EP4423561A1 - Bauraumreduktion im head-up-display durch transmittierenden konkavspiegel - Google Patents

Bauraumreduktion im head-up-display durch transmittierenden konkavspiegel

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Publication number
EP4423561A1
EP4423561A1 EP22790312.7A EP22790312A EP4423561A1 EP 4423561 A1 EP4423561 A1 EP 4423561A1 EP 22790312 A EP22790312 A EP 22790312A EP 4423561 A1 EP4423561 A1 EP 4423561A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
mirror
light
concave mirror
imaging unit
light beam
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP22790312.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Michael Arthur Janzer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Bayerische Motoren Werke AG
Original Assignee
Bayerische Motoren Werke AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Bayerische Motoren Werke AG filed Critical Bayerische Motoren Werke AG
Publication of EP4423561A1 publication Critical patent/EP4423561A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/0101—Head-up displays characterised by optical features
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/0149—Head-up displays characterised by mechanical features
    • G02B2027/015—Head-up displays characterised by mechanical features involving arrangement aiming to get less bulky devices

Definitions

  • the invention relates to head-up display devices for a motor vehicle or other land, air or water vehicle, which are also known under the name head-up display (HUD).
  • HUD head-up display
  • Devices of this type are designed to generate a virtual image that is displayed in the user's field of vision via reflection on a partially transparent reflective pane, such as a front, rear or side window of the vehicle, or on a combiner pane specially provided for this purpose, which is arranged in the user's field of vision.
  • the invention relates in particular to a projection unit which is designed to emit a suitable light beam with the desired display content, and a vehicle equipped therewith.
  • a head-up display for example, speed information and other useful navigation and vehicle operating instructions or entertainment content in the form of a virtual image are superimposed on the real environmental image in front of the vehicle observed by the driver or another occupant in a motor vehicle.
  • a head-up display device (HUD) 200 in a classic mirror design includes a projection unit 500 accommodated below an upper side of the instrument panel 4 of a vehicle 1.
  • the projection unit 500 includes imaging and projection optics to the light beam L in a suitable form and To throw the direction of the windscreen 3 of the vehicle 1, so that the virtual image (not shown) can be seen in a desired size, distance and quality from a specific area for the user's eyes, the eyebox E, in the vehicle 1.
  • the imaging and projection optics in the beam path of the light beam L typically includes a folding mirror 700 for a space-saving folding of the beam path and also a concave mirror 800, which is used, for example, to enlarge an image and/or to compensate for a curvature of the windshield.
  • a folding mirror 700 for a space-saving folding of the beam path
  • a concave mirror 800 which is used, for example, to enlarge an image and/or to compensate for a curvature of the windshield.
  • any folding of the beam path must always avoid the concave mirror 800 in order to avoid cropping the image.
  • this never achieves the smallest possible installation volume.
  • a compact projection unit ie one that is optimized in terms of installation space, for a visual field display device provided, which can be used in particular in a vehicle.
  • the head-up display device can be embodied as a head-up display (HUD), for example.
  • the vehicle can be a motor vehicle, but also any other land, air or water vehicle.
  • the projection unit first has an imaging unit (Picture Generating Unit, PGU) designed to generate a light beam with the desired display content, which can be designed, for example, as a liquid crystal screen (LCD, liquid crystal display) or a different type of display or much more.
  • PGU Imaging Generationerating Unit
  • a folding mirror is arranged for its folding, which in the simplest case can be designed as a plane mirror.
  • the folding mirror can also be curved, i. H. generally a free-form mirror with a convex or concave mirror surface to perform additional image correction and/or beam shaping functions.
  • the projection unit also includes a concave mirror that is arranged and designed in such a way that the light beam then leaves the projection unit in a predetermined shape and direction, in order to then be reflected by an at least partially transparent reflection pane arranged in the user's field of vision to his eyebox and thereby present the display content to the user in the form of a virtual image behind the reflection screen.
  • the reflecting pane can be formed, for example, by a section of a front pane of the vehicle or by a combiner pane arranged in front of it.
  • the field of view display device specified below, but not necessarily also a component of the projection unit, which can also be manufactured and sold without this, for example when the vehicle windscreen is used as a reflection screen. In the case of an extra combiner disc However, this can also be integrated in the projection unit in a known manner.
  • the eyebox of the visual field display device is understood to be a two-dimensional or three-dimensional spatial area from which the virtual image can be seen without restriction.
  • the concave mirror is arranged in the beam path between the imaging unit and the folding mirror and is designed to be at least partially transmissive for the light beam bundle emanating from the imaging unit and impinging on its rear side. In other words, on its way from the imaging unit to the folding mirror, the bundle of light rays passes through the rear side of the concave mirror.
  • One idea of the present invention is therefore to design the concave mirror to be transmissive for the light incident on the rear, which emanates from the imaging unit. This makes it possible to position the imaging unit behind the concave mirror and in this way to optimally utilize the available installation space for a folded beam path, namely twice, without cutting the cross section of the light beam bundle.
  • This design of the projection unit enables a significant reduction in installation space compared to the conventional mirror HUD of FIG. 1 through a more compact design of the projection unit, which allows a volume reduction of approximately 25-35%.
  • the concave mirror also serves (in particular due to its respective coating according to the embodiments specified below) at the same time as a heat protection measure for the imaging unit (e.g. display), since in the respective embodiment 50% of the incident sunlight cannot reach the display.
  • the integration of HUDs with larger images is thus considerably simplified overall.
  • the imaging unit is designed to generate linearly p-polarized (or s-polarized) light, while the concave mirror is provided with a coating on its concavely curved front side that has an approximately 100% reflection coefficient for s-polarized (or p-polarized) light, i. H. has a 100%Rs coating (or 100%Rp coating). It can thus be achieved that the concave mirror transmits the light incident from the imaging unit on the back with almost no loss.
