DE102019131732A1

DE102019131732A1 - Projektionseinheit für eine Blickfeldanzeigevorrichtung zum Einsatz in einem Fahrzeug

Info

Publication number: DE102019131732A1
Application number: DE102019131732.0A
Authority: DE
Inventors: Sebastian Takeshi Lampen
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2019-11-25
Filing date: 2019-11-25
Publication date: 2021-05-27

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Projektionseinheit für eine Blickfeldanzeigevorrichtung, insbesondere zum Einsatz in einem Fahrzeug, umfassend:- einen bildgebenden Projektor zum Erzeugen eines Projektionslichtstrahlenbündels mit einem gewünschten Anzeigeinhalt und- einen im Strahlengang des erzeugten Projektionslichtstrahlenbündels angeordneten holografischen Diffusor, der einen Ausgang des optischen Systems der Projektionseinheit bildet, indem er dazu ausgebildet und angeordnet ist, das Projektionslichtstrahlenbündel auf eine außerhalb der Projektionseinheit anzuordnende oder angeordnete, benutzerseitig reflektierende und rückseitig transparente Projektionsscheibe, insbesondere eine Frontscheibe des Fahrzeugs, so zu lenken, dass dahinter ein virtuelles Anzeigebild im Blickfeld eines Benutzers, insbesondere des Fahrers, entsteht.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft Projektionseinheiten für Blickfeldanzeigevorrichtungen zum Einsatz in Land-, Luft- oder Wasserfahrzeugen, insbesondere in Kraftfahrzeugen, bei denen ein virtuelles Anzeigebild im Blickfeld eines Fahrzeuginsassen über Reflexion eines Projektionslichtstrahlenbündels an einer transparenten Projektionsscheibe, etwa der Frontscheibe des Fahrzeugs, erzeugt wird. Die Erfindung betrifft auch eine entsprechende Blickfeldanzeigevorrichtung und ein damit ausgestattetes Fahrzeug.
Technischer Hintergrund
Blickfeldanzeigevorrichtungen in einem Kraftfahrzeug sind insbesondere unter der Bezeichnung Head-up-Display (HUD) bekannt. Damit wird ein Anzeigeinhalt, beispielsweise eine Angabe über eine Geschwindigkeitsbegrenzung, in Form eines virtuellen Anzeigebilds dem vom Fahrer beobachteten realen Umgebungsbild vor dem Fahrzeug überlagert. Hierzu umfasst eine Blickfeldanzeigevorrichtung in der Regel eine in der Instrumententafel eingebaute Projektionseinheit, die ein Projektionslichtstrahlenbündel mit gewünschtem Anzeigeinhalt erzeugt und es auf die Frontscheibe des Fahrzeugs oder auf eine extra davor vorgesehene transparente Combinerscheibe projiziert, von der es zum Fahrer hin reflektiert wird. In einer Oberseite der Instrumententafel ist dabei eine für das Projektionslicht transparente Deckscheibe (auch Deckglas genannt) ausgebildet, die die Projektionseinheit nach außen abschließt, um sie vor Staub und anderen äußeren Einwirkungen wie Feuchtigkeit etc. zu schützen.
In der Regel sind auch Maßnahmen erforderlich, um auszuschließen, dass Umgebungslicht, insbesondere Sonnenlicht, das in die Projektionseinheit durch die Deckscheibe von außen gelangt, so in Richtung der Frontscheibe und von dieser zum Auge des Fahrers zurückreflektiert wird, dass es die Darstellung der anzuzeigenden Information beeinträchtigen oder den Fahrer sogar blenden kann. Hierzu wird eine herkömmliche Deckscheibe geometrisch entspiegelt (sogenannte Glaretrap), indem sie so gekrümmt ausgebildet wird, um von außen einfallendes Umgebungslicht in Richtung einer Lichtfalle, auch Spiegelbank genannt, zu reflektieren.
Projektionseinheiten bei Head-Up-Displays für den Automobilbereich werden klassisch mittels konkaver Spiegel aufgebaut, die verschiedene Funktionen wie Abbildungsvergrößerung, Abbildungsfehlerkorrektur etc. erfüllen. Typischerweise dient ein im Strahlengang direkt hinter der Deckscheibe angeordneter Konkavspiegel oder ein dazwischen angeordneter Planspiegel auch dazu, das Projektionslichtstrahlenbündel durch die Deckscheibe hindurch in einem geeigneten Projektionswinkel auf die über der Projektionseinheit liegende Front- oder Combinerscheibe zu werfen. Die Größe dieser Konkavspiegel skaliert linear mit der Größe der Eyebox, d. h. eines Bereichs im Fahrzeuginnenraum, aus dem der Benutzer das virtuelle Anzeigebild sehen kann, und der Bildgröße des virtuellen Anzeigebilds. Um etwa die Bildgröße deutlich zu vergrößern, wäre daher ein sehr großer Konkavspiegel und damit eine entsprechend große Projektionseinheit erforderlich, während ein verfügbarer Bauraum im Fahrzeug meist stark beschränkt ist.
