DE69123322T2

DE69123322T2 - Head-up-Anzeige zur Anzeige von Data an Bord eines Autos

Info

Publication number: DE69123322T2
Application number: DE69123322T
Authority: DE
Inventors: Vito Lorenzo Giordano; Liberto Massarelli
Original assignee: Societa Italiana Vetro SIV SpA
Current assignee: Societa Italiana Vetro SIV SpA
Priority date: 1990-09-20
Filing date: 1991-09-16
Publication date: 1997-03-27
Anticipated expiration: 2011-09-17
Also published as: US5329272A; ES2095308T3; CA2051567A1; EP0477149A2; EP0477149B1; IT9048291A1; EP0477149A3; IT9048291A0; IT1242140B; DE69123322D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Head-up-Anzeigevorrichtung zur Anzeige von Daten in Kraftfahrzeugen.
Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere eine Vorrichtung des obenerwähnten Typs, die dem Stand der Technik nach als HUD (Head-Up-Display) bekannt ist und bei der die Windschutzscheibe eines Kraftfahrzeugs als ein optisches Element für die Zusammenstellung von Bildern und ihre Übertragung zum Beobachter genutzt wird.
Dem Stand der Technik nach sind Head-up-Anzeigevorrichtungen (head-up display devices - HUD) bekannt, die verbreiteten Einsatz auf dem Gebiet der militärischen Luftfahrt in Kampfflugzeugen finden und es dem Piloten ermöglichen, die Flugumgebung zu beobachten und gleichzeitig Instrumente, Signale usw. zu überwachen, ohne seine Augen von der Umgebung zu wenden, wodurch die Gefahren verringert werden, die mit dem vorübergehenden Abwenden von der über die Frontscheibe des Flugzeugs sichtbaren Umgebung verbunden sind.
Auch bei Kraftfahrzeugen ist es sinnvoll, die Ursachen der Ablenkung des Fahrers von der Beobachtung des Verkehrs und der Straße zu verringern, die beispielsweise darauf zurückzuführen sind, daß der Tachometer, der Drehzahlmesser, der Fahrtrichtungsanzeiger (Blinker) und dergleichen beobachtet werden, die sich in jedem Kraftfahrzeug befinden.
Head-up-Anzeigevorrichtungen des in der Luftfahrt eingesetzten Typs sind aus einer Reihe von Gründen, unter anderem der Kosten und der Größe wegen, in Kraftfahrzeugen nicht einsetzbar.
In dem USA-Patent 4,740,780 von Braun et al., wird eine HUD- Anzeigevorrichtung dargestellt und beschrieben, die für den Einsatz in Kraftfahrzeugen bestimmt ist. Eine ähnliche Konstruktion ist ebenfalls in der veröffentlichten europäischen Patentanmeldung Nr. 0.229.876 von SAZAKI Corporation dargestellt und beschrieben.
Die in den erwähnten Dokumenten beschriebenen Konstruktionen sind kompliziert und sperrig und machen aufgrund der beschriebenen Einsatzbedingungen in Kraftfahrzeugen den Einsatz asphärischer optischer Bauteile erforderlich, die kostenaufwendig und schwierig herzustellen sind.
Des weiteren offenbart das Dokument WO-A-89/03059 von FLIGHT DYNAMICS, INC., USA folgendes:
"Ein optisches Anzeigesystem (10) zeigt einem Betrachter (18) optische Quelleninformationen. Das Anzeigesystem enthält eine Sichteinheit (14), die reflektierende Flächen (16) aufweist, durch die der Betrachter eine Umgebung betrachten kann, und die Quelleninformationen reflektieren, die aus einer Informationsquelle (22) zur Anzeige für den Beobachter austreten. Bei einer bevorzugten Ausführung bildet das optische Anzeigesystem ein Head-up-Anzeigesystem für ein Kraftfahrzeug und beim Betrachter handelt es sich um den Fahrer des Kraftfahrzeugs. Die Sichteinheit bildet eine Kraftfahrzeug-Windschutzscheibe mit oder ohne Reflexionsverbesserungsmaterial, deren Innen- und Außenflächen Quelleninformationen reflektieren, die von Licht getragen werden, das sich von der Informationsquelle, wie beispielsweise einer Flüssigkristallanzeige (32), ausbreitet. Ein Projektionsobjektivsystem (24), das sich zwischen der Innenfläche der Windschutzscheibe und der Informationsquelle befindet, weist