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Die Erfindung betrifft eine Projektionsanordnung für ein Head-Up-Display.
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Moderne Fahrzeuge werden zunehmend mit sogenannter Head-Up-Display (HUD; „Kopfoben-Anzeige“) Technologie ausgestattet. Ein Head-Up-Display ist ein Anzeigesystem, welches dem Fahrer eines Fahrzeugs in sein Sichtfeld zusätzliche Informationen in Form von Bildern projiziert. Das Head-Up-Display besteht aus einem Projektor (bildgebende Einheit) und mehreren Optikmodulen zur Umlenkung bzw. Spiegelung (Reflektion) eines Bildes auf eine Projektionsfläche bzw. Reflexionsfläche. Dabei dient üblicherweise eine Verbundscheibe, insbesondere die Windschutzscheibe des Fahrzeugs, als Projektionsfläche. Obwohl das Bild auf die Windschutzscheibe projiziert wird, schwebt es in der Wahrnehmung des menschlichen Auges des Fahrers entfernt über der Motorhaube des Fahrzeugs.
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Auf diese Weise können zusätzliche Informationen in das Blickfeld des Fahrers projiziert werden, beispielsweise die aktuelle Fahrgeschwindigkeit und Navigations- oder Warnhinweise, die der Fahrer wahrnehmen kann, ohne seine Blickrichtung ändern zu müssen. Head-Up-Displays können so wesentlich zur Steigerung der Verkehrssicherheit beitragen.
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Üblicherweise besteht das durch den Projektor erzeugte Bild aus polarisierter, insbesondere S-polarisierter Lichtstrahlung. Das S-polarisierte Licht trifft unter einem bestimmten Einfallswinkel auf die Verbundscheibe und wird zumindest teilweise sowohl in die Verbundscheibe hinein gebrochen als auch als S-polarisiertes Licht in das Sichtfeld des Fahrers reflektiert. Allerdings werden die reflektierten Bilder nicht farbecht oder mit unerwünschter Reflektion, sogenannten Doppelbildern, dargestellt.
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Der Einfallswinkel der S-polarisierten Strahlung beträgt üblicherweise etwa 65%, was in etwa dem Brewster-Winkel für einen Luft-Glas-Übergang (57,2° für Kalk-Natron-Glas) entspricht. Dabei tritt das Problem auf, dass das Projektorbild an beiden äußeren Übergängen von Luft zu Glas und von Glas zur Luft reflektiert wird. Dadurch tritt neben dem gewünschten Hauptbild auch ein leicht versetztes Nebenbild auf, das sogenannte Geisterbild („Ghost“). Das Problem wird dadurch gemildert, dass die Oberflächen der Windschutzscheibe in einem Winkel zueinander angeordnet werden. Dies geschieht durch die Verwendung einer keilförmigen Zwischenschicht bei der Lamination der als Verbundscheibe ausgebildeten Windschutzscheibe. Dadurch kann eine Überlagerung des Hauptbildes und des Geisterbildes erzielt werden. Verbundgläser mit Keilfolien für HUDs sind beispielsweise aus
WO 2009/071135 A1 ,
EP 1800855 B1 oder
EP 1880243 A2 bekannt.
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Keilfolien sind kostspielig, so dass die Herstellung einer solchen Verbundscheibe für ein HUD recht kostenintensiv ist. Es besteht daher Bedarf an HUD Systeme, die mit Windschutzscheiben ohne Keilfolien auskommen. So ist es beispielsweise möglich, den HUD-Projektor mit P-polarisierter Strahlung zu betreiben, welche an den Scheibenoberflächen aufgrund der Einstrahlung nahe des Brewster-Winkels nicht wesentlich reflektiert wird. Als Reflexionsfläche für die P-polarisierte Strahlung weist die Windschutzscheibe stattdessen eine Reflexionsbeschichtung auf.
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Die
DE 10 2014 220189 A1 offenbart eine HUD-Projektionsanordnung mit P-polarisierter Strahlung und einer metallischen Schicht als reflektierenden Struktur. Auch die
WO 2019/046157 A1 und
US 2017/242247 A1 offenbaren ein HUD System mit P-polarisierter Strahlung. Dabei wird eine Reflexionsbeschichtung mit mindestens zwei metallischen Schichten verwendet.
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Die
US 6, 744,478 B1 offenbart ein HUD System, bei dem ein Flüssigkristall Display Lichtstrahlen erzeugt, die auf eine Windschutzscheibe gerichtet sind. Die Windschutzscheibe weist eine optische Rotationsschicht auf einer ersten Oberfläche einer transparenten Platte auf. Die Rotationschicht umfasst ein Flüssigkristallpolymer. Auf einer Innenseite einer Innenscheibe der Windschutzscheibe ist eine Reflexionsschicht angeordnet.
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Die
US 2009/195875 A1 offenbart ein HUD System mit einer Windschutzscheibe, wobei eine doppelbrechende Schicht in oder auf der Windschutzscheibe angeordnet ist.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine HUD-Projektionsanordnung mit einer Reflexionsbeschichtung bereitzustellen, die eine gute Reflektivität für P-polarisierte Strahlung im sichtbaren Spektralbereich aufweist und die Projektion der Bilder verbessert.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird erfindungsgemäß durch eine Projektionsanordnung gemäß Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungen gehen aus den Unteransprüchen hervor.
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Die erfindungsgemäße Projektionsanordnung für ein Head-Up-Display verfügt über eine Windschutzscheibe, die eine Außenscheibe und eine Innenscheibe aufweist. Die Außenscheibe und die Innenscheibe sind über eine thermoplastische Zwischenschicht miteinander verbunden. Die Windschutzscheibe ist dafür vorgesehen, in einer Fensteröffnung eines Fahrzeugs den Innenraum gegenüber der äußeren Umgebung abzutrennen. Mit Innenscheibe wird im Sinne der Erfindung die dem Fahrzeuginnenraum zugewandte Scheibe der Windschutzscheibe bezeichnet. Mit Außenscheibe wird die der äußeren Umgebung zugewandte Scheibe bezeichnet. Die Windschutzscheibe ist bevorzugt die Windschutzscheibe eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Personen- oder Lastkraftwagens.
