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Die Erfindung betrifft Reflexionsanzeigesysteme, die ein Projektionsbild über eine Reflexionsscheibe in einen Augenbereich eines Nutzers reflektieren. Die Erfindung betrifft weiterhin Maßnahmen zur Unterdrückung eines Doppelbildes aufgrund einer zweifachen Reflexion an zwei Grenzflächen der Reflexionsscheibe.
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Reflexionsanzeigesysteme, wie beispielsweise Head-up-Display-Systeme oder Panorama-Head-up-Display-Systeme, verwenden zum Einsatz von Kraftfahrzeugen in der Regel die Frontscheibe zur Reflexion des Projektionsbildes in das Auge eines Nutzers. Die Projektion des Projektionsbildes erfolgt bei herkömmlichen Head-up-Display-Systemen durch Projektion eines virtuellen Bildes über eine Reflexion an der Reflexionsscheibe ins Auge des Nutzers und bei Panorama-Head-up-Display-Systemen durch Reflexion einer einfachen Bildanzeige einer auf der Oberseite der Instrumententafel angeordnete selbstleuchtende Anzeigeeinrichtung an der Reflexionsscheibe.
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Bei der Reflexion des Projektionslichts, das das Projektionsbild trägt, entstehen aufgrund des geneigten Einfallswinkels auf der Frontscheibe zwei Bilder, die im Augenbereich des Nutzers wahrgenommen werden können. Ein Hauptbild ergibt sich durch die Reflexion an der inneren Luft-Scheiben-Grenzfläche und ein Doppelbild aus der Reflexion eines in die Reflexionsscheibe eingekoppelten Teils des Projektionslichtes an der äußeren Scheiben-Luft-Grenzfläche. Haupt- und Doppelbild sind in der Regel zueinander vertikal verschoben und bewirken einen unscharfen Bildeindruck.
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Zur Unterdrückung des Doppelbildes wird bei herkömmlichen Reflexionsanzeigesystemen eine Keilfolie in der Reflexionsscheibe vorgesehen, die die Außenfläche der Reflexionsscheibe relativ zur Innenfläche um einen geringen Winkelbetrag aufklappt und damit das Hauptbild und Doppelbild einander überlagern.
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Dieser Ansatz ist jedoch für ein sogenanntes Panorama HUD (PHUD oder Scheibenwurzel-HUD), d.h. HUD-Anzeigesystemen mit Projektionsabständen bzw. Darstellungsabständen im Bereich von 1m und darunter, nicht geeignet, da die benötigten Keilwinkel der Keilfolie erheblich größer sein müssten als bei klassischen Reflexionsanzeigesystemen (HUD-Systeme mit Projektionseinrichtungen in der Instrumententafel) mit Projektionsabständen von über 2m.
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Weitere Ansätze, ein Doppelbild in einer Reflexionsscheibe zu unterdrücken, können beispielsweise mit polarisierten, Licht reflektierenden Beschichtungen der Frontscheibe realisiert werden. Diese Ansätze sind für herkömmliche Reflexionsanzeigesysteme ausreichend, jedoch beim PHUD nur bedingt nutzbar, da hier die Einfallswinkel des Projektionslichts auf die Reflexionsscheibe und auch der Winkelabstand zwischen Hauptbild und Doppelbild größer sind. Daher ist in der Regel eine gute Bildanzeige eines PHUD-Anzeigesystems nur im Schwarzdruckbereich der Frontscheibe am unteren Rand möglich, da bisher nur dieser eine zuverlässige Unterdrückung des Doppelbilds ermöglicht.
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Eine Erweiterung der Bildgröße für PHUD-Anzeigesysteme über den Schwarzfilmbereich in den transparenten Bereich der Frontscheibe wird jedoch gewünscht, da derzeitige Schwarzdruckbereiche eine maximale Bildhöhe von ca. 6 cm ermöglichen, welche für diverse Informationsdarstellungen zu gering ist.
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Aus der
DE 10 2020 106 160 A1 ist ein Frontscheibenanzeigesystem für ein Kraftfahrzeug mit einer Head-up-Display-Einrichtung bekannt, wobei die Head-up-Display-Einrichtung eine Projektionseinrichtung zum Aussenden eines Projektionslichtstrahlenbündels mit einer ersten Bildinformation in Richtung eines ersten Anzeigebereichs einer Frontscheibe, so dass diese dort reflektiert und in einem Augenbereich wahrnehmbar ist, und eine transparente Abdeckung zum Schutz der Projektionseinrichtung aufweist, wobei die Abdeckung eine Deckscheibe und einen ersten Polarisationsfilter aufweist, wobei der erste Polarisationsfilter Licht einer ersten Polarisationsrichtung transmittiert und Licht einer zweiten Polarisationsrichtung vollständig reflektiert.