optische Lichtleiteigenschaften auf, die optische Abbildungsfehler ausgleichen, die durch die nichtplane Windschutzscheibenfläche entstehen. Das Projektionsobjektivsystem enthält ein asphärisches Element (262), das für eine spezielle asphärische Windschutzscheibenform einmalig ist, sowie sonstige Elemente, die für eine große Anzahl unterschiedlicher Windschutzscheibenformen einheitlich sind. Ein Positioniermechanismus (130) gestattet es dem Fahrer, die vertikale Position der Quelleninformation (60), die durch die Windschutzscheibe reflektiert werden, in einem Gesamtanzeige-Sichtfeld zur optimalen Betrachtung durch einen sitzenden Fahrer einzustellen. Der Positioniermechanismus verändert des weiteren automatisch den Abstand zwischen dem Anzeigebild und dem Fahrer als Funktion der Fahrzeuggeschwindigkeit, um sichere Funktion des Fahrzeugs zu gewährleisten."
Des weiteren werden im Dokument FR-A-1276968 von Compagnie Française Thomson-Houston (Frankreich) Verbesserungen bei Beobachtungsvorrichtungen offenbart, die insbesondere jene betreffen, die eine große Blende aufweisen und ein optisches System umfassen, dessen mobiles Element von einem Servomechanismus verschoben werden kann, der von entfernten Quellen kommende Informationen empfängt, und die besonders für Militärflugzeuge nützlich sind, um den Blick des Piloten auf ein Ziel zu lenken.
Wie in den beiden obenerwähnten Dokumenten dargelegt, die die entsprechenden Problemezu eingehender erklären, treten in einem Kraftfahrzeug Probleme auf, die sich erheblich von denen von HUD-Vorrichtungen unterscheiden, wie sie in der militärischen Luftfahrt eingesetzt werden, da das optische Element, das das HUD-Bild und die Umgebung zusammenführt, die Windschutzscheibe des Kraftfahrzeugs ist, und es ist daran zu erinnern, daß sich Grenzbedingungen (räumliches beidäugiges Sehen, Akkommodation des Auges und "Projektion" des HUD- Bildes) von denen eines handelsüblichen Kraftfahrzeugs unterscheiden.
In einem Kraftfahrzeug kommt es darüber hinaus zu Reflexion des Sonnenlichts und zu Kontrastproblemen, die bei militärischen Luftfahrzeugen nicht auftreten.
Unter Berücksichtigung des Obenstehenden besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Head-up-Anzeigevorrichtung (HUD) zum Anzeigen von Informationen in handelsüblichen Kraftfahrzeugen zu schaffen, die besonders kompakt, einfach aufgebaut, der Höhe des Fahrers des Kraftfahrzeugs entsprechend leicht verstellbar ist und verbesserte Sichtbarkeit für das HUD-Bild sowohl hinsichtlich des Kontrastes als auch hinsichtlich der Bildqualität unter einem optischen Gesichtspunkt und gute Eigenschaften bezüglich des sog. "Augenkastens" (eye- box) aufweist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung des obenerwähnten Typs entsprechend dem beigefügten Anspruch 1 geschaffen.
Weiterhin befindet sich gemäß der vorliegenden Erfindung gegenüber der Austrittspupille des Systems ein Kontrastelement, das durch ein halbdurchlässiges Raster gebildet wird, das vorzugsweise lösbar angebracht ist, um Reinigung der Vorderseite der Positivlinse zu ermöglichen.
Weiterhin kann gemäß der vorliegenden Erfindung der Teil des optischen Systems, der durch die Sichtinformationsquelle, ein erstes Brechungselement und einen Spiegel gebildet wird, entweder manuell oder mit einem Motor um die optische Achse gedreht werden, so daß Feinausrichtung des auf das Auge des Fahrers gerichteten Bildes möglich ist, um das virtuelle Bild, das von dem Fahrer gesehen wird, an einer angenehmen Position anzuordnen.
Weitere Aspekte und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung werden aus der Lektüre der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung deutlicher sichtbar, die als nichteinschränkendes Beispiel unter Bezugnahme auf die Figuren der beigefügten Zeichnungen erfolgt, wobei:
Fig. 1 eine Ansicht eines allgemeinen Kraftfahrzeugs zeigt, in dem die erfindungsgemäße Vorrichtung installiert worden ist;
Fig. 2 eine Teilschnittansicht der optischen Wege in bezug zu einem in Fahrposition befindlichen Fahrer zeigt;
Fig. 3 eine Draufsicht auf die optischen Wege in Fig. 2 zeigt; und
Fig. 4 eine Längsschnittansicht (quer in bezug auf das Kraftfahrzeug) der HUD-Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
Wie in den Zeichnungen und insbesondere in Fig. 1 zu sehen ist, ist in einem allgemeinen Kraftfahrzeug 1, das mit einer Windschutzscheibe 2 versehen ist, in dem Armaturenbrett 3 (im Umriß dargestellt) die HUD-Projektorvorrichtung installiert, die als Ganzes mit 4 gekennzeichnet ist.
Bei der folgenden Beschreibung ist anzumerken, daß die Größen der verschiedenen Bauteile der HUD-Vorrichtung zusammen mit anderen numerischen Daten sich auf ein normales Produktionsmodell des PKW Lancia "THEMA" beziehen. Unter der Voraussetzung, daß die Größen der verschiedenen Teile dieses PKW bekannt sind, wird ein Fachmann auf dem Gebiet anhand der im folgenden aufgeführte Zahlenangaben in der Lage sein, eine HUD-Vorrichtung des beschriebenen Typs auch für andere Kraftfahrzeugtypen zu konstruieren, wenn bestimmte bekannte Gesetze der geometrischen Optik berücksichtigt werden.
In Fig. 1 ist mit 1 ein Kraftfahrzeug (Lancia "THEMA") dargestellt, der mit einer Windschutzscheibe 2 und einem Armaturenbrett 3 versehen ist, in dem das optische System der HUD-Vorrichtung 4 gemäß der vorliegenden Erfindung angebracht ist. Die Vorrichtung 4 projiziert, wie weiter unten ersichtlich wird, ein virtuelles Bild auf die Windschutzscheibe 2, die als Bildzusammensetzeinrichtung (halbdurchlässiger Spiegel) wirkt, so daß der Fahrer gleichzeitig "sehen" kann, wohin er fährt, und die im Inneren der Vorrichtung 4 erzeugten virtuellen Bilder bezüglich der Betriebsbedingungen des Fahrzeugs, wie beispielsweise Geschwindigkeit, Motordrehzahl, Betätigung von Blinkern, Tankfüllstand, Scheinwerfer und dergleichen, wahrnehmen kann. In Fig. 2 und 3 sind die geometrischen Beziehungen zwischen den Augen des Fahrers und der Windschutzscheibe 2 des Kraftfahrzeugs, die als optisches Bildzusammensetzungselement wirkt, und dem durch die HUD-Vorrichtung 4 erzeugten virtuellen Bild dargestellt.
In Fig. 4 ist der optisch-mechanische Aufbau der HUD-Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt.
Der Hauptteil der Vorrichtung, der mit 10 gekennzeichnet ist, umfaßt eine röhrenförmige Struktur 11, die drehbar in einem röhrenförmigen Element 12 angebracht ist, das mittels einer Halterung 14 an der Karosserie des Kraftfahrzeugs befestigt ist, so daß es so fest wie möglich mit der Struktur des Kraftfahrzeugs verbunden ist, um mechanische Resonanzen zu vermeiden, die zu störendem Flackern des von dem Fahrer zu sehenden Bildes führen würden.
An einem Ende des röhrenförmigen Endes 11 ist eine Bildherstellungsvorrichtung 14 angebracht, die allgemein dargestellt ist, da sie unter Verwendung einer Vielzahl von Verfahren, von elektronischen Vakuumfluoreszenzanzeigen (vacuum fluorescent display units - VFD) bis hin zu LED-Anordnungen oder durchlässigen beleuchteten Masken, oder unter Verwendung von Durchleuchtungs-Flüssigkristall-Anzeigen hergestellt werden kann.
Am anderen Ende des röhrenförmigen Elementes 11 ist ein erstes brechendes Element (Streulinse) 15 angebracht, das optisch auf die Bildherstellungsvorrichtung 14 zentriert ist. Vor dem Brechungselement 15 ist ein Richtspiegel 16 angeordnet, der an einer Gabel 17 angebracht ist, die so angeordnet ist, daß sie die Leuchtstrahlen auf ein zweites Brechungselement 18 (Sammellinse) ablenkt, das auf den optischen Weg zentriert ist, der nach Reflexion auf der Windschutzscheibe 2 das Auge des Fahrers erreicht.
