DE102019133624A1

DE102019133624A1 - Projektionseinheit für eine Blickfeldanzeigevorrichtung zum Einsatz in einem Fahrzeug

Info

Publication number: DE102019133624A1
Application number: DE102019133624.4A
Authority: DE
Inventors: Sebastian Takeshi Lampen
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2019-12-10
Filing date: 2019-12-10
Publication date: 2021-06-10
Also published as: CN112946890A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Projektionseinheit für eine Blickfeldanzeigevorrichtung zur Erzeugung eines virtuellen Anzeigebilds im Blickfeld eines Benutzers, insbesondere eines Fahrzeuginsassen, umfassend:- einen Projektor zum Erzeugen eines Projektionslichtstrahlenbündels mit einem Anzeigeinhalt, und- eine in dessen Strahlengang angeordnete Kombination aus einem holografischen Diffusor und einem sich hinter dessen Rückseite erstreckenden Faltelement, wobei die Ausbildung und die gegenseitige Anordnung des Projektors, des holografischen Diffusors und des Faltelements derart sind, dass- das Projektionslichtstrahlenbündel erst auf eine dem Projektor zugewandte Vorderseite des holografischen Diffusors fällt und von diesem zum Faltelement transmittiert wird, von dem es zur Rückseite des holografischen Diffusors zurückreflektiert wird;- wobei der holografische Diffusor für dieses rückseitig einfallende Projektionslichtstrahlenbündel als transmittierender Diffusor mit einer vorbestimmten Richtungsselektivität und/oder Streucharakteristik ausgebildet ist.

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 oder andere Navigations- und Fahrzeugbedienungshinweise, 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.
Als Bildgeber (Picture Generating Unit, PGU) zur Erzeugung eines vom Projektionslichtstrahlenbündel zu transportierenden Anzeigeinhalts wird in der Projektionseinheit eines herkömmlichen Head-up-Displays meist ein Flüssigkristallbildschirm (Liquid Crystal Display, LCD) mit einer LED-Hinterleuchtung verwendet. Diese Art der PGU ist allerdings aufgrund ihrer vergleichsweise geringen Effizienz (Transmission des LCD liegt oftmals unter 8%) und möglicher thermischer Probleme im Falle eines erhöhten Sonnenlichteintrags schwer für größere Head-up-Displays skalierbar, die beispielsweise zur Erweiterung eines vom virtuellen Anzeigebild abdeckbaren Blickfelds (Field-of-View) etwa für eine an realen Umgebungsobjekten orientierte kontaktanaloge AR-Anzeige (Augmented Reality) benötigt werden.
Zur Lösung dieser Probleme ist es bekannt, statt eines LCD einen Bildgeber zu verwenden, bei dem ein reelles Bild ähnlich einer Kinoleinwand auf einem transmissiven oder reflektiven Diffusor erzeugt wird, der zur diffusen Streuung darauf projizierten Lichts beispielsweise mit einer geeignet strukturierten Oberfläche oder mit in einem Volumen verteilten Streuzentren ausgebildet ist. Das Bild wird dabei auf den Diffusor beispielsweise mittels eines DLP-Chips (DLP, Digital Light Processing, eingetragene Marke) oder eines auf MEMS-Technologie basierten Laser-Beam-Scanners projiziert. Solch ein Aufbau kann sowohl deutlich effizienter als auch thermisch robuster als eine LCD-PGU sein, und ist damit auch leichter skalierbar.
Wie in 1 (die weiter unten beschrieben wird) veranschaulicht, besteht ein bekannter Nachteil derartiger Diffusor-basierter PGUs gegenüber den herkömmlichen LCD-PGUs in einem möglichen Kontrastverlust bei Sonneneinstrahlung auf den Diffusor durch das von außen in die Projektionseinheit gelangende Sonnenlicht, welches von diesem gestreut wird. Bei einer ungünstigen Auslegung des Diffusors, z. B. Lambertsch, kann die Helligkeit des gestreuten Sonnenlichts schlimmstenfalls sogar die Helligkeit des HUD-Bildes überstrahlen und damit ein Sicherheitsrisiko darstellen, da für den Fahrer die Sicht auf die Straße dadurch überblendet werden kann. Hingegen ist es für LCD-basierte Projektionseinheiten als wirksame Maßnahme gegen störende Sonnenreflexe in Richtung eines Benutzers bekannt, eine spekular reflektierende glatte LCD-Oberfläche geneigt zur optischen Achse der Projektionseinheit auszurichten, um störendes Sonnenlicht aus dem Strahlengang des Projektionslichtstrahlenbündels heraus und beispielsweise auf eine Lichtfalle zu lenken.
