DE102022206420A1

DE102022206420A1 - Head-up display for a vehicle

Info

Publication number: DE102022206420A1
Application number: DE102022206420.8A
Authority: DE
Inventors: Wolff von Spiegel
Original assignee: Continental Automotive Technologies GmbH
Current assignee: Continental Automotive Technologies GmbH
Priority date: 2021-07-23
Filing date: 2022-06-27
Publication date: 2023-01-26

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Head-Up-Display für ein Fahrzeug (70). Dieses weist einen Augenpositionsdetektor (71) auf, der die Position eines Auges (61) eines Betrachters (60) in Echtzeit detektiert, eine bildgebenden Einheit (1) zum Erzeugen eines Bildes, eine Optikeinheit (2), ein optisches Element (5,31), welches dazu eingerichtet ist, die Richtung des von der bildgebenden Einheit (1) generierten Lichtes (SB1) zu beeinflussen, und eine Steuereinheit (72), die dazu eingerichtet ist, das optische Element (5,31) in Abhängigkeit von einer vom Augenpositionsdetektor (71) detektierten Augenposition anzusteuern, wobei die Steuereinheit (72) dazu eingerichtet ist, das von der bildgebenden Einheit (1) generierte Licht (SB1 ) ausschließlich auf eines der Augen (61) des Betrachters (60) zu richten.The present invention relates to a head-up display for a vehicle (70). This has an eye position detector (71), which detects the position of an eye (61) of an observer (60) in real time, an imaging unit (1) for generating an image, an optics unit (2), an optical element (5, 31 ), which is set up to influence the direction of the imaging unit (1) generated light (SB1), and a control unit (72) which is set up to the optical element (5.31) depending on a date Eye position detector (71) to control the detected eye position, wherein the control unit (72) is set up to direct the light (SB1) generated by the imaging unit (1) exclusively to one of the eyes (61) of the viewer (60).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Head-Up-Display für ein Fahrzeug.The present invention relates to a head-up display for a vehicle.

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.A head-up display, also referred to as a HUD, is understood to mean a display system in which the viewer can maintain his line of sight, since the content to be displayed is displayed in his field of vision. While such systems were originally used mainly in the aviation sector due to their complexity and costs, they are now also being installed in large series in the automotive sector.

Head-Up-Displays bestehen im Allgemeinen aus einem Bildgenerator, einer Optikeinheit und einer Spiegeleinheit. Der Bildgenerator erzeugt das Bild. Die Optikeinheit leitet das Bild auf die Spiegeleinheit. Der Bildgenerator wird oft auch als bildgebende Einheit oder PGU (Picture Generating Unit) bezeichnet. Die Spiegeleinheit ist eine teilweise spiegelnde, lichtdurchlässige Scheibe. Der Betrachter sieht also die vom Bildgenerator 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, wenn eine verzerrte Darstellung vermieden werden soll. Durch das Zusammenwirken von Optikeinheit und Spiegeleinheit ist das virtuelle Bild eine vergrößerte Darstellung des vom Bildgenerator erzeugten Bildes.Head-up displays generally consist of an image generator, an optics unit and a mirror unit. The image generator creates the image. The optics unit directs the image to the mirror unit. The image generator is also often referred to as the imaging unit or PGU (Picture Generating Unit). The mirror unit is a partially reflective, translucent disc. The viewer sees the content displayed by the image generator as a virtual image and at the same time the real world behind the pane. In the automotive sector, the windshield is often used as a mirror unit, and its curved shape must be taken into account in the display if a distorted display is to be avoided. Due to the interaction of the optics unit and the mirror unit, the virtual image is an enlarged representation of the image generated by the image generator.

Der Betrachter kann das virtuelle Bild nur aus der Position der sogenannten Eyebox betrachten. Als Eyebox wird ein Bereich bezeichnet, dessen Höhe und Breite einem theoretischen Sichtfenster entspricht. So lange sich ein Auge des Betrachters innerhalb der Eyebox befindet, sind alle Elemente des virtuellen Bildes für das Auge sichtbar. Befindet sich das Auge hingegen außerhalb der Eyebox, so ist das virtuelle Bild für den Betrachter nur noch teilweise oder gar nicht sichtbar. Je größer die Eyebox ist, desto weniger eingeschränkt ist der Betrachter somit bei der Wahl seiner Sitzposition.The viewer can only look at the virtual image from the position of the so-called eyebox. An area is referred to as an eyebox, the height and width of which corresponds to a theoretical viewing window. As long as one eye of the viewer is within the eyebox, all elements of the virtual image are visible to the eye. If, on the other hand, the eye is outside of the eyebox, the virtual image is only partially or not at all visible to the viewer. The larger the eyebox, the less restricted the viewer is when choosing his seating position.

Die Größe des virtuellen Bildes herkömmlicher Head-Up-Displays wird durch die Größe der Optikeinheit begrenzt. Ein Ansatz zur Vergrößerung des virtuellen Bildes besteht darin, das von der bildgebenden Einheit kommende Licht in einen Lichtwellenleiter einzukoppeln. Das in den Lichtwellenleiter eingekoppelte Licht, das die Bildinformation trägt, wird an dessen Grenzflächen totalreflektiert und wird somit innerhalb des Lichtwellenleiters geleitet. Zusätzlich wird an einer Vielzahl von Positionen entlang der Ausbreitungsrichtung jeweils ein Teil des Lichts ausgekoppelt, so daß die Bildinformation über die Fläche des Lichtwellenleiters verteilt ausgegeben wird. Durch den Lichtwellenleiter erfolgt auf diese Weise eine Aufweitung der Austrittspupille. Die effektive Austrittspupille setzt sich hier aus Bildern der Apertur des Bilderzeugungssystems zusammen.The size of the virtual image of conventional head-up displays is limited by the size of the optics unit. One approach to enlarging the virtual image is to couple the light coming from the imaging unit into an optical waveguide. The light coupled into the optical waveguide, which carries the image information, is totally reflected at its boundary surfaces and is thus guided within the optical waveguide. In addition, part of the light is coupled out at a large number of positions along the direction of propagation, so that the image information is distributed over the surface of the optical waveguide. In this way, the exit pupil is widened by the optical waveguide. The effective exit pupil here is composed of images of the aperture of the imaging system.

Vor diesem Hintergrund beschreibt die US 2016/0124223 A1 eine Anzeigevorrichtung für virtuelle Bilder. Die Anzeigevorrichtung umfaßt einen Lichtwellenleiter, der bewirkt, daß von einer bildgebenden Einheit kommendes Licht, das durch eine erste Lichteinfallsfläche einfällt, wiederholt einer internen Reflexion unterzogen wird, um sich in einer ersten Richtung von der ersten Lichteinfallsfläche weg zu bewegen. Der Lichtwellenleiter bewirkt zudem, daß ein Teil des im Lichtwellenleiter geführten Lichts durch Bereiche einer ersten Lichtaustrittsfläche, die sich in der ersten Richtung erstreckt, nach außen austritt. Die Anzeigevorrichtung umfaßt weiterhin ein erstes lichteinfallseitiges Beugungsgitter, das auftreffendes Licht beugt, um zu bewirken, daß das gebeugte Licht in den Lichtwellenleiter eintritt, und ein erstes lichtausfallendes Beugungsgitter, das vom Lichtwellenleiter einfallendes Licht beugt.Against this background, the U.S. 2016/0124223 A1 a virtual image display device. The display device includes an optical fiber which causes light from an imaging unit incident through a first light incident surface to repeatedly undergo internal reflection to travel in a first direction away from the first light incident surface. The optical waveguide also causes part of the light guided in the optical waveguide to exit to the outside through regions of a first light exit surface which extends in the first direction. The display device further comprises a first light-incident-side diffraction grating that diffracts incident light to cause the diffracted light to enter the optical fiber, and a first light-outlet diffraction grating that diffracts light incident from the optical fiber.

Um das vom Head-Up-Display erzeugte virtuelle Bild aus verschiedenen Positionen sehen zu können, müssen diese innerhalb der Eyebox liegen, wozu eine große Eyebox zweckdienlich ist.In order to be able to see the virtual image generated by the head-up display from different positions, these must be within the eyebox, for which purpose a large eyebox is useful.

