DE102022210445A1 - Display device with diffuser - Google Patents

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Christian Junge
Andreas Kolloch
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anzeigeeinrichtung (1) mit einer Beleuchtungseinheit (2), einem Diffusor (3) und einem Anzeigepaneel (4). Der Diffusor (3) weist ein Mikrolinsenarray (30) mit einer Vielzahl von Mikrolinsen (31) auf. Die Geometrie der Mikrolinsen (31) variiert dabei über die Fläche des Mikrolinsenarrays (30) derart, dass das Mikrolinsenarray (30) eine Diffusorfunktion und eine übergeordnete Linsenfunktion aufweist.The present invention relates to a display device (1) with a lighting unit (2), a diffuser (3) and a display panel (4). The diffuser (3) has a microlens array (30) with a plurality of microlenses (31). The geometry of the microlenses (31) varies over the area of the microlens array (30) such that the microlens array (30) has a diffuser function and a higher-level lens function.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anzeigeeinrichtung mit einer Beleuchtungseinheit, einem Diffusor und einem Anzeigepaneel.The present invention relates to a display device with a lighting unit, a diffuser and a display panel.

Mikrolinsenarrays kommen in vielfältigen Anwendungsfällen als optische Elemente zum Einsatz. Die Mikrolinsen sind hierbei meistens in einem regelmäßigen Raster angeordnet und folgen an jeder Position des Rasters der gleichen Linsengeometrie. Passiert ein geordnetes Lichtbündel ein solches Mikrolinsenarray, lässt sich über die Geometrie der Mikrolinsenoberfläche eine maßgeschneiderte Lichtverteilung erzeugen, die der eines Diffusorfilms ähnelt.Microlens arrays are used as optical elements in a variety of applications. The microlenses are usually arranged in a regular grid and follow the same lens geometry at every position of the grid. If an ordered light bundle passes through such a microlens array, the geometry of the microlens surface can be used to create a tailored light distribution that is similar to that of a diffuser film.

Beispielsweise beschreibt DE 196 30 736 B4 einen Projektionsschirm für ein Rückwärtsprojektions-Fernsehgerät, umfassend eine Fresnel-Linse mit kreisförmigen Unterteilungen zum Fokussieren einfallenden Bildlichts in das Zentrum der optischen Achse des Projektionsschirms, und ein optisches Diffusorteil mit einem Linsenrasterabschnitt, um das von der Fresnel-Linse empfangene Bildlicht diffus zu machen.For example describes DE 196 30 736 B4 a projection screen for a rear projection television, comprising a Fresnel lens having circular divisions for focusing incident image light into the center of the optical axis of the projection screen, and an optical diffuser member having a lenticular portion for diffusing the image light received by the Fresnel lens.

US 2018/0149860 A1 beschreibt eine optische Abtastkontrollvorrichtung. Die optische Abtastkontrollvorrichtung umfasst eine Abtasteinheit, die so konfiguriert ist, dass sie von einem Laser emittiertes Licht abtastet, und einen Bildschirm, auf dem das von der Abtasteinheit abgetastete Licht ein Bild bildet. Eine Vielzahl von Mikrolinsen ist in einem Array auf einer Oberfläche von mindestens einer Lichteintrittsseite und einer Lichtaustrittsseite des Bildschirms angeordnet. Die Mikrolinsen sind dabei so angeordnet, dass die Mittenabstände in mindestens einer von einer ersten Richtung und einer zweiten Richtung orthogonal zur ersten Richtung zufällig sind. US 2018/0149860 A1 describes an optical scanning control device. The optical scanning control device includes a scanning unit configured to scan light emitted from a laser, and a screen on which the light scanned by the scanning unit forms an image. A plurality of microlenses are arranged in an array on a surface of at least one light entry side and one light exit side of the screen. The microlenses are arranged in such a way that the center distances are random in at least one of a first direction and a second direction orthogonal to the first direction.

In Head-up-Displays wird neben der Diffusoreigenschaft oft auch eine globale Linsenfunktion benötigt. Diese wird üblicherweise über eine Linse auf einer zusätzlichen Fläche realisiert. Die Linse kann dabei als dicke Linse oder auch als Fresnellinse ausgeführt sein. Bei diesem Ansatz besteht allerdings eine Herausforderung darin, dass nicht in jedem System entsprechend viele Flächen zur Verfügung stehen und dann zusätzliche Bauteile mit entsprechenden Mehrkosten und Effizienzverlusten eingeführt werden müssen.In addition to the diffuser property, head-up displays often also require a global lens function. This is usually implemented using a lens on an additional surface. The lens can be designed as a thick lens or as a Fresnel lens. However, one challenge with this approach is that not every system has enough surfaces available and additional components must then be introduced, with corresponding additional costs and efficiency losses.

Ein weiterer Ansatz besteht darin, ein Mikrolinsenarray mit einer dicken Linse zu kombinieren, indem die Struktur des Mikrolinsenarrays auf einer dicken Linse angeordnet ist und der Oberflächenkrümmung der Linse folgt. Allerdings ist eine dicke Linse komplex in der Herstellung, was mit erhöhten Kosten einhergeht.Another approach is to combine a microlens array with a thick lens by arranging the microlens array structure on a thick lens and following the surface curvature of the lens. However, a thick lens is complex to manufacture, which results in increased costs.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine alternative Lösung für eine Anzeigeeinrichtung mit einem Diffusor bereitzustellen, bei der der Diffusor neben der Diffusoreigenschaft auch eine Linsenfunktion aufweist.It is an object of the invention to provide an alternative solution for a display device with a diffuser, in which the diffuser also has a lens function in addition to the diffuser property.