Als mögliche Lösung gegen störende Sonnenreflexe für einen Diffusor-basierten Bildgeber ist es bekannt, anstelle eines herkömmlichen Diffusors mit einer zur diffusen Streuung strukturierten Oberfläche oder in einem Volumen verteilten Streuzentren ein sogenanntes Diffusorhologramm in der Projektionseinheit des Head-up-Displays zu integrieren, mit dem das einfallende und das gestreute Licht sowohl wellenlängenselektiv als auch richtungsselektiv eingestellt bzw. gesteuert werden kann.
So offenbart beispielsweise DE 10 2012 219 723 A1 ein Blickfeldanzeigegerät zum Projizieren einer grafischen Information für einen Betrachter in eine Augenbereichsfläche (Eyebox) des Blickfeldanzeigegeräts, das einen Projektor zum Bereitstellen der grafischen Information in Richtung einer optischen Achse des Blickfeldanzeigegeräts sowie eine Projektionsflächeneinheit zum Wandeln der grafischen Information in ein reelles Bild aufweist. Dabei ist die Projektionsflächeneinheit in der optischen Achse zwischen dem Projektor und einem Bildausgang des Blickfeldanzeigegeräts angeordnet und weist ein Volumenhologramm mit einer auf die Augenbereichsfläche gerichteten Streucharakteristik für die grafische Information auf oder ist als ein solches Volumenhologramm ausgeführt. Beim Einsatz in einem Fahrzeug ist ferner eine Abbildungsoptik, spezifisch ein Hohlspiegel, in der optischen Achse zwischen der Projektionsflächeneinheit und dem Bildausgang angeordnet, um das Bild zu skalieren, auf eine als Reflexionsfläche fungierende Frontscheibe des Fahrzeugs zu lenken und an die Augenbereichsfläche anzupassen.
Spezifisch kann in DE 10 2012 219 723 A1 die Projektionsflächeneinheit zum einen in einer Durchlicht-Konfiguration ausgeführt sein, bei der der Projektor auf deren vom Bildausgang abgewandten Seite angeordnet ist und das Volumenhologramm als Mattscheibe mit spezieller Abstrahlcharakteristik fungiert. Alternativ kann die Projektionsflächeneinheit zur Verringerung des beanspruchten Bauraums auch in einer Auflicht-Konfiguration ausgeführt sein, bei der der Projektor auf deren dem Bildausgang zugewandte Seite gerichtet und das Volumenhologramm als idealer Diffusor mit der speziellen Abstrahlcharakteristik fungiert.
Ein möglicher Nachteil dieser Technik ist, dass die Richtungsselektivität für ein reflektierendes Diffusor-Hologramm (Auflicht-Konfiguration) nicht so genau wie beim transmittierenden Diffusor-Hologramm (Durchlicht-Konfiguration) eingestellt werden kann und es trotzdem zu Rückstreuungen von Sonnenlicht kommen kann. Hingegen benötigt die Projektionseinheit mit einem transmittierenden Diffusor-Hologramm typischerweise einen deutlich größeren Bauraum, der aber insbesondere in einem Kraftfahrzeug in der Regel stark begrenzt ist.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine alternative und/oder insbesondere im Hinblick auf die Sichtbarkeit des virtuellen Anzeigebilds und/oder die räumliche Integration im Fahrzeug verbesserte Projektionseinheit mit einem einen holografischen Diffusor umfassenden Bildgeber, eine die Projektionseinheit dieser Art 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 ist zum Erzeugen und Projizieren eines Projektionslichtstrahlenbündels mit einem gewünschten Anzeigeinhalt auf eine außerhalb der Projektionseinheit anzuordnende oder angeordnete, benutzerseitig reflektierende und rückseitig transparente Projektionsscheibe, insbesondere eine Frontscheibe des Fahrzeugs, zur Erzeugung eines virtuellen Anzeigebilds im Blickfeld eines Benutzers, insbesondere des Fahrers, ausgebildet.
Die Projektionseinheit umfasst dabei einen bildgebenden Projektor zum Erzeugen eines Projektionslichtstrahlenbündels mit einem gewünschten Anzeigeinhalt sowie eine im Strahlengang des erzeugten Projektionslichtstrahlenbündels angeordnete Kombination aus einem holografischen Diffusor und einem sich an oder hinter dessen Rückseite erstreckenden Faltelement, der insbesondere als ein Planspiegel ausgebildet sein kann. Dabei sind die Ausbildung und die gegenseitige Anordnung des bildgebenden Projektors, des holografischen Diffusors und des Faltelements derart, dass das erzeugte Projektionslichtstrahlenbündel erst auf eine dem bildgebenden Projektor zugewandte Vorderseite des holografischen Diffusors fällt und von diesem - insbesondere möglichst unverändert - zum Faltelement hin transmittiert wird, von dem es zur Rückseite des holografischen Diffusors, insbesondere wiederum im Wesentlichen verlustfrei und/oder flächendeckend, zurückreflektiert wird. Der holografische Diffusor ist für dieses rückseitig einfallende Projektionslichtstrahlenbündel als ein transmittierender Diffusor mit einer vorbestimmten Richtungsselektivität und/oder Streucharakteristik ausgebildet.
