DE102022105093A1

DE102022105093A1 - Visorsystem mit kompakter Spiegeloptik

Info

Publication number: DE102022105093A1
Application number: DE102022105093.9A
Authority: DE
Inventors: Mark Riebe
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2022-03-03
Filing date: 2022-03-03
Publication date: 2023-09-07

Abstract

Die Erfindung betrifft ein kompaktes Visorsystem, das zu einer ortsfesten Befestigung in einem übergeordneten System, insbesondere an einem Dachhimmel eines Kraftfahrzeugs, ausgebildet ist, umfassend:- ein räumlich kompaktes Projektorsystem mit zwei Projektoreinheiten, die um eine vertikale Mittenebene des Projektorsystems symmetrisch angeordnet und jeweils zum Erzeugen eines nur für ein Nutzerauge bestimmten Projektionslichtstrahlenbündels mit einem Anzeigeinhalt ausgebildet sind; sowie- eine Combinerscheibe, die derart ausgebildet und in einer bezüglich des Projektorsystems definierten Betriebsstellung unter oder über diesem fixiert oder fixierbar ist, dass jedes der zwei Projektionslichtstrahlenbündel von der Combinerscheibe zu einem zugehörigen, nur für das entsprechende Nutzerauge bestimmten zweidimensionalen Eyeboxbereich reflektiert wird, wodurch der Anzeigeinhalt als ein virtuelles Bild im Blickfeld des Nutzers hinter der Combinerscheibe dargestellt wird;- wobei jede Projektoreinheit ein Display zur Erzeugung des Anzeigeinhalts und ein linsenfreies optisches Abbildungssystem aufweist, das mindestens einen Freiformspiegel zum Abbilden des Anzeigeinhalts in ein reales Zwischenbild umfasst, welches im Strahlengang des zugehörigen Projektionslichtstrahlenbündels zwischen dem Projektorsystem und der Combinerscheibe entsteht.