Diese Aufgabe wird durch eine Anzeigeeinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.This object is achieved by a display device having the features of claim 1. Preferred embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung weist eine Anzeigeeinrichtung eine Beleuchtungseinheit, einen Diffusor und ein Anzeigepaneel auf. Der Diffusor weist ein Mikrolinsenarray mit einer Vielzahl von Mikrolinsen auf. Dabei variiert die Geometrie der Mikrolinsen über die Fläche des Mikrolinsenarrays derart, dass das Mikrolinsenarray eine Diffusorfunktion und eine übergeordnete Linsenfunktion aufweist.According to one aspect of the invention, a display device has a lighting unit, a diffuser and a display panel. The diffuser has a microlens array with a plurality of microlenses. The geometry of the microlenses varies over the surface of the microlens array such that the microlens array has a diffuser function and a higher-level lens function.

Bei der erfindungsgemäßen Lösung wird ein Diffusor verwendet, der eine Diffusorfunktion und eine globale Linsenfunktion in einer vorzugsweise planen Oberfläche vereint. Basis dieses Diffusors ist ein Mikrolinsenarray mit einer Vielzahl von Mikrolinsen. Durch die Auswahl der Geometrie der Mikrolinsen wird für einfallendes Licht die gewünschte Aufweitung der Lichtverteilung erzeugt. Die globale Linsenfunktion wird dadurch erreicht, dass die Geometrie der Mikrolinsen lokal variiert, d.h. von der Lage der jeweiligen Mikrolinse im Mikrolinsenarray abhängig ist. Da zwei Funktionen in einer Komponente vereinigt sind, wird eine Optimierung der Anzeigeeinrichtung hinsichtlich Komplexität und Kosten erreicht. Durch eine geeignete Auswahl der Geometrie der einzelnen Mikrolinsen lässt sich eine fast beliebige globale Linse erzeugen. Der Gedanke dabei ist, dass man für eine beliebige Geometrie der Oberfläche der globalen Linsen jeweils die lokale, zweidimensionale Steigung im Mittelpunkt der Apertur ermittelt, die durch die zugehörige Mikrolinse definiert ist, und die Geometrie der jeweiligen Mikrolinse entsprechend der ermittelten Steigung wählt. Auf diese Weise wird die globale Linse der Lichtverteilung des Mikrolinsenarray sozusagen aufgeprägt.The solution according to the invention uses a diffuser that combines a diffuser function and a global lens function in a preferably flat surface. The basis of this diffuser is a microlens array with a large number of microlenses. By selecting the geometry of the microlenses, the desired widening of the light distribution is created for incident light. The global lens function is achieved by locally varying the geometry of the microlenses, i.e. depending on the position of the respective microlens in the microlens array. Since two functions are combined in one component, the display device is optimized in terms of complexity and cost. By appropriately selecting the geometry of the individual microlenses, almost any global lens can be created. The idea here is that for any geometry of the surface of the global lenses, the local, two-dimensional slope at the center of the aperture defined by the associated microlens is determined and the geometry of the respective microlens is selected according to the determined slope. In this way, the global lens is, so to speak, impressed on the light distribution of the microlens array.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung sind die Mikrolinsen Ausschnitte einer Linse und die globale Linsenfunktion wird erzielt, indem die jeweilige Lage des Ausschnitts in Bezug auf ein Zentrum der Linse über die Fläche des Mikrolinsenarrays variiert. Beispielsweise kann die Linse die Form einer Kugellinse aufweisen. Die Mikrolinsen können Ausschnitte einer Linse bilden. Dabei variiert die jeweilige Lage des Ausschnitts in Bezug auf ein Zentrum der Linse über die Fläche des Mikrolinsenarrays. Im Zentrum des Mikrolinsenarrays kann z.B. bei einer Mikrolinse der Ausschnitt symmetrisch um das Zentrum der Linse liegen, z.B. den Scheitelpunkt, während am Rand des Mikrolinsenarrays der jeweilige Ausschnitt bei den Mikrolinsen relativ zum Zentrum der Linse verschoben ist. Dadurch wird Licht, das durch diese Mikrolinsen fällt, neben der Aufweitung entsprechend der Diffusorfunktion auch eine Ablenkung erfahren, die einer globalen Linse entspricht. Durch eine entsprechende Anpassung der Verschiebung der Ausschnitte der einzelnen Mikrolinsen lässt sich eine fast beliebige globale Linse erzeugen.According to one aspect of the invention, the microlenses are sections of a lens and the global lens function is achieved by varying the respective position of the section in relation to a center of the lens over the surface of the microlens array. For example, the lens can have the shape of a spherical lens. The microlenses can form sections of a lens. The respective position of the section in relation to a center of the lens varies over the surface of the microlens array. In the center of the microlens array, for example in the case of a microlens, the section can be symmetrical around the center of the lens, e.g. the vertex, while at the edge of the microlens array the respective section in the case of microlenses, it is shifted relative to the center of the lens. As a result, light that falls through these microlenses will not only be expanded in accordance with the diffuser function, but will also be deflected in a way that corresponds to a global lens. By adjusting the shift of the sections of the individual microlenses accordingly, almost any global lens can be created.