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Wie bei HUDs üblich bestrahlt ein Projektor einen Bereich der Windschutzscheibe, wo die Strahlung in Richtung des Betrachters (Fahrers) reflektiert wird, wodurch ein virtuelles Bild erzeugt wird, welches der Betrachter von ihm aus gesehen hinter der Windschutzscheibe wahrnimmt. Der durch den Projektor bestrahlbare Bereich der Windschutzscheibe wird als HUD-Bereich bezeichnet. Die Strahlrichtung des Projektors kann durch optische Elemente (z.B. Spiegel) variiert werden, insbesondere vertikal, um die Projektion an die Körpergröße des Betrachters anzupassen.
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Erfindungsgemäß wird P-polarisierte Strahlung zur Erzeugung eines HUD-Bildes verwendet. Die Windschutzscheibe weist eine Reflexionsbeschichtung und eine Halbwellenplatte auf, wobei die Reflexionsbeschichtung zwischen der Halbwellenplatte und der Außenscheibe oder der Innenscheibe angeordnet ist. Die Reflexionsbeschichtung reflektiert deutlich mehr S-polarisierte Strahlung als P-polarisierte Strahlung, wobei die Halbwellenplatte innerhalb des HUD-Bereichs angeordnet ist und zur Umwandlung der Polarisation der durch die Halbwellenplatte transmittierten Strahlung vorgesehen ist.
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Die Halbwellenplatte ist dazu vorgesehen die Polarisation der einfallenden Strahlung zu verändern, insbesondere die P-Polarisation in eine S-Polarisation umzuwandeln, wodurch die Reflektivität der Strahlung deutlich verstärkt wird. Durch Drehung der Polarisation von P zu S entfaltet sich die volle Wirksamkeit der Reflexionsbeschichtung.
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Da der für HUD-Projektionsanordnungen typische Einfallswinkel von etwa 65° dem Brewsterwinkel für einen Luft-Glas-Übergang (57,2°, Kalk-Natron-Glas) relativ nahekommt, wird P-polarisierte Strahlung von Scheibenoberflächen kaum reflektiert, während S-polarisierte Strahlung deutlich stärker reflektiert wird. Die Reflektion der P-polarisierten Strahlung findet hauptsächlich an der Reflexionsbeschichtung statt. Um die Reflexion der P-polarisierten Strahlung zu verstärken wird die Polarisation der Strahlung durch die Halbwellenplatte von P zu S bzw. von S zu P verändert.
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Mit anderen Worten ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Windschutzscheibe eine Reflexionsbeschichtung und mindestens eine Halbwellenplatte aufweist. Überraschend hat sich gezeigt, dass eine solche erfindungsgemäße Projektoranordnung gegenüber den bisher bekannten Windschutzscheiben deutlich verbesserte optische Eigenschaften aufweist, insbesondere Reflexionseigenschaften. Die Reflexion kann auf diese Weise auf bis zu 30% verstärkt werden.
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Die erfindungsgemäße HUD-Projektionsanordnung bewirkt eine hohe Reflektivität gegenüber P-polarisierter Strahlung im Spektralbereich von 450 nm bis 650 nm (Nanometer), der für HUD-Darstellungen relevant ist. HUD Projektoren arbeiten typischerweise mit Wellenlängen von 473 nm, 550 nm und 630 nm (RGB). Dadurch wird ein intensitätsstarkes HUD-Bild erreicht.
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Die Halbwellenplatte umfasst bevorzugt zumindest ein optisch anisotropes Material oder auch optisch doppelbrechende Materialien, insbesondere Quarz oder Glimmer. Prinzipiell geeignete weitere anorganische Materialien sind z.B. Kalkspat (CaCO3), Lithiumniobat (LiNbO3), Rubin (Al2O3), Rutil (TiO2) und Zirkon (ZrSiO4). Auch Halbwellenplatten aus organischen Materialien, insbesondere aus gestreckten Kunststoffen sind geeignet. Beispielhaft kann die Halbwellenplatte plattenförmig ausgebildet sein und Quarz enthalten.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Zwischenschicht zwei thermoplastischen Folien auf, wobei die Halbwellenplatte zwischen einer ersten thermoplastischen Folie und einer zweiten thermoplastischen Folie eingebettet sein kann. Diese Anordnung erbringt den unvorhergesehenen Vorteil, dass die Reflexionseingenschaften weiter verbessert werden.
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Erfindungsgemäß ist die Halbwellenplatte innerhalb der Zwischenschicht angeordnet. Dabei dringt die P-polarisierte Strahlung durch die Halbwellenplatte innerhalb der Zwischenschicht hindurch und verändert dabei seine Polarisationsrichtung, so dass die Polarisation der Strahlung in S-polarisiert umgewandelt wird. Die S-polarisierte Strahlung wird an der Außenscheibe reflektiert und dringt durch die Halbwellenplatte, was wiederum eine Polarisationsumwandlung von S-polarisierter Strahlung zu P-polarisierter Strahlung zur Folge hat. Dadurch wird die totale Reflexion der P-polarisierten Strahlung an der Scheibe auf ca. 30% verbessert. Die Reflexionsbeschichtung ist zwischen der Halbwellenplatte und der Außenscheibe oder Innenscheibe angeordnet.
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Erfindungsgemäß weist die Windschutzscheibe mehrere Halbwellenplatten auf. Damit werden besonders gute Ergebnisse erzielt. Erfindungsgemäß kann die Reflexionsbeschichtung zwischen zwei Halbwellenplatten angeordnet sein.
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In einer weiteren Ausgestaltung kann die Zwischenschicht die Reflexionsbeschichtung, zwei Halbwellenplatte sowie zwei thermoplastische Folien umfassen, wobei die erste Halbwellenplatte und eine erste thermoplastische Folie oberhalb der Reflexionsbeschichtung angeordnet sind und die zweite Halbwellenplatte und die zweite thermoplastische Folie unterhalb der Reflexionbeschichtung angeordnet sind.