Aus der US 2014/232746 A1 ist ein Head-Up-Display bekannt, bei dem ein Augenpositionsdetektor vorhanden ist, dessen Ausgangssignal dazu genutzt wird, eine Optikeinheit derart anzusteuern, daß ein für ein linkes Auge generiertes Bild in das linke Auge gelangt, und ein für ein rechtes Auge generiertes Bild in das rechte Auge. Als nachteilig hieran ist anzusehen, daß zwei unterschiedliche Bilder, je eines für das rechte und eines für das linke Auge erforderlich ist, sowie eine Umschaltung zwischen diesen beiden. Ein Head-Up-Display mit demgegenüber verringertem Aufwand ist wünschenswert.From the U.S. 2014/232746 A1 a head-up display is known in which there is an eye position detector, the output signal of which is used to control an optical unit in such a way that an image generated for a left eye reaches the left eye and an image generated for a right eye in the right eye. The disadvantage here is that two different images, one for the right and one for the left eye, are required, as well as switching between these two. A head-up display with a comparatively reduced effort is desirable.

Dies wird durch ein Head-Up-Display mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Verfahrensanspruch, und einen Datensatz mit den Merkmalen des Anspruchs 7 erreicht. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.This is achieved by a head-up display having the features of claim 1, a method having the features of the independent method claim, and a data set having the features of claim 7. Preferred developments of the invention are the subject matter of the dependent claims.

Die vorliegende Erfindung für ein Head-Up-Display für ein Fahrzeug schlägt folgendes vor: Das Head-Up-Display weist einen Augenpositionsdetektor auf, der die Position eines Auges eines Betrachters in Echtzeit detektiert. Es weist auch eine bildgebende Einheit zum Erzeugen eines Bildes auf. Es weist auch eine Optikeinheit auf, und ein mit dieser zusammenwirkendes optisches Element, welches dazu eingerichtet ist, die Richtung des von der bildgebenden Einheit generierten Lichtes zu beeinflussen. Das Head-Up-Display weist weiterhin auf eine Steuereinheit, die dazu eingerichtet ist, das optische Element in Abhängigkeit von einer vom Augenpositionsdetektor detektierten Augenposition anzusteuern, wobei die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, das von der bildgebenden Einheit generierte Licht ausschließlich auf die detektierte Position eines der Augen des Betrachters zu richten und für das andere Auge zu unterdrücken.The present invention for a head-up display for a vehicle proposes the following: The head-up display has an eye position detector that detects the position of an observer's eye in real time. It also has an imaging unit for generating an image. It also has an optical unit and an optical element that interacts with it is set up to influence the direction of the light generated by the imaging unit. The head-up display also has a control unit that is set up to control the optical element depending on an eye position detected by the eye position detector, the control unit being set up to focus the light generated by the imaging unit exclusively on the detected position of a of the viewer's eyes and to suppress it for the other eye.

Dies hat den Vorteil, dass ein kleinerer abzudeckender Winkelbereich ausreichend ist, die Eyebox also auf ein Auge beschränkt ist. Das von der Steuereinheit angesteuerte und mit der Optikeinheit zusammenwirkende optische Element kann somit kompakter ausgelegt werden. Die erforderliche Lichtleistung der bildgebenden Einheit kann reduziert werden, ohne den Helligkeitseindruck beim Betrachter zu reduzieren, da im Idealfall die gesamte Lichtleistung auf ein Auge gerichtet wird, anstatt auf zwei. Auf jeden Fall wird eine kleinere Eyebox ausgeleuchtet, was weniger Lichtleistung erfordert. Ein menschlicher Beobachter nimmt einen Gegenstand vor einem Hintergrund, der von beiden Augen gesehen wird, gleich hell oder nahezu gleich hell wahr, unabhängig davon, ob der Gegenstand nur von einem der beiden Augen oder von beiden Augen gesehen wird. Erfindungsgemäß wird von dieser Erkenntnis Gebrauch gemacht, um Lichtleistung zu sparen, ohne einen entsprechend verminderten Eindruck bei einem menschlichen Beobachter hervorzurufen. Es treten auch keine Irritationen durch unpassende Tiefeninformationen auf, welche auftreten können, wenn beide Augen innerhalb der Eyebox liegen, und das Gehirn aus den von beiden Augen an dieses weitergeleiteten Bildinformationen des virtuellen Bildes eine Tiefeninformation generiert, die unter Umständen nicht mit Tiefeninformationen übereinstimmt, die das Gehirn beispielsweise aus der gesehenen Umgebung gewinnt, der das virtuelle Bild überlagert ist.This has the advantage that a smaller angular range to be covered is sufficient, so the eyebox is limited to one eye. The optical element, which is controlled by the control unit and interacts with the optical unit, can thus be designed to be more compact. The required light output of the imaging unit can be reduced without reducing the impression of brightness on the part of the viewer, since ideally the entire light output is directed at one eye instead of two. In any case, a smaller eyebox is illuminated, which requires less light output. A human observer perceives an object against a background seen by both eyes with equal or nearly equal brightness, regardless of whether the object is seen by only one of the two eyes or by both eyes. According to the invention, use is made of this finding in order to save light output without causing a correspondingly reduced impression on a human observer. There are also no irritations caused by inappropriate depth information, which can occur when both eyes are within the eyebox and the brain generates depth information from the image information of the virtual image forwarded to it by both eyes, which under certain circumstances does not match depth information that the brain, for example, gains from the environment seen, on which the virtual image is superimposed.

Vorzugsweise weist die Optikeinheit eine Windschutzscheibe, oder eine Linse oder einen Lichtwellenleiter oder einen Ausgangspupillenvergrößerer auf. Dabei ist die Windschutzscheibe vorzugsweise mit selektiv schaltbarer Reflektivität versehen beziehungsweise die Linse, der Lichtwellenleiter und der Ausgangspupillenvergrößerer mit selektiv schaltbaren anpaßbaren Eigenschaften. Somit läßt sich die Ausrichtung des Lichts auf genau ein Auge des Betrachters mittels einer Ansteuerung eines dieser Bauteile erzielen.The optics unit preferably has a windshield, or a lens, or an optical waveguide, or an exit pupil enlarger. The windshield is preferably provided with selectively switchable reflectivity or the lens, the optical fiber and the exit pupil enlarger with selectively switchable adaptable properties. Thus, the alignment of the light to exactly one eye of the viewer can be achieved by driving one of these components.

Vorteilhaft ist der Lichtwellenleiter ein zweidimensional vervielfachender Lichtwellenleiter zum Aufweiten einer Austrittspupille mit einem Einkoppelhologramm, einem Falthologramm und einem Auskoppelhologramm, wobei zumindest eines dieser Hologramme in unabhängig voneinander schaltbare Bereiche aufgeteilt ist. Obwohl die Koppelstrukturen hier als Hologramme benannt sind, können auch andersartige Koppelstrukturen Verwendung finden, beispielsweise geeignet ausgebildete optische Gitter.The optical waveguide is advantageously a two-dimensionally multiplying optical waveguide for expanding an exit pupil with a coupling-in hologram, a folding hologram and a coupling-out hologram, with at least one of these holograms being divided into areas that can be switched independently of one another. Although the coupling structures are named here as holograms, other types of coupling structures can also be used, for example suitably designed optical gratings.

Die Verringerung der erforderlichen Lichtleistung wird erfindungsgemäß dadurch erzielt, dass die zuvor komplett aktive Eyebox in einen ersten aktiven Teil und einen zweiten passiven Teil aufgeteilt wird, wodurch entsprechende passive Teile des Lichtwellenleiters kein Licht auskoppeln und somit die ausgekoppelte Lichtleistung verringert werden kann. Um dennoch den notwendigen Bereich für alle Größen an Fahrern und in allen wichtigen Fahrsituationen abzudecken, ist die Position dieses reduzierten aktiven Teils der Eyebox durch geeignete Mittel anpaßbar. Im allgemeinen gibt es zwar nicht in jedem Fall eine Eins-Zu-Eins-Zuordnung zwischen den Positionen auf einem Lichtwellenleiter und in der Eyebox. Aber es gibt immer Positionen auf dem Lichtwellenleiter, die nur für bestimmte Eyeboxpositionen benötigt werden und dann als inaktiver Teil der Eyebox abgeschaltet werden. Um keine funktionalen Nachteile gegenüber einer großen, komplett aktiven Eyebox zu haben, erfolgt eine automatische Anpassung oder Nachführung des aktiven Teils der Eyebox entsprechend der aktuellen Kopfposition des Betrachters. Mit dem Augenpositionsdetektor wird die Position eines Auges des Betrachters bestimmt. Eine Auswerteelektronik prüft, ob sich das Auge noch innerhalb des aktiven Teils der Eyebox befindet, oder ob einer Korrektur vorzunehmen ist. Ist eine Korrektur vorzunehmen, so steuert die Steuereinheit die unabhängig voneinander schaltbaren Bereiche des Hologramms bzw. der Hologramme zum Anpassen der Position des aktiven Teils der Eyebox an, damit diese die Position des aktiven Teils der Eyebox solange nachführen, bis der aktive Teil der Eyebox wieder gut bezüglich des einen Auges positioniert ist.According to the invention, the required light output is reduced by dividing the previously fully active eyebox into a first active part and a second passive part, as a result of which corresponding passive parts of the optical waveguide do not decouple any light and the decoupled light output can therefore be reduced. In order to nevertheless cover the necessary range for drivers of all sizes and in all important driving situations, the position of this reduced active part of the eyebox can be adjusted by suitable means. In general, there is not always a one-to-one correspondence between the positions on an optical fiber and in the eyebox. But there are always positions on the optical fiber that are only required for certain eyebox positions and are then switched off as an inactive part of the eyebox. In order not to have any functional disadvantages compared to a large, fully active eyebox, the active part of the eyebox is automatically adjusted or tracked according to the current head position of the viewer. The eye position detector is used to determine the position of an observer's eye. Evaluation electronics check whether the eye is still within the active part of the eyebox or whether a correction needs to be made. If a correction needs to be made, the control unit controls the independently switchable areas of the hologram or holograms to adjust the position of the active part of the eyebox, so that they track the position of the active part of the eyebox until the active part of the eyebox returns well positioned with respect to one eye.

