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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft eine Blickfeldanzeigevorrichtung, die insbesondere zum Einsatz in einem Kraftfahrzeug oder einem anderen Land-, Luft- oder Wasserfahrzeug geeignet ist und zum Erzeugen eines virtuellen Anzeigebilds im Blickfeld eines Benutzers, insbesondere eines Fahrers, über Reflexion eines Projektionslichtstrahlenbündels mit einem gewünschten Anzeigeinhalt an einer Projektionsscheibe, insbesondere einer Frontscheibe des Fahrzeugs, ausgebildet ist. Die Erfindung betrifft auch ein damit ausgestattetes Fahrzeug.
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Technischer Hintergrund
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Blickfeldanzeigevorrichtungen sind insbesondere unter der Bezeichnung Head-up-Display (HUD) bekannt. Beispielsweise in einem Kraftfahrzeug kann damit ein gewünschter Anzeigeinhalt, wie eine Angabe über eine Geschwindigkeitsbegrenzung oder andere nützliche Navigations- und Fahrzeugbedienungshinweise, in Form eines virtuellen Anzeigebilds dem vom Fahrer beobachteten realen Umgebungsbild vor dem Fahrzeug überlagert werden. Hierzu umfasst eine Blickfeldanzeigevorrichtung in klassischer Bauweise ein unterhalb einer Oberseite der Instrumententafel untergebrachtes Display mit einer geeigneten Abbildungs- und Projektionsoptik, um ein Projektionslichtstrahlenbündel mit gewünschtem Anzeigeinhalt zu erzeugen und so auf eine Projektionsscheibe, die eine Frontscheibe des Kraftfahrzeugs oder eine extra davor vorgesehene Combinerscheibe sein kann, zu lenken, dass es von dieser zum Fahrer hin reflektiert wird, um das virtuelle Anzeigebild in sein Blickfeld hinter der Projektionsscheibe zu projizieren.
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Bei dieser HUD-Bauart deckt das virtuelle Anzeigebild allerdings einen relativ kleinen Raumwinkelbereich (Field-of-View) im Blickfeld des Benutzers ab, welcher in der Regel nur bis knapp an den Horizont reicht. Einer Vergrößerung des Field-of-View steht der begrenzte Bauraum innerhalb der Instrumententafel entgegen. Insbesondere nimmt die bekannte Projektionsoptik viel Platz in vertikaler Richtung ein. Der Fahrer blickt dabei gleichsam in ein Fernrohr, sodass für ihn ein nahes, am Display im HUD-Inneren erzeugtes Anzeigebild in der Ferne vor dem Kraftfahrzeug erscheint. Damit ist entsprechend einer „Öffnung des Fernrohrs“ nur ein begrenzter Raumwinkelbereich abdeckbar, der sich beispielsweise für statische Anzeigeinhalte ähnlich einer Kombi-Instrumententafel in einem Kraftfahrzeug eignet. Kontaktanaloge, an realen Umgebungsobjekten vor dem Fahrzeug orientierte virtuelle Darstellungen, wie beispielsweise aus Augmented-Reality (AR) bekannt, sind außerhalb dieses begrenzten Raumwinkelbereichs und einer meist fest durch die Abbildungs- und Projektionsoptik festgelegten Entfernung des virtuellen HUD-Anzeigebilds hingegen nicht möglich.
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Andererseits ist beispielsweise aus
DE 10 2009 054 232 A1 ein Head-up-Display zur stereoskopischen Informationsanzeige in einem Kraftfahrzeug bekannt, das Bilderzeugungsmittel zur Erzeugung zweier unterschiedlicher, für die beiden Augen eines Insassen bestimmter Einzelbilder und eine Anzeigeeinheit aufweist, auf welcher Leuchtpunkte erzeugbar sind, deren Lichtstrahlen durch Spiegelung an der Windschutzscheibe des Kraftfahrzeugs für den Insassen sichtbar sind. Ferner sind im Strahlengang zwischen der Anzeigeeinheit und der Windschutzscheibe Ablenkmittel, wie z. B. eine matrixartige Anordnung kleiner Linsen, vorgesehen, die Lichtstrahlen unterschiedlicher Leuchtpunkte in unterschiedliche Abstrahlrichtungen ablenken. Zudem sorgen Bildpunktzuordnungsmittel für eine derartige Zuordnung von Bildpunkten der Einzelbilder zu Leuchtpunkten der Anzeigeeinheit, dass für das linke Auge des Insassen das dafür bestimmte Einzelbild und für das rechte Auge des Insassen das dafür bestimmte Einzelbild sichtbar ist. Eine autostereoskopische Displayanzeige dieser Art kann für eine kontaktanaloge Darstellung der Inhalte besonders günstig sein, da sie virtuelle Anzeigebilder mit Tiefenwirkung erzeugt.
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Bei Blickfeldanzeigevorrichtungen sind ferner in der Regel zusätzliche Maßnahmen vorgesehen, die Störreflexionen von Umgebungslicht an deren Bauteilen, die zu einer Blendung des Benutzers führen könnten, unterbinden. Hierzu wird bei der oben genannten klassischen HUD-Bauweise beispielsweise eine in der Oberseite der Instrumententafel angeordnete Deckscheibe, die das HUD nach außen verschließt, geometrisch entspiegelt (sogenannte Glaretrap). Daraus bekannte Entspiegelungstechniken eignen sich allerdings nicht für ein direkt gegenüber der Frontscheibe angeordnetes Display in einem im Vergleich zum klassischen HUD flacheren und daher auch großflächiger ausführbaren HUD-Aufbau, der sich insbesondere für AR-Anzeigen eignen würde.
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Ein weiteres Problem, das für Blickfeldanzeigevorrichtungen in einem Fahrzeug insbesondere im Zusammenhang mit AR-Anwendungen in den Vordergrund tritt, ist eine erhöhte Anforderung an die Helligkeit des virtuellen Anzeigebildes von beispielsweise ca. 10.000 cd/m2, wenn virtuelle Anzeigeinhalte näher am Horizont und/oder über die Horizonthöhe hinaus dargestellt werden und daher auch vor einem hellen oder hell erleuchteten Hintergrund für den Benutzer gut sichtbar sein sollen. Wegen in der Regel hoher Reflexionsverluste an der Frontscheibe müsste dafür ein bilderzeugendes Display in einer für HUDs wie auch für die Consumer-Elektronik derzeit marktüblichen Bauweise an dessen Oberfläche Projektionslicht mit bis zu 100.000 cd/m2 abstrahlen, was allerdings für eine im Fahrzeug integrierbare Displaytechnologie, insbesondere einen Flüssigkristallbildschirm (LCD, liquid crystal display), unter anderem aufgrund entsprechend erhöhter Kühlleistungsanforderung, schwer zu realisieren ist.
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Ein Ansatz zur Erhöhung der Leuchtkraft eines mit einer Vorrichtung wie z. B. HUD dargestellten Bilds ist aus
DE 195 40 108 C2 bekannt. Diese Druckschrift offenbart eine Vorrichtung zur Darstellung eines ersten Bildes in einem zweiten Bild, das durch eine durchsichtige Scheibe sichtbar ist, an der vom ersten Bild ausgehendes Licht reflektiert wird und die so angeordnet ist, dass das erste und das zweite Bild von einem Betrachter unter gleichem Blickwinkel erfassbar sind. Es ist mindestens eine Lichtquelle für im Wesentlichen paralleles Licht vorgesehen, mit der das vom ersten Bild ausgehende Licht im Kopfbereich des Betrachters als Lichtbündel mit geringer Aufweitung größer als die Kopfbreite und kleiner als 50 cm erzeugbar ist. In
DE 195 40 108 C2 offenbarte Ausführungsbeispiele beschränken sich zum einen auf einen Streuscheibe oder eine in selektiv ansteuerbare Segmente unterteilte LCD-Matrix, zu deren Aus- bzw. Hinterleuchtung ein mittels eines drehbaren Spiegels auslenkbarer paralleler Lichtstrahl einer einzigen Lichtquelle in Form einer LED oder von drei Lasern mit den Farben Rot, Grün und Blau, mit parallelisierender Optik, dient. Als Alternative ist ferner nur eine zur Bilderzeugung angesteuerte selbstleuchtende Laserdiodenmatrix oder selbstleuchtende LED-Matrix angegeben, bei der bereits der Aufbau selbst oder eine Folie mit linsenartigen Erhebungen für die geringe Aufweitung sorgen und vor der lediglich optional ein p-polarisierender Filter neben der Abbildungsoptik angeordnet ist.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine insbesondere im Hinblick auf die Sichtbarkeit und den Kontrast des virtuellen Anzeigebilds weiter verbesserte Blickfeldanzeigevorrichtung, die insbesondere für AR-Anwendungen Erzeugung virtueller Anzeigebilder in einem erweiterten Blickwinkelbereich des Benutzers ermöglichen kann, sowie ein damit ausgestattetes Kraftfahrzeug anzugeben.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird durch eine Blickfeldanzeigevorrichtung gemäß Anspruch 1 sowie ein damit ausgestattetes Fahrzeug gemäß dem nebengeordneten Anspruch gelöst. Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Alle in den Ansprüchen und der Beschreibung für die Blickfeldanzeigevorrichtung genannten weiterführenden Merkmale und Wirkungen gelten auch in Bezug auf das damit ausgestattete Fahrzeug, wie auch umgekehrt.
