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Die vorliegende Erfindung betrifft eine bildgebende Einheit für ein Head-Up-Display, insbesondere für ein Head-Up-Display für ein Fortbewegungsmittel. Die Erfindung betrifft zudem ein Head-Up-Display, das eine solche bildgebende Einheit aufweist.
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Unter einem Head-Up-Display, auch als HUD bezeichnet, wird ein Anzeigesystem verstanden, bei dem der Betrachter seine Blickrichtung beibehalten kann, da die darzustellenden Inhalte in sein Sichtfeld eingeblendet werden. Während derartige Systeme aufgrund ihrer Komplexität und Kosten ursprünglich vorwiegend im Bereich der Luftfahrt Verwendung fanden, werden sie inzwischen auch im Automobilbereich in Großserie verbaut.
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Head-Up-Displays bestehen im Allgemeinen aus einer bildgebenden Einheit bzw. PGU (Picture Generating Unit), einer Optikeinheit und einer Spiegeleinheit. Die bildgebende Einheit erzeugt das Bild und nutzt dazu zumindest ein Anzeigeelement. Die Optikeinheit leitet das Bild auf die Spiegeleinheit. Die Spiegeleinheit ist eine teilweise spiegelnde, lichtdurchlässige Scheibe. Der Betrachter sieht also die von der bildgebenden Einheit dargestellten Inhalte als virtuelles Bild und gleichzeitig die reale Welt hinter der Scheibe. Als Spiegeleinheit dient im Automobilbereich oftmals die Windschutzscheibe, deren gekrümmte Form bei der Darstellung berücksichtigt werden muss. Durch das Zusammenwirken von Optikeinheit und Spiegeleinheit ist das virtuelle Bild eine vergrößerte Darstellung des von der bildgebenden Einheit erzeugten Bildes.
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Die Optikeinheit umfasst in der Regel mehrere Spiegel, um den erforderlichen Bauraum möglichst klein zu halten. Das von der bildgebenden Einheit ausgehende Licht wird von einem Faltspiegel auf einen gekrümmten Spiegel reflektiert, der es dann in Richtung der Windschutzscheibe reflektiert. Die derzeit verwendeten gekrümmten Spiegel sind als im Wesentlichen flache Platten mit einer großen Krümmung entsprechend der gewünschten optischen Funktion ausgeführt. Die Herstellung solcher gekrümmten Spiegel erfolgt beispielsweise mittels Spritzguss oder Spritzprägen.
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In diesem Zusammenhang beschreibt
US 9,335,604 die zugrunde liegende Technologie der genutzten Lichtwellenleiter, allerdings nicht in der weiter unten aufgezeigten speziellen erfindungsgemäßen Anwendungsweise.
US 2012/224062 A1 beschreibt die Nutzung von Lichtwellenleiter-Technologie nach dem Bildgeber (TFT, LCOS, DMD). In der weiter unten beschriebenen Erfindung wird der Ansatz der Lichtwellenleiter-Technologie zwischen Lichterzeuger (Laserdiode) und Bildgeber (TFT) zur Aufbereitung des Lichts vor Einkopplung in den Bildgeber genutzt.
WO 2009/156752 A1 beschreibt allgemein ein System zur Erzeugung von Hologrammen, ohne Nutzung von Lichtaufbereitung mittels in Lichtleitern eingebrachter Gitterstrukturen.
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US 2002/018036 A1 zeigt einen monochromatischen R,G,B-Laser für ein Anzeigesystem, der drei monochrome Lichtstrahlen erzeugt. Die drei monochromen Lichtstrahlen durchlaufen je einen eigenen Zweig eines Beam-Expanders, mit jeweils einem Mikrolinsenelement. Anschließend an den Beam-Expander gelangen die monochromen Lichtstrahlen auf je eine eigene Monochrom-Anzeige. Danach erfolgt eine optische Überlagerung mittels eines dichroitischen Spiegels.