Ferner ist es beispielsweise aus US 4,998,784 A bekannt, bei Blickfeldanzeigevorrichtungen für Kraftfahrzeuge holografisch optische Elemente (HOE) in der Frontscheibe zu integrieren, um deren Eigenschaften wie Wellenlängen- oder Winkelselektivität bei der Reflexion des Projektionslichtstrahlenbündels auszunutzen. Unter anderem hat ein als Diffusorhologramm oder holografischer Diffusor bekanntes holografisch optisches Element eine vorteilhafte Eigenschaft, dass sowohl Einfallswinkel als auch Ausfalls- oder Rückstreuwinkel in Transmission oder in Reflexion frei gewählt werden kann. Des Weiteren ist beispielsweise in DE 10 2014 215 137 A1 eine Hologrammstruktur mit einem jeweils geeigneten Einfallswinkel und Ausfallswinkel als Lichtformer für ein Sichtfeldanzeigegerät wie HUD im Strahlengang zwischen einem Bildgeber und der Konkavspiegel umfassenden Projektionsoptik eingangs genannter Art eingesetzt, um z. B. scharfe Eyeboxen des HUDs zu realisieren. Dabei kann insbesondere Licht unterschiedlicher Wellenlängen in unterschiedliche Richtungen abgelenkt werden, um etwa unerwünschte Wellenlängen auszufiltern, und/oder es können durch eine an die Projektionsoptik angepasste Abstrahlcharakteristik der Hologrammstruktur räumliche Lichtverteilungen realisiert werden, die Verzerrungen durch nachfolgende Bestandteile der Projektionsoptik korrigieren können.
Alternativ zu der obigen Konkavspiegelbauweise sind ferner für ein platzsparendes und einfaches Head-up-Display Konzepte bekannt, ein bildgebendes Display direkt unter der Frontscheibe zu platzieren, um das am Display angezeigte Displaybild ohne zusätzliche Optik direkt über die Frontscheibe ins Blickfeld des Benutzers zu projizieren. Damit erhält man für das virtuelle Anzeigebild einen Bildabstand vor der Frontscheibe, der einer Distanz zwischen dem bildgebenden Display und der Frontscheibe entspricht. Die Bildgröße des virtuellen Anzeigebilds skaliert in diesem Fall linear mit der Größe des vor der Frontscheibe liegenden bildgebenden Displays.
Jedoch ergeben sich bei dieser direkten Displaytechnologie für einen HUD in einem Fahrzeug folgende Problempunkte, die insbesondere eine Skalierung zu einem größeren virtuellen Anzeigebild erschweren:

- ein großer Öffnungswinkel des direkt vor der Frontscheibe liegenden bildgebenden Displays für Sonneneinstrahlung, was erstens eine starke Aufwärmung des Displaysystems bis hin zum Defekt und zweitens Rückreflexe von der Sonne in Richtung des Benutzers, welche die Ablesbarkeit des Displays verhindern, begünstigt;
- ein starker Energieverbrauch eines bildgebenden Displays, typischerweise in LCD-Bauweise (liquid crystal display), was wiederum zu einer starken Erwärmung mit der Notwendigkeit einer Kühlung führen kann.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine alternative und/oder insbesondere im Hinblick auf die Sichtbarkeit des virtuellen Anzeigebilds und/oder der thermischen und/oder räumlichen Integration im Fahrzeug verbesserte Projektionseinheit, eine diese enthaltende Blickfeldanzeigevorrichtung sowie ein entsprechendes Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug, anzugeben.
Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgabe wird durch eine Projektionseinheit gemäß Anspruch 1 sowie eine entsprechende Blickfeldanzeigevorrichtung und ein entsprechendes Fahrzeug 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 die Blickfeldanzeigevorrichtung und auf das Fahrzeug, wie auch umgekehrt.
Gemäß einem ersten Aspekt ist eine Projektionseinheit für eine Blickfeldanzeigevorrichtung, beispielsweise für ein Head-Up-Display (HUD), vorgesehen, die insbesondere zum Einsatz in einem Fahrzeug ausgelegt ist. Beim Fahrzeug kann es sich um ein beliebiges Land-, Luft- oder Wasserfahrzeug, insbesondere aber ein Kraftfahrzeug handeln. Die Projektionseinheit umfasst dabei einen bildgebenden Projektor zum Erzeugen eines Projektionslichtstrahlenbündels mit einem gewünschten Anzeigeinhalt sowie einen im Strahlengang des erzeugten Projektionslichtstrahlenbündels angeordneten holografischen Diffusor, der ein sogenanntes als diffuse Streuscheibe wirkendes Diffusorhologramm oder eine andere Hologrammstruktur mit vorbestimmten optischen Eigenschaften zum Lenken bzw. Rückstreuen des Projektionslichtstrahlenbündels umfassen kann. Der holografische Diffusor ist dabei dazu ausgebildet und angeordnet, das Projektionslichtstrahlenbündel auf eine außerhalb der Projektionseinheit anzuordnende oder angeordnete, benutzerseitig reflektierende und rückseitig transparente Projektionsscheibe, insbesondere eine Frontscheibe des Fahrzeugs, so zu werfen, dass dahinter ein virtuelles Anzeigebild im Blickfeld eines Benutzers, insbesondere des Fahrers oder eines anderen Insassen des Fahrzeugs, entsteht.
Somit bildet der holografische Diffusor einen Ausgang des optischen Systems der Projektionseinheit, d. h. es sind keine weiteren optischen Abbildungs- oder Projektionselemente, insbesondere keine weiteren Umlenkspiegel, zwischen dem holografischen Diffusor und der teiltransparenten Projektionsscheibe für die Erzeugung des virtuellen Anzeigebilds mit gewünschten Abbildungseigenschaften erforderlich.