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung sind die Mikrolinsen in einem regelmäßigen Raster angeordnet. Die Anordnung der Mikrolinsen in einem regelmäßigen Raster hat den Vorteil, dass sich die resultierende Lichtverteilung sehr präzise kontrollieren lässt.According to one aspect of the invention, the microlenses are arranged in a regular grid. Arranging the microlenses in a regular grid has the advantage that the resulting light distribution can be controlled very precisely.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung weisen die Mikrolinsen eine rechteckige Apertur auf. Dies ist so zu verstehen, dass die Mikrolinsen in Draufsicht jeweils eine rechteckige Grundfläche haben. Dies führt dazu, dass die Verteilung der Ausgangslichtstrahlen einen näherungsweise rechteckigen Querschnitt aufweist. Ein solcher Querschnitt ist oftmals erwünscht, beispielsweise für die Ausleuchtung der Eyebox in einem Head-up-Display. Grundsätzlich können die Grundflächen der Mikrolinsen aber auch andere Formen aufweisen, beispielsweise rund, sechseckig etc.According to one aspect of the invention, the microlenses have a rectangular aperture. This is to be understood as meaning that the microlenses each have a rectangular base area when viewed from above. This means that the distribution of the output light rays has an approximately rectangular cross-section. Such a cross-section is often desired, for example for illuminating the eyebox in a head-up display. In principle, the base areas of the microlenses can also have other shapes, for example round, hexagonal, etc.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung hat das Mikrolinsenarray die Funktion einer Zylinderlinse. Eine solche Zylinderlinse kann beispielsweise zur Korrektur von Aberrationen oder zur Anpassung des von der Beleuchtungseinheit bereitgestellten Lichts an das Anzeigepaneel genutzt werden. Grundsätzlich können aber auch andere globale Linsenfunktionen realisiert werden, z.B. sphärische oder asphärische Sammellinsen oder Streulinsen.According to one aspect of the invention, the microlens array has the function of a cylindrical lens. Such a cylindrical lens can be used, for example, to correct aberrations or to adapt the light provided by the lighting unit to the display panel. In principle, however, other global lens functions can also be implemented, e.g. spherical or aspherical collecting lenses or scattering lenses.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist die Anzeigeeinrichtung Bestandteil eines Head-up-Displays. Die Verwendung einer erfindungsgemäßen Anzeigeeinrichtung für Head-up Displays ist besonders vorteilhaft, da in diesen neben der Diffusoreigenschaft oft auch eine globale Linsenfunktion benötigt wird.According to one aspect of the invention, the display device is part of a head-up display. The use of a display device according to the invention for head-up displays is particularly advantageous since, in addition to the diffuser property, a global lens function is often required in these displays.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung stellt die Beleuchtungseinheit kollimiertes Licht bereit. Die erfindungsgemäße Lösung ist besonders für kollimiertes Licht geeignet, da in diesem Fall eine sehr exakt definierte Winkelverteilung des Eingangslichts vorliegt. Somit ist auch die Winkelverteilung des Ausgangslichts sehr genau bestimmt.According to one aspect of the invention, the lighting unit provides collimated light. The solution according to the invention is particularly suitable for collimated light, since in this case there is a very precisely defined angular distribution of the input light. The angular distribution of the output light is therefore also determined very precisely.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung weist die Beleuchtungseinheit ein Lichtquellenarray und ein Kollimatorarray auf. Das Lichtquellenarray wird durch eine Anordnung einer Vielzahl von Lichtquellen gebildet, deren Licht von einer Vielzahl von Kollimatoren kollimiert wird, die das Kollimatorarray bilden. Auf diese Weise kann eine großflächige Beleuchtungseinheit realisiert werden, die eine homogene Ausleuchtung des Anzeigepaneels gewährleistet. Grundsätzlich kann die beschriebene Lösung aber in Anzeigeeinrichtungen mit Beleuchtungsoptiken aller Art implementiert werden.According to one aspect of the invention, the lighting unit has a light source array and a collimator array. The light source array is formed by an arrangement of a plurality of light sources, the light of which is collimated by a plurality of collimators that form the collimator array. In this way, a large-area lighting unit can be realized that ensures homogeneous illumination of the display panel. In principle, however, the solution described can be implemented in display devices with lighting optics of all types.

Vorzugsweise wird eine erfindungsgemäße Anzeigeeinrichtung in einem Fortbewegungsmittel eingesetzt. Bei dem Fortbewegungsmittel kann es sich beispielsweise um ein Kraftfahrzeug handeln, alternativ aber auch um ein Luftfahrzeug, ein Schienenfahrzeug oder ein Wasserfahrzeug.A display device according to the invention is preferably used in a means of transport. The means of transport can be, for example, a motor vehicle, but alternatively also an aircraft, a rail vehicle or a watercraft.

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 taken in conjunction with the figures.

