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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft eine Waveguide-basierte Projektionsanzeigevorrichtung, die insbesondere in einem Kraftfahrzeug oder einem andersartigen Fahrzeug zum Einsatz kommen kann. Die Projektionsanzeigevorrichtung ist zur Erzeugung eines ins Blickfeld eines Benutzers eingeblendeten virtuellen Anzeigebilds über Reflexion an einer zumindest teilweise transparenten Reflexionsscheibe, insbesondere einer Frontscheibe des Fahrzeugs, ausgebildet. Die Projektionsanzeigevorrichtung basiert dabei auf einem Waveguide, um bei einem kleinen Bauraum ein verhältnismäßig großes virtuelles Anzeigebild zu erzeugen. Die Erfindung richtet sich auch auf ein Verfahren zum Betrieb der Projektionsanzeigevorrichtung sowie auf ein damit ausgestattetes Fahrzeug.
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Technischer Hintergrund
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Projektionsanzeigevorrichtungen sind insbesondere unter der Bezeichnung Head-Up-Display (HUD) bekannt. Beispielsweise in einem Kraftfahrzeug kann damit ein gewünschter Anzeigeinhalt, etwa eine Angabe über eine Geschwindigkeitsbegrenzung oder andere nützliche Navigations- und Fahrzeugbedienungshinweise oder auch Entertainment-Inhalte, in Form eines virtuellen Anzeigebilds dem vom Fahrer oder einem anderen Insassen beobachteten realen Umgebungsbild vor dem Fahrzeug überlagert werden. Hierzu umfasst eine Projektionsanzeigevorrichtung in klassischer Bauweise ein unterhalb einer Oberseite der Instrumententafel untergebrachtes Display mit einer geeigneten Abbildungs- und Projektionsoptik, um ein Lichtstrahlenbündel mit gewünschtem Anzeigeinhalt zu erzeugen und so auf die Frontscheibe des Kraftfahrzeugs oder eine extra davor vorgesehene Combinerscheibe zu werfen, dass es von dieser zum Benutzer hin reflektiert wird, um das virtuelle Anzeigebild in seinem Blickfeld vor oder hinter der Reflexionsscheibe entstehen zu lassen.
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Alternativ zu dieser klassischen HUD-Bauweise, deren Abbildungs- und Projektionsoptik im Strahlengang nach dem Display typischerweise einen Konkavspiegel umfasst, dessen Größe linear mit dem HUD-Bild skaliert, ist insbesondere für AR-Anwendungen (Augmented Reality, erweiterte Realität) eine HUD-Bauweise mit einem großflächigen planaren Waveguide (optischen Wellenleiter) bekannt. Durch den Einsatz eines planaren Waveguides kann der für den HUD benötigte Bauraum in Relation zu der Größe des virtuellen Anzeigebilds im Vergleich zu der klassischen HUD-Bauweise erheblich reduziert werden.
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Ein Head-Up-Display, welches einen Waveguide nutzt, um bei kleinem Bauraum ein großes HUD-Bild anzuzeigen, wird jedoch im Vergleich zu einem klassischen HUD ein völlig anderes Streulichtverhalten zeigen. Während beim klassischen HUD das Streulicht hauptsächlich aus der bildgebenden Einheit in Form eines LCD (Liquid Crystal Display), DMD (Digital Micromirror Device) oder LCOS (Liquid Crystal on Silicon) stammt, gibt es in einem Waveguide-HUD zwei Streulichtquellen: zum einen die bildgebende Einheit (Picture Generating Unit, PGU), die ein in der Regel kollimiertes Lichtstrahlenbündel mit Anzeigeinhalt erzeugt, und zum anderen der Waveguide selbst, in dem das erzeugte Lichtstrahlenbündel geleitet und zur Frontscheibe hin ausgekoppelt wird. Diese zusätzliche Streulichtquelle ist in der derzeit technologisch am weitesten fortgeschrittenen Waveguide-Variante besonders bemerkbar, da hier im Waveguide holographische Strukturen enthalten sind, welche zur Lichtlenkung benutzt werden und aufgrund ihrer Materialeigenschaften typischerweise eine Neigung zu erhöhter Streuung aufweisen.