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US 2004/095559 A1 zeigt einen Projektor mit einer Lichtquelle, deren Licht mittels eines Separators aufgespalten und auf drei Monochrom-Anzeigen geleitet wird. Danach erfolgt eine optische Überlagerung mittels eines dichroitischen Prismas. Als nachteilig ist anzusehen, daß weißes Licht zunächst nach Farben aufgespalten wird, und später wieder zusammengeführt werden muß.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte bildgebende Einheit für ein Head-Up-Display bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird durch eine bildgebende Einheit mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Es wird somit eine Kombination von monochromen Anzeigeelementen, beispielsweise basierend auf TFT-Technologie (TFT: Thin Film Transistor; Anzeige mit Dünnschichttransistor-Ansteuerung), mit Beleuchtung auf Waveguide Technologie (Waveguide: Lichtwellenleiter) vorgeschlagen.
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Vorzugsweise wird eine erfindungsgemäßer bildgebende Einheit in einem Head-Up-Display für ein Fortbewegungsmittel eingesetzt, z.B. in einem Head-Up-Display für ein Kraftfahrzeug.
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Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung und den angehängten Ansprüchen in Verbindung mit den Figuren ersichtlich.
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Figurenliste
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- 1 zeigt schematisch ein Head-Up-Display gemäß dem Stand der Technik für ein Kraftfahrzeug;
- 2 zeigt schematisch eine bildgebende Einheit für ein Head-Up-Display;
- 3 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße bildgebende Einheit für ein Head-Up-Display;
- 4 zeigt einen Lichtwellenleiter.
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Figurenbeschreibung
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Zum besseren Verständnis der Prinzipien der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Ausführungsformen der Erfindung anhand der Figuren detaillierter erläutert. Gleiche Bezugszeichen werden in den Figuren für gleiche oder gleichwirkende Elemente verwendet und nicht notwendigerweise zu jeder Figur erneut beschrieben. Es versteht sich, dass sich die Erfindung nicht auf die dargestellten Ausführungsformen beschränkt und dass die beschriebenen Merkmale auch kombiniert oder modifiziert werden können, ohne den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen, wie er in den angehängten Ansprüchen definiert ist.
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1 zeigt eine Prinzipskizze eines herkömmlichen Head-Up-Displays für ein Kraftfahrzeug. Das Head-Up-Display weist eine Anzeigevorrichtung 1 mit einer bildgebenden Einheit 10 und einer Optikeinheit 12 auf. Von einem Anzeigeelement 11 geht ein Strahlenbündel SB1 aus, welches von einem Faltspiegel 21 auf einen gekrümmten Spiegel 22 reflektiert wird, der es in Richtung einer Spiegeleinheit 2 reflektiert. Die Spiegeleinheit 2 ist hier als Windschutzscheibe 20 des Kraftfahrzeugs dargestellt. Von dort gelangt das Strahlenbündel SB2 in Richtung eines Auges eines Betrachters 3.
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Der Betrachter 3 sieht ein virtuelles Bild VB, welches sich außerhalb des Kraftfahrzeugs oberhalb der Motorhaube oder sogar vor dem Kraftfahrzeug befindet. Durch das Zusammenwirken von Optikeinheit 12 und Spiegeleinheit 2 ist das virtuelle Bild VB eine vergrößerte Darstellung des vom Anzeigeelement 11 angezeigten Bildes. Hier sind symbolisch eine Geschwindigkeitsbegrenzung, die aktuelle Fahrzeuggeschwindigkeit sowie Navigationsanweisungen dargestellt. So lange sich das Auge des Betrachters 3 innerhalb einer durch ein Rechteck angedeuteten Eyebox 4 befindet, sind alle Elemente des virtuellen Bildes VB für den Betrachter 3 sichtbar. Befindet sich das Auge des Betrachters 3 außerhalb der Eyebox 4, so ist das virtuelle Bild VB für den Betrachter 3 nur noch teilweise oder gar nicht sichtbar. Je größer die Eyebox 4 ist, desto weniger eingeschränkt ist der Betrachter bei der Wahl seiner Sitzposition.
