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Die Erfindung betrifft Projektionsanzeigesysteme, insbesondere Headup-Display-Systeme, insbesondere zum Einsatz in einem Kraftfahrzeug. Die Erfindung betrifft weiterhin Maßnahmen zur Unterdrückung von Störreflexionen und zur Reduzierung einer Blendung durch einfallendes Umgebungslicht aufgrund einer Reflexion an inneren Komponenten einer Projektionsanzeigeeinrichtung des Projektionsanzeigesystems.
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Frontscheibenanzeigeeinrichtungen, wie Head-up-Display-Einrichtungen, zur visuellen Anzeige von Informationen im Blickfeld eines Fahrers eines Kraftfahrzeugs sind aus dem Stand der Technik bekannt. Beispielsweise beschreibt die Druckschrift
DE 10 2010 032 998 A1 ein Head-up-Display für ein Kraftfahrzeug mit einer Projektionsanzeigeeinrichtung, über die ein anzuzeigendes Bild auf eine als Kombiniereinrichtung wirkende Frontscheibe eines Kraftfahrzeugs projiziert wird. Derartige Frontscheibenanzeigeeinrichtungen haben im Unterschied zu den übrigen Anzeigeeinrichtungen im Kraftfahrzeug den Vorteil, dass der Fahrer den Blick nicht von dem Verkehrsgeschehen abwenden muss, um wichtige Informationen, wie zum Beispiel die momentane Fahrzeuggeschwindigkeit oder optische Anweisungen eines Navigationssystems zu erfassen.
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Heutige Projektionsanzeigeeinrichtungen sind in der Regel im Armaturenbrett eingebaut und an ihrer Auslassöffnung durch eine transparentes Abdeckscheibe oder eine transparente Folie geschlossen, um zu verhindern, dass Staub oder Gegenstände ins Innere der Projektionsanzeigeeinrichtung gelangen können und optische Bauteile beschädigen oder die Funktion beeinträchtigen können.
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Bei bekannten Head-up-Display-Einrichtungen werden Maßnahmen vorgesehen, um zu vermeiden, dass Umgebungslicht, das auf/in eine Projektionsanzeigeeinrichtung der Head-up-Display-Einrichtung fällt, auf die Frontscheibe des Kraftfahrzeugs reflektiert wird, von dort in Richtung des Fahrers reflektiert wird und diesen dadurch blendet und/oder die Darstellung der anzuzeigenden Information beeinträchtigt. Daher ist die zum Schutz der Projektionsanzeigeeinrichtung vorgesehene Abdeckscheibe in der Regel gekrümmt ausgebildet, um einfallendes Umgebungslicht in Richtung einer lichtabsorbierenden Fläche, auch Spiegelbank genannt, zu reflektieren. Das reflektierte Umgebungslicht wird an der lichtabsorbierenden Fläche nur in geringem Maß reflektiert, so dass störende Reflexionen von Umgebungslicht oder Ausleuchtungen in einem Anzeigebereich auf der Frontscheibe im Wesentlichen vermieden werden können. Das in der Projektionsanzeigeeinrichtung erzeugte Bild wird dagegen mit nur geringen Verlusten durch die Abdeckscheibe transmittiert, so dass das projizierte Anzeigebild gut von einem Fahrzeuginsassen wahrgenommen werden kann.
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Diese sogenannte geometrische Entspiegelung stellt jedoch nur einen Teil der Reflexionen dar, die über die Abdeckscheibe reflektiert werden. In der Regel kann die geometrische Entspiegelung nur einen Teil des aus der Umgebung einfallenden Störlichts unterdrücken.
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Insbesondere kann durch die Abdeckscheibe ins Innere der Projektionsanzeigeeinrichtung einfallendes Umgebungslicht an dort befindlichen optischen Bauteilen oder sonstigen Flächen reflektiert werden, so dass das reflektierte Licht durch die Abdeckscheibe in den Fahrzeuginnenraum gelangt und dort gegebenenfalls den Fahrer blenden kann. So ist es z. B. möglich, dass ein optischer Spiegel, die Oberfläche von Linsen oder die Projektionseinheit einen Reflex von einfallendem Umgebungslicht erzeugt, der in den Augenbereich des Fahrers gelangt. Das Auffinden einer geeigneten Anordnung von Komponenten der Projektionsanzeigeeinrichtung, so dass es nicht zu störenden Blendungen im Augenbereich des Fahrers kommt, kann aufgrund des großen Einfallswinkelbereichs von Umgebungslicht schwierig zu bewerkstelligen sein.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Projektionsanzeigeeinrichtung zum Einsatz in einem Kraftfahrzeug vorzusehen, bei der die Gefahr einer Blendung des Fahrers durch im Inneren der Projektionsanzeigeeinrichtung reflektiertes Umgebungslicht reduziert ist.