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Gemäß einem ersten Aspekt ist eine Blickfeldanzeigevorrichtung, beispielsweise ein Head-up-Display (HUD), vorgesehen, die sich insbesondere auch für AR (Augmented Reality) und andere Anwendungen eignen kann (jedoch nicht zwingend muss), die Darstellung eines virtuellen Anzeigebilds in einem möglichst weiten Raumwinkelbereich (Field-of-View) vor einem Benutzer erfordern. Die Blickfeldanzeigevorrichtung kann insbesondere zum Einsatz in einem Fahrzeug ausgelegt sein, bei dem es sich um ein Kraftfahrzeug oder ein beliebiges anderes Land-, Luft- oder Wasserfahrzeug handeln kann.
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Die Blickfeldanzeigevorrichtung der hierin dargelegten Art umfasst eine bildgebende Einheit, die zum Erzeugen eines Projektionslichtstrahlenbündels mit einem Anzeigeinhalt ausgebildet ist. Hierzu umfasst die bildgebende Einheit eine transmissive Displayanzeigeschicht, die eine Displayfläche bildet, indem sie eine Vielzahl von flächig (insbesondere im Wesentlichen gleichmäßig) verteilten selektiv ansteuerbaren transmissiven Anzeigeelementen aufweist, sowie ein zu deren Hinterleuchtung ausgebildetes sogenanntes Matrix-Backlight, das eine Vielzahl von entlang der transmissiven Displayanzeigeschicht (insbesondere im Wesentlichen gleichmäßig in zweidimensionaler unregelmäßiger oder regelmäßiger, beispielsweise hexagonaler, Anordnung) verteilten selektiv ansteuerbaren Lichtquellen aufweist. Bei den Lichtquellen kann es sich insbesondere um hocheffiziente Lichtquellen wie LEDs, beispielsweise Weißlicht-LEDs, handeln. Die transmissive Displayanzeigeschicht kann beispielsweise als eine Flüssigkristallanzeigeschicht (auch als LCD-Panel bezeichnet) ausgebildet sein, d. h. es kann sich bei deren selektiv ansteuerbaren Anzeigeelementen um Flüssigkristall-Anzeigeelemente handeln. Ferner umfasst die bildgebende Einheit ein zweidimensionales Kollimationsarray, das zwischen jeweils einer Lichtquelle und der transmissiven Displayanzeigeschicht angeordnete Kollimatoren, die insbesondere als Kollimationslinsen ausgebildet sein können, aufweist (vgl. 2a). Bei einer hexagonalen Anordnung der Lichtquellen können die darüber angeordneten Kollimatoren beispielsweise in einer flächendeckenden Weise als sechseckige Kollimationslinsen ausgestaltet sein.
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Die Begriffe „Fläche“ und „flächig“ werden hierin ganz allgemein für eine zweidimensionale Anordnung, Verteilung, Oberfläche und dergleichen verwendet. Es kann sich dabei insbesondere um eine „Ebene“ bzw. eine „ebene“ geometrische Form handeln, dies ist jedoch nicht zwingend, und die beschriebene Vorrichtung kann ohne Nachteil für die dargelegte optische Funktionalität auch von einer ebenen Geometrie abweichen, um beispielsweise für AR-Anwendungen eine großflächige Ausgestaltung und deren Integration in einem Fahrzeug zu erleichtern. Mit anderen Worten kann eine „Fläche“ oder „flächige“ Ausgestaltung hierin jeweils zumindest bereichsweise eben oder aber gekrümmt oder gewölbt sein. Insbesondere kann sie an eine Wölbung einer Oberseite der Instrumententafel eines Kraftfahrzeugs angepasst sein, beispielsweise indem sie gestuft oder geschachtelt aus mehreren kleineren Teilflächen, wie z. B. ebenen Displayabschnitten, aufgebaut ist.
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Weiterhin umfasst die Blickfeldanzeigevorrichtung eine im Strahlengang des von der bildgebenden Einheit erzeugten Projektionslichtstrahlenbündels derart angeordnete und zu dessen Reflexion zu einem Benutzer hin ausgebildete Projektionsscheibe, dass dahinter ein virtuelles Anzeigebild im Blickfeld des Benutzers im Betrieb der Blickfeldanzeigevorrichtung erzeugt wird. Die Projektionsscheibe kann insbesondere durch eine Frontscheibe des Fahrzeugs oder eine eigens hierzu vorgesehene, davor angeordnete Combiner-Scheibe in an sich bekannter Weise gebildet sein.
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Insbesondere kann die Projektionsscheibe dabei rückseitig zumindest teilweise transparent sein, damit das virtuelle Anzeigebild in das vom Benutzer beobachtete reale Umfeld hinter der Projektionsscheibe eingeblendet werden kann.
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Dabei ist jeder Kollimator des oben genannten Kollimationsarrays zum Bündeln eines von der zugehörigen Lichtquelle ausgehenden Teilstrahlenbündels gemäß einer vorbestimmten Abstrahlcharakteristik ausgebildet, die zum Beschränken des zum Benutzer reflektierten Projektionslichtstrahlenbündels im Wesentlichen auf einen für seine Augen vorbestimmten Raumbereich (Eyebox) ausgelegt ist. Die vorbestimmte Abstrahlcharakteristik kann zwar in einem einfachen Fall für mehrere oder sogar für alle Lichtquellen des Matrix-Backlights gleich sein, sie kann aber insbesondere bei großflächig ausgedehnten Display- und virtuellen Anzeigebildflächen auch von Lichtquelle zu Lichtquelle variieren, um beispielsweise eine möglichst homogene Ausleuchtung der Eyebox und/oder der virtuellen Anzeigebildfläche zu erreichen. Mit anderen Worten kann mittels des Kollimationsarrays ein zum (insbesondere im Wesentlichen homogenen) Ausleuchten der Eyebox, und im Wesentlichen auch nur der Eyebox, geeignetes Vektorfeld von Abstrahlcharakteristiken für die Lichtquellen des Matrix-Backlights und damit auch für die zugehörigen Flächensegmente der darüber liegenden transmissiven Displayanzeigeschicht realisiert sein. (In Bezug auf die bildgebende Einheit hierin verwendete Begriffe wie „darüber/darunter“, „dahinter/davor“ und dergleichen sind jeweils in Strahlausbreitungsrichtung des Projektionslichts zu verstehen.)
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Eine Idee der vorliegenden Blickfeldanzeigevorrichtung besteht in dem Einsatz eines Matrix-Backlights aus einer Vielzahl von flächig, und insbesondere zumindest abschnittsweise gleichmäßig, hinter der transmissiven Displayanzeigeschicht (z. B. LCD-Panel) angeordneten Lichtquellen, in Kombination mit der Bündelung der von einzelnen Lichtquellen erzeugten Teilstrahlenbündel durch einen jeweils zugehörigen Kollimator. Dieser Aufbau der bildgebenden Einheit ermöglicht im Vergleich zu allen bekannten HUD-Vorrichtungen, die ohne Matrix-Backlight und/oder ohne Kollimatoren arbeiten, bei vergleichbarem Energieverbrauch ein deutlich helleres und insbesondere auch homogeneres Backlight im Format einer „Pralinenschachtel“, d. h. mit einem kompakten Flachaufbau einer Dicke von nur wenigen Zentimetern, beispielsweise nur etwa 3 cm, was sowohl aus thermischer als auch geometrischer Sicht eine problemlose Integration in einem Fahrzeug begünstigt. Der Aufbau ist insbesondere in einem Oberflächenbereich einer Instrumententafel eines Fahrzeugs anbringbar und in einfacher Weise lateral skalierbar, d. h. insbesondere auch für virtuelle Anzeigen nah an und über dem Horizont und für AR-Anwendungen gut geeignet. Die Gründe hierfür werden nachfolgend genauer erläutert.
