit, which is improved in particular with regard to the quality and display options of the virtual display image and / or with regard to production costs, for a field of view display device of the type mentioned, in particular for a motor vehicle, and a suitable method indicate their operation, a corresponding field of view display device and a corresponding motor vehicle.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Diese Aufgabe wird durch eine Projektionseinheit gemäß Anspruch 1 sowie ein Verfahren zu deren Betrieb, eine entsprechende Blickfeldanzeigevorrichtung und ein entsprechendes Kraftfahrzeug gemäß den nebengeordneten Ansprüchen gelöst. Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Alle in den Ansprüchen und der Beschreibung für die Projektionseinheit genannten weiterführenden Merkmale und Wirkungen gelten auch in Bezug auf deren Betriebsverfahren, die Blickfeldanzeigevorrichtung oder das Kraftfahrzeug, wie auch umgekehrt.This object is achieved by a projection unit according to claim 1 and a method for its operation, a corresponding field of view display device and a corresponding motor vehicle according to the independent claims. Further refinements are given in the dependent claims. All of the additional features and effects mentioned in the claims and the description for the projection unit also apply with regard to its operating method, the field of view display device or the motor vehicle, and vice versa.
Gemäß einem ersten Aspekt ist eine Projektionseinheit für eine Blickfeldanzeigevorrichtung, beispielsweise für ein Head-Up-Display (HUD), vorgesehen, die insbesondere wie eingangs skizziert in einem Kraftfahrzeug zum Einsatz kommen kann. Die Projektionseinheit ist zum Erzeugen und Projizieren eines Projektionslichtstrahlenbündels mit einem Anzeigeinhalt auf eine benutzerseitig reflektierende und rückseitig zumindest teilweise transparente Projektionsscheibe ausgebildet, um ein virtuelles Anzeigebild dahinter zu erzeugen. Die Projektionsscheibe kann dabei insbesondere als ein Abschnitt einer Frontscheibe des Kraftfahrzeugs ausgebildet sein, die in der Regel gekrümmt ist. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Anwendung beschränkt, sondern es kann auch eine andersartige gekrümmte Projektionsscheibe mit ähnlichen Eigenschaften sein, wie z. B. eine andere ohnehin vorhandene Schutzscheibe oder eine extra vorgesehene Com binerscheibe.According to a first aspect, a projection unit is provided for a field of view display device, for example for a head-up display (HUD), which can be used in a motor vehicle in particular as outlined at the beginning. The projection unit is designed to generate and project a projection light beam with a display content onto a projection screen that is reflective on the user side and is at least partially transparent on the rear side, in order to generate a virtual display image behind it. The projection screen can in particular be designed as a section of a front screen of the motor vehicle, which is usually curved. However, the invention is not limited to this application, but it can also be a different type of curved projection screen with similar properties, such as. B. another already existing protective disk or a specially provided Com binerscheibe.
Die Projektionseinheit umfasst dabei einen flachen, insbesondere planaren, optischen Wellenleiter für das Projektionslichtstrahlenbündel, beispielsweise in Form einer Glasplatte. Der Wellenleiter kann insbesondere in an sich bekannter Weise als Pupil-Expander zur zweidimensionalen Eyebox-Erweiterung ausgebildet sein. In seiner flachen Oberfläche, die im Betrieb der Blickfeldanzeigevorrichtung der Projektionsscheibe zugewandt ist, ist ein Auskoppelelement zum Auskoppeln des Projektionslichtstrahlenbündels zur Projektionsscheibe hin, insbesondere großflächig, ausgebildet. Ferner umfasst die Projektionseinheit eine Bilderzeugungseinheit, die zum Erzeugen und Einkoppeln des Projektionslichtstrahlenbündels mit dem Anzeigeinhalt in den Wellenleiter ausgebildet ist.The projection unit comprises a flat, in particular planar, optical waveguide for the projection light beam, for example in the form of a glass plate. The waveguide can in particular be designed in a manner known per se as a pupil expander for two-dimensional eyebox expansion. In its flat surface, which faces the projection screen during operation of the field of view display device, a decoupling element for decoupling the projection light beam towards the projection screen, in particular over a large area, is formed. Furthermore, the projection unit comprises an image generation unit which is designed to generate and couple the projection light beam with the display content into the waveguide.
