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Die Erfindung betrifft Verfahren zur Berechnung der Strahlengänge in Blickfeldanzeigevorrichtungen für ein Kraftfahrzeug oder ein anderes Land-, Luft- oder Wasserfahrzeug, die auch unter der Bezeichnung Head-up-Display (HUD) bekannt sind. Derartige Vorrichtungen sind ausgebildet zur Erzeugung eines ins Blickfeld eines Fahrzeuginsassen eingeblendeten virtuellen Anzeigebilds über Reflexion an einer in seinem Blickfeld angeordneten teiltransparenten Reflexionsscheibe, die vorliegend durch eine Front-, Heck- oder Seitenscheibe des Fahrzeugs gebildet ist. Die Erfindung richtet sich auf die Berechnung der Strahlengänge auf Basis einer Beschreibung der Fahrzeugscheibe in Form von geometrischen Messdaten, im Speziellen handelt es sich hierbei um die Normalenvektoren ihrer als Reflexionsfläche des HUD dienenden Oberfläche.
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Mit einem Head-up-Display (HUD) werden in einem Fahrzeug beispielsweise Geschwindigkeitsangaben und andere nützliche Navigations- und Fahrzeugbedienungshinweise oder auch Entertainment-Inhalte in Form eines virtuellen Bilds dem vom Fahrer oder einem anderen Insassen beobachteten realen Umgebungsbild vor dem Fahrzeug überlagert. Hierzu umfasst ein HUD in aktuell verbreiteter klassischer Bauweise eine unterhalb einer Oberseite der Instrumententafel untergebrachte Projektionseinheit. Diese umfasst zum einen eine bildgebende Einheit, typischerweise ein Display, zur Erzeugung eines Lichtstrahlenbündels mit dem gewünschten Anzeigeinhalt. Ferner umfasst die Projektionseinheit in der Regel eine Projektions-Optik mit einem oder mehreren Spiegeln, um das Lichtstrahlenbündel in geeigneter Form und Richtung auf eine fahrzeuginnenseitige Reflexionsfläche der Frontscheibe zu werfen, damit die Anzeigeinhalte des Displays über Reflexion daran ins Blickfeld des Nutzers (Fahrzeuginsassen) eingeblendet werden.
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Die Reflexionsfläche heutiger HUD-Systeme dieser Art beträgt ungefähr 7,5 % von der gesamten Frontscheiben-Innenfläche. Aufgrund der fortschreitenden Entwicklung in Richtung größerer Anzeigebildflächen ist jedoch zu erwarten, dass künftig bis zu 50 % der Frontscheiben-Fläche für die Reflexion zum Einblenden virtueller Inhalte ins Blickfeld der Insassen genutzt werden, wodurch aktuelle Systeme zur Bewertung der Darstellung dieser Funktion über die Frontscheibe an ihre Grenzen stoßen. Des Weiteren erfordern viele neu entwickelte HUD-Systeme unterschiedliche und weitere Projektionstiefen als beim bisher verbreiteten klassischen HUD. Um dies zu realisieren, werden HUD-Systeme in deren Entwicklungsstadium mit sogenannten Ray-Tracern (bzw. mit geeigneter Strahlengangssimulations-Software), die sich mit der numerischen Berechnung der Strahlengänge beschäftigen, hinsichtlich der Funktion der Reflexion über eine Freiformfläche, in diesem Fall der Frontscheibe eines Fahrzeugs, optimiert.
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Heutige Softwarelösungen im Bereich der Optik-Simulation von HUD-Systemen arbeiten überwiegend numerisch, da sie eine Freiformfläche nutzen. In der Messtechnik zur Validierung einer HUD-Optik werden diese Rechenmethoden ebenfalls indirekt genutzt. Es werden Testmuster über die Freiformfläche der zu untersuchenden Frontscheibe reflektiert und anschließend die Strahlengänge im Hintergrund rückwärts, also vom erfassten Kamerabild hin zur Projektor- oder auch Target-Ebene, gerechnet.
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Die Entwicklungen in diesem Bereich zeigen, dass für großflächige Projektionen und die Prüfung der hierzu benötigten reflektierenden Freiformflächen hinsichtlich deren Optik die Freiformflächen stets in ihrer Gesamtheit, in Form von rekonstruierten Flächen mit Krümmungs- und Neigungsinformationen, erfasst werden. Anschließend werden, wie in der HUD-Entwicklung, numerische Simulationen mit diesen Flächen durchgeführt und anhand dessen die Optik bewertet. Neue Erkenntnisse in diesem Bereich zeigen allerdings, dass diese Flächenrekonstruktion bezogen auf die tatsächlich gewonnenen Messdateneine zusätzliche Fehlerquelle generieren. Dieser Fehler kann für die Bewertung der Abbildungsqualität relevant sein und zeigt im Vergleich zu der durch den Menschen wahrgenommenen Abbildung, die mittels einer idealen Fläche entstehen würde, einen Unterschied. Dieses Problem ist in 1 und 2 für einige repräsentative Beispiele von Freiformflächen, die aus diskreten Messpunkten rekonstruiert wurden, gezeigt und nachfolgend erläutert.