Das Faltelement kann in jeder geeigneten Weise zur bestmöglichen Reflexion des darauf einfallenden Projektionslichtstrahlenbündels zur Rückseite des holografischen Diffusors hin (und damit zum Falten des Strahlengangs) ausgebildet sein. Neben einem konventionellen Spiegel, beispielsweise mit einer metallischen Spiegeloberfläche, kann das Faltelement dabei alternativ auch insbesondere als ein holografischer Spiegel mit einer geeigneten Reflexionscharakteristik ausgebildet sein, beispielsweise um einen vom Einfallswinkel unterschiedlichen Reflexionswinkel und/oder eine auf das verwendete Projektionslicht beschränkte Wellenlängenselektivität zur zusätzlichen Unterdrückung von Fremdlicht, wie z. B. von eingangs erwähnten störenden Sonnenreflexen, zu erzielen. Statt eines Planspiegels kann ferner auch eine beliebige andere optische Komponente mit für die hierin beschriebene Funktionalität geeigneten Reflexionseigenschaften als Faltelement verwendet werden, wie zum Beispiel ein reflektierender Polarizer oder dergleichen.
Neben der genannten Richtungsselektivität für das rückseitig einfallende Projektionslichtstrahlenbündel kann der holografische Diffusor insbesondere auch mit einer geeigneten Winkelselektivität für vorderseitig und/oder rückseitig einfallendes Licht und/oder mit einer geeigneten Richtungsselektivität für vorderseitig zu transmittierendes Licht ausgebildet sein. Dies kann wiederum insbesondere zum Herausfiltern von Fremdlicht aus dem Strahlengang der Projektionseinheit beitragen. Ferner können darin in an sich bekannter Weise an entsprechend geeigneten Positionen auch Lichtfallen für Fremdlicht vorgesehen sein.
Eine Idee der vorliegenden Anordnung besteht somit darin, einen als Bildgeber dienenden, für Transmission ausgelegten holografischen Diffusor in einer Projektionseinheit mit einem im Strahlengang des Projektionslichts nah oder unmittelbar hinter dem holografischen Diffusor - insbesondere stahlquerschnittsüberdeckend - angeordneten Faltelement zu kombinieren, um eine Bauraumersparnis zu ermöglichen, die bis dahin nur für reflektive Diffusoren bekannt war. Dadurch können mit der vorliegenden Anordnung alle Vorteile für Transmission einerseits und für Reflexion andererseits ausgelegter holografischer Diffusoren gleichzeitig genutzt werden.
Ein wichtiger Vorteil eines mit vorbestimmter Richtungsselektivität bzw. Streucharakteristik in Transmission ausgelegten holografischen Diffusors gegenüber einem reflektierenden holografischen Diffusor kann beispielsweise darin liegen, dass dabei sowohl für das rückseitig einfallende als auch für das vorderseitig austretende oder gestreute Projektionslicht selektiv Winkelbereiche um die Flächennormale des Diffusors wählbar bzw. einstellbar sind, die grundsätzlich beliebig nah an der Flächennormalen liegen oder eng um diese konzentriert sein können. Dies ermöglicht wiederum eine besonders hohe optische Qualität der Projektionseinheit durch das Lenken oder gleichmäßiges Verteilen oder Konzentrieren des Nutzlichts (Projektionslicht) auf die Eyebox, d. h. einen für die Augen des Benutzers vorgesehenen Flächenbereich senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Projektionslichtstrahlenbündels, aus dem das virtuelle Anzeigebild gesehen werden kann. Aus dem gleichen Grund sind aber mit einem transmittierenden holografischen Diffusor zugleich Maßnahmen gegen störende Rückreflexe von Sonnenlicht oder anderem Fremdlicht, wie beispielsweise eine spekular reflektierende Vorderseite unter einem geeigneten schrägen Anstellwinkel zur optischen Achse, gegebenenfalls mit einer gegenüber angeordneten Lichtfalle, besonders einfach und wirksam realisierbar.
