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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft Projektionsanzeigevorrichtungen, wie beispielsweise Head-up-Displays, zum Einsatz in Kraftfahrzeugen, Schnellbooten oder Flugzeugen. Weiterhin betrifft die Erfindung Projektionsanzeigevorrichtungen zur Darstellung von Abbildungen in mehreren Anzeigeebenen.
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Technischer Hintergrund
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Projektionsanzeigevorrichtungen dienen zur Projektion eines Anzeigebildes über ein HUD-Scheibenfeld auf einer Windschutzscheibe eines Kraftfahrzeugs, alternativ über eine separate, zwischen den Fahrer und die Frontscheibe positionierte teiltransparente Kombinierfläche, um dem Fahrer des Kraftfahrzeugs Informationen, wie beispielsweise Warnhinweise, Geschwindigkeitsinformationen, Fahrzeugzustände, Navigationshinweise und dergleichen, darzustellen. Derartige Projektionsanzeigevorrichtungen projizieren eine Abbildung über das Scheibenfeld, so dass der Fahrer ein in Fahrtrichtung vorausliegendes virtuelles Anzeigebild wahrnimmt. Das projizierte Bild befindet sich auf einer Anzeigeebene, deren Lage und Projektionsdistanz durch die Projektionsanzeigevorrichtung und die Frontscheibe festgelegt ist.
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Weiterhin sind aus dem Stand der Technik Projektionsanzeigevorrichtungen bekannt, bei denen virtuelle Anzeigebilder auf mehreren Anzeigeebenen angezeigt werden, die unterschiedliche Entfernungen vom Fahrer aufweisen.
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Beispielsweise ist aus der Druckschrift
DE 10 2013 218 108 A1 ein Head-up-Display mit einer Bilderzeugungseinrichtung bekannt, die ein reales Bild erzeugt, wobei die Lichtstrahlen des realen Bildes über mindestens einen Spiegel zu einem Combiner reflektiert werden und so einen Strahlengang bilden und von dort in Richtung eines Benutzers reflektiert werden, so dass der Benutzer ein virtuelles Bild hinter dem Combiner wahrnehmen kann. Mindestens ein Spiegel weist zwei Bereiche mit unterschiedlichen Krümmungsfeldern auf, wobei den unterschiedlichen Krümmungsfeldern unterschiedliche Bereiche der Bilderzeugungseinrichtung zugeordnet sind.
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Weiterhin ist aus der Druckschrift
DE 10 2014 226 360 A1 ein Verfahren zum Verändern eines Bildabstands zwischen einem von einem Head-up-Display projizierten virtuellen Bild und einem Betrachter des virtuellen Bildes bekannt. Das Head-up-Display weist dazu zumindest eine verstellbare Streufläche und einen Projektor mit einem verstellbaren Objektiv zum Projizieren eines Bildes auf die Streufläche auf. Zudem weist es eine Verstelleinrichtung auf, die das Verstellen der Streufläche und des Objektivs erlaubt. Ein Streuflächen-Verstellsignal wird an die Verstelleinrichtung ausgegeben, um durch ein Verstellen der Streufläche den Bildabstand zu verändern. Ein Objektiv-Verstellsignal wird an die Verstelleinrichtung bereitgestellt, um durch ein Verstellen des Objektivs den Fokus und/oder die Lage des Objektivs in Abhängigkeit von einer Verstellung der Streufläche zu verändern, so dass das Objektiv auf die Streufläche fokussiert.
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Aus der Druckschrift
DE 10 2014 226 354 A1 ist ein Verfahren zum Verändern des Bildabstands zwischen einem virtuellen Bild eines Head-up-Displays und einem Betrachter des virtuellen Bilds bekannt. Das Head-up-Display weist eine Bilderzeugungseinheit, einen in dem Strahlengang des Lichtstrahlenbündels in zumindest einer Richtung bewegbar angeordneten Spiegel zum Umlenken des Lichtstrahlenbündels sowie eine Bewegungseinrichtung zum Bewegen des Spiegels auf. Ein Verstellsignal wird an die Bewegungseinrichtung ausgegeben, um durch ein Bewegen des Spiegels einen zum Bildabstand repräsentierenden Abstand zwischen der Bilderzeugungseinrichtung und dem Spiegel zu verstellen.