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So zeigt 1 beispielhaft die Verteilung der Abstände einzelner Messpunkte einer Messpunktewolke zu einer rekonstruierten Fläche, die auf Basis dieser Messpunkte errechnet werden konnte. Dargestellt sind drei unterschiedliche Fehlerverteilungs-Diagramme, wobei jedes Diagramm auf einem anderen Messdatensatz basiert (durchgezogene Konturlinie für eine Fehlerverteilung der ersten Scheibe01, strichpunktierte Konturlinie für eine zweite Scheibe02 und eine gestrichelte Konturlinie für eine dritte Scheibe03). Wie an den dargestellten drei Diagrammen zu erkennen ist, variiert die Verteilung des Fehlers der rekonstruierten Scheibenflächen im Vergleich zu den tatsächlich gewonnenen Messpunkten von Scheibe zu Scheibe und zusätzlich je nachdem, welche mathematische Rekonstruktionsvorschrift gewählt wird, sehr stark.
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In 2 ist in einem schematischen Querschnitt gezeigt, wie der in 1 erfasste Fehler typischerweise entsteht. Die Designfläche 1 beschreibt Ausgangs-Designdaten, aus denen eine zu untersuchende tatsächliche Flächenform, die durch die Messpunkte 2 diskret geprüft wird, produziert werden soll. Die anschließende Rekonstruktion mit gängigen mathematischen Methoden ergibt eine rekonstruierte Freiformfläche 3. Wie in 2 deutlich zu erkennen ist, übersteigen deren Abweichungen von der als Ideal anzunehmenden Ist-Fläche die zulässigen Toleranzgrenzen 4. Dabei beschreiben die Toleranzgrenzen 4 die maximale Abweichung, die eine rekonstruierte Fläche einer Reflexionsoptik aufweisen darf, bevor sich für das menschliche Auge sichtbare Änderungen in der optischen Abbildung ergeben. Die gesamte Reflexionsoptik wird dabei maßgeblich durch das Zusammenspiel der lokalen Normalenvektoren der zu untersuchenden Freiformfläche bestimmt.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein alternatives und/oder verbessertes Verfahren zur Prüfung einer Fahrzeugscheibe, insbesondere der Frontscheibe, auf deren Eignung für den Einsatz als Reflexionsfläche in einer Blickfeldanzeigevorrichtung wie Head-Up-Display anzugeben, mit welchem die oben geschilderte intrinsische Fehleranfälligkeit bekannter Testmethoden überwunden werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 sowie durch eine entsprechende Steuerungseinheit gemäß dem nebengeordneten Anspruch gelöst. Das Verfahren ist vorgesehen zur Prüfung einer Fahrzeugscheibe auf ihre Tauglichkeit für den Einsatz in einer Blickfeldanzeigevorrichtung, bei der über Reflexion eines Lichtstrahlenbündels mit gewünschtem Anzeigeinhalt an der Fahrzeugscheibe ein virtuelles Anzeigebild ins Blickfeld eines Fahrzeuginsassen eingeblendet wird. Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Alle in den Ansprüchen und der nachfolgen Beschreibung für das Verfahren genannten weiterführenden Merkmale und Wirkungen gelten auch in Bezug auf die Steuerungseinheit, wie auch umgekehrt.
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Bei der Blickfeldanzeigevorrichtung kann es sich insbesondere um ein Head-Up-Display (HUD) jeder dem Fachmann bekannten Art handeln, bei dem eine Fahrzeugscheibe als Reflexionsfläche dient. Auch wenn die Erfindung hierin vorwiegend in Bezug auf eine Frontscheibe eines Kraftfahrzeugs beschrieben ist, ist sie keineswegs auf dieses Anwendungsbeispiel beschränkt. Vielmehr kann es sich um jede andere Fahrzeugscheibe, wie beispielsweise Seiten- oder Heckscheibe, und auch um jedes andere Land-, Luft- oder Wasserfahrzeug handeln.
