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Die vorliegende Erfindung betrifft eine autostereoskopische Anzeigevorrichtung, insbesondere eine autostereoskopische Anzeigevorrichtung zur Verwendung in einem Fortbewegungsmittel. Die Erfindung betrifft zudem ein Display, insbesondere ein Head-Up-Display, das eine solche autostereoskopische Anzeigevorrichtung aufweist.
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In modernen Kraftfahrzeugen wird für den Fahrer oder die weiteren Fahrzeuginsassen eine zunehmende Fülle von Informationen bereitgestellt, die weit über die Anzeige des Fahrzeugzustands hinausgeht. Herkömmliche Kombinationsinstrumente werden daher mehr und mehr durch frei programmierbare, digitale Anzeigen ersetzt. Allerdings muss dafür Sorge getragen werden, dass dem Fahrer eine effektive Interaktion mit dem Fahrzeug ermöglicht wird, ohne dass der Fahrer von der Straße abgelenkt wird.
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Eine Möglichkeit zur Informationsvermittlung besteht in der Anzeige von Informationen mit dreidimensionalen Effekten mittels eines 3D-Displays. 3D-Displays erleichtern die effektive Darstellung von Informationen für den Fahrer, insbesondere während des Betriebs des Fahrzeugs. Dies steigert die Sicherheit des Fahrzeugbetriebs beim Betrachten von Informationen.
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Ein Typ von 3D-Displays sind autostereoskopische Displays, die es dem Betrachter ermöglichen, 3D-Bilder ohne die Verwendung zusätzlicher Hilfsmittel zu betrachten. Autostereoskopische Displays basieren auf einer richtungsabhängigen Bilderzeugung durch das Display. Diese erlaubt es, für jedes Auge des Betrachters ein separates Bild darzustellen. Werden nun zwei Bilder einer Szene aus leicht verschiedenen horizontalen Positionen eingespielt, erzeugt dies bei der Betrachtung einen dreidimensionalen Eindruck der Szene. Die Richtungsabhängigkeit der Bilddarstellung kann beispielsweise durch die Verwendung einer Parallaxenbarriere realisiert werden, die vor oder hinter einer Flüssigkristallanzeige angeordnet ist.
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In diesem Zusammenhang beschreibt
DE 10 2019 213 764 A1 ein stereoskopisches Display, bei dem einem Beobachter für das rechte Auge ein erstes Teilbild und für das linke Auge ein zweites Teilbild angezeigt werden. Das erste und zweite Teilbild bestehen jeweils aus Streifen, wobei jeweils ein Streifen des ersten Teilbildes an einen Streifen des zweiten Teilbildes angrenzt. Blenden verhindern dabei weitgehend eine Wahrnehmbarkeit des ersten Teilbildes durch das linke Auge eine Wahrnehmbarkeit des zweiten Teilbildes durch das rechte Auge.
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Solche nicht-selbstleuchtenden transmissiven Displays benötigen zur Bilddarstellung eine Hintergrundbeleuchtung. Die Aufgabe der Hintergrundbeleuchtung (englisch: Backlight) ist es dabei, das Display so gleichförmig wie möglich über die gesamte aktive Fläche zu beleuchten, um eine möglichst homogene Anzeige bis in den Randbereich zu erzeugen. Eine maximal helle Anzeige wird dabei erreicht, indem die Ausrichtung einer Flüssigkristallschicht des Displays in Kombination mit der Ausrichtung von Polfiltern eine maximale Transmission zulässt.
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Beim Einsatz von Parallaxenbarrieren in Kombination mit Flüssigkristallanzeigen wird durch eine Abschattung der Flüssigkristallzellen die Helligkeit signifikant reduziert. Um den Helligkeitsverlust auszugleichen, muss die Leistung der Hintergrundbeleuchtung erhöht werden, was zu einer erhöhten Leistungsaufnahme und Wärmeentwicklung führt.
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Um die Lichtverluste zu kompensieren und damit die Leistungsaufnahme und den Wärmeeintrag zu reduzieren, kann die Parallaxenbarriere derart ausgestaltet werden, dass der relevante Lichtanteil von der Parallaxenbarriere auf der Seite der Hintergrundbeleuchtung reflektiert und somit wieder der Beleuchtung zugeführt wird.