Vorteilhaft ist das Auskoppelhologramm in unabhängig voneinander schaltbare Bereiche segmentiert. Dabei kann die Segmentierung in quadratische Segmente erfolgen, in rechteckige Segmente oder in Segmente anderer, geeigneter Form. Die Segmentierung des Auskoppelhologramms hat zum einen den Vorteil, daß dieses die größte Fläche der drei Hologramme aufweist. Selbst mit relativ großen Segmenten läßt sich eine vergleichsweise feine Rasterung des ausgeleuchteten Teils der Eyebox erzielen. Für das Auskoppelhologramm sind vorteilhafterweise vertikale Streifen als Segmentierung vorgesehen. Eine dazu senkrechte Segmentierung ist vorteilhaft für das Falthologramm vorgesehen. Diese Aufteilung der Segmentierung vermeidet es, das Licht am oberen oder unteren Rand am Auskoppelhologramm nicht zu nutzen, weil es dort nicht ausgekoppelt wird, es dann aber auch nicht mehr an anderer Stelle genutzt werden kann und damit verloren ist. The decoupling hologram is advantageously segmented into areas that can be switched independently of one another. The segmentation can take place in square segments, in rectangular segments or in segments of another suitable shape. On the one hand, the segmentation of the decoupling hologram has the advantage that it has the largest area of the three holograms. Even with relatively large segments, a comparatively fine grid of the illuminated part of the eyebox can be achieved. Vertical strips are advantageously provided as segmentation for the decoupling hologram. A segmentation perpendicular thereto is advantageously provided for the folding hologram. This division of the segmentation avoids not using the light at the upper or lower edge of the decoupling hologram because it is not emitted there is coupled, but then it can no longer be used elsewhere and is therefore lost.

Ein großer Vorteil einer vertikalen Segmentierung des Auskoppelhologramms liegt darin, daß das Auskoppelhologramm und damit der Lichtwellenleiter um ungefähr einen Augenabstand schmaler ausfallen kann. Dies reduziert sowohl den zum Einbau des Head-Up-Displays in ein Fahrzeug erforderlichen Bauraum als auch Material und Gewicht des Head-Up-Displays.A great advantage of a vertical segmentation of the decoupling hologram is that the decoupling hologram and thus the optical waveguide can be made narrower by approximately one eye relief. This reduces both the space required to install the head-up display in a vehicle and the material and weight of the head-up display.

Vorteilhaft ist das Falthologramm in unabhängig voneinander schaltbare Bereiche segmentiert. Da das Falthologramm üblicherweise nicht im direkt von außen einsehbaren Bereich des Lichtwellenleiters liegt, kann die Ansteuermimik für die Schaltarbeit der Bereiche weder von einem Nutzer direkt gesehen werden, was Irritationen vermeidet, noch kann sie direkt von außen einfallendes Licht beeinflussen, was ebenso Irritationen vermeidet, beispielsweise durch Spiegelungen hervorgerufene Irritationen.The folded hologram is advantageously segmented into areas that can be switched independently of one another. Since the folded hologram is usually not in the area of the optical waveguide that is directly visible from the outside, the activation mimic for the switching work of the areas can neither be seen directly by a user, which avoids irritation, nor can it directly influence light incident from outside, which also avoids irritation. for example, irritation caused by reflections.

Vorteilhaft ist die Segmentierung von Auskoppelhologramm und Falthologramm in unabhängig voneinander schaltbare Bereiche streifenförmig ausgelegt, und die Bereiche des Auskoppelhologramms kreuzen die Bereiche des Falthologramms. Dies hat den Vorteil, daß nur eine geringe Anzahl Ansteuerelektroden pro Hologramm erforderlich ist. Die zweidimensionale Rasterung erfolgt über sich kreuzende Segmentstreifen. Vorzugsweise sind die Segmentstreifen des Auskoppelhologramms rechtwinklig zu demjenigen des Falthologramms angeordnet. Auch andere nichtparallele Anordnungen sind hier vorteilhaft anwendbar.Advantageously, the segmentation of the decoupling hologram and the folded hologram is designed in the form of strips in areas that can be switched independently of one another, and the areas of the decoupling hologram cross the areas of the folded hologram. This has the advantage that only a small number of control electrodes are required per hologram. The two-dimensional grid takes place via intersecting segment strips. The segment strips of the decoupling hologram are preferably arranged at right angles to those of the folding hologram. Other non-parallel arrangements can also be advantageously used here.

Vorteilhaft sind die unabhängig voneinander schaltbaren Bereiche abgestuft zwischen ihrem aktiven Zustand und ihrem passiven Zustand schaltbar. Dabei kann die Abstufung sowohl in einigen wenigen großen Stufen erfolgen als auch in vielen kleinen Stufen, quasi kontinuierlich. Diese Abstufung ermöglicht es, die Beugungseffizienz der aktiven Bereiche so einzustellen, daß sich die vorhandene Lichtmenge auf alle aktiven Bereiche möglichst gleichmäßig verteilt, auch wenn die Anzahl der jeweils aktiven Bereiche variiert. Dies ermöglicht es, die eingekoppelte Lichtleistung möglichst optimal auszukoppeln und damit die erforderliche vom Bildgenerator zu erzeugende Lichtleistung möglichst niedrig zu halten. Weiterhin wird ein gleichmäßiger Helligkeitseindruck erzielt, also die Homogenität verbessert.The areas that can be switched independently of one another can advantageously be switched between their active state and their passive state in a graduated manner. The gradation can take place in a few large steps as well as in many small steps, quasi continuously. This gradation makes it possible to set the diffraction efficiency of the active areas in such a way that the amount of light present is distributed as evenly as possible over all active areas, even if the number of active areas varies in each case. This makes it possible to decouple the coupled light output as optimally as possible and thus to keep the required light output to be generated by the image generator as low as possible. Furthermore, a uniform impression of brightness is achieved, ie the homogeneity is improved.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Ansteuern unabhängig voneinander schaltbarer Bereiche eines Head-Up-Displays gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche weist auf: Generieren eines darzustellenden Bildes. Erzeugen eines in einem Raumwinkelbereich sichtbaren virtuellen Bildes aus dem generierten Bild. Detektieren der Position eines Auges eines Betrachters. Anpassen des Raumwinkelbereichs, in den das bildformende Licht abgestrahlt wird, an die detektierte Position wobei die Anpassung derart erfolgt, daß der Raumwinkelbereich die Position genau eines der Augen des Betrachters enthält. Dieses Verfahren weist bereits weiter oben genannte Vorteile auf. Es tritt keine Irritation des Betrachters durch unbeabsichtigt nicht zueinander passende Bildinformationen für linkes und rechtes Auge auf, welche zu einem falschen räumlichen Eindruck führen können.A method according to the invention for driving areas of a head-up display that can be switched independently of one another according to one of the preceding claims has: generation of an image to be displayed. Generating a virtual image visible in a solid angle range from the generated image. detecting the position of a viewer's eye. Adjusting the solid angle range in which the image-forming light is emitted to the detected position, the adjustment being made in such a way that the solid angle range contains the position of exactly one of the viewer's eyes. This method already has the advantages mentioned above. The viewer is not irritated by unintentionally mismatched image information for the left and right eye, which could lead to a false spatial impression.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt ein Verzerren des generierten Bildes in Abhängigkeit vom angepaßten Raumwinkelbereich. Dies hat den Vorteil, daß mittels der Verzerrung eine Kompensation von Abbildungsfehlern der verwendeten optischen Komponenten erfolgt. Diese Abbildungsfehler sind abhängig von der Position des Raumwinkelbereichs, und werden daher in Abhängigkeit vom aktuell auszuleuchtenden Raumwinkelbereich kompensiert. Dies ermöglicht es, die Anforderungen an Fehlerfreiheit der optischen Komponenten zu reduzieren, da durch diese hervorgerufenen Abbildungsfehler durch die entsprechend angepaßte Verzerrung des generierten Bildes kompensiert wird. Je kleiner der Raumwinkelbereich ist, desto weniger Aufwand ist beim Verzerren erforderlich. Die Ausrichtung auf genau eines der beiden Augen des Betrachters kommt dem vorteilhaft entgegen. Für ein Auge lässt sich die Entzerrung sehr weitreichend über die Bilddarstellung, also beispielsweise mittels geeigneter Software realisieren. Bei zwei Augen sind aber unterschiedliche Entzerrungen notwendig. Sind diese Entzerrungen nicht vollkommen korrekt wird die Diskrepanz zwischen diesen als Tiefenänderung wahrgenommen. Die Entzerrung wesentlich über die Software zu realisieren ist erfindungsgemäß ermöglicht, indem das Bild nur einem Auge zugänglich gemacht wird. Damit wird eine mögliche Diskrepanz von vorneherein vermieden. Die optische Komponente ist dabei beispielhaft die Windschutzscheibe, eine Linse, ein Lichtwellenleiter oder ein Ausgangspupillenvergrößerer.According to an advantageous embodiment of the invention, the generated image is distorted as a function of the adjusted solid angle range. This has the advantage that the distortion compensates for aberrations in the optical components used. These aberrations depend on the position of the solid angle area and are therefore compensated for depending on the solid angle area that is currently to be illuminated. This makes it possible to reduce the requirements for freedom from defects in the optical components, since imaging errors caused by these are compensated for by the correspondingly adapted distortion of the generated image. The smaller the solid angle range, the less effort is required when distorting. The alignment to exactly one of the two eyes of the viewer is advantageous. For one eye, the equalization can be implemented to a very large extent via the image display, ie using suitable software, for example. With two eyes, however, different equalizations are necessary. If these equalizations are not completely correct, the discrepancy between them is perceived as a change in depth. According to the invention, it is possible to realize the equalization essentially via the software by making the image accessible to only one eye. This avoids a possible discrepancy from the outset. The optical component is, for example, the windshield, a lens, an optical waveguide or an exit pupil enlarger.

