DE19906706A1 - Instrumentenfeld mit virtuellem Display - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Instrumentenfeld mit einem virtuellen Display, insbesondere zur Verwendung in einem Fahrzeug-Armaturenbrett, welches eine Einblicköffnung (5) und optische Komponenten zur Anzeige einer virtuellen Darstellung in einer Entfernung aufweist, die größer erscheint als der reale Abstand zwischen dem Instrumentenfeld und den Augen eines Fahrers, und mit einer Einrichtung zur Justierung des Strahlenganges der virtuellen Darstellung. DOLLAR A Um eine fortwährend gute Erkennbarkeit des mit dem virtuellen Display dargestellten Anzeigeelementes bei verschiedenen Haltungen des Fahrers zu gewährleisten, wird als Lösung vorgeschlagen zumindest eine Erfassungseinrichtung (8, 9) zur Detektion der Augenposition des Fahrers vorzusehen, welche mit einer Steuereinrichtung (10) verbunden ist, die wiederum die Einrichtung zur Justierung des Strahlenganges (18) derart steuert, daß der Strahlengang der virtuellen Darstellung auf die Augenposition des Fahrers gerichtet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Instrumentenfeld mit virtuellem Display, insbeson­ dere zur Verwendung in einem Fahrzeug-Armaturenbrett, gemäß dem Ober­ begriff des Anspruchs 1.

Vorliegend wird die Erfindung anhand eines Fahrzeug-Armaturenbretts er­ läutert. An sich bekannt ist die Zusammenfassung aller zur unmittelbaren Führung eines Fahrzeugs benötigten Anzeigeelemente in einem Bereich ei­ nes Armaturenbrettes, der sich auf Höhe der oberen Lenkradhälfte befindet. Gewöhnlich werden diese Anzeigeelemente in einer besonderen Baugruppe vereinigt, die als Instrumentenkombination oder als Instrumentenfeld be­ zeichnet wird. Als Anzeigeelemente werden alle Instrumente, Bildschirme, Text-, Symbol- und Lichtfelder bezeichnet.

Während der Fahrt wendet der Fahrer diesen Anzeigeelementen, deren Oberflächen sich im wesentlichen an der Oberfläche des Armaturenbretts befinden, zeitweilig seinen Blick zu. Dabei ändert er beim Blickwechsel zwi­ schen Fahrraum und Armaturenbrett seine Augeneinstellung, insbesondere die Akkomodation und die Winkel der Augenachsen. Die Objekte des nicht fixierten Bereichs erscheinen unscharf und aufgrund der Disparation als Doppelbilder. Somit entsteht eine Verwaschung der Objekte des nicht fixier­ ten Bereichs. Aus diesem Grund werden Anzeigen im peripheren Gesichts­ feld zwar vom Fahrer bemerkt, und die Aufmerksamkeit des Fahrers wird geweckt, jedoch können die Anzeigen im peripheren Gesichtsfeld aufgrund der Verwaschung nicht interpretiert werden. Der Fahrer muß zur Interpretati­ on seinen Blick der Anzeige zuzuwenden und die Augeneinstellung zu wech­ seln. Dies kann zu einem häufigen Wechsel der Augeneinstellung für Fern- und Nahbereich führen.

Um diesen Nachteil zu vermeiden, ist die Betrachtung der Anzeigeelemente durch eine vergrößernde optische Anordnung bekannt. Dabei wird das In­ strumentenfeld in einer scheinbar größeren Entfernung virtuell dargestellt, wobei sich im Armaturenbrett am ursprünglichen Ort des Instrumentenfelds eine Einblicköffnung entsprechender Größe befindet. Auf diese Weise wird ein Wechsel der Augeneinstellung bei der Blickzuwen­ dung vermieden. Vorteilhaft kann der Fahrer unverwaschene signifikante Anzeigen im peripheren Gesichtsfeld verfolgen und bei Bedarf den Blick die­ sen Anzeigen direkt zuwenden.