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Alle hierin verwendeten räumlichen Orientierungsbegriffe wie „oberhalb“, „unterhalb“, „vor“, „seitlich“, „horizontal“, „vertikal“ etc. beziehen sich dabei auf das übliche fahrzeugfeste kartesische Koordinatensystem mit zueinander senkrechten Längs-, Quer- und Höhenachsen (x, y, z) eines Fahrzeugs beziehungsweise auf das beim Einbau der Frontscheibe im Fahrzeug mit dem fahrzeugfesten Koordinatensystem übereinstimmende kartesische Koordinatensystem (y, z) der Frontscheibe selbst.
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Es wird angenommen, dass die Blickfeldanzeigevorrichtung eine zur Erzeugung eines Lichtstrahlenbündels mit gewünschtem Anzeigeinhalt ausgebildete bildgebende Einheit (englisch: Picture Generating Unit, PGU) mit einer bilderzeugenden Displayfläche besitzt. Es kann sich bei der bildgebenden Einheit um jede geeignete bildgebende Vorrichtung handeln, beispielsweise ein Display wie einen Flüssigkristallbildschirm (LCD, Liquid Crystal Display), LCOS (Liquid Crystal on Silicon) oder ein selbstleuchtendes Display auf µLED- oder OLED-Basis. Es kann sich bei der hierin genannten Displayfläche aber auch um eine Streu- oder Diffusorscheibe eines bildgebenden Projektors mit einer abtastenden Lichtquelle oder einem elektrisch ansteuerbaren Mikrospiegelarray handeln. Die bildgebende Einheit oder eine gesamte Projektionseinheit (die die bildgebende Einheit sowie eine geeignete Projektionsoptik umfasst) der Blickfeldanzeigevorrichtung kann beispielsweise im Inneren der Instrumententafel oder in/auf deren Oberseite angeordnet, beispielsweise direkt unterhalb der Oberseite der Instrumententafel verbaut sein, derart dass das Lichtstrahlenbündel von der Projektionseinheit auf die Frontscheibe geworfen wird, die als teiltransparente Reflexionsscheibe dient. Alternativ kann die Blickfeldanzeigevorrichtung aber auch an jedem anderen geeigneten Ort im Fahrzeug verbaut sein.
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Das Verfahren umfasst folgende Schritte, die auch in anderer als der angegebenen Reihenfolge sowie gegebenenfalls mit weiteren (Zwischen-)Schritten und/oder zumindest teilweise wiederholt ausgeführt werden können:
- Zunächst wird ein in Bezug auf das menschliche Auflösungsvermögen geeignetes Messraster aus diskreten Messpunkten auf der zu untersuchenden Ist-Fahrzeugscheibe definiert. Diese Definition bedeutet vorliegend in erster Linie die Festlegung geeigneter Messpunktabstände zwischen benachbarten Messpunkten entlang einer als Reflexionsfläche der Blickfeldanzeigevorrichtung einzusetzenden Ist-Fahrzeugscheibenoberfläche.
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Es folgt eine deflektometrische Erfassung lokaler Ist-Normalenvektoren dieser Reflexionsfläche für das festgelegte diskrete Messraster. Die Erfassung umfasst dabei für jeden einzelnen Ist-Normalenvektor seine dreidimensionale Vektorrichtung und Position, d. h. Ort, in der Reflexionsfläche. Diese Erfassung kann in jeder geeigneten Weise an sich bekannter Art durch Deflektometrie durchgeführt werden. Beispielsweise können die Ist-Normalenvektoren aus der Reflexion eines oder mehrerer geeigneter Deflektometrie-Testmuster ermittelt werden, die an verschiedenen geeigneten Positionen gegenüber der zu untersuchenden Fahrzeugscheibe angeordnet sein können, unter anderem in einer bildgebenden Displayfläche der bildgebenden Einheit oder einer dieser effektiv entsprechenden virtuellen Bildebene der Blickfeldanzeigevorrichtung. Zur Erfassung kann eine oder mehrere geeignete Kameras beispielsweise an einer für die Augen des Nutzers (d. h. des Fahrzeuginsassen) der Blickfeldanzeigevorrichtung vorgesehenen Position und/oder anderen Positionen gegenüber der Ist-Fahrzeugscheibe angeordnet sein. Aus den erfassten Reflexionsaufnahmen der Deflektometrie-Testmuster lassen sich die genannten Ist-Normalenvektoren der Reflexionsfläche, die deren lokale Neigungen und in ihrer Gesamtheit auch Krümmungen charakterisieren, in an sich bekannter Weise ermitteln.
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In einem weiteren Schritt wird für jeden erfassten lokalen Ist-Normalenvektor ein zugehöriger lokaler Ist-Sichtstrahl der Blickfeldanzeigevorrichtung ermittelt, d. h. in geeigneter Weise berechnet. Ein mögliches Ausführungsbeispiel hierfür wird weiter unten mit Bezug auf 5 beschrieben.