Description

Die Erfindung betrifft Blickfeldanzeigevorrichtungen zur Erzeugung eines ins Blickfeld eines Nutzers eingeblendeten virtuellen Bilds, die zu einer ortsfesten Befestigung in einem übergeordneten System ausgebildet sind. Das übergeordnete System kann insbesondere ein Kraftfahrzeug oder ein andersartiges Land-, Luft- oder Wasserfahrzeug sein.
Derzeit verfügbare Infotainment-Anzeigesysteme in einem Kraftfahrzeug werden entweder über Flachbildschirme, wie ein Kombiinstrument, ein Zentraldisplay oder Rear-Seat-Entertainment-Displays, oder über als Head-Up-Displays (HUD) bekannte Blickfeldanzeigevorrichtungen realisiert. Die Letzteren nutzen eine Projektion mittels eines in der Instrumententafel integrierten Projektionsoptiksystems über Reflexion an der Frontscheibe oder einer davor angeordneten Combinerscheibe, um dem Fahrer oder einem anderen Insassen einen unterstützenden Anzeigeinhalt, wie relevante Geschwindigkeitsangaben oder Warnmeldungen, als ein virtuelles Bild dem realen Umgebungsbild vor dem Fahrzeug zu überlagern oder einen Entertainment-Inhalt direkt ins Blickfeld einzublenden.
Allerdings ist die Realisierung einer großflächigen Anzeige mit diesen Technologien schwierig: Die Integration großflächiger Flachbildschirme in einem Kraftfahrzeug ist aufgrund des beengten Bauraums problematisch. Auch für den Nutzer wirken sich große Displays im Kraftfahrzeug meist zu Lasten des Raumgefühls aus. Auch eine Vergrößerung der virtuellen Bildfläche eines konventionellen Head-Up-Displays ergibt ein entsprechend vergrößertes Volumen des in der Instrumententafel verborgenen Projektors und damit verbundene Probleme bei der Integration.
Für Entertainmentanzeigen und auch für AR-Anwendungen (Augmented Reality) wurde daher in DE 10 2019 108 330 A1 und DE 10 2019 122 417 A1 ein räumlich kompaktes Visorsystem entwickelt, das sich an einer grundsätzlich beliebigen Position in einem Fahrzeug oder einem anderen übergeordneten System, beispielsweise am Dachhimmel eines Kraftfahrzeugs im Vorder- oder Rücksitzbereich, in Form einer faltbaren Blickfeldanzeigevorrichtung ortsfest anbringen lässt und auch nachträglich nachrüstbar ist. Eine Idee ist dabei, eine HUD-artige Anzeige zu nutzen, die ein virtuelles Bild ins Blickfeld eines Nutzers über eine ortsfest im übergeordneten System, jedoch im Vergleich zum herkömmlichen HUD-Aufbau deutlich näher (idealerweise in einem Horizontalabstand von etwa 280 mm) vor den Nutzeraugen zu fixierende Combinerscheibe (auch „Visor“ genannt) einspiegelt. Mit einer geeigneten Projektionsoptik gemäß DE 10 2019 122 417 A1 lässt sich auf diese Weise eine großflächige Anzeige erzeugen, die in einem komfortablen Betrachtungsabstand von etwa 2,5 m vom Nutzer entfernt schwebt und deren Größe der eines 65-Zoll- bis 70-Zoll-Bildschirms, wie beispielsweise bei einem TV-Flachbildschirm, bei einer vergleichbaren Auflösung entspricht. Diese Idee ist in 11 künstlerisch illustriert.
Bei einer spezifischen Ausgestaltung besitzt dieses Visorsystem ein faltbares und dadurch in einem geschlossenen Zustand sehr kompaktes Gehäuse mit einem darin angeordneten Projektorsystem, das vom Gehäuse in dessen geschlossenem Zustand schützend von idealerweise allen Seiten umgeben ist. Eine Idee besteht dabei in der faltbaren Gehäusemechanik, die es ermöglicht, optische Komponenten wie einen Umlenkspiegel und eine Combinerscheibe außerhalb des Betriebs der Blickfeldanzeigevorrichtung an das Gehäuse anzuklappen oder in das Gehäuse einzuschieben. Dadurch können für die gesamte Blickfeldanzeigevorrichtung ein kompakter Bauraum ohne exponierte, verletzungsträchtige Komponenten sowie eine erleichterte Nachrüstbarkeit in einem übergeordneten System und auch eine besonders ästhetische Erscheinung verwirklicht werden.
Hierzu weist das Gehäuse eine zu einem vorbestimmten Spiegelabstand vom Projektorsystem im Strahlengang des Projektionslichtstrahlenbündels ausfahrbare Spiegelwand mit einem dem Projektorsystem zugewandten Umlenkspiegel auf. Ferner ist die Combinerscheibe von einer Bodenseite des Gehäuses zu einem vorbestimmten Anstellwinkel aufklappbar und liegt im geschlossenen Gehäusezustand vollflächig an der Bodenseite an oder bildet selbst zumindest einen Teilabschnitt der Bodenseite aus. Dabei sind das Projektorsystem, der Umlenkspiegel und die Combinerscheibe derart ausgebildet und in einem durch den vorbestimmten Spiegelabstand und den vorbestimmten Anstellwinkel definierten geöffneten Gehäusezustand angeordnet, dass das vom Projektorsystem im Betrieb erzeugte Projektionslichtstrahlenbündel über den Umlenkspiegel auf eine Reflexionsfläche der Combinerscheibe geworfen wird und von dieser zu den Augen des Nutzers reflektiert wird, sodass in seinem Blickfeld hinter der Combinerscheibe ein virtuelles Bilds entsteht.
In DE 10 2019 122 417 A1 ist eine spezifische Ausführung des optischen Systems zur Realisierung der genannten Visorfunktion beschrieben. Wie in den 1 bis 3 gezeigt, schaut der Nutzer dabei über eine zur Strahlkollimation parabolisch ausgebildete Combinerscheibe (Visor) in eine Projektoroptik. Das räumlich äußerst kompakte Projektorsystem ist dabei als ein Stereoprojektor ausgeführt, bei dem das linke und das rechte Auge je ein eigenes Projektionslichtstrahlenbündel über eine zugehörige linke bzw. rechte Projektoreinheit mit je eigenem Display als Bildquelle und einer eigenen Projektoroptik erhalten. Als Projektoroptik ist in einer besonders raumsparenden und im Hinblick auf die Abbildungsqualität besonders gut funktionierenden spezifischen Ausführung ein kombiniertes System aus mehreren asphärischen Projektionslinsen und einem Freiformspiegel beschrieben. Dabei sorgt - etwas vereinfacht dargestellt - ein abbildendes Linsensystem für die Projektion eines Zwischenbilds vor dem Visor, während der Freiformspiegel die optische (Vor-)Korrektur für die Abbildung über den Visor darstellt.
Wie ferner in DE 10 2020 108 124 A1 beschrieben, um eine möglichst kompakte Projektoranordnung mit dem obigen Visorsystem zu erreichen, wurde die Größe zweier je nur für ein Nutzerauge bestimmter Eyeboxbereiche bewusst auf eine beispielsweise nur etwa 38mm mal 25mm große elliptische Fläche um das jeweilige Nutzerauge begrenzt (vgl. 4). Die beiden Projektoreinheiten erzeugen also idealerweise jeweils nur einen relativ kleinen und scharf begrenzten Bereich, aus dem das virtuelle Bild mit dem jeweiligen Auge des Nutzers unbeschnitten gesehen werden kann. Die Größe des jeweiligen Eyeboxbereichs ist dabei primär durch den Durchmesser des in der zugehörigen Projektoreinheit eingesetzten Linsensystems bestimmt.
Zum Ermöglichen einer robusten Detektion, ob sich der Nutzer mit seinen Augen in den genannten Eyeboxbereichen befindet, umfasst die Blickfeldanzeigevorrichtung gemäß DE 10 2020 108 124 A1 ferner eine Detektionseinrichtung, die zum Ermitteln von Abweichungen aktueller Nutzeraugenpositionen von den zugehörigen Eyeboxbereichen ausgebildet ist. Die ermittelten Abweichungen können beispielsweise für eine automatisierte Anpassung der Eyeboxbereiche an die aktuellen Nutzeraugenpositionen oder aber alternativ zur Ausgabe eines entsprechenden Hinweises an den Nutzer verwendet werden, damit er selbst beispielsweise seine Kopfposition zielführend anpassen kann. In jedem Fall kann anhand der ermittelten Abweichungen sicher vermieden werden, dass der Nutzer, ohne es zu merken, durch Kopfbewegungen etc. die Eyeboxbereiche der Blickfeldanzeigevorrichtung verlässt, insbesondere damit er das virtuelle Bild stets in seiner bestmöglichen Qualität sehen kann.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine alternative oder verbesserte Blickfeldanzeigevorrichtung anzugeben, die insbesondere im Hinblick auf den benötigten Bauraum und/oder den Nutzerkomfort und/oder eine Aufbaukomplexität und/oder Herstellungskosten, verbessert sein kann und zu einer ortsfesten Einbindung in einem Kraftfahrzeug oder einem andersartigen übergeordneten System ausgelegt ist.
Diese Aufgabe wird durch eine räumlich kompakte Blickfeldanzeigevorrichtung gemäß Anspruch 1 und ein damit ausgestattetes Fahrzeug gemäß dem nebengeordneten Anspruch gelöst. Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Alle in den Ansprüchen und der nachfolgen Beschreibung für die Blickfeldanzeigevorrichtung genannten weiterführenden Merkmale und Wirkungen gelten auch in Bezug auf das Fahrzeug, wie auch umgekehrt.
Gemäß einem ersten Aspekt ist eine kompakte Blickfeldanzeigevorrichtung (hierin auch „Visorsystem“ genannt) vorgesehen, die zu einer ortsfesten Befestigung in einem übergeordneten System, beispielsweise an einem Dachhimmel oder einer anderen Dach-, Decken- oder aber auch Tischstruktur eines Fahrzeugs, ausgebildet ist. Mit anderen Worten ist die Blickfeldanzeigevorrichtung in deren im übergeordneten System eingebundenem (beispielsweise darin integriertem oder nachträglich montiertem) Zustand frei von mechanischen Verbindungen zu einem Nutzer, wie z. B. einem Insassen des Fahrzeugs. Beim Fahrzeug kann es sich insbesondere um ein Kraftfahrzeug, aber auch um ein beliebiges anderes Land-, Luft- oder Wasserfahrzeug handeln.
Das übergeordnete System kann auch ein beliebiges anderes System sein, in/an oder auf welchem ein Nutzer Platz nehmen kann. Beispielsweise kann es als ein Gaming-Stuhl, ein Bürostuhl, ein Entertainment-Sessel oder eine andersartige Sitz-, Arbeits- oder Stehvorrichtung für einen Nutzer ausgebildet sein. Auch in diesem Fall ist die Blickfeldanzeigevorrichtung beispielsweise an einer geeigneten Dach-, Decken-, Brüstungs-, Pult- oder Tischstruktur eines solchen übergeordneten Systems montierbar.
Die Blickfeldanzeigevorrichtung ist zum Einblenden eines virtuellen Bilds ins Blickfeld des Nutzers ausgebildet und umfasst hierzu erstens ein räumlich kompaktes Projektorsystem mit zwei Projektoreinheiten, die symmetrisch um eine vertikale Mittenebene des Projektorsystems angeordnet und jeweils zum Erzeugen eines nur für das linke bzw. nur für das rechte Nutzerauge bestimmten Projektionslichtstrahlenbündels mit einem im virtuellen Bild darzustellenden Anzeigeinhalt ausgebildet sind. Die genannte vertikale Mittenebene des Projektorsystems kann beispielsweise in einem Kraftfahrzeug in etwa parallel zu einer durch die Fahrzeughoch- und Fahrzeuglängsachse des üblichen fahrzeugeigenen kartesischen Koordinatensystems aufgespannte Ebene ausgerichtet sein.
Ferner umfasst die Blickfeldanzeigevorrichtung eine Nutzerseitig reflektierende Combinerscheibe (hierin auch „Visor“ genannt), die bei Bedarf rückseitig zumindest teilweise im sichtbaren Spektralbereich lichttransmittierend sein kann, um dem Nutzer auch einen Blick durch die Combinerscheibe auf die dahinter liegende reale Umgebung zu ermöglichen. Die Combinerscheibe ist derart ausgebildet und in einer bezüglich des Projektorsystems definierten Betriebsstellung unterhalb oder oberhalb von diesem fixiert oder fixierbar, dass jedes der genannten zwei Projektionslichtstrahlenbündel von der Combinerscheibe zu einem zugehörigen, nur für das entsprechende Nutzerauge bestimmten zweidimensionalen Eyeboxbereich reflektiert wird, derart dass der Anzeigeinhalt als ein virtuelles Bild ins Blickfeld des Nutzers hinter der Combinerscheibe eingeblendet wird.
Die beiden Eyeboxbereiche (kurz auch „Eyeboxen“ genannt) sind hierin als zweidimensionale Flächen senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung des jeweiligen Projektionslichtstrahlenbündels definiert. Die beiden Projektoreinheiten erzeugen also jeweils einen relativ kleinen und scharf begrenzten Bereich, aus dem das virtuelle Anzeigebild mit dem jeweiligen Nutzerauge unbeschnitten gesehen werden kann (vgl. 4 und 5).
Die räumliche Lage, d. h. Position/Ort und Ausrichtung, der beiden Eyeboxbereiche in Bezug auf das Projektorsystem ergibt sich dabei durch den optischen Aufbau und den dadurch definierten Strahlengang des gesamten Visorsystems, das das Projektorsystem und die Combinerscheibe umfasst. Insbesondere kann die Combinerscheibe am Projektorsystem befestigt sein und dabei beispielsweise aus ihrer Betriebsstellung in eine Parkstellung, in der sie nicht benutzt wird, verstaubar sein. Wie hierin weiter unten im Detail dargelegt, kann die Combinerscheibe in ihrer Betriebsstellung bei einer gut funktionierenden spezifischen Ausgestaltung (vgl. 4-9) einen vorbestimmten horizontalen Abstand zu den genannten zweidimensionalen Eyeboxbereichen aufweisen, der zwischen 180 mm und 380 mm, spezifischer zwischen 230 mm und 330 mm, und aus weiter unten genannten Gründen optimalerweise etwa 280 mm betragen kann.
Dabei umfasst jede Projektoreinheit ein Display zur Erzeugung des vom zugehörigen Projektionslichtstrahlenbündel zu transportierenden Anzeigeinhalts und ein linsenfreies optisches Abbildungssystem. Letzteres umfasst mindestens einen Freiformspiegel, der ausgebildet ist zum Abbilden des Anzeigeinhalts in ein reales Zwischenbild, welches im Strahlengang des zugehörigen Projektionslichtstrahlenbündels zwischen dem Projektorsystem und der Combinerscheibe in deren Betriebsstellung erzeugt wird.
Eine Idee des vorliegenden Visorsystems besteht also darin, in einem für ein solches Visorsystem in DE 10 2019 122 417 A1 vorgeschlagenen und optimierten räumlich kompakten Stereo-Projektorsystem das jeweilige Abbildungssystem aus mehreren Projektionslinsen, die das Zwischenbild zwischen dem Projektorsystem und der Combinerscheibe (Visor) erzeugen, durch ein linsenfreies optisches Abbildungssystem aus einem oder mehreren Freiformspiegeln zu ersetzen.
Wie in 4 dargestellt, hat es sich dabei in überraschender Weise herausgestellt, dass bei einer Auslegung mit denselben optischen Parametern (elliptische Eyeboxen 38mm x 25mm pro Auge; Field-of-View 35°x19,7°; eine virtuelle Bildfläche von 70,9 Zoll mit einem Aspektverhältnis von 16:9 in einer Entfernung von 2,5 m zu den Nutzeraugen/Eyeboxen) wie beim in 1-3 gezeigten bekannten Projektorsystem mit abbildender Linsenoptik, das vorliegend vorgeschlagene linsenfreie Abbildungssystem zu einer erheblichen Verkleinerung des Gesamtvolumens des Projektorsystems führt. Das vorherige System mit Linsenoptik ist zum Vergleich im Hintergrund mit gestrichelten Linien eingeblendet. Ferner ist beim linsenfreien Abbildungssystem aus Freiformspiegeln keine chromatische Korrektur wie beim Linsensystem notwendig. Die optische Funktion der in DE 10 2019 122 417 A1 hierzu eingesetzten bikonkaven Linse kann damit vorliegend entfallen und das Optiksystem ist damit zusätzlich vereinfacht.
Es hat sich ferner herausgestellt, dass mit dem in DE 10 2019 122 417 A1 vorgeschlagenen Linsensystem eine Eyeboxgröße von mehr als 38 mm x 25 mm Eyebox pro Auge (mit 60 mm Abstand der Zentren der Einzel-Eyeboxen) nur schwer zu erreichen wäre, wobei bereits für die darin beschriebene optimale Auslegung Linsen mit einem Durchmesser von ca. 70 mm in beiden Projektoreinheiten erforderlich sind. Um die hierfür benötigte Brennweite des Linsensystems von -140 mm zu erzielen, ist eine erhebliche Krümmung der Linsenoberflächen erforderlich. Um eine ausreichende Randdicke für die Halterung der Linsen zu ermöglichen, muss dabei die Dicke jeder Linse am Projektorausgang bereits größer als 20 mm sein. Für die Korrektur der chromatischen Fehler der Linsen ist zusätzlich eine weitere bikonkave Linse erforderlich. Eine Vergrößerung der Eyebox würde nun unmittelbar auch eine Vergrößerung des Durchmessers der Linsen nach sich ziehen und dann mittelbar auch eine Vergrößerung der Dicke des Linsenpakets, da wieder auf eine ausreichende Randdicke geachtet werden muss. Dadurch wachsen Volumen und Gewicht dieser Linsengruppe deutlich an.
Andererseits hat es sich herausgestellt, dass durch eine geeignete optische Auslegung der Freiformspiegel im vorliegenden Visorsystem eine deutliche Vergrößerung der beiden elliptischen Eyeboxbereiche zu einer Größe von 55mm x 45mm oder sogar bis 55mm x 55mm pro Auge (mit 60 mm Abstand der Zentren der Einzel-Eyeboxen voneinander) möglich ist (vgl. 5). Dadurch erhält ein Nutzer einen deutlich größeren Bewegungsspielraum, um das virtuelle Bild bei entsprechenden Kopfbewegungen in unverminderter Qualität sehen zu können. Zudem bietet eine Vergrößerung der linken und rechten Eyeboxen in den Bereich zwischen den Eyeboxen eine deutliche Verbesserung und Komfort für Nutzer mit Augabständen, die merkbar von dem durchschnittlichen Augabstand von 60mm und der entsprechenden Auslegung des bekannten linsenbasierten Systems abweichen.