So wird in der US 5,440,428 das gesamtes Instrumentenfeld über einen Hohlspiegel in der Weise beobachtet, daß es in einer Entfernung zu stehen scheint, die größer ist als die wirkliche Entfernung des Armaturenbrettes. Eine andere Ausführung der optischen Anordnung in Form einer Spiegelflä­ chen-Kombination mit vorteilhafter Eignung für ein virtuelles Instrumenten­ feld wird in der US 5,731,903 beschrieben.

Nachteilig ist bei diesen Ausführungen die erhebliche Größe der verwende­ ten optischen Komponenten, die annähernd der Größe des Instrumentenfel­ des entspricht und das damit verbundene große Volumen der Gesamtanord­ nung.

Zur Vermeidung dieses Nachteils ist es bekannt, nur einen Teil des Instru­ mentenfelds, beispielsweise einige kleinere Anzeigeelemente oder ein gra­ phisches Display virtuell darzustellen. Es ist bekannt, eine solche Darstellung als "head up display" auszuführen, wobei die virtuelle Darstellung über die Innenseite der Windschutzscheibe in den Sichtbereich des Fahrers gespie­ gelt wird. Eine detaillierte Beschreibung dieses Prinzips befindet sich beispielsweise in dem Fachbuch "Display Technology, Human Factors Concepts" (Stokes A. et. al., University of Illinois, Ed. Society of Automotive Engineers 1990, ISBN 0-89883-530-5).

Vorteilhaft sind die vergleichsweise kleinen optischen Komponenten und das vergleichsweise geringe Gesamtvolumen der Anordnung.

Nachteilig ist der erhebliche technische Aufwand zur Beherrschung der tech­ nischen Probleme hinsichtlich der Abbildungseigenschaften der Windschutz­ scheibe, des Eindringens von Umgebungslicht in den Strahlengang, der Er­ zeugung einer hinreichenden Darstellungshelligkeit bei heller Umgebung und der Vermeidung von Verschmutzung des offenen Strahlenganges.

In der US 5,644,323 werden optische Komponenten zur virtuellen Darstel­ lung eines graphischen Display beschrieben, jedoch ohne Hinweise auf eine zweckmäßige Integration in ein Instrumentenfeld.

Ein gemeinsamer Nachteil der beschriebenen virtuellen Darstellung besteht in der geringen zulässigen transversalen Verschiebung der Augenposition bezüglich der optischen Achse. Eine transversale Verschiebung über eine bestimmte Grenze hinaus führt zu einer Vignettierung der Darstellung.

Eine solche Verschiebung ist jedoch bei einer Anwendung im Instrumenten­ feld zwangsläufig gegeben, da die Anzeigeelemente binokular mit einem seitlichen Augenabstand von ca. 6 cm und aus verschiedenen Kopfpositio­ nen heraus beobachtet werden. Die unterschiedlichen Kopfpositionen erge­ ben sich aus der unterschiedlichen Körpergröße, dem Wechsel der Körper­ haltung und der Sitzeinstellung.

Dieser Nachteil wird durch eine Justierung der optischen Anordnung vermie­ den. So ist in der US 5,731,903 eine manuelle Justiervorrichtung genannt, mit der der Fahrer die optische Achse der gesamten Anordnung an seine tatsächliche Augenposition anpassen kann. In einer anderen Variante erfolgt die Justierung durch Nachstellung nur einer Komponente der optischen An­ ordnung mit einem manuell gesteuerten Schrittmotor, wie beschrieben in dem Bericht "Head Up Displays by DELCO" H. Stephan 911996 p. 4, DELCO Electronics DE Europe GmbH.

Eine manuelle Justierung kann während der Fahrt notwendig sein, wenn die Körperhaltung oder Sitzeinstellung verändert wurde. Eine manuelle optische Justierung während der Fahrt vermindert jedoch erheblich die Aufmerksam­ keit des Fahrers und ist insoweit nachteilig.