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Beispielsweise beschreibt
KR 101 322 733 B1 eine 3D-Bildanzeigevorrichtung mit einem Anzeigepanel, einer Hintergrundbeleuchtung und einer Parallaxenbarriere. An der Parallaxenbarriere ist eine reflektierende Schicht angebracht, die das von der Hintergrundbeleuchtung einfallende Licht auf das Anzeigepanel reflektiert.
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Ein weiteres Problem, insbesondere bei Displays für die Verwendung im automobilen Umfeld, ist der Wärmeeintrag durch einfallendes Sonnenlicht.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte autostereoskopische Anzeigevorrichtung bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird durch eine autostereoskopische Anzeigevorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung weist eine autostereoskopische Anzeigevorrichtung auf:
- - eine Hintergrundbeleuchtung;
- - ein Anzeigepanel; und
- - zumindest eine auf einer Ausgangsseite der autostereoskopischen Anzeigevorrichtung angeordnete erste Parallaxenbarriere, wobei die erste Parallaxenbarriere schaltbare reflektierende Elemente (129 aufweist und ausgestaltet ist, von außen einfallendes Störlicht zumindest teilweise zu reflektieren.
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Erfindungsgemäß ist auf der Ausgangsseite der autostereoskopischen Anzeigevorrichtung, also zwischen dem Anzeigepanel und dem Betrachter, eine Parallaxenbarriere angeordnet. Diese Parallaxenbarriere ist zumindest auf der dem Betrachter zugewandten Seite reflektierend ausgestaltet. Durch die Parallaxenbarriere bzw. die Strukturen der Parallaxenbarriere wird von außen einfallendes störendes Licht, insbesondere Sonnenlicht, daher zu einem Teil reflektiert. Auf diese Weise verringert sich der Anteil des einfallenden Lichts, der vom Anzeigepanel absorbiert wird, sodass sich die Wärmeaufnahme des Anzeigepanels signifikant reduziert.
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Die Parallaxenbarriere weist schaltbare reflektierende Elemente auf. Beispielsweise können die schaltbaren reflektierenden Elemente auf Basis von Flüssigkristallen oder als festkörper-basierte spiegelnde Filme realisiert sein. Schaltbare reflektierende Elemente, insbesondere Spiegel mit einer schaltbaren Reflektivität, haben den Vorteil, dass sie eine schnelle und flexible Anpassung der Parallaxenbarriere an eine Betrachterposition ermöglichen, indem lediglich durch eine Steuerung einzelne Elemente nach Bedarf in einen reflektiven oder transparenten Zustand geschaltet werden.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist auf einer Beleuchtungsseite der autostereoskopischen Anzeigevorrichtung eine zweite Parallaxenbarriere angeordnet, die ausgestaltet ist, Licht der Hintergrundbeleuchtung zumindest teilweise zu reflektieren. Durch den Einsatz einer reflektierenden Struktur als zweite Parallaxenbarriere wird der nicht benötigte Lichtanteil auf der Beleuchtungsseite reflektiert und kann wiederverwendet werden, anstatt in Wärme in der Anzeigevorrichtung umgewandelt zu werden. Dies erhöht die Effizienz der Hintergrundbeleuchtung.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung weist die zweite Parallaxenbarriere reflektierende Elemente auf. Durch die Verwendung reflektierender Elemente lässt sich besonders einfach eine gewünschte Reflektivität der Parallaxenbarriere erzielen.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung werden die reflektierenden Elemente durch eine Beschichtung auf einem Substrat gebildet. Auf diese Weise ist eine einfache Herstellung der Parallaxenbarrieren gewährleistet, da lediglich unter Verwendung geeigneter Masken eine Beschichtung auf ein ebenes Substrat aufgebracht werden muss.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung sind die reflektierenden Elemente aus Aluminium oder Chrom gefertigt. Beide Materialen sind preisgünstig, lassen sich leicht verarbeiten und erlauben eine Herstellung von Strukturen mit hoher Reflektivität, sodass die Materialien gut für die vorliegende Anwendung geeignet sind.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung sind die reflektierenden Elemente schaltbar ausgestaltet. Schaltbare reflektierende Elemente, insbesondere Spiegel mit einer schaltbaren Reflektivität, haben den Vorteil, dass sie eine flexible Anpassung der Parallaxenbarrieren an eine Betrachterposition ermöglichen. Aufgrund der kurzen erreichbaren Schaltzeiten sind sie für schnelle Anpassungen geeignet. Zudem lassen sie sich kostengünstig realisieren. Beispielsweise können die reflektierenden Elemente auf Basis von Flüssigkristallen oder als festkörper-basierte spiegelnde Filme realisiert sein.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist das Anzeigepanel eine Flüssigkristallanzeige. Flüssigkristallanzeigen zeichnen sich durch einen geringen Energieverbrauch aus und sind preiswert auf dem Markt verfügbar. Zudem liegen umfangreiche Erfahrungen mit dem Einsatz von Flüssigkristallanzeigen in autostereoskopischen Anzeigevorrichtungen vor.