Der holografische Diffusor kann insbesondere als eine dünne Scheibe oder Folie aus einem geeigneten Material, typischerweise einem Polymer, mit darin aufgenommener Hologrammstruktur (beispielsweise Diffusorhologramm) ausgebildet sein. Insbesondere kann es sich bei der Hologrammstruktur um ein Volumenhologramm handeln. Die genannte dünne Scheibe oder Folie kann insbesondere zusätzlich zu der genannten Hologrammstruktur weitere Funktionsschichten, etwa eine oder mehrere Schutzschichten aus Kunststoff oder Glas, die insbesondere ohne weiteren Einfluss auf das Projektionslichtstrahlenbündel bleiben können, umfassen.
Die Projektionsscheibe, die sich in der zusammengesetzten Blickfeldanzeigevorrichtung direkt (d. h. von etwaigen transparenten Schutzschichten oder Deckgläsern ohne optische Wirkung auf das Projektionslichtstrahlenbündel abgesehen) gegenüber dem durch den holografischen Diffusor gebildeten Ausgang der Projektionseinheit im Strahlengang des von dieser ausgegebenen Projektionslichtstrahlenbündels erstreckt, kann beispielsweise durch die Frontscheibe selbst oder auch durch eine fahrzeuginnenseitig davor angeordnete, ebenfalls benutzerseitig reflektierende und rückseitig transparente Combinerscheibe gebildet sein.
Beim bildgebenden Projektor kann es sich im Grunde um einen beliebigen zur Erzeugung des Projektionsstrahlenbündels mit einem gewünschten Anzeigeinhalt in an sich bekannter Weise ausgebildeten Projektor handeln. Insbesondere kann es ein auf MEMS-Technologie basierter Laserscanner in einer oder den drei Grundfarben sein, der dazu ausgebildet ist, eine für den Lichteinfall bestimmte Oberfläche des holografischen Diffusors abzutasten. Alternativ kann der Projektor auch ein digital ansteuerbares Mikrospiegelarray mit einer eigenen Projektionslichtquelle enthalten (DLP, Digital Light Processing, eingetragene Marke). Der bildgebende Projektor kann bei der vorliegenden Erfindung aber grundsätzlich auch als ein LED- oder LCD-Bildschirm ausgebildet sein.
Eine Idee der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, durch den Einsatz eines geeignet ausgelegten holografischen Diffusors am Ausgang der Projektionseinheit eine optimale Ausleuchtung einer transparenten Projektionsscheibe im Blickfeld eines Benutzers zur Erzeugung eines virtuellen Anzeigebilds zu erreichen, ohne dass ein Konkavspiegel mit damit verbundenen Bauraumproblemen wie bei der eingangs beschriebenen Konkavspiegelbauweise benötigt wird. Gleichzeitig sind damit aber auch deutlich bessere thermische Eigenschaften und Störreflexfreiheit als bei der eingangs beschriebenen alternativen platzsparenden Bauweise mit einem direkt vor der Frontscheibe liegenden bildgebenden Display erzielbar:

Beim vorliegenden Aufbau ist ein derart vor der Frontscheibe liegendes bildgebendes Display nämlich durch einen holografischen Diffusor ersetzt, der in jeder Hinsicht, insbesondere thermisch, robuster als ein bildgebendes Display oder als ein bildgebender Projektor ist, da der holografische Diffusor weder eine Steuerungselektronik noch eigene Energiequellen benötigt, und durch geeignet gewählte holografische Eigenschaften zugleich weitreichende Möglichkeiten für die optische Gestaltung des den Diffusor passierenden Projektionslichtstrahlenbündels, etwa durch Winkel- und/oder Wellenlängenselektivität, bietet. Dadurch kann der gesamte Aufbau der Projektionseinheit, die im Grunde keine weitere Projektions- oder Abbildungsoptik benötigt, im Vergleich zur Konkavspiegelbauweise erheblich reduziert werden. Insbesondere ist der holografische Diffusor und mit diesem die Bildgröße des virtuellen Anzeigebilds und ein abdeckbares Blickfeld (Field-of-View) daher erheblich einfacher groß zu skalieren als bei den herkömmlichen Blickfeldanzeigevorrichtungen. Zudem bietet die vorliegend beschriebene Anordnung erheblich mehr Gestaltungsfreiheit für die räumgliche Integration der Projektionseinheit im Fahrzeug im Vergleich zu den oben genannten konventionellen HUD-Technologien.

Einige Beispiele für den Aufbau der Projektionseinheit der hierin dargelegten Art und deren Anordnung im Fahrzeug werden nachfolgend und in den beigefügten Zeichnungen erläutert, um die genannten Vorteile zu veranschaulichen. Sie sollen jedoch nicht als beschränkend für die mögliche Ausgestaltung der einzelnen Komponenten oder deren gegenseitige Anordnung im Rahmen der oben und in den Ansprüchen angegebenen Erfindung angesehen werden.
Insbesondere kann die Projektionseinheit ausgangsseitig, d. h. auf ihrer der Projektionsscheibe zugewandten Seite, durch eine lichtundurchlässige Abdeckfläche mechanisch abgeschlossen sein, in der lediglich eine Öffnungsapertur für das Projektionslichtstrahlenbündel ausgebildet ist. Dabei kann der holografische Diffusor die Öffnungsapertur ausbilden oder in deren Fläche oder in einem vorbestimmten Abstand entlang des Projektionslichtstrahlengangs dahinter im Inneren der Projektionseinheit ohne weitere optische Elemente dazwischen angeordnet sein. Hingegen kann der bildgebende Projektor selbst im Wesentlichen vollständig hinter der Abdeckfläche versteckt angeordnet und damit von außen weder sichtbar noch für direkte Umgebungslichteinstrahlung zugänglich sein (vgl. 1 und 2). Die Abdeckfläche ist unter anderem zum mechanischen Schutz der Projektionseinheit vor Umfeldeinflüssen wie Staub oder Feuchtigkeit, aber auch vor Umgebungslicht, insbesondere Sonnenlicht, ausgebildet.