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Aus der
DE 10 2019 210 952 B3 und der
DE 10 2021 108 354 A1 ist jeweils eine Reflexionsscheibe für ein Reflexionsanzeigesystem zum Reflektieren eines Projektionsbildes in einen Augenbereich eines Nutzers bekannt, wobei die flächige Reflexionsscheibe aus einem transparenten Material ausgebildet ist, in dem ein winkelselektives optisches Element eingebettet oder aufgebracht ist, das sich in bzw. an der Reflexionsscheibe über den gesamten Flächenbereich der Reflexionsscheibe erstreckt. Dabei lenkt das winkelselektive optische Element zumindest einen Teil des über eine Innenfläche in die Reflexionsscheibe eingekoppelten Projektionslichts, das das Projektionsbild trägt, in einem Winkel so ab, dass nach einer Reflexion an einer Außenfläche der Reflexionsscheibe (8) der Teil des eingekoppelten Projektionslichts (P) nicht in den Augenbereich des Nutzers gelangt.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte transparente Reflexionsscheibe für ein Reflexionsanzeigesystem zur Verfügung zu stellen, die eine verbesserte Doppelbildunterdrückung ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch die transparente Reflexionsscheibe zur Doppelbildunterdrückung gemäß Anspruch 1 sowie durch ein Reflexionsanzeigesystem gemäß dem nebengeordneten Anspruch gelöst.
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Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß einem ersten Aspekt ist eine Reflexionsscheibe für ein Reflexionsanzeigesystem zum Reflektieren eines Projektionsbildes in einen Augenbereich eines Nutzers vorgesehen, wobei die flächige Reflexionsscheibe aus einem transparenten Material ausgebildet ist, in dem ein winkelselektives optisches Element eingebettet ist, das sich in der Reflexionsscheibe über den gesamten Flächenbereich der Reflexionsscheibe erstreckt, wobei das winkelselektive optische Element zumindest einen Teil des über eine Innenfläche in die Reflexionsscheibe eingekoppelten Projektionslichts, das das Projektionsbild trägt, in einem Winkel so ablenkt, dass nach einer Reflexion an einer Außenfläche der Reflexionsscheibe der Teil des eingekoppelten Projektionslichts nicht in den Augenbereich des Nutzers gelangt.
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Zur Vermeidung eines Doppelbilds bei einem Reflexionsanzeigesystem ist es in der Regel notwendig, die Reflexion an der Außenseite der Reflexionsscheibe zu unterdrücken oder sicherzustellen, dass das dort reflektierte Projektionsbild nicht in den Augenbereich des Nutzers gelangt.
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Zur Lösung der obigen Aufgabe ist vorgesehen, Licht, das in die Reflexionsscheibe eingetreten ist, bei seiner Transmission gänzlich oder großteilig so umzulenken, dass es nicht in den Augenbereich des Nutzers gelangt. Dies wird mithilfe eines optischen Elements in der Reflexionsscheibe erreicht, das eine winkelselektive Transmissionseigenschaft aufweist.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das winkelselektive optische Element als winkelselektiver Diffusor ausgebildet ist, der transmittiertes Licht mit einem Einfallswinkel über einem Grenzwinkel diffus streut und Licht mit einem Einfallswinkel unter dem Grenzwinkel unverändert transmittiert .
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Das funktionale Element dieses winkelselektiven optischen Elements können ausgerichtete Flüssigkristalle zwischen zwei flächigen Trägerfolien sein. Das optische Element kann so Dicken von 50µm bis 300µm aufweisen. Diese Sandwichstruktur des optischen Elements kann zwischen eine innenseitige und eine außenseitige Glasscheibe eingebracht werden, um so die Reflexionsscheibe zu bilden. Ist die Reflexionsscheibe Teil einer Frontscheibe eines Kraftfahrzeugs kann das funktionale Element nur in einen Teilbereich der Frontscheibe eingebracht werden. Alternativ kann das funktionale Element auch direkt auf die Innenseite einer einzelnen Glasscheibe aufgebracht bzw. laminiert werden. So kann das winkelselektive optische Element ein winkelselektiver Diffusor sein, der als Schicht innerhalb oder auf der Innenseite der Reflexionsscheibe angeordnet ist.