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Die Krümmung des gekrümmten Spiegels 22 ist an die Krümmung der Windschutzscheibe 20 angepasst und sorgt dafür, dass die Bildverzeichnung über die gesamte Eyebox 4 stabil ist. Der gekrümmte Spiegel 22 ist mittels einer Lagerung 23 drehbar gelagert. Die dadurch ermöglichte Drehung des gekrümmten Spiegels 22 ermöglicht ein Verschieben der Eyebox 4 und somit eine Anpassung der Position der Eyebox 4 an die Position des Betrachters 3. Der Faltspiegel 21 dient dazu, dass der vom Strahlenbündel SB1 zurückgelegte Weg zwischen Anzeigeelement 11 und gekrümmtem Spiegel 22 lang ist, und gleichzeitig die Optikeinheit 12 dennoch kompakt ausfällt. Die bildgebende Einheit 10 und die Optikeinheit 12 werden durch ein Gehäuse 13 mit einer transparenten Abdeckscheibe 24 gegen die Umgebung abgegrenzt. Die optischen Elemente der Optikeinheit 12 sind somit beispielsweise gegen im Innenraum des Fahrzeugs befindlichen Staub geschützt. Auf der Abdeckscheibe 24 kann sich weiterhin eine optische Folie bzw. ein Polarisator 25 befinden. Das Anzeigeelement 11 ist typischerweise polarisiert und die Spiegeleinheit 2 wirkt wie ein Analysator. Zweck des Polarisators 25 ist es daher, die Polarisation zu beeinflussen, um eine gleichmäßige Sichtbarkeit des Nutzlichts zu erzielen. Eine auf der Abdeckscheibe 24 angeordnete Abdeckanordnung 26 dient dazu, das über die Grenzfläche der Abdeckscheibe 24 reflektierte Licht sicher zu absorbieren, sodass keine Blendung des Betrachters hervorgerufen wird. Außer dem Sonnenlicht SL kann auch das Licht einer anderen Störlichtquelle 5 auf das Anzeigeelement 11 gelangen. In Kombination mit einem Polarisationsfilter kann der Polarisator 25 zusätzlich auch genutzt werden, um einfallendes Sonnenlicht SL zu reduzieren.
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2 zeigt schematisch eine bildgebende Einheit für ein Head-Up-Display. Eine Lichtquelle (Light source) erzeugt weißes Licht. Ein dichroitischer Spiegel (dichroic mirror) läßt einen Rotanteil passieren, welcher mittels einen Spiegels auf ein erstes monochromes Anzeigeelement geleitet wird. Das vom dichroitischen Spiegel (dichroic mirror) reflektierte Licht ohne Rotanteil trifft auf einen weiteren dichroitischen Spiegel (dichroic mirror). Dieser läßt einen Blauanteil passieren und reflektiert einen Grünanteil. Der Grünanteil fällt direkt auf ein weitere monochromes Anzeigeelement, der Blauanteil wird mittels zweier weiterer Spiegel (Mirror) auf ein drittes monochromes Anzeigeelement (HTPS panel) geleitet. Die Anzeigeelemente sind durchleuchtbare Anzeigeelemente. Sie werden mit einem Bildsignal für den jeweiligen Farbanteil (Rot, Grün, Blau) angesteuert und lassen Licht für ein Bild für ihren jeweiligen Farbanteil passieren. Das von den Anzeigeelementen kommende Licht wird mittels eines dichroitischen Prismas (Dirchroic prism) kombiniert und über eine Optikeinheit, die hier schematisch mittels einer Linse (Lens) angedeutet ist, auf das Spiegelelement (Screen) geleitet.
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Im linken Teil der 2 ist schematisch angedeutet, wie die Farbanteile im dichroitischen Prisma (Dirchroic prism) kombiniert werden, und wo die monochromen Anzeigeelemente (HTPS panel) am dichroitischen Prisma (Dirchroic prism) angeordnet sind. Die Anzeigeelemente (HTPS panel) weisen einen durchleuchtbaren Bereich auf, der von einem Trägerelement gehalten wird. Das Trägerelement umgibt den durchleuchtbaren Bereich wie ein Rahmen und weist elektronische Ansteuerelemente, Zuleitungen etc. auf. Es ist mittels einer flexiblen Leiterbahn mit einer Ansteuereinheit verbunden.