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Durch die genannte Kollimation kann die Lichtausbeute der Hintergrundbeleuchtung in Relation zur eingesetzten elektrischen Energie insbesondere um einen Faktor von etwa 10 erhöht werden. Der reduzierte Energieverbrauch und die damit verbundene reduzierte Kühlleistungsanforderung ermöglicht wiederum den Einsatz einer transmissiven Displayanzeigeschicht (z. B. eines LCD-Panels) mit einer großflächigen Hintergrundbeleuchtung in Form eines Matrix-Backlights, was bislang nur für Flüssigkristall-basierte Flachbildschirme etwa in der Consumer-Elektronik bekannt war, auch für eine Blickfeldanzeigevorrichtung in einem Fahrzeug, wo zusätzliche Problemaspekte wie Reflexionsverluste an der Frontscheibe, Sichtbarkeit bei hellem Hintergrund, begrenzter Bauraum und Kühlungsmöglichkeit etc. hinzukommen und mit dem vorliegenden Aufbau in synergetischer Weise gelöst werden können:
- Eine eingangs erwähnte Anforderung an die Helligkeit des virtuellen Anzeigebildes von beispielsweise ca. 10.000 cd/m2 für virtuelle Anzeigeinhalte vor einem hellen oder hell erleuchteten Hintergrund und die aufgrund meist hoher Reflexionsverluste an der Frontscheibe resultierende Anforderung an die Displayhelligkeit von etwa 100.000 cd/m2 ist mit der vorliegenden Blickfeldanzeigevorrichtung erreichbar, da es zum Darstellen eines virtuellen Anzeigebilds im Gegensatz zu den Flachbildschirmen in der Consumer-Elektronik ausreichend ist, den Bereich der Eyebox des Fahrers oder eines anderen Benutzers auszuleuchten. Hingegen ist die Helligkeit von kommerziellen Displays in der Consumer-Elektronik in der Regel auf möglichst breite Einblickwinkel optimiert, und das genannte Maß „Candela pro Quadratmeter“ bezieht sich dort auf eine Lichtabstrahlung in einen gesamten über der Displayfläche liegenden Halbraum. Die hierin eingesetzte Kollimation des erzeugten Lichts in die Eyebox reduziert jedoch die gesamthaft erforderliche Lichtmenge um ca. einen Faktor 10.
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Ein zusätzlicher Synergieeffekt kann sich beim Einsatz eines Matrix-Backlights für ein LDC-Panel eines AR-HUDs in großflächiger Flachbauweise (dessen Field-of-View beispielsweise von einer Frontscheibenwurzel bis zum Horizont reichen kann) dadurch ergeben, dass einzelne Lichtquellen in der Fläche des Matrix-Backlights selektiv ansteuerbar sind, um nur diejenigen Pixel der darüber liegenden transmissiven Displayanzeigeschicht zu hinterleuchten, die gerade zum virtuellen Anzeigebild beitragen sollen. Für den Betrieb eines AR-HUDs ist es dabei gerade als Regelfall zu erwarten, dass nur sehr sparsam Objekte in das Blickfeld des Fahrers eingeblendet werden, um diesen nicht unnötig abzulenken. Daher ist damit zu rechnen, dass meist nur ein Bruchteil der Displayfläche mit zusammenhängenden Objekten ausgeleuchtet wird. Dadurch kann der vorliegende Matrix-Backlight-Ansatz die elektrische Leistungsaufnahme einer LCD-basierten Blickfeldanzeigevorrichtung nochmals um einen Faktor 5 bis 10 reduzieren. Insgesamt wäre damit eine Energieersparnis um einen Faktor 50 bis 100 gegenüber Blickfeldanzeigevorrichtungen mit LCDs, deren Hintergrundbeleuchtung nicht in Matrix-Form und ohne Kollimation ausgeführt ist, möglich.
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Dabei kann das Konzept des Matrix-Backlights insbesondere dann am effizientesten sein, wenn dessen individuell schaltbaren Segmente möglichst klein sind, beispielsweise in einem Idealfall etwa genauso groß sind wie die darüber liegenden Pixel, die durch die selektiv ansteuerbaren Anzeigeelemente gebildet sind. Des Weiteren ist das Matrix-Backlight-Konzept lateral, d. h. entlang der transmissiven Displayanzeigeschicht, durch Erweitern seiner Fläche um weitere Lichtquellen in einfacher Weise skalierbar und kann auch deshalb dazu genutzt werden, den durch Kollimation bewirkten Effekt zur Reduktion der elektrischen Leistungsaufnahme wie beschrieben noch weiter zu erhöhen.
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Ein weiterer Effekt beim Einsatz eines Matrix-Backlights in einer LCD-basierten Blickfeldanzeigevorrichtung besteht darin, dass dadurch schwarze Bildbereiche wirklich schwarz darstellbar sind und nicht etwa das Backlight in Bildbereichen durchschimmert, die schwarz bleiben sollten (sogenannter unerwünschter „Postkarteneffekt“ bei HUD-Aufbauten mit einem Backlight ohne selektive Lichtquellenansteuerung).
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Da das Kollimationsarray vorliegend nicht im Strahlengang des in der Displayfläche erzeugten Anzeigeinhalts, sondern zwischen dem Matrix-Backlight und der transmissiven Displayanzeigeschicht angeordnet ist, kann die Displayfläche grundsätzlich unabhängig davon weitere Funktionsschichten, wie z. B. ein Lentikularlinsenarray für eine autostereoskopische Anzeige der eingangs erwähnten Art aufweisen, die abhängig von einer aktuellen Benutzerposition zwei verschiedene 2D-Bilder für das linke und das rechte Auge des Benutzers erzeugt, um bei ihm einen räumlichen Eindruck des dargestellten virtuellen Anzeigebilds zu bewirken.
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Insbesondere kann bei der Blickfeldanzeigevorrichtung der hierin dargelegten Art jede Lichtquelle in oder nahe an einem Brennpunkt oder einer Brennebene des zugehörigen optischen Kollimators angeordnet sein, sodass das von ihr abgestrahlte divergente Teilstrahlenbündel gemäß der jeweiligen vorbestimmten Abstrahlcharakteristik zu einem weitgehend parallelen Teilstrahlenbündel mit einem vorbestimmten Kleinöffnungswinkel von beispielsweise etwa +/-5° (also insgesamt etwa 10°) um eine vorbestimmte Ausbreitungsrichtung, die insbesondere von Lichtquelle zu Lichtquelle variieren kann, kollimiert wird. Die hierin beschriebene Anordnung kann insbesondere für eine homogene Helligkeitsverteilung in der Eyebox über die optische Auslegung von deren optischen Komponenten und insbesondere über eine geeignete Wahl der genannten Abstrahlcharakteristik in der gesamten Displayfläche optimiert werden.
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Bei einer spezifischen Ausgestaltung der Blickfeldanzeigevorrichtung können die Kollimatoren des Kollimationsarrays bewegbar relativ zu den Lichtquellen ausgebildet sein. Insbesondere kann hier das gesamte Kollimationsarray lateral verschiebbar relativ zu einer Ebene oder (nicht zwingend durchgehend ebenen) Fläche des Matrix-Backlights, in der die Lichtquellen angeordnet sind, ausgebildet sein. Bei dieser Ausgestaltung umfasst die Blickfeldanzeigevorrichtung ferner eine Steuerungseinheit, die dazu ausgebildet ist, die Kollimatoren und damit die vorbestimmte(n) Abstrahlcharakteristik(en) des Projektionslichtstrahlenbündels einer beispielsweise per Eyetracking ermittelten aktuellen Benutzerposition, insbesondere einer Augenposition oder Blickrichtung, nachzuführen. Dies kann beispielsweise durch laterales Verschieben des gesamten Kollimationsarrays entlang des Matrix-Backlights implementiert sein.
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Bei dieser spezifischen Ausgestaltung kann das bewegbare Kollimationsarray beispielsweise bezüglich der jeweiligen Kollimationswinkel so präzise ausgelegt werden, dass im Betrieb nur ein schmaler Streifen der Eyebox ausgeleuchtet wird, in dem sich gerade die Augen des Benutzers per Eyetracking identifiziert wurden. In diesem Fall kann dann ein mechanisches Nachführen der Positionierung der Lichtquellen relativ zum Kollimationsarray dazu genutzt werden, um eine innerhalb der Eyebox geänderte Augenposition wieder optimal auszuleuchten. Dafür könnte z. B. ein Kollimationslinsenarray gesamthaft mechanisch horizontal gegen die Ebene der als LEDs ausgebildeten Lichtquellen verschoben werden. Damit ließe sich die Effizienz des Systems nochmal steigern und die elektrische Leistungsaufnahme nochmal reduzieren.