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Der winkelselektive Diffusor streut nur Licht, das unter flachen Einfallswinkeln, wie z. B. Einfallswinkeln (in Luft) größer als zwischen 60° und 80°, insbesondere größer als 70°, streut und im übrigen Winkelbereich das durchtretende Licht nicht beeinflusst. Somit wird in die Reflexionsscheibe über die Innenseite der Reflexionsscheibe eingedrungenes Licht, das zur Ausbildung eines Doppelbilds führen würde, gestreut, so dass nur noch ein geringer Teil des eingekoppelten Lichts den Augenbereich des Nutzers erreicht. Zudem führt dieses aufgrund der diffusen Streuung zu einer nicht konkreten Abbildung, sondern lediglich zu einem schwachen, ausgewaschenen, nicht störenden Lichtfleck.
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Somit wird die Reflexionsscheibe in einem Reflexionsanzeigesystem so bezüglich einer bildgebenden Anzeigeeinrichtung angeordnet, dass in die Reflexionsscheibe eingekoppeltes Projektionslicht bei Transmission durch den winkelselektiven Diffusor in Richtung der Außenseite der Reflexionsscheibe diffus gestreut wird, so dass ein Teil des Lichts über totale interne Reflexion in der Reflexionsscheibe gefangen bleibt und nur ein geringer Anteil in den Augenbereich des Nutzers gelangt.
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Gemäß einer alternativen Ausführungsform kann das winkelselektive optische Element als holographisches Element ausgebildet sein, das einfallendes transmittiertes Licht mit einem Ausfallwinkel ablenkt, der größer ist als ein Grenzwinkel der Totalreflexion an der Außenseite der Reflexionsscheibe.
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Als Alternative kann als winkelselektives optisches Element auch ein holographisches Element in der Reflexionsscheibe angeordnet sein. Das holographische Element ist dabei ausgebildet, um Licht, das in die Reflexionsscheibe eingekoppelt wird und zu dem holografischen Element gelangt, bei seiner Transmission so umzulenken, dass dieses über totale interne Reflexion in der Reflexionsscheibe gefangen bleibt und letztlich im Material der Reflexionsscheibe absorbiert wird. Derartige holographische Umlenkelemente sind von verschiedenen Herrstellern bekannt, wie z.B. Holoptics®, Zeiss@, Digilens® usw.
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Gegenüber dem holographischen Element hat der winkelselektive Diffusor den Vorteil, dass das Projektionslicht einen breiten Wellenlängenbereich aufweisen kann und der Diffusor entweder klassisch als Volumenstreuer oder holographisch ausgeführt werden kann. Dagegen hat die Verwendung des holographischen Elements den Vorteil, dass in die Reflexionsscheibe eingekoppeltes Licht, das in der Regel zu einem Doppelbild führt, die Reflexionsscheibe nicht mehr verlassen kann, da dieses durch totale Reflexion darin gefangen ist. Dies vermeidet, dass wie beim winkelselektiven Diffusor ein Teil des diffus gestreuten Lichts in den Augenbereich des Nutzers gelangt, und führt damit zu keinen Beeinträchtigungen der Wahrnehmung des Anzeigebilds durch den Nutzer. Durch das winkelselektive optische Element in der Reflexionsscheibe kann effektiv die Darstellung eines Doppelbildes unterdrückt oder abgeschwächt werden, so dass der optische Bildeindruck des Reflexionsanzeigesystems verbessert ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Reflexionsanzeigesystem mit der obigen Reflexionsscheibe und mit einer flächigen Anzeigeeinrichtung oder einer Projektionsanzeigeeinheit zum Bereitstellen des Projektionsbildes vorgesehen, wobei die Reflexionsscheibe so bezüglich des Projektionslichts des Projektionsbildes angeordnet ist, dass das Projektionsbild an der Innenfläche der Projektionsscheibe reflektiert in den Augenbereich des Nutzers gelangt.
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Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1a und 1b schematische Darstellungen eines Reflexionsanzeigesystems in einem Kraftfahrzeug im Längsschnitt und in einer Draufsicht von dem Blickpunkt eines Fahrzeuginsassen;
- 2 ein Ausschnitt eines Querschnitts durch eine Frontscheibe, die als Reflexionsscheibe mit einem winkelselektiven Diffusor ausgebildet ist; und
- 3 ein Ausschnitt eines Querschnitts durch eine Frontscheibe, die als Reflexionsscheibe mit einem holographischen Element ausgebildet ist.
