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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Head-Up-Display, welches eine Bilderzeugungseinheit mit Faltspiegel aufweist.
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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 meisten heutigen Head-Up-Displays verwenden zur Bildgenerierung LCD-basierte Displays (LCD: Liquid Crystal Display; Flüssigkristallanzeige). 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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Aus der
DE 41 02 678 A1 ist ein Head-Up-Display für ein Fortbewegungsmittel bekannt, mit einer bildgebenden Einheit zum Erzeugen eines Bildes, einer Optikeinheit zum Projizieren des Bildes durch eine Spiegeleinheit auf eine virtuelle Bildebene, und einem Faltspiegel, dessen Einfallswinkel und Ausfallswinkel ungleich sind. Diese Eigenschaft wird beispielsweise mittels holographischer Bauteile erzielt, mittels Beugungsgitter, oder mittels Fresnel-Spiegel.
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Auch die
US 5,313,326 A , die
WO 2014/041689 A1 , die
US 2015/0362221 A1 , die
US 2018/252917 A1 und die
US 2019/0212560 A1 zeigen Head-Up-Displays bei denen ein Faltspiegel zum Einsatz kommt, dessen Einfallswinkel und Ausfallswinkel ungleich sind. Aus der
US 2016/0209649 A1 ist ei Head-Up Display bekannt, bei dessen Faltspiegel Einfallswinkel gleich Ausfallswinkel gilt.
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Bei diesen bekannten Head-Up-Displays ist der Faltspiegel, dessen Einfallswinkel und Ausfallswinkel ungleich sind, im Abbildungspfad angeordnet. Dort kann der diese Eigenschaft aufweisende Faltspiegel einen ungünstigen Einfluß auf die Bildqualität und/ oder die Störlichtempfindlichkeit haben.
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Aus der
US 2010/0195022 A1 ist eine Hintergrundbeleuchtung für eine Flüssigkristallanzeige bekannt, bei dem eine Kante eines Lichtleiters mit einer Vielzahl von reflektierenden Flächen versehen ist, die einen eng gebündelten Laserstrahl in ein breites Lichtbündel aufweiten. Die Verwendung einer Laserlichtquelle ist bei Head-Up-Displays allerdings hauptsächlich bei Anwendung von Mikro-Spiegel-Einheiten (sog. DMD, englisch: Digital Micro Mirror Device) bekannt, die einen Lichtstrahl sehr geringen Querschnitts mit geringem Öffnungswinkel erfordern.
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Ein gegenüber den bekannten Head-Up-Displays verbessertes Head-Up-Display ist erwünscht.
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Ein erfindungsgemäßes Head-Up-Display ist in Anspruch 1 angegeben. Erfindungsgemäß ist der Faltspiegel, dessen Einfallswinkel und Ausfallswinkel ungleich sind, zwischen einer Lichtquelle und einem von dieser durchleuchteten Anzeigeelement, also im Beleuchtungspfad, angeordnet. Dies hat den Vorteil, daß ein ungünstiger Einfluß des Faltspiegels auf die Bildqualität und/ oder die Störlichtempfindlichkeit vermieden wird. Die Anordnung des Faltspiegels im Beleuchtungspfad hat weiterhin den Vorteil, eine Spreizung des Beleuchtungsbündels und ein Polarisationsrecycling zu ermöglichen. Ein weiterer Vorteil bezieht sich auf den Bauraum. Dieser Bauraumvorteil basiert auf der freieren Positionierbarkeit der Lichtquelle bei gleichzeitiger Einhaltung des Wunschwinkels im Bereich des Displays. Die kleinere Lichtquelle spart zusätzlich Platz in der Realisierungsform, beispielsweise als Leuchtdioden mit Kollimatoren.
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Erfindungsgemäß weist der Faltspiegel an seiner reflektierenden Oberfläche viele Mikrostrukturen auf, die jede für sich die bekannte Regel, daß Einfallswinkel gleich Ausfallswinkel ist, erfüllt. Auf diese Weise ist der Faltspiegel besonders einfach herstellbar.
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Die Mikrostrukturen weisen in sich eine Krümmung auf. Dies ermöglicht es vorteilhafterweise, eine oder mehrere weitere Funktionen in den Faltspiegel zu integrieren. Erfindungsgemäß ist ebenfalls eine kaskadierte Ausführung mit zwei Faltspiegeln und Aufspreizung in zwei Richtungen vorgesehen.