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Vorzugsweise wird eine erfindungsgemäße autostereoskopische Anzeigevorrichtung in einem Display für ein Fortbewegungsmittel eingesetzt, insbesondere in einem Head-Up-Display für ein Fortbewegungsmittel, beispielsweise ein Kraftfahrzeug. Da bei Fortbewegungsmitteln regelmäßig der Einfall von Sonnenlicht zu erwarten ist, ist der durch die ausgangsseitig angeordnete Parallaxenbarriere erzielte Wärmeschutz besonders vorteilhaft. Insbesondere bei der Verwendung in einem Head-Up-Display, das aufgrund der Einbausituation einer starken Sonneneinstrahlung ausgesetzt ist, kann der Einsatz einer reflektierenden Parallaxenbarriere die Absorption von Sonnenstrahlung durch das Anzeigepanel und damit den Wärmeeintrag deutlich verringern. Grundsätzlich ist die Verwendung einer erfindungsgemäßen autostereoskopischen Anzeigevorrichtung bei allen Anwendungen vorteilhaft, bei denen Energieeffizienz und Wärmemanagement eine wichtige Rolle spielen.
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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 einen Schnitt durch eine autostereoskopische Anzeigevorrichtung gemäß dem Stand der Technik;
- 2 zeigt schematisch einen Schnitt durch eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen autostereoskopischen Anzeigevorrichtung;
- 3 zeigt schematisch einen Schnitt durch eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen autostereoskopischen Anzeigevorrichtung;
- 4 zeigt schematisch einen Schnitt durch eine erste Ausführungsform einer ausgangsseitig angeordneten Parallaxenbarriere;
- 5 zeigt schematisch einen Schnitt durch eine zweite Ausführungsform einer ausgangsseitig angeordneten Parallaxenbarriere; und
- 6 zeigt schematisch ein Head-Up-Display für ein Kraftfahrzeug.
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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 schematisch einen Schnitt durch eine autostereoskopische Anzeigevorrichtung 1 gemäß dem Stand der Technik. Die autostereoskopische Anzeigevorrichtung 1 hat eine Hintergrundbeleuchtung 10, ein Anzeigepanel 11 und eine Parallaxenbarriere 13. Bei dem Anzeigepanel 11 kann es sich beispielsweise um eine Flüssigkristallanzeige handeln. Bei der Parallaxenbarriere 13 handelt es sich um eine periodische Anordnung von abwechselnd durchsichtigen und undurchsichtigen Strukturen. Im dargestellten Beispiel ist die Parallaxenbarriere 13 auf einer Beleuchtungsseite BS zwischen der Hintergrundbeleuchtung 10 und dem Anzeigepanel 11 angeordnet. Die Strukturen der Parallaxenbarriere 13 sorgen dafür, dass das von den Pixeln des Anzeigepanels 11 ausgehende Licht nur in bestimmten Richtungen zu den Augen des Betrachters gelangen kann. Bei einer geeigneten Wahl des Abstands der Parallaxenbarriere 13 vom Anzeigepanel 11 und des Abstands zwischen den Strukturen können jedem Auge des Betrachters separate Pixel des Anzeigepanels 11 zugeordnet werden. Dies ermöglicht es, dem Augenpaar unterschiedliche Bilder zu Verfügung stellen, was in 1 durch die gestrichelten und die durchgezogenen Pfeile angedeutet ist, sodass der Betrachter ein dreidimensionales Bild wahrnimmt.