  • the folding mirror must also have an optically active coating so that the light is reflected as effectively as possible on the concave mirror.
  • the coating of the folding mirror is accordingly a ⁇ /4 layer, which can be designed to be as broad-band as possible, in particular both in the angle spectrum and in the wavelength spectrum.
  • the linear polarization of the light is now set in such a way that the above-mentioned front-side coating on the concave mirror reflects it as efficiently as possible.
  • an overall efficiency of the optical system of over 80% can be achieved. This efficiency can be can be increased even further by an anti-reflection coating on the (e.g. convex) rear side of the concave mirror.
  • the projection units of many known head-up display devices are also designed to preferably emit s-polarized light.
  • the ⁇ /4 layer is ideally designed to be as broadband as possible in a spectral range corresponding to the imaging unit, for example with a broadband light source in a broad wavelength range of about 380-780 nm. The same applies accordingly to the relevant angle of incidence range of the light beam on the folding mirror.
  • the visual field display device for use in a vehicle.
  • the visual field display device also includes an at least partially transparent reflection pane which is arranged in the beam path of the light beam emitted by the projection unit and which can be designed in particular as a partial surface section of a front pane of the vehicle or as a combiner pane provided separately in front of it.
  • the reflective disk is arranged and designed in a user's field of vision in such a way that it reflects the light beam to an eyebox predetermined for the user, as a result of which the display content can be displayed in the form of a virtual image behind the reflective disk and is also displayed during operation of the visual field display device.
  • a vehicle in particular a motor vehicle or any other land, air or water vehicle is provided.
  • the spatial orientation terms used herein such as “above”, “below”, “in front of”, “sideways”, “horizontal”, “vertical” etc. refer to the usual Cartesian coordinate system fixed to the vehicle with longitudinal, transverse and vertical axes perpendicular to one another of the vehicle.
  • the vehicle is equipped with a head-up display device of the type set out here, the projection unit of which can be installed, for example, directly below an upper side of an instrument panel of the vehicle, such that the light beam from the projection unit onto a windscreen arranged above the instrument panel or in the field of vision of the driver or someone else occupants positioned combiner disc is thrown.
  • FIG. 1 shows a conventional mirror HUD in a motor vehicle with a beam path folded by means of a folding mirror and a concave mirror according to the prior art
  • FIG. 2 shows an exemplary embodiment of a visual field display device of the type presented here in a motor vehicle with a partially transparent concave mirror in the beam path between the imaging unit and the folding mirror;
  • Figure 3 shows an embodiment of the head-up display of Figure 2 having a 50%R coating on the concave curved face of the concave mirror
  • Figure 4 shows an alternative embodiment to Figure 3 of the head-up display of Figure 2 having a 100% Rs coating on the concave curved face of the concave mirror.
  • FIG. 1 which was described in detail at the outset, shows a conventional head-up display device 200 in the form of a so-called mirror HUD in a vehicle 1 (in this example a motor vehicle) for comparison
  • FIG. 2 is analogous to FIG. 1 simplified schematic longitudinal sectional view of an embodiment of a motor vehicle with a field of view display device 2 of the type presented herein.
  • the motor vehicle is only indicated by its windscreen 3 in FIG.
  • a projection unit 5 of the visual field display device 2 is arranged underneath in an instrument panel 4 that is not shown in detail.
  • the front pane 3 serves as a partially transparent reflection pane of the head-up display device 2 so that a virtual image (not shown) is displayed for a driver or other occupants on the vehicle outside in front of the front pane 3 .
  • the projection unit 5 contains an imaging unit 6 (also called Picture Generating Unit, PGU, in this example an LCD) designed to generate a light beam L (abbreviated to simply “light”) with the desired display content.
  • the bundle of light rays L emanating from the imaging unit 6, which transports the display content to an eyebox E of a user (here driver, not shown) located in the motor vehicle at a predetermined position opposite the windscreen 3, is indicated in simplified form by its central beam, which consists of a Center of the imaging unit 6 leads to a center of the eyebox E.
  • a folding mirror 7 is also arranged in FIG.
  • the concavely curved front side of the concave mirror 8, which faces the folding mirror 7, is also designed here in such a way that the light beam L leaves the projection unit 5 in a suitable shape and direction by reflection thereon, and then reflects from the front pane 3 to the eyebox E to become.
  • the concave mirror 8 in FIG. 2 is designed to be at least partially transmissive for the light L generated by the imaging unit 6 .
  • the imaging unit 6 can be positioned behind the concave mirror 8, so that the available installation space for the beam path is used twice at this point and is therefore optimally utilized.
  • FIG. 3 shows an exemplary embodiment of the head-up display device 2 of FIG. 2 according to the first embodiment of the invention mentioned above.
  • FIG. 4 shows an alternative to FIG. 3 embodiment of the head-up display device 2 of FIG. 2 according to the above-mentioned second embodiment of the invention.
  • the imaging unit 6 is designed to generate p-polarized light Lp, while the concave mirror 8 is provided with a coating on its concavely curved front side which has an approximately 100% reflection coefficient for s-polarized light, ie a 100% Rs coating owns 10
  • the light Lp of the imaging unit 6 can therefore (apart from any Fresnel losses, which can be reduced or even eliminated, for example, by suitably selected rear geometry and/or anti-reflection coatings of the concave mirror 8) without attenuation through the concave mirror 8 and reach the folding mirror 7 .
  • the folding mirror 7 must also receive an optically active coating so that the light beam is then also reflected as effectively as possible on the concave mirror 8 .