Die Projektionseinheit weist zudem einen im Strahlengang des von der Bilderzeugungseinheit erzeugten Projektionslichtstrahlenbündels vor oder nach Durchgang des Wellenleiters angeordneten räumlichen Lichtmodulator (Spatial Light Modulator, SLM) in Form eines elektrisch ansteuerbaren räumlichen Phasenmodulators auf. Zum Ansteuern des räumlichen Phasenmodulators ist dabei eine Steuereinheit vorgesehen, die zum Bewirken einer derartigen Phasenfrontänderung des Projektionslichtstrahlenbündels eingerichtet ist, die unerwünschten Einflüssen einer Projektionsscheibenkrümmung bei der nachfolgenden Reflexion des Projektionslichtstrahlenbündels an der Projektionsscheibe entgegenwirkt oder diese kompensiert.The projection unit also has a spatial light modulator (spatial light modulator, SLM) in the form of an electrically controllable spatial phase modulator arranged in the beam path of the projection light beam generated by the image generation unit before or after the passage of the waveguide. To control the spatial phase modulator, a control unit is provided which is set up to effect such a phase front change in the projection light beam that counteracts or compensates for the undesired influences of a projection screen curvature during the subsequent reflection of the projection light beam on the projection screen.
Die Projektionsscheibenkrümmung bedeutet dabei die Krümmung einer Projektionsscheibenfläche, die zum Reflektieren des darauf von der Projektionseinheit zu projizierenden Projektionslichtstrahlenbündels vorgesehen ist. Die Steuereinheit kann insbesondere zur genannten Kompensation der Frontscheibenkrümmung für eine vorbestimmte Art und Geometrie der Projektionsscheibe eingerichtet sein und/oder eine flexible Anpassung an unterschiedliche Projektionsscheibenarten und -Geometrien, die jeweils verschiedene negative Auswirkungen auf das Projektionslichtstrahlenbündel haben, ermöglichen. Hierzu kann die Projektionsscheibenkrümmung beispielsweise durch einen oder mehrere geeignete Projektionsscheibenparameter charakterisiert sein, die in die Steuereinheit zum Bereitstellen eines entsprechenden Steuerbefehlssatzes zum Ansteuern des räumlichen Phasenmodulators eingespeist werden können. Insbesondere ist mit der Projektionseinheit der hierin dargelegten Art eine dynamische, d. h. zeitlich variierbare, Phasenfrontänderung des Projektionslichtstrahlenbündels durch eine dynamische Ansteuerung des räumlichen Phasenmodulators implementierbar.The projection screen curvature means the curvature of a projection screen surface which is provided for reflecting the projection light beam to be projected onto it by the projection unit. The control unit can be set up in particular for the aforementioned compensation of the windshield curvature for a predetermined type and geometry of the projection screen and / or enable flexible adaptation to different types and geometries of projection screens, each of which has different negative effects on the projection light beam. For this purpose, the projection screen curvature can be characterized, for example, by one or more suitable projection screen parameters, which can be fed into the control unit to provide a corresponding set of control commands for controlling the spatial phase modulator. In particular, with the projection unit of the type set forth herein, a dynamic, i. H. Time-variable, phase front change of the projection light beam can be implemented by dynamic control of the spatial phase modulator.
Eine Idee der vorliegenden Erfindung besteht also darin, die Phasenfront des aus dem Waveguide-HUD in Richtung der Projektionsscheibe ausgekoppelten Projektionslichts durch eine geeignete Ansteuerung des räumlichen Phasenmodulators so anzupassen, dass deren Krümmung kompensiert ist und daher keine negative Auswirkung auf das erzeugte virtuelle Anzeigebild hat. Darüber hinaus ist die Phasenfront einfach durch eine geeignete Änderung des Steuerbefehlssatzes zum Ansteuern des räumlichen Phasenmodulators dynamisch kontrollierbar und daher beispielsweise an verschiedene Projektionsscheiben-Geometrien ohne Erfordernis einer Hardware-Änderung an der Projektionseinheit flexibel anpassbar. Alle eingangs beschriebenen Nachteile der Frontscheibenkompensation auf Basis bisheriger Technologien lassen sich durch den Einsatz eines solchen räumlichen Phasenmodulators beseitigen.One idea of the present invention consists in adapting the phase front of the projection light coupled out of the waveguide HUD in the direction of the projection screen by suitable control of the spatial phase modulator so that its curvature is compensated and therefore has no negative effect on the generated virtual display image. In addition, the phase front can be dynamically controlled simply by a suitable change in the set of control commands for controlling the spatial phase modulator and can therefore be flexibly adapted, for example, to different projection screen geometries without the need for a hardware change on the projection unit. All the disadvantages of windscreen compensation based on previous technologies described at the beginning can be eliminated by using such a spatial phase modulator.