Die Öffnungsapertur der Abdeckfläche kann insbesondere durch eine den holografischen Diffusor ausbildende oder ausgangsseitig schützend überdeckende Deckscheibe oder Deckschicht gebildet sein, die beispielsweise mit der restlichen Abdeckfläche fluchtend verbunden sein kann. Im Falle einer den holografischen Diffusor ausgangsseitig schützend überdeckenden Deckscheibe oder Deckschicht ist diese für das verwendete Projektionslicht transparent und derart ausgebildet, dass das vom holografischen Diffusor in Richtung der Projektionsscheibe abgestrahlte Projektionslichtstrahlenbündel sie möglichst verlustfrei und ohne Änderungen passieren kann. Die Deckscheibe kann aus jedem in dieser Hinsicht geeigneten Werkstoff gefertigt sein, beispielsweise aus Glas oder Kunststoff. Ein Öffnungsquerschnitt der Öffnungsapertur kann insbesondere gleich oder nur geringfügig größer als ein Strahlquerschnitt des Projektionslichtstrahlenbündels an dieser Position im Strahlengang, d. h. insbesondere gleich oder nur geringfügig größer als laterale Abmessungen des Diffusorhologramms des holografischen Diffusors, sein.
Insbesondere kann die Hologrammstruktur, z. B. das Diffusorhologramm, des holografischen Diffusors mit einer vorbestimmten Winkelselektivität für die Rückstreuung des Projektionslichtstrahlenbündels ausgebildet sein, die insbesondere im Wesentlichen auf einen vorbestimmten Einfallswinkel und/oder einen vorbestimmten Rückstreuwinkel beschränkt sein kann. Als Rückstreuung wird hierin die oben genannte Lenkung des vom bildgebenden Projektor auf den holografischen Diffusor geworfenen Projektionslichtstrahlenbündels in Richtung der Projektionsscheibe bezeichnet. Der vorbestimmte Einfalls- und/oder Rückstreuwinkel kann insbesondere in einer Lichteinfallsfläche bzw. einer Rückstreufläche des Diffusors ortsabhängig variieren, um eine vorbestimmte Strahlformung des Projektionslichtstrahlenbündels zu erzielen.
Dabei entspricht eine Hauptausbreitungsrichtung des Projektionslichtstrahlenbündels der vorbestimmten Winkelselektivität der Hologrammstruktur bzw. des Diffusorhologramms zum Erreichen einer maximalen Projektionslichtintensität im erzeugten virtuellen Anzeigebild. Dies kann insbesondere durch eine entsprechende gegenseitige Anordnung des bildgebenden Projektors und der Hologrammstruktur bzw. des Diffusorhologramms in der Projektionseinheit, aber auch der Projektionsscheibe in der zusammengesetzten Blickfeldanzeigevorrichtung, implementiert sein.
Durch eine in geeigneter Weise eng definierte Winkelselektivität des holografischen Diffusors, die je nach einem geeigneten Öffnungswinkel des auf den holografischen Diffusor einfallenden bzw. des von diesem in Richtung der Projektionsscheibe zurückgestreuten Projektionsstrahlenbündels anwendungsspezifisch für das Diffusorhologramm gewählt und darin festgeschrieben sein kann, können ferner auch etwaige Störreflexe des Umgebungslichts aus dem in Richtung der Projektionsscheibe zurückgestreuten Projektionslichtstrahlenbündel herausgefiltert werden. Diesem Zweck kann alternativ oder zusätzlich auch eine vorbestimmte Wellenlängenselektivität des holografischen Diffusors dienen.
Gemäß einer Ausführungsform ist der holografische Diffusor als ein reflektierender Diffusor ausgebildet, wobei der bildgebende Projektor zum Projizieren des Projektionslichtstrahlenbündels auf dieselbe Diffusoroberfläche angeordnet ist, von der es auch in Richtung der Projektionsscheibe zurückgestreut wird. In diesem Fall dient diese ausgangsseitige Diffusoroberfläche sowohl als dessen Lichteinfallsfläche als auch als dessen Rückstreufläche. Bei dieser Ausführungsform (vgl. 1 und 2) kann der bildgebende Projektor in einer besonders platzsparenden und/oder nach außen geschützten Weise, beispielsweise unmittelbar unter einer lichtundurchlässigen Abdeckfläche seitlich von der darin eingelassenen Öffnungsapertur über dem holografischen Diffusor, angeordnet sein.
Alternativ dazu kann der holografische Diffusor auch als ein transmittierender Diffusor mit einer Lichteinfallfläche und einer von dieser abgewandten Rückstreufläche ausgebildet sein. In diesem Fall ist der bildgebende Projektor zum Projizieren des Projektionslichtstrahlenbündels auf die Lichteinfallsfläche des holografischen Diffusors angeordnet, damit es von dessen Rückstreufläche in Richtung der Projektionsscheibe zurückgestreut wird. Auch bei dieser Ausgestaltung kann der bildgebende Projektor seitlich des holografischen Diffusors unter diesem und unter der obigen Abdeckfläche angeordnet sein.