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Dies führt meist zu einem negativen Effekt, dass die gesamte Lichtauskopplungsfläche des Waveguides als eine diffus leuchtende Fläche erscheint. Diese diffus leuchtende Fläche wird über die Frontscheibe ins Auge des Fahrers reflektiert und überdeckt somit die vorausliegende Straßenszene (vgl. 1 und 2).
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Tagsüber stellt dieses Streulicht in aller Regel kein Problem dar. Nachts kann es jedoch gerade bei Überlandfahrten in flachem Gelände zu einem störenden Effekt des Streulichts kommen. Der Bereich unterhalb des Horizonts wird durch das Abblendlicht des Fahrzeugs ausgeleuchtet, wodurch der Fahrer in diesem Bereich toleranter für Streulicht des HUDs ist. Der Bereich über dem Horizont ist hingegen deutlich kritischer: Der Fahrer hat hier nämlich einen besonders dunklen Hintergrund, in dem das Streulicht besonders gut für ihn zu sehen ist. Schlimmstenfalls kann der Fahrer sogar den Eindruck bekommen, durch Nebel zu fahren. Gerade für kleine und mittlere Fahrer kann sich der Bereich des Streulichts weit über den Horizont erheben.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Waveguide-basierte Projektionsanzeigevorrichtung anzugeben, mit der es möglich ist, den geschilderten Streulichteffekt im Blickfeld des Benutzers, insbesondere im Bereich oberhalb des Horizonts, zu reduzieren oder sogar zu eliminieren. Insbesondere kann dadurch die Eignung der Projektionsanzeigevorrichtung für den Einsatz in einem Kraftfahrzeug oder einem anderen Land-, Luft- oder Wasserfahrzeug zu den eingangs genannten Zwecken verbessert sein.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird durch eine Waveguide-basierte Projektionsanzeigevorrichtung gemäß Anspruch 1, ein zugehöriges Betriebsverfahren, eine entsprechende Steuerungseinheit und ein damit ausgestattetes Fahrzeug gemäß den nebengeordneten Ansprüchen gelöst. Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Alle in den Ansprüchen und der nachfolgen Beschreibung für die Projektionsanzeigevorrichtung genannten weiterführenden Merkmale und Wirkungen gelten auch in Bezug auf deren Betriebsverfahren, die Steuerungseinheit sowie auf das Fahrzeug, wie auch umgekehrt.
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Gemäß einem ersten Aspekt ist eine Waveguide-basierte Projektionsanzeigevorrichtung vorgesehen, die insbesondere zum Einsatz in einem Kraftfahrzeug oder einem beliebigen anderen Land-, Luft- oder Wasserfahrzeug ausgebildet sein kann. Es kann sich bei der Projektionsanzeigevorrichtung insbesondere um ein Head-Up-Display (HUD) handeln.
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Die Projektionsanzeigevorrichtung umfasst dabei einen flächigen, insbesondere planaren, Waveguide (optischen Wellenleiter). In einer von seinen zwei Flächenseiten besitzt der Waveguide eine zur ein- oder zweidimensionalen Eyebox-Erweiterung großflächig ausgebildete Lichtauskopplungsfläche für Licht, das seitlich, insbesondere an einer Stirnseite des Waveguides, beim Betrieb der Projektionsanzeigevorrichtung in den Waveguide eingekoppelt wird. Die Projektionsanzeigevorrichtung umfasst ferner eine bilderzeugende Einheit (auch PGU, Picture Generating Unit, genannt), die dazu ausgebildet ist, ein Lichtstrahlenbündel mit einem gewünschten Anzeigeinhalt zu erzeugen und in den Waveguide einzukoppeln.
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Des Weiteren umfasst die Projektionsanzeigevorrichtung eine zumindest teilweise transparente Reflexionsscheibe, die im Blickfeld eines Benutzers so angeordnet und zum Reflektieren eines aus dem Waveguide ausgekoppelten Lichtstrahlenbündels zu einer für seine Augen vorbestimmten Eyebox ausgebildet ist, dass im Blickfeld des Benutzers vor oder hinter der Reflexionsscheibe ein virtuelles Anzeigebild entsteht.