  • the coating of the folding mirror 7 is accordingly a ⁇ /4 layer 11, which can be designed with as broad a bandwidth as possible, in particular, both in the angle spectrum and in the wavelength spectrum.
  • the linear polarization of the light Ls is now set in such a way that the front-side 100% Rs coating 10 on the concave mirror 8 reflects it as efficiently as possible.
  • an overall efficiency of the optical system of over 80% can be achieved.
  • This efficiency can be further increased, for example, by an above-mentioned antireflection coating on the rear side of the concave mirror 8, which is convex in FIG. 4 purely by way of example. Otherwise, to avoid repetition, reference is made to the description of FIG. 2 above.
  • Front pane 3 made of glass or plastic predominantly reflects s-polarized light (ie linearly polarized light whose direction of polarization is perpendicular to the vertical plane of incidence of front pane 3 shown in the figures, i.e. parallel to front pane 3 and is usually horizontal).
  • s-polarized light ie linearly polarized light whose direction of polarization is perpendicular to the vertical plane of incidence of front pane 3 shown in the figures, i.e. parallel to front pane 3 and is usually horizontal.
  • the projection unit 5 for example, according to the principle of FIG. 4 for the emission of s-polarized light Ls.
  • a different linear polarization of the light beam ie p instead of s and s instead of p everywhere, can represent a viable or even particularly favorable solution within the scope of the present invention.
  • FIGS. 2-4 a significant reduction in installation space can be achieved in FIGS. 2-4 through a more compact design of the projection unit 5 (approx. 25-35% volume reduction) compared to the conventional HUD design according to FIG.
  • the concave mirror 8, with its coating 9 or 10 serves at the same time as a thermal protection measure for the imaging unit 6, in that about 50% of the incident sunlight cannot reach the display of the imaging unit 6 as a result. This simplifies the integration of HUDs with larger images.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kompakte Projektionseinheit für eine Blickfeldanzeigevorrichtung zum Einsatz in einem Fahrzeug, umfassend: - eine zur Erzeugung eines Lichtstrahlenbündels mit gewünschtem Anzeigeinhalt ausgebildete bildgebende Einheit; - einen im Strahlengang des erzeugten Lichtstrahlenbündels angeordneten Faltspiegel; sowie - einen im Strahlengang des vom Faltspiegel reflektierten Lichtstrahlenbündels derart angeordneten und ausgebildeten Konkavspiegel, dass das Lichtstrahlenbündel die Projektionseinheit in einer vorbestimmten Form und Richtung verlässt, um anschließend von einer im Blickfeld eines Benutzers angeordneten teiltransparenten Reflexionsscheibe zu seiner Eyebox reflektiert zu werden und dem Benutzer dadurch den Anzeigeinhalt in Form eines virtuellen Bilds hinter der Reflexionsscheibe darzustellen; - wobei der Konkavspiegel im Strahlengang zwischen der bildgebenden Einheit und dem Faltspiegel angeordnet ist und das von der bildgebenden Einheit ausgehende Lichtstrahlenbündel, das auf seine Rückseite einfällt, zumindest teilweise transmittiert.

Description

Beschreibung
Bauraumreduktion im Head-up-Display durch transmittierenden Konkavspiegel
Die Erfindung betrifft Blickfeldanzeigevorrichtungen für ein Kraftfahrzeug oder ein anderes Land-, Luft- oder Wasserfahrzeug, die auch unter der Bezeichnung Head-up-Display (HUD) bekannt sind. Derartige Vorrichtungen sind ausgebildet zur Erzeugung eines ins Blickfeld eines Benutzers eingeblendeten virtuellen Bilds über Reflexion an einer teiltransparenten Reflexionsscheibe, wie beispielsweise einer Front-, Heck- oder Seitenscheibe des Fahrzeugs, oder an einer eigens hierzu vorgesehenen Combinerscheibe, die im Blickfeld des Benutzers angeordnet ist. Die Erfindung richtet sich insbesondere auf eine Projektionseinheit, die zum Ausgeben eines geeigneten Lichtstrahlenbündels mit gewünschtem Anzeigeinhalt ausgebildet ist, sowie ein damit ausgestattetes Fahrzeug.
Mit einem Head-up-Display werden in einem Kraftfahrzeug beispielsweise Geschwindigkeitsangaben und andere nützliche Navigations- und Fahrzeugbedienungshinweise oder auch Entertainment-Inhalte in Form eines virtuellen Bilds dem vom Fahrer oder einem anderen Insassen beobachteten realen Umgebungsbild vor dem Fahrzeug überlagert. Wie in Fig. 1 schematisch skizziert, umfasst hierzu eine Blickfeldanzeigevorrichtung (HUD) 200 in klassischer Spiegel-Bauweise eine unterhalb einer Oberseite der Instrumententafel 4 eines Fahrzeugs 1 untergebrachte Projektionseinheit 500. Diese enthält eine bildgebende Einheit 600, beispielsweise ein Display, zur Erzeugung eines Lichtstrahlenbündels L mit dem gewünschten Anzeigeinhalt. Ferner umfasst die Projektionseinheit 500 eine Abbildungs- und Projektionsoptik, um das Lichtstrahlenbündel L in geeigneter Form und Richtung auf die Frontscheibe 3 des Fahrzeugs 1 zu werfen, damit das virtuelle Bild (nicht dargestellt) in einer gewünschten Größe, Entfernung und Qualität aus einem für die Benutzeraugen bestimmten Raumbereich, der Eyebox E, im Fahrzeug 1 gesehen werden kann.