Bekannt sind ferner berührungslose Erkennungssysteme zur Berechnung der Augenposition des Fahrers in Echtzeit. So wird beispielsweise in dem Bericht "Blickbewegungsmessung etc. " (Partmann T. u. a., Fraunhofer Institut für Informations- und Datenverarbeitung, Karlsruhe, Germany, A 290610/10383, pp 44-51) ein Blickrichtungserkennungssystem mit automa­ tischer Detektion der Augenposition des Fahrers erläutert. Ein weiteres der­ artiges System wird in der US 5,231,674 beschrieben.

Aufgabe der Erfindung ist die Weiterbildung eines eingangs genannten In­ strumentenfeldes mit virtueller Darstellung, so daß ein Fahrer jederzeit das dargestellte Anzeigeelement beobachten kann.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Demgemäß wird bei einem Instrumentenfeld, welches eine Einblicköffnung und optische Komponenten zur virtuellen Darstellung von Anzeigelementen in einer Entfernung aufweist, die größer erscheint als der reale Abstand zwi­ schen dem Instrumentenfeld und den Augen eines Fahrers, eine Vorrichtung zur automatischen Anpassung des Strahlenganges der virtuellen Darstellung an die tatsächliche Augenposition des Fahrers vorgesehen. Eine solche An­ ordnung wird im folgenden als Virtuelles Display bezeichnet.

Mit dieser Vorrichtung, bestehend aus der Einrichtung zur Anpassung des Strahlenganges, einer Einrichtung zur Detektion der Augenposition und einer Steuereinrichtung, ist eine binokulare Beobachtung der virtuellen Darstellung bei unterschiedlicher Körpergröße, Sitzeinstellung und seitlicher Kopfhaltung ohne Vignettierung gewährleistet.

Die Einblicköffnung des Virtuellen Display befindet sich vorzugsweise im oberen Teil des Instrumentenfeldes in der Mitte. Zusätzlich können sich im unteren Teil des Instrumentenfeldes weitere herkömmliche Anzeigeelemen­ te, die im wesentlichen an der Oberfläche des Instrumentenfeldes angeord­ net sind, befinden. So kann gemäß einer besonderen Ausgestaltung unter­ halb der Einblicköffnung ein Fahrer-Display üblicher Größe angeordnet sein.

Die Einblicköffnung ist bei der vorzugsweisen Ausführung somit kleiner als die Oberfläche des Instrumentenfeldes ausgebildet. Die Breite der Einblick­ öffnung entspricht vorzugsweise der üblichen Breite eines Fahrer-Displays zur Beobachtung von Symbolen und einfachen Grafiken, zuzüglich des mitt­ leren Abstandes der beiden Augen. Die Höhe der Einblicköffnung ergibt sich aus dem üblichen Höhe-zu-Breite-Verhältnis eines Fahrer-Displays. Die an­ gegebene Breite und Höhe ist ferner um ein gewisses Maß zu vergrößern, das aus der angewandten Variante der automatischen Anpassung des Strahlenganges abgeleitet wird.

Natürlich ist die virtuelle Darstellung nicht nur auf ein Anzeigeelement be­ schränkt. Vielmehr können auch mehrere Anzeigeelemente derart dargestellt werden.

Auch ist die Größe der Einblicköffnung und der optischen Anordnung nicht an die beschriebenen Abmessungen gebunden. Je nach Darstellungsinhalt, Größe der anderen Anzeigeelemente und Größe des Instrumentenfeldes können größere oder kleinere Abmessungen vorgesehen werden.

Ferner können in anderen Ausführungsformen der Erfindung die Einblicköff­ nung und die optische Anordnung auch andernorts im Instrumentenfeld oder Armaturenbrett, jedoch in der Nähe des zentralen Fahrraum-Sichtbereichs angeordnet sein.

In anderer Ausführung kann sich das Fahrer-Display andernorts im Instru­ mentenfeld befinden.