Erfindungsgemäß ist weiterhin vorgesehen, daß das Verzerren gemäß eines Datensatzes erfolgt, der für eine spezifische optische Komponente erzeugt ist. Die optische Komponente ist dabei beispielhaft die Windschutzscheibe, eine Linse, ein Lichtwellenleiter oder ein Ausgangspupillenvergrößerer. Dabei wird vorteilhaft für eine Komponente, bei der die Vermeidung von Abbildungsfehlern besonders aufwendig ist, vermessen und ein Datensatz erstellt, mittels dessen eine Vorverzerrung des generierten Bildes erfolgt, die die durch die Komponente hervorgerufenen Abbildungsfehler kompensiert. Der Datensatz weist dabei auf den jeweiligen Raumwinkel bezogene Kompensationsdaten auf. Ein solcher Datensatz wird vorzugsweise auf Systemebene ermittelt. Beispielsweise wird ein Gitterraster als virtuelles Bild dargestellt, es wird mit einer Kamera durch die Eyebox gefahren, und aus der von der Kamera wahrgenommenen Verzerrung des Gitterrasters wird die benötigte Vorverzerrung berechnet. Je kleiner der Raumwinkel ist, desto weniger Daten reichen für eine wirkungsvolle Kompensation aus. Der Datensatz enthält für jeden Raumwinkel, für den das Head-Up-Display Licht erzeugt, entsprechende Kompensationsdaten auf. Produktionsbedingte Toleranzen werden vorteilhaft auf jedes einzelne Head-Up-Display angepaßt ausgeglichen. Eine größere Produktionstoleranz kann somit zugelassen werden, ohne daß der Bildeindruck des Betrachters negativ beeinträchtigt wird. Dies ermöglicht eine Kostensenkung für das fertige Produkt. So ist beispielsweise vorgesehen, jede einzelne Windschutzscheibe auszumessen, und einen einzelstückspezifischen Datensatz zu ermitteln, und diesen beim Ansteuern des Head-Up-Displays zu verwenden. Ebenso sind Linsenfehler, produktionsbedingte Fehler beziehungsweise Toleranzen eines Lichtwellenleiters oder eines Ausgangspupillenvergrößerers kompensierbar. Im optimalen Fall wird ein System für verschiedene Derivate verwendet. Ein einheitlicher Lichtwellenleiter, der mittels derivatspezifischer Verzerrung bei der Generierung des Bildes für unterschiedliche Derivate verwendbar ist, birgt ein großes Einsparpotential.According to the invention, it is further provided that the distortion takes place according to a data set that is generated for a specific optical component. The optical component is, for example, the windshield, a lens, an optical waveguide or an exit pupil enlarger. It is advantageous for a component in which the avoidance of aberrations is particularly complex to be measured and a data set created, by means of which a pre-distortion of the generated image takes place, which compensates for the aberrations caused by the component ted. The data set has compensation data related to the respective solid angle. Such a data record is preferably determined at the system level. For example, a grating is displayed as a virtual image, a camera is moved through the eyebox, and the required pre-distortion is calculated from the distortion of the grating perceived by the camera. The smaller the solid angle, the less data suffices for effective compensation. The data record contains corresponding compensation data for each solid angle for which the head-up display generates light. Production-related tolerances are advantageously adjusted to each individual head-up display. A larger production tolerance can thus be allowed without the image impression of the viewer being adversely affected. This enables cost reduction for the finished product. For example, it is provided to measure each individual windshield and to determine a data set specific to an individual piece and to use this when activating the head-up display. Likewise, lens errors, production-related errors or tolerances of an optical waveguide or an exit pupil enlarger can be compensated. In the best case, one system is used for different derivatives. A uniform optical waveguide, which can be used for different derivatives by means of derivative-specific distortion when generating the image, harbors a great potential for savings.

Ein erfindungsgemäß anwendbarer Datensatz ist für eine spezifische optische Komponente erzeugt und veranlaßt eine Steuereinheit eines erfindungsgemäßen Head-Up-Displays dazu, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen.A data set that can be used according to the invention is generated for a specific optical component and causes a control unit of a head-up display according to the invention to carry out the method according to the invention.

Vorzugsweise wird ein erfindungsgemäßes Head-Up-Display in einem Fortbewegungsmittel eingesetzt, um ein virtuelles Bild für einen Bediener des Fortbewegungsmittels zu erzeugen. Bei dem Fortbewegungsmittel kann es sich beispielsweise um ein Kraftfahrzeug oder ein Luftfahrzeug handeln. Selbstverständlich kann die erfindungsgemäße Lösung auch in anderen Umgebungen oder für andere Anwendungen genutzt werden, z.B. in Lastkraftwagen, in der Bahntechnik und im ÖPNV.A head-up display according to the invention is preferably used in a means of transportation in order to generate a virtual image for an operator of the means of transportation. The means of transportation can be, for example, a motor vehicle or an aircraft. Of course, the solution according to the invention can also be used in other environments or for other applications, e.g. in trucks, in railway technology and in public transport.

Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung und den angehängten Ansprüchen in Verbindung mit den Figuren ersichtlich.Further features of the present invention will become apparent from the following description and the appended claims in conjunction with the figures.

Figurenlistecharacter list

1 shows schematically a head-up display according to the prior art for a motor vehicle;
2 shows an optical waveguide with a two-dimensional enlargement;
3 shows schematically a head-up display with optical fibers;
4 shows schematically a head-up display with optical fibers in a motor vehicle;
5 shows schematically a first embodiment of a head-up display according to the invention;
6 shows schematically an optical waveguide of a second embodiment;
7 shows schematically another optical waveguide; and
8th shows a flow chart of a method according to the invention.

Figurenbeschreibungcharacter description

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.For a better understanding of the principles of the present invention, embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to the figures. The same reference symbols are used in the figures for the same or equivalent elements and are not necessarily described again for each figure. It goes without saying that the invention is not limited to the illustrated embodiments and that the features described can also be combined or modified without leaving the protective scope of the invention as defined in the appended claims.