Im Unterschied zu einer nutzbaren Anzeigebildvergrößerung kann ein unerwünschter Einfluss einer fahrzeugspezifisch vorgegebenen Projektionsscheibenkrümmung auf das Projektionslichtstrahlenbündel beispielsweise eine Verzerrung des virtuellen Anzeigebilds und/oder unerwünschte Fokuseffekte, die sich negativ auf die Bildqualität ausüben, umfassen.In contrast to a usable display image enlargement, an undesired influence of a vehicle-specific predetermined projection screen curvature on the projection light beam can include, for example, a distortion of the virtual display image and / or undesired focus effects that have a negative effect on the image quality.
Insbesondere kann der räumliche Phasenmodulator als eine flächige Phasenmodulations-Pixelmatrix aus unabhängig voneinander elektrisch ansteuerbaren Phasenmodulationselementen ausgebildet sein, insbesondere als eine durch das Anlegen elektrischer Spannung pixelweise ansteuerbare Flüssigkristall-Matrix (LC-Matrix) oder PBOE-Matrix (Pancharatnam-Berry-Optical-Element). Die flächige Phasenmodulations-Pixelmatrix ist dabei transversal zu einer Ausbreitungsrichtung des Projektionslichtstrahlenbündels, beispielsweise senkrecht zu einer der optischen Achse der Projektionseinheit entsprechenden Hauptstrahlrichtung, angeordnet und kann daher insbesondere den gesamten für die Anzeigebilderzeugung relevanten Querschnitt des Projektionslichtstrahlenbündels abdecken.In particular, the spatial phase modulator can be designed as a flat phase modulation pixel matrix composed of phase modulation elements that can be electrically controlled independently of one another, in particular as a liquid crystal matrix (LC matrix) or PBOE matrix (Pancharatnam-Berry-Optical-Element that can be controlled pixel by pixel by applying electrical voltage) ). The planar phase modulation pixel matrix is arranged transversely to a direction of propagation of the projection light beam, for example perpendicular to a main beam direction corresponding to the optical axis of the projection unit, and can therefore in particular cover the entire cross section of the projection light beam that is relevant for the display image generation.
Dabei ist eine LC- oder PBOE-Matrix eine Anordnung aus Flüssigkristallen, welche sich zwischen zwei transparenten Elektroden befinden. Die Flüssigkristalle weisen insbesondere beim PBOE eine helikale Struktur auf, welche sich auf die Phase des durch das PBOE transmittierten Projektionslichtes auswirkt. Diese Auswirkung auf die Phase des Projektionslichts lässt sich durch die angelegte elektrische Spannung zwischen den beiden Elektroden kontrollieren. Unterteilt man die Elektroden in eine Pixelstruktur, beispielsweise analog der eines TFT-Displays, so kann man die Phase des transmittierten Projektionslichts pixelweise, und damit lokal an verschiedenen Positionen im Strahlquerschnitt, kontrollieren. Mit solch einer Anordnung ist es daher möglich, die Phasenfront des aus dem Waveguide-HUD ausgekoppelten Lichts so anzupassen, dass die Krümmung der Frontscheibe kompensiert ist. Darüber hinaus ist die Phasenfront über die an jedem Pixel angelegte Spannung dynamisch kontrollierbar.An LC or PBOE matrix is an arrangement of liquid crystals that are located between two transparent electrodes. In the PBOE in particular, the liquid crystals have a helical structure which affects the phase of the projection light transmitted through the PBOE. This effect on the phase of the projection light can be controlled by the electrical voltage applied between the two electrodes. If the electrodes are subdivided into a pixel structure, for example analogous to that of a TFT display, the phase of the transmitted projection light can be checked pixel by pixel, and thus locally at different positions in the beam cross-section. With such an arrangement it is therefore possible to adapt the phase front of the light coupled out from the waveguide HUD in such a way that the curvature of the front pane is compensated. In addition, the phase front can be dynamically controlled via the voltage applied to each pixel.