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Bei einer hierzu alternativen oder zusätzlichen spezifischen Ausgestaltung kann ferner ein Abstand zwischen dem Matrix-Backlight und dem Kollimationsarray in Strahlausbreitungsrichtung des Projektionslichts zur Änderung der vorbestimmten Abstrahlcharakteristik(en), d. h. vor allem der Kollimationswirkung bzw. der Bündelung, mechanisch verstellbar sein. Damit kann die Blickfeldanzeigevorrichtung in verschiedenen Betriebszuständen betrieben werden: beispielsweise für alle Fahrzeuginsassen einsehbar sein, indem eine breite Abstrahlcharakteristik eingestellt ist, d. h. wenig kollimiertes Licht erzeugt wird, oder aber nur von einem Insassen sichtbar sein, indem eine geeignete schmale Abstrahlcharakteristik eingestellt wird. Die genannte Abstandsverstellung kann insbesondere zumindest teilweise automatisiert mithilfe einer geeigneten Steuerungseinheit zum Ansteuern geeigneter elektromechanischer Verstellantriebe der bildgebenden Einheit implementiert sein.
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Insbesondere kann dabei ein Schalten zwischen einem für einen einzigen Benutzer vorgesehenen Privatmodus, bei dem nur ein für dessen Augen vorgesehener Raumbereich (Einzelbenutzer-Eyebox) ausgeleuchtet wird, und einem für mehrere Benutzer, beispielsweise für einen Fahrer und einen Beifahrer oder für mehrere Passagiere des Fahrzeugs, vorgesehenen Gemeinschaftsmodus, bei dem ein für Augen der mehreren Benutzer vorgesehener Raumbereich (Mehrbenutzer-Eyebox) ausgeleuchtet wird, ermöglicht sein. Die Ausrichtung des Projektionslichtstrahlenbündels allein auf die Eyebox des Fahrers oder eines anderen Einzelbenutzers kann dazu genutzt werden, dass andere Fahrzeuginsassen nicht vom Projektionslicht geblendet werden und/oder die dargestellten Anzeigeinhalte nicht einsehen können (sogenanntes Privacy-Feature).
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Bei einer spezifischen Ausgestaltung der Blickfeldanzeigevorrichtung können die Lichtquellen des Matrix-Backlights unabhängig voneinander dimmbar ausgebildet sein. Dies kann beispielsweise durch den Einsatz von Potenziometern und/oder durch zeitliches Pulsen mit einem geeigneten Verhältnis von Hell- und Dunkelzeiten Vhd innerhalb einer vom menschlichen Auge nicht als Einzelbild erkennbaren Periode von z. B. typisch τ < 20ms, implementiert sein. Bei dieser Ausgestaltung umfasst die Blickfeldanzeigevorrichtung ferner eine Steuerungseinheit, die dazu ausgebildet ist, die Lichtquellen des Matrix-Backlights gemäß einer vorbestimmten Korrekturfunktion H1(x,y), wobei (x,y) beispielsweise kartesische Koordinaten in der Displayfläche sein können, zum Erhöhen einer Helligkeitshomogenität im virtuellen Anzeigebild und/oder zu situationsbedingter Helligkeitsanpassung des Matrix-Backlights in seiner Fläche unabhängig voneinander zu dimmen.
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Damit können beispielsweise einzelne Bereiche im virtuellen Anzeigebild, die der jeweiligen Stelle (x,y) der Displayfläche entsprechen, über eine geeignete Korrekturfunktion H1(x,y) so ausgeleuchtet werden, dass eine Homogenität über das ganze virtuelle Anzeigebild gewährleistet wird. Die Korrekturfunktion H1(x,y), insbesondere Vhd(x,y), kann die Dimmung einzelner Lichtquellen beispielsweise so anpassen, dass eine etwaige Granularität kompensiert wird und ein homogenes virtuelles Anzeigebild entsteht. Eine Granularität ist hier diejenige Teilfläche der Displayfläche, die von einer einzelnen Lichtquelle, z. B. der einzelnen Weißlicht-LED, ausgeleuchtet wird.
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Durch die genannte Dimmung einzelner Lichtquellen des Matrix-Backlights können beispielsweise auch Inhomogenitäten im virtuellen Anzeigebild ausgeglichen werden, die auf einer größeren räumlichen Skala entstehen, z. B. dadurch, dass sich die Reflektivität der Frontscheibe ändert. Dieses Konzept kann auch dafür genutzt werden, einen als Projektionsscheibe genutzten Bereich der Frontscheibe, in dem die Reflexion des Projektionslichtstrahlenbündels zum Benutzer hin entsteht, mit einem schwarzen Hintergrund etwa gemäß einem aus anderen Gründen erforderlichen Transmissionsverlauf zu belegen, z. B. unten intransparent, nach oben zunehmend transparenter, um gesetzliche Vorgaben für die Transmission bis zu vorgeschriebenen Sichtlinien zu gewährleisten. Dies kann zu einer Erweiterung des mit der Blickfeldanzeigevorrichtung in einem Fahrzeug abdeckbaren Field-of-Views in grundsätzlich alle Bereiche der Frontscheibe unter Beibehaltung hoher Darstellungsqualität und Sichtbarkeit des virtuellen Anzeigebilds für den Benutzer genutzt werden.
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Bei einer spezifischen Ausgestaltung der Blickfeldanzeigevorrichtung kann die bildgebende Einheit ferner optische Diffusoren zum Erhöhen einer Helligkeitshomogenität im virtuellen Anzeigebild aufweisen, die jeweils im Strahlengang des Teilstrahlenbündels einer Lichtquelle, insbesondere symmetrisch um dessen Ausbreitungsrichtung, zwischen der Lichtquelle und dem zugehörigen Kollimator und/oder zwischen dem Kollimator und der transmissiven Displayanzeigeschicht angeordnet sein können. Ein Diffusor kann insbesondere kreis- oder ringförmig um die jeweilige Ausbreitungsrichtung des Teilstrahlenbündels ausgestaltet sein. Beispielsweise kann jeweils ein ringförmiger Diffusor pro eine Lichtquelle (z. B. eine LED) symmetrisch bezüglich der Lichtausbreitungsrichtung zwischen der Lichtquelle und einem z. B. als 6-Eck-Linse ausgebildeten Kollimator und/oder zwischen dem Kollimator und der transmissiven Displayanzeigeschicht vorgesehen sein, um die Homogenität des Strahlenbündels zu optimieren, indem beispielsweise aus Flächenbereichen mit zu viel Licht ein Teil herausgestreut wird. Der jeweilige Diffusor kann dazu bei Bedarf so ausgelegt sein, dass die Diffusionseigenschaft eine optimierte Funktion über den Ort aufweist (z. B. eine Radialfunktion bezüglich der jeweiligen Ausbreitungsrichtung des Teilstrahlenbündels einer Lichtquelle).
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Etwaige trotz der voranstehend getroffenen Maßnahmen weiterhin auftretende Inhomogenitäten in der Helligkeit des virtuellen Anzeigebildes aus der Perspektive der Eyebox können durch eine weitere Korrekturfunktion H2(x,y) ausgeglichen werden, indem beispielsweise eine Inhomogenität eines optischen Testbildes (z. B. vollständig weiß) auf der Displayoberfläche vermessen wird. Daraus kann eine Funktion H* wie z. B. eine Helligkeit über die Koordinaten (x,y) der Display-Pixel ermittelt werden. Bei optimaler Homogenität des Matrix-Backlights ggf. einschließlich der eingebrachten Diffusoren weist H*(x,y) immer etwa den gleichen Wert auf. Sofern bei verbleibenden Inhomogenitäten im virtuellen Anzeigebild die Werte von H*(x,y) nicht zu stark schwanken, d. h. in einem durch Anwendung der Korrekturfunktion H2(x,y) ausgleichbaren vorbestimmten Schwankungsbereich liegen, kann die Funktion H2(x,y) genutzt werden, um ein beliebiges Bild, das auf dem Display dargestellt werden soll, so in der Helligkeit zu korrigieren, indem zu helle Punkte in der Helligkeit durch geeignete Dimmung der Display-Pixel auf die dunkleren Bereiche angepasst werden, so dass das Bild für den Betrachter wieder homogen aussieht. Diese Korrektur auf Basis der Korrekturfunktion H2(x,y) kann insbesondere im Rahmen der Bilddatengenerierung, z. B. beim Rendering, durch geeignete Software-Algorithmen implementiert sein und beim Betrieb ablaufen. Damit können die helleren Bereiche individuell und pixelgenau in jeder Bildsituation auf den Helligkeitswert weniger hell hinterleuchteter Pixel reduziert. Dabei können auch Ausnahmesituationen von diesem Vorgehen einprogrammiert sein, wo das volle Helligkeitspotenzial des Backlights gebraucht wird, wie z. B. bei einer Blendung von vorne durch Reflexion der Sonne auf regennasser Fahrbahn. In diesem Fall kann die Homogenitätskorrektur situativ schrittweise aufgehoben bzw. angehoben werden, so dass das Bild zwar inhomogen bezüglich der Helligkeit erscheint, jedoch die hellsten Bereiche der Displayfläche so hell wie möglich leuchten. Falls erforderlich, kann die Funktion H2(x,y) auch spezifisch für die einzelnen Grundfarben r/g/b ermittelt und angewendet werden.