Gemäß einer Ausführungsform weist der holografische Diffusor auf dessen den Ausgang der Projektionseinheit bildenden Seite eine derart gekrümmte, d. h. gebogene, und spiegelnde Diffusoroberfläche auf, dass darauf von außerhalb der Projektionseinheit einfallendes Umgebungslicht aus dem Strahlengang des Projektionslichtstrahlenbündels heraus, insbesondere auf eine in oder an der Projektionseinheit abseits des Projektionslichtstrahlengangs vorgesehene lichtabsorbierende Lichtfalle, gelenkt wird. Bei dieser Ausführungsform ist die ausgangsseitige Diffusoroberfläche des holografischen Diffusors somit mit einer eingangs erwähnten geometrischen Entspiegelung ähnlich dem konventionellen Deckglas ausgestaltet. Da die optischen Eigenschaften des holografischen Diffusors, wie die obige Winkelselektivität etc., bei der Aufnahme des Diffusorhologramms beispielsweise mittels eines Laserscanners pixelweise in einer oder mehreren Raumrichtungen ortsabhängig definierbar sind, kann dabei die beschriebene gekrümmte geometrische Form seiner ausgangsseitigen Diffusoroberfläche ohne Beeinträchtigung seiner Strahlformungs- oder Strahlablenkungseigenschaften für das Projektionslichtstrahlenbündel ausgeglichen werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist eine Blickfeldanzeigevorrichtung, insbesondere zum Einsatz in einem Fahrzeug, vorgesehen, die eine Projektionseinheit der hierin dargelegten Art sowie eine im Strahlengang des von dieser ausgegebenen Projektionslichtstrahlenbündels angeordnete benutzerseitig reflektierende und rückseitig transparente Projektionsscheibe, insbesondere eine Frontscheibe des Fahrzeugs, aufweist. Beim Fahrzeug kann es sich um ein beliebiges Land-, Luft- oder Wasserfahrzeug, insbesondere aber ein Kraftfahrzeug handeln.
Dabei ist die Projektionseinheit relativ zur Projektionsscheibe derart angeordnet, dass das von der Projektionseinheit im Betrieb ausgegebene Projektionslichtstrahlenbündel auf die Projektionsscheibe fällt und von dieser zu einem Benutzer, insbesondere dem Fahrer oder einem anderen Insassen des Fahrzeugs, reflektiert wird, wodurch ein virtuelles Anzeigebild im Blickfeld des Benutzers hinter der Projektionsscheibe entsteht. Die Projektionsscheibe ist somit direkt (d. h. von etwaigen transparenten Schutzschichten oder Deckgläsern ohne optische Wirkung auf das Projektionslichtstrahlenbündel abgesehen) gegenüber dem durch den holografischen Diffusor gebildeten Ausgang der Projektionseinheit im Strahlengang des von dieser ausgegebenen Projektionslichtstrahlenbündels angeordnet. Sie kann auch durch eine fahrzeuginnenseitig vor der Frontscheibe angeordnete, ebenfalls benutzerseitig reflektierende und rückseitig transparente Combinerscheibe ausgebildet sein.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Fahrzeug, insbesondere ein Kraftfahrzeug oder ein beliebiges anderes Land-, Luft- oder Wasserfahrzeug, vorgesehen. Das Fahrzeug umfasst dabei eine Frontscheibe, eine Instrumententafel, deren Oberseite sich unter der Frontscheibe erstreckt, sowie eine Blickfeldanzeigevorrichtung der hierin dargelegten Art, deren Projektionsscheibe durch die Frontscheibe oder einen Abschnitt dieser gebildet ist und deren Projektionseinheit in der Instrumententafel angeordnet ist, um ein virtuelles Anzeigebild ins Blickfeld eines Fahrzeuginsassen, insbesondere des Fahrers, bei dessen Blick durch die Frontscheibe einzublenden.
Dabei ist die Projektionseinheit auf ihrer der Projektionsscheibe zugewandten Seite durch einen lichtundurchlässigen Abschnitt der Oberseite der Instrumententafel abgedeckt, der eine weiter oben beschriebene Abdeckfläche bildet und lediglich eine Öffnungsapertur für das Projektionslichtstrahlenbündel aufweist. Der holografische Diffusor befindet sich dabei in dieser Öffnungsapertur oder direkt dahinter, d. h. ohne weitere optische Elemente dazwischen, in einem vorbestimmten Abstand entlang des Projektionslichtstrahlengangs im Inneren der Projektionseinheit, oder bildet diese Öffnungsapertur beispielsweise im Falle eines transmittierenden Diffusors aus.
Figurenliste
Die obigen Aspekte der Erfindung und deren Ausführungsformen und spezifische Ausgestaltungen werden nachfolgend anhand der in den beigefügten Zeichnungen dargestellten Beispiele näher erläutert. Die Zeichnungen sind rein schematisch, sie sind insbesondere nicht als maßstabsgetreu zu lesen. Gleichen Bezugszeichen stehen darin für gleiche oder einander in deren Funktion entsprechende Elemente. Es zeigen:

1 eine schematische seitliche Querschnittsansicht einer Blickfeldanzeigevorrichtung der hierin dargelegten Art in einem Kraftfahrzeug und
2 eine schematische seitliche Querschnittsansicht einer weiteren Blickfeldanzeigevorrichtung der hierin dargelegten Art in einem Kraftfahrzeug, deren holografischer Diffusor zusätzlich als geometrisch entspiegelndes Deckglas ausgebildet ist.

Beschreibung von Ausführungsformen
Alle weiter oben in der Beschreibung und in den nachfolgenden Ansprüchen erwähnten verschiedenen Ausführungsformen, Varianten und spezifischen Ausgestaltungsmerkmale der Projektionseinheit, der Blickfeldanzeigevorrichtung und des Fahrzeugs gemäß den obigen Aspekten der Erfindung können bei dem in den 1 und 2 gezeigten Beispielen 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 1 oder 2 gezeigt sind.