Insgesamt ist die erfindungsgemäße virtuelle Darstellung in der Nähe der Hauptblickrichtung einerseits besonders zur Verfolgung im peripheren Ge­ sichtsfeld geeignet, andererseits gestattet sie eine direkte Blickzuwendung mit geringer Veränderung der Blickrichtung. Durch die Nachführung des Strahlenganges an die momentane Augenposition ist das Virtuelle Display ständig zur Ablesung bereit.

Im Instrumentenfeld wird durch die vorzugsweise Anordnung der Einblicköff­ nung im oberen Bereich die gesamte Darstellungsfläche des Instrumenten­ feldes nur in geringem Maße vermindert, denn die Einblicköffnung nimmt nur eine Teilfläche des Instrumentenfeldes ein und befindet sich an einem Ort, der in der Regel nicht von konventionellen Instrumenten oder einem Fahrer- Display eingenommen wird.

Vorteilhaft ist auch die erfindungsgemäße Verbindung des Virtuellen Dis­ plays mit einem Fahrer-Display. Der Fahrer kann die virtuelle Darstellung im peripheren Gesichtsfeld verfolgen und wahlweise seinen Blick entweder dem virtuellen oder dem größeren und zumeist detailreicheren Fahrer-Display zuwenden. Das Fahrer-Display erscheint beim Blick in den Fahrraum verwa­ schen, so daß der Fahrer nicht ständig durch die dargestellten Details abge­ lenkt wird.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen in

Fig. 1a eine schematische Frontansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Instrumentenfeldes,

Fig. 1b und 1c schematisch die Anordnung von zwei Kamera-Sensoren zur Augenpositionsmessung,

Fig. 2 eine schematische Schnittdarstellung einer Ausführungsform eines Virtuellen Displays mit Justiervorrichtung an einem Um­ lenkspiegel für ein Instrumentenfeld nach Fig. 1a.

Fig. 1a zeigt ein erfindungsgemäßes Instrumentenfeld 1 aus der Sicht des Fahrers in einem Fahrzeug. Das Instrumentenfeld 1 weist links und rechts angeordnete Rundinstrumenten 2 und 3, ein Fahrer-Display mit einer aktiven Fläche 4 und eine Einblicköffnung 5 eines Virtuellen Displays 6 (Fig. 2) auf. Weitere in den freien Flächenbereichen üblicherweise vorhandene Anzeige­ elemente sind in Fig. 1a aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht eingezeich­ net.

Die effektive Breite der Bildfläche 7 des Virtuellen Displays 6 bei Augenein­ stellung auf den Fernbereich, die sich aus der Breite der Einblicköffnung 5 abzüglich der seitlichen Augenabstandes ergibt, ist hier angedeutet.

Die Fig. 2 zeigt ein erfindungsgemäßes Instrumentenfeld mit Virtuellem Dis­ play 6 und darunter angeordnetem Fahrer-Display 4 in einem seitlichen Schnitt. Die Komponenten des Virtuellen Displays umfassen ein beleuchte­ tes oder selbstleuchtendes Mikro-Display 15 (Anzeigeelement), einen ersten Umlenkspiegel 16 und einen zweiten Umlenkspiegel 17 zur Ausbildung eines erforderlichen Strahlenganges 19 für die virtuelle Darstellung.

Die Umlenkspiegel 16 und 17 sind optisch aktive Komponenten, die mit ge­ gebenenfalls weiteren, hier nicht dargestellten optischen Komponenten den Strahlengang 19 zweckmäßig ausbilden.

Zur Anpassung des Strahlenganges 19 der virtuellen Darstellung an die Au­ genposition des Fahrers ist ein Antrieb 18 mit dem Umlenkspiegel 16 ver­ bunden, der auf diese Weise nach oben/unten und rechts/links bewegt wer­ den kann.

Andere, alternative Antriebsanordnungen, beispielsweise am Umlenkspiegel 17 oder an anderen, hier nicht dargestellten Komponenten oder an der ge­ samten, in diesem Falle beweglich gelagerten optischen Anordnung, sind ebenfalls möglich.

Der Antrieb 18 ist mit einem Steuergerät 10 verbunden. Das Steuergerät 10 wiederum erhält von Kamera-Sensoren 8 und 9 Informationen zur Berech­ nung der Augenposition des Fahrers.