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Diese Aufgabe wird durch die Reflexionsanzeigesystem gemäß Anspruch 1 sowie durch die Anordnung 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 ein Reflexionsanzeigesystem für ein Kraftfahrzeug mit einer Head-up-Display-Einrichtung vorgesehen, wobei die Head-up-Display-Einrichtung eine Projektionsanzeigeeinrichtung zum Emittieren eines Projektionslichtstrahlenbündels mit einer Bildinformation in Richtung eines Reflexionsbereichs einer Frontscheibe, so dass diese dort reflektiert und in einem Augenbereich wahrnehmbar ist, und eine transparente Abdeckscheibe zum Schutz der Projektionsanzeigeeinrichtung aufweist, wobei die Abdeckscheibe eine winkelabhängige Lichtdiffusorschicht aufweist, die einen von einem Einfallswinkel abhängigen Streuungsgrad aufweist.
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Bei herkömmlichen Projektionsanzeigeeinrichtungen wird ein Anzeigebild von einer Projektionseinheit durch eine transparente Abdeckscheibe über einen Reflexionsbereich auf der Innenseite der Frontscheibe ins Auge des Fahrzeuginsassen projiziert. Die Auffächerung des Projektionsstrahlenbündels ist aufgrund der direkten Projektion in den Augenbereich des Fahrzeuginsassen (z.B. des Fahrers) gering. Dies führt dazu, dass der Winkelbereich, unter dem das Projektionslichtstrahlenbündel von der Projektionseinheit in der Projektionsanzeigeeinrichtung durch die Abdeckscheibe transmittiert wird, begrenzt ist. Dagegen fällt Umgebungslicht innerhalb eines sehr großen Winkelbereichs durch die Abdeckscheibe ins Innere der Projektionsanzeigeeinrichtung.
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Der wichtigste Parameter von Störlicht, das im Gesicht des Fahrers reflektiert wird, ist die Intensität bzw. Leuchtdichte, die über das Auge wahrgenommen werden kann. Ist die Leuchtdichte des Störlichts, das in der Regel über die Frontscheibe in die Sicht des Fahrers reflektiert wird, deutlich geringer als das Licht, mit der die Fahrszene beleuchtet ist, so wird sie in der Regel als unkritisch wahrgenommen. Bei Tageslichtverhältnissen sollte beispielsweise die Lichtstärke des Störlichts nicht mehr als ca. 1.000 cd/m2 betragen, wenn eine Blendung verhindert werden soll. Kritisch sind jedoch Fälle, bei denen einfallendes Sonnenlicht bzw. der Reflex der Sonnenscheibe Leuchtdichten von bis zu 1.600 × 106 cd/m2 erreicht. Selbst mit leistungsfähigen Antireflexbeschichtungen auf der Deckscheibe kann die Reflexion nicht annähernd ausreichend verringert werden, um eine Blendung zu vermeiden.
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Es ist nun vorgesehen, die Abdeckscheibe mit einem winkelabhängigen Lichtdiffusor zu versehen, der bei bestimmten Einfallswinkelbereichen einfallendes Umgebungslicht in einem weiten Winkelbereich streut, so dass eine direkte Blendung einer Lichtquelle in der Umgebung, wie beispielsweise der Sonne, durch Streuung an einer Komponente im Inneren der Projektionsanzeigeeinrichtung größtenteils unterbunden wird, da das einfallende Licht weit gestreut wird, so dass es sich flächig auf alle Komponenten im Inneren der Projektionsanzeigeeinrichtung verteilt und dadurch die Leuchtstärke von etwaig ins Auge des Fahrzeuginsassen reflektierten Lichts deutlich vermindert wird. Die Komponenten im Inneren der Projektionsanzeigeeinrichtung reflektieren das durch die Abdeckscheibe einfallende Umgebungslicht zwar, die Streuung bleibt aber erhalten, so dass die Lichtstärke auf eine größere Fläche verteilt und dadurch reduziert ist.