Dabei ist der Bauraum für ein Head-Up-Display 200 und dessen Projektionseinheit 500 an Bord eines Fahrzeugs 1 sehr kostbar. Deshalb wird bei den bekannten HUD-Konstruktionen versucht, durch geschickte Faltung des optischen Strahlengangs ein möglichst kompaktes System zu erzeugen. Hierzu umfasst die Abbildungs- und Projektionsoptik im Strahlengang des Lichtstrahlenbündels L typischerweise einen Faltspiegel 700 zu einer raumsparenden Faltung des Strahlengangs und weiterhin einen Konkavspiegel 800, der beispielsweise einer Bildvergrößerung und/oder Kompensation einer Frontscheibenkrümmung dient. Wie in Fig. 1 gezeigt, muss allerdings jegliche Faltung des Strahlengangs immer dem Konkavspiegel 800 ausweichen, um keinen Bildbeschnitt zu erhalten. Damit erreicht man jedoch nie das kleinstmögliche Bauraumvolumen.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine alternative oder im Hinblick auf den Bauraum, die Bildqualität und/oder andere Gesichtspunkte verbesserte Projektionseinheit für eine Blickfeldanzeigevorrichtung anzugeben, die sich insbesondere zum Einsatz in einem Fahrzeug eignet.
Diese Aufgabe wird durch eine kompakte Projektionseinheit gemäß Anspruch 1 sowie durch eine diese enthaltende Blickfeldanzeigevorrichtung und ein damit ausgestattetes Fahrzeug gemäß den nebengeordneten Ansprüchen gelöst. Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Alle in den Ansprüchen und der nachfolgen Beschreibung für die Projektionseinheit genannten weiterführenden Merkmale und Wirkungen gelten auch in Bezug auf die Blickfeldanzeigevorrichtung und das Fahrzeug, wie auch umgekehrt.
Gemäß einem ersten Aspekt ist eine kompakte, d. h. im Hinblick auf den Bauraum optimierte Projektionseinheit für eine Blickfeldanzeigevorrichtung vorgesehen, die insbesondere in einem Fahrzeug zum Einsatz kommen kann. Die Blickfeldanzeigevorrichtung kann beispielsweise als ein Head-up-Display (HUD) ausgebildet sein. Beim Fahrzeug kann es sich um ein Kraftfahrzeug, aber auch um ein beliebiges anderes Land-, Luft- oder Wasserfahrzeug handeln.
Die Projektionseinheit besitzt zunächst eine zur Erzeugung eines Lichtstrahlenbündels mit gewünschtem Anzeigeinhalt ausgebildete bildgebende Einheit (Picture Generating Unit, PGU), die beispielsweise als ein Flüssigkristallbildschirm (LCD, liquid crystal display) oder ein andersartiges Display oder vieles mehr ausgebildet sein kann.
Im Strahlengang des von der bildgebenden Einheit erzeugten Lichtstrahlenbündels ist zu seiner Faltung ein Faltspiegel angeordnet, der im einfachsten Fall als ein Planspiegel ausgeführt sein kann. Der Faltspiegel kann aber auch gekrümmt, d. h. im Allgemeinen ein Freiformspiegel mit einer konvexen oder konkaven Spiegelfläche sein, um zusätzliche Bildkorrektur- und/oder Strahlformungsfunktionen zu erfüllen.
Im Strahlengang des vom Faltspiegel reflektierten Lichtstrahlenbündels umfasst die Projektionseinheit weiterhin einen derart angeordneten und ausgebildeten Konkavspiegel, dass das Lichtstrahlenbündel die Projektionseinheit danach in einer vorbestimmten Form und Richtung verlässt, um anschließend von einer im Blickfeld eines Benutzers angeordneten zumindest teilweise transparenten Reflexionsscheibe zu seiner Eyebox reflektiert zu werden und dem Benutzer dadurch den Anzeigeinhalt in Form eines virtuellen Bilds hinter der Reflexionsscheibe darzustellen. Die Reflexionsscheibe kann beispielsweise durch einen Abschnitt einer Frontscheibe des Fahrzeugs oder durch eine extra davor angeordnete Combinerscheibe gebildet sein. Sie ist also Bestandteil der weiter unten angegebenen Blickfeldanzeigevorrichtung, jedoch nicht zwingend auch Bestandteil der Projektionseinheit, die beispielsweise bei der Nutzung der Fahrzeugfrontscheibe als Reflexionsscheibe auch ohne diese hergestellt und vertrieben werden kann. Im Fall einer extra vorgesehenen Combinerscheibe kann diese jedoch in bekannter Weise auch in der Projektionseinheit integriert sein. Als Eyebox der Blickfeldanzeigevorrichtung wird wie üblich ein zwei- oder dreidimensionaler Raumbereich verstanden, aus dem das virtuelle Bild uneingeschränkt sichtbar ist.
Dabei ist der Konkavspiegel im Strahlengang zwischen der bildgebenden Einheit und dem Faltspiegel angeordnet und für das von der bildgebenden Einheit ausgehende Lichtstrahlenbündel, das auf seine Rückseite trifft, zumindest teilweise transmittierend ausgebildet. Mit anderen Worten passiert das Lichtstrahlenbündel auf seinem Weg von der bildgebenden Einheit zu dem Faltspiegel den Konkavspiegel durch dessen Rückseite hindurch.
Eine Idee der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, den Konkavspiegel für das rückseitig einfallende Licht, das von der bildgebenden Einheit ausgeht, transmittierend zu gestalten. Dadurch ist es ermöglicht, die bildgebende Einheit hinter den Konkavspiegel zu positionieren und auf diese Weise den verfügbaren Bauraum für einen gefalteten Strahlengang optimal, nämlich doppelt, auszunutzen, ohne das Lichtstrahlenbündel im Querschnitt zu beschneiden.