Insbesondere kann mit dem vorliegenden Aufbau der Projektionseinheit daher die Richtungsselektivität für das Projektionslicht im Prinzip je nach Anforderung einer spezifischen Anwendung beliebig genau eingestellt werden. Des Weiteren können mit der vorliegenden Projektionseinheit etwaige von herkömmlichen Bildgebern in Form konventioneller Diffusoren oder auch reflektierender holografischer Diffusoren bekannte störende Rückstreuungen von in die Projektionseinheit gelangendem Fremdlicht, wie Sonnenlicht, durch eine geeignete Beschaffenheit und Ausrichtung der Vorderseite des holografischen Diffusors und/oder durch eine geeignete Richtungs- und/oder Wellenlängenselektivität einer darin implementierten Hologrammstruktur für vorderseitig einfallendes Licht zuverlässig und vollständig unterdrückt werden. All dies führt zu einem verbesserten Kontrast des virtuellen Anzeigebilds für den Benutzer, bei einer gleichzeitigen Bauraumersparnis im Vergleich zu herkömmlichen Anordnungen mit einem transmittierenden Diffusor.
Der holografische Diffusor kann beispielsweise als eine dünne, insbesondere planare, Scheibe oder Folie aus einem geeigneten Material, typischerweise einem Polymer, mit darin aufgenommener Hologrammstruktur, insbesondere einem sogenannten Diffusor-Hologramm eingangs erwähnter Art, ausgebildet sein. Insbesondere kann es sich bei der Hologrammstruktur um ein Volumenhologramm handeln. Die genannte dünne Scheibe oder Folie kann insbesondere zusätzlich zu der Hologrammstruktur weitere Funktionsschichten, etwa eine oder mehrere Schutzschichten aus Kunststoff oder Glas, die insbesondere ohne weiteren Einfluss auf das Projektionslichtstrahlenbündel bleiben und/oder zur Unterdrückung des störenden Fremdlichts dienen können, umfassen.
Die Projektionsscheibe, die sich in der zusammengesetzten Blickfeldanzeigevorrichtung gegenüber der Projektionseinheit im Strahlengang des von dieser ausgegebenen Projektionslichtstrahlenbündels erstreckt, kann in an sich bekannter Weise beispielsweise durch eine Frontscheibe des Fahrzeugs oder 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 und zu dessen Projektion auf den holografischen Diffusor ausgebildeten Projektor handeln. Insbesondere kann es ein auf MEMS-Technologie basierter Laser-Beam-Scanner in einer oder den drei Grundfarben sein, der dazu ausgebildet sein kann, eine für den ursprünglichen Lichteinfall bestimmte Oberfläche in der Vorderseite des holografischen Diffusors abzutasten. Alternativ kann der Projektor auch ein digital ansteuerbares Mikrospiegelarray mit einer eigenen Projektionslichtquelle enthalten (DLP, Digital Light Processing, eingetragene Marke).
Insbesondere kann die Ausbildung und die gegenseitige Anordnung des bildgebenden Projektors, des holografischen Diffusors und des Faltelements derart sein, dass das erzeugte Projektionslichtstrahlenbündel, das erst auf die dem bildgebenden Projektor zugewandte Vorderseite des holografischen Diffusors fällt, vom holografischen Diffusor im Wesentlichen unverändert und/oder verlustfrei in Richtung zum Faltelement hin transmittiert wird. Dies kann insbesondere zu einer verbesserten Sichtbarkeit des virtuellen Anzeigebilds für den Benutzer, etwa zu dessen Kontrasterhöhung beitragen.
Insbesondere kann die Ausbildung und die gegenseitige Anordnung des bildgebenden Projektors, des holografischen Diffusors und des Faltelements derart sein, dass der holografische Diffusor für das genannte rückseitig einfallende und vorderseitig austretende Projektionslichtstrahlenbündel als ein Projektionsschirm ausgebildet ist, an oder in dem ein reelles Bild des Anzeigeinhalts in der weiter oben beschriebenen Weise erzeugt wird.
Bei einer spezifischen Ausgestaltung kann die vorbestimmte Richtungsselektivität des holografischen Diffusors für das genannte rückseitig einfallende Projektionslichtstrahlenbündel dazu ausgelegt sein, eine maximale und/oder im Wesentlichen gleichmäßige Projektionslichtintensität in einem vorbestimmten Strahlquerschnitt, der die für Benutzeraugen bestimmte Eyebox bzw. das erzeugbare virtuelle Anzeigebild ausfüllt, und/oder eine minimale und/oder vom menschlichen Auge nicht wahrnehmbare Projektionslichtintensität außerhalb dieses Strahlquerschnitts zu gewährleisten. Insbesondere kann dabei die genannte, beispielsweise über den vorbestimmten Strahlquerschnitt im Wesentlichen gleichbleibende, maximale Projektionslichtintensität für einen Mitten- oder Hauptstrahl der Projektionseinheit bzw. der Blickfeldanzeigevorrichtung bereitgestellt sein, der aus einer Mitte in der als Projektionsschirm dienenden Fläche des holografischen Diffusors, etwa seiner Vorderseite, in eine Mitte der Eyebox bzw. des erzeugbaren virtuellen Anzeigebilds führt. Die vorbestimmte Richtungsselektivität kann hierzu beispielsweise durch einen vorbestimmten rückseitigen Einfallswinkelbereich und/oder einen vorbestimmten vorderseitigen Streuwinkelbereich, die in der Rückseite bzw. Vorderseite des holografischen Diffusors insbesondere ortsabhängig variieren können, definiert sein. Dies kann insbesondere in einer für transmittierende Diffusor-Hologramme an sich bekannten Weise implementiert sein.