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Die Reflexionsbeschichtung ist ein Dünnschichtstapel. Der Dünnschichtstapel besteht aus einer Schichtenfolge dünner Einzelschichten. Dieser Dünnschichtstapel enthält mindestens eine elektrisch leitfähige Schicht auf Basis von Silber. Die elektrisch leitfähige Schicht auf Basis von Silber verleiht der Reflexionsbeschichtung die grundlegenden reflektierenden Eigenschaften und außerdem eine IR-reflektierende Wirkung und eine elektrische Leitfähigkeit. Die elektrisch leitfähige Schicht auf Basis von Silber kann auch vereinfacht als Silberschicht bezeichnet werden.
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Die elektrisch leitfähige Schicht ist auf Basis von Silber ausgebildet. Die elektrisch leitfähige Schicht enthält bevorzugt mindestens 90 Gew. % Silber, besonders bevorzugt mindestens 99 Gew. % Silber, ganz besonders bevorzugt mindestens 99,9 Gew % Silber. Die Silberschicht kann Dotierungen aufweisen, beispielsweise Palladium, Gold, Kupfer oder Aluminium. Die geometrischen Schichtdicke der Silberschicht beträgt bevorzugt höchstens 15 nm, besonders bevorzugt höchstens 14 nm, ganz besonders bevorzugt höchstens 13 nm. Dadurch kann eine vorteilhafte Reflektivität im IR-Bereich erzielt werden, ohne die Transmission im Sichtbaren Bereich zu stark herabzusetzen. Die geometrische Schichtdicke der Silberschicht beträgt bevorzugt mindestens 5 nm, besonders bevorzugt mindestens 8 nm. Besonders bevorzugt beträgt die geometrische Schichtdicke der Silberschicht von 10 nm bis 14 nm oder von 11 nm bis 13 nm.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die Reflexionsbeschichtung keine dielektrischen Schichten, deren Brechungsindex weniger als 1,9 beträgt. Alle dielektrischen Schichten der Reflexionsbeschichtung weisen also einen Brechungsindex von mindestens 1,9 auf. Es ist ein besonderer Vorteil der vorliegenden Erfindung, dass die gewünschten Reflexionseigenschaften allein mit relativ hochbrechenden dielektrischen Schichten erreicht werden können. Da für niedrigbrechende Schichten mit einem Brechungsindex von kleiner als 1,9 insbesondere Siliziumoxid-Schichten in Frage kommen, die geringe Abscheidungsraten bei der magnetfeldunterstützten Kathodenabscheidung aufweisen, lässt sich die erfindungsgemäße Reflexionsbeschichtung so schnell und kostengünstig herstellen.
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Die Reflexionsbeschichtung enthält oberhalb und unterhalb der Silberschicht unabhängig voneinander jeweils eine dielektrische Schicht oder eine dielektrische Schichtenfolge mit einem Brechungsindex von mindestens 1,9. Die dielektrischen Schichten können beispielsweise auf Basis von Siliziumnitrid, Zinkoxid, Zinn-Zink-Oxid, Silizium-Metall-Mischnitriden wie Silizium-Zirkonium-Nitrid, Zirkoniumoxid, Nioboxid, Hafniumoxid, Tantaloxid, Wolframoxid oder Siliziumkarbid ausgebildet sein. Die genannten Oxide und Nitride können stöchiometrisch, unterstöchiometrisch oder überstöchiometrisch abgeschieden sein. Sie können Dotierungen aufweisen, beispielsweise Aluminium, Zirkonium, Titan oder Bor.
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Die optische Dicke der oberen dielektrischen Schicht oder Schichtenfolge beträgt bevorzugt von 100 nm bis 200 nm, besonders bevorzugt von 130 nm bis 170 nm. Die optische Dicke der unteren dielektrischen Schicht oder Schichtenfolge beträgt bevorzugt von 50 nm bis 100 nm, besonders bevorzugt von 60 nm bis 90 nm. Damit werden gute Ergebnisse erzielt.
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Grundsätzlich ist es ausreichend, wenn der HUD-Bereich der Windschutzscheibe mit der Reflexionsbeschichtung versehen ist. Es können aber auch weitere Bereiche mit der Reflexionsbeschichtung versehen sein. Die Windschutzscheibe kann im wesentlichen vollflächig mit der Reflexionsbeschichtung versehen sein, was herstellungsbedingt bevorzugt sein kann.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung sind mindestens 80% der Scheibenoberfläche mit der erfindungsgemäßen Reflexionsbeschichtung versehen. Insbesondere ist die Reflexionsbeschichtung vollflächig auf die Scheibenoberfläche aufgebracht mit Ausnahme eines umlaufenden Randbereichs und optional lokalen Bereichs, die als Kommunikations-, Sensor- oder Kamerafenster die Transmission von elektromagnetischer Strahlung durch die Windschutzscheibe gewährleisten sollen und daher nicht mit der Reflexionsbeschichtung versehen sind. Der umlaufende unbeschichtete Randbereich weist beispielsweise eine Breite von bis zu 20 cm auf. Er verhindert den direkten Kontakt der Reflexionsbeschichtung zur umgebenden Atmosphäre, so dass die Reflexionsbeschichtung im Innern der Windschutzscheibe vor Korrosion und Beschädigung geschützt ist.
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Weitere Möglichkeiten und Hinweise für die Herstellung und Parameter der Reflexionsbeschichtung, wie sie bei der Erfindung einsetzbar sind, können auch der nicht vorveröffentlichten
EP 19212006.1 entnommen werden, auf deren Offenbarungsgehalt vollumfänglich Bezug genommen wird.