FigurenübersichtFigure overview

  • 1 zeigt schematisch ein Head-up-Display gemäß dem Stand der Technik für ein Kraftfahrzeug; 1 shows schematically a head-up display according to the state of the art for a motor vehicle;
  • 2 zeigt schematisch eine Anzeigeeinrichtung eines Head-up-Displays; 2 shows schematically a display device of a head-up display;
  • 3 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Anzeigeeinrichtung eines Head-up-Displays; 3 shows schematically a display device of a head-up display according to the invention;
  • 4 veranschaulicht das Funktionsprinzip eines Diffusors mit einer rauen Oberfläche; 4 illustrates the operating principle of a diffuser with a rough surface;
  • 5 veranschaulicht das Funktionsprinzip eines Mikrolinsenarrays als Diffusor; 5 illustrates the working principle of a microlens array as a diffuser;
  • 6 zeigt schematisch einen ersten Bereich eines Diffusors einer erfindungsgemäßen Anzeigeeinrichtung; 6 shows schematically a first region of a diffuser of a display device according to the invention;
  • 7 zeigt schematisch einen zweiten Bereich eines Diffusors einer erfindungsgemäßen Anzeigeeinrichtung; 7 shows schematically a second region of a diffuser of a display device according to the invention;
  • 8 veranschaulicht die Umsetzung von Mikrolinsen eines Mikrolinsenarrays als Ausschnitte einer Linse; und 8th illustrates the implementation of microlenses of a microlens array as sections of a lens; and
  • 9 zeigt schematisch ein Fortbewegungsmittel, das eine erfindungsgemäße Anzeigeeinrichtung nutzt. 9 shows schematically a means of transport that uses a display device 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 numerals are used in the figures for the same or equivalent elements and are not necessarily described again for each figure. It is understood that that the invention is not limited to the embodiments shown and that the features described can also be combined or modified without departing from the scope of the invention as defined in the appended claims.

1 zeigt eine Prinzipskizze eines Head-up-Displays für ein Kraftfahrzeug gemäß dem Stand der Technik. Das Head-up-Display weist eine Anzeigeeinrichtung 1, eine Optikeinheit 6 und eine Spiegeleinheit 7 auf. Von einem Anzeigepanel 4 der Anzeigeeinrichtung 1 geht ein Strahlenbündel SB1 aus, welches von einem ersten Spiegel 60 auf einen gekrümmten Spiegel 61 reflektiert wird, der es Richtung Spiegeleinheit 7 reflektiert. Die Spiegeleinheit 7 ist hier als Windschutzscheibe 70 eines Kraftfahrzeugs dargestellt. Von dort gelangt das Strahlenbündel SB2 in Richtung eines Auges 8 eines Betrachters. 1 shows a schematic diagram of a head-up display for a motor vehicle according to the prior art. The head-up display has a display device 1, an optical unit 6 and a mirror unit 7. A beam SB1 emanates from a display panel 4 of the display device 1 and is reflected by a first mirror 60 onto a curved mirror 61, which reflects it towards the mirror unit 7. The mirror unit 7 is shown here as a windshield 70 of a motor vehicle. From there, the beam SB2 travels towards an eye 8 of a viewer.

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 6 und Spiegeleinheit 7 ist das virtuelle Bild VB eine vergrößerte Darstellung des vom Anzeigepanel 4 angezeigten Bildes. Hier sind symbolisch eine Geschwindigkeitsbegrenzung, die aktuelle Fahrzeuggeschwindigkeit sowie Navigationsanweisungen dargestellt. So lange sich das Auge 8 innerhalb der durch ein Rechteck angedeuteten Eyebox 9 befindet, sind alle Elemente des virtuellen Bildes VB für das Auge 8 sichtbar. Befindet sich das Auge 8 außerhalb der Eyebox 9, so ist das virtuelle Bild VB für den Betrachter nur noch teilweise oder gar nicht sichtbar. Je größer die Eyebox 9 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. Due to the interaction of the optical unit 6 and the mirror unit 7, the virtual image VB is an enlarged representation of the image shown by the display panel 4. A speed limit, the current vehicle speed and navigation instructions are symbolically shown here. As long as the eye 8 is within the eyebox 9 indicated by a rectangle, all elements of the virtual image VB are visible to the eye 8. If the eye 8 is outside the eyebox 9, the virtual image VB is only partially visible to the viewer or not visible at all. The larger the eyebox 9, the less restricted the viewer is in choosing his or her seating position.