Das Brechungselement 18 ist in einer Halterung 19 angebracht, die an der Instrumententafel 20 des Armaturenbrettes des Kraftfahrzeugs befestigt ist, und wirkt mit einem Rasterelement 21 zusammen, das vorhanden ist, um das Auftreffen von Fremdkörpern auf die Linse 18 zu verhindern und Kontrast zu verbessern, indem Spiegelreflexionen von Sonnenlicht auf den Flächen der Linse 18 verringert werden, die ansonsten den Fahrer unter bestimmten Bedingungen blenden könnten.
Das Element 21 ist vorzugsweise lösbar, um Reinigung der Verderseite der Linse 18 zu ermöglichen.
Das röhrenförmige Element 11 kann vorzugsweise in seiner Aufnahme 12 mittels eines Hebels und eines Handgriffs 22 gedreht werden, um die Position des von dem Fahrer gesehenen virtuellen Bildes einzustellen.
Bei einer zweiten Ausführungsform kann eine Elektromotoreinrichtung zum Drehen des Elementes 11 vorhanden sein, um das von dem Fahrer gesehene virtuelle Bild bequemer einstellen zu können (vorzugsweise werden Schrittmotoren als Motoreinrichtung eingesetzt).
Bei einer bevorzugten Ausführung, die für ein Kraftfahrzeug vom Typ Lancia "THEMA" geeignet ist, weist die optische Struktur die folgenden Parameter auf:
R1 (1º-Krümmungsradius, Streulinse) -137 mm
R2 (2º-Krümmungsradius, Streulinse) -218 mm
T (Dicke der Streulinse) 10 mm
F (Brennweite der Streulinse) -769 mm
D (Durchmesser der Streulinse) 85 mm
r1 (1º-Krümmungsradius, Sammellinse) 398 mm
r2 (2º-Krümmungsradius, Sammellinse) -398 mm
t (Dicke der Sammellinse) 10 mm
f (Brennweise der Sammellinse) 400 mm
d (Durchmesser der Sammellinse) 120 mm
Bei dem zur Herstellung der Linsen eingesetzten Material handelt es sich um Glas vom Typ B2359.
Durchmesser des Planspiegels 120 mm (planer, mit der ersten Fläche reflektierender Spiegel)
Abmessungen der Anzeige 25x30 mm
Abstand zwischen der Anzeige und der Streulinse 170 mm
Abstand zwischen der Streulinse und der Sammellinse 166 mm
Abstand zwischen der Sammellinse und dem Bild 1300 mm
Es folgen die Umformungen, die das Bild beim Durchlaufen des optischen Weges erfährt:
p (Abstand zwischen der Anzeige und der Streulinse) = 170 mm
f (Brennweite der Streulinse) -769 mm
q (Abstand des ersten virtuellen Bildes) -139 mm
Die erste Linse erzeugt ein Bild, das um den Vergrößerungsfaktor g = 0,8 in der Größe verringert ist.
p (Abstand zwischen dem ersten virtuellen Bild und der Sammellinse) = 306 mm
f (Brennweite der Sammellinse) = 400 mm
q (Abstand des abschließenden Brennpunktes) = -1300 mm
Die Vergrößerung, die die zweite Linse bewirkt, entspricht g = 4,2, so daß die Endvergrößerung G = 3,4 beträgt und die Anzeige am Brennpunkt von 1300 mm von der letzten Linse im System aus eine Größe von 85 x 102 mm hat.
Berechnet man den Abstand zwischen dem Auge des Fahrers und der Windschutzscheibe mit 90 mm, ergibt sich, daß der Abstand vom Auge des Fahrers zum Bild 2200 mm beträgt.
Bei einem System, das aus einer Streulinse und einer Sammellinse besteht, die so angeordnet sind, daß ein virtuelles Bild eines vorhandenen Gegenstandes erzeugt wird, wird die Austrittspupille des Systems (d.h., die Öffnung, die die Sicht auf das Bild größtenteils am meisten begrenzt) durch die Sammellinse selbst gebildet.
Daher liegt in diesem Fall die Austrittspupille dem Auge in einem Winkel von 6,8º gegenüber, während das Bild dem Auge in einem Winkel von 2,7º gegenüberliegt.
Da ersterer Winkel erheblich größer ist als letzerer, kann das Bild mit beiden Augen von wenigstens einer Position aus vollständig gesehen werden (ohne Vignettierung).
Im folgenden sind die Bewegungen angegeben, die der Fahrer ausführen kann, wenn er das Bild mit beiden Augen oder nur mit einem Auge betrachtet, d.h. der Augenkasten (eye-box) des Systems wird bestimmt.