Dieser Aufbau der Projektionseinheit ermöglicht eine deutliche Bauraumreduktion gegenüber dem herkömmlichen Spiegel-HUD der Fig. 1 durch eine kompaktere Bauweise der Projektionseinheit, die eine Volumenreduktion von ca. 25-35% erlaubt. Der Konkavspiegel dient dabei zudem (insbesondere durch seine jeweilige Beschichtung gemäß den nachfolgend angegebenen Ausführungsformen) gleichzeitig als eine Wärmeschutzmaßnahme für die bildgebende Einheit (beispielsweise Display), da dadurch in jeweiliger Ausführungsform 50% des einfallenden Sonnenlichts nicht auf das Display gelangen können. Die Integration von HUDs mit größeren Bildern wird damit insgesamt erheblich vereinfacht.
Es gibt unzählige Möglichkeiten, dieses optische System durch eine spezifische Wahl der Reflexionseigenschaften am Konkavspiegel und/oder am Faltspiegel, beispielsweise mittels geeigneter optischer Beschichtungen, besonders einfach und/oder besonders effizient zu gestalten. Nachfolgend werden rein beispielhaft zwei verschiedene Varianten dafür angegeben, von denen die erstere besonders einfach in der Realisierung und die zweite besonders effizient im Hinblick auf die Leistungsaufnahme der Blickfeldanzeigevorrichtung ist:
Gemäß einer ersten Ausführungsform weist der Konkavspiegel auf seiner konkav gekrümmten Vorderseite eine 50%R-Beschichtung auf, derart dass er rückseitig etwa 50% des von der bildgebenden Einheit einfallenden Lichts transmittiert und vorderseitig etwa 50% des vom Faltspiegel reflektierten Lichts reflektiert. Damit ergibt sich nach Durchlaufen des optischen Systems eine Gesamteffizienz von etwa 0,5*0,5=0,25, was 25% entspricht.
Gemäß einer zweiten Ausführungsform ist die bildgebende Einheit zur Erzeugung linear p-polarisierten (oder s-polarisierten) Lichts ausgebildet, während der Konkavspiegel auf seiner konkav gekrümmten Vorderseite mit einer Beschichtung versehen ist, die einen etwa 100%-Reflexionskoeffizienten für s-polarisiertes (oder p-polarisiertes) Licht, d. h. eine 100%Rs-Beschichtung (oder 100%Rp-Beschichtung) besitzt. Damit lässt sich erzielen, dass der Konkavspiegel rückseitig das von der bildgebenden Einheit einfallende Licht nahezu verlustfrei transmittiert.
Bei dieser Variante muss der Faltspiegel jedoch ebenfalls eine optisch aktive Beschichtung erhalten, damit das Licht am Konkavspiegel auch möglichst effektiv reflektiert wird. Die Beschichtung des Faltspiegels ist demnach eine A/4- Schicht, die insbesondere sowohl im Winkel- als auch im Wellenlängenspektrum möglichst breitbandig gestaltet sein kann. Das Licht wird also beim Durchlaufen dieser Beschichtung um 2*0,25A=0,5A verzögert, d. h. linear polarisiertes Licht wird von p auf s (oder s auf p) gedreht. Damit ist nun die lineare Polarisation des Lichts so eingestellt, dass die oben genannte vorderseitige Beschichtung auf dem Konkavspiegel diese möglichst effizient reflektiert. Somit kann sich bei dieser Ausführungsform eine Gesamteffizienz des optischen Systems von über 80% erreichen. Diese Effizienz lässt sich durch eine Antireflexbeschichtung auf der (beispielsweise konvexen) Rückseite des Konkavspiegels noch weiter steigern.
Da der Einfallswinkel des auf die Frontscheibe von Kraftfahrzeugen projizierten Lichts bei gängigen HUD-Konfigurationen nahe des Brewster-Winkels liegt, wird an der Grenzfläche von Luft zur Frontscheibe aus Glas oder Kunststoff überwiegend s-polarisiertes Licht reflektiert (d. h. linear polarisiertes Licht, dessen Polarisationsrichtung senkrecht zur typischerweise vertikalen Einfallsebene der Frontscheibe liegt, also parallel zur Frontscheibe und in der Regel horizontal ist). Aus diesem Grund werden die Projektionseinheiten vieler bekannter Blickfeldanzeigevorrichtungen auch zur bevorzugten Abstrahlung s- polarisierten Lichts konstruiert.
Für eine möglichst hohe Reflexionseffizienz am Faltspiegel ist die A/4-Schicht idealerweise in einem der bildgebenden Einheit entsprechenden Spektralbereich, beispielsweise bei einer breitbandigen Lichtquelle in einem breiten Wellenlängenbereich von etwa 380-780 nm, möglichst breitbandig gestaltet. Das Gleiche gilt entsprechend für den relevanten Einfallswinkelbereich des Lichtstrahlenbündels am Faltspiegel.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Blickfeldanzeigevorrichtung zum Einsatz in einem Fahrzeug vorgesehen. Die Blickfeldanzeigevorrichtung umfasst neben der Projektionseinheit der hierin dargelegten Art auch eine im Strahlengang des von der Projektionseinheit ausgegebenen Lichtstrahlenbündels angeordnete, zumindest teilweise transparente Reflexionsscheibe, die insbesondere als Teilflächenabschnitt einer Frontscheibe des Fahrzeugs oder eine extra davor vorgesehene Combinerscheibe ausgebildet sein kann. Dabei ist die Reflexionsscheibe derart im Blickfeld eines Benutzers angeordnet und ausgebildet, dass sie das Lichtstrahlenbündel zu einer für den Benutzer vorbestimmten Eyebox reflektiert, wodurch ihm der Anzeigeinhalt in Form eines virtuellen Bilds hinter der Reflexionsscheibe darstellbar ist und im Betrieb der Blickfeldanzeigevorrichtung auch dargestellt wird. Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Fahrzeug, insbesondere ein Kraftfahrzeug oder ein beliebiges anderes Land-, Luft- oder Wasserfahrzeug vorgesehen. Die hierin verwendeten räumlichen Orientierungsbegriffe wie „oberhalb“, „unterhalb“, „vor“, „seitlich“, „horizontal“, „vertikal“ etc. beziehen sich dabei auf das übliche fahrzeugfeste kartesische Koordinatensystem mit zueinander senkrechten Längs-, Quer- und Höhenachsen des Fahrzeugs.