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Die Eyebox kann hierin insbesondere als ein zweidimensionaler Raumbereich senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung verstanden werden. Die Eyebox-Position in Strahlausbreitungsrichtung kann beispielsweise durch den Abstand von der Reflexionsscheibe definiert sein, wobei der Benutzer das virtuelle Anzeigebild auch bei Kopfbewegungen um beispielsweise etwa 15 cm auf die Reflexionsscheibe zu oder von dieser weg in unverändert guter Qualität sehen kann. Die Reflexionsscheibe kann insbesondere durch eine Frontscheibe des Fahrzeugs gebildet sein.
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Ferner umfasst die Projektionsanzeigevorrichtung eine Eye-Tracking-Einrichtung, die zur Ermittlung eines von den Augen des Benutzers aktuell besetzten Eyebox-Fensters einer vorbestimmten Größe, d. h. Teilfläche, innerhalb der Eyebox ausgebildet ist. Während die Gesamtfläche der Eyebox beispielsweise einem Gesamtquerschnitt des aus der Lichtauskopplungsfläche ausgekoppelten und zum Benutzer reflektierten Lichtstrahlenbündels entsprechen kann, stellt das genannte Eyebox-Fenster nur einen Teilbereich der Eyebox dar, der beispielsweise nur einen Bruchteil (wie z. B. weniger als ein Zehntel, als ein Viertel oder als die Hälfte) der Gesamtfläche der Eyebox abdecken kann und dessen Position unter anderem von der Körpergröße und der jeweiligen Pose des Benutzers abhängen kann. Je nach Genauigkeit des Eye-Tracking kann die vorbestimmte Größe des Eyebox-Fensters variieren und beispielsweise durch eine Höhe im Beriech von etwa 20 mm und eine geeignete Breite im Bereich von etwa 100 mm bei einer rechteckigen Form festgelegt sein.
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Zur Lösung der eingangs geschilderten Streulichtproblematik umfasst die Projektionsanzeigevorrichtung der hierin dargelegten Art einen dynamischen Streulichtabsorber. Dieser ist zu einer Abschattung der Lichtauskopplungsfläche - und damit des von der Lichtauskopplungsfläche im Betrieb der Projektionsanzeigevorrichtung ausgehenden Streulichts - in einem abhängig von einem Signal der Eye-Tracking-Einrichtung dynamisch verstellbaren Flächenabschnitt ausgebildet, der sich jeweils von mindestens einem der Ränder der Lichtauskopplungsfläche ausgehend erstreckt, um das ausgekoppelte Lichtstrahlenbündel in seinem Querschnitt zumindest teilweise auf das ermittelte Eyebox-Fenster zu beschränken.
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Hierzu kann die Projektionsanzeigevorrichtung beispielsweise eine geeignete Steuerungseinheit umfassen, die ein Eye-Tracking-Signal der Eye-Tracking-Einrichtung erhält, dieses gegebenenfalls auswertet, um das von den Augen des Benutzers aktuell besetzte Eyebox-Fenster zu ermitteln, und den dynamischen Streulichtabsorber abhängig davon so betätigt, dass der Querschnitt des aus der Lichtauskopplungsfläche ausgekoppelten Lichtstrahlenbündels zumindest teilweise randseitig verringert wird, wobei das jeweils aktuell ermittelte Eyebox-Fenster stets vollständig ausgeleuchtet bleibt.
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Auf diese Weise kann das eingangs erwähnte unerwünschte und besonders in der Dunkelheit störende Streulicht, das aus der Lichtauskopplungsfläche des Waveguides austreten kann, in den Querschnittsbereichen des Lichtstrahlenbündels, die nicht zur Bilderzeugung für die jeweilige Augposition des Benutzers beitragen, zumindest teilweise abgeblockt werden. Je nach der Genauigkeit der Positionsdetektion der Augen und der Ausgestaltung des dynamischen Streulichtabsorbers kann dabei der Streulichtbereich deutlich reduziert und bestenfalls vollständig eliminiert werden, indem das Lichtstrahlenbündel im Querschnitt soweit reduziert wird, dass es nur noch das tatsächlich zur Anzeigebilderzeugung benötigte Eyebox-Fenster ausleuchtet. Auf diese Weise kann ein vom störenden Streulicht erzeugter Rand, den der Benutzer um das dargestellte virtuelle Anzeigebild in Dunkelheit ohne den hierin vorgestellten dynamischen Streulichtabsorber sehen würde, teilweise bis vollständig eliminiert werden.