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Der Projektor ist innenraumseitig der Windschutzscheibe angeordnet und bestrahlt die Windschutzscheibe über die innenraumseitige Oberfläche der Innenscheibe. Er ist auf den HUD-Bereich gerichtet und bestrahlt diesen zur Erzeugung der HUD-Projektion. Die Strahlung des Projektors ist erfindungsgemäß überwiegend P-polarisiert, weist also einen P-polarisierten Strahlungsanteil von größer als 50% auf. Je höher der Anteil der P-polarisierten Strahlung an der Gesamtstrahlung des Projektors ist, desto intensitätsstärker ist das gewünschte Projektionsbild und desto intensitätsschwächer ist eine unerwünschte Reflexion an der Oberfläche der innenraumseitigen Innenscheibe der Windschutzscheibe. Der P-polarisierte Strahlungsanteil des Projektors beträgt bevorzugt mindestens 70%, besonders bevorzugt mindestens 80% und insbesondere mindestens 90%. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist die Strahlung des Projektors im Wesentlichen rein P-polarisiert - der P-polarisierte Strahlungsanteil beträgt also 100% oder weicht nur unwesentlich davon ab. Die Angabe der Polarisationsrichtung bezieht sich dabei auf die Einfallsebene der Strahlung auf der Windschutzscheibe. Mit P-polarisierter Strahlung wird eine Strahlung bezeichnet, deren elektrisches Feld in der Einfallsebene schwingt. Mit S-polarisierter Strahlung wird eine Strahlung bezeichnet, deren elektrisches Feld senkrecht zur Einfallsebene schwingt. Die Einfallsebene wird durch den Einfallsvektor und die Flächennormale der Windschutzscheibe im geometrischen Zentrum des bestrahlten Bereichs aufgespannt.
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Die Strahlung des Projektors trifft bevorzugt mit einem Einfallswinkel von 45° bis 75°, insbesondere von 60° bis 70° auf die Windschutzscheibe. In einer vorteilhaften Ausgestaltung weicht der Einfallswinkel um höchstens 10° vom Brewsterwinkel ab. Die P-polarisierte Strahlung wird dann nur unwesentlich an den Oberflächen der Innenscheibe reflektiert, so dass kein Geisterbild erzeugt wird. Der Einfallswinkel ist der Winkel zwischen dem Einfallsvektor der Projektorstrahlung und der innenraumseitigen Flächennormale (also die Flächennormale auf die innenraumseitige externe Oberfläche der Windschutzscheibe) im geometrischen Zentrum des HUD-Bereichs. Der Brewsterwinkel für einen Luft-Glas-Übergang im Falle von Kalk-Natron-Glas, das für Fensterscheiben allgemein üblich ist, beträgt 57,2°. Idealerweise sollte der Einfallswinkel diesem Brewster-Winkel möglichst nahekommen. Es können aber beispielsweise auch Einfallswinkel von 65° verwendet werden, die für HUD-Projektionsanordnungen üblich sind, in Fahrzeugen problemlos zu realisieren sind und nur in einem geringen Maße vom Brewsterwinkel abweichen, so dass die Reflexion der P-polarisierten Strahlung nur unwesentlich zunimmt.
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Da die Reflexion der Projektorstrahlung im Wesentlichen an der Reflexionsbeschichtung erfolgt und nicht an den externen Scheibenoberflächen, ist es nicht nötig, die externen Scheibenoberflächen in einem Winkel zueinander anzuordnen, um Geisterbilder zu vermeiden. Die externen Oberflächen der Windschutzscheibe sind daher bevorzugt im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet. Die thermoplastische Zwischenschicht ist dazu bevorzugt nicht keilartig ausgebildet, sondern weist eine im Wesentlichen konstante Dicke auf, insbesondere auch im vertikalen Verlauf zwischen der Oberkante und der Unterkante der Windschutzscheibe, ebenso wie die Innenscheibe und die Außenscheibe. Eine keilartige Zwischenschicht würde dagegen im vertikalen Verlauf zwischen Unterkante und Oberkante der Windschutzscheibe eine veränderliche, insbesondere zunehmende Dicke aufweisen. Die Zwischenschicht ist typischerweise aus mindestens einer thermoplastischen Folie ausgebildet. Da Standardfolien deutlich kostengünstiger sind als Keilfolien, wird die Herstellung der Windschutzscheibe günstiger gestaltet.
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Die Außenscheibe und die Innenscheibe sind bevorzugt aus Glas gefertigt, insbesondere aus Kalk-Natron-Glas, was für Fensterscheiben üblich ist. Die Scheiben können grundsätzlich aber auch aus anderen Glasarten (beispielsweise Borosilikatglas, Quarzglas, Aluminosilikatglas) oder transparenten Kunststoffen (beispielsweise Polymethylmethacrylat oder Polycarbonat) gefertigt sein. Die Dicke der Außenscheibe und der Innenscheibe kann breit variieren. Vorzugsweise werden Scheiben mit einer Dicke im Bereich von 0,8 mm bis 5 mm, bevorzugt von 1,4 mm bis 2,5 mm verwendet, beispielsweise die mit den Standarddicken 1,6 mm oder 2,1 mm.
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Die Außenscheibe, die Innenscheibe und die thermoplastische Zwischenschicht können klar und farblos, aber auch getönt oder gefärbt sein. Die Gesamttransmission durch die Windschutzscheibe (samt Reflexionsbeschichtung) beträgt in einer bevorzugten Ausgestaltung größer 70%. Der Begriff Gesamttransmission bezieht sich auf das durch ECE-R 43, Anhang 3, § 9.1 festgelegte Verfahren zur Prüfung der Lichtdurchlässigkeit von Kraftfahrzeugscheiben. Die Außenscheibe und die Innenscheiben können unabhängig voneinander nicht vorgespannt, teilvorgespannt oder vorgespannt sein. Soll mindestens eine der Scheiben eine Vorspannung aufweisen, so kann dies eine thermische oder chemische Vorspannung sein.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Außenscheibe getönt oder gefärbt. Dadurch kann die außenseitige Reflektivität der Windschutzscheibe verringert werden, wodurch der Eindruck der Scheibe angenehmer gestaltet wird für einen äußeren Betrachter. Um allerdings die vorgeschriebene Lichttransmission von 70% für Windschutzscheiben zu gewährleisten (Gesamttransmission), sollte die Außenscheibe bevorzugt eine Lichttransmission von mindestens 80% aufweisen, besonders bevorzugt von mindestens 85%. Die Innenscheibe und die Zwischenschicht sind bevorzugt klar, also nicht getönt oder gefärbt. Beispielsweise kann grün oder blau gefärbtes Glas als Außenscheibe eingesetzt werden.