Das Fahrzeug ist mit einer Blickfeldanzeigevorrichtung der hierin dargelegten Art ausgestattet, deren Projektionseinheit beispielsweise direkt unterhalb einer Oberseite einer Instrumententafel des Fahrzeugs verbaut sein kann, derart dass das Lichtstrahlenbündel von der Projektionseinheit auf eine über der Instrumententafel angeordnete Frontscheibe oder eine im Blickfeld des Fahrers oder eines anderen Insassen positionierte Combinerscheibe geworfen wird.
Die obigen Aspekte der Erfindung und deren Ausführungsformen und spezifische Ausgestaltungen werden nachfolgend anhand von in den beigefügten Zeichnungen dargestellten Beispielen näher erläutert. Die Zeichnungen sind als rein schematische Illustrationen des grundsätzlichen optischen Aufbauprinzips, d. h. nicht als maßstabsgetreu, zu verstehen. Es zeigen, jeweils in einem vertikalen Längsschnitt:
Figur 1 ein herkömmliches Spiegel-HUD in einem Kraftfahrzeug mit einem mittels eines Faltspiegels und eines Konkavspiegels gefalteten Strahlengang nach Stand der Technik;
Figur 2 ein Ausführungsbeispiel einer Blickfeldanzeigevorrichtung der hierin dargelegten Art in einem Kraftfahrzeug mit einem teiltransparenten Konkavspiegel im Strahlengang zwischen der bildgebenden Einheit und dem Faltspiegel;
Figur 3 ein Ausführungsbeispiel der Blickfeldanzeigevorrichtung der Fig. 2 mit einer 50%R-Beschichtung auf der konkav gekrümmten Vorderseite des Konkavspiegels; und Figur 4 ein zu Fig. 3 alternatives Ausführungsbeispiel der Blickfeldanzeigevorrichtung der Fig. 2 mit einer 100%Rs- Beschichtung auf der konkav gekrümmten Vorderseite des Konkavspiegels.
Während Fig. 1 , die eingangs ausführlich beschrieben wurde, zum Vergleich eine herkömmliche Blickfeldanzeigevorrichtung 200 in Form eines sogenannten Spiegel-HUDs in einem Fahrzeug 1 (in diesem Beispiel einem Kraftfahrzeug) zeigt, ist in Fig. 2 in einer zu Fig. 1 analogen stark vereinfachten schematischen Längsschnittdarstellung ein Ausführungsbeispiel eines Kraftfahrzeugs mit einer Blickfeldanzeigevorrichtung 2 der hierin dargelegten Art dargestellt.
Das Kraftfahrzeug ist in Fig. 2 nur durch seine Frontscheibe 3 angedeutet. Darunter ist in einer nicht näher dargestellten Instrumententafel 4 eine Projektionseinheit 5 der Blickfeldanzeigevorrichtung 2 angeordnet. Es handelt sich rein beispielhaft um ein Head-up-Display (HUD). Die Frontscheibe 3 dient in diesem Beispiel als eine teiltransparente Reflexionsscheibe der Blickfeldanzeigevorrichtung 2, damit ein virtuelles Bild (nicht dargestellt) für einen Fahrer oder anderen Insassen fahrzeugaußenseitig vor der Frontscheibe 3 dargestellt wird.
Die Projektionseinheit 5 enthält eine zur Erzeugung eines Lichtstrahlenbündels L (verkürzt einfach „Licht“ genannt) mit gewünschtem Anzeigeinhalt ausgebildete bildgebende Einheit 6 (auch Picture Generating Unit, PGU genannt, in diesem Beispiel ein LCD). Das von der bildgebenden Einheit 6 ausgehende Lichtstrahlenbündel L, das den Anzeigeinhalt zu einer im Kraftfahrzeug an einer vorbestimmten Position gegenüber der Frontscheibe 3 liegenden Eyebox E eines Benutzers (hier Fahrer, nicht dargestellt) transportiert, ist vereinfacht durch seinen Mittenstrahl angedeutet, der etwa aus einer Mitte der bildgebende Einheit 6 in eine Mitte der Eyebox E führt. Ähnlich zu Fig. 1 ist auch in Fig. 2 im Strahlengang des erzeugten Lichtstrahlenbündels L ein Faltspiegel 7 und diesem gegenüber ein Konkavspiegel 8 angeordnet. Die konkav gekrümmte Vorderseite des Konkavspiegels 8, die dem Faltspiegel 7 zugewandt ist, ist dabei auch hier derart ausgebildet, dass das Lichtstrahlenbündel L durch Reflexion daran die Projektionseinheit 5 in einer geeigneten Form und Richtung verlässt, um anschließend von der Frontscheibe 3 zur Eyebox E reflektiert zu werden.
Im Gegensatz zu Fig. 1 ist aber in Fig. 2 der Konkavspiegel 8 für das von der bildgebenden Einheit 6 erzeugte Licht L zumindest teilweise transmittierend gestaltet. Damit kann man, wie in Fig. 2 skizziert, die bildgebende Einheit 6 hinter den Konkavspiegel 8 positionieren, sodass der verfügbare Bauraum für den Strahlengang an dieser Stelle doppelt, und damit optimal ausgenutzt wird.