Die Krümmung des gekrümmten Spiegels 61 ist an die Krümmung der Windschutzscheibe 70 angepasst und sorgt dafür, dass die Bildverzeichnung über die gesamte Eyebox 9 stabil ist. Der gekrümmte Spiegel 61 ist mittels einer Lagerung 610 drehbar gelagert. Die dadurch ermöglichte Drehung des gekrümmten Spiegels 61 ermöglicht ein Verschieben der Eyebox 9 und somit eine Anpassung der Position der Eyebox 9 an die Position des Auges 8. Der erste Spiegel 60 dient dazu, dass der vom Strahlenbündel SB1 zurückgelegte Weg zwischen Anzeigepanel 4 und gekrümmtem Spiegel 60 lang ist und gleichzeitig die Optikeinheit 6 dennoch kompakt ausfällt. Die Optikeinheit 6 wird durch eine transparente Abdeckung 10 gegen die Umgebung abgegrenzt. Die optischen Elemente der Optikeinheit 6 sind somit beispielsweise gegen im Innenraum des Fahrzeugs befindlichen Staub geschützt. Ein Blendschutz 11 dient dazu, das über die Grenzfläche der Abdeckung 10 reflektierte Licht sicher zu absorbieren, sodass keine Blendung des Betrachters hervorgerufen wird. Außer dem Sonnenlicht SL kann auch das Licht einer anderen Störlichtquelle 12 auf das Anzeigepanel 4 gelangen.The curvature of the curved mirror 61 is adapted to the curvature of the windshield 70 and ensures that the image distortion is stable across the entire eyebox 9. The curved mirror 61 is rotatably mounted by means of a bearing 610. The rotation of the curved mirror 61 made possible by this enables the eyebox 9 to be moved and thus the position of the eyebox 9 to be adjusted to the position of the eye 8. The first mirror 60 serves to ensure that the path covered by the beam SB1 between the display panel 4 and the curved mirror 60 is long and at the same time the optical unit 6 is still compact. The optical unit 6 is separated from the environment by a transparent cover 10. The optical elements of the optical unit 6 are thus protected against dust in the interior of the vehicle, for example. An anti-glare screen 11 serves to safely absorb the light reflected across the boundary surface of the cover 10 so that the viewer is not dazzled. In addition to sunlight SL, light from another disturbing light source 12 can also reach the display panel 4.

2 zeigt schematisch eine Anzeigeeinrichtung 1 eines Head-up-Displays. Die Anzeigeeinrichtung 1 umfasst eine Beleuchtungseinheit 2 mit einem Lichtquellenarray 20, d.h. einer Anordnung einer Vielzahl von Lichtquellen 21, deren Licht von einer Vielzahl von Kollimatoren 22 kollimiert wird, die ein Kollimatorarray 23 bilden. Auf dem Weg zum Anzeigepaneel 4 durchläuft das vom Kollimatorarray 23 ausgehende kollimierte Lichtbündel KLB eine Linse 13 sowie einen Diffusor 3. Bei der Linse kann es sich beispielsweise um eine zylindrische Fresnellinse handeln. Der Diffusor 3 kann z.B. als Diffusorfolie ausgestaltet sein. Nach dem Durchlaufen des Anzeigepaneels 4 tritt das Lichtbündel als Strahlenbündel SB1 in die in 2 nicht dargestellte Optikeinheit ein. 2 shows schematically a display device 1 of a head-up display. The display device 1 comprises a lighting unit 2 with a light source array 20, ie an arrangement of a plurality of light sources 21, the light of which is collimated by a plurality of collimators 22, which form a collimator array 23. On the way to the display panel 4, the collimated light beam KLB emanating from the collimator array 23 passes through a lens 13 and a diffuser 3. The lens can be, for example, a cylindrical Fresnel lens. The diffuser 3 can be designed, for example, as a diffuser film. After passing through the display panel 4, the light beam enters the in as a beam of rays SB1 2 Optical unit, not shown.

3 zeigt schematisch ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Anzeigeeinrichtung 1 eines Head-up-Displays. Die Anzeigeeinrichtung 1 umfasst auch in diesem Fall eine Beleuchtungseinheit 2 mit einem Lichtquellenarray 20 und einem Kollimatorarray 23. Selbstverständlich können anstelle eines Lichtquellenarrays 20 auch andere Arten von Lichtquellen genutzt werden. Auch ist es ausreichend, wenn das resultierende kollimierte Lichtbündel KLB nur näherungsweise kollimiert ist. Auf dem Weg zum Anzeigepaneel 4 durchläuft das kollimierte Lichtbündel KLB wiederum einen Diffusor 3. Der Diffusor 3 wird durch ein Mikrolinsenarray 30 mit einer Vielzahl von Mikrolinsen 31 gebildet. Die Geometrie der Mikrolinsen 31 variiert dabei über die Fläche des Mikrolinsenarrays 30 derart, dass das Mikrolinsenarray 30 zusätzlich zur Diffusorfunktion auch eine übergeordnete Linsenfunktion aufweist. Eine zusätzliche Linse, wie sie in der in 2 gezeigten Anzeigeeinrichtung 1 benötigt wird, kann daher entfallen. Nach dem Durchlaufen des Anzeigepaneels 4 tritt das Lichtbündel als Strahlenbündel SB1 wie gehabt in die hier nicht dargestellte Optikeinheit ein. 3 shows schematically an example of a display device 1 according to the invention of a head-up display. In this case, the display device 1 also comprises a lighting unit 2 with a light source array 20 and a collimator array 23. Of course, other types of light sources can also be used instead of a light source array 20. It is also sufficient if the resulting collimated light beam KLB is only approximately collimated. On the way to the display panel 4, the collimated light beam KLB again passes through a diffuser 3. The diffuser 3 is formed by a microlens array 30 with a plurality of microlenses 31. The geometry of the microlenses 31 varies over the surface of the microlens array 30 in such a way that the microlens array 30 also has a higher-level lens function in addition to the diffuser function. An additional lens, as shown in the 2 shown display device 1 can therefore be omitted. After passing through the display panel 4, the light beam enters the optical unit (not shown here) as beam SB1 as usual.