Insbesondere kann der räumliche Phasenmodulator im Strahlengang des ausgekoppelten Projektionslichtstrahlenbündels zwischen dem Auskoppelelement und der Projektionsscheibe angeordnet sein und beispielsweise das Auskoppelelement flächig überdecken. Dabei kann der räumliche Phasenmodulator insbesondere unmittelbar auf dem Auskoppelelement oder mit einer oder mehreren weiteren Funktionsschichten, wie z. B. einem Polarisationselement in Form einer λ/4-Retarderfolie, dazwischen ausgebildet sein.In particular, the spatial phase modulator can be arranged in the beam path of the coupled-out projection light beam between the coupling-out element and the projection screen and, for example, cover the coupling-out element over a large area. The spatial phase modulator can in particular be placed directly on the decoupling element or with one or more further functional layers, such as, for. B. a polarization element in the form of a λ / 4 retarder film, be formed in between.
Insbesondere können der räumliche Phasenmodulator und die Steuereinheit zu einer dynamischen und/oder kontinuierlichen, insbesondere in einem Intervall von 0 bis π oder von 0 bis 2π, Phasenfrontänderung des Projektionslichtstrahlenbündels, jeweils lokal innerhalb seines Querschnitts, ausgebildet und eingerichtet sind.In particular, the spatial phase modulator and the control unit can be designed and set up for a dynamic and / or continuous, in particular in an interval from 0 to π or from 0 to 2π, phase front change of the projection light beam, each locally within its cross section.
Insbesondere kann die Projektionseinheit ferner ein Polarisationselement zur Umwandlung linear polarisierten Projektionslichts in zirkular polarisiertes Projektionslicht, insbesondere eine λ/4-Retarderfolie oder λ/4-Retarderplatte, im Strahlengang des Projektionslichtstrahlenbündels vor dem räumlichen Phasenmodulator aufweisen. Dies kann insbesondere beim PBOE-basierten räumlichen Phasenmodulator nützlich sein, da die Wirkung des PBOE auf zirkular polarisiertes Licht beschränkt ist. Beispielsweise kann eine λ/4-Retarderfolie im Strahlengang des Projektionslichts zwischen der Waveguide-Oberfläche und der PBOE-Matrix integriert sein, um die benötigte Polarisation in dem ausgekoppelten Projektionslicht einzustellen. Diese Maßnahme ist überflüssig, falls der Wellenleiter bereits zirkular polarisiertes Projektionslicht auskoppelt. Bei dem oben genannten alternativen Ansatz mit klassischen Flüssigkristallen kann das Projektionslicht auch linear polarisiert sein.In particular, the projection unit can also have a polarization element for converting linearly polarized projection light into circularly polarized projection light, in particular a λ / 4 retarder film or λ / 4 retarder plate, in the beam path of the projection light beam in front of the spatial phase modulator. This can be particularly useful with the PBOE-based spatial phase modulator, since the effect of the PBOE is limited to circularly polarized light. For example, a λ / 4 retarder film can be integrated in the beam path of the projection light between the waveguide surface and the PBOE matrix in order to set the required polarization in the projection light that is coupled out. This measure is superfluous if the waveguide already decouples circularly polarized projection light. In the above-mentioned alternative approach with classic liquid crystals, the projection light can also be linearly polarized.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Verfahren zum Betreiben einer Projektionseinheit der hierin dargelegten Art vorgesehen, umfassend die Schritte:
- - Bereitstellen mindestens eines Projektionsscheibenparameters, der die Krümmung einer Projektionsscheibenfläche charakterisiert, die zum Reflektieren des darauf von der Projektionseinheit projizierten Projektionslichtstrahlenbündels vorbestimmt ist;
- - Bereitstellen eines Steuerbefehlssatzes für den räumlichen Phasenmodulator abhängig von dem bereitgestellten mindestens einen Projektionsscheibenparameter, welcher Steuerbefehlssatz eine entsprechende Phasenfrontänderung des Projektionslichtstrahlenbündels bewirkt, um einem unerwünschten Einfluss der Projektionsscheibenkrümmung bei der Reflexion des Projektionslichtstrahlenbündels an der gekrümmten Projektionsscheibe entgegenzuwirken oder diesen zu kompensieren; und
- - Betreiben der Steuereinheit gemäß dem bereitgestellten Steuerbefehlssatz.