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Der dynamische Streulichtabsorber kann dabei grundsätzlich an einer beliebigen Position im Strahlengang des aus dem Waveguide ausgekoppelten Lichts angeordnet werden, wobei je nach spezifischer Ausführung eine Anordnung in oder direkt über der Lichtauskopplungsfläche allein schon aus Platzgründen besonders günstig sein kann. Der dynamische Streulichtabsorber kann in diesem Fall die Lichtauskopplungsfläche in einem dynamisch verstellbaren Bereich überdecken, um das Streulicht in diesem Bereich abzublocken.
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Gemäß einer Ausführungsform erstreckt sich der vom dynamischen Streulichtabsorber verschattete Flächenabschnitt von einem benutzernahen Rand der Lichtauskopplungsfläche aus nach innen entlang der Lichtauskopplungsfläche, wodurch ein oberer Eyebox-Randabschnitt oberhalb des Eyebox-Fensters abgeschattet werden kann. Mit dieser Ausführungsform kann die eingangs erwähnte Streulichtproblematik oberhalb des Horizonts im Blickfeld des Benutzers gelöst werden. Zusätzlich kann dabei die Lichtauskopplungsfläche auch in von anderen Rändern ausgehenden Flächenabschnitten dynamisch verschattet werden.
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Bei einer spezifischen Ausgestaltung umfasst der dynamische Streulichtabsorber mindestens ein Rollo, das über bzw. entlang der Lichtauskopplungsfläche von mindestens einem von deren Rändern aus nach innen automatisch ausziehbar ist, um dadurch den entsprechenden Querschnittsabschnitt des ausgekoppelten Lichtstrahlenbündels abzuschatten. Ein solches Rollo kann beispielsweise gleichzeitig zu anderen Zwecken vorgesehen bzw. eingesetzt werden, wie z. B. zum Schutz gegen Missbrauch und/oder zum Schutz der Lichtauskopplungsfläche, wenn die Projektionsanzeigevorrichtung gerade nicht benutzt wird.
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Bei einer spezifischen Ausgestaltung ist der dynamische Streulichtabsorber als eine zweidimensionale Matrix aus Elementen ausgebildet, welche jeweils zwischen einem transmittierenden und einem absorbierenden Zustand für das aus dem Waveguide ausgekoppelte Licht - d. h. sowohl für das zur Bilderzeugung dienende Nutzlicht als auch für das störende Streulicht - schaltbar sind. Die Matrix kann sich entlang der gesamten Lichtauskopplungsfläche oder zumindest in deren Randbereich erstrecken.
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Bei dieser Ausgestaltung kann der dynamische Streulichtabsorber beispielsweise als eine Flüssigkristall-Matrix (LC-Matrix, Liquid Crystal) mit mindestens einem Polarisationsfilter zum Schalten von deren Elementen zwischen einem lichtdurchlassenden und einem lichtblockierenden Zustand ausgebildet sein. Dadurch können insbesondere schnelle Schaltzeiten der Matrixelemente erreicht werden. Beispielsweise können dabei zwei Polarisationsfilter mit gekreuzten, insbesondere zueinander orthogonalen, Polarisationsrichtungen zu beiden Seiten der LC-Matrix vorgesehen sein. Es kann aber auch ein einziger Polarisationsfilter auf einer der Reflexionsscheibe zugewandten Oberseite der Matrix ausreichen, falls das aus dem Waveguide ausgekoppelte Licht bereits ausreichend polarisiert ist. Alternativ kann die Matrix beispielsweise auch als eine elektrochrome Matrix ausgebildet sein.
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Die einzelnen schaltbaren Elemente der Matrix können dabei insbesondere lineare Abmessungen zwischen etwa 1 mm und etwa 40 mm haben, beispielsweise quadratisch oder rechteckig mit einer Seitenlänge in diesem Bereich ausgebildet sein.