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Anschließend wird eine Abweichung der ermittelten lokalen Ist-Sichtstrahlen von idealen Soll-Sichtstrahlen der Blickfeldanzeigevorrichtung, die jeweils an den entsprechenden Oberflächenpunkten einer vorbestimmten idealen Soll-Fahrzeugscheibe reflektiert werden, ermittelt. Anhand der festgestellten Abweichungen kann nun die Ist-Fahrzeugscheibe in Bezug auf ihre Eignung zum Einsatz in der Blickfeldanzeigevorrichtung bewertet werden.
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Dabei können die genannten Messpunktabstände unter anderem abhängig von der Reflexionsdistanz (beispielsweise als optische Weglänge von der bilderzeugenden Displayfläche zur Reflexionsfläche definiert) oder der Projektionstiefe (beispielsweise als Entfernung des virtuellen Anzeigebilds von den Augen des Nutzers definiert) der jeweiligen Blickfeldanzeigevorrichtung unterschiedlich bestimmt werden.
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Eine Idee des hierin vorgeschlagenen Verfahrens zur Bewertung einer Fahrzeugscheibe, insbesondere Frontscheibe, im Hinblick auf deren HUD-Performance besteht darin, den aus dem Stand der Technik bekannten fehlerträchtigen Schritt der Flächenrekonstruktion als Gesamtfläche zu umgehen. Stattdessen wird hierin vorgeschlagen, die Berechnung der HUD-Strahlengänge allein auf Basis einer diskreten Beschreibung der Fahrzeugscheibe aus den tatsächlich ermittelten Messpunkten eines geeigneten Messrasters auf der zu untersuchenden Scheibenoberfläche durchzuführen, wobei die Messpunktabstände des geeigneten Messrasters durch das Kriterium der Auflösbarkeit der resultierenden Änderungen im virtuellen Anzeigebild für das menschliche Auge definiert werden.
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Gemäß einer Ausführungsform wird bei der Definition des diskreten Messrasters ein derartiges Unschärfe-Flächenelement, insbesondere ein Unschärfekreis oder eine Unschärfeellipse, eines Nutzers der Blickfeldanzeigevorrichtung in der Reflexionsfläche ermittelt, dass innerhalb der Fläche dieses Unschärfe-Flächenelements auftretende Änderungen in der Reflexion des Lichtstrahlenbündels an der Fahrzeugscheibe für den Nutzer im virtuellen Anzeigebild (aufgrund des begrenzten Auflösungsvermögens seiner Augen) nicht wahrnehmbar sind. Bei dieser Ausführungsform werden die Messpunktabstände des diskreten Messrasters dadurch festgelegt, dass sie entsprechende (d. h. gegebenenfalls je nach Richtung entlang der Fläche und/oder je nach Position in der Fläche variierende) lineare Abmessungen des Unschärfe-Flächenelements nicht überschreiten. Im einfachsten Fall können die Messpunktabstände beispielsweise den ermittelten linearen Abmessungen des genannten Unschärfe-Flächenelements gleichgesetzt sein.
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Dabei kann das Unschärfe-Flächenelement beispielsweise als eine Schnittfläche eines solchen Sichtstrahlbündels mit der Reflexionsfläche der Fahrzeugscheibe ermittelt werden, das zur Entstehung eines Bildpunkts auf der Netzhaut eines Nutzerauges ausgehend von einem Objektpunkt in der bilderzeugenden Displayfläche der Blickfeldanzeigevorrichtung benötigt wird oder beiträgt (vgl. 4c).
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Gemäß einer Ausführungsform ist in dem diskreten Messraster jeder Messpunkt von benachbarten Messpunkten umgeben. Insbesondere können dabei die Messpunkte eines jeweiligen lokalen ebenen Reflexionsflächenelements in den Ecken eines einfachen rechteckigen zweidimensionalen Gitters angeordnet sein (vgl. 3).
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Bei einer spezifischen Ausgestaltung des vorliegenden Verfahrens wird für jeden erfassten lokalen Ist-Normalenvektor der Reflexionsfläche zur Ermittlung des zugehörigen lokalen Ist-Sichtstrahls eine zugehörige Blickrichtung des Nutzers ausgehend von einem vorbestimmten Mittelpunkt seiner Iris-/ Linsenebene 13(vgl. 5) und der Position des Ist-Normalenvektors in der Reflexionsfläche ermittelt. Aus der Spiegelung des so ermittelten lokalen Ist-Sichtstrahls an einem zum Ist-Normalenvektor orthogonalen lokalen Reflexionsflächenelement wird in diesem Fall ein Ist-Bildpunkt in einer vom Nutzer wahrgenommenen virtuellen Bildebene der Blickfeldanzeigevorrichtung ermittelt. Anschließend kann zur Bewertung der Ist-Fahrzeugscheibe eine Abweichung der ermittelten Ist-Bildpunkte von Soll-Bildpunkten, die sich aus idealen Soll-Sichtstrahlen durch Reflexion an entsprechenden Oberflächenpunkten einer vorbestimmten idealen Soll-Fahrzeugscheibe ergeben, ermittelt werden. Hierbei können die Ist- und Soll-Bildpunkte sowohl einzeln als auch als Bildpunkt-Wolken, die sich aus der Gesamtheit der abzählbaren Messpunkte des diskreten Messrasters ergeben, oder auch als geeignete Teilmengen davon miteinander verglichen werden.
