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Die vorliegende Erfindung betrifft eine bildgebende Einheit für ein Head-Up-Display sowie ein Head-Up-Display mit einer solchen bildgebenden Einheit.
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Unter einem Head-Up-Display, auch als HUD bezeichnet, wird ein Anzeigesystem verstanden, bei dem der Betrachter seine Blickrichtung beibehalten kann, da die darzustellenden Inhalte in sein Sichtfeld eingeblendet werden. Während derartige Systeme aufgrund ihrer Komplexität und Kosten ursprünglich vorwiegend im Bereich der Luftfahrt Verwendung fanden, werden sie inzwischen auch im Automobilbereich in Großserie verbaut.
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Head-Up-Displays bestehen im Allgemeinen aus einer bildgebenden Einheit oder PGU (Picture Generating Unit), einer Optikeinheit und einer Spiegeleinheit. Die bildgebende Einheit erzeugt das Bild und nutzt dazu zumindest ein Anzeigeelement. Die Optikeinheit leitet das Bild auf die Spiegeleinheit. Die Spiegeleinheit ist eine teilweise spiegelnde, lichtdurchlässige Scheibe. Der Betrachter sieht also die von der bildgebenden Einheit dargestellten Inhalte als virtuelles Bild und gleichzeitig die reale Welt hinter der Scheibe. Als Spiegeleinheit dient im Automobilbereich oftmals die Windschutzscheibe, deren gekrümmte Form bei der Darstellung berücksichtigt werden muss. Durch das Zusammenwirken von Optikeinheit und Spiegeleinheit ist das virtuelle Bild eine vergrößerte Darstellung des von der bildgebenden Einheit erzeugten Bildes.
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Als Alternative zu einer Optikeinheit mit Linsen und Spiegeln beschreibt
US 8,009,949 B1 ein Head-Up-Display mit einem Faserbündel. Eine Bildquelle projiziert ein Anzeigebild auf das Faserbündel. Das Faserbündel überträgt das Anzeigebild von seiner Eingangsoberfläche auf seine Ausgabeoberfläche und projiziert das Anzeigebild auf einen Kombinierer, der das Anzeigebild in das Sichtfeld eines Betrachters überlagert. Das Faserbündel transformiert das Anzeigebild mittels einer dreidimensionalen Verlagerung von Bildelementen des Anzeigebildes, um Aberration und Verzerrung des Anzeigebildes zu reduzieren.
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Bildgebende Einheiten für Head-Up-Displays nutzen als Anzeigeelemente üblicherweise TFT-Displays (TFT: Thin-Film Transistor; Dünnschichttransistor) mit leistungsstarken LED-Lichtquellen (LED: Light Emitting Diode; Leuchtdiode) für die Hintergrundbeleuchtung. Dies führt zu Systemen, die nicht besonders effizient in Hinblick auf die Lichtausbeute sind, einen begrenzten Kontrast bieten und einen relativ großen Bauraum benötigen.
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Eine Reduzierung des Bauraums kann durch die Nutzung eines selbstleuchtenden Anzeigeelements erreicht werden, z.B. eines OLED-Displays (OLED: Organic Light Emitting Diode; organische Leuchtdiode).
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Beispielsweise beschreibt
DE 101 44 075 A1 ein Head-Up-Display für ein Kraftfahrzeug. Das Head-Up-Display hat eine Bilderzeugungseinheit zur Erzeugung einer anzuzeigenden Bildinformation. Die Bildinformation kann in Form von Lichtstrahlen von der Bilderzeugungseinheit direkt oder über eine Projektionsoptik auf eine Windschutzscheibe projiziert werden. Die Bilderzeugungseinheit weist eine OLED-Anzeige zur Erzeugung der anzuzeigenden Bildinformation auf. Vor der OLED-Anzeige ist ein Lichtrichtungselement angeordnet, durch das die von der OLED-Anzeige erzeugten Lichtstrahlen annähernd parallel zueinander gerichtet werden.
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Allerdings sind OLEDs derzeit immer noch zu lichtschwach für eine Nutzung in Head-Up-Displays. Es ist zurzeit noch nicht abzusehen, ob sie jemals ausreichend lichtstark werden.