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3 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße bildgebende Einheit für ein Head-Up-Display. Statt einer Lichtquelle für weißes Licht sind Laserdioden LD1-LD3 für drei komplementäre Farben vorgesehen. Das von ihnen abgestrahlte Licht wird jeweils mittels eines Lichtwellenleiters WG1-WG3 auf das für den jeweiligen Farbanteil vorgesehene Anzeigeelement geleitet. Hier ist beispielhaft gezeigt, wie Lichtwellenleiter WG1-WG3 am bekannten Dichroitischen Prisma DP angeordnet sein können. In diesem Beispiel sind alle Laserdioden LD1-LD3 für drei komplementäre Farben unterhalb des Dichroitischen Prismas DP angeordnet. Die Laserdioden LD1-LD3 sind platzsparend übereinander gestapelt angeordnet. Die Lichtwellenleiter WG1-WG3 haben daher unterschiedliche Länge.
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Im Gegensatz zum in 2 gezeigten Beispiel wird das Licht allerdings nicht wie gezeigt über die dichroitischen Spiegel und weitere Spiegel eingekoppelt, da dies zunächst aufwendig von den Laserdioden kommend mit weiteren Dichroiden zusammengeführt und in mit weiteren Bauelementen homogenisiert werden müsste.
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Stattdessen erfolgt eine Lichtaufbereitung auf Basis von Lichtwellenleitertechnologie, auch Waveguide Technologie genannt. Das heißt, Einkopplung, Homogenisierung und Beleuchtung erfolgt auf Basis von Lichtleitern für jeder Farbe separat, wodurch ggf. auch auf schaltbare Gitter verzichtet werden kann. Hierdurch kann auf eine Menge Bauelemente in der Lichtführung verzichtet werden.
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4 zeigt einen der Lichtwellenleiter WG1-WG3. Der Lichtwellenleiter WG besteht aus zwei Glasplatten, zwischen denen eine holographische Schicht angeordnet ist. Im in der Abbildung unteren Bereich des Lichtwellenleiters weist die holographische Schicht eine Einkoppelfunktion auf. Das von der Laserdiode kommende Licht wird dabei in den Lichtwellenleiter eingekoppelt. Es propagiert dann in einem Winkelbereich, der für eine Totalreflexion an der jeweiligen Grenzfläche der Glasplatten zur Luft hin sorgt. Im oberen Bereich des Lichtwellenleiters weist dieser eine entsprechende Auskoppelfunktion auf, die das Licht auf das Anzeigeelement (HTPS panel) auskoppelt. Das Anzeigeelement weist in der beschriebenen Konfiguration keinen Polarisator auf, da das Laserlicht bereits polarisiert ist. Im mittleren Bereich weist die holographische Schicht zumindest eine Homogenisierungsfunktion auf. Auch weitere Funktionen wie Anti-Speckels-Durchmischung sind dort vorteilhaft vorgesehen. Für letzteres werden vorteilhaft schaltbare Gitter verwendet.
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Optisches Prinzip für eine Farbe: Das Licht einer Lichtquelle LD wird mit Hilfe einer Optik in einen Träger (Lichtleiter oder Waveguide) eingekoppelt. Dieses kann sowohl kollimiert als auch unter einer bestimmten numerischen Apertur erfolgen. Im oder auf dem Träger sorgen optische Strukturen, bzw. holographische Schichten dafür, daß das Licht unter einem TIR-Winkel im Medium propagieren kann. Eine weitere Optik am oder im Träger in Form von refraktiver, diffraktiver oder reflektiver Ausführung sorgt für die Auskopplung des Lichts. Dieses Licht kann zusätzlich noch durch eine weitere Optik (wie etwa Linse oder Diffusor) nachkorrigiert werden, jedoch ist das nicht zwingend erforderlich. Der Träger befindet sich hinter dem LCD und durchleuchtet dieses mit der gewünschten numerischen Apertur.