Es gibt mehrere Möglichkeiten, das in Fig. 2 skizzierte optische System durch eine spezifische Wahl der Reflexionseigenschaften am Konkavspiegel 8 und/oder am Faltspiegel 7, beispielsweise mittels geeigneter optischer Beschichtungen, besonders einfach und/oder besonders effizient zu gestalten. Nachfolgend werden anhand von Fig. 3 und 4 zwei verschiedene Beispiele dafür angegeben, von denen das erste besonders einfach in der Realisierung und das zweite besonders effizient im Hinblick auf die Leistungsaufnahme der Blickfeldanzeigevorrichtung 2 sein kann:
So zeigt Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel der Blickfeldanzeigevorrichtung 2 der Fig. 2 gemäß der weiter oben genannten ersten Ausführungsform der Erfindung. Hier weist der Konkavspiegel 8 auf seiner konkav gekrümmten Vorderseite eine 50%R-Beschichtung 9 auf, derart dass er rückseitig etwa 50% des von der bildgebenden Einheit 6 einfallenden Lichts L transmittiert und vorderseitig etwa 50% des vom Faltspiegel 7 reflektierten Lichts L reflektiert. Damit ergibt sich nach Durchlaufen des optischen Systems eine Gesamteffizienz von etwa 0,5*0,5=0,25, was 25% entspricht. Im Übrigen wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf die obige Beschreibung der Fig. 2 verwiesen. Fig. 4 zeigt ein zu Fig. 3 alternatives Ausführungsbeispiel der Blickfeldanzeigevorrichtung 2 der Fig. 2 gemäß der weiter oben genannten zweiten Ausführungsform der Erfindung. Hier ist die bildgebende Einheit 6 zur Erzeugung p-polarisierten Lichts Lp ausgebildet, während der Konkavspiegel 8 auf seiner konkav gekrümmten Vorderseite mit einer Beschichtung versehen ist, die einen etwa 100%-Reflexionskoeffizienten für s-polarisiertes Licht, d. h. eine 100%Rs-Beschichtung 10 besitzt. Das Licht Lp der bildgebenden Einheit 6 kann daher (abgesehen von etwaigen Fresnel-Verlusten, die beispielsweise durch geeignet gewählte rückseitige Geometrie und/oder Antireflexbeschichtungen des Konkavspiegels 8 reduziert oder sogar eliminiert werden können) ohne Abschwächung durch den Konkavspiegel 8 treten und zum Faltspiegel 7 gelangen.
Bei dieser Variante muss der Faltspiegel 7 jedoch ebenfalls eine optisch aktive Beschichtung erhalten, damit das Lichtstrahlenbündel anschließend am Konkavspiegel 8 auch möglichst effektiv reflektiert wird. Die Beschichtung des Faltspiegels 7 ist demnach eine A/4-Schicht 11 , die insbesondere sowohl im Winkel- als auch im Wellenlängenspektrum möglichst breitbandig gestaltet sein kann. Das Licht Lp wird also beim Durchlaufen dieser A/4-Schicht 11 um 2*0,25A=0,5A verzögert, d. h. linear polarisiertes Licht wird von p auf s gedreht. Damit ist nun die lineare Polarisation des Lichts Ls so eingestellt, dass die vorderseitige 100%Rs-Beschichtung 10 auf dem Konkavspiegel 8 dieses möglichst effizient reflektiert. Somit kann sich bei dieser Ausführungsform eine Gesamteffizienz des optischen Systems von über 80% erreichen. Diese Effizienz lässt sich beispielsweise durch eine oben erwähnte Antireflexbeschichtung auf der in Fig. 4 rein beispielhaft konvexen Rückseite des Konkavspiegels 8 noch weiter steigern. Im Übrigen wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf die obige Beschreibung der Fig. 2 verwiesen.
Falls der Einfallswinkel des auf die Frontscheibe 3 des Fahrzeugs 1 projizierten Lichts L in Fig. 2 bis 4, wie auch bei gängigen HUD-Konfigurationen gemäß Fig.
1 , nahe des Brewster-Winkels liegt, wird an der Grenzfläche von Luft zur Frontscheibe 3 aus Glas oder Kunststoff überwiegend s-polarisiertes Licht reflektiert (d. h. linear polarisiertes Licht, dessen Polarisationsrichtung senkrecht zur in den Figuren gezeigten vertikalen Einfallsebene der Frontscheibe 3 liegt, also parallel zur Frontscheibe 3 und in der Regel horizontal ist). Aus diesem Grund kann es besonders vorteilhaft sein, die Projektionseinheit 5 beispielsweise nach dem Prinzip der Fig. 4 zur Abstrahlung s-polarisierten Lichts Ls zu konstruieren. Bei anderen geometrischen Konstellationen im Fahrzeug 1 kann aber auch eine jeweils anders gewählte lineare Polarisation des Lichtstrahlenbündels, d. h. überall p statt s und s statt p, eine gangbare oder sogar besonders günstige Lösung im Rahmen der vorliegenden Erfindung darstellen.
Insgesamt lässt sich in Fig. 2-4 eine deutliche Bauraumreduktion durch kompaktere Bauweise der Projektionseinheit 5 (ca. 25-35% Volumenreduktion) im Vergleich zur herkömmlichen HUD-Bauweise gemäß Fig. 1 erzielen. Der Konkavspiegel 8 dient mit seiner Beschichtung 9 bzw. 10 gleichzeitig als eine Wärmeschutzmaßnahme für die bildgebende Einheit 6, indem etwa 50% des einfallenden Sonnenlichts dadurch nicht auf das Display der bildgebenden Einheit 6 gelangen können. Die Integration von HUDs mit größeren Bildern wird damit vereinfacht.