Insbesondere können beim vorliegenden Visorsystem die optischen Freiformflächen der Freiformspiegel der Abbildungssysteme beider Projektoreinheiten und der gesamte optische Aufbau des Projektorsystems daraufhin optimiert sein, möglichst großflächige Eyeboxbereiche mit einem möglichst kleinen Abstand dazwischen bei einem möglichst geringen Gesamtvolumen des Projektorsystems ohne gegenseitige Beeinträchtigung der Strahlengänge beider Projektionslichtstrahlenbündel zu erzielen. Wie bereits erwähnt, sind dabei beispielsweise elliptische Eyeboxbereiche mit einer Größe von 55mm x 45mm oder sogar bis 55mm x 55mm pro Auge (jeweils mit 60 mm Abstand der Zentren der Einzel-Eyeboxen voneinander) erzielbar.
Eine in der Betriebsstellung dem Nutzer zugewandte Reflexionsfläche der Combinerscheibe ist beim Visorsystem eine durchgehende, d. h. ohne räumliche Unterbrechungen in sich zusammenhängende, um die vertikale Mittenebene des Projektorsystems symmetrische Visorfläche. Auch sie kann als eine Freiformfläche ausgebildet sein, die daraufhin optimiert ist, möglichst großflächige Eyeboxbereiche mit einem möglichst kleinen Abstand dazwischen bei einem möglichst geringen Gesamtvolumen des Projektorsystems ohne gegenseitige Beeinträchtigung der Strahlengänge beider Projektionslichtstrahlenbündel zu erzielen. Wie in 3 schematisch gezeigt, wurde beim obigen bekannten Visorsystem die Visorfläche als Startpunkt der Auslegung als eine parabolische Fläche (mit einem Visorradius R-280mm, und einer konischen Konstanten C~-0,6) mit einem vertikalen Offset (~45-60 mm) definiert und dann das Projektorsystem entsprechend optimiert.
Die Visorfläche als Freiformfläche mit zu optimieren liefert beim vorliegenden Visorsystem zusätzliche Freiheitsgrade bei der Optimierung des Systems.
Insbesondere kann die Freiformfläche des Visors gezielt daraufhin optimiert werden, die Strahlvolumen des linken und rechten Kanals so räumlich auseinanderzuhalten, dass auch eine Erweiterung der Eyebox in den Bereich zwischen den Augen möglich wird und keine Kollision zwischen den Optiksystemen fürs linke und rechte Auge auftritt, wie sie beim Linsensystem auftreten würde.
Die Freiformflächen können über diverse mathematische Funktionen beschrieben und optimiert werden. Dies ist für andersartige, kopfgetragene abbildende optische Systeme wie HWD (Head-Worn-Display) oder Viewfinder, die zur Benutzung nur mit einem Auge nach Art einer Datenbrille ausgelegt sind, beispielsweise in US 2016/0091723 A1 beschrieben, wobei insbesondere die sogenannten Zernike-Polynome oder andere orthogonale Sets von Funktionen zum Einsatz kommen können.
Für die Auslegung des vorliegenden Visorsystems hat sich die Beschreibung der Freiformflächen über Zernike-Polynome als besonders geeignet herausgestellt. Dabei werden die Flächen beschrieben als: $z = \frac{c r^{2}}{1 + \sqrt{1 - (1 + k) c^{2} r^{2}}} + \sum_{i = 1}^{N} A_{i} Z_{i} (ρ, φ)$
Diese Gleichung beschreibt eine Höhe der Freiformfläche z in Abhängigkeit der Radialkoordinate r und für die Zernike-Polynome der normierten Radialkoordinate ρ=r/r_norm und der Winkelkoordinate φ, wobei (z, r, φ) klassische Zylinderkoordinaten sind.
Der erste Term beschreibt dabei eine parabolische Fläche mit der Krümmung c (=1/Krümmungsradius) und der konischen Konstante k.
Die Summe im zweiten Term stellt eine Summe über die Zernike-Polynome Zi dar, wobei über die Parameter A_i der Anteil der einzelnen Terme gesteuert wird. Die funktionelle Form der einzelnen Zernike-Polynome Zi ist in 10 in einer Übersichtstabelle aufgeführt, wobei auch der jeweils relevante Aberrationstyp des optischen Abbildungssystems angegeben ist.
Die Optimierung der Freiformfläche erfolgt ausgehend von einem Startwert für die Krümmung der Fläche c durch Optimierung der Parameter k und A₄-A₁₈. (Hinweis: Die Terme Z1-Z3 stellen nur einen Offset bzw. eine Rotation der Fläche dar und werden nicht mitoptimiert. Terme höherer Ordnung als Z18 werden nicht in die Optimierung mit einbezogen, da der Gewinn für die Bildqualität in Relation zu der erhöhten Optimierungsdauer nur gering ist).
Dabei muss vorliegend noch zwischen der Beschreibung der Visorfläche und der im Projektorsystem eingesetzten Freiformspiegel unterschieden werden: Für die Visorfläche muss dafür gesorgt werden, dass die Symmetrie der Fläche um die hierin genannte vertikale Mittenebene des Projektorsystems bestehen bleibt. Dies kann erreicht werden, indem nur die Terme mit entsprechender Symmetrie in die Optimierung mit einbezogen werden (speziell die Terme Z4, Z5, Z8, Z9, Z11, Z12, Z15, Z16, und Z17). Für die Spiegelflächen FFM1 -3 (vgl. 4-9) im Projektorsystem selbst gibt es hingegen keine solche Einschränkungen, d. h. alle Terme Z4-Z18 können bei der Optimierung berücksichtigt werden.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst jede Projektoreinheit einen im Strahlengang des jeweiligen Projektionslichtstrahlenbündels zwischen dem Display und dem linsenfreien optischen Abbildungssystem angeordneten fehlerausgleichenden Freiformspiegel, der zum Ausgleichen von Abbildungsfehlern, die insbesondere durch die nachfolgende Reflexion an der Combinerscheibe (Visorfläche) entstehen können, ausgebildet ist. Dementsprechend kann dieser fehlerausgleichenden Freiformspiegel insbesondere mit einer gekrümmten konkaven Spiegelfläche ausgebildet sein. Alternativ oder zusätzlich kann bei dieser Ausführungsform das linsenfreie optische Abbildungssystem jeder Projektoreinheit mindestens zwei Freiformspiegel umfassen, die zum Abbilden des Anzeigeinhalts in das reale Zwischenbild ausgebildet sind.
Dabei sind bei dieser Ausführungsform in jedem dieser Fälle sämtliche Freiformspiegel einer Projektoreinheit derart einander gegenüber im Strahlengang des jeweiligen Projektionslichtstrahlenbündels angeordnet, dass es durch Reflexion an ihren Spiegelflächen einen dazwischenliegenden Raumbereich mindestens zweimal in verschiedenen Ausbreitungsrichtungen passiert und sich der Strahlengang dadurch mehrfach kreuzt. Mit anderen Worten wird das Raumvolumen zwischen den einzelnen Freiformspiegeln mehrfach zur Faltung des Strahlengangs genutzt, wodurch die Gesamtabmessungen des Projektorsystems im Vergleich zu einem linsenbasierten Abbildungssystem erheblich reduziert werden können. Dies ist beispielsweise in 4-9 in einem Projektorsystem mit je einem fehlerausgleichenden Freiformspiegel (FFM3) und je zwei weiteren Freiformspiegeln (FFM1 und FFM2) im Abbildungssystem dadurch umgesetzt, dass der letzte Freiformspiegel FFM1, der somit einen optischen Ausgang der jeweiligen Projektoreinheit bildet, in Bezug auf die Strahlausbreitungsrichtung ganz hinten angeordnet ist.
Die einzelnen Freiformspiegel des vorliegenden Visorsystems können grundsätzlich mit jeder Herstellungsmethode gefertigt werden, die für die beschriebene Funktionalität ihrer Freiformflächen geeignet ist. Es können beispielsweise Metallspiegel aus einem leichten Metall wie Aluminium, oder aber durch Spritzgießen oder andere Fertigungsverfahren hergestellte Kunststoffspiegel mit einer reflektierenden Beschichtung aus Metall etc. sein.
Insbesondere können die optische Ausgestaltung und gegenseitige Anordnung der zwei Projektoreinheiten im Projektorsystem und die Anordnung des Projektorsystems relativ zu der Combinerscheibe in deren Betriebsstellung derart sein, dass sich die zwei Projektionslichtstrahlenbündel vor dem Erreichen der Combinerscheibe kreuzen. Dadurch erzeugt die aus Nutzersicht links liegende Projektoreinheit das virtuelle Bild für das rechte Auge, während die rechts liegende Projektoreinheit das virtuelle Bild für das linke Auge erzeugt. Dies kann aus hierin weiter unten dargelegten Detailgründen weiterhin zur räumlichen Kompaktheit des Projektorsystems und/oder der gesamten Blickfeldanzeigevorrichtung und/oder zu deren konstruktiven Einfachheit und/oder zur Gewährleistung der bestmöglichen optischen Abbildungsqualität beitragen.
Insbesondere kann die Reflexionsfläche der Combinerscheibe in deren Betriebsstellung einen Konkavspiegel darstellen, der zum Kollimieren oder zumindest derartigem Aufweiten der Projektionslichtstrahlenbündel ausgebildet und angeordnet ist, dass das virtuelle Bild zur entspannten Betrachtung in einer größeren Entfernung von den Nutzeraugen von beispielsweise etwa 2,5 m oder etwas weniger oder etwas mehr oder sogar im Unendlichen erzeugt wird. Dabei kann die Combinerscheibe für das rückseitig einfallende Umgebungslicht insbesondere zumindest teilweise transparent sein, um dem Nutzer einen zumindest teilweisen Durchblick nach vorn durch die Combinerscheibe zu ermöglichen.
Insbesondere kann dabei die Ausgestaltung und gegenseitige Anordnung der zwei Projektoreinheiten im Projektorsystem und die Anordnung des Projektorsystems relativ zu der Combinerscheibe in deren Betriebsstellung derart sein, dass die oben genannten zwei realen Zwischenbilder in einem vorbestimmten Brennpunktbereich des Konkavspiegels erzeugt werden, in dem sich die zwei Projektionslichtstrahlenbündel in hierzu besonders geeigneter Weise auch kreuzen können, sodass sich die zwei realen Zwischenbilder darin überlagern. Der vorbestimmte Brennpunktbereich des Konkavspiegels kann sich insbesondere möglichst nah an seinem Brennpunkt oder seiner Brennebene und/oder in einem geeigneten Raumbereich zwischen dem Brennpunkt und dem Konkavspiegel erstrecken, wodurch die Erzeugung eines virtuellen Bilds im Unendlichen bzw. eines zusätzlich vergrößerten virtuellen Bilds hinter der Combinerscheibe ermöglicht werden kann.
Insbesondere kann in der Betriebsstellung der Combinerscheibe die optische Weglänge des jeweiligen Projektionslichtstrahlenbündels zwischen dem Konkavspiegel und dem oben genannten (in Strahlausbreitungsrichtung letzten) Freiformspiegel, der den Ausgang des jeweiligen optischen Abbildungssystems bildet, einerseits und zwischen dem Konkavspiegel und dem vorbestimmten Eyeboxbereich andererseits jeweils etwa eine doppelte Brennweite des Konkavspiegels betragen. In diesem Fall liegt also die Bedingung für eine 2f- oder 1:1-Abbildung vor, wenn man sich eine Abbildung der Apertur des finalen Freiformspiegels am Ausgang der jeweiligen Projektoreinheit in die zugehörige Eyebox durch den Konkavspiegel der Combinerscheibe vorstellt. Es zeigt sich, dass bei Erfüllung dieser Bedingung alle Strahlen, die benötigt werden, um eine gewünschte Eyebox-Fläche zu erzeugen, am Ort des in Strahlausbreitungsrichtung letzten Freiformspiegels überlagert sind und das Strahlenbündel daher einen minimalen Querschnitt haben kann. Dies ist also ein optimales Abstandsverhältnis, um mit einer möglichst kleinen Freiformspiegel-Gruppe eine vorgegebene Eyebox (Eye-Pupil) zu erzeugen.
Insbesondere kann die Blickfeldanzeigevorrichtung ferner einen beispielsweise planaren Umlenkspiegel aufweisen, der in einer derart vorbestimmten Betriebsstellung zwischen dem Projektorsystem und der Combinerscheibe in deren Betriebsstellung im Strahlengang beider Projektionslichtstrahlenbündel fixiert oder im Betrieb der Blickfeldanzeigevorrichtung fixierbar ist, dass die zwei Projektionslichtstrahlenbündel durch die Umlenkung am Umlenkspiegel auf die genannte Reflexionsfläche der Combinerscheibe geworfen werden, um das virtuelle Bild dahinter zu erzeugen. Dieser Umlenkspiegel ermöglicht somit eine Anordnung des Projektorsystems in einem horizontalen Abstand vor (und vertikal über oder unter) dem Nutzer, beispielsweise direkt über/unter der Combinerscheibe, was sowohl aus ergonomischen als auch aus bauraumtechnischen Gründen von Vorteil sein kann. Ohne den Umlenkspiegel wäre eine alternative Anordnungsmöglichkeit für das Projektorsystem beispielsweise in einem Raumbereich direkt über dem Nutzerkopf.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Blickfeldanzeigevorrichtung ferner ein faltbares Gehäuse, in dem das Projektorsystem untergebracht ist, wobei das Gehäuse in dessen geschlossenem Zustand räumlich kompakt ist und das Projektorsystem insbesondere von allen Seiten umgeben kann. Dabei kann die Combinerscheibe im geschlossenen Zustand des Gehäuses insbesondere mit ihrer gesamten Fläche an dessen Boden- oder Deckenseite anliegen oder mindestens einen Teilabschnitt dieser bilden und von der Boden- oder Deckenseite zu einem vorbestimmten Anstellwinkel aufklappbar sein, der der Betriebsstellung der Combinerscheibe entspricht. Alternativ oder zusätzlich kann das Gehäuse eine zu einem vorbestimmten Spiegelabstand von dem Projektorsystem im Strahlengang der zwei Projektionslichtstrahlenbündel ausfahrbare Spiegelwand mit einem dem Projektorsystem zugewandten Umlenkspiegel der oben genannten Art aufweisen, d. h. sodass die zwei Projektionslichtstrahlenbündel durch den Umlenkspiegel in dessen durch den vorbestimmten Spiegelabstand definierter Betriebsstellung auf die Reflexionsfläche der Combinerscheibe gelenkt werden, um das virtuelle Bild dahinter zu erzeugen. Im geschlossenen Zustand des Gehäuses kann die Spiegelwand insbesondere nah oder dicht am Projektorsystem, insbesondere an dessen in Strahlausbreitungsrichtung vorn liegenden Elementen, angeordnet sein.
Diese Ausführungsform zeichnet sich somit durch eine faltbare Gehäusemechanik um das räumlich kompakte Projektorsystem aus, die es ermöglicht, vom Projektorsystem im Betrieb abstehende optische Komponenten wie den Umlenkspiegel und die Combinerscheibe außerhalb des Betriebs der Blickfeldanzeigevorrichtung an das Gehäuse anzuklappen oder in das Gehäuse einzuschieben. Dadurch können für die gesamte Blickfeldanzeigevorrichtung insbesondere ein kompakter Bauraum ohne exponierte, verletzungsträchtige Komponenten sowie eine erleichterte Nachrüstbarkeit in einem übergeordneten System, wie einem Kraftfahrzeug, und/oder eine besonders ästhetische Erscheinung verwirklicht werden. Insbesondere kann eine derartige Blickfeldanzeigevorrichtung daher beispielsweise in einem Fahrzeug ohne Beeinträchtigung des Insassenraums an einem Dachhimmel (an einer grundsätzlich beliebigen Position z. B. im Vorder- oder Rücksitzbereich) oder in einer Tisch- oder Pultstruktur für die Nutzer angebracht werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Fahrzeug, insbesondere ein Kraftfahrzeug oder ein beliebiges anderes Land-, Luft- oder Wasserfahrzeug vorgesehen. Die hierin verwendeten räumlichen Orientierungsbegriffe wie „über“, „unter“, „seitlich“, „horizontal“, „vertikal“ etc. beziehen sich in diesem Fall auf das übliche fahrzeugfeste kartesische Koordinatensystem mit zueinander senkrechten Längs-, Quer- und Höhenachsen des Fahrzeugs.
Das Fahrzeug besitzt einen Insassenraum, der nach oben zumindest teilweise von einem Dachhimmel begrenzt ist. Im Insassenraum ist eine Blickfeldanzeigevorrichtung (Visorsystem) der hierin dargelegten Art vorgesehen. Insbesondere kann sie ein faltbares Gehäuse oben genannter Art besitzen, das am Dachhimmel, beispielsweise mit einer von der Bodenseite abgewandten Dachseite des Gehäuses, befestigt ist.
Mögliche Anwendungen einer Blickfeldanzeigevorrichtung der hierin dargelegten Art können neben Infotainment-Systemen an Bord eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines autonomen Kraftfahrzeugs, beispielsweise auch In-Flight-Entertainment-Systeme an Bord eines Luftfahrzeugs und vergleichbare Anwendungen in Wasserfahrzeugen oder in Gebäuden, öffentlichen Räumen und vieles mehr umfassen.
Die obigen Aspekte der Erfindung und deren Ausführungsformen und spezifische Ausgestaltungen werden nachfolgend anhand von in den beigefügten Zeichnungen dargestellten Beispielen näher erläutert. Die Zeichnungen sind aus Gründen anschaulicher Darstellung zumindest teilweise rein schematisch gehalten: Sie können zwar, müssen aber generell nicht als maßstabsgetreu verstanden werden. Identische oder funktionsgleiche Elemente sind in verschiedenen Beispielen mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass diese Bezugszeichen auch nicht in jeder Zeichnung wiederholt gezeigt sind. Es zeigen:

1 eine perspektivische Seitenansicht eines Visorsystems nach Stand der Technik mit einem linsenbasierten Abbildungssystem im Projektor, wobei in beiden Projektoreinheiten jeweils nur ein aus einem Displaymittenpunkt ausgehendes Teil-Strahlenbündel angedeutet ist;
2 eine zu 1 korrespondierende Draufsicht des Visorsystems der 1;
3 eine weitere Seitenansicht des Visorsystems der 1, wobei dessen Combinerscheibe zur Veranschaulichung einer vertikal dezentrierten parabolischen Form rein illustrativ zu einem Gesamtsegment des zugrundeliegenden Paraboloids ergänzt gezeigt ist;
4 in perspektivischer Ansicht ein Bespiel eines Visorsystems der hierin dargelegten Art mit einer Freiform-Spiegeloptik aus drei Freiformspiegeln in jeder Projektoreinheit, das mit denselben Parametern (links in der Figur separat angegeben, mit Einzel-Eyeboxgröße 38mm x 25mm) ausgelegt wurde, wie das zum Vergleich gestrichelt gezeigte Visorsystem der 1-3 mit Linsenoptik;
5 in perspektivischer Ansicht ein weiteres Bespiel eines Visorsystems der hierin dargelegten Art mit einer Freiform-Spiegeloptik aus drei Freiformspiegeln in jeder Projektoreinheit, das auf eine vergrößerte Einzel-Eyeboxgröße von 45mm x 55mm hin optimiert ist, wobei wiederum zum Vergleich das alte Visorsystem der 1-3 mit Linsenoptik gestrichelt gezeigt ist;
6 eine perspektivische Ansicht eines weiteren Beispiels eines Visorsystems der hierin dargelegten Art mit einer Freiform-Spiegeloptik aus drei Freiformspiegeln in jeder Projektoreinheit, ohne Projektionslichtstrahlen;
6a das Visorsystem der 6 in der gleichen Ansicht, wobei zusätzlich ein Beschnitt der letzten Freiformspiegel beider Projektoreinheiten zur Vermeidung von deren Überlapp schematisch gezeigt ist;
7 das Visorsystem der 6 in der gleichen Ansicht, wobei das Projektionslichtstrahlenbündel in jeder Projektoreinheit nur durch seinen Mittenstrahl angedeutet ist;
8 das Visorsystem der 6 in der gleichen Ansicht, wobei in beiden Projektoreinheiten jeweils nur ein aus einem Displaymittenpunkt ausgehendes Teil-Strahlenbündel angedeutet ist;
9 eine Seitenansicht des Visorsystems der 7;
10 eine Tabelle der einzelnen Zernike-Polynome Z_i, die bei der Optimierung der Freiformspiegel des Visorsystems der hierin dargelegten Art einsetzbar sind; und
11 ein Kraftfahrzeug mit einem in dessen Insassenraum angeordneten Visorsystem der hierin dargelegten Art.