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Als Vorteile der vorgeschlagenen bildgebenden Einheit sind anzusehen, daß die Homogenisierung und andere optische Funktionen im Waveguide angeordnet sind, sowie ein geringer Bauraumbedarf. Die Lichtaufbereitung, beispielsweise in Form von Homogenisierung, Durchmischung und Verteilung, wird im Waveguide oder Lichtleiter durchgeführt, sodaß mehrere Bauteile/Optiken, wie Linsen, Spiegel, Dichroiten, entfallen, was mit einem geringerem Bauraumbedarf einhergeht.
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Bei der Lichtaufbereitung im Lichtwellenleiter sind Homogenisierung und Durchmischung dabei nahezu gleich anzusehen. Unter Verteilung des Lichts ist jedoch die abbildende Eigenschaft gemeint. Beispielsweise geht es darum, welche Winkelöffnung (Lichtkeule oder numerische Apertur) das Licht durch die optische Verteilungsfunktion des Lichtwellenleiters erhält, ob es eine scharfkantige Ausleuchtung (englisch: Top-Hat) aufweist, und wie groß die Ausleuchtung ist.
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Mit anderen Worten betrifft die Erfindung eine Kombination von monochromen TFT mit Beleuchtung auf Waveguide Technologie. Eine herkömmliche Architektur wie in 2 angegeben besteht aus einer Weißlichtquelle, welche homogenisiert und mittels dichroitischer Spiegel in ihre drei Grundfarben (Rot, Grün, Blau) zerlegt wird. Eine Farbe wird einem LCD adressiert, sodaß ein LCD für jeweils eine Farbe verantwortlich ist. Diese werden transmissiv durchleuchtet, im Anschluß werden die drei Farben wieder durch einen dichroitischen Spiegel (in Kreuz-Form) zusammengeführt und in das Objektiv geleitet. Diese Architektur benötigt mehrere große und teure Bauteile. Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung führt zu Bauraumersparnis, Kostenersparnis, Effizienzsteigerung. Die Lichtaufbereitung und/oder die Lichthomogenisierung wird sehr effektiv mittels einem Lichtlichter oder Waveguide (TIR Prinzip) durchgeführt. Erfolgt eine Lichtdurchmischung mittels eines Mikrolinsenelements , so kann dies im Fall eines Lichtwellenleiters als Pupillenvergrößerer (englisch: pupil expander) zu unerwünschten Bildeffekten, beipielsweise Moire-Mustern, führen. Dies wird erfindungsgemäß dadurch vermieden, daß die Lichtdurchmischung durch geeignete im Lichtwellenleiter selbst angeordnete Strukturen erfolgt. Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß eine zeitsequentielle Ansteuerung der Laserdioden nicht erforderlich ist, da durch den Einsatz von drei TFT Chips die Laserdioden für jede der drei Grundfarben im Dauerbetrieb betrieben werden. Dadurch steigt die optische Effizienz des Gesamtsystems und es können weniger Laserdioden können eingesetzt werden. Erfindungsgemäß wird der sogenannte Rainbow-Effekt vermieden, wenn kein zeitsequentieller Betrieb der Laserdioden erfolgt. Der Rainbow-Effekt kann bei DLP- und TFT-Projektoren dadurch entstehen, wenn ein Imager verwendet wird, bei dem die Farben - üblicherweise sind dies Rot, Grün und Blau - stets sequentiell abgefahren werden und äußert sich beim Betrachter dadurch, daß wenn der Blick vom Bild abgewandt wird, oder die Blickrichtung geändert wird, ein regenbogenartiger Effekt wahrgenommen wird. Dies muß mit komplexer und statistischer Abfolge und Anzeigedauer der Farben gelöst werden, um den störenden Effekt beim Nutzer möglichst gering zu halten. Verwendet man hingegen einen Bildgeber pro Farbe, wie dies erfindungsgemäß vorgesehen ist, ist keine sequentielle Abfolge mehr notwendig und der Rainbow-Effekt tritt nicht auf.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 9335604 [0005]
- US 2012224062 A1 [0005]
- WO 2009/156752 A1 [0005]
- US 2002018036 A1 [0006]
- US 2004095559 A1 [0007]