- - providing at least one projection screen parameter which characterizes the curvature of a projection screen surface which is predetermined for reflecting the projection light beam projected thereon by the projection unit;
- - Provision of a control command set for the spatial phase modulator as a function of the provided at least one projection screen parameter, which control command set causes a corresponding phase front change of the projection light beam in order to counteract or compensate for an undesired influence of the projection screen curvature when the projection light beam is reflected on the curved projection screen; and
- - Operating the control unit in accordance with the set of control commands provided.
Es kann sich bei dem genannten Projektionsscheibenparameter um eine bloße Typbezeichnung handeln, falls Steuerbefehlssätze für einen Satz verschiedener vorbestimmter Projektionsscheibentypen in der Steuereinheit oder an einem anderen Speicherort bereits bereitgestellt sind und nur passend ausgewählt werden müssen. Es kann sich aber auch beispielsweise um einen oder mehrere Geometrieparameter handeln, unter derer Verwendung ein geeigneter Algorithmus, der z. B. in der Steuereinheit implementiert ist, einen geeigneten Steuerbefehlssatz erzeugen kann.The projection screen parameter mentioned can be a mere type designation if control command sets for a set of different predetermined projection screen types are already provided in the control unit or at another storage location and only need to be selected appropriately. However, it can also be, for example, one or more geometry parameters under which a suitable algorithm is used which z. B. is implemented in the control unit, can generate a suitable control command set.
Die Steuereinheit kann insbesondere zum zumindest teilweise automatisierten Durchführen dieses Verfahrens, in seinen hierin vorstehend oder nachfolgend erwähnten spezifischen Varianten, eingerichtet sein.The control unit can in particular be set up for at least partially automated implementation of this method, in its specific variants mentioned hereinabove or below.
Insbesondere kann das Verfahren ferner folgende Schritte umfassen:
- - Bereitstellen mindestens eines Bildabstandsparameters, der für mindestens ein Bildelement des zu erzeugenden virtuellen Anzeigebilds einen geeigneten Bildabstand zum Benutzer charakterisiert;
- - Änderung des obigen bereitgestellten Steuerbefehlssatzes für den räumlichen Phasenmodulator abhängig von dem bereitgestellten mindestens einen Bildabstandsparameter so, dass das mindestens eine Bildelement des virtuellen Anzeigebilds in dem geeigneten Bildabstand zum Benutzer erzeugt wird; und
- - Betreiben der Steuereinheit gemäß dem so geänderten Steuerbefehlssatz.
- Providing at least one image distance parameter which characterizes a suitable image distance to the user for at least one image element of the virtual display image to be generated;
- Changing the above provided control command set for the spatial phase modulator as a function of the provided at least one image distance parameter such that the at least one picture element of the virtual display image is generated at the appropriate image distance from the user; and
- - Operation of the control unit in accordance with the thus modified set of control commands.
Bei dieser Variante wird also zusätzlich die Freiheit genutzt, durch eine geeignete Ansteuerung des räumlichen Phasenmodulators einen Bildabstand des HUD-Anzeigebilds zum Benutzer dynamisch einzustellen und beispielsweise an die jeweilige Fahrsituation anzupassen. Dabei sind keine negativen Auswirkungen auf die Bildqualität oder das Risiko für Sonnenreflexe zu erwarten.In this variant, the freedom is also used to dynamically set an image distance of the HUD display image to the user by suitable control of the spatial phase modulator and to adapt it to the respective driving situation, for example. No negative effects on the image quality or the risk of reflections from the sun are to be expected.
Sollten sich etwaige Dispersionseffekte beim räumlichen Phasenmodulator, beispielsweise aufgrund der PBOE-/LC-Elemente, negativ auf die Bildqualität des virtuellen Anzeigebilds auswirken, so kann man diesen entgegenwirken, indem man die Grundfarben sequentiell in den Waveguide einspielt und die optische Funktion des räumlichen Phasenmodulators, z. B. der PBOE/LC-Matrix, über dessen Ansteuerung an die jeweils eingespeiste Farbe anpasst.If any dispersion effects in the spatial phase modulator, for example due to the PBOE / LC elements, have a negative effect on the image quality of the virtual display image, this can be counteracted by sequentially importing the basic colors into the waveguide and the optical function of the spatial phase modulator, z. B. the PBOE / LC matrix, via whose control adapts to the respective fed color.