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 1 bis 11 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 1-11 gezeigt sind.
Zunächst wird mit Bezug auf 1 bis 3 das in DE 10 2019 122 417 A1 vorgestellte Visorsystem 100 beschrieben, in dessen Projektorsystem eine Linsenoptik zur Erzeugung eines Zwischenbilds vor dem Visor eingesetzt wurde. So zeigt 1 in einer vereinfachten schematischen perspektivischen Ansicht schräg von vorn die räumlich kompakte Blickfeldanzeigevorrichtung 100 (Visorsystem) in einer geeigneten Position und Orientierung relativ zu einem Nutzer 3, dessen Augenposition dabei vorbestimmt ist und beispielsweise jeweils mittig in einem zugehörigen Eyeboxbereich Ea und Eb (vgl. 4, links) in der Eyeboxebene E der Blickfeldanzeigevorrichtung 100 liegt. 2 und 3 zeigen weitere Ansichten der Blickfeldanzeigevorrichtung 100 gemäß der 1, jeweils in deren vorbestimmter Anordnung relativ zum Nutzer 3.
1 bis 3 können einerseits als reine Prinzipskizzen der optischen Anordnung, also rein schematisch und nicht maßstabsgetreu verstanden werden, denn auch abweichende Abstandsverhältnisse können grundsätzlich zu dem nachfolgend geschilderten Ergebnis führen. Allerdings können die 1-3 auch als maßstabsgetreu als Beispiel einer gut implementierbaren und im Hinblick auf die Abbildungsqualität und Nutzerkomfort optimierten Anordnung gelesen werden. Zu dem letzteren Zweck geben die jeweils unten eingezeichneten Maß-Skalen eine Skalenlänge von 200 mm an.
Wie ferner in 11 schematisch angedeutet, ist die Blickfeldanzeigevorrichtung 100 zu einer festen Einbindung in einem übergeordneten System, wie z. B. einem Kraft- oder Luftfahrzeug oder aber einem Gebäude, ohne mechanische Verbindungen zum Nutzer 3 und damit in einer für diesen als vollkommen störfrei empfundenen Bauweise vorgesehen. Sie kann insbesondere zum nachträglichen Anbringen an einem Dachhimmel eines Kraftfahrzeugs 14 ausgebildet sein (vgl. 11) und hierzu ein in 11 schematisch angedeutetes faltbares Gehäuse 2 aufweisen, das in den übrigen 1-3 zur detaillierten Darstellung der optischen Anordnung weggelassen ist.
Die Blickfeldanzeigevorrichtung 100 umfasst dabei ein räumlich kompaktes Projektorsystem 4, welches in diesem Beispiel zum Anbringen oberhalb der eingezeichneten vorbestimmten Nutzeraugenposition ausgelegt ist. Wie in 1 und 2 deutlich zu sehen ist, besteht das Projektorsystem 4 aus zwei getrennten Projektoreinheiten 4a und 4b, die symmetrisch um eine Mittenebene X-Z (in 2 eingezeichnet) des Projektorsystems 4 liegen. Die aus Nutzersicht links liegende Projektoreinheit 4a erzeugt das Bild für sein rechtes Auge, während die rechts liegende Projektoreinheit 4b das Bild für sein linkes Auge erzeugt. Zur Vereinfachung der Darstellung des Strahlengangs ist in den 1 und 2 in beiden Projektoreinheiten 4a und 4b jeweils nur ein aus einem Displaymittenpunkt der jeweiligen bildgebenden Einheit (Display 10a/10b) ausgehendes Teil-Strahlenbündel angedeutet.
Ferner weist die Blickfeldanzeigevorrichtung 100 eine Combinerscheibe 8 auf, die derart ausgebildet und in einer derartigen Betriebsstellung unterhalb der zwei Projektoreinheiten 4a und 4b und in einem horizontalen Abstand D (s. 3) von insbesondere 180 mm bis 380 mm, vorzugsweise 230 mm bis 330 mm, besonders bevorzugt etwa 280 mm, vor der Nutzeraugenposition fixiert oder im Betrieb fixierbar ist, dass die von den Projektoreinheiten 4a und 4b im Betrieb erzeugten zwei Projektionslichtstrahlenbündel La und Lb auf eine dem Nutzer 3 zugewandte Reflexionsfläche 9 der Combinerscheibe 8 gelenkt und von dieser zu seinen Augen zum Erzeugen eines in sein Blickfeld hinter der Combinerscheibe 8 eingeblendeten virtuellen Anzeigebilds V (s. 11) reflektiert werden.
Diese Anordnung ermöglicht einen deutlich kompakteren Aufbau als beispielsweise eine klassische HUD-Projektionsoptik, die nur einen einzelnen Projektor für die Bilderzeugung für linkes und rechtes Auge nutzt. Zum einen erzeugt jede Projektoreinheit 4a, 4b mit dem zugehörigen Strahlengang nur eine scharf begrenzte Eyebox Ea/Eb um das jeweilige Auge herum. Zum anderen können in jedem dieser zwei Strahlengänge (hierin auch Kanäle genannt) links-/rechts-spiegelsymmetrische Abbildungsfehler der Reflexionsfläche 9 der Combinerscheibe 8 getrennt durch die eigene Optik und eine eigene Vorverzerrung des Displayinhalts ausgeglichen werden. So wird es möglich, eine hoch vergrößernde Optik einzusetzen, was das Volumen des Projektorsystems und die Displaygröße der bildgebenden Einheit bei gleichbleibender Größe des erzeugten virtuellen Anzeigebilds V reduziert.
Die Strahlengänge der zwei Projektoreinheiten 4a und 4b kreuzen sich, wie in 1 besonders gut zu sehen ist, vor der Combinerscheibe 8. Deren Reflexionsfläche 9 kann, wie in 1-3 gezeigt, zum Kollimieren der Projektionslichtstrahlenbündel La und Lb ausgebildet und angeordnet sein, wobei sie von ihr in Richtung der Augen des Nutzers 3 gelenkt werden.
Ein im Strahlengang beider Projektionslichtstrahlenbündel La und Lb zwischen dem Projektorsystem 4 und der Combinerscheibe 8 angeordneter Umlenkspiegel 6, der hier als ein Planspiegel ausgebildet ist, dient der Umlenkung beider Projektionslichtstrahlenbündel La und Lb aus den oberhalb der Combinerscheibe 8 angeordneten Projektoreinheiten 4a und 4b in Richtung der Reflexionsfläche 9 der Combinerscheibe 8.
Das in jeder Projektoreinheit 4a/4b vorgesehene optische Abbildungssystem 102a bzw. 102b umfasst in diesem Beispiel ein Projektorlinsen-Paar, dass die Displayanzeige des Displays 10a bzw. 10b in ein reales Zwischenbild Z in den Bereich eines Brennpunkts der Reflexionsfläche 9 der Combinerscheibe 8 abbildet. Die Projektorlinsen können insbesondere asphärische Oberflächen besitzen, um eine möglichst hohe Bildschärfe zu erreichen. Die für die Projektion erforderliche Brechkraft wurde hier auf beide Projektorlinsen aufgeteilt, um die Bildqualität zu verbessern. Je nach erforderlicher Bildvergrößerung und -Qualität können auch mehr als zwei Linsen zum Einsatz kommen. Die Projektorlinsen können grundsätzlich aus Kunststoff gefertigt sein. Um chromatische Abbildungsfehler zu korrigieren, kann dabei beispielsweise die Vorderseite der in Strahlausbreitungsrichtung zweiten Projektorlinse mit einer diffraktiven Struktur versehen sein, die aufgrund der Dispersion der Struktur für eine unterschiedliche Brechkraft für unterschiedliche Wellenlängen sorgt.
Wie in 3 gezeigt, ist die Reflexionsfläche 9 der Combinerscheibe 8 (Visor) in diesem Beispiel ein konkav gekrümmter (im Allgemeinen teiltransparenter) Spiegel (Konkavspiegel). Vom Visor werden die nahe seinem Brennpunkt liegenden realen Zwischenbilder Z des linken und rechten Kanals in ein virtuelles Bild V hinter dem Visor abgebildet (vgl. 11). Vorteilhaft kann dabei insbesondere eine parabolische Form dieses Konkavspiegels sein. Der Basisradius der parabolischen Reflexionsfläche 9, d. h. deren doppelte Brennweite, ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel aus weiter unten erläuterten Gründen als horizontaler Abstand D der Reflexionsfläche 9 zu der Augenposition des Nutzers 3 gewählt. Um eine vertikale Ablenkung der Projektionslichtstrahlenbündel La und Lb zu erreichen, kann die in 3 aus rein illustrativen Gründen ergänzend eingezeichneten parabolische SegmentFläche vertikal relativ zur Augenhöhe des Nutzers 3 verschoben sein. In der in den 1-3 gezeigten Auslegungen wurde hierzu rein beispielhaft ein geeigneter vertikaler Offset von 80 mm verwendet. Die Combinerscheibe 8 kann insbesondere auf der konkaven Innenseite verspiegelt sein. Die konvexe Außenseite kann beispielsweise entspiegelt sein, um ein Doppelbild aufgrund der Reflektion an der Außenseite der Combinerscheibe 8 zu vermeiden.
Wie in den 1, 2 und 4 erkennbar ist, kann durch das Projektorsystem 4, das als ein Stereoprojektor-System ausgebildet ist, eine getrennte Eyebox Ea und Eb für das linke und rechte Auge des Nutzers 3 erzeugt werden. Bei der dargestellten Auslegung, die im Hinblick auf die Größe des Projektorsystems 4 und die Abbildungsqualität optimiert wurde, sind für beide Augen elliptische Eyeboxen Ea und Eb mit einer Größe von je 38mm x 25mm für einen Standard-Augenabstand von 60mm erzielt.
Mit dieser Anordnung lässt sich beispielsweise ein etwa 35°x20° großes virtuelles Anzeigebild V in einer Projektionsentfernung von etwa 2,5 m vor den Augen des Nutzers 3 mithilfe eines Projektorsystems 4 mit einem Volumen von nur etwa 2,5 L erzeugen, was beispielsweise dem Gesamtvolumen des faltbaren Gehäuses 2 der Blickfeldanzeigevorrichtung 1 in dessen geschlossenem Zustand entsprechen kann (s. 11 und zugehörige Beschreibung weiter unten). Im Vergleich dazu würde eine von herkömmlichen HUD-Systemen bekannte Projektoreinheit, die einen gemeinsamen Strahlengang für beide Augen des Nutzers nutzt, zur Darstellung eines gleich großen virtuellen Anzeigebilds V ein optisches System mit einem drei- bis viermal so großen Volumen von 8-10 L erfordern. Die resultierende Bildgröße kann dabei insbesondere einem 65-Zoll- bis 70-Zoll-Bildschirm, wie beispielsweise bei einem TV-Flachbildschirm, in 2,5 m Entfernung bei einer vergleichbaren Auflösung entsprechen.
4 zeigt in perspektivischer Ansicht ein Bespiel eines Visorsystems 1 (auch Blickfeldanzeigevorrichtung 1 genannt) der hierin dargelegten Art mit einer Freiform-Spiegeloptik anstelle der Linsenoptik, die im Abbildungssystem 102a/102b des in 1-3 gezeigten bekannten Visorsystems 100 verwendet wurde. Das in 4 gezeigte Visorsystem 1 ist mit denselben Parametern ausgelegt, wie das vorher gezeigte Visorsystem 100 mit Linsenoptik (Eyebox 38mm x 25mm, FOV 35°x19.7°, wie links in 4 eingeblendet). Das vorherige Visorsystem 100 mit Linsenoptik ist zum Vergleich im Hintergrund eingeblendet (durch gestrichelte Linien dargestellt).
Das optische System der Blickfeldanzeigevorrichtung 1 ist in einigen verschiedenen Ansichten in weiteren 6-9 schematisch dargestellt. Es besteht aus dem Visor, d. h. einer Combinerscheibe 8 mit deren nutzerseitiger Reflexionsfläche 9, die jetzt auch als Freiformfläche (FFM, Free-Form-Mirror) in die Optimierung der Optik mit einbezogen wird, und einem Projektorsystem 4 aus bevorzugt drei Freiform-Spiegeln FFM1, FFM2 und FFM3. Die Spiegel FFM1 und FFM2 ersetzen das alte Linsensystem 102a bzw. 102b, d. h. sie dienen primär der Erzeugung eines realen Zwischenbilds vor dem Visor. Spiegel FFM3 vorkorrigiert, wie der bereits in der bisherigen Anordnung verwendete Freiform-Spiegel 13a/13b, direkt hinter dem Display 10a/10b vom Feldpunkt abhängige Aberrationen für die Abbildung über den Visor. In der Anordnung gemäß 4 wird ferner wie vorher ein Umlenkspielgel 6 eingesetzt, um den Strahlengang nach vorne zu falten. Dieser Umlenkspiegel 6 kann aber auch entfallen, wenn die Lage des Projektors oberhalb des Kopfes vorteilhaft ist.
Für das Spiegelsystem FFM1, FFM2, FFM3 wurden sehr unterschiedliche Konfigurationen untersucht, die sich grundsätzlich alle für das hierin vorgestellte Visorsystem 1 eignen. Die in 4 gezeigte Anordnung ist in diesem Beispiel bezüglich der Orientierung und Anzahl der Spiegel als ein Optimum in Hinblick auf das Packagevolumen und Abbildungsqualität ausgewählt worden.
Es hat sich überraschend herausgestellt, dass das Package der Spiegeloptik sogar kompakter ist, als bei der vorherigen Anordnung des Abbildungssystems 102a/102b mit Linsen. Der direkte Vergleich der Randabmessungen zu dem vorherigen System bzw. seinem Gehäuse 2 ist in 4 durch entsprechende Abstandsangaben von 45mm nach oben und 90mm nach hinten zum Nutzer 3 hin verdeutlicht. Dieser Raumgewinn mag damit zusammenhängen, dass das Volumen zwischen den Freiformspiegeln FFM1, FFM2 und FFM3 mehrfach für die Faltung des Strahlengangs verwendet wird. Der jeweilige Strahlengang La und Lb für das linke/rechte Auge des Nutzers 3 ist in 4 durch seinen Mittenstrahl angedeutet. Im Übrigen konnte das Visorsystem gemäß 1-3 in diesem Beispiel weitgehend beibehalten werden, sodass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die entsprechende Beschreibung mit Bezug auf 1-3 weiter oben und auf die weiter unten angegebenen Details verwiesen wird.
5 zeigt vom Grundprinzip das gleiche Visorystem 1 wie in 4, das in 5 jedoch für eine deutlich größere elliptische Eyebox Ea/Eb von 55mm x 45mm für jedes Nutzerauge ausgelegt wurde. In einer weiteren, nicht gezeigten Auslegung wurde sogar ein Visorsystem für 55mm x 55mm große Einboxbereiche Ea und Eb ausgelegt. Dabei wurden in 5 die Freiform des Visors 9 sowie die Geometrie und Orientierung der Freiformspiegel FFM1-FFM3 so optimiert, dass vor allem die beiden Freiformspiegel FFM1 der linken und rechten Projektionsoptik in deren aneinandergrenzenden Flächenbereichen während der Optimierung nur minimal überlappen (was zum einen durch eine entgegenwirkende Optimierung der FFM-Fläche des Visors 8/9 und letztendlich durch Abschneiden der danach übrigbleibenden Randbereiche behoben wurde, vgl. 6a), trotzdem die Einzel-Eyeboxen Ea und Eb im Vergleich zu 4 auch in den Bereich zwischen den Augen erweitert wurde.
6-8 zeigen eine schematische perspektivische Ansicht eines weiteren Beispiels eines Visorsystems 1 der hierin dargelegten Art mit einer Freiform-Spiegeloptik aus drei Freiformspiegeln FFM1-FFM3 in jeder Projektoreinheit 4a/4b. Es kann sich hierbei insbesondere um das Visorsystem 1 der 4 oder 5 handeln. In 6 ist der optische Aufbau ohne Projektionslichtstrahlen gezeigt, während in 7 in in beiden Projektoreinheiten 4a und 4b nur der Mittenstrahl und in 8 nur ein aus einem Displaymittenpunkt ausgehendes Mitten-Strahlenbündel angedeutet sind. Als Mittenstrahl wird dabei wie üblich derjenige Projektionslichtstrahl der Blickfeldanzeigevorrichtung 1 verstanden, der aus einem Mittelpunkt des Displays 10a bzw. 10b in eine Mitte der zugehörigen Eyebox Ea bzw. Eb führt. 9 zeigt ferner eine Seitenansicht des in 7 dargestellten Visorsystems 1.
6a zeigt dabei (schematisch angedeutet) den oben beschriebenen Beschnitt (d. h. die resultierende Abschnittkante) 19a bzw. 19b der Freiformspiegel FFM1 beider Projektoreinheiten 4a und 4b und einen daraus resultierenden Beschnitt 20a und 20b der beiden Eyeboxbereiche Ea und Eb in deren aneinandergrenzenden Flächenbereichen. Wie oben beschrieben, dient dieser innenliegende Beschnitt 19a/19b der Freiformspiegel FFM1 dazu, deren Überlapp zu vermeiden oder zu beheben. Dieser Beschnitt der Spiegel führt wiederum dazu, dass auch die resultierenden Eyeboxen Ea und Eb innen um einige mm beschnitten sind. Kommt das Auge des Nutzers in diesen Bereich, wird das Bild also beschnitten.
Das in 4-11 gezeigte Visorsystem 1 kann in z-Richtung um 180° gespiegelt sein, sodass die Combinerscheibe 8 (mit Reflexionsfläche 9) in deren Betriebsstellung oberhalb, und nicht unterhalb des Projektorsystems 4 fixiert ist. Dies kann bei einer Befestigung des Visorsystems in einem Tisch- oder Pultbereich eines übergeordneten Systems geeignet sein.
Nachfolgend werden weitere Details der einzelnen optischen Elemente der Blickfeldanzeigevorrichtung 1 der 4 bis 9 und deren Funktion beschrieben.
Display: Das in jeder Projektoreinheit 4a/4b vorgesehene Display 10a bzw. 10b zur Erzeugung des vom zugehörigen Projektionslichtstrahlenbündel La/Lb zu transportierenden Anzeigeinhalts kann ein kleines hochauflösendes Display sein, wie es für Smartphones oder AR/VR-Brillen verwendet wird. In der konkret gezeigten Anordnung kann beispielsweise ein 3.5" Display mit >1000ppi zum Einsatz kommen. Solche Displays sind beispielsweise aus aktuellen Entwicklungen für VR-Anwendungen (Virtual Reality) bekannt. Eine derart hohe Auflösung des Displays 10a bzw. 10b ermöglicht eine Auflösung des virtuellen Bildes V auf dem Niveau eines 4k-Displays. Als Technologie können neben anderen möglichen Displaytechnologien LCD-Displays oder Micro-Led-Displays besonders geeignet sein, da für eine gute Ablesbarkeit des virtuellen Anzeigebildes V eine hohe Leuchtdichte der Displays 10a/10b erforderlich ist. Das am Display 10a/10b angezeigte Bild kann insbesondere vorverzerrt sein, um etwaige in der weiteren Optik der Blickfeldanzeigevorrichtung 1 entstehende Bildverzerrungen zu kompensieren.
Fehlerausgleichender Freiformspiegel: Der in jeder Projektoreinheit 4a/4b im Strahlengang zwischen dem Display 10a/10b und dem linsenfreien optischen Abbildungssystem FFM1-FFM2 vorgesehene fehlerausgleichende Freiformspiegel FFM3 verfügt in diesem Beispiel über eine gekrümmte konkave Oberfläche. FFM3 ist damit zum Ausgleichen der Abbildungsfehler, die später durch die Reflektion an der Reflexionsfläche 9 der Combinerscheibe 8 entstehen können, ausgebildet. Eine in den 4-9 angedeutete korrekte Orientierung des Freiformspiegels FFM3 kann dabei eine wichtige Rolle für die Funktion dieser Vorkorrektur spielen. Alternativ könnte diese Funktion auch durch Freiformoberflächen der abbildenden Spiegel FFM1, FFM2, ..., FFMn mitübernommen werden.
Umlenkspiegel: Ein im Strahlengang beider Projektionslichtstrahlenbündel La und Lb zwischen dem Projektorsystem 4 und der Combinerscheibe 8 angeordneter Umlenkspiegel 6, der in den gezeigten Beispielen als ein Planspiegel ausgebildet ist, dient der Umlenkung beider Projektionslichtstrahlenbündel La und Lb aus den oberhalb der Combinerscheibe 8 angeordneten Projektoreinheiten 4a und 4b in Richtung der Reflexionsfläche 9 der Combinerscheibe 8. Ohne diesen Umlenkspiegel 6 würde das räumlich kompakte Projektorsystem 4 (Projektorpackage) in den Bereich direkt über dem Kopf des Nutzers wandern, was eine aus folgenden Gründen weniger attraktive Anordnung ergeben könnte: Erstens kann im Raumbereich direkt über dem Nutzerkopf eine Integration aufgrund eines gegebenenfalls vergleichsweise geringen Abstands zum Fahrzeugdach und dergleichen erschwert sein. Zweitens wäre dadurch auch eine räumliche Unterbringung der Combinerscheibe 8 und des Projektorsystems 4 in einer geschlossenen Einheit, insbesondere in dem in 4 gezeigten gemeinsamen faltbaren Gehäuse 2, ebenfalls schwieriger. Dennoch ist beides nicht unmöglich und es können auch andere Gründe für eine derartige alternative Anordnung sprechen.
Reale Zwischenbilder Z: Wie insbesondere in 1-3 und in 8 gut zu erkennen ist, werden die vom Display 10a/10b ausgehenden Projektionslichtstrahlenbündel La und Lb durch die Projektoroptik vor die Reflexionsfläche 9 der Combinerscheibe 8 fokussiert. Dort entsteht in diesem Beispiel ein reales Zwischenbild Z, dessen Form und Bildfehler dergestalt sein können, dass die im nächsten Schritt bei der Abbildung durch die Reflexionsfläche 9 der Combinerscheibe 8 entstehenden Fehler gegenkompensieren. Das Bild von linkem und rechtem Kanal sind im vorliegenden Beispiel an dieser Stelle quasi überlagert.
Für eine korrekte Funktion und eine möglichst kompakte Anordnung der Projektoroptik können insbesondere nachfolgend erläuterte Verhältnisse von geometrischen Abständen in Relation zu einem Radius der (als Ausganspunkt der obigen Optimierung als Freiformfläche FFM) als Konkavspiegel ausgebildeten Reflexionsfläche 9 der Combinerscheibe 8 besonders geeignet oder günstig sein. Konkret für die in 4-11 gezeigte optische Anordnung sind diese Abhängigkeiten folgendermaßen:

Abstand Visor zu Eyebox: Dieser Abstand kann als Startpunkt der Überlegungen gewählt werden. Der horizontale Abstand D der Combinerscheibe 8 (in 4-11 nicht erneut dargestellt, vgl. 3) zu den Augen des Nutzers ergibt sich im vorliegenden Beispiel als ein Kompromiss aus optischen, ergonomischen und Fahrzeugintegrations-Aspekten. Ist die Combinerscheibe 8 nahe an den Augen, wird die benötigte Visorfläche kleiner. Allerdings können sich gegebenenfalls Probleme im Falle eines Crashs ergeben, der Nutzer 3 fühlt sich tendenziell beengt durch die Combinerscheibe 8 und die Faltung des optischen Strahlengangs ist schwieriger um den Kopf des Nutzers 3 herumzuführen. Große Abstände bedingen hingegen eine größere Visorfläche, die wiederum beispielsweise schwerer in ein Fahrzeug zu integrieren sein kann. Durch Versuche wurde vorliegend ein horizontaler Abstand D von 280 mm als besonders geeignet festgelegt.

Visorradius: Der Radius R (oder Brennweite f=R/2) der (vor bzw. als Ausgangspunkt der Freiformoptimierung) als sphärischer oder parabolischer Konkavspiegel ausgebildeten Reflexionsfläche 9 der Combinerscheibe 8 wurde in diesem Beispiel aus nachfolgend erläuterten Gründen gleich dem oben festgelegten horizontalen Abstand D der Combinerscheibe 8 zu den Augen des Nutzers gesetzt. Vorliegend wurde daher für die konkave Reflexionsfläche 9 eine Brennweite f=140 mm (oder Visorradius R=280mm) gewählt.
Lage des realen Zwischenbilds Z: Die Reflexionsfläche 9 ist optisch ein Konkavspiegel. Um das gewünschte virtuelle Anzeigebild V zu erzeugen, müssen die Projektoreinheiten 4a und 4b jeweils ein reales Zwischenbild Z erzeugen, dass in einem Abstand kleiner oder gleich der Brennweite f des Konkavspiegels vor diesem liegt. In der konkreten Auslegung ist f=140mm.
Optimale Lage der Projektoreinheiten: Die Anforderung, ein möglichst kompaktes Projektorsystem 4 zu realisieren, kann eine besonders geeignete Lage/Position des letzten Freiformspiegels (FFM1) des linsenfreien optischen Abbildungssystems (hierin auch Ausgang der Projektoreinheit 4a/4b genannt) wie folgt bestimmen. Als Faustregel für die relativen Abstände in der Blickfeldanzeigevorrichtung 1 der hierin dargelegten Art kann gelten: (Abstand Projektorsystem - Visor) = (Abstand Visor - Eye Pupil) = Radius Visor. In diesem Fall entsprechen die genannten Abstände der doppelten Brennweite 2f der Reflexionsfläche 9 der Combinerscheibe 8, es liegt also die Bedingung für eine 2f- oder 1:1 Abbildung vor. Dabei kann man sich vorstellen, dass die Apertur des finalen Freiformspiegels FFM1 am Ausgang der jeweiligen Projektoreinheit 4a/4b in die Eyebox durch die Reflexionsfläche 9 abgebildet wird. Es zeigt sich, dass bei Erfüllung dieser Bedingung alle Strahlen, die benötigt werden, um die gewünschte Fläche des Eyeboxbereichs Ea bzw. Eb zu erzeugen, am Ort des letzten Freiformspiegels überlagert sind, sodass das jeweilige Strahlenbündel La bzw. Lb einen minimalen Querschnitt hat. Damit ist das die optimale Position, um mit einer möglichst kleinen Freiformspiegel-Gruppe eine spezifizierte Eyebox zu erzeugen.
11 zeigt in einer stark vereinfachten schematischen Darstellung ein Kraftfahrzeug 14 mit einer in dessen Insassenraum 15 angeordneten kompakten Blickfeldanzeigevorrichtung 1 der hierin dargelegten Art, deren Projektorsystem 4 in einem faltbaren Gehäuse 2 untergebracht ist. Die Blickfeldanzeigevorrichtung 1 kann insbesondere gemäß 4 bis 9 ausgebildet sein. Deren Darstellung in 11 ist nicht als maßstabsgetreu, sondern als schematisch zu verstehen.
Dabei kann die Combinerscheibe 8 in einem geschlossenen Zustand des Gehäuses 2 mit ihrer gesamten Fläche an dessen Bodenseite 7 anliegen oder einen Teil dieser bilden und in dessen in 11 gezeigtem geöffneten Zustand von der Bodenseite 7 zu einem vorbestimmten Anstellwinkel aufklappbar sein, der der Betriebsstellung der Combinerscheibe 8 entspricht. Ferner weist das Gehäuse 2 eine zu einem vorbestimmten Spiegelabstand d von dem Projektorsystem 4 im Strahlengang der zwei Projektionslichtstrahlenbündel La und Lb ausfahrbare Spiegelwand 5 mit einem dem Projektorsystem 4 zugewandten Umlenkspiegel 6 auf, wobei die zwei Projektionslichtstrahlenbündel La und Lb durch den Umlenkspiegel 6 in dessen durch den vorbestimmten Spiegelabstand d definierter Betriebsstellung gemäß 11 auf die oben genannte Reflexionsfläche 9 der Combinerscheibe 8 gelenkt werden, um das virtuelle Bild V dahinter zu erzeugen.
Wie in 11 rein beispielhaft schematisch angedeutet, ist der Insassenraum 15 des Kraftfahrzeugs 14 nach oben zumindest teilweise von einem dem Insassenraum 15 zugewandten Dachhimmel 16 begrenzt. Das Gehäuse 2 des Visorsystems 1 ist mit dessen Dachseite 11 dem Dachhimmel 16 zugewandt und an diesem durch geeignete Befestigungsmittel 17, insbesondere nachträglich und permanent oder auch abnehmbar und/oder verschiebbar, befestigt. Ferner kann im Kraftfahrzeug 14 beispielsweise eine Steuerungseinheit 18 vorgesehen sein, die zum elektrischen Ansteuern des Visorsystems 1 zum Ausfahren der Spiegelwand 5 und/oder zum Aufklappen der Combinerscheibe 8 ausgebildet ist.
Bezugszeichenliste