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Im Hinblick auf den abschließenden Bewertungsschritt kann die Ist-Fahrzeugscheibe beispielsweise beim Feststellen einer Abweichung, die eine vorbestimmte Toleranzabweichung nicht übersteigt, als Reflexionsscheibe der Blickfeldanzeigevorrichtung (Head-Up-Display) verwendet werden. Beim Überschreiten der vorbestimmten Toleranzabweichung kann die Ist-Fahrzeugscheibe beispielsweise aussortiert oder deren Herstellungsmethode zur Behebung von Mängeln, die beim Vergleich mit der idealen Soll-Fahrzeugscheibe festgestellt worden sind, modifiziert werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Steuerungseinheit vorgesehen, die zur automatischen Durchführung zumindest einiger Schritte des Verfahrens der hierin dargelegten Art ausgebildet und eingerichtet ist. Hierzu kann in der Steuerungseinheit beispielsweise ein entsprechendes Computerprogramm installiert sein, welches, wenn es in der Steuerungseinheit ausgeführt wird, die hierin beschriebenen Auswertungsschritte ausführt.
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Die obigen Aspekte der Erfindung und deren spezifische Ausgestaltungsvarianten und Ausführungsformen werden nachfolgend zusätzlich anhand von in den beigefügten Zeichnungen dargestellten Beispielen näher erläutert. Die Zeichnungen sind als rein schematische Illustrationen, d. h. nicht als maßstabsgetreu, zu verstehen. Es zeigen:
- 1 drei repräsentative Fehlerverteilungs-Diagramme für die herkömmliche Flächenrekonstruktion der Freiformflächen dreier verschiedener Scheiben auf Basis einer diskreten Messpunktewolke;
- 2 in einem schematischen Querschnitt eine herkömmliche Flächenrekonstruktion einer reflektierenden Freiformfläche, die durch diskrete Messpunkte geprüft und ausgehend von einer vorgegebenen Ausgangs-Designfläche mathematisch errechnet wird;
- 3 eine schematische Darstellung einer zu bewertenden Fahrzeugscheibe;
- 4a-4c schematische seitliche Querschnittsansichten eines Fahrzeugs mit der Fahrzeugscheibe der 3, deren Teilfläche als Reflexionsfläche einer Blickfeldanzeigevorrichtung mit dem in 4a vollständig und in 4b-4c durch virtuelle Entfaltung vereinfacht dargestellten Strahlengang eingesetzt wird;
- 5 ein lokales Reflexionsflächenelement der Reflexionsfläche der 3 mit einem deflektometrisch ermittelten zugehörigen Sichtstrahl des Fahrzeuginsassen;
- 6 ein Flussdiagramm für ein Beispiel eines Verfahrens der hierin dargelegten Art.
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3 zeigt in einer stark vereinfachten schematischen Darstellung eine zu bewertende Fahrzeugscheibe 5, in diesem Beispiel eine Frontscheibe, eines Fahrzeugs 9, das in stark vereinfachten schematischen seitlichen Querschnittsansichten in 4a-4c gezeigt ist. Bewertet werden soll die Eignung der Fahrzeugscheibe 5 für eine Blickfeldanzeigevorrichtung 8 oben beschriebener Art wie Head-Up-Displays, kurz HUD, in denen ein in 3 umrandeter Flächenabschnitt der Fahrzeugscheibe 5 als Reflexionsfläche 6 zur Reflexion eines Lichtstrahlenbündels 11 mit gewünschtem Anzeigeinhalt zu den Augen eines Fahrzeuginsassen 10 zum Einblenden eines virtuellen Anzeigebilds V in sein Blickfeld dient. 5 zeigt in einer seitlichen Querschnittsansicht ein lokales Reflexionsflächenelement 19 der Reflexionsfläche 6 der 3.