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Aus der Druckschrift
DE 10 2012 210 445 A1 ist ein Head-up-Display in einem Fahrzeug bekannt. Das Head-up-Display weist eine erste Bildquelle auf, deren Lichtstrahlenbündel von einem ersten Spiegel und einem Vergrößerungsspiegel auf einen Combiner reflektiert und von dort zu einem Benutzer reflektiert werden, so dass der Benutzer den Bildinhalt der Bildquelle in einer ersten Bildebene hinter dem Combiner als virtuelles Bild wahrnehmen kann. Eine zweite Bildquelle ist vorgesehen, deren Lichtstrahlenbündel ebenfalls von dem Vergrößerungsspiegel auf den Combiner und von dort zu dem Benutzer reflektiert werden, wobei die Länge des Strahlengangs zwischen der zweiten Bildquelle und dem Vergrößerungsspiegel verschieden ist von der Länge des Strahlengangs zwischen der ersten Bildquelle und dem Vergrößerungsspiegel, so dass der Benutzer den Bildinhalt der zweiten Bildquelle in einer zweiten Bildebene als virtuelles Bild wahrnehmen kann.
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Aus der Druckschrift
DE 10 2015 205 871 A1 ist eine Anzeigevorrichtung für ein Blickfeldanzeigesystem zum Einsatz als Head-Up-Anzeige in einem Kraftfahrzeug bekannt, die eine Schirmanordnung mit mehreren schaltbaren Projektionsschirmen umfasst, die in einem Strahlengang eines abzubildenden Projektionsbildes jeweils mit einem vorgegebenem Abstand hintereinander angeordnet sind, wobei die schaltbaren Projektionsschirme zwischen einem diffusen Zustand und einem transparenten Zustand schaltbar sind. Mithilfe einer Steuereinheit können die mehreren Projektionsschirme so geschaltet werden, dass mindestens einer der Projektionsschirme diffus geschaltet wird, während die übrigen der Projektionsschirme transparent geschaltet sind.
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Aus der Druckschrift
US 6 720 961 B2 ist eine Anzeigevorrichtung bekannt, wobei mittels mehrerer nacheinander positionierter transparenter OLED-Displays ein dreidimensionales Bild von einem Objekt dargestellt wird.
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Aus der Druckschrift
US 6 906 762 B1 ist eine Anzeigevorrichtung bekannt, wobei mittels mehrerer nacheinander positionierter bildgebender Schirme ein Mehrfach-Ebenen-Bild generiert wird.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Projektionsanzeigevorrichtung und ein Projektionssystem zur Verfügung zu stellen, mit denen eine Darstellung eines virtuellen Anzeigebildes in unterschiedlichen Anzeigeebenen in einfacher Weise realisiert werden kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird durch die Projektionsanzeigevorrichtung zum Bereitstellen von virtuellen Anzeigebildern auf mehreren Anzeigeebenen gemäß Anspruch 1 sowie durch das Projektionssystem gemäß dem nebengeordneten Anspruch gelöst.