1 zeigt in einer stark vereinfachten schematischen vertikalen Querschnittsansicht eine Blickfeldanzeigevorrichtung 1 der hierin dargelegten Art mit einer Projektionseinheit 2 gemäß dem obigen ersten Aspekt der Erfindung in einem Fahrzeug 3, in diesem Beispiel einem Kraftfahrzeug. Die Blickfeldanzeigevorrichtung 1 ist dabei rein beispielhaft als ein Head-Up-Display ausgebildet.
Die Blickfeldanzeigevorrichtung 1 umfasst eine Projektionsscheibe 4, die in 1 als Teilabschnitt einer Frontscheibe 5 des Fahrzeugs 3 ausgebildet ist, sowie eine darunter in einer Instrumententafel 6 des Fahrzeugs 3 angeordnete Projektionseinheit 2. Die Projektionseinheit 2 umfasst einen bildgebenden Projektor 7 zum Erzeugen eines Projektionslichtstrahlenbündels L mit einem gewünschten Anzeigeinhalt sowie einen im Strahlengang des erzeugten Projektionslichtstrahlenbündels L angeordneten holografischen Diffusor 8, der dazu ausgebildet und angeordnet ist, das Projektionslichtstrahlenbündel L in geeigneter Weise auf die Projektionsscheibe 4 zu werfen, von der es zu einem Fahrzeuginsassen (nicht dargestellt), in diesem Beispiels dem Fahrer, reflektiert wird, um ein in sein Blickfeld eingeblendetes virtuelles Anzeigebild 9 in einiger Entfernung vor dem Fahrzeug 3 zu erzeugen.
Dabei ist der holografische Diffusor 8 insbesondere durch eine vorbestimmte Winkelselektivität für das einfallende und rückgestreute Projektionslicht so ausgelegt und angeordnet, dass das vom holografischen Diffusor 8 auf die Projektionsscheibe 4 geworfene Projektionslichtstrahlenbündel L von dieser in den Bereich einer vorbestimmten Eyebox 10 reflektiert wird. In 1 ist die Eyebox 10 als eine zweidimensionale Fläche senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung im fahrzeuginnenseitig vor der Frontscheibe 5 liegenden Raum definiert, aus der das virtuelle Anzeigebild 9 für den Fahrer zu sehen ist. Da die Projektionsscheibe 4 rückseitig zumindest teilweise fürs Umgebungslicht transparent ist, wird das dahinter erzeugte virtuelle Anzeigebild 9 einer vom Fahrer beobachteten realen Umgebung vor dem Fahrzeug 3 beim Blick durch die Frontscheibe 5 überlagert.
Somit bildet der holografische Diffusor 8 einen Ausgang des optischen Systems der Projektionseinheit 2, d. h. es sind keine weiteren optischen Abbildungs- oder Projektionselemente, insbesondere keine Umlenkspiegel, zwischen dem holografischen Diffusor 8 und der Projektionsscheibe 4 für die Erzeugung des virtuellen Anzeigebilds 9 mit gewünschten Abbildungseigenschaften erforderlich. Der holografische Diffusor 8 ist in diesem Beispiel als eine dünne Scheibe aus einem geeigneten Polymermaterial mit einer darin aufgenommenen Hologrammstruktur (insbesondere Diffusorhologramm) mit für die hierin beschriebene Funktionalität erforderlichen optischen Eigenschaften ausgebildet, gegebenenfalls mit einer oder mehreren zusätzlichen Schutzschichten aus Kunststoff oder Glas, die im Wesentlichen ohne Einfluss auf das Projektionslichtstrahlenbündel sind.
Ein solches optisches Ausgangselement ist wesentlich dünner, thermisch stabiler gegen Einstrahlung von Umgebungslicht und leichter vom Gewicht als beispielsweise ein direkt gegenüber der Frontscheibe 5 angeordnetes bildgebendes Display, wie bei der eingangs erwähnten vereinfachten HUD-Anordnung mit direkt unter der Frontscheibe liegendem Display. Im Vergleich dazu kann der holografische Diffusor 8 daher beispielsweise deutlich einfacher zur Darstellung großer virtueller Anzeigebilder skaliert und/oder zur benutzerabhängigen Eyeboxverstellung bewegt werden. Da in der Projektionseinheit 2 auch keine zusätzlichen Spiegel, insbesondere keine strahlformenden Konkavspiegel, benötigt werden, ist der Aufbau andererseits auch erheblich platzsparender und für die Integration im Fahrzeug insgesamt flexibler als die eingangs erwähnte konventionelle HUD-Bauweise mit Konkavspiegeln.
In 1 ist die Projektionseinheit 2 ausgangsseitig, d. h. auf ihrer der Frontscheibe 5 zugewandten Seite, durch eine lichtundurchlässige Abdeckfläche 11 mechanisch abgeschlossen, in der lediglich eine Öffnungsapertur 12 für das Projektionslichtstrahlenbündel L ausgebildet ist. Der holografische Diffusor 8 ist in diesem Beispiel als ein reflektierender Diffusor ausgebildet und befindet sich in einem vorbestimmten Abstand D entlang des Projektionslichtstrahlengangs hinter und unter der Öffnungsapertur 12 im Inneren der Projektionseinheit 2, während der Projektor 7 etwas höher, direkt unter der Abdeckfläche 11 seitlich der Öffnungsapertur 12 verborgen liegt und das Projektionslichtstrahlenbündel L auf den seitlich darunter liegenden holografischen Diffusors 8 projiziert. Dabei dient dessen ausgangsseitige, d. h. der Projektionsscheibe 4 zugewandte Diffusoroberfläche 13 sowohl als die Lichteinfallsfläche des holografischen Diffusors 8 für das vom Projektor 7 darauf projizierte Projektionslicht als auch als Rückstreufläche für das in Richtung der Projektionsscheibe 4 zurückgestreute/ausgegebene Projektionslichtstrahlenbündel L.