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Eine höhere Lichtstärke lässt sich mit Hilfe neuer Display-Technologien erzielen, z.B. durch die Nutzung von µLED-Displays. Diese ermöglichen zudem einen deutlich höheren Kontrast und einen höheren Wirkungsgrad. Anstelle von µLED sind auch die Bezeichnungen MicroLED, MikroLED, MLED und mLED gebräuchlich.
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Derzeit verfügbare und für die Verwendung in Head-Up-Displays grundsätzlich geeignete µLED-Displays sind allerdings sehr klein, die Anzeigefläche beträgt nur ein Viertel bis ein Drittel der Anzeigefläche gängiger TFT-Displays. Eine typische Größe liegt bei ca. 13 mm x 10 mm. Sie sind daher nicht ohne weitere Anpassungen in Head-Up-Displays nutzbar. Ein komplexes optisches Design aus Linsen oder asphärischen Spiegeln wäre erforderlich, um ein verzerrungsfreies virtuelles Bild für den Betrachter zu generieren. Die notwendigen optischen Komponenten machen das System teuer und können zudem Geisterbilder oder störende oder sogar gefährlichen Reflexionen von einfallenden Sonnenlicht verursachen. Zwar sind auch sehr große µLED-Displays verfügbar, diese werden allerdings mit anderen Technologien hergestellt und haben üblicherweise eine sehr kleine Pixeldichte, zurzeit <100 ppi (ppi: pixel per inch; Pixel pro Zoll), die für Anwendungen in Head-Up-Displays nicht akzeptabel ist. Zum Vergleich, TFT-Displays für Head-Up-Displays haben eine Pixeldichte von ca. 300 ppi, während die oben genannten kleinen µLED-Displays Pixeldichten im Bereich von etwa 5000 ppi erreichen.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine bildgebende Einheit für ein Head-Up-Display bereitzustellen, die eine Nutzung eines miniaturisierten Anzeigeelements ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch eine bildgebende Einheit mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung weist eine bildgebende Einheit für ein Head-Up-Display auf:
- - zumindest ein Anzeigeelement mit einer Matrix von Pixeln zum Anzeigen eines Bildes; und
- - eine auf dem Anzeigeelement angeordnete faseroptische Platte zum Vergrößern des angezeigten Bildes.
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Bei der erfindungsgemäßen Lösung wird das kleine Bild eines Anzeigeelements mit Hilfe einer faseroptischen Platte vergrößert. Beispielsweise handelt es sich bei dem Anzeigeelement um ein µLED-Display oder ein VCSEL-Display (VCSEL: Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser; oberflächenemittierender Laser mit vertikaler Resonatoranordnung). Die Verwendung einer faseroptischen Platte hat dabei den Vorteil, dass kein komplexes optisches Abbildungssystem erforderlich ist. Insbesondere fällt auch keine aufwändige Justage des Gesamtsystems an. Die bildgebende Einheit kann direkt anstelle aktueller Lösungen auf Basis von TFT-Displays eigesetzt werden. Es ist dazu nicht erforderlich, den restlichen Aufbau des Head-Up-Displays anzupassen.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung weist die faseroptische Platte ein Faserbündel mit einer Matrix von optischen Fasern auf. Ein Abstand von optischen Achsen benachbarter optischer Fasern auf einer Auskoppelseite des Faserbündels ist dabei größer als ein Abstand der optischen Achsen auf einer Einkoppelseite des Faserbündels. Mit Hilfe eines solchen Faserbündels lässt die die faseroptische Platte leicht verwirklichen. Durch die Vergrößerung des Abstands der optischen Achsen von der Einkoppelseite zur Auskoppelseite wird unmittelbar die gewünschte Vergrößerung des Bildes erzielt. Vorzugsweise ist jedem Pixel genau eine optische Faser zugeordnet. Auf diese Weise treten keine Auflösungsverluste auf. Diese 1:1 -Zuordnung ist aber nicht unbedingt notwendig. Wenn z.B. einer optischen Faser immer vier Pixel zugeordnet sind, resultiert daraus ein Auflösungsverlust. Die Endauflösung wird aber durch die Anzahl der Fasern bestimmt. Wenn diese hoch genug ist, z.B. 600 x 480 Pixel, und auf dem Anzeigeelement keine hochauflösenden Bilder angezeigt werden, kann auch eine Zuordnung der Pixel zu den optischen Fasern verwirklicht werden, die keine1:1-Zuordnung ist.