Bei einer spezifischen Ausgestaltung kann sich das Faltelement in einem vorbestimmten, insbesondere konstanten, Abstand von beispielsweise einigen Mikrometern unterhalb einem Millimeter, oder einigen Millimetern unterhalb einem Zentimeter, oder aber einigen wenigen Zentimetern, insbesondere nicht mehr als 1, 2 oder 3 cm, hinter der Rückseite des holografischen Diffusors erstrecken. Dadurch kann eine besonders platzsparende Anordnung erzielt werden.
Insbesondere, jedoch nicht zwingend, kann die Projektionseinheit ferner ein oder mehrere weitere optische Elemente, beispielsweise einen Konkavspiegel oder weitere optische Abbildungselemente und/oder weitere Faltelemente zum Falten des Projektionslichtstrahlenbündels, im Strahlengang des Projektionslichtstrahlenbündels nach dem holografischen Diffusor aufweisen.
Gemäß einem weiteren Aspekt 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 sind die Projektionseinheit und die Projektionsscheibe derart ausgebildet und relativ zueinander angeordnet, dass das von der Projektionseinheit im Betrieb ausgegebene Projektionslichtstrahlenbündel auf die Projektionsscheibe fällt und von dieser zu einem Benutzer, insbesondere dem Fahrer des Fahrzeugs, reflektiert wird, wodurch dahinter ein virtuelles Anzeigebild im Blickfeld des Benutzers entsteht.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Fahrzeug, insbesondere ein Kraftfahrzeug oder ein beliebiges anderes Land-, Luft- oder Wasserfahrzeug, vorgesehen. Das Fahrzeug umfasst dabei eine Frontscheibe und eine Instrumententafel, deren Oberseite sich unter der Frontscheibe erstreckt, sowie eine Blickfeldanzeigevorrichtung der hierin dargelegten Art, deren Projektionsscheibe durch die Frontscheibe 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 kann die Oberseite der Instrumententafel in an sich bekannter Weise insbesondere eine Öffnungsapertur für das Projektionslichtstrahlenbündel aufweisen und im Übrigen die Projektionseinheit und deren Optik nach außen mechanisch und optisch abdecken und schützen.
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 herkömmlichen Blickfeldanzeigevorrichtung mit einem Bildgeber, der einen konventionellen reflektierenden Diffusor umfasst;
2 eine schematische seitliche Querschnittsansicht einer Blickfeldanzeigevorrichtung der hierin dargelegten Art in einem Kraftfahrzeug; und
3 einen vergrößerten Ausschnitt der 2, der eine Kombination aus einem fürs Projektionslicht vorderseitig transparenten und rückseitig mit einer vorbestimmten Richtungsselektivität und/oder Streucharakteristik transmittierenden holografischen Diffusor und einem sich hinter dessen Rückseite erstreckenden Faltelement näher zeigt.

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 den in den 2 und 3 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 2 oder 3 gezeigt sind.
1 zeigt zunächst in einer stark vereinfachten schematischen vertikalen Querschnittsansicht eine eingangs erwähnte, aus dem Stand der Technik bekannte Blickfeldanzeigevorrichtung 100, die als ein Head-up-Display in einem Fahrzeug 200 ausgebildet ist und zur Veranschaulichung eingangs beschriebener Probleme störender Sonnenlichtreflexe beim Einsatz eines klassischen, als reflektierende Streuscheibe ausgebildeten Diffusors 300 anstelle eines Flüssigkristallbildschirms (Liquid Crystal Display, LCD) zur Bilderzeugung dient.
Die Blickfeldanzeigevorrichtung 100 umfasst dabei eine Projektionsscheibe 400, die in 1 als ein Teilabschnitt einer Frontscheibe 500 des Fahrzeugs 200 ausgebildet ist, und die darunter in einer Instrumententafel 600 des Fahrzeugs 200 angeordnete Projektionseinheit 700. Die Projektionseinheit 700 umfasst einen bildgebenden Projektor 800 zum Erzeugen eines Projektionslichtstrahlenbündels L mit einem gewünschten Anzeigeinhalt sowie einen im Strahlengang des erzeugten Projektionslichtstrahlenbündels L angeordneten für Reflexion ausgelegten klassischen Diffusor 300, der somit zur diffusen Rückstreuung des darauf vorderseitig einfallenden Lichts ausgebildet ist, beispielsweise als Lambert-Strahler.
