DE3347271A1

DE3347271A1 - Optische einrichtung an kraftwagen

Info

Publication number: DE3347271A1
Application number: DE19833347271
Authority: DE
Inventors: Siegfried Dipl Ing Dr Reiniger; Albert Dr Wiesmeier
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Daimler Benz AG
Priority date: 1983-12-28
Filing date: 1983-12-28
Publication date: 1985-07-18
Also published as: DE3347271C2

Description

Optische Einrichtung an Kraftfahrzeugen Die Erfindung betrifft eine optische Einrichtung an Kraftfahrzeugen, zur Einspiegelung bildhaft dargestellter Meß- oder Warnsignale in das Gesichtsfeld des Fahrers, wobei ein Teil der Frontscheibe mit einem teildurchlässigen Spiegel versehen ist, über den die Beobachtungsobjekte - die Signaldarstellungen - vom Fahrer in der für die Beobachtung des Verkehrs geeigneten Ausrichtung seines Gesichtsfeldes einsehbar sind.-Einrichtungen dieser Art haben den Zweck, daß der Fahrer auch in einer seine volle Aufmerksamkeit fordernden Verkehrssituation, z.B. im Verlauf einer Kolonnenfahrt, wichtige Informationssignale, z.B. Anzeigesignale, die ihm den Ausfall der Bremsanlage signalisieren, oder Anzeigesignale einer Abstands -Warnanlage, wahrnehmen kann, ohne hierzu seine Blickrichtung vom rollenden Verkehr abwenden zu müssen.
Eine optische Einrichtung der eingangs genannten Art ist der DE-AS 22 42 316 entnehmbar. Bei solchen Einrichtungen ist der teildurchlässige Spiegel üblicherweise als eine auf die Frontscheibe des Fahrzeuges aufgedampfte, dünne Metallschicht von einigen ßm Dicke ausgebildet oder als eine entsprechend bedampfte, an der Frontscheibe befestigte Kunststoffolie, wobei der Spiegel eine Durchlässigkeit von ca. 50 % hat. Die die Signaldarstellungen vermittelnden optischen Elemente z.B. Leuchtdioden oder Flüssigkristallanzeigen, die in einem geeigneten flächenhaften oder punktförmigen Signalmuster gruppiert sind, sind dabei in der Regel innerhalb der Instrumentenverkleidung des Fahrzeuges, einige cm unterhalb des unteren Randes der Frontscheibe angeordnet und werden mittels eines Abbildungssystems auf den an der Frontscheibe angebrachten teildurchlässigen Spiegel projiziert, der das Bild der Beobachtungsobiekte in das Gesichtsfeld des Fahrers umlenkt.
Der wesentliche Nachteil bekannter optischer Einrichungen dieser Art besteht darin, daß von außen in den Raum, in dem die Anzeigeelemente untergebracht sind, aus den verschiedensten Richtungen einfallendes Licht zu störenden Reflexen führt, die ebenfalls in das Gesichtsfeld des Beobachters eingespiegelt werden und gleichsam einen störenden Untergrund bilden, von dem sich, insbesondere bei Tage, das von den Anzeigeelementen ausgehende, die Information enthaltende Nutzlicht, nur wenig abhebt, und damit die jeweiligen Anzeigesignale nur schwer erkannt werden können. Zwar könnte diesem Nachteil dadurch entgegengewirkt werden, daß die Beobachtungsobjekte als sehr hell strahlende Elemente aus(3ebildet sind, o(ler hell beleuchtet werden; es müßte dann aber eine Regelungseinrichtung vorgesehen werden, die bei Dunkelheit eine Blendung des Fahrers durch die selbstleuchtenden oder hell beleuchteten Anzeigen verhindert. Der dafür erforderliche technische Aufwand wäre erheblich. Es kommt hinzu, daß in Fällen, in denen zur Darstellung von Meß- oder Warnsignalen Leuchtdioden verwendet werden, was aus Gründen der einfachen Ansteuerung zweckmäßig erscheint, deren Leuchtkraft oftmals nicht ausreichend ist, um das bei hellem Tageslicht auftretende Streulicht zu überstrahlen.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine optische Einrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der der störende Einfluß von außen in den Beobachtungsraum gelangenden ,treulichtes auf die Wahrnehmbarkeit der Signaldarstellungen weitestgehend vermieden wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 genannten Merkmale gelöst.