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Die undurchsichtigen Strukturen der Parallaxenbarriere 13 wirken in der Regel absorbierend auf das einfallende Licht, wodurch ein Teil des Lichts HL der Hintergrundbeleuchtung 10 in Wärme umgewandelt wird und somit verloren geht. Dieser Wärmeeintrag muss abgeführt werden. Um den Helligkeitsverlust auszugleichen, muss zudem die Leistung der Hintergrundbeleuchtung erhöht werden, was wiederum zu einer erhöhten Leistungsaufnahme und Wärmeentwicklung führt.
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2 zeigt schematisch einen Schnitt durch eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen autostereoskopische Anzeigevorrichtung 1. Die autostereoskopische Anzeigevorrichtung 1 hat eine Hintergrundbeleuchtung 10, ein Anzeigepanel 11 und eine erste Parallaxenbarriere 12. Die Parallaxenbarriere 12 ist auf einer Ausgangsseite AS zwischen dem Anzeigepanel 11 und dem Betrachter angeordnet. Diese Parallaxenbarriere 12 ist zumindest auf der dem Betrachter zugewandten Seite reflektierend ausgestaltet. Durch die Parallaxenbarriere 12 bzw. die Strukturen der Parallaxenbarriere 12 wird von außen einfallendes störendes Licht SL, insbesondere Sonnenlicht, daher zu einem Teil reflektiert. Auf diese Weise verringert sich der Anteil des einfallenden Lichts SL, der vom Anzeigepanel 11 absorbiert wird, sodass sich die Wärmeaufnahme des Anzeigepanels 11 signifikant reduziert. Die eigentliche Funktion der Parallaxenbarriere 12 wird hierdurch nicht beeinflusst.
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3 zeigt schematisch einen Schnitt durch eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen autostereoskopische Anzeigevorrichtung 1. Die Ausführungsform ist weitgehend identisch mit der in 2 gezeigten Ausführungsform, allerdings ist auf der Beleuchtungsseite BS zwischen der Hintergrundbeleuchtung 10 und dem Anzeigepanel 11 eine zweite Parallaxenbarriere 13 angeordnet. Diese zweite Parallaxenbarriere 13 verwendet anstelle von absorbierenden Strukturen reflektierende Strukturen, z.B. aus Aluminium oder Chrom etc. Auch diese Strukturen beeinflussen die eigentliche Funktion der Parallaxenbarriere 13 nicht, jedoch kann das nicht genutzte Licht HL der Hintergrundbeleuchtung 10 zurück zur Lichtquelle gelangen und durch mehrfach Reflektion oder Streuung wiederverwendet werden. Die Kombination einer ausgangsseitigen ersten Parallaxenbarriere 12 und einer beleuchtungsseitigen zweiten Parallaxenbarriere 13 bietet sowohl den Vorteil einer besseren Effizienz als auch einen verbesserten Wärmeschutz.
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4 zeigt schematisch einen Schnitt durch eine erste Ausführungsform einer ausgangsseitig angeordneten Parallaxenbarriere 12. Die Parallaxenbarriere 12 weist eine Mehrzahl von reflektierenden Elementen 120 auf. Diese werden in der gezeigten Ausführungsform durch eine Beschichtung 121 gebildet, die auf ein Substrat 122 aufgebracht ist. Beispielsweise kann es sich um eine Beschichtung 121 aus Aluminium oder Chrom handeln, die unter Verwendung einer geeigneten Maske auf das Substrat 122 aufgebracht wurde. Zur Anpassung der Parallaxenbarriere 12 an eine Betrachterposition kann gegebenenfalls die Position der Parallaxenbarriere 12 nachgeführt werden. Die gegebenenfalls beleuchtungsseitig angeordnete Parallaxenbarriere kann analog ausgestaltet sein.