Dabei wird auf einer Vorderseite 300a des klassischen Diffusor 300 ein reelles Bild beispielsweise durch deren Abtasten von dem als Laser-Beam-Scanner (MEMS) ausgebildeten Projektor 800 erzeugt und über nachfolgende Reflexion an einem zur optischen Vergrößerung und weiteren Anpassung ausgelegten Konkavspiegel 900 auf die Projektionsscheibe 400 geworfen, von der es zu einer für einen Fahrzeuginsassen (nicht dargestellt) bestimmten Eyebox 1000 reflektiert wird, um ein in sein Blickfeld eingeblendetes virtuelles Anzeigebild V in einiger Entfernung vor dem Fahrzeug 200 zu erzeugen.
Wie in 1 veranschaulicht, kann es bei Sonneneinstrahlung auf den klassischen Diffusor 300 durch das von außen in die Projektionseinheit 700 gelangende Sonnenlicht S zu einer unerwünschten Rückstreuung des Sonnenlichts S in die Eyebox 1000 kommen. Bei einer ungünstigen Auslegung des Diffusors, z. B. Lambertsch (in 1 durch in alle Richtungen von der Vorderseite 300a ausgehende Pfeile für zurückgestreute Sonnenreflexe angedeutet), kann die Helligkeit des gestreuten Sonnenlichts S schlimmstenfalls sogar die Helligkeit des virtuellen Anzeigebilds V überstrahlen und damit ein Sicherheitsrisiko darstellen, indem beispielsweise für den Fahrer des Fahrzeugs 200 die Sicht auf die Straße dadurch überblendet wird.
2 zeigt in einer stark vereinfachten schematischen vertikalen Querschnittsansicht eine Blickfeldanzeigevorrichtung 1 der hierin dargelegten Art mit einer Projektionseinheit 7 gemäß dem obigen ersten Aspekt der Erfindung in einem Fahrzeug 2, in diesem Beispiel einem Kraftfahrzeug, mit der in 1 angedeutete störende Sonnenreflexe zuverlässig unterdrückt und der Kontrast und die Helligkeit des virtuellen Anzeigebilds V deutlich erhöht werden können, ohne dabei den benötigten Bauraum für die Projektionseinheit 7 im Vergleich zu 1 erheblich zu vergrößern. Die Blickfeldanzeigevorrichtung 1 ist dabei rein beispielhaft als ein Head-up-Display ausgebildet.
Die Blickfeldanzeigevorrichtung 1 umfasst in diesem Beispiel ähnlich der 1 eine Projektionsscheibe 4, die als ein Teilabschnitt einer Frontscheibe 5 des Fahrzeugs 2 ausgebildet ist, sowie eine darunter in einer Instrumententafel 6 des Fahrzeugs 2 angeordnete Projektionseinheit 7. Die Projektionseinheit 7 umfasst einen bildgebenden Projektor 8 zum Erzeugen eines Projektionslichtstrahlenbündels L mit einem gewünschten Anzeigeinhalt, der beispielsweise als ein DLP-Chips (DLP, Digital Light Processing, eingetragene Marke) oder ein auf MEMS-Technologie basierter Laser-Beam-Scanner ausgebildet sein kann.
Der entscheidende konstruktive Unterschied der Projektionseinheit 7 der hierin dargelegten Art gemäß der 2 von der bekannten Anordnung der 1 besteht darin, dass im Strahlengang des vom Projektor 8 erzeugten Projektionslichtstrahlenbündels L statt eines klassischen Diffusors 300 eine Kombination aus einem holografischen Diffusor 3 und einem sich hinter dessen Rückseite 3b erstreckenden Faltelement 11, in diesem Beispiel einem Planspiegel, angeordnet ist. Dies ist in 3 in einem entsprechenden Ausschnitt der 2 vergrößert dargestellt:
Wie in 3 besonders gut erkennbar dargestellt, sind dabei die Ausbildung und die gegenseitige Anordnung des Projektors 8, des holografischen Diffusors 3 und des Faltelements 11 derart, dass das erzeugte Projektionslichtstrahlenbündel L erst auf eine dem Projektor 8 zugewandte Vorderseite 3a des holografischen Diffusors 3 fällt und von diesem im Wesentlichen unverändert zum Faltelement 11 hin transmittiert wird. Anschließend wird das Projektionslichtstrahlenbündel L von dem Faltelement 11 zu der Rückseite 3b des holografischen Diffusors 3, in diesem Beispiel wiederum im Wesentlichen verlustfrei und die Rückseite 3b im Wesentlichen deckend, zurückreflektiert. Der holografische Diffusor 3 ist für dieses rückseitig einfallende Projektionslichtstrahlenbündel L als ein transmittierender Diffusor mit einer vorbestimmten Richtungsselektivität und Streucharakteristik ausgebildet.