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Im Folgenden wird mit Bezug auf 6 ein Ausführungsbeispiel für das Verfahren der hierin dargelegten Art zu dieser Prüfung durch Erfassung der benötigten Messdaten und der anschließenden Aufbereitung und Bewertung der vorliegenden Ergebnisse im Detail beschrieben. 6 zeigt ein entsprechendes Flussdiagramm des Verfahrens. Um die gefertigte Fahrzeugscheibe 5 bewerten zu können, muss ein Vergleich zwischen einer idealen und der realen Abbildung im resultierenden virtuellen Anzeigebild V herangezogen werden.
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In der Blickfeldanzeigevorrichtung 8 wird das Bild eines bilderzeugenden Displays (in 4a-4c durch seine Displayfläche 12 angedeutet) in üblicher Weise über ein komplexes Spiegelsystem, das meist aus einem planen Spiegel und mindestens zwei konkaven Spiegeln besteht, in das Blickfeld des Fahrers umgelenkt. Die Reflexionsfläche 6 der Frontscheibe dient dabei als einer der beiden konkaven Spiegeln innerhalb des eben genannten Spiegelsystems. Die Darstellung einer idealen optischen Abbildung der Blickfeldanzeigevorrichtung 8 ausgehend von der Displayfläche 12, in Form der geometrischen Optik bzw. der resultierenden Strahlengänge, durch einen Ray-Tracer benötigt die (als bekannt vorausgesetzte) geometrische Form und Position der erwähnten Spiegel. Innerhalb des Ray-Tracers, eines Werkzeugs zur Simulation der geometrischen Optik der Blickfeldanzeigevorrichtung 8, wird die Displayfläche 12 über viele kleine oder im Wesentlichen punktförmige Leuchtquellen, die Lichtstrahlenbündel aussenden bzw. emittieren, definiert. Anschließend wird die räumliche Ausbreitung des Lichts für jede der so definierten Lichtquellen durch das System verfolgt („getraced“), bis es beim Beobachter (Nutzer 10) angekommen ist.
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Um die Messdaten für die Nachbereitung korrekt zu erfassen, wird in einem ersten Schritt S0 ein geeignetes Messraster 7 definiert. Das Messraster wird durch den Abstand bzw. die Abstände (Δy, Δz) eines Messpunktes zu einem anderen Messpunkt auf der Scheibenoberfläche definiert. In diesem Beispiel besitzt ein Messpunkt vier direkte Nachbarpunkte, wie in 3 verdeutlicht. Die einzelnen Messpunkte sind in diesem Beispiel, lokal betrachtet, jeweils in den Ecken eines rechteckigen x-y-Gitters mit den Gitterabständen (Δy, Δz) angeordnet, wobei das Koordinatensystem der Fahrzeugscheibe 5 in diesem Beispiel mit dem üblichen kartesischen fahrzeugfesten Koordinatensystem (x, y, z) mit den entsprechenden Längs-, Quer- und Höhenachsen des Fahrzeugs 9 (4a-4c) übereinstimmt.
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Wie in den schematischen Skizzen der Frontscheibe in 3 und 4a-4c gezeigt, benötigt das HUD in deren fahrzeuginnenseitigen Oberfläche einen Teilbereich der Fläche als Reflexionsfläche 6 für die HUD-Lichtstrahlen. Die gesamte Reflexionsfläche 6 wird durch das Messraster 7 in einzelne diskrete Messpunkte unterteilt, die in z-Richtung und y-Richtung durch definierte Abstände (Δy, Δz) festgelegt, die innerhalb der Reflexionsfläche 6gleichbleiben oder auch örtlich variieren können. Diese Messpunktabstände (Δy, Δz) werden bei der vorliegend vorgestellten Methode wie nachfolgend beschrieben mit einem Bezug zur menschlichen Optik definiert, im genannten Schritt S0, der als Vorbereitung für die diskretisierte Beschreibung der Frontscheibengeometrie durch das ausgewählte Messprinzip dient.
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Um den genannten Zusammenhang zwischen dem gewählten Abstand (Δy, Δz) im Messraster und der menschlichen Optik herzustellen, werden beim Schritt S0 im vorliegenden Beispiel die opto-physikalischen Zusammenhänge des HUD's 8 vereinfacht, wie in 4b und 4c dargestellt.
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Das oben erwähnte komplexe Spiegelsystem ist in 4a dargestellt. Das gesamte Sichtstrahlvolumen 11 (auch Lichtstrahlenbündel der Blickfeldanzeigevorrichtung 8 genannt) von der bilderzeugenden Displayfläche 12 bis zum virtuellen Anzeigebild V ist mit Bezug auf den Fahrzeuginsassen 10 des Fahrzeugs 9 skizziert.