Zunächst soll anhand der 1 bis 4 der Grundgedanke eines Head-Up-Displays mit Lichtwellenleiter dargelegt werden.First, based on the 1 until 4 the basic idea of a head-up display with fiber optics is explained.

1 zeigt eine Prinzipskizze eines Head-Up-Displays gemäß dem Stand der Technik für ein Kraftfahrzeug. Das Head-Up-Display weist einen Bildgenerator 1, eine Optikeinheit 2 und eine Spiegeleinheit 3 auf. Von einem Anzeigeelement 11 geht ein Strahlenbündel SB1 aus, welches von einem Faltspiegel 21 auf einen gekrümmten Spiegel 22 reflektiert wird, der es Richtung Spiegeleinheit 3 reflektiert. Die Spiegeleinheit 3 ist hier als Windschutzscheibe 31 eines Kraftfahrzeugs dargestellt. Von dort gelangt das Strahlenbündel SB2 in Richtung eines Auges 61 eines Betrachters. 1 shows a basic sketch of a head-up display according to the prior art for a motor vehicle. The head-up display has an image generator 1 , an optics unit 2 and a mirror unit 3 . A beam of rays SB1 emanates from a display element 11 and is reflected by a folding mirror 21 onto a curved mirror 22 which reflects it in the direction of the mirror unit 3 . The mirror unit 3 is shown here as a windshield 31 of a motor vehicle. From there, the bundle of rays SB2 arrives in the direction of an eye 61 of an observer.

Der Betrachter sieht ein virtuelles Bild VB, welches sich außerhalb des Kraftfahrzeugs oberhalb der Motorhaube oder sogar vor dem Kraftfahrzeug befindet. Durch das Zusammenwirken von Optikeinheit 2 und Spiegeleinheit 3 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. Solange sich das Auge 61 innerhalb der durch ein Rechteck angedeuteten Eyebox 62 befindet, sind alle Elemente des virtuellen Bildes für das Auge 61 sichtbar. Befindet sich das Auge 61 außerhalb der Eyebox 62, so ist das virtuelle Bild VB für den Betrachter nur noch teilweise oder gar nicht sichtbar. Je größer die Eyebox 62 ist, desto weniger eingeschränkt ist der Betrachter bei der Wahl seiner Sitzposition.The viewer sees a virtual image VB, which is located outside the motor vehicle above the hood or even in front of the motor vehicle. The virtual image VB is an enlarged representation of the image displayed by the display element 11 due to the interaction of the optics unit 2 and the mirror unit 3 . Here are symbolically a speed limit, the current one Vehicle speed and navigation instructions are shown. As long as the eye 61 is within the eye box 62 indicated by a rectangle, all elements of the virtual image are visible to the eye 61 . If the eye 61 is located outside the eye box 62, then the virtual image VB is only partially or not at all visible to the viewer. The larger the eyebox 62 is, the less restricted the viewer is in choosing his seating position.

Die Krümmung des gekrümmten Spiegels 22 ist an die Krümmung der Windschutzscheibe 31 angepaßt und sorgt dafür, daß die Bildverzeichnung über die gesamte Eyebox 62 stabil ist. Der gekrümmte Spiegel 22 ist mittels einer Lagerung 221 drehbar gelagert. Die dadurch ermöglichte Drehung des gekrümmten Spiegels 22 ermöglicht ein Verschieben der Eyebox 62 und somit eine Anpassung der Position der Eyebox 62 an die Position des Auges 61. 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 2 dennoch kompakt ausfällt. Die Optikeinheit 2 wird durch eine transparente Abdeckung 23 gegen die Umgebung abgegrenzt. Die optischen Elemente der Optikeinheit 2 sind somit beispielsweise gegen im Innenraum des Fahrzeugs befindlichen Staub geschützt. Auf der Abdeckung 23 befindet sich weiterhin eine optische Folie bzw. ein Polarisator 24. Das vom Anzeigeelement 11 abgegebene Licht ist typischerweise polarisiert und die Spiegeleinheit 3 wirkt wie ein Analysator. Zweck des Polarisators 24 ist es daher, die Polarisation zu beeinflussen, um eine gleichmäßige Sichtbarkeit des Nutzlichts zu erzielen. Ein Blendschutz 25 dient dazu, das über die Grenzfläche der Abdeckung 23 reflektierte Licht sicher zu absorbieren, so dass keine Blendung des Betrachters hervorgerufen wird. Außer dem Sonnenlicht SL kann auch das Licht einer anderen Störlichtquelle 64 auf das Anzeigeelement 11 gelangen. In Kombination mit einem Polarisationsfilter kann der Polarisator 24 zusätzlich auch genutzt werden, um einfallendes Sonnenlicht SL auszublenden.The curvature of the curved mirror 22 matches the curvature of the windshield 31 and ensures that the image distortion across the entire eyebox 62 is stable. The curved mirror 22 is rotatably supported by a bearing 221 . The rotation of the curved mirror 22 made possible in this way enables the eyebox 62 to be displaced and thus the position of the eyebox 62 to be adjusted to the position of the eye 61. The folding mirror 21 serves to ensure that the path covered by the bundle of rays SB1 between the display element 11 and the curved mirror 22 is long, and at the same time the optics unit 2 is still compact. The optics unit 2 is delimited from the environment by a transparent cover 23 . The optical elements of the optical unit 2 are thus protected, for example, against dust located in the interior of the vehicle. An optical foil or a polarizer 24 is also located on the cover 23. The light emitted by the display element 11 is typically polarized and the mirror unit 3 acts like an analyzer. The purpose of the polarizer 24 is therefore to influence the polarization in order to achieve uniform visibility of the useful light. A glare shield 25 serves to securely absorb the light reflected through the interface of the cover 23 so that the viewer is not dazzled. In addition to the sunlight SL, the light from another interfering light source 64 can also reach the display element 11 . In combination with a polarization filter, the polarizer 24 can also be used to block out incident sunlight SL.

2 zeigt in schematischer räumlicher Darstellung einen Lichtwellenleiter 5 mit zweidimensionaler Vergrößerung. Im unteren linken Bereich erkennt man ein Einkoppelhologramm 53, mittels dessen von einer nicht dargestellten bildgebenden Einheit kommendes Licht L1 in den Lichtwellenleiter 5 eingekoppelt wird. In diesem breitet es sich in der Zeichnung nach rechts oben aus, entsprechend dem Pfeil L2. In diesem Bereich des Lichtwellenleiters 5 befindet sich ein Falthologramm 51, das ähnlich wie viele hintereinander angeordnete teildurchlässige Spiegel wirkt, und ein in Y-Richtung verbreitertes, sich in X-Richtung ausbreitendes Lichtbündel erzeugt. Dies ist durch drei Pfeile L3 angedeutet. In dem sich in der Abbildung nach rechts erstreckenden Teil des Lichtwellenleiters 5 befindet sich ein Auskoppelhologramm 52, welches ebenfalls ähnlich wie viele hintereinander angeordnete teildurchlässige Spiegel wirkt, und durch Pfeile L4 angedeutet Licht in Z-Richtung nach oben aus dem Lichtwellenleiter 5 auskoppelt. Hierbei erfolgt eine Verbreiterung in X-Richtung, sodaß das ursprüngliche einfallende Lichtbündel L1 als in zwei Dimensionen vergrößertes Lichtbündel L4 den Lichtwellenleiter 5 verläßt. 2 shows a schematic three-dimensional representation of an optical waveguide 5 with a two-dimensional enlargement. A coupling hologram 53 can be seen in the lower left area, by means of which light L1 coming from an imaging unit (not shown) is coupled into the optical waveguide 5 . In this it spreads upwards to the right in the drawing, according to the arrow L2. In this area of the optical waveguide 5 there is a folded hologram 51, which acts in a similar way to many partially transparent mirrors arranged one behind the other, and generates a light beam that is broadened in the Y direction and propagates in the X direction. This is indicated by three arrows L3. In the part of the optical waveguide 5 that extends to the right in the figure, there is a decoupling hologram 52, which also acts like many partially transparent mirrors arranged one behind the other, and decouples light in the Z-direction upwards from the optical waveguide 5, as indicated by arrows L4. This results in widening in the X-direction, so that the originally incident light bundle L1 leaves the optical waveguide 5 as a light bundle L4 that has been enlarged in two dimensions.