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Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß einem ersten Aspekt ist eine Projektionsanzeigevorrichtung zum Bereitstellen von virtuellen Anzeigebildern auf mehreren zueinander versetzten Anzeigeebenen vorgesehen, umfassend:
- - eine Projektionseinheit zum Bereitstellen eines Projektionsstrahlenbündels, wobei die Projektionseinheit ein in dem Strahlengang der Projektionseinheit angeordnetes, transparentes Anzeigeelement zum gleichzeitigen Anzeigen eines ersten Teilbilds und eines zweiten Teilbilds aufweist, so dass ein erster Teilbild-Strahlengang und ein davon separater zweiter Teilbild-Strahlengang entstehen;
- - ein optisches Einkopplungselement, das ausgebildet ist, um den zweiten Teilbild-Strahlengang in den ersten Teilbild-Strahlengang einzukoppeln, wobei die Strahlenwege des ersten Teilbild-Strahlengangs und des zweiten Teilbild-Strahlengangs zwischen dem Anzeigeelement und dem Einkopplungselement unterschiedlich sind;
- - eine Abbildungsoptik, die ausgebildet ist, um nach dem Einkoppeln die kombinierten Teilbild-Strahlengänge auf ein Scheibensegment oder eine Kombinierfläche zur Anzeige an einen Benutzer zu richten, um abhängig von dem Projektionsstrahlenbündel die virtuellen Anzeigebilder in den mehreren Anzeigeebenen abzubilden.
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Eine Idee der obigen Projektionsanzeigevorrichtung besteht darin, mithilfe einer einzigen Anzeigeeinrichtung Anzeigebilder auf mehreren hintereinander angeordneten Anzeigeebenen zu erzeugen. Dabei werden auf der Anzeigeeinrichtung Teilbilder erzeugt, die durch unterschiedliche effektive Strahlenwege der Strahlengänge unterschiedliche Fokusabstände erhalten. Diese werden zusammengeführt und durch die gemeinsame Abbildungsoptik zur Darstellung in das Auge des Benutzers gerichtet. Dieser nimmt aufgrund der unterschiedlichen Fokusabstände die virtuellen Anzeigeebenen in verschiedenen Wahrnehmungsentfernungen wahr.
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Durch die Abbildungsoptik werden entsprechend zueinander versetzte virtuelle Anzeigeebenen generiert, die einen Abstand zueinander aufweisen, der sich aus den unterschiedlichen Strahlenwege der einzelnen Teilbilder ergibt. Die Nutzung einer einzigen Anzeigeeinrichtung verringert den baulichen Aufwand erheblich und erfordert zur Anzeige von Informationen auf verschiedenen virtuellen Anzeigeebenen lediglich die entsprechende Ansteuerung der den einzelnen Teilbildern zugeordneten Bereiche auf der Anzeigeeinrichtung.
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Gemäß einer Ausführungsform kann das transparente Anzeigeelement in dem Strahlengang zwischen einer Lichtquelle und dem Einkopplungselement angeordnet sein, wobei insbesondere das Anzeigeelement als LCD-Anzeigeelement ausgebildet ist.
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Die obige Projektionsanzeigevorrichtung hat den Vorteil, dass bei Einsatz von nur einem LCD-Display nur eine Lichtquelle für die Projektion benötigt wird und der zusätzliche Bauraum sehr niedrig ist, da das Anzeigeelement zwischen der Lichtquelle und der Abbildungsoptik angeordnet sind. Bei dem Einsatz von ein LCD-Display mit einer flächigen lichtstarken Lichtquelle kann eine hohe Leuchtdichte erreicht werden. Bei TOLED-Displays ist der zusätzliche Bauraum ebenso niedrig, weil diese flächigen, lichtgebenden Displays entsprechen.
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Weiterhin kann die Abbildungsoptik ausgebildet sein, um das Projektionsbild vergrößert darzustellen und insbesondere eine Fokussierlinse oder einen Konkavspiegel aufweisen.
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Gemäß einer Ausführungsform kann das Einkopplungselement einen halbdurchlässigen Spiegel umfassen.
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Es kann vorgesehen sein, dass ein optisches Verzögerungselement im zweiten Teilbild-Strahlengang angeordnet ist, um den effektiven Strahlenweg des zweiten Teilbild-Strahlengang zu verlängern.
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Das Einkopplungselement kann ausgebildet sein, um den zweiten Teilbild-Strahlengang in den ersten Teilbild-Strahlengang so einzukoppeln, dass sich die Projektionslichtstrahlenbündel der Teilbild-Strahlengänge zumindest teilweise überlappen.