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5 zeigt schematisch einen Schnitt durch eine zweite Ausführungsform einer ausgangsseitig angeordneten Parallaxenbarriere 12. Die Parallaxenbarriere 12 weist wie zuvor eine Mehrzahl von reflektierenden Elementen 120 auf. Diese sind in der gezeigten Ausführungsform allerdings schaltbar ausgestaltet. Beispielsweise können die reflektierenden Elemente 120 auf Basis von Flüssigkristallen oder als festkörper-basierte spiegelnde Filme realisiert sein. Schaltbare reflektierende Elemente 120, insbesondere Spiegel mit einer schaltbaren Reflektivität, haben den Vorteil, dass sie eine schnelle und flexible Anpassung der Parallaxenbarriere 12 an eine Betrachterposition ermöglichen, indem lediglich durch eine Steuerung 16 einzelne Elemente 120 nach Bedarf in einen reflektiven oder transparenten Zustand geschaltet werden. Wie zuvor kann die gegebenenfalls beleuchtungsseitig angeordnete Parallaxenbarriere analog ausgestaltet sein.
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6 zeigt eine Prinzipskizze eines Head-Up-Displays für ein Kraftfahrzeug, in dem als bildgebende Einheit eine erfindungsgemäße autostereoskopische Anzeigevorrichtung 1 verbaut ist. Das Head-Up-Display weist neben der autostereoskopischen Anzeigevorrichtung 1 eine Optikeinheit 14 auf. Vom Anzeigepanel 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 14 und Spiegeleinheit 2 ist das virtuelle Bild VB eine vergrößerte Darstellung des vom Anzeigepanel 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 221 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 Anzeigepanel 11 und gekrümmtem Spiegel 22 lang ist, und gleichzeitig die Optikeinheit 14 dennoch kompakt ausfällt. Die autostereoskopische Anzeigevorrichtung 1 und die Optikeinheit 14 werden durch ein Gehäuse 15 mit einer transparenten Abdeckscheibe 23 gegen die Umgebung abgegrenzt. Die optischen Elemente der Optikeinheit 14 sind somit beispielsweise gegen im Innenraum des Fahrzeugs befindlichen Staub geschützt. Auf der Abdeckscheibe 23 kann sich weiterhin eine optische Folie bzw. ein Polarisator 24 befinden. Das Anzeigepanel 11 ist typischerweise polarisiert und die Spiegeleinheit 2 wirkt wie ein Analysator. Zweck des Polarisators 24 ist es daher, die Polarisation zu beeinflussen, um eine gleichmäßige Sichtbarkeit des Nutzlichts zu erzielen. Eine auf der Abdeckscheibe 23 angeordnete Abdeckanordnung 25 dient dazu, das über die Grenzfläche der Abdeckscheibe 23 reflektierte Licht sicher zu absorbieren, sodass keine Blendung des Betrachters hervorgerufen wird. Außer dem Störlicht SL der Sonne kann auch das Licht einer anderen Störlichtquelle 5 auf das Anzeigeelement 11 gelangen. Durch die reflektierende Parallaxenbarriere der autostereoskopischen Anzeigevorrichtung wird der Wärmeeintrag durch das Störlicht in das Anzeigepanel 11 reduziert.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Autostereoskopische Anzeigevorrichtung
- 2
- Spiegeleinheit
- 3
- Betrachter
- 4
- Eyebox
- 5
- Störlichtquelle
- 10
- Hintergrundbeleuchtung
- 11
- Anzeigepanel
- 12
- Erste Parallaxenbarriere
- 120
- Reflektierendes Element
- 121
- Beschichtung
- 122
- Substrat
- 13
- Zweite Parallaxenbarriere
- 14
- Optikeinheit
- 15
- Gehäuse
- 16
- Steuerung
- 20
- Windschutzscheibe
- 21
- Faltspiegel
- 22
- Gekrümmter Spiegel
- 221
- Lagerung
- 23
- Abdeckscheibe
- 24
- Optische Folie/Polarisator
- 25
- Abdeckanordnung
- AS
- Ausgangsseite
- BS
- Beleuchtungsseite
- HL
- Licht der Hintergrundbeleuchtung
- SB1, SB2
- Strahlenbündel
- SL
- Störlicht
- VB
- Virtuelles Bild
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102019213764 A1 [0005]
- KR 101322733 B1 [0009]