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist das Faserbündel aus getaperten optischen Fasern gebildet. Dies hat den Vorteil, dass sich die Vergrößerung des Abstands der optischen Achsen von der Einkoppelseite zur Auskoppelseite sehr kontrolliert und mit geringem Aufwand umsetzen lässt. Dazu kann das Faserbündel als Ganzes einem Taperprozess unterzogen werden. Alternativ kann das Faserbündel auch aus zuvor getaperten optischen Fasern zusammengesetzt werden.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist das Faserbündel relativ zu einer Achse des Faserbündels abgeschrägt. Vorzugsweise sind dazu Austrittsflächen der optischen Fasern relativ zu den optischen Achsen der optischen Fasern geneigt. Durch das Abschrägen des Faserbündels können eventuell auftretende Reflexe, z.B. durch einfallendes Sonnenlicht, deutlich reduziert werden.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung liegen Lichtaustrittspunkte der optischen Fasern auf einer Fläche, die senkrecht zur Achse des Faserbündels ist. Unter dem Lichtaustrittspunkt einer optischen Faser ist hier der Schnittpunkt der optischen Achse der Faser mit der Austrittsfläche zu verstehen. Bei dieser Lösung werden die optischen Fasern zunächst einzeln abgeschrägt und dann zu einem Faserbündel kombiniert. Zwar ist die Fertigung in diesem Fall etwas aufwändiger, dafür lassen sich auch größere Neigungen der Austrittsflächen relativ zu den optischen Achsen realisieren. Alternativ liegen die Lichtaustrittspunkte der optischen Fasern auf einer Fläche, die relativ zur Achse des Faserbündels geneigt ist. Bei dieser Lösung werden die optischen Fasern zunächst zu einem Faserbündel kombiniert, das dann als Ganzes abgeschrägt wird. In diesem Fall ist die Fertigung einfacher, allerdings sind die erzielbaren Neigungen der Austrittsflächen relativ zu den optischen Achsen beschränkt, da es bei großen Neigungswinkeln zu Abbildungsfehlern kommen kann.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung sind die optischen Fasern Glasfasern oder Polymerfasern. Geeignete Glasfasern, z.B. aus Quarzglas, sind bereits auf dem Markt verfügbar, so dass die erfindungsgemäße Lösung unmittelbar realisiert werden kann. Auch Polymerfasern, z.B. aus PMMA (Polymethylmethacrylat), können getapert werden, allerdings befinden sich die dazu erforderlichen Prozesse zum Teil noch im Entwicklungsstadium. Polymerfasern haben aber den Vorteil, kostengünstiger, stabiler und somit praxistauglicher zu sein.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung weist die bildgebende Einheit zwei oder mehr Anzeigeelemente für eine mehrfarbige Bildwiedergabe auf. Insbesondere µLED-Displays werden derzeit als monochrome Displays hergestellt. Zur Erzeugung eines mehrfarbigen Bildes werden mindestens zwei solcher µLED-Displays verwendet. Zur Erzeugung eines Vollfarbbildes werden drei solcher µLED-Displays verwendet. Alternativ muss mindestens eins der µLED-Displays in der Lage sein, zwei Farben bereitzustellen.
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Vorzugsweise wird eine erfindungsgemäße bildgebende Einheit in einem Head-Up-Display in einem Fortbewegungsmittel eingesetzt, um ein virtuelles Bild für einen Bediener des Fortbewegungsmittels zu erzeugen. Bei dem Fortbewegungsmittel kann es sich beispielsweise um ein Kraftfahrzeug oder ein Luftfahrzeug handeln. Selbstverständlich kann die erfindungsgemäße Lösung auch in anderen Umgebungen oder für andere Anwendungen genutzt werden, z.B. in Lastkraftwagen, in der Bahntechnik und im ÖPNV, bei Kranen und Baumaschinen, etc.