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Die Windschutzscheibe ist bevorzugt in einer oder in mehreren Richtungen des Raumes gebogen, wie es für Kraftfahrzeugscheiben üblich ist, wobei typische Krümmungsradien im Bereich von etwa 10 cm bis etwa 40 m liegen. Die Windschutzscheibe kann aber auch plan sein, beispielsweise wenn es als Scheibe für Busse, Züge oder Traktoren vorgesehen ist.
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Die thermoplastische Zwischenschicht enthält zumindest ein thermoplastisches Polymer, bevorzugt Ethylenvinylacetat (EVA), Polyvinylbutyral (PVB) oder Polyurethan (PU) oder Gemische oder Copolymere oder Derivate davon, besonders bevorzugt PVB. Die Zwischenschicht ist typischerweise aus einer thermoplastischen Folie ausgebildet. Die Dicke der Zwischenschicht beträgt bevorzugt von 0,2 mm bis 2 mm, besonders bevorzugt von 0,3 mm bis 1 mm.
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Die Windschutzscheibe kann hergestellt werden durch an sich bekannte Verfahren. Die Außenscheibe und die Innenscheibe werden über die Zwischenschicht miteinander laminiert, beispielsweise durch Autoklavverfahren, Vakuumsackverfahren, Vakuumringverfahren, Kalanderverfahren, Vakuumlaminatoren oder Kombinationen davon. Die Verbindung von Außenscheibe und Innenscheibe erfolgt dabei üblicherweise unter Einwirkung von Hitze, Vakuum und/oder Druck.
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Die Reflexionsbeschichtung wird bevorzugt durch physikalische Gasphasenabscheidung (PVD) auf eine Scheibenoberfläche aufgebracht, besonders bevorzugt durch Kathodenzerstäubung („Sputtern“), ganz besonders bevorzugt durch magnetfeldunterstütze Kathodenzerstäubung („Magnetronsputtern“). Die Beschichtung wird bevorzugt vor der Lamination aufgebracht. Statt die Reflexionsbeschichtung auf eine Scheibenoberfläche aufzubringen, kann sie grundsätzlich auch auf einer Trägerfolie bereitgestellt werden, die in der Zwischenschicht angeordnet wird.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren und Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die Figuren sind eine schematische Darstellung und nicht maßstabsgetreu. Die Figuren schränken die Erfindung in keiner Weise ein.
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Es zeigen:
- 1 eine Draufsicht auf eine Windschutzscheibe einer gattungsgemäßen Projektionsanordnung,
- 2 einen Querschnitt durch eine gattungsgemäße Projektionsanordnung,
- 3 A ein schematisches Diagramm von S-polarisierten Lichtstrahlen durch eine Windschutzscheibe der Projektionsanordnung,
- 3 B ein schematisches Diagramm von P-polarisierten Lichtstrahlen durch eine Windschutzscheibe der Projektionsanordnung,
- 4 einen Querschnitt durch eine Windschutzscheibe einer erfindungsgemäßen Projektionsanordnung,
- 5 einen Querschnitt durch eine weitere Ausgestaltung der Windschutzscheibe der erfindungsgemäßen Projektionsanordnung, und
- 6 einen Querschnitt durch eine weitere Ausgestaltung der Windschutzscheibe der erfindungsgemäßen Projektionsanordnung.
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Angaben mit Zahlenwerten sind in aller Regel nicht als exakte Werte zu verstehen, sondern beinhalten auch eine Toleranz von +/- 1 % bis zu +/- 10 %.
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1 und 2 zeigen je ein Detail einer gattungsgemäßen Projektionsanordnung für ein HUD. Die Projektionsanordnung umfasst eine Windschutzscheibe 10, insbesondere die Windschutzscheibe eines Personenkraftwagens. Weiterhin weist die Projektionsanordnung einen Projektor 4 auf, der auf einen Bereich der Windschutzscheibe 10 gerichtet ist. Dieser Bereich wird üblicherweise als HUD-Bereich B bezeichnet. In diesem Bereich können durch den Projektor 4 erzeugte Bilder projektiert werden, welche von einem Betrachter 5 (z.B. Fahrzeugfahrer) als virtuelle Bilder auf der von ihm abgewandten Seite der Windschutzscheibe 10 wahrgenommen werde, wenn sich seine Augen innerhalb der sogenannten Eyebox E befinden.
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Die Windschutzscheibe 10 ist aufgebaut aus einer Außenscheibe 1 und einer Innenscheibe 2, die über eine thermoplastische Zwischenschicht 3 miteinander verbunden sind. Ihre Unterkante U ist nach unten in Richtung des Motors des Personenkraftwagens angeordnet, ihre Oberkante O nach oben in Richtung des Dachs. Die Außenscheibe 1 ist in Einbaulage der äußeren Umgebung zugewandt, die Innenscheibe 2 dem Fahrzeuginnenraum.
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3A zeigt ein schematisches Diagramm der Lichtstrahlen von S-polarisierten Licht, wenn die Lichtstrahlen teilweise an einer Reflexionsbeschichtung 20 der Windschutzscheibe 10 reflektiert werden. Die Außenscheibe 1 der Windschutzscheibe 10 weist eine außenseitige Oberfläche 11 (I) auf, die in Einbaulage der äußeren Umgebung zugewandt ist und eine innenseitige Oberfläche 12 (II), die in Einbaulage dem Innenraum zugewandt ist. Ebenso weist die Innenscheibe 2 eine außenseitige Oberfläche 13 (III) auf, die in Einbaulage der äußeren Umgebung zugewandt ist, und eine innenraumseitige Oberfläche 14 (IV), die in Einbaulage dem Innenraum zugewandt ist. Die Außenscheibe 1 und die Innenscheibe 2 bestehen beispielsweise aus Kalk-Natron-Glas. Die Außenscheibe 1 weist beispielsweise eine Dicke von 2,1 mm auf, die Innenscheibe 2 eine Dicke von 1,6 mm oder 2,1 mm. Die Zwischenschicht 3 ist beispielsweise aus einer PVB-Folie ausgebildet mit einer Dicke von 0,76 mm. Die PVB-Folie weist eine in Wesentlichen konstante Dicke auf, abgesehen von einer etwaigen fachüblichen Oberflächenrauigkeit - sie ist nicht als sogenannte Keilfolie ausgebildet.