Bezugszeichenliste
1 Fahrzeug
2 Blickfeldanzeigevorrichtung
3 Frontscheibe
4 Instrumententafel
5 Projektionseinheit
6 bildgebende Einheit
7 Faltspiegel
8 Konkavspiegel
9 50%R-Beschichtung
10 100%Rs-Beschichtung
11 A/4-Schicht L Lichtstrahlenbündel, auch kurz „Licht“ genannt Lp Lichtstrahlenbündel mit p-polarisiertem Licht
Ls Lichtstrahlenbündel mit s-polarisiertem Licht E Eyebox

Claims

Ansprüche Kompakte Projektionseinheit (5) für eine Blickfeldanzeigevorrichtung (2) zum Einsatz in einem Fahrzeug (1 ), umfassend: eine zur Erzeugung eines Lichtstrahlenbündels (L; Lp) mit gewünschtem Anzeigeinhalt ausgebildete bildgebende Einheit (6); einen im Strahlengang des erzeugten Lichtstrahlenbündels (L; Lp) angeordneten Faltspiegel (7); sowie einen im Strahlengang des vom Faltspiegel (7) reflektierten Lichtstrahlenbündels (L; Ls) derart angeordneten und ausgebildeten Konkavspiegel (8), dass das Lichtstrahlenbündel (L; Ls) die Projektionseinheit (5) in einer vorbestimmten Form und Richtung verlässt, um anschließend von einer im Blickfeld eines Benutzers angeordneten teiltransparenten Reflexionsscheibe zu seiner Eyebox (E) reflektiert zu werden und dem Benutzer dadurch den Anzeigeinhalt in Form eines virtuellen Bilds hinter der Reflexionsscheibe darzustellen; wobei der Konkavspiegel (8) im Strahlengang zwischen der bildgebenden Einheit (6) und dem Faltspiegel (7) angeordnet ist und das von der bildgebenden Einheit (6) ausgehende Lichtstrahlenbündel (L; Lp), das auf seine Rückseite einfällt, zumindest teilweise transmittiert. Projektionseinheit (5) nach Anspruch 1 , wobei der Konkavspiegel (8) auf seiner dem Faltspiegel (7) zugewandten konkav gekrümmten Vorderseite eine 50% R- Beschichtung (9) aufweist, derart dass er rückseitig etwa 50% des von der bildgebenden Einheit (6) einfallenden Lichts (L) transmittiert und vorderseitig etwa 50% des vom Faltspiegel (7) reflektierten Lichts (L) reflektiert. seinheit (5) nach Anspruch 1 , wobei die bildgebende Einheit (6) zur Erzeugung p-polarisierten Lichts (Lp) ausgebildet ist; der Konkavspiegel (8) auf seiner dem Faltspiegel (7) zugewandten konkav gekrümmten Vorderseite eine Beschichtung (10) mit einem etwa 100%- Reflexionskoeffizienten für s-polarisiertes Licht aufweist, derart dass er rückseitig das von der bildgebenden Einheit (6) einfallende Licht (Lp) nahezu verlustfrei transmittiert; und der Faltspiegel (7) auf seiner dem Konkavspiegel (8) zugewandten Spiegelseite eine A/4-Schicht (11 ) aufweist, sodass der Konkavspiegel (8) vorderseitig das vom Faltspiegel (7) einfallende Licht (Ls) nahezu verlustfrei reflektiert. seinheit (5) nach Anspruch 1 , wobei die bildgebende Einheit (6) zur Erzeugung s-polarisierten Lichts ausgebildet ist; der Konkavspiegel (8) auf seiner dem Faltspiegel (7) zugewandten konkav gekrümmten Vorderseite eine Beschichtung mit einem etwa 100%-Reflexionskoeffizienten für p-polarisiertes Licht aufweist, derart dass er rückseitig das von der bildgebenden Einheit (6) einfallende Licht nahezu verlustfrei transmittiert; und der Faltspiegel (7) eine A/4-Schicht (11 ) aufweist, sodass der Konkavspiegel (8) vorderseitig das vom Faltspiegel (7) einfallende Licht nahezu verlustfrei reflektiert. 15 Projektionseinheit (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Konkavspiegel (8) auf seiner der bildgebenden Einheit (6) zugewandten Rückseite eine Antireflexbeschichtung aufweist. Blickfeldanzeigevorrichtung (2) zum Einsatz in einem Fahrzeug (1 ), umfassend: eine Projektionseinheit (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche; und eine im Strahlengang des von der Projektionseinheit (5) ausgegebenen Lichtstrahlenbündels (L; Ls) angeordnete, zumindest teilweise transparente Reflexionsscheibe; wobei die Reflexionsscheibe derart im Blickfeld eines Benutzers angeordnet und ausgebildet ist, dass sie das Lichtstrahlenbündel (L; Ls) zu einer für den Benutzer vorbestimmten Eyebox (E) reflektiert, wodurch ihm der Anzeigeinhalt in Form eines virtuellen Bilds in einer virtuellen Bildebene hinter der Reflexionsscheibe darstellbar ist. Fahrzeug (1 ), insbesondere ein Kraftfahrzeug, mit zueinander senkrechten Längs-, Quer- und Höhenachsen eines fahrzeugeigenen kartesischen Koordinatensystems, umfassend: eine Frontscheibe (3) und eine darunter angeordnete Instrumententafel (4); sowie eine Blickfeldanzeigevorrichtung (2) nach Anspruch 6, deren Projektionseinheit (5) im Inneren der Instrumententafel (4) oder auf deren Oberseite angeordnet ist und deren Reflexionsscheibe als ein Abschnitt der Frontscheibe (3) oder als eine fahrzeuginnenseitig davor angeordnete
Combinerscheibe ausgebildet ist.
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