Ein hiernach vorgesehener, den Raum, in dem die Anzeigeelemente untergebracht sind, gegen den Außenraum optisch abschließender Zirkularpolarisator hat, für sich allein gesehen die Wirkung, daß in dem die Anzeige enthaltenden Raum gelangendes, störendes Streulicht, aus diesem Raum nicht wieder austreten kann, wodurch störende Reflexe im Gesichtsfeld des Fahrers, die die deutliche Wahrnehmbarkeit der Anzeigesignale beeinträchtigen könnten, vermieden werden. Dieser Zirkularpolarisator ist so eingestellt, daß der aus dem Beobachtungsraum, d.h. dem Raum, in dem die Anzeigeelemente untergebracht sind, austretende Lichtstrom senkrecht zur Einrallsebene polarisiert ist, die durch die Ausbreitunysrihtungen des auf den teildurchlässigen Spiegel der Frontscheibe auftreffenden und des an diesem reflektierten Beobachtungslichtstromes markiert ist. In Verbindung damit, daß die Reflexion an dem als die elektrische Mehrfachschichtanordnung ausgebildeten, teildurchlässigen Spiegel unter dem für diesen charakteristischen Brewster-Winkel erfolgt, wird weiter erreicht, daß der Reflexionsgrad des Nutzlichtes an dem teildurchlässigen Spiegel sehr hoch ist, wobei ein Reflexionsgrad von 80 % bis 90 % ohne weiteres erreichbar ist. Das in das Gesichtsfeld des Fahrers eingespiegelte Bild des die Anzeigeelemente enthaltenden Beobachtungsraumes ist auch dann, wenn als Anzeigeelemente relativ schwach leuchtende Leuchtdioden üblicher Lichtleistung verwendet werden, noch hinreichend kontrastreich, um vom Fahrer deutlich wahrgenommen und damit hinsichtl-ich seines Bedeutungsinhaltes zutreffend interpretiert werden zu können. Lie Helligkeit der Anzeigeelemente kann so niedrig gewählt werden, daß auf eine ansonsten für den Nachtbetrieb des Fahrzeuges erforderliche Helligkeitsregelung ohne weiteres verzichtet werden kann.
In der durch die Merkmale des Anspruchs 2 umrissenen Gestaltung der erfindungsgernäßen Einrichtung kann diese unter Einhaltung der funktilJnell günstigsten Reflexionsbedingungen sowohl an unterschiedliche Fahrzeugtypen als auch an die vom Fahrer jeweils bevorzugte Beobachtungsposition angepaßt werden.
In Verbindung hiermit wird durch die Merkmale des Anspruchs 3 vermieden, daß in den Beobachtungsraum gelangendes Streulicht zu einer unerwünschten Aufheizung und damit einer möglichen Beschädigung der Anzeigeelemente führen kann.
Durch die Merkmale des Anspruchs 4 wird erreicht, daß der Fahrer die Anzeigeelemente in einer Entfernung sieht, an die seine Augen durch die Beobachtung des Verkehrs schon akkomodiert sind, wodurch die Zeitspanne, innerhalb derer der Fahrer die Anzeigesignale erkennen und bedeutungsgerecht interpretieren kann, deutlich verkürzt wird.
Durch die Merkmale des Anspruchs 5 wird gewährleistet, daß der Fahrer ein räumliches Bild des Signalmusters sieht.
Die gemäß Anspruch 6 vorgesehene Ausführung der erfindungsgemäßen Einrichtung ist zweckmäßig, wenn diese für die Ubermittelung detailreicher Informationen ausgelegt sein soll.
In Verbindung hiermit ist durch die Merkmale des An-Anspruchs 7 zu 7 die Gestaltung einer Beleuchtungseinrichtung angegeben, die eine günstig gleichmäßige Beleuchtung eines zu betrachtenden Anzeigenfeldes vermittelt.
Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus. der nachfolgenden Beschreibung eines speziellen Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung. Es zeigen: Fig. 1 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Einrichtung zur Einspiegelung von Informationssignalen in das Gesichtsfeld des Fahrers eines Kraftfahrzeuges, in schematischer, vereinfachter Darstellung im Schnitt längs der Einfallsebene der Linrichtung, und Fig. 2 Einzelheiten des Schichtaufbaues eines im Rahmen der Einrichtung gemäß Fig. 1 vorgesehenen teildurchlässigen Spiegels.