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Die außenseitige Oberfläche 13 (III) der Innenscheibe 2 ist mit einer Reflexionsbeschichtung 20 versehen, die als Reflexionsfläche für die Projektorstrahlung (und eventuell zusätzlich als IR-reflektierende Beschichtung) vorgesehen ist.
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Wenn eine derartige Windschutzscheibe 10 mit S-polarisierten Lichtstrahlung bestrahlt wird und die Lichtstrahlung mit einem Einfallswinkel α von etwa 65° (der nahe dem sogenannten Brewster-Winkel liegt) auf die Windschutzscheibe 10 trifft, wird die Strahlung hauptsächlich an den Oberflächen 14 (IV), 13 (III) und 11 (I) reflektiert.
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3B zeigt ein schematisches Diagramm der Lichtstrahlen von P-polarisierten Licht, wenn die Lichtstrahlen teilweise an einer Reflexionsbeschichtung 20 der Windschutzscheibe 10 reflektiert werden.
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Wenn eine derartige Windschutzscheibe 10 mit P-polarisierten Lichtstrahlung bestrahlt wird und die Lichtstrahlung mit einem Einfallswinkel α von etwa 65° auf die Windschutzscheibe 10 trifft, wird die Strahlung nur unwesentlich an den Oberflächen 11 (I) und 14 (IV) reflektiert. Die Hauptreflexion findet an der Reflexionsbeschichtung 20 statt. Sie dient als Reflexionsfläche für die Strahlung des Projektors 4 zur Erzeugung der HUD-Projektion.
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4 zeigt eine Ausgestaltung einer erfindungsgemäß ausgebildeten Windschutzscheibe 10. Im Unterschied zu 2 weist die erfindungsgemäße Windschutzscheibe 10 eine Reflexionsbeschichtung 20 und eine Halbwellenplatte 6 auf.
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Die Reflexionsbeschichtung 20 ist an der außenseitigen Oberfläche 13 (III) der Innenscheibe 2 angeordnet. Die Reflexionsbeschichtung 20 ist als Reflexionsfläche für die vom Projektor 4 emittierte P-polarisierte Strahlung vorgesehen.
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Die Reflexionsbeschichtung 20 ist ein Stapel von Dünnschichten. Die Reflexionsbeschichtung 20 umfasst eine elektrisch leitfähige Schicht auf Basis von Silber. Direkt oberhalb der elektrisch leitfähigen Schicht ist eine metallische Blockerschicht angeordnet. Darüber ist eine obere dielektrische Schichtenfolge angeordnet, die von unten nach oben aus einer oberen Anpassungsschicht, einer oberen brechungsindexsteigernden Schicht und einer oberen Entspiegelungsschicht besteht. Unterhalb der elektrisch leitfähigen Schicht ist eine untere dielektrische Schichtenfolge angeordnet, die von oben nach unten aus einer unteren Anpassungsschicht, einer unteren brechungsindexsteigernden Schicht und einer unteren Entspiegelungsschicht besteht.
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Materialien und Schichtdicken können den nachfolgenden Beispielen entnommen werden.
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Die Schichtenfolgen einer Windschutzscheibe 10 mit der Reflexionsbeschichtung 20 auf der außenseitigen Oberfläche 13 (III) der Innenscheibe 2 gemäß der erfindungsgemäßen Beispiele 1 bis 5 sind, zusammen mit den Materialien und geometrische Schichtdicken der Einzelschichten, in Tabelle 1 dargestellt. Die dielektrischen Schichten können unabhängig voneinander dotiert sein, beispielsweise mit Bor oder Aluminium. Tabelle 1
| Material | Bezugszeichen | Schichtdicke |
| Beispiel 1 | Beispiel 2 | Beispiel 3 | Beispiel 4 | Beispiel 5 |
| SiN | 20 | 70 nm | 70 nm | 60 nm | 60 nm | 60 nm |
| SiZrN | - | - | - | 10 nm | 10 nm |
| ZnO | - | - | 10 nm | 10 nm | 10 nm |
| NiCr | 0,3 nm | 0,3 nm | 0,3 nm | 0,3 nm | 0,3 nm |
| Ag | 11 nm | 12 nm | 12 nm | 11 nm | 13 nm |
| ZnO | - | - | 10 nm | 10 nm | 10 nm |
| SiZrN | - | - | - | 10 nm | 10 nm |
| SiN | 30 nm | 35 nm | 25 nm | 20 nm | 20 nm |
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Im Unterschied zu 2 weist die Zwischenschicht 3 zwei PVB-Folien 3.1 und 3.2 auf. Alternativ oder zusätzlich kann die Zwischenschicht 3 zwei Folien aus thermoplastischen Polymer, bevorzugt EVA, PU oder Gemische oder Copolymere oder Derivate davon, aufweisen.
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Zwischen einer ersten PVB-Folie 3.1 und einer zweiten PVB-Folie 3.2 ist eine Halbwellenplatte 6 eingebettet. Die PVB-Folien weisen eine im Wesentlich konstante Dicke von ca. jeweils 0,38 mm auf.
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Die Halbwellenplatte 6 ist plattenförmig ausgebildet und enthält beispielsweise Quarz. Sie weist eine Dicke von ca. 28 µm (Mikrometer) auf. Die Halbwellenplatte bedeckt den HUD-Bereich vollflächig. Alternativ kann die Halbwellenplatte 6 Rutil enthalten. Dabei würde ihre Dicke ca. 870 nm (Nanometer) betragen. Die Halbwellenplatte 6 ist transparent ausgebildet.