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Die winkelabhängigen Lichtdiffusoren können als ein Verbund aus transparenten Folien ausgebildet sein, von denen eine Zwischenschicht gezielt Licht streut.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Abdeckscheibe und die Projektionsanzeigeeinrichtung so angeordnet sind, dass das Projektionslichtstrahlenbündel mit einem Einfallswinkel oder mit einem Einfallswinkelbereich durch die Abdeckscheibe transmittiert wird, wobei der Einfallswinkel oder der Einfallswinkelbereich über einem Schwellenwinkel liegt, wobei die winkelabhängige Lichtdiffusorschicht Licht mit geringeren Einfallswinkeln als dem Schwellenwinkel diffus streut und Licht mit höheren Einfallswinkeln als den Schwellenwinkel nicht streut.
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Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Abdeckscheibe und die Projektionsanzeigeeinrichtung so angeordnet sind, dass das Projektionslichtstrahlenbündel mit einem Einfallswinkel oder mit einem Einfallswinkelbereich durch die Abdeckscheibe transmittiert wird, wobei der Einfallswinkel oder der Einfallswinkelbereich unter einem Schwellenwinkel liegt, wobei die winkelabhängige Lichtdiffusorschicht Licht mit höheren Einfallswinkeln als dem Schwellenwinkel diffus streut und Licht mit geringeren Einfallswinkeln als den Schwellenwinkel nicht streut.
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In dem Projektionsanzeigesystem können somit die Projektionsanzeigeeinheit im Inneren der Projektionsanzeigeeinrichtung und die Abdeckscheibe so zueinander ausgerichtet werden, dass mögliche Einfallswinkelbereiche von kritischem einfallenden Umgebungslicht und der Winkelbereich des Projektionslichtstrahlenbündels, das das Anzeigebild trägt, voneinander separiert sind.
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Insbesondere kann der Schwellenwinkel zwischen 10 und 40° betragen. So kann beispielsweise der winkelabhängige Lichtdiffusor Licht mit einem Einfallswinkel (bezüglich Flächennomalen) von unter 10° diffus streuen und Licht mit einem höheren Einfallswinkel von z.B. über 30° ohne Streuung transmittieren. Der Bereich zwischen 10° und 30° kann einem technologisch notwendigen Übergangsbereich von starker zu geringer bzw. keiner Streuung entsprechen.
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Weiterhin kann die Projektionsanzeigeeinrichtung so ausgebildet sein, dass die Auffächerung des Projektionsstrahlenbündels geringer ist als 30° vorzugsweise geringer als 20°.
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Weiterhin kann die Abdeckscheibe mit einem Linearpolarisator und einem λ/4-Zirkularpolarisator kombiniert werden, um eine Reflexion von in die Projektionsanzeigeeinrichtung einfallendes Umgebungslicht in den Augenbereich zu vermeiden. Dabei wird einfallendes Umgebungslicht zunächst bezüglich einer ersten Polarisationsrichtung gefiltert und die Polarisationsebene des gefilterten Umgebungslichts beim Einfallen und beim Austreten durch den λ/4-Zirkularpolarisator zweimalig gedreht. So entspricht das aus der Projektionsanzeigeeinrichtung austretende reflektierte Umgebungslicht Licht in einer zweiten Polarisationsebene senkrecht zur ersten Polarisationsebene, so dass dieses an dem Linearpolarisator absorbiert und nicht transmittiert wird. Dadurch kann das gestreute Umgebungslicht, das aus dem Inneren der Projektionsanzeigeeinrichtung austritt, in der Intensität nochmals verringert werden.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Abdeckscheibe weiterhin nach außen hin konkav gekrümmt ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Anordnung mit dem obigen Reflexionsanzeigesystem in einem Armaturenbrett eines Kraftfahrzeugs und der Frontscheibe vorgesehen.
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Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
- 1 eine schematische Querschnittsdarstellung durch einen Innenraum eines Kraftfahrzeugs zur Veranschaulichung des Aufbaus eines Projektionsanzeigesystems;
- 2 eine detaillierte schematische Darstellung des Projektionslichtstrahlenbündels zur Projektion des Anzeigebilds ins Auge des Fahrzeuginsassen und einem Strahlengang von einfallendem Umgebungslicht;
- 3 den Verlauf der Streueigenschaften der Abdeckscheibe bezüglich eines Einfallswinkels eines Lichtstrahls; und
- 4 schematisch den Aufbau einer Abdeckscheibe zur Abdeckung der Projektionsanzeigeeinrichtung.
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1 zeigt schematisch eine Querschnittsdarstellung durch ein Reflexionsanzeigesystem 1 mit einer Head-up-Display-Einrichtung 2. Die Head-up-Display-Einrichtung 2 umfasst eine Projektionsanzeigeeinrichtung 21 zum Aussenden eines Projektionslichtstrahlenbündels P mit einer ersten Bildinformation und eine Abdeckscheibe 22. Das Projektionsstrahlenbündel P ist auf einen Reflexionsbereich R einer Frontscheibe 5 eines Kraftfahrzeugs gerichtet, so dass dieses dort in einen Augenbereich 8 (Eyebox) eines Fahrers reflektiert wird.