Die in der Fig. 1, auf deren EiAzelheiten ausdrücklich verwiesen sei, dargestellte, erfindungsgemäße Einrichtung 10 an einem lediglich durch seine frontseitige Windschutzscheibe 11 und einen Teil der Instrumentenverkleidung 12 repräsentierten, im übrigen nicht dargestellten Kraftfahrzeug, dient zur Einspiegelung optischer Informationssignale in das Gesichtsfeld des Fahrers derart, daß dieser die Signale in seiner für die Beobachtung des rollenden Verkehrs eigneten Normalposition, d.h. ohne z.B. den Blick senken zu müssen, wahrnehmen kann. Ein dem Fahrer mittels der Einrichtung 10 anzeigbares Informationssignal kann z.B. das Aufleuchten einer Leuchtdiode sein, durch das dem Fahrer eindrücklich angezeigt werden soll, daß der mittels eines am Fahrzeug vorhandenen Abstandswarngerätes erfaßte Abstand zu einem vorausfahrenden oder nachfolgenden Fahrzeug einen kritischen Wert unterschritten hat; in Verbindung damit kann dem Fahrer z.B. mittels einer Flüssigkristallanzeige der genannte Abstandswert angezeigt werden. Es versteht sich, daß auch beliebige andere Größen, die für den Betriebszustand des Fahrzeuges und/oder die Verkehrssituation charakteristisch sind, mittels der Einrichtung 10 darstellbar und dem Fahrer anzeigbar sein können.
Zum Zweck der Erläuterung sei angenommen, daß die Anzeigesignale mittels eines Mustergenerators 13 erzeugt werden, der-eine Anzahl von Anzeigeelementen 14 umfaßt, die in einer rechtwinklig zur optischen Achse 16 eines schematisch durch eine Konvexlinse 17 angedeuteten optischen Abbildungssystems verlaufenden Ebene 18 in zweidimensionaler Gruppierung angeordnet sind.
Der Mustergenerator 13, die Konvexlinse 17 und ein Umlenkspiegel 19, der den vom Mustergenerator 13 ausgehenden Beobachtungs-Lichtstrom auf einen an der Innenseite der Windschutzscheibe 11 angeordneten teildurchlässigen Spiegel 21 umlenkt, sind in einem in der Instrumentenverkleidung 12 des Fahrzeuges untergebrachten Gehäuse 22 untergebracht, das mit einem Austrittsfenster 23 versehen ist, durch das der Beobachtungs-Lichtstrom zum teildurchlässigen Spiegel 21 der Windschutzscheibe 11 hin austreten kann. Der Beoabachtungs-Lichtstrom ist in der Fig. 1 durch den Zentralstrahl 24 und die divergierenden RandstrEhlen 26 und 27 eines Lichtbündels repräsentiert, das xon einem zentralen Bildpunkt 28 der mittels des Mustergenerators 13 erzeugbaren Bildinformation ausgeht.
Die Anordnung der optischen Achse 16 des Abbildungssystems 17 und die Anordnung und Orientierung des Umlenkspiegels 19 bezüglich des an der Frontscheibe 11 innenseitig angeo-dneten teildurchlässigen Spiegels 21 sind so getroffen, daß der Winkel o(P? ckp, unter dem der Zentralstrahl 24 des den Beobachtungs-Lichtstrom repräsentierenden Lichtbündels 24, 26, 27 an dem teildurchlässigen Spiegel 21 der Frontscheibe 11 reflektiert wird, dem durch den Aufbau dieses teildurchlässigen Spiegels 21 bedingten Brewster-Winkel entspricht. Der Brewster-Winkel ist dadurch definiert, daß der reflektierte Strahl 24"' senkrecht auf dem Teilstrahl 24" steht, der beim Auftreffen des Teilstrahls 24' des am Umlenkspiegel 19 reflektierten Zentralstrahls 24 auf den teildurchlässigen Spiegel 21 in diesen - zum Einfallslos 29 hin - gebrochen wird. Dabei versteht es sich, daß die Bedingung der Reflexion unter dem Brewster-Winkel g p für die verschiedenen, von dem Mustergenerator P ausgehenden Beobachtungs-Lichtbündel nicht in Strenge sondern im Sinne einer bestwöglichen Annäherung an einen Mittelwert erfüllbar ist. Der Einfachheit halber sei jedoch vorausgesetzt, daß die Reflexion der Beobachtungs-Lichtbündel 24, 26, 27 am teildurchlässigen Spiegel 21 unter dem Brewster-Winkel αp erfolge, was in guter Näherung erreichbar ist. Das Austrittsfenster 23 des vom Fahrer über den teildurchlässigen Spiegel 21 einsehbaren, durch das Gehäuse 22 begrenzten Beobachtungsraumes 31 ist durch einen insgesamt mit 32 bezeichneten Zirkularpolarisator abgedeckt, der aus einem Linearpolarisator 33 und einer > /4-Platte 34 besteht, wobei der Linearpolarisator 33 an der dem teildurchlässigen Spiegel 21 zugewandten Seite und die > /4-Platte an der dem Umlenkspiegel 19 zugewandten Seite des Zirkularpolarisators 32 angeordnet sind.