Die Abdeckfläche 11 dient unter anderem dem mechanischen Schutz der Projektionseinheit 2, insbesondere des Projektors 7, vor Umfeldeinflüssen wie Staub oder Feuchtigkeit, aber auch vor Umgebungslicht, insbesondere Sonnenlicht, und bildet in diesem Beispiel einen Abschnitt der Oberseite der Instrumententafel 6.
2 zeigt in einer der 1 entsprechenden schematischen vertikalen Querschnittsansicht eine weitere Blickfeldanzeigevorrichtung 1 der hierin dargelegten Art mit einer Projektionseinheit 2 gemäß einer Weiterentwicklung der in 1 gezeigten Ausführungsform. Der einzige Unterschied zu 1 besteht dabei in der Ausgestaltung des holografischen Diffusors 8 mit einer gekrümmten spiegelnden ausgangsseitigen Diffusoroberfläche 13 zur geometrischen Entspiegelung der Öffnungsapertur 12 zum Schutz der Projektionseinheit 2 vor Umgebungslicht und insbesondere vor durch die Frontscheibe ins Fahrzeug 3 hereinscheinendem Sonnenlicht. Analog zu der eingangs erwähnten geometrischen Entspiegelung eines Deckglases einer konventionellen HUD-Projektionseinheit, ist die ausgangsseitige Diffusoroberfläche 13 des holografischen Diffusors 8 in 2 mit einer solchen Krümmung ausgestaltet, dass darauf von außerhalb der Projektionseinheit 2 einfallendes Umgebungslicht aus dem Strahlengang des Projektionslichtstrahlenbündels L heraus, insbesondere auf eine in oder an der Projektionseinheit 2 abseits des Projektionslichtstrahlengangs vorgesehene lichtabsorbierende Lichtfalle (auch Spiegelbank genannt, nicht gezeigt), gelenkt wird.
Da die optischen Eigenschaften des holografischen Diffusors 8, wie die oben genannte Winkelselektivität etc., bei der Aufnahme des Diffusorhologramms, beispielsweise mittels eines Laserscanners pixelweise, ortsabhängig entlang der Einfalls- und der Ausfallsfläche des holografischen Diffusors 8 und gegebenenfalls auch in einer Tiefenrichtung des Volumenhologramms definierbar sind, kann dabei die beschriebene gekrümmte geometrische Form seiner ausgangsseitigen Diffusoroberfläche ohne Beeinträchtigung seiner weiter oben erwähnten Strahlformungs- oder Strahlablenkungseigenschaften für das Projektionslichtstrahlenbündel L ausgeglichen werden.
Insgesamt ist es bei der Projektionseinheit der hierin dargelegten Art also möglich, in einem als holografischer Diffusor ausgebildeten Ausgangselement verschiedenste optische und mechanische Funktionen zu vereinen, die in konventionellen Head-up-Displays durch mehrere und/oder wesentlich komplexere und/oder thermisch empfindlichere Teilkomponenten wie Displays, Umlenkspiegel und andere optische Abbildungs- und Projektionskomponenten sowie extra vorgesehene Deckgläser erfüllt werden.
Bezugszeichenliste

1: Blickfeldanzeigevorrichtung
2: Projektionseinheit
3: Fahrzeug
4: Projektionsscheibe
5: Frontscheibe
6: Instrumententafel
7: bildgebender Projektor
8: holografischer Diffusor
9: virtuelles Anzeigebild
10: Eyebox
11: Abdeckfläche
12: Öffnungsapertur
13: ausgangsseitige Diffusoroberfläche
L: Projektionslichtstrahlenbündel
D: vorbestimmter Abstand entlang des Projektionslichtstrahlenbündels

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 4998784 A [0005]
DE 102014215137 A1 [0005]

Claims

Projektionseinheit (2) für eine Blickfeldanzeigevorrichtung (1), insbesondere zum Einsatz in einem Fahrzeug (3), umfassend: - einen bildgebenden Projektor (7) zum Erzeugen eines Projektionslichtstrahlenbündels (L) mit einem gewünschten Anzeigeinhalt und - einen im Strahlengang des erzeugten Projektionslichtstrahlenbündels (L) angeordneten holografischen Diffusor (8), der einen Ausgang des optischen Systems der Projektionseinheit (2) bildet, indem er dazu ausgebildet und angeordnet ist, das Projektionslichtstrahlenbündel (L) auf eine außerhalb der Projektionseinheit (2) anzuordnende oder angeordnete, benutzerseitig reflektierende und rückseitig transparente Projektionsscheibe (4), insbesondere eine Frontscheibe (5) des Fahrzeugs (3), so zu lenken, dass dahinter ein virtuelles Anzeigebild (9) im Blickfeld eines Benutzers, insbesondere des Fahrers, entsteht.