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Gemäß einer Ausführungsform weist die Blickfeldanzeigevorrichtung ferner eine auf der bildgebenden Einheit, insbesondere unmittelbar auf deren durch die transmissive Displayanzeigeschicht samt deren etwaigen Funktions- und Schutzschichten (wie z. B. einer Lentikularlinsenanordnung eines autostereoskopischen Displays) gebildeten Oberfläche, angeordnete reflexunterdrückende Anordnung auf. In einer speziellen Ausführung ist diese reflexunterdrückende Anordnung als eine Umlenkanordnung ausgebildet mit einer oder mehreren sich entlang der transmissiven Displayanzeigeschicht in einem vorbestimmten spitzen Winkel dazu erstreckenden ebenen Reflexionsflächen. Dabei sind die Reflexionsflächen zum Lenken des von der bildgebenden Einheit erzeugten Projektionslichtstrahlenbündels auf die Projektionsscheibe zum Erzeugen des virtuellen Anzeigebilds im Blickfeld des Benutzers dahinter ausgebildet und angeordnet. Zudem sind die Reflexionsflächen auf deren Rückseiten zu einer Störreflexunterdrückung, insbesondere vollflächig, lichtabsorbierend ausgebildet.
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Die mehreren zueinander parallelen Reflexionsflächen der reflexunterdrückenden Umlenkanordnung können untereinander gleich ausgebildet sein oder aber sich in deren Form oder Größe voneinander unterscheiden. Abhängig von deren Form und Größe kann deren Abstand voneinander in einer zu deren Erstreckungsrichtung senkrechten Richtung derart gewählt sein, dass eine nahezu vollständige Störreflexunterdrückung und eine im Wesentlichen verlustfreie und formerhaltende Umlenkung des Projektionslichtstrahlenbündels gewährleistet sind. Einige Beispiele hierfür sind weiter unten angegeben. Für die Rückseiten der Reflexionsflächen ist grundsätzlich jede an sich bekannte (sonnen-)lichtabsorbierende Beschichtung geeignet, beispielsweise eine matte schwarze Schicht.
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Im Gegensatz zu der eingangs erwähnten herkömmlichen HUD-Bauart mit einer im Inneren der Instrumententafel eines Kraftfahrzeugs untergebrachten Projektionsoptik hat eine Blickfeldanzeigevorrichtung gemäß dieser Ausführungsform einen deutlich flacheren Aufbau und kann beispielsweise mit nur wenigen cm Einbautiefe in einer Oberseite der Instrumententafel eingebaut oder nachträglich darauf montiert sein. Dies macht eine signifikante Erweiterung des Field-of-View der Blickfeldanzeigevorrichtung, beispielsweise auch vertikal deutlich über den Horizont hinaus, möglich, was sich insbesondere für kontaktanaloge Darstellungen für den Fahrer und andere Insassen zur Unterstützung der Navigation oder beim autonomen Fahren und/oder für einen Multi-User-Betrieb mit mehreren Benutzern gleichzeitig eignet. Insbesondere ist damit eine kontaktanaloge AR-Anzeige und mit einer autostereoskopischen bildgebenden Einheit ein echt kontaktanaloger 3D-Effekt (Stereo-Augmented-Reality) möglich.
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Wie in
4a bis
5b an einem einfachen Modellbeispiel gemäß der deutschen Patentanmeldung
DE 10 2018 209 934 A1 veranschaulicht, erstreckt sich bei dieser Ausführungsform in der durch die transmissive Displayanzeigeschicht gebildeten Displayfläche unter jeder Reflexionsfläche parallel zu dieser ein Streifen, dessen Bildpunkte durch die Umlenkung des Projektionslichts an der Reflexionsfläche sichtbar für den Benutzer der Blickfeldanzeigevorrichtung sind. Zwischen solchen sichtbaren Displaystreifen liegen für den Benutzer der Blickfeldanzeigevorrichtung unsichtbare Streifen, die nicht zur Erzeugung des virtuellen Anzeigebilds beitragen können.
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Gemäß einer Weiterbildung der obigen Ausführungsform der Blickfeldanzeigevorrichtung weist daher die flächige transmissive Displayanzeigeschicht Anzeigeelemente nur in solchen den einzelnen Reflexionsflächen der reflexunterdrückenden Umlenkanordnung zugeordneten, voneinander beabstandeten, Streifen (d. h. streifenförmigen Flächensegmenten der Displayfläche) auf, von denen ausgehendes Projektionslicht auf die Reflexionsflächen fällt und daher der Umlenkung durch die reflexunterdrückende Umlenkanordnung unterliegt. Alternativ oder zusätzlich kann dabei das flächige Matrix-Backlight Lichtquellen nur in solchen den einzelnen Reflexionsflächen der reflexunterdrückenden Umlenkanordnung zugeordneten, voneinander beabstandeten, Streifen (d. h. streifenförmigen Flächensegmenten der Backlight-Fläche) aufweisen, von welchen Streifen ausgehendes Projektionslicht nach Durchgang der transmissiven Displayanzeigeschicht auf die Reflexionsflächen fällt und daher der Umlenkung durch die reflexunterdrückende Umlenkanordnung unterliegt.
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Es können zusätzlich oder alternativ zu den genannten Reflexionsflächen weitere optische umlenkende Elemente im Strahlengang zwischen Displayoberfläche und Projektionsscheibe eingebracht werden, die dazu führen, dass ein Teil der Pixel (Anzeigeelemente) der Displayoberfläche nicht zum virtuellen Anzeigebild beitragen können. Auch in diesem Fall kann das Matrix-Backlight incl. Kollimatoren so ausgebildet sein, dass diejenigen Teilabschnitte der Displayfläche, die nicht zum virtuellen Anzeigebild beitragen können, nicht hinterleuchtet werden, bzw. nur diejenigen Pixel, die zum virtuellen Anzeigebild beitragen können, homogen hinterleuchtet werden.
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Gemäß einer hierzu alternativen oder zusätzlichen Weiterbildung der obigen Ausführungsform ist mindestens eine der Reflexionsflächen der reflexunterdrückenden Umlenkanordnung durch eine Mantelflächenseite eines auf der bildgebenden Einheit angeordneten Prismas gebildet. Insbesondere kann das Prisma eine dreieckige, viereckige, beispielsweise trapezförmige, oder fünfeckige Querschnittsfläche in einer zur Erstreckungsrichtung der Reflexionsfläche senkrechten Richtung besitzen, sodass seine andere Mantelflächenseite eine Prismenbasis bildet, die auf der durch die transmissive Displayanzeigeschicht gebildeten Displayfläche bzw. auf deren etwaigen weiteren Funktions- und Schutzschichten (etwa Lentikularlinsenarray) aufliegt oder sich entlang dieser erstreckt, während dessen dritte Mantelflächenseite als Lichtaustrittsfläche für das umgelenkte Projektionslichtstrahlenbündel dient. Ein solches Prisma kann der jeweiligen Reflexionsfläche insbesondere eine hohe mechanische Stabilität verleihen.
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Das Prisma kann aus jedem für das verwendete Projektionslicht transparenten Material, insbesondere aus Glas oder Kunststoff, gefertigt sein. Bei einer Luftschicht zwischen der Reflexionsfläche und deren lichtabsorbierender Rückseite kann die Reflexion durch Totalreflexion des in das Prisma eingekoppelten Projektionslichtstrahlenbündels an der genannten Mantelflächenseite des Prismas zustande kommen, andernfalls können darauf eine reflektierende Schicht, beispielsweise aus Metall, und auf dieser eine lichtabsorbierende Schicht aufgebracht sein.
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Ferner kann beispielsweise durch das Abfasen oder Abrunden freistehender, bezüglich der Displayfläche oberer Prismenkanten einer Verletzungsgefahr für einen Benutzer an den zugehörigen Reflexionsflächenkanten vorgebeugt werden. Die abgefasten oder abgerundeten oberen Kanten der Prismen können insbesondere ebenfalls lichtabsorbierend ausgebildet sein, beispielsweise in ähnlicher Weise wie die Rückseiten der Reflexionsflächen.