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Die Abdeckscheibe 22 dient dem Schutz der Projektionsanzeigeeinrichtung 21 vor äußeren Einflüssen, insbesondere vor Verschmutzung. Die Abdeckscheibe 22 kann vorzugsweise gekrümmt sein, um einfallendes Umgebungslicht zu bündeln und zielgerichtet zu reflektieren, z.B. auf eine Spiegelbank 26. Dies vermeidet Reflektionen auf Flächen, die direkt oder indirekt zu störender Lichteinwirkung in den Augenbereich 8 des Fahrers führen.
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Die Head-up-Display-Einrichtung 2 ist im Wesentlichen in eine Öffnung einer Oberseite 6 einer Instrumententafel 4 zwischen einem Lenkrad und einer Frontscheibe 5 eines Kraftfahrzeugs so eingesetzt, dass diese im Wesentlichen bündig mit der Oberseite 6 abschließt bzw. an diese angrenzt.
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Die Projektionsanzeigeeinrichtung 21 kann in bekannter Weise ein optisches System aus einem oder mehreren Spiegeln 23, gegebenenfalls Linsen (nicht gezeigt) und einen Projektor 24 umfassen. Es gibt auch Projektionssysteme ohne optische Spiegel oder Linsen, nur mit einer bildgebenden Einheit, die Störreflexe spiegeln kann.
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Die von dem Projektor 24 ausgegebene erste Bildinformation wird als Projektionslichtstrahlenbündel P durch den einen oder die mehreren Spiegel 23 in die Projektionsrichtung ausgerichtet und auf den Anzeigebereich A projiziert. Das in dem Reflexionsbereich R ins Auge des Fahrers reflektierte Projektionslichtstrahlenbündel P dient zur Darstellung einer entsprechenden Information für den Fahrer.
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Zum Realisieren einer geometrischen Entspiegelung ist an einem der Frontscheibe 5 zugewandten Ende der Abdeckscheibe 22 die Spiegelbank 26 (Glaretrap) angeordnet. Die Abdeckscheibe 22 ist insbesondere konkav gekrümmt, so dass ein Großteil des einfallenden Umgebungslichts U an einer Oberfläche der Abdeckscheibe 22 reflektiert wird. Das so reflektierte Umgebungslicht wird durch die Krümmung der Abdeckscheibe 22 auf die Spiegelbank 26 gerichtet. Die der Abdeckscheibe 22 zugewandte Seite der Spiegelbank 26 ist lichtabsorbierend, insbesondere mattschwarz, ausgebildet so dass das dort auftreffende Umgebungslicht nur in geringem Maße erneut reflektiert wird. Dadurch wird eine zuverlässige Unterdrückung von störenden Reflektionen von Umgebungslicht erreicht.
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Während das Vorsehen der Spiegelbank bzw. in einer alternativen Ausführungsform ein Vorsehen eines Lamellengitters eine geometrische Entspiegelung darstellt, bei der einfallendes Umgebungslicht durch Absorption an einer direkten oder indirekten Reflexion in den Augenbereich 8 gehindert wird, sind zusätzliche Maßnahmen notwendig, um Umgebungslicht von einer Reflexion in den Augenbereich 8 abzuhalten.
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So kann beispielsweise Umgebungslicht durch die Abdeckscheibe 22 ins Innere der Projektionsanzeigeeinrichtung 21 gelangen, dort reflektiert werden und über die Abdeckscheibe 22 den Reflexionsbereich R in den Augenbereich 8 gelangen. Ein möglicher Strahlengang von derartig einfallendem Umgebungslicht, ist durch den beispielhaft gezeigten Umgebungslichtstrahl U in 1 dargestellt.
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2 zeigt schematisch zur Erläuterung der Reduzierung der Blendwirkung von einfallendem Umgebungslicht anhand von Strahlenverläufen des Projektionslichtstrahlenbündels P und des Umgebungslichts U, wie die Blendwirkung des Umgebungslichts reduziert werden kann. In 2 ist schematisch gezeigt, dass das Projektionslichtstrahlenbündel P die Abdeckscheibe 22 mit einem Transmissionswinkel von zwischen 30° und 40° transmittiert und entsprechend über den Reflexionsbereich R den Augenbereich 8 des Fahrzeuginsassen reflektiert wird. Dagegen fällt Umgebungslicht, wie beispielsweise Sonnenlicht direkt unter einem Winkel von zwischen 0 und 10° auf die Abdeckscheibe 22.