Der Zirkularpolarisator 32 hat zum einen die Wirkung eines Polarisationsfilters, das wirksam verhindert, daß in den Beobachtungsraum 31 eingestreutes Störlicht mit nennenswerter Intensität wieder aus dem Beobachtungsraum 31 austreten und dadurch zu störenden, in das Gesichtsfeld des Fahrers eingespiegelten Reflexen führen könnte. Zum anderen hat der Zirkularpolarisator 32 die Wirkung eines Linearpolarisators, derart, daß ein von dem Beobachtungsgegenstand ausgehender Lichtstrom, der mit'dem vorgesehenen Strahlenverlauf zum teildurchlässigen Spiegel 21 hin umgelenkt wird, linear polarisiert ist. Die Orientierung der optischen Achse des Zirkularpolarisators 32 ist bei der erfindungsgemäßen Einrichtung 10 so getroffen, daß der zum Umlenkspiegel 21 hin gelenkte Ausgangslizhtstrom senkrecht zur Einfallsebene polarisiert ist, lie beim dargestellten Erläuterungsbeispiel der Zeichenebene entspricht.
Da bei der erfindungsgemäßen Einrichtung 10 die Reflexion des Beobachtungslichtes an dem teildurchlässigen Spiegel 21 - jedenfalls im Mittel - unter dem Brewster-Winkel erfolgt, unter dem der teildurchlässige Spiegel 21 nur für Licht, das senkrecht zur Einfallsebene polarisiert ist, ein nennenswertes Reflexionsvermögen aufweist, kann über den teildurchlässigen Spiegel 21 praktisch nur von dem Mustergenerator 13 bzw. seinen Anzeigeelementen 14 ausgehendes Nutzlicht mit nennenswerter Intensität reflektiert werden.
Um ein möglichst hohes effektives Reflexionsvermögen des teildurchlässigen Spiegels 21 zu erzielen, ist dieser, wie schematisch in der Fig. 2 dargestellt, als dielektrische Mehrfachschichtanordnung ausgebildet, deren Teilschichten 21' bis 21V alternierend einen höheren und niedrigeren Brechungsindex aufweisen, so daß sich innerhalb der Schichtenfolge Mehrfachreflexionen unter dem Brewster-Winkel o( ergeben und im Ergebnis ein auf den Spiegel 21 auftreffender Lichtstrahl 24' mit dem größten Teil seiiier ursprünglichen Intensität in das Gesichtsfeld des Fahrers umgelenkt wird. Ein dem reflektierten Zentralstrahl 24''' gemäß Fig. 1 entsprechender reflektierter Lichtstrom ist dann gemäß Fig. 2 in drei Teilstrahlen aufgespalten. Es versteht sich, daß durch eine größere Anzahl der Teilschichten der dielektrischen Mehrfachschichtanordnung 21' bis 21V das Reflexionsvermögen des teildurchlässigen Spiegels 21 für das - linear polarisierte - Nutzlicht bis zu nahezu vollständiger Reflexion gesteigert und dadurch ein optimal kontrastreiches Bild der anzuzeigenden Signalmuster erzielt werden kann.
Um die Einrichtung 10 optimal auf die ausführlich er-Iäuterte Reflexionsbedingung einstellen zu können, ist es vorteilhaft, wenn der Umlenkspiegel 19 mindestens in Richtung der optischen Achse 16 des Abbildungssystems 17 hin- und herverschiebbar angeordnet und um eine senkrecht zur Einfallsebene verliufende Achse 36 schwenkbar ist.
Die Linse 17 ist in einem Abstand g von der Gegenstandsebene angeordnet, der kleiner ist als ihre Brennweite, so daß die Linse 17 als Lupe wirkt, die ein vergrößertes, virtuelles Bild der Anzeigeelementanordnung 13, 14 entwirft. Die Lupenvergrößerung ist so gewählt, daß der Fahrer das Bild des Mustergenerators 13 bzw. des Anzeigenfeldes in einem Abstand von 5 bis 6 m sieht.