Insbesondere kann also im genannten Betriebsverfahren implementiert sein, dass
- - das Projektionslicht von der Bilderzeugungseinheit in mehreren unterschiedlichen Farbvarianten, insbesondere in drei Grundfarben wie z. B. Rot/Grün/Blau, erzeugt und zeitlich sequentiell in den Wellenleiter eingespeist wird;
- - für jede dieser Farbvarianten ein jeweils unterschiedlicher Steuerbefehlssatz für den räumlichen Phasenmodulator bereitgestellt wird; und
- - die Steuereinheit synchron mit dem Einkoppeln der jeweiligen Farbvariante des Projektionslichts in den Wellenleiter gemäß dem für diese Farbvariante bereitgestellten Steuerbefehlssatz betrieben wird.
- - The projection light from the image generation unit in several different color variants, in particular in three basic colors such. B. red / green / blue, generated and sequentially fed into the waveguide in time;
- a different set of control commands for the spatial phase modulator is provided for each of these color variants; and
- the control unit is operated synchronously with the coupling of the respective color variant of the projection light into the waveguide according to the set of control commands provided for this color variant.
Alternativ oder zusätzlich zu den obigen Varianten kann das Verfahren ferner folgende Schritte umfassen:
- - Bereitstellen eines Eye-Tracking-Signals, das eine Augenposition des Benutzers charakterisiert, beispielsweise durch das Empfangen eines Signals von einem im Kraftfahrzeug vorgesehenen Eye-Tracking-System;
- - Änderung des obigen bereitgestellten Steuerbefehlssatzes für den räumlichen Phasenmodulator abhängig von dem bereitgestellten Eye-Tracking-Signal, um damit eine von der tatsächlichen Position der Augen des Benutzers abhängige Phasenfront zu erzeugen; und
- - Betreiben der Steuereinheit gemäß dem so geänderten Steuerbefehlssatz.
- Provision of an eye tracking signal that characterizes an eye position of the user, for example by receiving a signal from an eye tracking system provided in the motor vehicle;
- Modification of the above provided control command set for the spatial phase modulator as a function of the provided eye tracking signal in order to generate a phase front that is dependent on the actual position of the eyes of the user; and
- - Operation of the control unit in accordance with the thus modified set of control commands.
Mit dieser Verfahrensvariante kann also jeweils benutzerabhängig eine fahrzeugspezifische Kalibrierung jedes einzelnen Kraftfahrzeugs durchgeführt und die geometrischen Toleranzen der Frontscheibe kompensiert werden.With this variant of the method, a vehicle-specific calibration of each individual motor vehicle can be carried out depending on the user and the geometric tolerances of the windshield can be compensated.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Blickfeldanzeigevorrichtung, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, vorgesehen, die Folgendes umfasst:
- - eine Projektionseinheit der hierin dargelegten Art und
- - eine im Blickfeld eines Benutzers angeordnete Projektionsscheibe, die insbesondere als Teil einer Frontscheibe des Kraftfahrzeugs ausgebildet sein kann,
- - wobei die Projektionsscheibe benutzerseitig für das Projektionslichtstrahlenbündel reflektierend und rückseitig für das in Richtung des Benutzers einfallende Umgebungslicht zumindest teilweise transparent ist, und die Ausbildung und die gegenseitige Anordnung der Projektionseinheit und der Projektionsscheibe derart sind, dass das von der Projektionseinheit erzeugte Projektionslichtstrahlenbündel auf die Projektionsscheibe fällt und von dieser zum Benutzer reflektiert wird, wodurch das virtuelle Anzeigebild in seinem Blickfeld hinter der Projektionsscheibe erzeugt wird.