1: Blickfeldanzeigevorrichtung (Visorsystem) hierin dargelegter Art
100: Visorsystem nach Stand der Technik (mit Linsenoptik)
2: faltbares Gehäuse
3: Nutzer
4: Projektorsystem
4a,4b: Projektoreinheit für das rechte/linke Auge
5: ausfahrbare Spiegelwand
6: Umlenkspiegel
7: Bodenseite
8: Combinerscheibe
9: Reflexionsfläche
10a, 10b: bildgebendes Display
11: Dachseite
102a,102b: optisches Abbildungssystem mit Projektorlinse(n)
13a,13b: Freiformspiegel
14: Kraftfahrzeug
15: Insassenraum
16: Dachhimmel
17: Befestigungsmittel
18: Steuerungseinheit
V: virtuelles Anzeigebild
Z: reales Zwischenbild
La,Lb: Projektionslichtstrahlenbündel für das rechte/linke Auge
D: horizontaler Abstand
d: vorbestimmter Spiegelabstand
FFM: Freiformspiegelfläche des Visors (d. h. der Combinerscheibe)
FFM3: fehlerausgleichender Freiformspiegel einer jeden Projektoreinheit
FFM1/FFM2: Freiformspiegel des Abbildungssystems jeder Projektoreinheit
E: Eyeboxebene
Ea/Eb: Eyeboxbereich (Eyebox) fürs rechte/linke Nutzerauge
19a/19b: Beschnitt/Abschnittkante eines Freiformspiegels
20a/20b: Beschnitt/Abschnittkante des jeweiligen Eyeboxbereichs