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Das weiter oben beschriebene Konzept einer lokalen Helligkeitsanpassung im virtuellen Anzeigebild über die Korrekturfunktion H1(x,y) bzw. H2(x,y) für die Helligkeit bzw. geeignete Dimmung des Matrix-Backlights bzw. der Displayfläche kann auch dafür genutzt werden, um etwaige leichte Inhomogenitäten der Helligkeit im virtuellen Anzeigebild zu eliminieren, die bei der Umlenkung des Projektionslichtstrahlenbündels an den Übergängen zwischen je zwei Reflexionsflächen bzw. Prismen entstehen können.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Fahrzeug, insbesondere ein Kraftfahrzeug oder ein beliebiges anderes Land-, Luft- oder Wasserfahrzeug, vorgesehen. Das Fahrzeug umfasst eine Frontscheibe und eine darunter angeordnete Instrumententafel. Ferner umfasst das Fahrzeug eine Blickfeldanzeigevorrichtung der hierin dargelegten Art, deren bildgebende Einheit oder darauf angeordnete reflexunterdrückende Anordnung auf oder in einer der Frontscheibe zugewandten Oberseite der Instrumententafel, insbesondere bündig mit dieser abschließend oder fluchtend, angeordnet ist. Die Frontscheibe bildet die Projektionsscheibe der Blickfeldanzeigevorrichtung, so dass ein virtuelles Anzeigebild ins Blickfeld eines Fahrzeuginsassen, insbesondere eines Fahrers, bei dessen Blick durch die Frontscheibe eingeblendet werden kann. Die hierin für eine Blickfeldanzeigevorrichtung in einem Fahrzeug verwendeten Begriffe wie „darunter“, „darüber“, „vertikal“, „horizontal“, „Längs-“, „Quer-‟ und dergleichen werden - wenn nicht anders erläutert - in Bezug auf die üblichen Fahrzeugkoordinaten verstanden.
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Figurenliste
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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. Gleiche Bezugszeichen stehen darin für gleiche oder einander in deren Funktion entsprechende Elemente. Es zeigen:
- 1a eine perspektivische Ansicht einer Blickfeldanzeigevorrichtung der hierin dargelegten Art in einem Kraftfahrzeug, mit einer gleichbleibenden Prismenbasis in deren Prismenstruktur zur Reflexunterdrückung;
- 1b in einer schematischen Seitenansicht einen vergrößerten Ausschnitt einer Displayfläche mit einer darauf angeordneten reflexunterdrückenden Umlenkanordnung der Blickfeldanzeigevorrichtung der 1a;
- 2a in einer schematischen Prinzipdarstellung den optischen Aufbau einer bildgebenden Einheit einer Blickfeldanzeigevorrichtung der hierin dargelegten Art;
- 2b in einer Draufsicht eine hexagonale flächige Anordnung einzelner Lichtquellen eines Matrix-Backlights in der bildgebenden Einheit gemäß der 2a;
- 3 in einer perspektivischen Ansicht eine bildgebende Einheit einer weiteren Blickfeldanzeigevorrichtung der hierin dargelegten Art mit einem zu 1a alternativen Beispiel der Prismenstruktur mit einer variierenden Prismenbasis;
- 4a bis 4c perspektivische Ansichten eines Modellbeispiels einer Blickfeldanzeigevorrichtung der hierin dargelegten Art zur Erläuterung der Umlenkwirkung von deren reflexunterdrückender Umlenkanordnung mit mehreren Prismen; und
- 5a und 5b perspektivische Ansichten eines weiteren Modellbeispiels einer Blickfeldanzeigevorrichtung der hierin dargelegten Art zur Erläuterung der Entstehung sichtbarer und unsichtbarer Streifen in deren Displayfläche aufgrund der Umlenkwirkung von deren reflexunterdrückender Umlenkanordnung.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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Alle weiter oben in der Beschreibung und in den nachfolgenden Ansprüchen erwähnten verschiedenen Ausführungsformen, Varianten und spezifischen Ausgestaltungsmerkmale der Blickfeldanzeigevorrichtung und des Fahrzeugs gemäß den obigen Aspekten der Erfindung können bei den in den 1a bis 5b 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 1a bis 5b gezeigt sind.
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1a zeigt stark vereinfacht in einer schematischen perspektivischen Ansicht ein Beispiel einer Blickfeldanzeigevorrichtung 1 der hierin dargelegten Art, die in diesem Beispiel als ein Head-up-Display (HUD) in einem Fahrzeug 2 verbaut ist, von dem in 1a nur eine Frontscheibe 3 und eine darunter angeordnete Instrumententafel 4 angedeutet sind. In diesem Beispiel handelt es sich um ein Kraftfahrzeug, und die Blickfeldanzeigevorrichtung 1 ist dazu ausgebildet, ein virtuelles Anzeigebild V ins Blickfeld eines Fahrers oder eines anderen Insassen bei dessen Blick durch die Frontscheibe 3 einzublenden, die als eine benutzerseitig reflektierende und rückseitig weitgehend transparente Projektionsscheibe der Blickfeldanzeigevorrichtung 1 dient.
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Herzstück der Blickfeldanzeigevorrichtung 1 ist deren bildgebende Einheit 16 (in 2a-2b näher dargestellt), die im Betrieb ein Projektionslichtstrahlenbündel L mit einem gewünschten Anzeigeinhalt erzeugt und von der in 1a der Übersichtlichkeit halber nur eine transmissive Displayanzeigeschicht (z. B. LCD-Panel), die eine Displayfläche 5 bildet, dargestellt ist. Rein beispielhaft ist in 1a die Displayfläche in an sich bekannter Weise zu einer autostereoskopischen Anzeige ausgebildet und umfasst hierzu ein auf der transmissiven Displayanzeigeschicht angeordnetes LentikularlinsenArray (nicht dargestellt). Ferner ist dafür in einer Display-Ansteuereinheit (nicht dargestellt) ein Ansteuerungsalgorithmus implementiert, der auf Basis einer per Eyetracking ermittelbaren aktuellen Benutzerposition den eingespeisten Anzeigeinhalt als ineinander verschachteltes side-by-side-Displaybild aus zwei leicht verschiedenen 2D-Bildern so aufbereitet, dass jeweils nur eines dieser 2D-Bilder mittels des Lentikularlinsen-Arrays zu dem linken Auge IA bzw. dem rechten Auge rA des Benutzers gelenkt wird, damit er das virtuelle Anzeigebild V mit einem 3D-Effekt wahrnehmen kann.
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Ferner umfasst die bildgebende Einheit eine in 1a nicht dargestellte Hintergrundbeleuchtung für das LCD-Panel, die als ein Matrix-Backlight ausgebildet ist und weiter unten mit Bezug auf 2a und 2b beschrieben wird.
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In diesem Beispiel ist auf der Displayfläche 5 zu deren reflexfreier Integration in das Fahrzeug 2 eine reflexunterdrückende Umlenkanordnung 6 in Form einer Prismenstruktur aus Glas oder Kunststoff angebracht. Diese umfasst in diesem Beispiel rein beispielhaft zehn auf der Displayfläche 5 aufliegende Prismen P1 bis P10, deren innenseitig verspiegelte Mantelflächen ebene Reflexionsflächen 7 ausbilden, die sich entlang der Displayfläche 5 in einem vorbestimmten spitzen Winkel α0 dazu und parallel zueinander erstrecken und auf deren Rückseiten 14 zu einer Störreflexunterdrückung vollflächig lichtabsorbierend ausgebildet sind.
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1b zeigt einen vergrößerten Ausschnitt der Displayfläche 5 und der darauf angeordneten reflexunterdrückenden Umlenkanordnung 6 der Blickfeldanzeigevorrichtung 1 gemäß der 1a in einer schematischen Seitenansicht. Dieser vergrößerte Ausschnitt veranschaulicht unter anderem die Umlenkung des von der Displayfläche 5 erzeugten Projektionslichtstrahlenbündels L an den durch die Prismenstruktur gebildeten Reflexionsflächen 7. Dabei ist für den Strahlengang in der Prismenstruktur anzumerken, dass Abstrahlwinkel des Projektionslichts, die in die Eyebox 12 führen, in der Regel nicht senkrecht zur Displayfläche 5 sind und insbesondere auch entlang der Displayfläche 5 variieren können, um eine homogene Ausleuchtung der Eyebox 12 zu erzielen.