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Die Anzeigeelemente können jeweils eine flächige transparente Anzeigeeinrichtung aufweisen, die ansteuerbar ist, um einen teiltransparenten farbigen und/oder intransparenten Bildpunkt oder einen transparenten Bildpunkt darzustellen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Projektionsanzeigesystem mit der obigen Projektionsanzeigevorrichtung und einer Steuereinheit vorgesehen.
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Figurenliste
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Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
- 1 eine schematische Querschnittsdarstellung eines Projektionsanzeigesystems .
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Beschreibung von Ausführungsformen
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1 zeigt ein Projektionsanzeigesystem 1 mit einer Projektionsanzeigevorrichtung 2, die ein Projektionsbild an einem Scheibensegment A einer Frontscheibe 3 reflektiert, um so ein virtuelles Anzeigebild für das Auge eines Benutzers 4 sichtbar zu machen. Der Benutzer 4 nimmt virtuelle Anzeigebilder B1, B2 in Anzeigeebenen E1, E2 wahr. Die virtuellen Anzeigebilder B1, B2 in den Anzeigeebenen E1, E2 werden auf der dem Benutzer 4 gegenüberliegenden Seite der Frontscheibe 3, d. h. außerhalb des Kraftfahrzeugs, wahrgenommen.
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Die Projektionsanzeigevorrichtung 2 weist eine Abbildungsoptik 21 auf, die im dargestellten Ausführungsbeispiel einen Konkavspiegel 22 und einen Flachspiegel 23 als optische Abbildungselemente aufweist. Andere Ausführungsformen können andere optische Abbildungselemente, wie beispielsweise eine Sammellinse, eine konvexe Linse und dergleichen aufweisen.
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In der dargestellten Ausführungsform wird ein von einer Projektionseinheit 24 ausgesandtes Projektionsbild über den Flachspiegel 23 auf den Konkavspiegel 22 reflektiert und dort an einem Scheibensegment A, das als Kombinierfläche dient, reflektiert, um die entsprechenden virtuellen Anzeigebilder B1, B2 für das Auge des Benutzers 4 bereitzustellen.
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Die Projektionseinheit 24 weist eine Lichtquelle 25 und ein Anzeigeelement 29 auf. Eine dazwischen angeordnete Linsenoptik 28 begrenzt die Divergenz des von der Lichtquelle 25 bereitgestellten Lichtstrahlenbündels. Das Anzeigeelement 29 kann beispielsweise als LCD-Anzeigeelement ausgebildet sein. Das Anzeigeelement 29 ist mit ansteuerbaren Bildpunkten versehen, um ein Projektionsbild darzustellen.
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Das Anzeigeelement 29 weist jeweils eine flächige transparente LCD-Anzeigeeinrichtung auf, die ansteuerbar ist, um einen farbigen und/oder intransparenten Bildpunkt oder einen transparenten Bildpunkt darzustellen, um so ein Bild zu erzeugen.
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Die Lichtquelle 25 ist vorzugsweise flächig ausgebildet, um eine flächige Hintergrundbeleuchtung des Anzeigeelements 29 bereitzustellen, so dass je nach Ansteuerung der Pixel des Anzeigeelements 29 ein entsprechendes Projektionsbild projiziert wird.
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In einer alternativen Ausführungsform kann das Anzeigeelement 29 mit selbstleuchtenden ansteuerbaren Bildpunkten ausgebildet sein, wie z. B. als TOLED-Anzeigeelemente. In diesem Fall kann auf eine separate Lichtquelle verzichtet werden.
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Es ist vorgesehen, mindestens zwei verschiedene Bereiche der Anzeigefläche des Anzeigeelements 29 für die verschiedenen virtuellen Anzeigeebenen E1, E2 vorzusehen. So kann ein erstes Teilbild TB1 angezeigt werden, durch das ein erster Teilbild-Strahlengang definiert wird. Weiterhin kann ein zweites Teilbild TB2 angezeigt werden, durch das ein zweiter Teilbild-Strahlengang definiert wird.