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Um den Strahlengang des Sichtstrahlvolumens 11 für das vorliegende Verfahren zu vereinfachen, wird der in der Realität gefaltete Strahlengang zunächst „virtuell entfaltet“. Diese Entfaltung wird so vorgenommen, dass die tatsächliche/gewünschte Entfernung (bzw. optische Weglänge) zwischen dem Fahrzeuginsassen 10 und dem virtuellen Anzeigebild V beibehalten bzw. erreicht wird. Bei der nachfolgenden Beschreibung des Verfahrens wird daher anstelle der tatsächlichen bilderzeugenden Displayfläche 12 der 4a eine durch diese „Entfaltung des Strahlengangs“ erhaltene virtuelle Bildebene 12 gemäß 4b und 4c betrachtet, die vom Fahrzeuginsassen 10 als Bildebene 18 des virtuellen Anzeigebilds V auf der linken Seite des skizzierten Fahrzeugs 9 wahrgenommen wird. Sie wird hierin nachfolgend und im Flussdiagramm der 6 daher auch als „wahrgenommene Bildebene 12“ bezeichnet.
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Wie in 4c schematisch (und stark vergrößert) veranschaulicht, wird beim letzten Teilschritt zur Bestimmung der Messpunktabstände (Δy, Δz) des Messrasters 7 der 3 dasjenige geometrische Sichtstrahlbündel 16 konstruiert, das zur Entstehung eines Bildpunktes 14 auf der Netzhaut des menschlichen Auges des Fahrzeuginsassen 10 ausgehend von einem Objektpunkt des Displays in der wahrgenommenen Bildebene 12 benötigt wird. In 4c ist das Sichtstrahlbündel 16 auf Basis der Kenntnis über die geometrische Beschreibung des Auges mit der passenden Akkommodation zum Wahrnehmen des virtuellen Anzeigebilds V konstruiert. Das Auge besteht in 4c aus einer Linsen- bzw. Irisebene 13 und der Netzhaut, wobei die Netzhaut durch einen Bildpunkt 14 angedeutet ist, der auch den Abstand der Netzhaut von der Linsenebene 13 bei der benötigen Brennweite zur scharfen Abbildung des beobachteten Bildpunktes veranschaulicht. In 4c wird die Linsen-/ Irisebene 13 durch eine schmale Ellipse verkörpert, während die Brennweite durch den Abstand zwischen dieser Ellipse und dem Schnittpunkt des dahinterliegenden Lichtkegels beschrieben wird, dem genannten Bildpunkt 14 auf der Netzhaut. Setzt man nun den Sichtstrahlkegel 16 auf der Seite des virtuellen Anzeigebilds V virtuell über die Frontscheibe hinaus fort, so erhält man eine Schnittfläche 17 des Kegels mit der Frontscheibe. Der lokale Durchmesser dieser Schnittfläche 17, die ab hier als Unschärfeelement oder Unschärfekreis des Fahrers auf der Frontscheibe bezeichnet wird, bestimmt in diesem Beispiel den lokalen Abstand der Messpunkte im Messraster 7. Jegliche Änderung der Reflexion der Lichtstrahlen innerhalb dieses Kreis-/ Ellipsenflächenelements kann durch den Fahrzeuginsassen 10 nicht aufgelöst werden. Bei der nachfolgenden Beschreibung wird nur noch von den repräsentativen Mittenstrahlen M, wie in 4c dargestellt, der einzelnen Sichtstrahlenbündel 16, die zur Erzeugung je eines Bildpunktes benötigt werden, gesprochen.
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Zusammengefasst bedeutet dies für die nachfolgende messtechnische Erfassung der Frontscheibe, dass das Messraster 7, also der Abstand der einzelnen diskreten Messpunkte in y-Richtung bzw. z-Richtung kleiner als oder gleich dem Durchmesser des Unschärfekreises durch die menschliche Optik gewählt wird.
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Anschließend kann die Frontscheibengeometrie, unter Anwendung des eben erwähnten Messrasters 7, bei einem Schritt S1 diskret erfasst werden. Das in diesem Beispiel beschriebene Verfahren bezieht sich auf Messergebnisse einer deflektometrischen Prüfung in Form von positionsbestimmten Normalenvektoren Ni = N0, N1, N2, ..., N(n-1) (für insgesamt n Messstellen auf der Frontscheibe). Dies bedeutet mit Bezug auf 5 konkret, dass an jedem Punkt Pi = P0, P1, P2, ..., P(n-1) (für die genannten n Messstellen auf der Frontscheibe) des Messrasters 7 aus Schritt S0, der lokale Normalenvektor Ni (für die genannten n Messstellen auf der Frontscheibe) der Scheibengeometrie erfasst wird. In 5 ist für einen einzelnen Positionspunkt Pi (in diesem Beispiel Positionspunkt P0) veranschaulicht, dass diese beiden Informationen durch den genannten Positionspunkt P0 selbst, der in dem lokalen ebenen Reflexionsflächenelement 19 liegt, und durch den hierzu orthogonalen Normalenvektor Ni (in diesem Beispiel N0) gegeben sind.