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Die Eye-Tracking-Einrichtung kann beispielsweise mindestens eine Kamera umfassen, die zur optischen Erfassung der Eyebox ausgebildet ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Verfahren zum Betreiben einer Projektionsanzeigevorrichtung der hierin dargelegten Art vorgesehen. Das Verfahren umfasst dabei folgende Schritte:
- - Erzeugen eines Lichtstrahlenbündels durch die bildgebende Einheit und Einkoppeln dieses Lichtstrahlenbündels in den Waveguide;
- - Erhalten eines Eye-Tracking-Signals von der Eye-Tracking-Einrichtung und Ermitteln daraus eines von den Augen des Benutzers aktuell besetzten Eyebox-Fensters innerhalb der Eyebox; und
- - Verstellen des dynamischen Streulichtabsorbers abhängig von dem Eye-Tracking-Signal bzw. von dem ermittelten Eyebox-Fenster so, dass das aus dem Waveguide ausgekoppelte Lichtstrahlenbündel in seinem Querschnitt zumindest teilweise auf das ermittelte Eyebox-Fenster beschränkt wird.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine weiter oben bereits erwähnte Steuerungseinheit zum Betreiben einer Projektionsanzeigevorrichtung der hierin dargelegten Art vorgesehen, die zum automatischen Ausführen eines solchen Verfahrens ausgebildet und eingerichtet ist.
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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 Projektionsanzeigevorrichtung der hierin dargelegten Art, deren Reflexionsscheibe durch die Frontscheibe oder eine fahrzeuginnenseitig davor angeordnete Combinerscheibe gebildet ist und deren Waveguide sich mit seiner Flächenseite, in der die Lichtauskopplungsfläche ausgebildet ist, in oder entlang einer Oberseite der Instrumententafel (insbesondere bündig mit ihr abschließend) erstreckt. Ferner umfasst das Fahrzeug eine Steuerungseinheit der hierin dargelegten Art.
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Kurz zusammengefasst: Das Streulicht im Head-Up-Display (HUD) eines Kraftfahrzeugs bekommt seit jeher ein besonderes Augenmerk bei der HUD-Entwicklung. Es kann gerade bei Nacht störend und ermüdend wirken, da es den Kontrast der Straßenszene reduziert. Mit dem Aufkommen von Waveguide-basierten AR-HUDs und den damit einhergehenden größeren HUD-Bildern erlangt dieses Thema noch mehr Bedeutung. Der hierin vorgestellte dynamische Streulichtabsorber ermöglicht es, das Streulicht insbesondere im Bereich über dem Horizont zu eliminieren, wo es im Dunklen besonders störend sein kann, und dem Benutzer dadurch ein besonders gutes und sicheres Fahrerlebnis zu bieten.
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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 aus Gründen anschaulicher Darstellung zumindest teilweise rein schematisch gehalten: Sie sind daher generell nicht als maßstabsgetreu zu verstehen. Es zeigen:
- 1 eine seitliche Querschnittsansicht eines Fahrzeugs mit einer Waveguide-basierten Projektionsanzeigevorrichtung nach Stand der Technik, wobei neben dem Strahlengang des Nutzlichts auch ein Strahlengang des Streulichts gezeigt ist;
- 2 Nutzlichtbereich und Streulichtbereich aus Sicht eines Fahrers des Fahrzeugs der 1;
- 3 eine seitliche Querschnittsansicht eines Fahrzeugs mit einer Waveguide-basierten Projektionsanzeigevorrichtung der hierin dargelegten Art, bei der der Strahlengang des Streulichts durch einen dynamischen Streulichtabsorber vom benutzernahen Rand des Waveguides aus geblockt wird;
- 4 Nutzlichtbereich und Streulichtbereich aus Sicht eines Fahrers des Fahrzeugs der 3, wobei durch den dynamischen Streulichtabsorber ein Streulichtbereich über dem Horizont eliminiert ist;
- 5 eine Draufsicht auf eine Lichtauskopplungsfläche eines Waveguides einer weiteren Waveguide-basierten Projektionsanzeigevorrichtung der hierin dargelegten Art, bei der der Strahlengang des Streulichts durch einen dynamischen Streulichtabsorber in Form einer Matrix aus schaltbaren Elementen geblockt wird; und
- 6 Nutzlichtbereich und Streulichtbereich aus Sicht eines Fahrers eines Fahrzeugs mit einer Waveguide-basierten Projektionsanzeigevorrichtung gemäß 5, wobei durch den dynamischen Streulichtabsorber ein Streulichtbereich um das HUD-Bild von allen Seiten geblockt ist.