3 zeigt in räumlicher Darstellung ein Head-Up-Display mit drei Lichtwellenleitern 5R, 5G, 5B, die übereinanderliegend angeordnet sind und für je eine Elementarfarbe Rot, Grün und Blau stehen. Sie bilden gemeinsam den Lichtwellenleiter 5. Die in dem Lichtwellenleiter 5 vorhandenen Hologramme 51, 52, 53 sind wellenlängenabhängig, sodaß jeweils ein Lichtwellenleiter 5R, 5G, 5B für eine der Elementarfarben verwendet wird. Oberhalb des Lichtwellenleiters 5 sind ein Bildgenerator 1 und eine Optikeinheit 2 dargestellt. Die Optikeinheit 2 weist einen Spiegel 20 auf, mittels dessen das vom Bildgenerator 1 erzeugte und von der Optikeinheit 2 geformte Licht in Richtung des jeweiligen Einkoppelhologramms 53 umgelenkt wird. Der Bildgenerator 1 weist drei Lichtquellen 14R, 14G, 14B für die drei Elementarfarben auf. Man erkennt, daß die gesamte dargestellte Einheit eine im Vergleich zu ihrer lichtabstrahlenden Fläche geringe Gesamtbauhöhe aufweist. 3 shows a three-dimensional representation of a head-up display with three optical waveguides 5R, 5G, 5B, which are arranged one above the other and each represent an elementary color red, green and blue. Together they form the optical waveguide 5. The holograms 51, 52, 53 present in the optical waveguide 5 are wavelength-dependent, so that one optical waveguide 5R, 5G, 5B is used for one of the elementary colors. An image generator 1 and an optical unit 2 are shown above the optical waveguide 5 . The optics unit 2 has a mirror 20 by means of which the light generated by the image generator 1 and shaped by the optics unit 2 is deflected in the direction of the respective coupling hologram 53 . The image generator 1 has three light sources 14R, 14G, 14B for the three elementary colors. It can be seen that the entire unit shown has a low overall height in comparison to its light-emitting surface.

4 zeigt ein Head-Up-Display in einem Kraftfahrzeug ähnlich zu 1, hier allerdings in räumlicher Darstellung und mit einem Lichtwellenleiter 5. Man erkennt den schematisch angedeuteten Bildgenerator 1, der ein paralleles Strahlenbündel SB1 erzeugt, welches mittels der Spiegelebene 523 in den Lichtwellenleiter 5 eingekoppelt wird. Die Optikeinheit ist der Einfachheit halber nicht dargestellt. Mehrere Spiegelebenen 522 reflektieren jeweils einen Teil des auf sie auftreffenden Lichts Richtung Windschutzscheibe 31, der Spiegeleinheit 3. Von dieser wird das Licht Richtung Auge 61 reflektiert. Der Betrachter sieht ein virtuelles Bild VB über der Motorhaube bzw. in noch weiterer Entfernung vor dem Kraftfahrzeug. Auch bei dieser Technologie ist die gesamte Optik in einem Gehäuse verbaut, welches von einer transparenten Abdeckung gegen die Umgebung abgegrenzt ist. 4 shows a head-up display in a motor vehicle similar to 1 , but here in a three-dimensional representation and with an optical waveguide 5. One can see the diagrammatically indicated image generator 1, which generates a parallel bundle of rays SB1, which is coupled into the optical waveguide 5 by means of the mirror plane 523. The optics unit is not shown for the sake of simplicity. A plurality of mirror planes 522 each reflect part of the light striking them in the direction of the windshield 31, the mirror unit 3. The light is reflected in the direction of the eye 61 by this. The viewer sees a virtual image VB above the hood or at an even further distance in front of the motor vehicle. With this technology, too, the entire optics are built into a housing, which is separated from the environment by a transparent cover.

5 zeigt schematisch eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Head-Up-Displays für ein Fahrzeug 70. Zu sehen ist die Windschutzscheibe 31 des Fahrzeugs 70. An deren oberen Ende ist eine Kamera 711 mit einer zugehörigen Auswertelektronik 712 angeordnet. Beide Komponenten zusammen bilden den Augenpositionsdetektor 71. Zu sehen ist weiterhin der Betrachter 60, dessen Kopfposition in der Höhe variabel ist, insbesondere in Abhängigkeit von der Größe des Betrachters 60 und von Bewegungen des Betrachters 60. Je nachdem, wie sich der Betrachter 60 bewegt, ist die Kopfposition auch seitlich variabel. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, den aktiven Teil der Eyebox 62 auf eines der beiden Augen des Betrachters 60 auszurichten, und das andere Auge außerhalb des aktiven Bereichs der Eyebox zu halten. Dazu wird der aktive Teil der Eyebox 62 der Position des Betrachters 60 nachgeführt, damit das eine Auge 61 des Betrachters 60 die vom Head-Up-Display angezeigten Informationen immer optimal sieht. Dazu detektiert der Augenpositionsdetektor 71 die Position PA des Auges 61 des Betrachters 60 und übermittelt diese Information mittels einer ersten Datenleitung 720 an eine Steuereinheit 72. Vorzugsweise wird auch die Position des anderen Auges detektiert, welches sich nicht in dem aktiven Teil der Eyebox 62 befinden soll, und auch diese Information wird an die Steuereinheit 72 übermittelt. Die Steuereinheit 72 ermittelt geeignete Ansteuersignale, die sie mittels einer weiteren Datenleitung 721 an unabhängig voneinander schaltbare Bereiche Nx (mit N=A,B,C,D und x=1,2,3) des Auskoppelhologramms 52 des Lichtwellenleiters 5 weitergibt. Bei der in 5 dargestellten Ausführungsform sind die bildgebende Einheit 1 und der Lichtwellenleiter 5 mechanisch unverrückbar miteinander zu einer Einheit gekoppelt und in einem Gehäuse 73 angeordnet. Das Auskoppelhologramm ist in die schaltbaren Bereiche Nx aufgeteilt, die mittels einer hier durch Pfeile schematisch dargestellten Ansteuermimik 74 durch über die weitere Datenleitung 721 empfangene Ansteuersignale angesteuert wird. 5 shows schematically a first embodiment of a head-up display according to the invention for a vehicle 70. The windshield 31 of the vehicle 70 can be seen. A camera 711 with associated evaluation electronics 712 is arranged at its upper end. Both components together form the eye position detector 71. Also visible is the viewer 60, whose head position is variable in height, in particular depending on the size of the viewer ters 60 and movements of the viewer 60. Depending on how the viewer 60 moves, the head position is also laterally variable. According to the invention, the active part of the eyebox 62 is aimed at one of the two eyes of the viewer 60 and the other eye is kept outside the active area of the eyebox. For this purpose, the active part of the eyebox 62 follows the position of the viewer 60 so that one eye 61 of the viewer 60 always optimally sees the information displayed by the head-up display. For this purpose, the eye position detector 71 detects the position PA of the eye 61 of the viewer 60 and transmits this information to a control unit 72 via a first data line 720. The position of the other eye, which should not be in the active part of the eyebox 62, is preferably also detected , and this information is also transmitted to the control unit 72. The control unit 72 determines suitable control signals, which it forwards by means of a further data line 721 to areas Nx (with N=A,B,C,D and x=1,2,3) of the decoupling hologram 52 of the optical waveguide 5 that can be switched independently of one another. At the in 5 In the illustrated embodiment, the imaging unit 1 and the optical waveguide 5 are mechanically immovably coupled to form a unit and are arranged in a housing 73 . The decoupling hologram is divided into the switchable areas Nx, which are controlled by control signals received via the further data line 721 by means of a control mimic 74 shown here schematically by arrows.

6 zeigt schematisch einen Lichtwellenleiter 5 einer zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Head-Up-Displays. Hier sind schaltbare Bereiche Nx (mit N=A,B,C,D,E und x=1,2,3,4) des Auskoppelhologramms 52 sowie deren Ansteuermimik 74 schematisch gezeigt. Die Segmentierung des Auskoppelhologramms 52 ist hier in Form von rechteckigen Bereichen Nx erfolgt. In der Abbildung sind die schaltbaren Bereiche C3,C4,D3,D4 in einen aktiven Zustand geschaltet, während die anderen schaltbaren Bereiche A1-A4, B1-B4, C1-C2, D1-D2, E1-E4 in einen passiven Zustand geschaltet sind. Der aktive Zustand ist schraffiert angedeutet. Somit wird nur in den im aktiven Zustand befindlichen Bereichen C3,C4,D3,D4 Licht L4 ausgekoppelt, was durch weiße Pfeile angedeutet ist, während bei den anderen Bereichen kein Licht ausgekoppelt wird, und daher keine Pfeile gezeigt sind. 6 shows schematically an optical waveguide 5 of a second embodiment of a head-up display according to the invention. Switchable areas Nx (with N=A,B,C,D,E and x=1,2,3,4) of the decoupling hologram 52 and their control mimic 74 are shown schematically here. The decoupling hologram 52 is segmented here in the form of rectangular areas Nx. In the figure, the switchable areas C3,C4,D3,D4 are switched to an active state, while the other switchable areas A1-A4, B1-B4, C1-C2, D1-D2, E1-E4 are switched to a passive state . The active state is indicated by hatching. Thus, light L4 is coupled out only in the areas C3, C4, D3, D4 that are in the active state, which is indicated by white arrows, while no light is coupled out in the other areas, and therefore no arrows are shown.