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Mithilfe z.B. eines Umlenkspiegels 26 wird der erste Teilbild-Strahlengang auf den Flachspiegel 23 gerichtet, so dass das erste Teilbild TB1 durch die Abbildungsoptik 21 in entsprechender Weise auf der ersten Anzeigeebene E1 ausgegeben wird.
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Im ersten Teilbild-Strahlengang ist ein halbdurchlässiger Spiegel 27 so angeordnet, dass der ersten Teilbild-Strahlengang im Wesentlichen ungestört in Richtung des Flachspiegels 23 verläuft. Ferner wird über den halbdurchlässigen Spiegel 27 der zweite Teilbild-Strahlengang in den Strahlenweg des ersten Teilbild-Strahlengangs eingekoppelt, so dass dieser durch den zweiten Teilbild-Strahlengang ganz oder teilweise überlagert wird. Die Einkopplung erfolgt in der gleichen Strahlrichtung. Dadurch werden sowohl der erste als auch der zweite Teilbild-Strahlengang auf die Abbildungsoptik 21 gerichtet, die in herkömmlicher Weise ausgebildet bleiben kann.
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Die Abbildungsoptik 21 kann in herkömmlicher Weise, d.h. zur Projektion eines einzigen Strahlenbündels, ausgebildet sein, da durch die Einkopplung des halbdurchlässigen Spiegels 27 die Teilbild-Strahlengänge über einander liegen.
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Weiterhin kann der Abstand der virtuellen Bildebenen, was einem wahrgenommenen Abstand zwischen den Anzeigebildern entspricht, durch ein optisches Verzögerungselement 30 zwischen das Anzeigeelement 29 und dem halbdurchlässigen Spiegels 27 verändert werden, so dass der effektive Strahlenweg im zweiten Teilbild-Strahlengang verlängert wird.
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Ein solches optisches Verzögerungselement 30 kann als ein planares optisches Fenster oder optische Linse ausgebildet sein.
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Dadurch, dass der oben beschriebene Aufbau nur eine Lichtquelle und nur ein Anzeigeelement 29 benötigt, können die Kosten und der Bauraum einer solchen Projektionsanzeigenanordnung gering bleiben. Auch beim Einsatz von selbstleuchtenden transparenten Anzeigeelementen, wie z. B. TOLEDs, bleiben die Kosten und der Bauraum der Projektionsanzeigeanordnung niedrig.
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Das Projektionsanzeigesystem 1 kann eine Steuereinheit 10 aufweisen.
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Alternativ kann die Steuereinheit 10 Steuersignale an das Anzeigeelement 29 geben und die Bildpunkte vom Anzeigeelement als transparent, teilweise transparent farbig oder intransparent ansteuern.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Projektionsanzeigesystem
- 2
- Projektionsanzeigevorrichtung
- 3
- Frontscheibe
- 4
- Benutzer
- 10
- Steuereinheit
- 21
- Abbildungsoptik
- 22
- Konkavspiegel
- 23
- Flachspiegel
- 24
- Projektionseinheit
- 25
- Lichtquelle
- 26
- Umlenkspiegel
- 27
- halbdurchlässiger Spiegel
- 28
- Linsenoptik
- 29
- Anzeigeelement
- 30
- Verzögerungselement
- TB1
- Teilbild 1
- TB2
- Teilbild 2
- B1, B2
- virtuelle Anzeigebilder
- E1, E2
- Anzeigeebenen
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013218108 A1 [0004]
- DE 102014226360 A1 [0005]
- DE 102014226354 A1 [0006]
- DE 102012210445 A1 [0007]
- DE 102015205871 A1 [0008]
- US 6720961 B2 [0009]
- US 6906762 B1 [0010]