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Alle weiter oben in der Beschreibung und in den nachfolgenden Ansprüchen erwähnten verschiedenen Ausführungsformen, Varianten und spezifischen Ausgestaltungsmerkmale der Projektionsanzeigevorrichtung, des Verfahrens, der Steuerungseinheit und des Fahrzeugs gemäß den obigen Aspekten der Erfindung können bei den in den 1 bis 6 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 den 1-6 gezeigt sind.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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1 zeigt in einer stark vereinfachten schematischen seitlichen Querschnittsansicht ein Beispiel eines Kraftfahrzeugs 17 mit einer Waveguide-basierten Projektionsanzeigevorrichtung 100 nach Stand der Technik. Es kann sich dabei insbesondere um ein Head-up-Display (HUD) für Augmented-Reality-Anwendungen (AR-HUD) handeln.
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Das Kraftfahrzeug 17 umfasst eine Frontscheibe 2 und eine darunter angeordnete Instrumententafel, in deren Oberseite die Projektionsanzeigevorrichtung 100 angeordnet ist.
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Die Projektionsanzeigevorrichtung 100 der 1 umfasst in an sich bekannter Weise einen planaren Waveguide 3 (optischen Wellenleiter), der in seiner der Frontscheibe zugewandten Flächenseite eine Lichtauskopplungsfläche 4 für Licht aufweist, das seitlich, insbesondere an einer Stirnseite des Waveguides 3, in den Waveguide 3 eingekoppelt wird. Hierzu umfasst die Projektionsanzeigevorrichtung 100 eine in 1 nicht extra dargestellte bilderzeugende Einheit (auch PGU, Picture Generating Unit, genannt), die dazu ausgebildet ist, ein Lichtstrahlenbündel mit einem gewünschten Anzeigeinhalt zu erzeugen und in den Waveguide 3 einzukoppeln.
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Die Frontscheibe 2 dient bei der Projektionsanzeigevorrichtung 100 als eine Reflexionsscheibe, die ein aus dem Waveguide 3 über seine Lichtauskopplungsfläche 4 ausgekoppeltes Lichtstrahlenbündel L zu einer für die Augen eines Benutzers 5 (hier eines Fahrers des Kraftfahrzeugs) vorbestimmten Eyebox 6 reflektiert, sodass im Blickfeld des Benutzers 5 hinter der Frontscheibe 2 ein virtuelles Anzeigebild V (in 2 schematisch angedeutet) entsteht. Die Eyebox 6 ist hierin als ein zweidimensionaler Raumbereich senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung zu verstehen. Auch bei Kopfbewegungen des Benutzers 5 um beispielsweise etwa 10-15 cm in Fahrzeuglängsrichtung nach vorn oder nach hinten aus der eingezeichneten Eyebox-Position kann er das virtuelle Anzeigebild V gut sehen. Ein entsprechender dreidimensionaler Raumbereich 7 um die Eyebox 6 ist in 1 angedeutet. Dieser umfasst auch in vertikaler Richtung unterschiedliche Körpergrößen und Sitzpositionen der verschiedenen Benutzer.
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Wie eingangs beschrieben, gibt es in einem herkömmlichen Waveguide-HUD zwei Streulichtquellen: zum einen die bildgebende Einheit und zum anderen den Waveguide 3 selbst. Diese zusätzliche Streulichtquelle kann besonders stark in einem Waveguide 3 mit holographischen Strukturen ausgeprägt sein, welche zur Lichtlenkung benutzt werden und aufgrund ihrer Materialeigenschaften typischerweise eine Neigung zu erhöhter Streuung aufweisen.
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Wie in 1 und 2 gemäß Stand der Technik gezeigt, führt dies bei herkömmlichen Projektionsanzeigevorrichtungen 100 zu einem negativen Effekt, dass die gesamte Lichtauskopplungsfläche 4 des Waveguides 3 als eine diffus leuchtende Fläche erscheint, welche über die Frontscheibe 2 ins Auge des Benutzers 6 (hier des Fahrers) reflektiert wird und somit die vorausliegende Straßenszene um den Nutzlichtbereich 9, in dem das virtuelle Anzeigebild V dargestellt wird, in Form eines leuchtenden Streulichtbereichs 8 überdeckt.