Monokularer Augenkasten:

(Maximale horizontale und vertikale Bewegung, die der Fahrer ausführen kann, während er das gesamte Bild mit wenigstens einem Auge weiter betrachtet):
20 cm horizontale Bewegung x 7 cm vertikale Bewegung.

Binokularer Augenkasten:

(Maximale horizontale und vertikale Bewegung, die der Fahrer ausführen kann, während er das gesamte Bild mit beiden Augen weiter betrachtet):
13 cm horizontale Bewegung x 7 cm vertikale Bewegung.
Das virtuelle Bild, das durch das optische System auf der Anzeige hergestellt wird, wird vorzugsweise ungefähr 220 cm von den Augen des Fahrers entfernt fokussiert.
Der Abstand, der ungefähr mit dem zusammenfällt, der zwischen den Augen des Fahrers und der vorderen Stoßstange besteht, wird als der beste angesehen, da das Leuchtbild eine starke Einheit mit dem Fahrzeug bildet, und der Fahrer es deshalb als einen Teil des Fahrzeugs wahrnimmt.
Es hat sich herausgestellt, daß der Einsatz eines Brennpunktes, der weiter entfernt ist, den Fahrer irreführen kann, da er das, was er über die Windschutzscheibe hinaus projiziert sieht, was sich jedoch mit dem Fahrzeug bewegt, als eine Verlängerung des Fahrzeugs, mit dem er sich bewegt, wahrnimmt, so daß es bei Fahrmanövern zu Schwierigkeiten kommen kann.
Des weiteren ist, um ständige Sichtbarkeit des Bildes im vorderen Sichtfeld des Fahrers zu vermeiden, die Vorrichtung so angeordnet, daß der Brennpunkt um ungefähr 4º in bezug auf die mittlere Sichtlinie versetzt ist.
Bei dieser Verschiebung bleibt die Leuchtanzeige jedoch im peripheren Sichtfeld und kann so ständig gesehen werden.