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Durch das Umlenken des Projektionslichtstrahlenbündels L an den Reflexionsflächen 7 wird es auf die Frontscheibe 3 des Fahrzeugs 2 geworfen und von dieser zu den Augen eines Benutzers (vgl. Eyebox 12 in 1a), insbesondere eines Fahrers oder Beifahrers, reflektiert (durch Pfeile angedeutet). Dies ist so ausgelegt, dass hinter der Frontscheibe 3 ein ins Blickfeld des Benutzers eingeblendetes virtuelles Anzeigebild V entsteht, das sich für den Benutzer mit einem durch die Frontscheibe 3 beobachteten realen Umfeld vor dem Fahrzeug 2 überlagert. Der vorbestimmte spitze Anstellwinkel α0 der Reflexionsflächen 7 kann hierzu anwendungsspezifisch beispielsweise aus der gegenseitigen geometrischen Anordnung der Displayfläche 5, der Frontscheibe 3 und der Eyebox 12, d. h. desjenigen Raumbereichs im Fahrzeuginnenraum, aus dem das virtuelle Anzeigebild V sichtbar sein soll, festgelegt sein.
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Bei der in 1a gezeigten geometrischen Anordnung der Reflexionsflächen 7 kann durch deren lichtabsorbierende Rückseiten 14 insbesondere eine nahezu vollständige Unterdrückung von Störreflexen des Umgebungslichts aus beliebigen Richtungen von außerhalb und innerhalb des Fahrzeugs 2 in Richtung der Eyebox 12 erreicht werden.
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In diesem Beispiel sind rein beispielhaft alle Reflexionsflächen 7 der reflexunterdrückenden Umlenkanordnung 6 durch die innenseitig verspiegelten Mantelflächenseiten von auf der Displayfläche 5 aufliegenden Prismen Pn = P1, P2, ..., P10 aus Glas oder Kunststoff gebildet. Jedes Prisma Pn besitzt dabei eine dreieckige Querschnittsfläche A in einer zur Erstreckungsrichtung x der jeweiligen Reflexionsfläche 7 senkrechten Richtung, sodass seine andere Mantelflächenseite eine Prismenbasis 10 bildet, die auf der flächigen Pixelanordnung 5 aufliegt, während dessen dritte Mantelflächenseite als Lichtaustrittsfläche 11 für das umgelenkte Projektionslichtstrahlenbündel L dient. Dies kann insbesondere einen besonders robusten Aufbau der Blickfeldanzeigevorrichtung 1 ergeben und sowohl die Displayfläche 5 und die Reflexionsflächen 7 vor etwaigen Beschädigungen als auch den Benutzer vor etwaigen Verletzungen an deren freistehenden Kanten schützen. Insbesondere können hierzu obere Prismenkanten 9 zusätzlich abgerundet oder abgefast sein. In 1a schließen die auf der autostereoskopischen Displayfläche 5 aufliegenden Mantelflächenseiten, d. h. Prismenbasen 10, der Prismen Pn rein beispielhaft direkt aneinander an. Dies ist jedoch nicht zwingend, da auch trapezförmige Querschnittsflächen A der Prismen Pn, bei denen den Reflexionsflächen 7 gegenüberliegende Prismenkanten abgeschnitten sind, für die beschriebene Funktionalität der Blickfeldanzeigevorrichtung 1 genauso gut geeignet ist.
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Die Blickfeldanzeigevorrichtung 1 kann beispielsweise in oder auf einer Oberseite 15 der Instrumententafel 4 (in 1a nicht näher dargestellt) des Fahrzeugs 2 montiert sein. Dabei kann beispielsweise die Displayfläche 5 oder die reflexunterdrückende Umlenkanordnung 6 zumindest abschnittweise im Wesentlichen bündig zu der Oberseite 15 der Instrumententafel 4 angeordnet sein, was besonders unauffällig, schützend für die optischen Bauteile oder den Benutzer und/oder platzsparend sein kann.
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2a zeigt in einer schematischen Prinzipdarstellung den optischen Aufbau der bildgebenden Einheit 16 der Blickfeldanzeigevorrichtung 1, die im Übrigen beispielsweise gemäß 1a-1b ausgebildet sein kann. Die Prinzipdarstellung zeigt einzelne optische Komponenten der bildgebenden Einheit 16 und deren Funktion am Beispiel eines Teilstrahlenbündels La des Projektionslichtstrahlenbündels L, das von einer der vielzähligen Lichtquellen 17a eines Matrix-Backlights 17 zum Hinterleuchten der transmissiven Displayanzeigeschicht 18 (LCD-Panel), die eine Displayfläche 5 der bildgebenden Einheit 16 bildet, ausgeht. Die transmissive Displayanzeigeschicht 18 kann insbesondere durch eine geeignete Schutzschicht (nicht dargestellt) für eine im Betrieb sehr starke Beleuchtung von unten in 2a geschützt sein.
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Das Matrix-Backlight 17 kann beispielsweise eine Platine 30 mit in deren Fläche in einer hexagonaler Anordnung gemäß der 2b (die das Matrix-Backlight 17 in Draufsicht zeigt) regelmäßig verteilten Lichtquellen 17a in Form einzelner LED-Chips mit geeigneter Matrix-Ansteuerung umfassen. Es kann sich dabei insbesondere um hocheffiziente Weißlicht-LEDs handeln, während die Farbgebung bei Bedarf in darüberliegenden Anzeigeelementen (nicht im Einzelnen dargestellt) der transmissiven Displayanzeigeschicht 18 implementiert sein kann. Rein beispielhaft sind in 2a ferner eine geeignete thermische Kontaktierung 31, ein Gehäuseboden 32 und eine geeignete Kühlung 33 (hier rein beispielhaft schematisch durch mehrere Kühlrippen angedeutet) für das Matrix-Backlight 17 schematisch angedeutet.
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Ferner umfasst die bildgebende Einheit 16 ein zweidimensionales Kollimationsarray 19, das zwischen jeweils einer Lichtquelle 17a und der transmissiven Displayanzeigeschicht 18 angeordnete Kollimatoren 19a, die in diesem Beispiel als Kollimationslinsen ausgebildet sind, aufweist. Bei einer hexagonalen Anordnung der Lichtquellen 17a können die darüber angeordneten Kollimatoren 19a beispielsweise in einer flächendeckenden Weise als sechseckige Kollimationslinsen ausgestaltet sein. Die Lichtquelle 17a ist in diesem Beispiel in einem mechanisch variierbaren Abstand D in Strahlausbreitungsrichtung des Teilstrahlenbündels La von dem darüber liegenden Kollimator 19a angeordnet, der beispielsweise dessen Brennweite f entsprechen kann, um ein vollständig kollimiertes Teilstrahlenbündel La zu erhalten. Im Einzelfall wird das von jeder Lichtquelle 17a abgestrahlte divergente Teilstrahlenbündel La gemäß der jeweils geeigneten vorbestimmten Abstrahlcharakteristik zu einem weitgehend parallelen Teilstrahlenbündel La mit einem vorbestimmten Kleinöffnungswinkel von beispielsweise etwa +/-5° (also insgesamt etwa 10°) um eine geeignete vorbestimmte Ausbreitungsrichtung, die insbesondere von Lichtquelle zu Lichtquelle entlang der Fläche des Matrix-Backlights 17 variieren kann, kollimiert. Wie in 2a gezeigt, können dabei die einzelnen Abstrahlcharakteristiken bzw. die Ausbreitungsrichtungen der Teilstrahlenbündel La zum Ausleuchten der Eyebox 12 von einer senkrechten Ausrichtung bezüglich der Displayfläche 5 abweichen.
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Des Weiteren sind in diesem Beispiel zur Erhöhung der Lichthomogenität in der Displayfläche 5 bzw. in der Eyebox 12 bzw. im virtuellen Anzeigebild V (vgl. 1a) optional Diffusoren 20 weiter oben erwähnter Art, hier beispielsweise mit einer radialsymmetrischen Transmissionsfunktion um die Ausbreitungsrichtung des Teilstrahlenbündels La, im Strahlengang zwischen der Lichtquelle 17a und dem Kollimator 19a und/oder zwischen dem Kollimator 19a und der transmissiven Displayanzeigeschicht 18 angeordnet.
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Mithilfe des in 2a gezeigten optischen Aufbaus der bildgebenden Einheit 16 mit zwischen dem Matrix-Backlight 17 und der transmissiven Displayanzeigeschicht 18 vorgesehenen Kollimatoren 19a und Diffusoren 20 kann in der Displayfläche 5 ein Vektorfeld geeigneter Abstrahlcharakteristiken für das Projektionslicht erzeugt werden, um das von der Frontscheibe 3 zum Benutzer reflektierte Projektionslichtstrahlenbündel L auf den Bereich der Eyebox 12 zu beschränken und diese auch möglichst homogen auszuleuchten. Die dafür optimierte Abstrahlcharakteristik kann per optischer Auslegung des Gesamtsystems der Blickfeldanzeigevorrichtung 1, also unter Berücksichtigung der Reflexionen an den Prismen Pn und an der Frontscheibe 3, optimiert werden.