Es ist vorgesehen, daß die Auskoppeleffektivität der schaltbaren Bereiche Nx gestuft zwischen einem passiven Zustand mit 0% Auskoppeleffektivität und einem komplett aktiven Zustand mit 100% Auskoppeleffektivität schaltbar sind. Um beispielsweise bei fünf hintereinandergeschalteten Bereichen A1-E1 jeweils 20% des gesamten beim Bereich A1 ankommenden Lichts auszukoppeln wird der Bereich A1 auf eine Auskoppeleffektivität von 20% geschaltet, der Bereich B1 auf eine Auskoppeleffektivität von 25%, der Bereich C1 auf eine Auskoppeleffektivität von 33%, der Bereich D1 auf eine Auskoppeleffektivität von 50% und der Bereich E1 auf eine Auskoppeleffektivität von 100%. Sind, wie im gezeigten Beispiel, drei der fünf hintereinandergeschalteten Bereiche passiv geschaltet, so sind die aktiven Bereiche, hier die Bereiche C3,D3 bzw. C4,D4, auf ein Auskoppeleffektivität von 50% für die Bereiche C3,C4, und auf ein Auskoppeleffektivität von 100% für die Bereiche D3,D4 geschaltet. Die genaue Abstimmung der Koppeleffektivitäten ist in den meisten Anwendungsfällen komplexer, als hier darstellt. Mit entsprechenden Algorithmen kann man sie für jede Eyeboxposition optimal anpassen, so dass optimale Bildhomogenität erreicht wird. Licht, das nicht aus dem Lichtwellenleiter 5 ausgekoppelt wird, bleibt im Lichtwellenleiter 5 gefangen und läuft weiter. Es unterliegt nur Streu- und Absorptionsverlusten. Wenn es bis an die Ränder des Lichtwellenleiters 5 läuft, wird es dort von einer Schwärzung möglichst vollständig absorbiert. It is provided that the decoupling effectiveness of the switchable areas Nx can be switched between a passive state with 0% decoupling effectiveness and a completely active state with 100% decoupling effectiveness. In order, for example, to decouple 20% of the total light arriving at area A1 with five areas A1-E1 connected in series, area A1 is switched to a decoupling effectiveness of 20%, area B1 to a decoupling effectiveness of 25%, area C1 to a decoupling effectiveness of 33 %, area D1 to a decoupling effectiveness of 50% and area E1 to a decoupling effectiveness of 100%. If, as in the example shown, three of the five areas connected in series are switched to passive, the active areas, here areas C3,D3 and C4,D4, are set to a decoupling effectiveness of 50% for the areas C3,C4, and to a decoupling effectiveness switched from 100% for the areas D3,D4. The exact tuning of the coupling efficiencies is more complex in most applications than shown here. With appropriate algorithms, they can be optimally adjusted for each eyebox position, so that optimal image homogeneity is achieved. Light that is not coupled out of the optical waveguide 5 remains trapped in the optical waveguide 5 and continues to travel. It is only subject to scattering and absorption losses. If it runs to the edges of the optical waveguide 5, it is absorbed there by a blackening as completely as possible.

7 zeigt schematisch eine weitere Ausführungsform. Hier sind der Einfachheit halber nur das Einkoppelhologramm 53, das Auskoppelhologramm 52 und das Falthologramm 51 gezeigt. Die Segmentierung von Auskoppelhologramm 52 und Falthologramm 51 in unabhängig voneinander schaltbare Bereiche Nx ist hier streifenförmig ausgeführt. Die Bereiche A0-G0 des Auskoppelhologramms 52 und die Bereiche N1-N5 des Falthologramms 51 kreuzen sich hier im rechten Winkel. Im skizzierten Fall werden die Bereiche N2-N4 des Falthologramms 51 und die Bereiche C0-F0 des Auskoppelhologramms 52 aktiviert, um die Segmente C2-F4, den aktivierten Bereich 75, auszuwählen. Für die Lichteffizienz ist diese Ausführungsform der Erfindung besser als die zu 5 beschriebene, da die vertikale Steuerung über das Falthologramm 51 erfolgt. Somit wird Licht, welches in einer bestimmten vertikalen Position nicht benötigt wird, weil sich das Auge dort nicht befindet, in dieser Position garnicht in das Auskoppelhologramm 52 eingekoppelt, und kann von diesem somit auch nicht an einer Position ausgekoppelt werden, an der es das Auge nicht erreichen kann. 7 shows schematically another embodiment. For the sake of simplicity, only the coupling-in hologram 53, the coupling-out hologram 52 and the folding hologram 51 are shown here. The segmentation of the decoupling hologram 52 and the folding hologram 51 into areas Nx that can be switched independently of one another is in the form of strips here. The areas A0-G0 of the decoupling hologram 52 and the areas N1-N5 of the folding hologram 51 intersect at right angles here. In the case outlined, the areas N2-N4 of the folding hologram 51 and the areas C0-F0 of the decoupling hologram 52 are activated in order to select the segments C2-F4, the activated area 75 . For light efficiency, this embodiment of the invention is better than that to 5 described, since the vertical control takes place via the folding hologram 51. Thus, light that is not required in a certain vertical position because the eye is not there is not coupled into the coupling-out hologram 52 at all in this position, and therefore cannot be coupled out from it at a position where the eye is can not reach.

8 zeigt ein Flußdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Ansteuern eines erfindungsgemäßen Head-Up-Displays. Zunächst erfolgt das Generieren S1 eines anzuzeigenden Bildes B. Dieses wird durch die bildgebende Einheit 1 angezeigt. Es folgt das Erzeugen S2 eines in einem Raumwinkelbereich Ω sichtbaren virtuellen Bildes VB aus dem generierten Bild. Das virtuelle Bild wird mittels der Optikeinheit 2 und der Spiegeleinheit 3 erzeugt. Parallel zu den vorgenannten Verfahrensschritten erfolgt ein Detektieren S3 der Position PA eines Auges 61 der beiden Augen eines Betrachters 60. Das Detektieren S3 erfolgt mittels des Augenpositionsdetektors 71. Mittels der Position PA erfolgt ein Bestimmen S4 des Raumwinkelbereichs ΩA, in dem sich das Auge 61 befindet. Es erfolgt eine Anpassung S5 des Raumwinkelbereichs Ω basierend auf der detektierten Position PA, wobei die Anpassung S5 derart erfolgt, daß der angepaßte Raumwinkelbereich ΩA die Position PA genau eines der Augen 61 des Betrachters 60 enthält, aber nicht diejenige des anderen Auges. Dazu werden Informationen der separat schaltbaren Bereiche Nx weitergegeben, die für den aktuell aktiven Teil der Eyebox 62 relevant sind. Diese werden beim Erzeugen S2 des virtuellen Bildes VB berücksichtigt. 8th shows a flow chart of a method according to the invention for driving a head-up display according to the invention. First, an image B to be displayed is generated S1. This is displayed by the imaging unit 1 . This is followed by the generation S2 of a virtual image VB visible in a solid angle range Ω from the generated image. The virtual image is created using the optics unit 2 and the mirror unit 3 generated. Parallel to the aforementioned method steps, the position PA of an eye 61 of the two eyes of an observer 60 is detected S3. The detection S3 is carried out by means of the eye position detector 71. The position PA is used to determine S4 the solid angle range ΩA in which the eye 61 is located . There is an adjustment S5 of the solid angle range Ω based on the detected position PA, the adjustment S5 being such that the adjusted solid angle range ΩA contains the position PA of exactly one of the eyes 61 of the viewer 60, but not that of the other eye. For this purpose, information from the separately switchable areas Nx that is relevant to the currently active part of the eyebox 62 is passed on. These are taken into account when generating S2 the virtual image VB.