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Beim nächsten Schritt S2 werden diese beiden Messinformationen für jeden Messpunkt des Messrasters 7 im Fahrzeugkoordinatensystem (x, y, z) zur Konstruktion eines zugehörigen Ist-Sichtstrahls 20 verwendet. Weitere Eingangsparameter zur Berechnung sind der Knotenpunkt K', der im Mittelpunkt der Linsen-/ Irisebene 13 liegt, die Blickrichtung des Fahrzeuginsassen 10 in Form eines Winkels (pL zur horizontalen Achse x, sowie die Position der wahrgenommenen Bildebene 12 in Form des Vektorbetrages |HOPO|. Anschließend kann unter Beachtung des optischen Reflexionsgesetzes ∈e=∈a für den einfallenden und den ausfallenden Lichtstrahlwinkel der Strahlengang des Sichtstrahls 20 für die genannte Blickrichtung des Fahrzeuginsassen 10, der an dem Reflexionsflächenelement 19 reflektiert wird, berechnet werden. Das lokal als eben anzunehmende Reflexionsflächenelement 19 ergibt sich dabei aus der Kenntnis des Normalenvektors N0 (allgemein: Ni für einen i-ten Messpunkt) und dessen Orthogonalität zum Reflexionsflächenelement 19 und dessen Ursprung bzw. Position P0 (allgemein: Pi für einen i-ten Messpunkt). Durch den letzten Berechnungsschritt ist die Richtung des reflektierten Sichtstrahls 20 bekannt, und unter Beachtung des oben genannten Vektorbetrages kann die Orientierung und die Position des Ist-Bildpunkts H0 (bzw. Hi für eine i-te Messstelle, d. h. einen i-ten Positionspunkt Pi, siehe oben) in der vom Fahrzeuginsassen beobachteten/wahrgenommenen Bildebene 12 bestimmt werden.
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Auf dieselbe Weise wird die Berechnung auch für jeden weiteren Normalenvektor N0 und dessen Position aus der deflektometrischen Messung ausgehend vom Knotenpunkt K' durchgeführt. Am Ende ergibt sich für jeden lokalen Normalenvektor N0 und dem zugehörigen reflektierten Sichtstrahl 20, wie in 5 dargestellt, ein beobachteter Ist-Bildpunkt H0 in der wahrgenommenen Bildebene 12. Dieser Bildpunkt H0 (in 4c Bildpunkt 15) ergibt sich als Schnittmenge der Bildebene 12 mit dem unter dem Winkel ∈a ausfallenden Sichtstrahl 20 gemäß 5.
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Die im letzten Schritt für jeden Normalenvektor N0 bzw. Ni ermittelten und durch den Fahrzeuginsassen 10 wahrgenommen Ist-Bildpunkte H0 bzw. Hi können abschließend mit den idealen Punkten, die sich aus einer simulativen Auslegung der Blickfeldanzeigevorrichtung 8 mit einer idealen Reflexionsfläche (nicht dargestellt) ergeben, abgeglichen und bewertet werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Designfläche
- 2
- Messpunkte zur herkömmlichen Flächenrekonstruktion
- 3
- rekonstruierte Freiformfläche
- 4
- zulässige Toleranzgrenzen
- 5
- Fahrzeugscheibe
- 6
- Reflexionsfläche
- 7
- Messraster
- 8
- Blickfeldanzeigevorrichtung, speziell auch HUD
- 9
- Fahrzeug
- 10
- Fahrzeuginsasse, auch Nutzer genannt
- 11
- Lichtstrahlenbündel
- 12
- Displayfläche sowie wahrgenommene Bildebene
- 13
- Linsenebene
- 14
- Bildpunkt auf der Netzhaut
- 15
- Ist-Bildpunkt, auch H0 bzw. H_i an der i-ten Messstelle genannt
- 16
- Sichtstrahlbündel
- 17
- Schnittfläche
- 18
- Bildebene des virtuellen Anzeigebilds
- 19
- lokales Reflexionsflächenelement
- 20
- Sichtstrahl
- N0
- Ist-Normalenvektor, bzw. N_i an der i-ten Messstelle
- P0
- Position des Normalenvektors in der Reflexionsfläche, Oberflächenpunkt, bzw. P_i an der i-ten Messstelle
- V
- virtuelles Anzeigebild
- (Δy, Δz)
- Abstände der Messpunkte
- K'
- Knotenpunkt/Mittelpunkt in der geometrischen Mitte der Linsenebene 13