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3 zeigt in einer schematischen perspektivischen Darstellung eine bildgebende Einheit 16 einer Blickfeldanzeigevorrichtung 1 der hierin dargelegten Art mit einem zu 1a alternativen Beispiel der reflexunterdrückenden Umlenkanordnung 6, deren Prismenstruktur insgesamt nicht zehn sondern sechs Prismen Pn = P1, P2, ..., P6 mit einer jeweils unterschiedlich großen dreieckigen Querschnittsfläche A umfasst. In 3 nehmen die Prismenbasen 10, Prismenhöhen und damit auch Höhen der Reflexionsflächen 7 beispielsweise in Richtung zur Frontscheibe 3 hin sukzessive zu. Dadurch können obere Prismenkanten 9 auf eine zu den Augen des Benutzers führende Linie auch bei beispielsweise gegenüber 1a stärker zur Frontscheibe 3 geneigtem Abschnitt der Oberseite 15 der Instrumententafel des Fahrzeugs 2 ausgerichtet sein. Durch Ausrichtung oberer Prismenkanten 9 auf eine zu den Augen des Benutzers führende Linie bei der Integration der Blickfeldanzeigevorrichtung 1 ins Fahrzeug 2 kann beispielsweise Unsichtbarkeit der Lichtaustrittsflächen 11 der reflexunterdrückenden Umlenkanordnung 6 für den Benutzer erreicht werden. Im Übrigen gilt für die Blickfeldanzeigevorrichtung 1 mit einer reflexunterdrückenden Umlenkanordnung 6 gemäß 3 das Gleiche wie für 1a.
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Wie in 3 veranschaulicht, haben die bildgebende Einheit 16 mit der darauf angeordneten reflexunterdrückenden Umlenkanordnung 6 einen insgesamt deutlich flacheren Aufbau im Vergleich zu der eingangs erwähnten herkömmlichen HUD-Bauart mit einer im Inneren der Instrumententafel 4 untergebrachten Projektionsoptik. Dies macht eine signifikante Erweiterung des Field-of-View der Blickfeldanzeigevorrichtung 1, beispielsweise auch vertikal deutlich über den Horizont hinaus, möglich. Damit sind insbesondere kontaktanaloge Darstellungen für den Fahrer und andere Insassen, insbesondere mit einem echt kontaktanalogen 3D-Effekt (Stereo-Augmented-Reality), möglich. 3 zeigt rein beispielhaft eine mögliche Anordnung der bildgebenden Einheit 16 mit der darauf angeordneten reflexunterdrückenden Umlenkanordnung 6 im Fahrzeug 2 (vgl. 1a) über einer fahrzeugtypischen Tragstruktur 34 im Bereich der Instrumententafel 4.
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4a bis 4c zeigen, jeweils in perspektivischer Ansicht, ein stark vereinfachtes Modellbeispiel für eine Blickfeldanzeigevorrichtung 1 der hierin dargelegten Art (beispielsweise ähnlich der 1a) bzw. deren bildgebende Einheit 16, zur Erläuterung der Umlenkwirkung von deren reflexunterdrückender Umlenkanordnung 6, deren Reflexionsflächen 7 in diesem Modell durch vom Betrachter oder Benutzer abgewandte hintere Mantelflächenseiten zweier Prismen P1 und P2 mit dreieckigen Querschnittsflächen A gebildet sind.
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Die bildgebende Einheit 16 mit einer Displayfläche 5 ist in diesem Modellbeispiel als ein Flachbildschirm ausgebildet, der einen gewünschten Anzeigeinhalt, in diesem Beispiel das in 4a gezeigte zweidimensionale Bild eines Schmetterlings, erzeugt, welches von dem vom Flachbildschirm ausgehenden Projektionslichtstrahlenbündel L (vgl. 1a) transportiert wird. Beim Passieren der auf der Displayfläche 5 angeordneten reflexunterdrückenden Umlenkanordnung 6 wird das Projektionslichtstrahlenbündel L an den Reflexionsflächen 7 der innenseitig verspiegelten hinteren Mantelflächenseiten der Prismen P1 und P2 umgelenkt, um beispielsweise wie in 1a auf die Frontscheibe 3 des Kraftfahrzeugs und von dieser reflektiert zu den Augen des Benutzers zu gelangen.
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Wie in 4b zu sehen ist, wird das Projektionslichtstrahlenbündel L in die Prismen P1 und P2 durch deren auf der Displayfläche 5 aufliegende Prismenbasen 10 eingekoppelt und tritt aus deren Lichtaustrittsflächen 11 aus, während die Rückseiten 14 der Reflexionsflächen 7 zur Störreflexunterdrückung für das Umgebungslicht lichtabsorbierend ausgebildet sind. Wie 4c zeigt, verlässt das in die reflexunterdrückende Umlenkanordnung 6 eingekoppelte Projektionslichtstrahlenbündel L die Lichtaustrittsflächen 11 der Prismen im Wesentlichen ohne Helligkeitsverlust und bei einer geeigneten Ansteuerung der Displayfläche 5 wie in 4a auch ohne Formverlust.
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5a und 5b zeigen jeweils in perspektivischer Ansicht ein weiteres stark vereinfachtes Modellbeispiel einer Blickfeldanzeigevorrichtung 1 der hierin dargelegten Art (beispielsweise gemäß der 1a) bzw. deren bildgebende Einheit 16, zur Erläuterung der Entstehung sichtbarer und unsichtbarer Streifen in einer Displayfläche 5 beim Verwenden einer reflexunterdrückenden Umlenkanordnung 6 der hierin beschriebenen Art. Ähnlich wie in 4a-4c ist auch hier die bildgebende Einheit mit einer Displayfläche 5 als ein Flachbildschirm ausgebildet, der einen gewünschten Anzeigeinhalt, in diesem Beispiel das in 5a gezeigte zweidimensionale Bild eines Schmetterlings, erzeugt. Auch die auf der Displayfläche 5 angeordnete reflexunterdrückende Umlenkanordnung 6 ist in diesem Modellbeispiel analog zu 4b-4c durch auf dem Flachbildschirm aufliegende, mit ihren langen Seiten aneinander anschließende Prismen Pn gebildet, von denen auch hier einfachheitshalber nur zwei von in diesem Beispiel insgesamt möglichen fünf Prismen P1 bis P5 gezeigt sind.
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Wie in 5a und 5b extra angedeutet, erstrecken sich in der Displayfläche 5 zu den Reflexionsflächen 7 der Prismen Pn parallele Streifen 21, die durch die Umlenkung des Projektionslichts an den Reflexionsflächen 7 von hier bis zu fünf identischen Prismen Pn=P1,...,P5 sichtbar für den Benutzer der Blickfeldanzeigevorrichtung 1 gemacht werden können. Dazwischen liegen für den Benutzer der Blickfeldanzeigevorrichtung 1 unsichtbare Streifen 22.
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Die unsichtbaren Streifen 22 können daher in der Displayfläche 5 schwarz gelassen werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Blickfeldanzeigevorrichtung
- 2
- Fahrzeug
- 3
- Frontscheibe
- 4
- Instrumententafel
- 5
- Displayfläche
- 6
- reflexunterdrückende Umlenkanordnung
- 7
- Reflexionsfläche(n) der reflexunterdrückenden Umlenkanordnung
- 9
- obere Prismenkante
- 10
- Prismenbasis
- 11
- Lichtaustrittsfläche
- 12
- Eyebox
- 14
- lichtabsorbierende Rückseite(n)
- 15
- Oberseite der Instrumententafel
- 16
- bildgebende Einheit
- 17
- Matrix-Backlight
- 17a
- einzelne Lichtquelle des Matrix-Backlights
- 18
- transmissive Displayanzeigeschicht
- 19
- Kollimationsarray
- 19a
- Kollimator
- 20
- optischer Diffusor
- 21
- sichtbarer Streifen
- 22
- unsichtbarer Streifen
- 30
- Platine des Matrix-Backlights
- 31
- thermische Kontaktierung
- 32
- Gehäuseboden
- 33
- Kühlung
- 34
- Tragstruktur
- L
- Projektionslichtstrahlenbündel
- La
- Teilstrahlenbündel
- Pn
- Prisma Nr. n
- V
- virtuelles Anzeigebild
- x
- Erstreckungsrichtung der Reflexionsfläche(n) bzw. Prismen
- A
- Prismen-Querschnittsfläche senkrecht zur Erstreckungsrichtung
- α0
- Neigungswinkel einer Reflexionsfläche
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009054232 A1 [0004]
- DE 19540108 C2 [0007]
- DE 102018209934 A1 [0035]