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1a und 1b zeigt eine schematische Längsschnittdarstellung durch ein Kraftfahrzeug mit einem Reflexionsanzeigesystem 1 bzw. eine Darstellung aus dem Blickwinkel des Fahrers des Kraftfahrzeugs. Das Reflexionsanzeigesystem 1 weist eine Anzeigeeinrichtung 2 auf, die an einer Oberseite einer Instrumententafel 4 angeordnet. Die Anzeigeeinrichtung 2 umfasst eine nach oben gerichtete Anzeigefläche 3 zur Darstellung eines Anzeigebilds. Die Anzeigeeinrichtung 2 ist auf der Oberseite der Instrumententafel 4 unterhalb eines Abschnitts der Frontscheibe 5 angeordnet, der als Reflexionsscheibe 8 dient. Ein unterer Teil der Frontscheibe 5 kann somit als Reflexionsbereich ausgebildet sein und eine Reflexionsscheibe 8 darstellen. In anderen Ausführungsformen kann die Reflexionsscheibe 8 auch separat von der Frontscheibe 5 ausgebildet sein.
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Die Reflexionsscheibe 8 kann sich über einen großen Teil der Breite der Frontscheibe 5 unmittelbar an einem unteren Bereich der Frontscheibe 5 erstrecken. Die Reflexionsscheibe 8 ist zumindest teilweise transparent ausgebildet und kann ggfs. im unteren Bereich einen Schwarzdruckbereich aufweisen. Der Schwarzdruckbereich weist in der Regel eine Höhe vom unteren Rand der Frontscheibe 5 zwischen 3 und 10cm auf.
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Die Anzeigeeinrichtung 2 wird durch eine Steuereinheit 9 angesteuert, um als Anzeigebild ein gewünschtes Projektionsbild auszugeben, das von dem Fahrzeuginsassen nach Reflexion über den Reflexionsbereich der Reflexionsscheibe 8 wahrgenommen werden soll.
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Die Anzeigeeinrichtung 2 ist vorzugsweise als lichtemittierende Anzeigeeinrichtung, insbesondere als LCD-Anzeigeeinheit mit einem Backlight hoher Helligkeit oder als Mikro-LED-Anzeigeeinheit, oder als Projektor mit unter der Frontscheibe 5 auf der Instrumententafel 4 befindlichen Projektionsfläche (Leinwand) ausgebildet, um ein leuchtstarkes Projektionsbild bereitzustellen, so dass das erzeugte Projektionsbild auch bei hoher Umgebungshelligkeit über den entsprechenden Bereich der Frontscheibe 5 wahrgenommen werden kann.
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Die Anzeigeeinrichtung 2 kann in einer Vertiefung 6 der Instrumententafel angebracht sein, so dass vom Fahrzeuginsassen kein direkter Blick auf die Anzeigefläche 3 der Anzeigeeinrichtung 2 möglich ist und ein Blenden der Fahrzeuginsassen durch direktes Licht von der Anzeigefläche 3 in den Augenbereich B vermieden wird. Weiterhin ist die Anzeigefläche 3 der Anzeigeeinrichtung 2 so ausgerichtet, dass ein ausgegebenes Projektionsbild an der Reflexionsscheibe 8 reflektiert wird und von einem Fahrzeuginsassen in einem Augenbereich B wahrgenommen werden kann.
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In alternativen Ausführungsformen kann die Anzeigeeinrichtung 2 auch als Projektionseinrichtung (entsprechend einem herkömmlichen Head-up-Display) vorgesehen sein, die ein Projektionsbild auf die Reflexionsscheibe 8 projiziert, wo dieses in den Augenbereich B des Nutzers fokussiert wird.
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2 zeigt eine Querschnittsdarstellung durch eine Frontscheibe 5 eines Fahrzeugs, bei der ein Abschnitt als transparente Reflexionsscheibe 8 ausgebildet ist, wobei die Strahlengänge des Projektionslichts dargestellt werden. Die Reflexionsscheibe 8 kann somit Teil der Frontscheibe sein oder auch als separates Element zwischen der Frontscheibe 5 und der Anzeigeeinrichtung 2 angeordnet sein. Zusätzlich sind die Strahlengänge eines Hauptbildes HB und eines (ohne das nachfolgend beschriebene optische Element 10 entstehenden) Nebenbildes NB dargestellt.
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Die Reflexionsscheibe 8 weist einen Aufbau auf, bei dem ein optisches Element 10 im Inneren der Reflexionsscheibe 8 angeordnet ist. Das optische Element 10 befindet sich in dem Bereich, an dem die Reflexionsscheibe 8 für einfallendes Umgebungslicht transparent sein soll. Bei einem als PHUD ausgebildeten Reflexionsanzeigesystem 1 mit einer als Teil der Frontscheibe 5 ausgebildeten Reflexionsscheibe 8 kann sich somit das optische Element 10 an einen Schwarzdruckbereich 11 der Frontscheibe 5 anschließen. Der Schwarzdruckbereich kann ein lichtabsorbierendes Element im Inneren der Frontscheibe 5 sein, das sich von dem unteren Rand der Frontscheibe 5 nach oben erstreckt. Der Schwarzdruckbereich 11 kann beispielsweise eine Höhe von zwischen 5 und 10 cm ausgehend vom unteren Rand aufweisen, wobei die Oberkante des Schwarzdruckbereichs 11 so gewählt ist, dass die Sicht des Fahrers des Kraftfahrzeugs auf den vorausliegenden Umgebungsbereich nicht beeinträchtigt ist.