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102019108330 A1 [0004]
DE 102019122417 A1 [0004, 0007, 0019, 0020, 0021, 0049]
DE 102020108124 A1 [0008, 0009]
US 2016/0091723 A1 [0027]

Claims

Kompakte Blickfeldanzeigevorrichtung (1), die zu einer ortsfesten Befestigung in einem übergeordneten System, insbesondere an einem Dachhimmel (16) eines Kraftfahrzeugs (14) oder an einem Gaming-/Büro- oder Entertainment-Stuhl, ausgebildet ist, umfassend: - ein räumlich kompaktes Projektorsystem (4) mit zwei Projektoreinheiten (4a, 4b), die um eine vertikale Mittenebene (X-Z) des Projektorsystems (4) symmetrisch angeordnet und jeweils zum Erzeugen eines nur für ein Nutzerauge bestimmten Projektionslichtstrahlenbündels (La, Lb) mit einem Anzeigeinhalt ausgebildet sind; sowie - eine Combinerscheibe (8), die derart ausgebildet und in einer bezüglich des Projektorsystems (4) definierten Betriebsstellung, insbesondere unterhalb von diesem, fixiert oder fixierbar ist, dass jedes der zwei Projektionslichtstrahlenbündel (La, Lb) von der Combinerscheibe (8) zu einem zugehörigen, nur für das entsprechende Nutzerauge bestimmten zweidimensionalen Eyeboxbereich (Ea, Eb) reflektiert wird, wodurch der Anzeigeinhalt als ein virtuelles Bild (V) im Blickfeld des Nutzers (3) hinter der Combinerscheibe (8) dargestellt wird; - wobei jede Projektoreinheit (4a, 4b) ein Display (10a, 10b) zur Erzeugung des Anzeigeinhalts und ein linsenfreies optisches Abbildungssystem aufweist, das mindestens einen Freiformspiegel (FFM1, FFM2) zum Abbilden des Anzeigeinhalts in ein reales Zwischenbild (Z) umfasst, welches im Strahlengang des zugehörigen Projektionslichtstrahlenbündels (La, Lb) zwischen dem Projektorsystem (4) und der Combinerscheibe (8) entsteht.
Blickfeldanzeigevorrichtung (1) nach Anspruch 1, bei der - optische Freiformflächen der Freiformspiegel (FFM1, FFM2) der Abbildungssysteme und der gesamte optische Aufbau des Projektorsystems (4) daraufhin optimiert sind, möglichst großflächige Eyeboxbereiche (Ea, Eb) mit einem möglichst kleinen Abstand dazwischen bei einem möglichst geringen Gesamtvolumen des Projektorsystems (4) ohne gegenseitige Beeinträchtigung der Strahlengänge beider Projektionslichtstrahlenbündel (La, Lb) zu erzielen.
Blickfeldanzeigevorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, bei der - eine dem Nutzer (3) zugewandte Reflexionsfläche (9) der Combinerscheibe (8) eine durchgehende, um die vertikale Mittenebene (X-Z) des Projektorsystems (4) symmetrische Freiformfläche (FFM) ist, die daraufhin optimiert ist, möglichst großflächige Eyeboxbereiche (Ea, Eb) mit einem möglichst kleinen Abstand dazwischen bei einem möglichst geringen Gesamtvolumen des Projektorsystems (4) ohne gegenseitige Beeinträchtigung der Strahlengänge beider Projektionslichtstrahlenbündel (La, Lb) zu erzielen.
Blickfeldanzeigevorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der - jede Projektoreinheit (4a, 4b) ferner einen im Strahlengang des jeweiligen Projektionslichtstrahlenbündels (La, Lb) zwischen dem Display (10a, 10b) und dem Abbildungssystem angeordneten fehlerausgleichenden Freiformspiegel (FFM3) aufweist, der zum Ausgleichen von Abbildungsfehlern, die insbesondere durch die nachfolgende Reflexion an der Combinerscheibe (8) entstehen können, ausgebildet ist; und/oder - jedes Abbildungssystem mindestens zwei Freiformspiegel (FFM1, FFM2) umfasst, die zum Abbilden des Anzeigeinhalts in das reale Zwischenbild (Z) ausgebildet sind; - wobei in jedem dieser Fälle sämtliche Freiformspiegel (FFM1, FFM2, FFM3) einer Projektoreinheit (4a, 4b) derart einander gegenüber im Strahlengang des jeweiligen Projektionslichtstrahlenbündels (La, Lb) angeordnet sind, dass ein von ihren Spiegelflächen begrenztes Raumvolumen mehrfach zur Faltung des Strahlengangs genutzt wird und der Strahlengang sich dabei selbst mehrfach kreuzt.
Blickfeldanzeigevorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der - die optische Ausgestaltung und gegenseitige Anordnung der zwei Projektoreinheiten (4a, 4b) im Projektorsystem (4) und die Anordnung des Projektorsystems (4) relativ zu der Combinerscheibe (8) in deren Betriebsstellung derart sind, dass sich die zwei Projektionslichtstrahlenbündel (La, Lb) vor dem Erreichen der Combinerscheibe (8) kreuzen.
Blickfeldanzeigevorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der - die Combinerscheibe (8) in deren Betriebsstellung einen vorbestimmten horizontalen Abstand (D) zu den für die Nutzeraugen bestimmten Eyeboxbereichen (Ea, Eb) aufweist, der insbesondere zwischen etwa 180 mm und 380 mm, vorzugsweise zwischen etwa 230 mm bis 330 mm, besonders bevorzugt etwa 280 mm, beträgt.
Blickfeldanzeigevorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der - die Reflexionsfläche (9) der Combinerscheibe (8) in deren Betriebsstellung einen Konkavspiegel darstellt, der zum zumindest teilweisen Kollimieren beider Projektionslichtstrahlenbündel (La, Lb) ausgebildet und angeordnet ist, wobei die Combinerscheibe (8) für das rückseitig einfallende Umgebungslicht insbesondere zumindest teilweise transparent ist.
Blickfeldanzeigevorrichtung (1) nach Anspruch 7, bei der - die optische Ausgestaltung und gegenseitige Anordnung der zwei Projektoreinheiten (4a, 4b) im Projektorsystem (4) und die Anordnung des Projektorsystems (4) relativ zu der Combinerscheibe (8) in deren Betriebsstellung derart sind, dass die zwei realen Zwischenbilder (Z) in einem vorbestimmten Brennpunktbereich des Konkavspiegels erzeugt werden, in dem sich die zwei Projektionslichtstrahlenbündel (La, Lb) vorzugsweise auch kreuzen; und/oder - in der Betriebsstellung der Combinerscheibe (8) die optische Weglänge des jeweiligen Projektionslichtstrahlenbündels (La, Lb) zwischen dem Konkavspiegel und einem Freiformspiegel (FFM1), der den optischen Ausgang des jeweiligen Abbildungssystems (12a, 12b) bildet, und/oder zwischen dem Konkavspiegel und dem zugehörigen Eyeboxbereich (Ea, Eb) jeweils etwa eine doppelte Brennweite des Konkavspiegels beträgt.
Blickfeldanzeigevorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die ferner - einen insbesondere planaren Umlenkspiegel (6) aufweist, der in einer derart vorbestimmten Betriebsstellung zwischen dem Projektorsystem (4) und der Combinerscheibe (8) im Strahlengang beider Projektionslichtstrahlenbündel (La, Lb) fixiert oder fixierbar ist, dass die zwei Projektionslichtstrahlenbündel (La, Lb) durch die Umlenkung am Umlenkspiegel (6) auf eine Nutzerseitige Reflexionsfläche (9) der Combinerscheibe (8) geworfen werden, um das genannte virtuelle Bild (V) dahinter zu erzeugen.
Blickfeldanzeigevorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend: - ein faltbares Gehäuse (2), in dem das Projektorsystem (4) untergebracht ist, wobei das Gehäuse (2) in dessen geschlossenem Zustand räumlich kompakt ist und das Projektorsystem (4) vorzugsweise von allen Seiten umgibt, - wobei die Combinerscheibe (8) am Projektorsystem (4) oder am Gehäuse (2) befestigt ist und im geschlossenen Zustand des Gehäuses (2) mit ihrer gesamten Fläche an dessen Boden- oder Deckenseite (7) anliegt oder einen Teil dieser bildet und von der Boden- oder Deckenseite (7) zu einem vorbestimmten Anstellwinkel aufklappbar ist, der der Betriebsstellung der Combinerscheibe (8) entspricht, und/oder - wobei das Gehäuse (2) eine Spiegelwand (5) mit einem dem Projektorsystem (4) zugewandten Umlenkspiegel (6) aufweist, die zu einem vorbestimmten Spiegelabstand (d) von dem Projektorsystem (4) im Strahlengang der zwei Projektionslichtstrahlenbündel (La, Lb) ausfahrbar ist, wobei die zwei Projektionslichtstrahlenbündel (La, Lb) durch den Umlenkspiegel (6) in dessen durch den vorbestimmten Spiegelabstand (d) definierter Betriebsstellung auf eine nutzerseitige Reflexionsfläche (9) der Combinerscheibe (8) gelenkt werden, um das genannte virtuelle Bild (V) dahinter zu erzeugen.
Fahrzeug, insbesondere ein Kraftfahrzeug (14), mit zueinander senkrechten Längs-, Quer- und Höhenachsen eines fahrzeugfesten kartesischen Koordinatensystems, umfassend: - einen Insassenraum (15), der nach oben zumindest teilweise von einem dem Insassenraum (15) zugewandten Dachhimmel (16) begrenzt ist; und - eine Blickfeldanzeigevorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 10, die am Dachhimmel (16), insbesondere mit einer von der Bodenseite (7) abgewandten Dachseite (11) des Gehäuses (2), befestigt ist.