4 veranschaulicht das Funktionsprinzip eines Diffusors 3 mit einer rauen Oberfläche 32. Dabei zeigt 4a) den prinzipiellen Verlauf der Lichtstrahlen, 4b) die Winkelverteilung der Lichtstrahlen vor der Streuung und 4c) die Winkelverteilung der Lichtstrahlen nach der Streuung. Das einfallende Licht PL ist näherungsweise parallel. Seine Winkelverteilung ist daher sehr eng. Durch die Brechung der Lichtstrahlen an der rauen Oberfläche 32 beim Übergang vom Diffusor 3 mit dem Brechungsindex n1 in das umgebende Medium, typischerweise Luft, mit einem Brechungsindex n2, mit n2 < n1, wird die Winkelverteilung deutlich verbreitert. Aufgrund der unregelmäßigen Geometrie der rauen Oberfläche 32 und der damit verbundenen zufälligen Streuung kann die Winkelverteilung des gestreuten Lichts GL beispielsweise die Form einer Gaußkurve aufweisen. 4 illustrates the functional principle of a diffuser 3 with a rough surface 32. This shows 4a) the basic course of the light rays, 4b) the angular distribution of the light rays before scattering and 4c ) the angular distribution of the light rays after scattering. The incident light PL is approximately parallel. Its angular distribution is therefore very narrow. Due to the refraction of the light rays on the rough surface 32 during the transition from the diffuser 3 with the refractive index n 1 into the surrounding medium, typically air, with a refractive index n 2 , with n 2 <n 1 , the angular distribution is significantly broadened. Due to the irregular geometry of the rough surface che 32 and the associated random scattering, the angular distribution of the scattered light GL can, for example, have the shape of a Gaussian curve.

5 veranschaulicht das Funktionsprinzip eines Mikrolinsenarrays 30 als Diffusor 3. Dabei zeigt 5a) den prinzipiellen Verlauf der Lichtstrahlen, 5b) die Winkelverteilung der Lichtstrahlen vor der Streuung und 5c) die Winkelverteilung der Lichtstrahlen nach der Streuung. Das einfallende Licht PL ist wiederum näherungsweise parallel. Seine Winkelverteilung ist daher sehr eng. Durch die Brechung der Lichtstrahlen durch die Mikrolinsen 31 des Mikrolinsenarrays 30 beim Übergang vom Diffusor 3 mit dem Brechungsindex n1 in das umgebende Medium, typischerweise Luft, mit einem Brechungsindex n2, mit n2 < n1, wird die Winkelverteilung auch in diesem Fall deutlich verbreitert. Aufgrund der regelmäßigen Geometrie der Mikrolinsen 31 erfolgt die Streuung aber nicht zufällig, so dass die Winkelverteilung des gestreuten Lichts GL beispielsweise ein Flat-Top Profil aufweisen kann. 5 illustrates the functional principle of a microlens array 30 as a diffuser 3. This shows 5a) the basic course of the light rays, 5b) the angular distribution of the light rays before scattering and 5c ) the angular distribution of the light rays after scattering. The incident light PL is again approximately parallel. Its angular distribution is therefore very narrow. Due to the refraction of the light rays by the microlenses 31 of the microlens array 30 during the transition from the diffuser 3 with the refractive index n 1 into the surrounding medium, typically air, with a refractive index n 2 , with n 2 <n 1 , the angular distribution also becomes in this case significantly widened. However, due to the regular geometry of the microlenses 31, the scattering does not occur randomly, so that the angular distribution of the scattered light GL can, for example, have a flat-top profile.

6 zeigt schematisch einen ersten Bereich eines Diffusors 3 einer erfindungsgemäßen Anzeigeeinrichtung. Zu sehen sind die Mikrolinsen 31 des Mikrolinsenarrays 30 im Zentrum des Diffusors 3. 7 zeigt schematisch einen zweiten, in Randnähe liegenden Bereich des Diffusors 3. Die Mikrolinsen 31 sind in diesem Beispiel in einem regelmäßigen Raster angeordnet und weisen jeweils eine rechteckige Apertur 33 auf, d.h. die Mikrolinsen 31 haben in Draufsicht jeweils die Form eines Rechtecks. Die globale Linsenfunktion wird dadurch erreicht, dass die Geometrie der Mikrolinsen 31 über die Fläche des Mikrolinsenarrays 30 variiert. Die Mikrolinsen 31 bilden im gezeigten Beispiel Ausschnitte einer Linse. Dabei variiert die jeweilige Lage des Ausschnitts in Bezug auf ein Zentrum der Linse über die Fläche des Mikrolinsenarrays 30. Im Zentrum des Mikrolinsenarrays 30 kann z.B. bei einer Mikrolinse 31 der Ausschnitt symmetrisch um das Zentrum der Linse liegen, z.B. den Scheitelpunkt, während am Rand des Mikrolinsenarrays 30 der jeweilige Ausschnitt bei den Mikrolinsen 31 relativ zum Zentrum der Linse verschoben ist. Dadurch wird Licht, das durch diese Mikrolinsen 31 fällt, neben der Aufweitung entsprechend der Diffusorfunktion auch eine Ablenkung erfahren, die einer globalen Linse entspricht. Durch eine entsprechende Anpassung der Verschiebung der Ausschnitte der einzelnen Mikrolinsen lässt sich eine fast beliebige globale Linse erzeugen. 6 shows schematically a first region of a diffuser 3 of a display device according to the invention. The microlenses 31 of the microlens array 30 can be seen in the center of the diffuser 3. 7 shows schematically a second region of the diffuser 3, located near the edge. In this example, the microlenses 31 are arranged in a regular grid and each have a rectangular aperture 33, ie the microlenses 31 each have the shape of a rectangle in plan view. The global lens function is achieved by varying the geometry of the microlenses 31 over the area of the microlens array 30. In the example shown, the microlenses 31 form sections of a lens. The respective position of the section in relation to a center of the lens varies over the area of the microlens array 30. In the center of the microlens array 30, for example in the case of a microlens 31, the section can be symmetrical about the center of the lens, e.g. the vertex, while at the edge of the microlens array 30 the respective section in the microlenses 31 is shifted relative to the center of the lens. As a result, light that falls through these microlenses 31 will not only be expanded in accordance with the diffuser function, but will also be deflected in accordance with a global lens. By appropriately adjusting the displacement of the sections of the individual microlenses, almost any global lens can be created.