Das von der Vorderseite 3a des holografischen Diffusors 3 gemäß seiner Richtungsselektivität und Streucharakteristik ausgehende Projektionslichtstrahlenbündel L1 wird in 2 anschließend rein beispielhaft - ähnlich der 1 - von einem zur optischen Vergrößerung und weiteren Anpassung ausgelegten Konkavspiegel 9 der Projektionseinheit 7 reflektiert und wird von diesem auf die Projektionsscheibe 4 geworfen, von der es zu einer für einen Fahrzeuginsassen (nicht dargestellt) bestimmten Eyebox 10 reflektiert wird,. Dadurch wird in seinem Blickfeld ein virtuelles Anzeigebild V in einiger Entfernung vor dem Fahrzeug 2 erzeugt.
Dabei 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 V für den Fahrzeuginsassen, beispielsweise den Fahrer, zu sehen ist. Da die Projektionsscheibe 4 rückseitig zumindest teilweise fürs Umgebungslicht transparent ist, wird das dahinter erzeugte virtuelle Anzeigebild V einer vom Fahrzeuginsassen beobachteten realen Umgebung vor dem Fahrzeug 2 beim Blick durch die Frontscheibe 5 überlagert.
Der holografische Diffusor 3 ist in diesem Beispiel gemäß 2 und 3 als eine dünne planare Scheibe aus einem geeigneten Material, beispielsweise einem Polymer, mit einer darin als Volumenhologramm aufgenommenen Hologrammstruktur, in diesem Beispiel einem Diffusor-Hologramm mit der oben genannten vorbestimmten Richtungsselektivität und Streucharakteristik.
Insbesondere kann die vorbestimmte Richtungsselektivität des holografischen Diffusors 3 für das gemäß 2 und 3 rückseitig einfallende Projektionslichtstrahlenbündel L dazu ausgelegt sein, eine maximale und/oder im Wesentlichen gleichmäßige Projektionslichtintensität in dem vorbestimmten Strahlquerschnitt, der die Eyebox 10 bzw. das erzeugbare virtuelle Anzeigebild V ausfüllt, und eine minimale oder vom menschlichen Auge nicht wahrnehmbare Projektionslichtintensität außerhalb dieses Strahlquerschnitts zu gewährleisten.
Bei einer in 2 und 3 gezeigten spezifischen Ausgestaltung erstreckt sich das Faltelement 11 in einem vorbestimmten konstanten Abstand D von beispielsweise einigen Mikrometern unterhalb einem Millimeter, oder einigen Millimetern unterhalb einem Zentimeter, oder aber einigen wenigen Zentimetern hinter der Rückseite 3b des holografischen Diffusors 3, wodurch bei einer bestmöglichen optischen Auslegung der Projektionseinheit 7 im Hinblick auf die Helligkeit und den Kontrast des virtuellen Anzeigebilds V gleichzeitig auch eine maximal platzsparende Anordnung erzielt werden kann, die kaum mehr Platz in der Instrumententafel 6 des Fahrzeugs 2 benötigt als bei einem konventionellen Aufbau gemäß 1.
Bezugszeichenliste

1, 100: Blickfeldanzeigevorrichtung
2,200: Fahrzeug
300: klassischer Diffusor (d. h. ohne Hologramm)
3: holografischer Diffusor
3a: Vorderseite des holografischen Diffusors
3b: Rückseite des holografischen Diffusors
4,400: Projektionsscheibe
5, 500: Frontscheibe
6, 600: Instrumententafel
7,700: Projektionseinheit
8,800: Projektor
9,900: Konkavspiegel
10, 1000: Eyebox
11: Faltelement
L: vom bildgebenden Projektor erzeugtes Projektionslichtstrahlenbündel
L1: von der Vorderseite des holografischen Diffusors ausgehendes, resultierendes, von der Projektionseinheit ausgegebenes Projektionsl ichtstrahlenbündel
V: virtuelles Anzeigebild
S: Sonnenlicht
D: vorbestimmter Abstand

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102012219723 A1 [0007, 0008]

Claims

Projektionseinheit (7) für eine Blickfeldanzeigevorrichtung (1), insbesondere zum Einsatz in einem Fahrzeug (2), umfassend: - einen bildgebenden Projektor (8) zum Erzeugen eines Projektionslichtstrahlenbündels (L) mit einem gewünschten Anzeigeinhalt, und - eine im Strahlengang des erzeugten Projektionslichtstrahlenbündels (L) angeordnete Kombination aus einem holografischen Diffusor (3) und einem sich an oder hinter dessen Rückseite (3b) erstreckenden Faltelement (11), insbesondere Planspiegel, wobei die Ausbildung und die gegenseitige Anordnung des Projektors (8), des holografischen Diffusors (3) und des Faltelements (11) derart sind, dass - das erzeugte Projektionslichtstrahlenbündel (L) erst auf eine dem Projektor (8) zugewandte Vorderseite (3a) des holografischen Diffusors (3) fällt und von diesem zum Faltelement (11) hin transmittiert wird, von dem es zur Rückseite (3b) des holografischen Diffusors (3) zurückreflektiert wird; - wobei der holografische Diffusor (3) für dieses rückseitig einfallende Projektionslichtstrahlenbündel als transmittierender Diffusor mit einer vorbestimmten Richtungsselektivität und/oder Streucharakteristik ausgebildet ist, und die Projektionseinheit (7) zum Projizieren des resultierenden Projektionslichtstrahlenbündels (L1) auf eine transparente Projektionsscheibe (4) zur Erzeugung eines virtuellen Anzeigebilds (V) im Blickfeld eines Benutzers, insbesondere des Fahrers, ausgebildet ist.