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Vorteilhafterweise ist die Differenz zwischen Einfallswinkel und Ausfallswinkel des Faltspiegels positionsabhängig. An unterschiedlichen Stellen des Faltwinkels auftreffende parallele Einfallsstrahlen werden somit mit unterschiedlichen Ausfallswinkeln reflektiert. Die ist besonders einfach über Fresnelstrukturen erreichbar, und hat den Vorteil, daß eine Aufweitung des einfallenden Lichtbündels und eine ortsabhängige Verteilung der Intensität des reflektierten Lichtbündels erzielbar ist. Strenggenommen ist ein optisches Element mit den genannten Eigenschaften kein Faltspiegel mehr. Diese Bezeichnung wird aber hierin weiterhin verwendet, um das optische Element zu benennen, das erfindungsgemäß anstelle eines herkömmlichen Faltspiegels angeordnet ist.
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Gemäß einer Variante der Erfindung weisen die Mikrostrukturen leichte Steigungsabweichungen von ihrer idealen Steigung auf. Vorteilhafterweise sind leichte Steigungsabweichungen in die Mikrostrukturen eingebracht. Dies ermöglicht es, beispielsweise im Falle einer Fresnelstruktur möglicherweise auftretende Streifen in der Lichtverteilung zu verwischen. Eine Integration einer Streufunktion in den Faltspiegel ist somit ermöglicht.
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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 die bildgebende Einheit eines Head-Up-Displays;
- 3 zeigt schematisch die bildgebende Einheit eines erfindungsgemäßen Head-Up-Displays;
- 4 zeigt schematisch einen Faltspiegel eines erfindungsgemäßen Head-Up-Displays;
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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. Ein Blendschutz 24 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.
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2 zeigt schematisch die bildgebende Einheit 1 eines Head-Up-Displays. Man erkennt die Lichtquelle 12, deren Licht von einem Kollimator 13 kollimiert wird. Das kollimierte Lichtbündel weist in der Bildebene eine Höhe h auf. Es wird von einem im Winkel von α=45° angeordneten Spiegel 14 reflektiert und durchleuchtet das Anzeigeelement 11, von wo aus es als Strahlenbündel SB1 in die hier nicht dargestellte Optikeinheit 2 eintritt.
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3 zeigt schematisch die bildgebende Einheit eines erfindungsgemäßen Head-Up-Displays. Man erkennt den erfindungsgemäßen Faltspiegel 15, der in einem Winkel von β<45° angeordnet ist. Aufgrund seiner Eigenschaft, daß Einfallswinkel und Ausfallswinkel ungleich sind, ändert sich an der prinzipiellen Richtung des auf ihn von der Lichtquelle 12 her kommenden Lichts und des von ihm Richtung Anzeigeelement 11 reflektierten Lichts im Vergleich zur vorhergehenden Abbildung nichts. Allerdings fallen die Ausdehnung der Lichtquelle 12 und des Kollimators 13, sowie die Höhe h' des kollimierten Lichtbündels kleiner aus als zur vorhergehenden Abbildung. Eine Bauraumeinsparung ist somit realisiert. Die Höhe h' in dieser Abbildung ist kleiner als die Höhe h in der vorhergehenden Abbildung. Dies bedeutet nicht nur, daß der Raumbedarf der Anordnung kleiner ist, sondern auch, daß die Beleuchtungseinheit, hier die Lichtquelle 12, nur ein flacheres Lichtbündel zu erzeugen hat, womit auch die Lichtquelle 12 kompakter ausfällt. Ein ebenfalls wichtiger Bauraumvorteil basiert auf der freieren Positionierbarkeit der Lichtquelle bei gleichzeitiger Einhaltung des Wunschwinkels im Bereich des Displays. Die kleinere Lichtquelle spart zusätzlich Platz in der Realisierungsform, beispielsweise als Leuchtdioden.