- - a projection unit of the type set out herein and
- - A projection screen arranged in the field of vision of a user, which can in particular be designed as part of a front screen of the motor vehicle
- - the projection screen being reflective on the user side for the projection light beam and at the rear at least partially transparent for the ambient light incident in the direction of the user, and the design and mutual arrangement of the projection unit and the projection screen are such that the projection light beam generated by the projection unit falls on the projection screen and is reflected by this to the user, whereby the virtual display image is generated in his field of view behind the projection screen.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Kraftfahrzeug vorgesehen, umfassend:
- - eine zumindest abschnittsweise eine Krümmung aufweisende Frontscheibe, die einen Insassenraum des Kraftfahrzeugs in Fahrtrichtung nach vorn begrenzt und schützt, und
- - eine Blickfeldanzeigevorrichtung der hierin dargelegten Art, deren Projektionsscheibe als ein Abschnitt der Frontscheibe mit Krümmung ausgebildet ist.
- a windshield which has a curvature at least in sections and which delimits and protects a passenger compartment of the motor vehicle in the direction of travel, and
- a field of view display device of the type set out herein, the projection screen of which is designed as a section of the front screen with a curvature.
Dabei kann das Kraftfahrzeug insbesondere eine im vorderen Bereich des Insassenraums angeordnete Instrumententafel unterhalb der Frontscheibe aufweisen, und die dank des flachen Wellenleiters insgesamt flach gestaltbare Projektionseinheit kann sich in oder auf einer Oberseite der Instrumententafel erstrecken, beispielsweise darin integriert oder nachträglich darauf befestigt sein. Im ersteren Fall kann die Waveguide-Oberfläche mit dem sich über dem Auskoppelelement flächig erstreckenden räumlichen Phasenmodulator beispielsweise im Wesentlichen bündig zu der Oberseite der Instrumententafel ausgebildet sein.The motor vehicle can in particular have an instrument panel arranged in the front area of the passenger compartment below the windshield, and the projection unit, which can be made flat overall thanks to the flat waveguide, can extend in or on an upper side of the instrument panel, for example integrated therein or subsequently attached to it. In the first case, the waveguide surface with the spatial phase modulator extending over the surface of the decoupling element can be designed, for example, essentially flush with the top of the instrument panel.
Dadurch, dass die Frontscheibenkompensation durch den elektrisch ansteuerbaren räumlichen Phasenmodulator dynamisch einstellbar ist, kann die gleiche Projektionseinheit oder der gleiche räumliche Phasenmodulator für viele oder alle verschiedenen Fahrzeugderivate benutzt werden, indem man nur die Ansteuerung des räumlichen Phasenmodulators, d. h. die angelegten Spannungsmuster, an das jeweilige Fahrzeugderivat anpasst. Es ist keine Hardwareanpassung des Waveguides, des Auskoppelelements oder des für die Frontscheibenkompensation vorgesehenen Elements, in diesem Fall des räumlichen Phasenmodulators mit der Steuereinheit, nötig. Dies führt zu einer erheblichen Kostenreduktion für solch ein System.Because the windshield compensation can be dynamically adjusted by the electrically controllable spatial phase modulator, the same projection unit or the same spatial phase modulator can be used for many or all of the different vehicle derivatives by only controlling the spatial phase modulator, i. H. adjusts the applied voltage pattern to the respective vehicle derivative. No hardware adaptation of the waveguide, the decoupling element or the element provided for the windscreen compensation, in this case the spatial phase modulator with the control unit, is necessary. This leads to a considerable cost reduction for such a system.
FigurenlisteFigure list
Die obigen Aspekte der Erfindung und deren Ausführungsformen und spezifische Ausgestaltungen werden nachfolgend anhand des in der beigefügten Zeichnung dargestellten Beispiels näher erläutert. Die Zeichnung ist rein schematisch, sie ist insbesondere nicht als maßstabsgetreu zu lesen. Es zeigt die einzige
- Figur eine schematische seitliche Querschnittsansicht einer Blickfeldanzeigevorrichtung der hierin dargelegten Art für ein Kraftfahrzeug.
- FIG. 1 shows a schematic side cross-sectional view of a field of view display device of the type set forth herein for a motor vehicle.