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Die Abdeckscheibe 22 kann mit einer Schicht eines winkelabhängigen Diffusors versehen sein. Dieser streut Licht mit einem Streuungsgrad, der von dem Einfallswinkel des auftreffenden Lichts abhängt. Der winkelabhängige Lichtdiffusor in der Abdeckscheibe 22 weist dazu Diffusoreigenschaften auf, die insbesondere bei Winkelbereichen nahe einem senkrechten Einfallswinkel stark streuend sind und bei größeren Einfallswinkeln eine abnehmende Streuung aufweisen, wie es in 3 näher dargestellt ist. Auch andere Diffusoreigenschaften sind denkbar, wenn diese eine möglichst ungehinderte Transmission des Projektionslichtstrahlenbündels P zulässt und bei einem Lichteinfall aus anderen Einfallswinkeln eine möglichst starke Diffusionswirkung aufweist.
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3 zeigt beispielhaft, dass der winkelabhängige Lichtdiffusor Licht mit einem Einfallswinkel (bezüglich Flächennomalen) von unter 10° streut und Licht mit einem höheren Einfallswinkel von über 30° ohne Streuung transmittiert. Der Bereich zwischen 10° und 30° entspricht einem technologisch notwendigen Übergangsbereich von starker zu geringer bzw. keiner Streuung. Somit wird die Ausrichtung und Krümmung der Abdeckscheibe 22 so ausgelegt, dass das Umgebungslicht in der Regel mit einem Winkelbereich < 10° auf die Abdeckscheibe 22 auftrifft, insbesondere in dem Bereich der Abdeckscheibe 22, wo die Gefahr einer Reflexion an Komponenten im Inneren der Projektionsanzeigeeinrichtung 21 hoch ist.
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In 4 ist ein beispielhafter Aufbau der Abdeckscheibe 22 dargestellt. Die Abdeckscheibe 22 weist eine transparente Trägerscheibe 31 aus Glas oder transparentem Kunststoff auf, auf der eine winkelabhängige Lichtdiffusorschicht 32 aufgebracht ist. Die Lichtdiffusorschicht 32 kann als Folie aufgebracht werden und kann eine Charakteristik aufweisen, wie sie beispielsweise in 3 dargestellt ist.
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Weiterhin können eine λ/4-Zirkularpolarisationsschicht (λ/4-Verzögerungsfolie) 33 und eine Linearpolarisationsschicht 34 vorgesehen sein, die auf der Oberseite der Abdeckscheibe 22 angeordnet sein können.
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Die Linearpolarisationsschicht 34 der Abdeckscheibe 22 kann Licht in einer bevorzugten ersten Polarisationsrichtung transmittieren, während Licht der zweiten Polarisationsebene reflektiert wird. Die Polarisationsebene des transmittierten Lichts wird nun durch die λ/4-Verzögerungsfoiie um 45° gedreht. Nach einer etwaigen Reflektion im Inneren der Projektionsanzeigeeinrichtung wird das reflektierte Licht wiederum in der λ/4-Verzögerungsfoiie um 45° gedreht, so dieses nun Licht mit der zweiten Polarisationsrichtung entspricht. Licht der zweiten Polarisationsrichtung wird jedoch an der Linearpolarisationsschicht 34 wieder ins Innere der Projektionsanzeigeeinrichtung reflektiert und gelangt somit nicht in den Augenbereich der Fahrzeuginsassen. Dies ermöglicht es, das Umgebungslicht in einem hohen Maße abzuschwächen. In Kombination beider Maßnahmen kann auch direkt einfallendes Sonnenlicht in einem ausreichenden Maße abgeschwächt werden, so dass eine Blendung von Fahrzeuginsassen vermieden wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Reflexionsanzeigesystem
- 2
- Head-up-Display-Einrichtung
- 21
- Projektionsanzeigeeinrichtung
- 22
- Abdeckscheibe
- 23
- Spiegel
- 24
- Projektor
- 26
- Spiegelbank
- 4
- Instrumententafel
- 5
- Frontscheibe
- 6
- Oberseite
- 8
- Augenbereich
- R
- Reflexionsbereich
- P
- Projektionslichtstrahlenbündel
- 31
- transparente Trägerscheibe
- 32
- winkelabhängige Lichtdiffusorschicht
- 33
- λ/4-Zirkularpolarisationsschicht
- 34
- Linearpolarisationsschicht
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010032998 A1 [0002]