8 veranschaulicht die Umsetzung von Mikrolinsen 31 eines Mikrolinsenarrays als Ausschnitte 50 einer Linse 5. Bei der Linse 5 handelt es sich im gezeigten Beispiel um eine Kugellinse. Der Einfachheit halber ist lediglich eine zweidimensionale Betrachtung dargestellt. Die Linse 5 weist ein Zentrum 51 auf, z.B. den Scheitelpunkt der Linse 5. Der Ausschnitt 50 der Linse 5, der die Mikrolinse 31 bildet, wird durch einen Aperturquader 52 bestimmt, der die Apertur der Mikrolinse 31 widerspiegelt. Anders ausgedrückt, die Geometrie der Mikrolinse 31 ist bestimmt durch die Überschneidung zwischen der Linse 5 und dem Aperturquader 52. Die Lage des Aperturquaders 52 relativ zum Zentrum 51 der Linse 5 ist abhängig von der Lage der jeweiligen Mikrolinse 31 im Mikrolinsenarray. 8th illustrates the implementation of microlenses 31 of a microlens array as sections 50 of a lens 5. In the example shown, the lens 5 is a spherical lens. For the sake of simplicity, only a two-dimensional view is shown. The lens 5 has a center 51, for example the apex of the lens 5. The section 50 of the lens 5, which forms the microlens 31, is determined by an aperture cuboid 52, which reflects the aperture of the microlens 31. In other words, the geometry of the microlens 31 is determined by the overlap between the lens 5 and the aperture cuboid 52. The position of the aperture cuboid 52 relative to the center 51 of the lens 5 depends on the position of the respective microlens 31 in the microlens array.

9 zeigt schematisch ein Fortbewegungsmittel 100, das eine erfindungsgemäße Anzeigeeinrichtung 1 nutzt. Bei dem Fortbewegungsmittel 100 handelt es sich in diesem Beispiel um ein Kraftfahrzeug. Das Kraftfahrzeug weist eine erfindungsgemäße Anzeigeeinrichtung 1 auf, die in diesem Beispiel Bestandteil eines Head-up-Displays ist. Mit einer Sensorik 101 können Daten zur Fahrzeugumgebung erfasst werden. Die Sensorik 101 kann insbesondere Sensoren zur Umfelderkennung umfassen, z.B. Ultraschallsensoren, Laserscanner, Radarsensoren, Lidarsensoren oder Kameras. Die von der Sensorik 101 erfassten Informationen können genutzt werden, um anzuzeigende Inhalte für die Anzeigeeinrichtung 1 zu generieren. Weitere Bestandteile des Kraftfahrzeugs sind in diesem Beispiel ein Navigationssystem 102, durch das Positionsinformationen bereitgestellt werden können, sowie eine Datenübertragungseinheit 103. Mittels der Datenübertragungseinheit 103 kann z.B. eine Verbindung zu einem Backend aufgebaut werden, beispielsweise um aktualisierte Software für Komponenten des Kraftfahrzeugs zu beziehen. Zur Speicherung von Daten ist ein Speicher 104 vorhanden. Der Datenaustausch zwischen den verschiedenen Komponenten des Kraftfahrzeugs erfolgt über ein Netzwerk 105. 9 shows schematically a means of transport 100 that uses a display device 1 according to the invention. In this example, the means of transport 100 is a motor vehicle. The motor vehicle has a display device 1 according to the invention, which in this example is part of a head-up display. A sensor system 101 can be used to record data about the vehicle's surroundings. The sensor system 101 can in particular include sensors for environmental detection, for example ultrasonic sensors, laser scanners, radar sensors, lidar sensors or cameras. The information recorded by the sensor system 101 can be used to generate content to be displayed for the display device 1. Further components of the motor vehicle in this example are a navigation system 102, through which position information can be provided, and a data transmission unit 103. Using the data transmission unit 103, for example, a connection to a backend can be established, for example in order to obtain updated software for components of the motor vehicle. A memory 104 is available for storing data. The data exchange between the various components of the motor vehicle takes place via a network 105.