Claims

1. Head-up-Anzeigesystem zum Darstellen optischer Informationen für den Fahrer eines Kraftfahrzeugs, das mit dem System versehen ist, wobei das System eine Kraftfahrzeug-Windschutzscheibe (2) und eine Projektionsvorrichtung umfaßt, die aufweist:

eine Anzeigeeinheit (41), die ein Bild erzeugt, das die anzuzeigenden optischen Informationen darstellt;

eine erste brechende optische Einrichtung (15), die vor der Anzeigeeinheit (14) angeordnet ist und das Bild entlang einer ersten optischen Achse leitet;

eine Reflexionseinrichtung (16) mit einer Brechkraft von 0, die so angeordnet ist, daß sie die erste optische Achse in einem Winkel von im wesentlichen 45º schneidet, so daß das Bild entlang einer zweiten optischen Achse reflektiert wird, die in bezug auf die erste optische Achse um ungefähr 90º geneigt ist, und

eine zweite brechende optische Einrichtung (18), die eine positive Brechkraft hat und auf der zweiten optischen Achse angeordnet ist; wobei

die Projektionsvorrichtung in bezug auf die Windschutzscheibe (2) so angebracht ist, daß

die erste optische Achse im wesentlichen parallel zur längsten Seite der Windschutzscheibe (2) ist, und die zweite optische Achse so auf die Windschutzscheibe (2) zu gerichtet ist, daß die Oberfläche der Windschutzscheibe (2) als ein Element wirkt, das das von dem Fahrer gesehene Panorama und das virtuelle Bild kombiniert, das von der Anzeigeeinheit (14) kommt, dadurch gekennzeichnet, daß

die erste und die zweite brechende optische Einrichtung (15, 18) jeweils aus einem einzelnen Linsenelement bestehen, und

die erste brechende optische Einrichtung (15) eine negative Brechkraft hat.

2. System nach Anspruch 1, das des weiteren ein konktrastverbesserndes Element (21) umfaßt, das aus einem halbdurchlässigen Raster besteht, das sich in der Nähe des zweiten Linsenelementes (18) an der Seite befindet, die der Reflexionseinrichtung (16) gegenüberliegt, und entfernbar angebracht ist, um Reinigung der Vorderfläche des zweiten Linsenelementes zu ermöglichen.

3. System nach einem der vorangehenden Ansprüche, das des weiteren eine Einrichtung umfaßt, mit der der Teil der Projektionsvorrichtung, der die Anzeigeeinheit (14), das erste Linsenelement (15) und die Reflexionseinrichtung (16) umfaßt, entweder manuell (22) oder mittels eines Motors gedreht wird, so daß Feinausrichtung des für den Fahrer dargestellten Bildes möglich ist.

4. System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Anzeigeeinheit (14) eine Vakuumfluoreszenzanzeige (vacuum fluorescent display - VFD) umfaßt.

5. System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Anzeigeeinheit (14) eine Anordnung von Photoemissionsdioden umfaßt.

6. System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Anzeigeeinheit (14) eine beleuchtete transparente Maske umfaßt.

7. System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Anzeigeeinheit (14) eine Durchleuchtungs-Flüssigkristal- Anzeigevorrichtung umfaßt.

8. System nach einem der vorangehenden Ansprüche, das die folgenden Parameter hat:

a) Abstand zwischen Anzeigeeinheit (14) und erstem Linsenelement (15) 170 mm;

b) Brennweite des ersten Linsenelementes (15) -769 mm;

c) Abstand zwischen erstem Linsenelement (15) und zweitem Linsenelement (18) 166 mm;

d) Brennweite des zweiten Linsenelementes (18) 400 mm.

9. System nach Anspruch 8, wobei das virtuelle Bild der Anzeigeeinheit (14) ungefähr die Maße 85 x 102 mm hat.