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Der Projektor 4 emittiert erfindungsgemäß P-polarisierte, insbesondere im Wesentlich rein P-polarisierte Strahlung. Da der Projektor 4 die Windschutzscheibe 10 mit einem Einfallswinkel 65° bestrahlt, der nahe dem Brewster-Winkel liegt, wird die Strahlung nur unwesentlich an der Oberfläche 14 (IV) der Windschutzscheibe 10 reflektiert. Die Reflexionsbeschichtung 20 dagegen ist auf die Reflexion P-polarisierter Strahlung optimiert. Die P-polarisierte Strahlung wird zum Teil an der Reflexionsbeschichtung 20 reflektiert und zum Teil transmittiert. Wenn die transmittierte Strahlung die Halbwellenplatte 6 durchdringt, wird ihre Polarisation verändert. Die P-polarisierte Strahlung wird in S-polarisierte Strahlung umgewandelt. Die S-polarisierte Strahlung wird an der Oberfläche 11 (I) der Außenscheibe 1 reflektiert und durchdringt die Halbwellenplatte 6 erneut. Die Polarisierung der Strahlung wird erneut gedreht. Die S-polarisierte Strahlung weist nach der Transmission durch die Halbwellenplatte erneut eine P-Polarisation auf.
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Durch die Reflexion an der Oberfläche 11 (I) der Außenscheibe 1 wird gezielt eine Reflexion erzeugt, die durch eine Verwendung einer Keilfolie als erste PVB-Folie 3.1 oder als zweite PVB-Folie 3.2 zusätzlich einstellbar ist. Durch die zusätzliche Reflexion wird die HUD-Projektion auf bis zu 30 % verstärkt sichtbar. Dieses Ergebnis war für den Fachmann unerwartet und überraschend. Alternativ oder zusätzlich kann die Außenscheibe 1 getönt oder gefärbt sein.
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5 zeigt einen Querschnitt durch eine weitere Ausgestaltung der Windschutzscheibe erfindungsgemäßen Projektionsanordnung. Im Unterschied zu 4 weist die erfindungsgemäße Windschutzscheibe 10 eine Reflexionsbeschichtung 20 an der Oberfläche 12 (II) der Innenscheibe 2 auf. Die Reflexionsbeschichtung 20 ist an der innenraumseitigen, zur Zwischenschicht 3 hingewandten Oberfläche 12 (II) der Innenscheibe 2 angeordnet. Die Reflexionsbeschichtung 20 ist weiterhin als Reflexionsfläche für die vom Projektor 4 emittierte P-polarisierte Strahlung vorgesehen.
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Analog zu 4 weist die Zwischenschicht 3 zwei PVB-Folien 3.1 und 3.2 auf. Zwischen der ersten PVB-Folie 3.1 und der zweiten PVB-Folie 3.2 ist die Halbwellenplatte 6 eingebettet. Die PVB-Folien weisen eine im Wesentlich konstante Dicke von ca. jeweils 0,38 mm auf. Die Zwischenschicht 3 ist also hier ein Stapel aufweisend ein zentral angeordnete Halbwellenplatte 6 sowie zwei PVB-Folien 3.1 und 3.2. Oberhalb der Halbwellenplatte 6 befinden sich die erste PVB-Folie 3.1. Unterhalb der Halbwellenplatte 6 befinden sich die zweite PVB-Folie 3.2. Die Zwischenschicht 3 verbindet die Innenscheibe 2 und die Außenscheibe 1.
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Ist eine erste Schicht (z.B. erste PVB-Folie 3.1) oberhalb einer zweiten Schicht (Halbwellenplatte 6) angeordnet, so bedeutet dies im Sinne der Erfindung, dass die erste Schicht weiter von dem Substrat (hier z.B. Außenscheibe 1), auf dem die Schicht aufgebracht ist, entfernt angeordnet ist als die zweite Schicht. Ist eine erste Schicht (z.B. zweite PVB-Folie 3.2) unterhalb einer zweiten Schicht (Halbwellenplatte 6) angeordnet, so bedeutet dies im Sinne der Erfindung, dass die zweite Schicht weiter vom Substrat entfernt angeordnet ist als die erste Schicht.
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Die Halbwellenplatte 6 ist, wie in 4, plattenförmig ausgebildet und enthält Quarz. Sie weist eine Dicke von ca. 28 µm (Mikrometer) auf. Die Halbwellenplatte 6 bedeckt den HUD-Bereich vollflächig. Alternativ kann die Halbwellenplatte 6 Rutil enthalten. Dabei würde ihre Dicke ca.870 nm (Nanometer) betragen. Die Halbwellenplatte 6 ist transparent ausgebildet.
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Der Projektor 4 emittiert weiterhin erfindungsgemäß P-polarisierte Strahlung. Da der Projektor 4 die Windschutzscheibe 10 mit einem Einfallswinkel 65° bestrahlt, wird die nur unwesentlich an der Oberfläche 14 (IV) der Windschutzscheibe 10 reflektiert. Die Reflexion findet hauptsätzlich an der Reflexionsbeschichtung 20 statt, die auf die Reflexion P-polarisierter Strahlung optimiert ist. Die transmittierte Strahlung durchdringt die Halbwellenplatte 6, was zu einer Veränderung ihrer Polarisation führt. Die P-polarisierte Strahlung wird in S-polarisierte Strahlung umgewandelt. Die S-polarisierte Strahlung wird teilweise an der Reflexionsbeschichtung 20 reflektiert, teilweise wird die S-polarisierte durch die Reflexionsbeschichtung 20 transmittiert. Die reflektierte, S-polarisierte Strahlung wird an der an der Oberfläche 12 (II) angeordneten Reflexionsbeschichtung 20 reflektiert und durchdringt die Halbwellenplatte 6 erneut. Auch die transmittierte S-polarisierte Strahlung wird an der Oberfläche 11 (I) der Außenscheibe 1 reflektiert und durchdringt die Halbwellenplatte 6 erneut. Die Polarisierung der Strahlung wird erneut gedreht. Die S-polarisierte Strahlung weist nach der Transmission durch die Halbwellenplatte erneut eine P-Polarisation auf.