Die Linse 17 kann als im Schnitt senkrecht zur optischen Achse gesehen rechteckförmiger Ausschnitt aus einerspharischen Linse ausgebildet sein, deren horizontale Ausdehnung hinreichend groß ist, daß der Fahrer innerhalb der durch die Linse markierten Gesichtsfeldblende trotz der Parallaxe mit seinen beiden Augen sich -größtenteils überlappende Bilder des Mustergenerators 13 sieht, die sic zu einem räumlich wahrnehmbaren Gesamtbild ergänzen lassen. Für das erläuterte Fallbeispiel mit einer angenommenen Lupenvergrößerung von etwa 5 und einem angenommenen Augenabstand des Fahrers vom Mustergenerator von ca. 1 m bedeutet dies, daß die horizontale Ausdehnung der Linse etwa dem Abstand der Augenachsen entsprechen sollte.
Für den Fall, daß die Anzeigeelemente nicht selbstleuchtend sind, sondern beispielsweise als zwischen durchsichtigen Elementen aiigeordnete, in den undurchsichtigen Zustand steuerbare ilüssigkristall-Anzeigeelemente ausgebildet sind, ist eine transmissive Beleuchtung des Mustergenerators vorteilhaft, mit einer im wesentlichen punktförmigen Lichtquelle 37, die mittels einer zwischen der Lichtquelle 37 und dem - teilweise durchscheinenden -Mustergenerator 13 angeordneten Kollektivlinse 38 auf die Hauptebene 39 der Lupenlinse 17 abgebildet wird.
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Claims

Patentansprüche 1.,iOptische Einrichtung an Kraftfahrzeugen zur Einspiegelung bildhaft dargestellter Meß- oder Warnsignale in das Gesichtsfeld des Fahrers, wobei ein Teil der Frontscheibe mit einem teildurchlässigen Spiegel versehen ist, über den die Signaldarstellungen vom Fahrer in der für die Beobachtung des Verkehrs geeigneten Ausrichtung seines Gesichtsfeldes einsehbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß, in Ausbreitungsrichtung des vom Beobachtungsobjekt (13) ausgehenden, durch den teildurchlässigen Sp:Legel (21) zum Fahrer gelenkten Lichtstromes gesehen, zwischen dem teildurchlässigen Spiegel (21) und dem Beobachtungsobjekt (13) ein Zirkularpolarisator (32) angeordnet ist, daß der teildurchlässige Spiegel (21) als eine dielektrische Mehrfachschichtanordnung (21' bis 21V) ausgebildet ist, deren Anordnung bezüglich des Beobachtungsobjekts so getroffen ist, daß das Von diesem ausgehende Licht unter dem Brewster-Wrnk eI )reflektiert wird, und daß der Zirkularpolarisator (32), der einen spiegelseitigen Linearpolarisator (33) und eine objektseitige A/4-Platte (33) umfaßt, wobei der Zirkularpolarisator (32) insgesamt so orientiert ist, daß sein linear polarisierter Ausgangslichtstrom senkrecht zur Einfallsebene des Beobachtungslichtstromes polarisiert ist.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Beobachtungsobjekt (13) in bezüglich des unteren Randes der Frontscheibe (21) tiefer liegender Anordnung innerhalb der Instrumentenverkleidung (12) untergebracht ist, und daß ein in der Einfallsebene des Beobachtungslichtstromes in mindestens einer Koordinatenrichtung verschiebbarer und um eine senkrecht zur Einfallsebene verlaufenden Achse (36) schwenkbarer Umlenkspiegel (19) vorgesehen ist, über den das Beobachtungslicht zum teildurchlässigen Spiegel (21) hin umlenkbar ist.
3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Umlenkspiegel (19) als ein sogenannter Kaltlichtspiegel ausgebildet ist, der nur im sichtbaren Spektralbereich reflektiert oder als ein spektralselektiver Spiegel, der nur in einem eng begrenzten Spektralbereich, in dem die Signalelemente Licht emittieren, reflektierend ist.
4. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Umlenkspiegel (19) und dem Beobachtungsobjekt (13) ein als Lupe ausgenutztes optisches System (17) angeordnet ist, das eine virtuelle Objektvergrößerung zwischen 4 : 1 und 8 : 1, vorzugsweise von ca. 5 : 1 vermittelt.
5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungsweite der durch die Linse (17) markierten Gesichtsfeldblende etwa dem Achsabstand der Augen des Fahrers entspricht.
6. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Beobachtungsobjekt als transmissiv beleuchtbarer Mustergenerator (13) ausgebildet ist, dessen Signalmuster zB. durch dunkelsteuerbare Flüssigkristall-Anzeigeelemente gebildet sind, die zwischen durchsichtigen Flächenelementen des Mustergenerators angeordnet sind.
7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Mustergenerator (31 in einem.Kollimator-Strahlengang beleuchtbar ist, der die Lichtquelle (37) auf die Hauptebene (39) des als Lupe wirkenden optischen Systems (17) abbildet