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Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung und den angehängten Ansprüchen in Verbindung mit den Figuren ersichtlich.
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Figurenliste
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- 1 zeigt schematisch ein Head-Up-Display gemäß dem Stand der Technik für ein Kraftfahrzeug;
- 2 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße bildgebende Einheit mit einer faseroptischen Platte;
- 3 zeigt schematisch einen Schnitt durch eine erste Ausführungsform einer faseroptischen Platte;
- 4 zeigt schematisch einen Schnitt durch eine zweite Ausführungsform einer faseroptischen Platte;
- 5 zeigt schematisch einen Schnitt durch eine dritte Ausführungsform einer faseroptischen Platte;
- 6 zeigt schematisch einen Schnitt durch eine vierte Ausführungsform einer faseroptischen Platte; und
- 7 zeigt schematisch ein Head-Up-Display mit einer erfindungsgemäßen bildgebenden Einheit.
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Figurenbeschreibung
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Zum besseren Verständnis der Prinzipien der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Ausführungsformen der Erfindung anhand der Figuren detaillierter erläutert. Gleiche Bezugszeichen werden in den Figuren für gleiche oder gleichwirkende Elemente verwendet und nicht notwendigerweise zu jeder Figur erneut beschrieben. Es versteht sich, dass sich die Erfindung nicht auf die dargestellten Ausführungsformen beschränkt und dass die beschriebenen Merkmale auch kombiniert oder modifiziert werden können, ohne den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen, wie er in den angehängten Ansprüchen definiert ist.
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1 zeigt eine Prinzipskizze eines Head-Up-Displays gemäß dem Stand der Technik für ein Kraftfahrzeug. Das Head-Up-Display weist eine bildgebende Einheit 1, eine Optikeinheit 2 und eine Spiegeleinheit 3 auf. Von einem Anzeigeelement 11 geht ein Strahlenbündel SB1 aus, welches von einem Faltspiegel 21 auf einen gekrümmten Spiegel 22 reflektiert wird, der es Richtung Spiegeleinheit 3 reflektiert. Die Spiegeleinheit 3 ist hier als Windschutzscheibe 31 eines Kraftfahrzeugs dargestellt. Von dort gelangt das Strahlenbündel SB2 in Richtung eines Auges 61 eines Betrachters.
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Der Betrachter sieht ein virtuelles Bild VB, welches sich außerhalb des Kraftfahrzeugs oberhalb der Motorhaube oder sogar vor dem Kraftfahrzeug befindet. Durch das Zusammenwirken von Optikeinheit 2 und Spiegeleinheit 3 ist das virtuelle Bild VB eine vergrößerte Darstellung des vom Anzeigeelement 11 angezeigten Bildes. Hier sind symbolisch eine Geschwindigkeitsbegrenzung, die aktuelle Fahrzeuggeschwindigkeit sowie Navigationsanweisungen dargestellt. So lange sich das Auge 61 innerhalb der durch ein Rechteck angedeuteten Eyebox 62 befindet, sind alle Elemente des virtuellen Bildes für das Auge 61 sichtbar. Befindet sich das Auge 61 außerhalb der Eyebox 62, so ist das virtuelle Bild VB für den Betrachter nur noch teilweise oder gar nicht sichtbar. Je größer die Eyebox 62 ist, desto weniger eingeschränkt ist der Betrachter bei der Wahl seiner Sitzposition.