BezugszeichenlisteReference symbol list

11
AnzeigeeinrichtungDisplay device
22
BeleuchtungseinheitLighting unit
2020
LichtquellenarrayLight source array
2121
Lichtquellelight source
2222
KollimatorCollimator
2323
KollimatorarrayCollimator array
33
Diffusordiffuser
3030
MikrolinsenarrayMicrolens array
3131
MikrolinseMicrolens
3232
Oberflächesurface
3333
AperturAperture
44
AnzeigepaneelDisplay panel
55
Linselens
5050
AusschnittExcerpt
5151
Zentrumcenter
5252
AperturquaderAperture cuboid
66
OptikeinheitOptical unit
6060
Erster SpiegelFirst mirror
6161
Gekrümmter SpiegelCurved mirror
610610
Lagerungstorage
77
SpiegeleinheitMirror unit
7070
Windschutzscheibewindshield
88th
AugeEye
99
EyeboxEyebox
1010
Abdeckungcover
1111
BlendschutzAnti-glare protection
1212
StörlichtquelleDisturbing light source
1313
Linselens
100100
FortbewegungsmittelMeans of transport
101101
SensorikSensor technology
102102
Navigationssystemnavigation system
103103
DatenübertragungseinheitData transmission unit
104104
SpeicherStorage
105105
Netzwerknetwork
GLGL
Gestreutes LichtScattered light
KLBKLB
Kollimiertes LichtbündelCollimated light beam
PLPL
Paralleles LichtParallel light
SB1SB1
StrahlenbündelBeam
SB2SB2
Strahlenbündelbundle of rays
SLSL
Sonnenlichtsunlight
VBVB
Virtuelles BildVirtual image

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 19630736 B4 [0003]DE 19630736 B4 [0003]
  • US 20180149860 A1 [0004]US 20180149860 A1 [0004]

Claims (10)

Anzeigeeinrichtung (1) mit einer Beleuchtungseinheit (2), einem Diffusor (3) und einem Anzeigepaneel (4), wobei der Diffusor (3) ein Mikrolinsenarray (30) mit einer Vielzahl von Mikrolinsen (31) aufweist, und wobei die Geometrie der Mikrolinsen (31) über die Fläche des Mikrolinsenarrays (30) derart variiert, dass das Mikrolinsenarray (30) eine Diffusorfunktion und eine übergeordnete Linsenfunktion aufweist.Display device (1) with a lighting unit (2), a diffuser (3) and a display panel (4), the diffuser (3) having a microlens array (30) with a plurality of microlenses (31), and wherein the geometry of the microlenses (31) varies over the surface of the microlens array (30) in such a way that the microlens array (30) has a diffuser function and a higher-level lens function. Anzeigeeinrichtung (1) gemäß Anspruch 1, wobei die Mikrolinsen (31) Ausschnitte (50) einer Linse (5) sind und die Linsenfunktion erzielt wird, indem die jeweilige Lage des Ausschnitts (50) in Bezug auf ein Zentrum (51) der Linse (5) über die Fläche des Mikrolinsenarrays (30) variiert.Display device (1) according to Claim 1 , wherein the microlenses (31) are cutouts (50) of a lens (5) and the lens function is achieved by the respective position of the cutout (50) in relation to a center (51) of the lens (5) over the surface of the microlens array (30) varies. Anzeigeeinrichtung (1) gemäß Anspruch 2, wobei die Linse (5) eine Kugellinse ist.Display device (1) according to Claim 2 , wherein the lens (5) is a spherical lens. Anzeigeeinrichtung (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Mikrolinsen (31) in einem regelmäßigen Raster angeordnet sind.Display device (1) according to one of the preceding claims, wherein the microlenses (31) are arranged in a regular grid. Anzeigeeinrichtung (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Mikrolinsen (31) eine rechteckige Apertur (33) aufweisen.Display device (1) according to one of the preceding claims, wherein the microlenses (31) have a rectangular aperture (33). Anzeigeeinrichtung (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Mikrolinsenarray (30) die Funktion einer Zylinderlinse hat.Display device (1) according to one of the preceding claims, wherein the microlens array (30) has the function of a cylindrical lens. Anzeigeeinrichtung (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Anzeigeeinrichtung (1) Bestandteil eines Head-up-Displays ist.Display device (1) according to one of the preceding claims, wherein the display device (1) is part of a head-up display. Anzeigeeinrichtung (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Beleuchtungseinheit (2) kollimiertes Licht bereitstellt.Display device (1) according to one of the preceding claims, wherein the illumination unit (2) provides collimated light. Anzeigeeinrichtung (1) gemäß Anspruch 8, wobei die Beleuchtungseinheit (2) ein Lichtquellenarray (20) und ein Kollimatorarray (23) aufweist.Display device (1) according to Claim 8 , wherein the illumination unit (2) comprises a light source array (20) and a collimator array (23). Fortbewegungsmittel (100) mit einer Anzeigevorrichtung (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche.Means of transport (100) with a display device (1) according to one of the preceding claims.
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