Projektionseinheit (2) nach Anspruch 1, die ausgangsseitig durch eine lichtundurchlässige Abdeckfläche (11) mit einer Öffnungsapertur (12) für das Projektionslichtstrahlenbündel (L) mechanisch abgeschlossen ist, wobei - der holografische Diffusor (8) die Öffnungsapertur (12) im Wesentlichen ausbildet oder in einem vorbestimmten Abstand (D) entlang des Projektionslichtstrahlengangs dahinter im Inneren der Projektionseinheit (2) ohne weitere optische Elemente dazwischen angeordnet ist.
Projektionseinheit (2) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der holografische Diffusor (8) mit einer vorbestimmten Winkelselektivität für die Rückstreuung des Projektionslichtstrahlenbündels (L) ausgebildet ist, die vorzugsweise im Wesentlichen auf einen vorbestimmten Einfallswinkel und/oder einen vorbestimmten Rückstreuwinkel, die in einer Lichteinfallsfläche bzw. einer Rückstreufläche des Diffusors (8) insbesondere ortsabhängig variieren können, beschränkt ist, - wobei eine Hauptausbreitungsrichtung des Projektionslichtstrahlenbündels (L) gemäß der vorbestimmten Winkelselektivität des holografischen Diffusors (8) zum Erreichen maximaler Projektionslichtintensität im erzeugten virtuellen Anzeigebild (9) gewählt ist, insbesondere durch eine entsprechende gegenseitige Anordnung des bildgebenden Projektors (7) und des holografischen Diffusors (8) in der Projektionseinheit (2).
Projektionseinheit (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der holografische Diffusor (8) als ein reflektierender Diffusor ausgebildet ist, und der bildgebende Projektor (7) zum Projizieren des Projektionslichtstrahlenbündels (L) auf dessen gleichzeitig als Lichteinfalls- und Rückstreufläche dienende ausgangsseitige Diffusoroberfläche (13) angeordnet ist, von der es in Richtung der Projektionsscheibe (4) zurückgestreut wird.
Projektionseinheit (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der holografische Diffusor (8) als ein transmittierender Diffusor mit einer Lichteinfallsfläche und einer von dieser abgewandten Rückstreufläche ausgebildet ist, und der bildgebende Projektor (7) zum Projizieren des Projektionslichtstrahlenbündels (L) auf die Lichteinfallsfläche des Diffusors (8) angeordnet ist, damit es von dessen Rückstreufläche in Richtung der Projektionsscheibe (4) zurückgestreut wird.
Projektionseinheit (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der holografische Diffusor (8) als eine dünne Scheibe oder Folie ausgebildet ist, die insbesondere zusätzlich zur Hologrammstruktur, insbesondere zum Diffusorhologramm, weitere Funktionsschichten, etwa eine oder mehrere Schutzschichten aus Kunststoff oder Glas, umfassen kann.
Projektionseinheit (2) nach Anspruch 6, wobei der holografische Diffusor (8) auf dessen den Ausgang der Projektionseinheit (2) bildenden Seite eine derart gekrümmte spiegelnde Diffusoroberfläche (13) aufweist, dass darauf von außen einfallendes Umgebungslicht aus dem Strahlengang des Projektionslichtstrahlenbündels (L) heraus, insbesondere im Wesentlichen auf eine in oder an der Projektionseinheit (2) zusätzlich vorgesehene Lichtfalle, gelenkt wird.
Projektionseinheit (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Hologrammstruktur, insbesondere ein Diffusorhologramm, des holografischen Diffusors (8) als ein Volumenhologramm ausgebildet ist.
Blickfeldanzeigevorrichtung (1), insbesondere zum Einsatz in einem Fahrzeug (3), mit einer Projektionseinheit (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche sowie einer im Strahlengang des von dieser ausgegebenen Projektionslichtstrahlenbündels (L) angeordneten, benutzerseitig reflektierenden und rückseitig transparenten Projektionsscheibe (4), insbesondere einer Frontscheibe (5) des Fahrzeugs (3), - wobei die Projektionseinheit (2) und die Projektionsscheibe (4) derart ausgebildet und relativ zueinander angeordnet sind, dass das von der Projektionseinheit (2) im Betrieb ausgegebene Projektionslichtstrahlenbündel (L) auf die Projektionsscheibe (4) fällt und von dieser zu einem Benutzer, insbesondere dem Fahrer des Fahrzeugs (3), reflektiert wird, wodurch dahinter ein virtuelles Anzeigebild (9) im Blickfeld des Benutzers entsteht.
Fahrzeug (3), insbesondere ein Kraftfahrzeug, umfassend: - eine Frontscheibe (5) und eine Instrumententafel (6), deren Oberseite sich unter der Frontscheibe (5) erstreckt, sowie - eine Blickfeldanzeigevorrichtung (1) nach Anspruch 9, deren Projektionsscheibe (4) durch die Frontscheibe (5) gebildet ist und deren Projektionseinheit (2) in der Instrumententafel (6) angeordnet ist, zum Einblenden eines virtuellen Anzeigebilds (9) ins Blickfeld eines Fahrzeuginsassen, insbesondere des Fahrers, bei dessen Blick durch die Frontscheibe (5), - wobei die Projektionseinheit (2) auf ihrer der Projektionsscheibe (4) zugewandten Seite durch einen lichtundurchlässigen Abschnitt der Oberseite der Instrumententafel (6) abgedeckt ist, der eine Öffnungsapertur (12) für das Projektionslichtstrahlenbündel (L) aufweist, wobei sich der holografische Diffusor (8) in dieser Öffnungsapertur (12) oder direkt dahinter in einem vorbestimmten Abstand (D) entlang des Projektionslichtstrahlengangs im Inneren der Projektionseinheit (2) befindet oder die Öffnungsapertur (12) ausbildet.