Beschreibung von AusführungsformenDescription of embodiments
Alle weiter oben in der Beschreibung und in den nachfolgenden Ansprüchen erwähnten verschiedenen Ausführungsformen, Varianten und spezifischen Ausgestaltungsmerkmale der Projektionseinheit gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung, deren Betriebsverfahrens, der Blickfeldanzeigevorrichtung und des Kraftfahrzeugs gemäß dem weiteren Aspekt können bei dem in der Figur gezeigten Beispiel implementiert sein. Sie werden daher nachfolgend nicht alle nochmals wiederholt. Das Gleiche gilt entsprechend für die weiter oben bereits angegebenen Begriffsdefinitionen und Wirkungen in Bezug auf einzelne Merkmale, die in der Figur gezeigt sind.All of the various embodiments, variants and specific design features of the projection unit according to the first aspect of the invention, its operating method, the field of view display device and the motor vehicle according to the further aspect mentioned above in the description and the following claims can be implemented in the example shown in the figure . They are therefore not all repeated again below. The same applies accordingly to the definitions of terms and effects already given above in relation to individual features that are shown in the figure.
Die einzige Figur zeigt in einer stark vereinfachten schematischen vertikalen Querschnittsansicht eine Blickfeldanzeigevorrichtung
Oberhalb und gegenüber der Projektionseinheit
Hierzu gibt die Projektionseinheit
Die Erfindung ist keinesfalls auf diese Anwendung in einem Kraftfahrzeug
Die Projektionseinheit
In einer flachen Oberfläche
Die Projektionseinheit
Die Projektionsscheibenkrümmung bedeutet dabei die Krümmung der Reflexionsfläche
In diesem Beispiel ist der räumliche Phasenmodulator
Dabei ist eine LC- oder PBOE-Matrix eine Anordnung aus Flüssigkristallen, welche sich zwischen zwei transparenten Elektroden befinden. Die Flüssigkristalle weisen insbesondere beim PBOE eine helikale Struktur auf, die sich auf die Phase des durch das PBOE transmittierten Projektionslichtes auswirkt. Diese Auswirkung auf die Phase des Projektionslichts lässt sich durch die angelegte elektrische Spannung zwischen den beiden Elektroden kontrollieren. Unterteilt man die Elektroden in eine Pixelstruktur, beispielsweise analog der eines TFT-Displays, so kann man die Phase des transmittierten Projektionslichts pixelweise, und damit lokal an verschiedenen Positionen im Strahlquerschnitt, kontrollieren. Mit solch einer Anordnung ist es daher möglich, die Phasenfront des aus dem Wellenleiter
In diesem Beispiel ist der räumliche Phasenmodulator
Das Polarisationselement
Die Steuereinheit
Bei diesem Verfahren kann insbesondere mindestens ein Projektionsscheibenparameter, der die Krümmung der Reflexionsfläche
Es kann sich bei dem genannten Projektionsscheibenparameter um eine bloße Typbezeichnung handeln, falls Steuerbefehlssätze für einen Satz verschiedener vorbestimmter Projektionsscheibentypen in der Steuereinheit
Auf diese Weise ist die Frontscheibenkompensation durch den räumlichen Phasenmodulator
Zusätzlich kann auch die Freiheit genutzt werden, durch eine geeignete Ansteuerung des räumlichen Phasenmodulators
Sollten sich etwaige Dispersionseffekte beim räumlichen Phasenmodulator
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- BlickfeldanzeigevorrichtungField of view display device
- 22
- KraftfahrzeugMotor vehicle
- 33
- ProjektionseinheitProjection unit
- 44th
- Benutzeruser
- 55
- ProjektionsscheibeProjection screen
- 66th
- FrontscheibeWindshield
- 77th
- Reflexionsfläche der ProjektionsscheibeReflection surface of the projection screen
- 88th
- Rückseite der ProjektionsscheibeBack of the projection screen
- 99
- optischer Wellenleiteroptical waveguide
- 1010
- EyeboxEyebox
- 1111
- flache Oberfläche des Wellenleitersflat surface of the waveguide
- 1212th
- BilderzeugungseinheitImaging unit
- 1414th
- elektrisch ansteuerbarer räumlicher Phasenmodulatorelectrically controllable spatial phase modulator
- 1515th
- SteuereinheitControl unit
- 1616
- PolarisationselementPolarizing element
- LL.
- ProjektionslichtstrahlenbündelProjection light beam
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
- WO 2018/231784 A1 [0007]WO 2018/231784 A1 [0007]
- EP 2972595 B1 [0008]EP 2972595 B1 [0008]
Claims (10)
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