Optional erfolgt ein Verzerren S6 des generierten Bildes B in Abhängigkeit vom angepaßten Raumwinkelbereich ΩA. In diesem Fall wird statt des Wunschbildes, des Bildes B, das verzerrte Bild B' zum Erzeugen S2 des virtuellen Bildes VB verwendet. Im dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt das Verzerren S6 gemäß eines Datensatzes DV, der für eine spezifische optische Komponente bzw. ein spezifisches optisches System erzeugt wurde, und im Head-Up-Display an geeigneter Stelle für die Steuereinheit 72 zugreifbar gespeichert ist.Optionally, the generated image B is distorted S6 as a function of the adjusted solid angle range ΩA. In this case, instead of the desired image, the image B, the distorted image B' is used to generate S2 the virtual image VB. In the exemplary embodiment shown, the distortion S6 takes place according to a data record DV that was generated for a specific optical component or a specific optical system and is stored in the head-up display at a suitable location for the control unit 72 to be accessible.

Die Erfindung betrifft in anderen Worten ein Head-Up-Display für ein Fahrzeug, insbesondere ein AR-Waveguide-HUD mit einfacher Glasqualität und verringertem Bauraumbedarf. Dabei steht AR für Augmented Reality, also beispielsweise eine mit Zusatzinformationen überlagerte Darstellung der Umgebung. Waveguide-HUD steht für ein Head-Up-Display auf Basis von Lichtwellenleitertechnik. AR-Waveguide-HUDs haben sehr hohe Anforderungen an die benötigte Glasqualität für den Lichtwellenleiter und beanspruchen physikalisch bedingt große Aperturen für große Bildwinkel und Projektionsdistanzen. Für die benötigte Glasqualität für die Waveguides, die Lichtwellenleiter, ist mechanisches Polieren notwendig und sehr kostenaufwendig, und der Bauraumbedarf der Komponente ist in klarem Konflikt mit anderen Komponenten im Systemdesign. Gesucht ist eine Lösung zum Ermöglichen von AR-Funktionalitäten für HUDs in einem marktfähigen Bauraum- und Kostenrahmen. Erfindungsgemäß wird das HUD mit Head-/Eyetracking kombiniert und Verzeichnungen dabei dynamisch kompensiert. Das Bild wird dabei nur einem Auge zugeführt. Der Teil der Auskopplung, die für das andere Auge sichtbar wäre, wird unterdrückt. Diese Lösung hat unter anderem folgende Vorteile: Es wird nur eine geringere Glasqualität benötigt, da Verzeichnungen elektronisch kompensiert werden können. Die erreichbare Kompensationsqualität ist besser, als sie rein durch eine Modulation des Auskoppelgitters 52 erreicht werden könnte. Es ist erfindungsgemäß auch nicht erforderlich, das Auskoppelhologramm 52 genau auf jedes Fahrzeugderivat anzupassen, die Unterschiede sind über die elektronische Korrektur aufzufangen. Es besteht auch die Möglichkeit, die optische Verzeichnungskorrektur so gering zu halten, daß die Dispersionseffekte so gering sind, daß eine LED-Projektionseinheit verwendet werden kann. Dadurch, daß nur ein Auge mit einem Bild versorgt wird, ist die für die gleiche Bildgröße erforderliche Apertur etwa einen Augenabstand schmaler. Es entstehen keine stereoskopischen Tiefenreize, die einen Konflikt der stereoskopischen Distanz und der gewünschten scheinbaren Distanz der virtuellen Bilddarstellung hervorruft. Mit einem Kamerasystem wird die Augenposition des Fahrers bestimmt. Eine Steuereinheit 72 verzerrt die dargestellte Bildinformation so, daß das virtuelle Bild VB aus der Position des Betrachterauges unverzerrt erscheint. Gleichzeit wird das schaltbare Auskoppelgitter 52 so angesteuert, daß für die ermittelte Position des anderen Auges keine Bilddarstellung erfolgt. Die Darstellung erfolgt auf jeden Fall so, daß kein Überlapp der von beiden Augen wahrgenommenen virtuellen Bilder besteht. Es lassen sich auch vereinfachte Varianten realisieren mit mechanischen oder auf Flüssigkristall oder auf SmartGlass basierten Blenden zur Einschränkung der Darstellung für das andere Auge. Obwohl die beschriebenen Ausführungsbeispiele hauptsächlich auf Head-Up-Displays bezogen sind, die auf Lichtleitertechnologie beruhen, läßt sich die erfindungsgemäße Idee auch auf Head-Up-Displays adaptieren, die auf anderen Technologien beruhen.In other words, the invention relates to a head-up display for a vehicle, in particular an AR waveguide HUD with simple glass quality and reduced installation space requirements. AR stands for Augmented Reality, for example a representation of the environment superimposed with additional information. Waveguide HUD stands for a head-up display based on fiber optic technology. AR waveguide HUDs have very high demands on the required glass quality for the optical waveguide and, for physical reasons, require large apertures for large angles of view and projection distances. The required glass quality for the waveguides requires mechanical polishing and is very expensive, and the space requirements of the component are in clear conflict with other components in the system design. A solution is sought to enable AR functionalities for HUDs within a marketable installation space and cost framework. According to the invention, the HUD is combined with head/eye tracking and distortions are dynamically compensated for. The image is fed to only one eye. The part of the coupling that would be visible to the other eye is suppressed. This solution has the following advantages, among others: Only a lower glass quality is required, since distortions can be electronically compensated. The compensation quality that can be achieved is better than could be achieved purely by modulating the outcoupling grating 52 . According to the invention, it is also not necessary to adapt the decoupling hologram 52 precisely to each vehicle derivative; the differences are to be compensated for via the electronic correction. There is also the possibility of keeping the optical distortion correction so small that the dispersion effects are so small that an LED projection unit can be used. Because only one eye is supplied with an image, the aperture required for the same image size is approximately one eye relief narrower. There are no stereoscopic depth stimuli that would cause a conflict between the stereoscopic distance and the desired apparent distance of the virtual image display. The driver's eye position is determined with a camera system. A control unit 72 distorts the displayed image information in such a way that the virtual image VB appears undistorted from the position of the observer's eye. At the same time, the switchable decoupling grid 52 is controlled in such a way that no image is displayed for the determined position of the other eye. In any case, the representation is carried out in such a way that there is no overlap between the virtual images perceived by both eyes. Simplified variants can also be implemented with mechanical or liquid crystal or SmartGlass-based screens to limit the display for the other eye. Although the exemplary embodiments described relate mainly to head-up displays that are based on light guide technology, the idea according to the invention can also be adapted to head-up displays that are based on other technologies.

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

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US2014232746A1 [0008]

Claims

Head-up display for a vehicle (70), comprising: - an eye position detector (71) which detects the position of an eye (61) of a viewer (60) in real time; - An imaging unit (1) for generating an image; - an optical unit (2) - An optical element (5,31), which is set up to influence the direction of the imaging unit (1) generated light (SB1); and - a control unit (72) which is set up to control the optical element (5, 31) as a function of an eye position detected by the eye position detector (71), the control unit (72) being set up to control the image generated by the imaging unit (1st ) to direct generated light (SB1) exclusively to the detected position of one of the eyes (61) of the viewer (60) and to suppress it for the other eye.

Head-up display according to claim 1 , wherein the optical element is a windscreen (31) or a lens or an optical fiber (5,5R,5G,5B) or an exit pupil enlarger.

Head-up display according to claim 2 , wherein the optical waveguide is a two-dimensionally multiplying optical waveguide (5, 5R, 5G, 5B) for expanding an exit pupil with an in-coupling hologram (53), a folding hologram (51) and an out-coupling hologram (52), with at least one of these holograms being independent of one another switchable areas (Nx) is divided.

Method for driving a head-up display according to any one of the preceding claims, comprising - generating (S1) an image (B); - Generating (S2) in a solid angle range (Ω) visible virtual image (VB) from the generated image (B); - detecting (S3) the position (PA) of an eye (61) of a viewer (60); - Adjustment (S5) of the solid angle range (Ω) based on the detected position (PA), the adjustment (S5) being carried out in such a way that the adjusted solid angle range (ΩA) corresponds to the position (PA) of exactly one of the eyes (61) of the observer ( 60) and not that of the other eye.

procedure according to claim 4 , further comprising - distortion (S6) of the generated image (B) as a function of the adjusted solid angle range (ΩA).

procedure according to claim 5 , wherein the distorting (S6) takes place according to a data set (DV) generated for a specific optical component.

Data set (DV) which is generated for a specific optical component and which, when fed into a control unit (72) of a head-up display according to any one of Claims 1 - 3 is loaded, this causes the method according to one of Claims 4 - 6 to execute.