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1 zeigt anhand von Randstrahlen das Strahlvolumen NL des Nutzlichts, das zur Erzeugung des virtuellen Anzeigebilds V für den Benutzer 5 dient. 1 zeigt ferner auch das gesamte Strahlvolumen GL des ausgekoppelten Lichtstrahlenbündels L, das die ganze Eyebox 6 ausleuchtet, sowie einen oberen Randstrahl SL des Streulichts, das dabei von der Lichtauskopplungsfläche 4 des Waveguides 3 ausgehend über die Frontscheibe 2 zu den Augen des Benutzers 5 gelangt und zur Entstehung des Streulichtbereichs 8 um den Nutzlichtbereich 9, in dem das virtuelle Anzeigebild V dargestellt wird, führt.
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Tagsüber stellt dieses Streulicht in aller Regel kein Problem dar. Nachts kann es jedoch gerade bei Überlandfahrten in flachem Gelände zu einem störenden Effekt des Streulichts kommen. Der Streulichtbereich 8a unterhalb des Horizonts H wird durch das Abblendlicht des Fahrzeugs ausgeleuchtet, wodurch der Fahrer in diesem Bereich toleranter für Streulicht des HUDs ist. Der Streulichtbereich 8b über dem Horizont H ist hingegen deutlich kritischer: Der Fahrer hat hier nämlich oft einen besonders dunklen Hintergrund, in dem das Streulicht besonders gut für ihn sichtbar wird. Schlimmstenfalls kann der Fahrer sogar den Eindruck bekommen, durch Nebel zu fahren. Gerade für kleine und mittlere Fahrer kann sich der Streulichtbereich 8b weit über den Horizont H erheben.
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3 zeigt eine seitliche Querschnittsansicht eines Fahrzeugs mit einer Waveguide-basierten Projektionsanzeigevorrichtung 1 der hierin dargelegten Art, bei der der Strahlengang des Streulichts durch einen dynamischen Streulichtabsorber 10 vom benutzernahen Rand 11 der Lichtauskopplungsfläche 4 aus geblockt wird. Dabei können die mit den gleichen Bezugszeichen bezeichneten Elemente der Vorrichtung 1 ähnlich wie in 1 und 2 ausgestaltet sein.
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4 zeigt den Nutzlichtbereich 9 und den Streulichtbereich 8 aus Sicht des Benutzers 5 (eines Fahrers des Fahrzeugs) der 3, wobei durch den dynamischen Streulichtabsorber 10 ein über dem Horizont H liegender Streulichtbereich 8b durch das entsprechende Abschatten des Strahlengangs des Streulichts eliminiert ist.
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Dabei wird die Streulichtproblematik (oberhalb des Horizonts H) durch einen dynamisch verstellbaren Streulichtabsorber 10 gelöst, der, wie in 3 durch einen Pfeil dargestellt, dynamisch entlang der Längsachse des Fahrzeugs verschiebbar ist, um immer eine optimale Verschattung des Streulichts zu erreichen, ohne dabei das HUD-Bild V zu beschneiden. Die korrekte Position einer Vorderkante 12 des dynamischen Streulichtabsorbers 10 wird dabei aus der Position der Augen des Benutzers 5 bestimmt, welche über eine Kamera 13 einer geeigneten Eye-Tracking-Einrichtung 14 detektiert wird.
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Eine mögliche Ausführungsform des dynamischen Streulichtabsorbers 10 ist z.B. als Rollo, welches sich an einer benutzernahen Hinterkante 15 der Projektionsanzeigevorrichtung 1 befindet und über und entlang der Lichtauskopplungsfläche 4 von deren benutzernahem Rand 11 aus nach innen ausziehbar ist.
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Dadurch wird ein oberer Eyebox-Randabschnitt 6b oberhalb eines tatsächlich von den Augen des Benutzers 5 genutzten Eyebox-Fensters EF abgeschattet. Damit wird gleichzeitig auch der Strahlengang des Streulichts mit Randstrahl SL geblockt, der in 3 und 4 als durchgestrichen (d. h. nicht mehr vorhanden) angedeutet ist.
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Die Streustrahlen werden also durch den dynamischen Streulichtabsorber 10 während des Betriebs der Vorrichtung 1 abhängig von einem jeweils aktuellen Signal der Eye-Tracking-Einrichtung 14 geblockt. Deren Kamera 13 liefert über das Eye-Tracking die nötige Datengrundlage, um die Position der vorderen (benutzerfernen) Absorberkante 12 korrekt einzustellen, um das aktuell vom Benutzer 5 genutzte Eyebox-Fenster EF nicht zu beschneiden. Eine automatische Ausführung dieser Schritte kann in einer geeigneten Steuerungseinheit 18 implementiert sein, die im Betrieb Signale der Eye-Tracking-Einrichtung 14 empfängt und den dynamischen Streulichtabsorber 10 entsprechend ansteuert.