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4 zeigt schematisch einen Faltspiegel 15 eines erfindungsgemäßen Head-Up-Displays. Man erkennt, daß der Faltspiegel 15 an seiner reflektierenden Oberfläche viele Mikrostrukturen 16 aufweist, die jede für sich die bekannte Regel, daß Einfallswinkel gleich Ausfallswinkel ist, erfüllt. Die Mikrostrukturen 16 weisen in einer vorteilhaften Weiterbildung, in der Abbildung nicht gezeigt, in sich eine Krümmung auf, die zu einer Aufweitung des reflektierten Strahlenbündels führt. Makroskopisch betrachtet ist aber der Einfallswinkel θ1 des Faltspiegels 15 größer als dessen Ausfallswinkel θ2. Man erkennt ein sich kaum aufweitendes Einfallstrahlenbündel ESB, welches nach Reflexion am Faltspiegel 15 als Ausfallstrahlenbündel ASB eine stärkere Aufweitung aufweist. In der reinen Form sind die mikrostrukturierten Flächen nicht gekrümmt. Das wird erst in der genannten Weiterbildung relevant, bei der die Streifenbildung reduzieren ist. Gemäß einer Weiterbildung ermöglichen es gekrümmte mikrostrukturierte Flächen, dem Faltspiegel eine zusätzliche Funktion zu geben. Durch diese zusätzliche Funktion ist er dann strenggenommen nicht mehr als Faltspiegel zu bezeichnen. Beim Faltspiegel sind verschiedene Varianten zu unterscheiden. Man kann die Spiegelfunktion krümmen, um das Lichtbündel zu formen. In diesem Fall wird also kein flacher Spiegel „fresnelliert/segmentiert“, sondern ein gekrümmter Spiegel. Oder man kann die Flächen der Segmente manipulieren, was im Allgemeinen in Richtung einer Streufunktion geht, um die Lichtverteilung zu homogenisieren. Beides ist möglich und potentiell von Vorteil.
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Vorkollimierte Lichtquellen, die gegebenenfalls aus mehreren nebeneinander angeordneten Einzellichtquellen, sogenannten Arrays bestehen, strahlen entweder direkt auf Diffusoren hinter dem Anzeigeelement, im folgenden auch als Display bezeichnet, oder werden vorher durch möglicherweise gekrümmte Faltspiegel umgelenkt. Bei diesen gilt makroskopisch Einfallswinkel=Ausfallswinkel. Das führt zu Bauraumkonflikten. In den Ecken/Kanten zwischen Arrayzellen können besonders starke Farb- und Helligkeitsabweichungen auftreten. Oftmals werden als Lichtquellen Leuchtdioden (englisch: LED, Light Emitting Diode) verwendet. Die nicht zum Display-Polarisator passende Polarisationsrichtung des LED-Lichts wird vom Display abgehalten und geht verloren. Eine Verkippung des Faltspiegels um einen Winkel ändert den Winkel des beleuchtenden Lichts um den doppelten Winkel.
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Solche Lösungen haben den Nachteil eines erhöhten Bauraumbedarfs, der die Bildgröße einschränkt, der Erfordernis von Arrays mit relativ hohen Zellenzahlen, Farb- und Helligkeitsinhomogenitäten. sowie Effizienzeinbußen durch Verlust einer Polarisationskomponente. Verbesserte Konzepte für Bilderzeugungseinheiten, die mit gegeben Bauraumanforderungen in Einklang zu bringen sind, sind erwünscht.
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Kernidee der Erfindung ist ein fein gestufter Faltspiegel 15, der makroskopisch von Einfallswinkel=Ausfallswinkel eines herkömmlichen Spiegels 14 abweicht, siehe 4. Die so gewonnenen Eigenschaften und Freiheiten eröffnen einen ganzen Strauß von Designmöglichkeiten mit Vorteilen über die Bauraumersparnis hinaus.
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Damit gibt es erfindungsgemäß einerseits besonders platzsparende Möglichkeiten, den Strahlengang der Bilderzeugungseinheit 1 in den Bauraum zu falten. Die Lichtverteilung wird aufgespreizt, indem sie in Streifen geteilt wird, die auseinandergezogen werden. Dadurch kann die ursprüngliche Beleuchtungseinheit verkleinert werden. Das hilft, Arraygrenzen im Bildbereich zu vermeiden und die Homogenität zu verbessern. Ausführungsvarianten erlauben toleranzunempfindliche Designs und Effizienzsteigerung durch Polarisationsrecycling. Vorzugsweise wird der erfindungsgemäße Faltspiegel mittels Hologrammtechnologie ausgeführt. Bei Ausführung mittels Hologramm kann die Hologrammstruktur so ausgelegt werden, daß zumindest vom menschlichen Benutzer keine Aufspaltung in Streifen feststellbar ist.
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Erfindungsgemäß wird der Faltspiegel, dessen Einfallswinkel und Ausfallswinkel unterschiedlich sind, im Beleuchtungspfad angeordnet. Dies bringt diverse zusätzliche Vorteile, wie die Spreizung des Beleuchtungsbündels und die Möglichkeit zum Polarisationsrecycling. Gemäß einer bevorzugten Variante wird als Lichtquelle kein Laser verwendet. Dies ermöglicht es, den Streuwinkel der Lichtquelle passend auslegen, um die dunklen Lücken besser auszufüllen.