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Durch die Reflexion an der Oberfläche 12 (II) der Außenscheibe 1 wird eine zusätzliche Reflexion erzeugt. Durch die zusätzliche Reflexion wird die HUD-Projektion auf bis zu 20% verstärkt sichtbar. Dieses Ergebnis war für den Fachmann unerwartet und überraschend.
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6 zeigt eine Ausgestaltung einer weiteren erfindungsgemäß ausgebildeten Windschutzscheibe 10. Im Unterschied zu 4 weist die erfindungsgemäße Windschutzscheibe 10 eine Reflexionsbeschichtung 20 auf, die zwischen zwei Halbwellenplatten, eine erste Halbwellenplatte 6.1 und eine zweite Halbwellenplatte 6.2, angeordnet ist. Die zwei Halbwellenplatten 6.1 und 6.2 mit der Reflexionsbeschichtung 20 sind wiederum zwischen der ersten PVB-Folie 3.1 und zweiten PVB-Folie 3.2 angeordnet.
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Die Zwischenschicht 3 ist also hier ein Stapel, aufweisend die Reflexionsbeschichtung 20, zwei Halbwellenplatten 6.1 und 6.2, sowie zwei PVB-Folien 3.1 und 3.2. Die Reflexionsbeschichtung 20 ist zentral im Stapel angeordnet. Oberhalb der Reflexionsbeschichtung 20 befinden sich die erste Halbwellenplatte 6.1 und die erste PVB-Folie 3.1. Auch unterhalb der Reflexionsbeschichtung 20 befinden sich die zweite Halbwellenplatte 6.2 und die zweite PVB-Folie 3.2. Die Zwischenschicht 3 verbindet die Innenscheibe 2 und die Außenscheibe 1.
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Die Reflexionsbeschichtung 20 ist als Reflexionsfläche für die vom Projektor 4 emittierte P-polarisierte Strahlung vorgesehen, wobei die Reflexionsbeschichtung 20 auch S-polarisierte Strahlung reflektiert.
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Die erste Halbwellenplatte 6.1 und die zweite Halbwellenplatte 6.2 sind plattenförmig ausgebildet und enthalten jeweils Quarz. Sie weisen jeweils eine Dicke von ca. 28 µm auf. Die erste Halbwellenplatten 6.1 und die zweite Halbwellenplatte 6.2 bedeckt jeweils den HUD-Bereich vollflächig. Beide Halbwellenplatte 6.1 und 6.2 sind transparent ausgebildet.
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Der Projektor 4 emittiert erfindungsgemäß P-polarisierte Strahlung. Da der Projektor 4 die Windschutzscheibe 10 mit einem Einfallswinkel 65° bestrahlt, wird die Strahlung nur unwesentlich an der Oberfläche 14 (IV) der Windschutzscheibe 10 reflektiert. Die Reflexionsbeschichtung 20 dagegen ist auf die Reflexion P-polarisierter Strahlung optimiert. Bevor die Strahlung auf die Reflexionsbeschichtung 20 trifft, durchdringt die P-polarisierte Strahlung die erste Halbwellenplatte 6.1. Dabei wird die Polarisation der Strahlung umgewandelt. Die P-Polarisation der Strahlung wird in S-Polarisation gedreht. Die S-polarisierte Strahlung wird zum Teil an der Reflexionsbeschichtung 20 reflektiert und zum anderen Teil transmittiert. Die reflektierte, S-polarisierte Strahlung durchdringt wiederum die erste Halbwellenplatte 20 und ändert ihre Polarisation erneut, sodass die reflektierte Strahlung als P-polarisierte Strahlung aus der Windschutzscheibe 10 austritt.
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Die transmittierte, S-polarisierte Strahlung durchdringt auch die zweite Halbwellenplatte 6.2. Die transmittierte, S-polarisierte Strahlung ändert ihre Polarisation erneut, sodass die transmittierte Strahlung als P-polarisierte Strahlung an der Oberfläche 11 (I) der Außenscheibe 1 austritt.
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Durch die reine Reflexion der S-polarisierten Strahlung wird die HUD-Projektion auf bis zu 33% verstärkt sichtbar. Dieses Ergebnis war für den Fachmann unerwartet und überraschend.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Außenscheibe
- 2
- Innenscheibe
- 3
- thermoplastische Zwischenschicht
- 3.1
- erste PVB-Folie
- 3.2
- zweite PVB-Folie
- 4
- Projektor
- 5
- Betrachter / Fahrzeugfahrer
- 6
- Halbwellenplatte
- 6.1
- erste Halbwellenplatte
- 6.2
- zweite Halbwellenplatte
- 10
- Windschutzscheibe
- 20
- Reflexionsbeschichtung
- O
- Oberkante der Windschutzscheibe 10
- U
- Unterkante der Windschutzscheibe 10
- B
- HUD-Bereich der Windschutzscheibe 10
- E
- Eyebox
- 11
- außenseitige, von der Zwischenschicht 3 abgewandte Oberfläche der Außenscheibe 1
- 12
- innenraumseitige, zur Zwischenschicht 3 hingewandte Oberfläche der Außenscheibe 1
- 13
- außenseitige, zur Zwischenschicht 3 hingewandte Oberfläche der Innenscheibe 2
- 14
- innenraumseitige, von der Zwischenschicht 3 abgewandte Oberfläche der Innenscheibe 2
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2009/071135 A1 [0005]
- EP 1800855 B1 [0005]
- EP 1880243 A2 [0005]
- DE 102014220189 A1 [0007]
- WO 2019/046157 A1 [0007]
- US 2017242247 A1 [0007]
- US 6744478 B1 [0008]
- US 2009195875 A1 [0009]
- EP 19212006 [0031]