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Die positive Auswirkung auf das Streulicht ist dabei aus 4 ersichtlich. Abhängig von der Genauigkeit der Positionsdetektion der Augen kann der obere Streulichtbereich 8b bestenfalls bis zum Nutzlichtbereich 9, in dem das virtuelle Anzeigebild V dargestellt wird (HUD-Bild-Bereich), reduziert werden.
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5 zeigt eine weitere Ausführungsform des dynamischen Streulichtabsorbers 10 einer Waveguide-basierten Projektionsanzeigevorrichtung 1 der hierin dargelegten Art. Hier stellt der dynamische Streulichtabsorber 10 eine Matrix aus Elementen 16 dar, welche lichttransmittierend (16a) oder lichtabsorbierend (16b) geschaltet werden können, z.B. eine LC-Matrix mit Polarisator. Die Matrix überdeckt in diesem Beispiel die gesamte Lichtauskopplungsfläche 4 des Waveguides 2, die in Draufsicht gezeigt ist. Im Übrigen kann die Projektionsanzeigevorrichtung 1 beispielsweise ähnlich derjenigen der 3 ausgebildet sein.
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Diese Ausführungsform des dynamischen Streulichtabsorbers 10 kann gegenüber der 3 den Vorteil haben, dass man damit nicht nur den Streulichtbereich 8b oberhalb des HUD-Bildes vom Streulicht befreien kann, sondern das Streulicht im gesamten Streulichtbereich 8 rund um den jeweils fürs virtuelle Anzeigebild V genutzten Nutzlichtbereich 9 eliminieren könnte, wie in 6 aus der Sicht des Benutzers 5 gezeigt.
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Die Ausführungsform auf LC-Basis mit einem Polarisator auf der Oberseite hat auch weitere Vorteilen, wie bekannte Technologie, schnelle Schaltzeiten oder gute Transmission. Alternativ zu einer LC-Matrix kann auch auf eine Elektrochrome Matrix zurückgegriffen werden. Die einzelnen schaltbaren Matrixelemente 16 können in 5 beispielsweise lineare Abmessungen von etwas mehr als 1 mm bis etwas weniger als 40 mm haben.
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Bezugszeichenliste
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- 1, 100
- Waveguide-basierte Projektionsanzeigevorrichtung
- 2
- Frontscheibe
- 3
- Waveguide
- 4
- Lichtauskopplungsfläche
- 5
- Benutzer
- 6
- Eyebox (zweidimensional)
- 7
- dreidimensionaler Raumbereich, aus dem das virtuelle Anzeigebild zu sehen ist
- 8
- Streulichtbereich aus Sicht des Benutzers
- 9
- Nutzlichtbereich aus Sicht des Benutzers
- L
- ausgekoppeltes Lichtstrahlenbündel
- V
- virtuelles Anzeigebild
- NL
- Strahlvolumen des Nutzlichts, das zur Anzeigebilderzeugung für den Benutzer beiträgt
- GL
- das gesamte Strahlvolumen des ausgekoppelten Lichtstrahlenbündels, das die ganze Eyebox ausleuchtet
- SL
- oberer Randstrahl des Streulichts
- H
- Horizont
- EF
- Eyebox-Fenster, das aktuell von den Augen des Benutzers besetzt ist
- 8a
- Streulichtbereich unterhalb des Horizonts
- 8b
- Streulichtbereich über dem Horizont
- 10
- dynamischer Streulichtabsorber
- 11
- benutzernaher Rand der Lichtauskopplungsfläche
- 12
- Vorderkante des dynamischen Streulichtabsorbers in Fahrzeuglängsrichtung
- 13
- Kamera
- 14
- Eye-Tracking-Einrichtung
- 15
- benutzernahen Hinterkante der Projektionsanzeigevorrichtung
- 16
- Matrixelement
- 16a
- lichttransmittierend
- 16b
- lichtabsorbierend
- 17
- Kraftfahrzeug
- 18
- Steuerungseinheit