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Das optische Element 10 kann als winkelselektiver Diffusor ausgebildet sein, der transmittiertes Projektionslicht P, das unter einem Einfallswinkelbereich von größer einem Grenzwinkel auftrifft, diffus streut. Der Grenzwinkel (in Luft) kann beispielsweise einen Winkel zwischen 60° und 80°, vorzugsweise einen Winkel von 70°, aufweisen. Somit kann mit kleineren Einfallswinkeln als der Grenzwinkel einfallendes Umgebungslicht ungestreut transmittiert werden, so dass die Umgebung unbeeinträchtigt wahrgenommen werden kann. Dagegen wird das Projektionslicht P, d. h. das Licht, das von der Anzeigeeinrichtung dargestellt wird und das über die Innenseite der Frontscheibe 5 ins Innere der Frontscheibe 5 gelangt bzw. eingekoppelt wird, bei seiner Transmission durch den winkelselektiven Diffusor diffus gestreut werden, wie durch das schraffierte Dreieck D in 2 dargestellt ist.
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Dazu kann die Anzeigeeinrichtung 2 bezüglich der Reflexionsscheibe 8 so angeordnet sein, dass alle Winkelbereiche, mit denen das Projektionslicht P über die Innenseite in die Reflexionsscheibe 8 eingekoppelt wird und in Richtung des winkelselektiven Diffusors 10 gebrochen wird, mit einem Winkelbereich auf den Diffusor auftrifft, der größer als der vorgegebene Grenzwinkel ist. Somit wird jegliches Projektionslicht P, das von der Anzeigeeinrichtung 2 ausgegeben wird und das in die Reflexionsscheibe 8 eingekoppelt wird, diffus in Richtung der Außenseite der Reflexionsscheibe 8 gestreut, so dass durch Reflexion an der Außenseite der Reflexionsscheibe (Scheiben-Luft-Grenzfläche) nur ein geringer Teil des diffus gestreuten Lichts in Richtung des Augenbereichs des Nutzers zurückreflektiert wird. Andere Anteile des diffus gestreuten Lichts werden in andere Richtungen reflektiert oder bleiben durch Totalreflexion innerhalb der Reflexionsscheibe 8 bzw. der Frontscheibe 5 gefangen.
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In 3 zeigt ähnlich wie 2 eine Querschnittsdarstellung durch eine Frontscheibe 5 eines Fahrzeugs, bei der ein Abschnitt als transparente Reflexionsscheibe 8 ausgebildet ist, wobei die Strahlengänge des Projektionslichts P, sowie des Hauptbilds HB und des Nebenbilds NB, dargestellt werden. Im Unterschied zu der Ausführungsform der 2 ist das optische Element 10 hier als holographisches winkelselektives Element ausgebildet. Das holographische Element ist so ausgebildet, dass transmittiertes Projektionslicht, das über die Innenseite in die Reflexionsscheibe 8 einfällt, unter einem hohen Ausfallwinkel aus dem holografischen Element austritt und unter einem geneigten Winkel auf die Außenseite (Scheiben-Luft-Grenzfläche) der Reflexionsscheibe 8 gerichtet wird, so dass dieses durch Totalreflexion im Inneren der Reflexionsscheibe 8 bzw. der Frontscheibe 5 geleitet wird und somit gefangen bleibt.
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Da das holographische Element wellenlängenselektiv ist, ist dabei vorzugsweise vorgesehen, dass die Lichtquellen der Anzeigeeinrichtung spektral schmalbandig ausgebildet sind, um den Effekt der Lichtumlenkung mit hohem Ausfallwinkel zu erreichen und Artefakte im holographischen Element zu vermeiden bzw. zu reduzieren.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Reflexionsanzeigesystem
- 2
- Anzeigeeinrichtung
- 3
- Anzeigefläche
- 4
- Instrumententafel
- 5
- Frontscheibe
- 6
- Vertiefung
- 8
- Reflexionsscheibe
- 9
- Steuereinheit
- 10
- optisches Element
- 11
- Schwarzdruckbereich
- P
- Projektionslicht