Projektionseinheit (7) nach Anspruch 1, wobei die Ausbildung und die gegenseitige Anordnung des Projektors (8), des holografischen Diffusors (3) und des Faltelements (11) derart sind, dass - das erzeugte Projektionslichtstrahlenbündel (L), das erst auf die dem Projektor (8) zugewandte Vorderseite (3a) des holografischen Diffusors (3) fällt, von diesem im Wesentlichen unverändert und/oder verlustfrei in Richtung zum Faltelement (11) hin transmittiert wird.
Projektionseinheit (7) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Ausbildung und die gegenseitige Anordnung des Projektors (8), des holografischen Diffusors (3) und des Faltelements (11) derart sind, dass - der holografische Diffusor (3) für das genannte rückseitig einfallende und vorderseitig austretende Projektionslichtstrahlenbündel als ein Projektionsschirm ausgebildet ist, an oder in dem ein reelles Bild des Anzeigeinhalts erzeugt wird.
Projektionseinheit (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die vorbestimmte Richtungsselektivität des holografischen Diffusors (3) für das genannte rückseitig einfallende Projektionslichtstrahlenbündel (L) dazu ausgelegt ist, eine maximale und/oder im Wesentlichen gleichmäßige Projektionslichtintensität in einem vorbestimmten Strahlquerschnitt, der eine für Benutzeraugen bestimmte Eyebox (10) bzw. das erzeugbare virtuelle Anzeigebild (V) ausfüllt, und/oder eine minimale und/oder vom menschlichen Auge nicht wahrnehmbare Projektionslichtintensität außerhalb dieses Strahlquerschnitts zu gewährleisten.
Projektionseinheit (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der sich das Faltelement (11) in einem vorbestimmten, insbesondere konstanten, Abstand (D) von beispielsweise einigen Millimetern bis wenigen Zentimetern hinter der Rückseite (3b) des holografischen Diffusors (3) erstreckt.
Projektionseinheit (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Hologrammstruktur, insbesondere ein Diffusorhologramm, des holografischen Diffusors (3) als ein Volumenhologramm ausgebildet ist.
Projektionseinheit (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der holografische Diffusor (3) als eine dünne Scheibe oder Folie ausgebildet ist, die insbesondere planar ist.
Projektionseinheit (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die ferner ein oder mehrere weitere optische Elemente, insbesondere einen Konkavspiegel (9), im Strahlengang des Projektionslichtstrahlenbündels (L1) nach dem holografischen Diffusor (3) aufweist.
Blickfeldanzeigevorrichtung (1), insbesondere zum Einsatz in einem Fahrzeug (2), mit einer Projektionseinheit (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche sowie einer im Strahlengang des von dieser ausgegebenen Projektionslichtstrahlenbündels (L1) angeordneten, benutzerseitig reflektierenden und rückseitig transparenten Projektionsscheibe (4), insbesondere einer Frontscheibe (5) des Fahrzeugs (2), - wobei die Projektionseinheit (7) und die Projektionsscheibe (4) derart ausgebildet und relativ zueinander angeordnet sind, dass das von der Projektionseinheit (7) im Betrieb ausgegebene Projektionslichtstrahlenbündel (L1) auf die Projektionsscheibe (4) fällt und von dieser zu einem Benutzer, insbesondere dem Fahrer des Fahrzeugs (2), reflektiert wird, wodurch dahinter ein virtuelles Anzeigebild (V) im Blickfeld des Benutzers entsteht.
Fahrzeug (2), 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 (7) in der Instrumententafel (6) angeordnet ist, zum Einblenden eines virtuellen Anzeigebilds (V) ins Blickfeld eines Fahrzeuginsassen, insbesondere des Fahrers, bei dessen Blick durch die Frontscheibe (5), - wobei die Oberseite der Instrumententafel (6) insbesondere eine Öffnungsapertur für das von der Projektionseinheit (7) ausgegebene Projektionslichtstrahlenbündel (L1) aufweist.