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Die Krümmung des gekrümmten Spiegels 22 ist an die Krümmung der Windschutzscheibe 31 angepasst und sorgt dafür, dass die Bildverzeichnung über die gesamte Eyebox 62 stabil ist. Der gekrümmte Spiegel 22 ist mittels einer Lagerung 221 drehbar gelagert. Die dadurch ermöglichte Drehung des gekrümmten Spiegels 22 ermöglicht ein Verschieben der Eyebox 62 und somit eine Anpassung der Position der Eyebox 62 an die Position des Auges 61. Der Faltspiegel 21 dient dazu, dass der vom Strahlenbündel SB1 zurückgelegte Weg zwischen Anzeigeelement 11 und gekrümmtem Spiegel 22 lang ist, und gleichzeitig die Optikeinheit 2 dennoch kompakt ausfällt. Die Optikeinheit 2 wird durch eine transparente Abdeckung 23 gegen die Umgebung abgegrenzt. Die optischen Elemente der Optikeinheit 2 sind somit beispielsweise gegen im Innenraum des Fahrzeugs befindlichen Staub geschützt. Auf der Abdeckung 23 befindet sich weiterhin eine optische Folie bzw. ein Polarisator 24. Das Anzeigeelement 11 ist typischerweise polarisiert und die Spiegeleinheit 3 wirkt wie ein Analysator. Zweck des Polarisators 24 ist es daher, die Polarisation zu beeinflussen, um eine gleichmäßige Sichtbarkeit des Nutzlichts zu erzielen. Ein Blendschutz 25 dient dazu, das über die Grenzfläche der Abdeckung 23 reflektierte Licht sicher zu absorbieren, sodass keine Blendung des Betrachters hervorgerufen wird. Außer dem Sonnenlicht SL kann auch das Licht einer anderen Störlichtquelle 64 auf das Anzeigeelement 11 gelangen. In Kombination mit einem Polarisationsfilter kann der Polarisator 24 zusätzlich auch genutzt werden, um einfallendes Sonnenlicht SL auszublenden.
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2 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße bildgebende Einheit 1 mit einer faseroptischen Platte 12. Die faseroptische Platte 12 ist auf einem Anzeigeelement 11 angeordnet, z.B. einem µLED-Display oder einem VCSEL-Display. Die faseroptische Platte 12 ist in Form eines faseroptischen Tapers, d.h. eines faseroptischen Konus ausgestaltet, der sich von seiner Einkoppelseite 123 zu seiner Auskoppelseite 124 aufweitet. Durch diese Aufweitung wird eine Vergrößerung eines Bildes erzielt, das vom Anzeigeelement 11 angezeigt wird. Gebildet wird die faseroptische Platte 12 durch ein hier nicht gezeigtes Faserbündel aus einer Vielzahl optischer Fasern, die das Licht auf der kleinen Fläche der Einkoppelseite 123 sammeln und über die große Fläche der Auskoppelseite 124 verteilen. Bei den optischen Fasern kann es sich beispielsweise um Glasfasern oder Polymerfasern handeln.
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3 zeigt schematisch einen Schnitt durch eine erste Ausführungsform einer faseroptischen Platte 12. Zu sehen ist ein Faserbündel 120, das in der vereinfachten Darstellung in Schnittrichtung lediglich sieben optische Fasern 121 umfasst. Vorzugsweise besteht aber eine 1:1-Zuordnung von optischen Fasern 121 zu den Pixeln des Anzeigeelements. Jede der optischen Fasern 121 hat eine optische Achse 122. Auf der Einkoppelseite 123 des Faserbündels 120 hat der Abstand zwischen den optischen Achsen 122 benachbarter optischer Fasern 121 einen Wert dE. Dieser ist kleiner als der Abstand dA der optischen Achsen 122 benachbarter optischer Fasern 121 auf der Auskoppelseite 124 des Faserbündels 120. Die optischen Fasern 121 sind in dieser Ausführungsform getaperte Fasern, d.h. sie weiten sich jeweils von der Einkoppelseite zur 123 zur Auskoppelseite 124 auf.