In den Fig. 1b und 1c sind zwei Kamera-Sensoren 8 und 9 zur Messung der Augenpositionen des Fahrers dargestellt. Diese Kamerasensoren 8, 9 kön­ nen sich beispielsweise innen am oberen Ende des linken vorderen Holmes (auch als A-Säule bezeichnet) und innen am oberen Rande der Windschutz­ scheibe im Bereich eines mittleren Rückspiegels 14 befinden. Zur besseren Orientierung ist in den Fig. 1b und 1c die Windschutzscheibe 12 und das linke Seitenfenster 13 angedeutet.

Das Steuergerät 10 berechnet die Augenposition aus den Signalen der an­ geschlossenen Kamera-Sensoren 8 und 9 und steuert den Antrieb 18 derart, daß der Strahlengang des Virtuellen Displays 6 an die momentane Augen­ position angepaßt wird.

In der Ausführungsvariante gemäß Fig. 2 ist zusätzlich zum Virtuellen Dis­ play 6 unterhalb der Einblicköffnung 5 ein Fahrer-Display 4 frontseitig an der Oberfläche des Instrumentenfeldes 1 angeordnet. Das Gehäuse enthält auch eine Beleuchtungseinrichtung 21 für das Fahrer-Display.

Claims (10)

1. Instrumentenfeld mit einem Virtuellen Display, insbesondere zur Ver­ wendung in einem Fahrzeug-Armaturenbrett, welches eine Einblick­ öffnung (5) und eine optische Anordnung zur vergrößerten Darstellung zumindest eines Anzeigelements (15) in Form einer virtuellen Dar­ stellung in einer Entfernung aufweist, die größer erscheint als der reale Abstand zwischen dem Armaturenbrett und den Augen eines Fahrers, und mit einer Einrichtung zur Justierung des Strahlenganges der virtuellen Darstellung, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine Erfassungseinrichtung (8, 9) zur Detektion der Augenposition des Bedieners vorgesehen ist, welche mit einer Steu­ ereinrichtung (10) verbunden ist, die wiederum die Einrichtung zur Ju­ stierung des Strahlenganges (18) derart steuert, daß der Strahlen­ gang der virtuellen Darstellung auf die Augenposition des Bedieners ausgerichtet ist.

2. Instrumentenfeld nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Anordnung ein Mikro-Display (15) und zumindest eine optisch aktive Spiegelfläche (16, 17) umfaßt.

3. Instrumentenfeld nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich weitere konventionelle Anzeigeelemente (4) im we­ sentlichen an der Oberfläche des Instrumentenfeldes angeordnet sind.

4. Instrumentenfeld nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Virtuelle Display in einem oberen Bereich des Instru­ mentenfeldes befindet.

5. Instrumentenfeld nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Einblicköffnung (5) des Virtuellen Displays in der Mitte des Instrumentenfeldes befindet.

6. Instrumentenfeld nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Erfassungseinrichtung (8, 9) zur Detektion der Augenposition des Fahrers Sensoren, insbesondere mindestens eine elektronische Kamera, vorgesehen sind.

7. Instrumentenfeld nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Sensoren (8, 9) im Bereich der Augenhöhe und zu beiden Seiten des Fahrers angeordnet sind.

8. Instrumentenfeld nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sensor im Bereich der Augenhöhe angeordnet ist und eine Einrichtung zur Erkennung der longitudionalen Kopfposition aus den Koordinatenwerten der Sitz- und Kopfstützenposition vorhanden ist.

9. Instrumentenfeld nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur automatischen Justierung ein Umlenkspiegel (16) mit einer Justiereinrichtung (18) in Form eines Aktuators verbunden ist.

10. Instrumentenfeld nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur automatischen Justierung die gesamte optische Anordnung (15, 16, 17, 19) mit einer Justiereinrichtung in Form eines Aktuators verbunden und zu diesem Zweck beweglich gelagert ist.