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4 zeigt schematisch einen Schnitt durch eine zweite Ausführungsform einer faseroptischen Platte 12. Dargestellt ist wiederum ein Faserbündel 120, das in Schnittrichtung lediglich sieben optische Fasern 121 umfasst. In dieser Ausführungsform handelt es sich bei den optischen Fasern 121 nicht um getaperte Fasern, d.h. der Durchmesser der Fasern 121 ändert sich von der Einkoppelseite zur 123 zur Auskoppelseite 124 nicht. Dennoch ist der Abstand dE zwischen den optischen Achsen 122 benachbarter optischer Fasern 121 auf der Einkoppelseite 123 des Faserbündels 120 kleiner als der Abstand dA der optischen Achsen 122 benachbarter optischer Fasern 121 auf der Auskoppelseite 124 des Faserbündels 120. Der dadurch zwischen den optischen Fasern 121 resultierende Zwischenraum 128 kann beispielsweise mit einem geeigneten Füllmaterial verfüllt werden, z.B. einem Kunststoff.
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5 zeigt schematisch einen Schnitt durch eine dritte Ausführungsform einer faseroptischen Platte 12. Diese Ausführungsform entspricht weitgehend der Ausführungsform aus 3, d.h. das Faserbündel 120 besteht wiederum aus getaperten optischen Fasern 121. Allerdings ist zur Vermeidung von Reflexen, die z.B. durch einfallendes Sonnenlicht verursacht werden können, das Faserbündel 120 relativ zu einer Achse 125 des Faserbündels 120 abgeschrägt. Zu diesem Zweck sind die Austrittsflächen 126 der optischen Fasern 121 relativ zu den optischen Achsen 122 der optischen Fasern 121 geneigt. In dieser Ausführungsform liegen die Lichtaustrittspunkte 127 der optischen Fasern 121 auf einer Fläche, die senkrecht zur Achse 125 des Faserbündels 120 ist und in der Figur durch eine gepunktete Linie angedeutet ist. Unter dem Lichtaustrittspunkt 127 ist hier der Schnittpunkt der optischen Achse 122 der Faser mit der Austrittsfläche 126 zu verstehen. Bei dieser Lösung werden die optischen Fasern 121 vorzugsweise zunächst einzeln abgeschrägt und dann zum Faserbündel 120 kombiniert. Zu beachten ist aber, dass es an den Rändern der der Austrittsflächen 126 zu unerwünschten Lichteffekten kommen kann.
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6 zeigt schematisch einen Schnitt durch eine vierte Ausführungsform einer faseroptischen Platte 12. Diese Ausführungsform entspricht weitgehend der Ausführungsform aus 5, d.h. das Faserbündel 120 besteht wiederum aus getaperten optischen Fasern 121 und ist zur Vermeidung von Reflexen relativ zu einer Achse 125 des Faserbündels 120 abgeschrägt. Zu diesem Zweck sind die Austrittsflächen 126 der optischen Fasern 121 wie schon in 5 relativ zu den optischen Achsen 122 der optischen Fasern 121 geneigt. In dieser Ausführungsform liegen die Lichtaustrittspunkte 127 der optischen Fasern 121 allerdings auf einer Fläche, die relativ zur Achse 125 des Faserbündels 120 geneigt ist. Bei dieser Lösung werden die optischen Fasern 121 zunächst zum Faserbündel 120 kombiniert, das dann als Ganzes abgeschrägt wird. Gut zu erkennen ist, dass der erzielbare Neigungswinkel der Austrittsflächen 126 relativ zu den optischen Achsen122 beschränkt ist. Zwischen der rechten Seite und der linken Seite des Faserbündels 120 besteht eine Distanz D in Richtung der Achse 125 des Faserbündels 120. Wenn diese Distanz D zu groß wird, kann es zu Abbildungsfehlern kommen.
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7 zeigt schematisch ein Head-Up-Display mit einer erfindungsgemäßen bildgebenden Einheit 1. Das Head-Up-Display ist weitgehend identisch mit dem in 1 dargestellten Head-Up-Display, sodass auf die dortige Beschreibung verwiesen werden kann. Allerdings umfasst die bildgebende Einheit 1 nun neben dem deutlich kleineren Anzeigeelement 11 eine faseroptische Platte 12 zum Vergrößern des vom Anzeigeelement 11 angezeigten Bildes. Der restliche Aufbau des Head-Up-Displays kann unverändert beibehalten werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 8009949 B1 [0004]
- DE 10144075 A1 [0007]
