EP4594789A1 - Anzeigeeinrichtung mit diffusor - Google Patents

Anzeigeeinrichtung mit diffusor

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Publication number
EP4594789A1
EP4594789A1 EP23789226.0A EP23789226A EP4594789A1 EP 4594789 A1 EP4594789 A1 EP 4594789A1 EP 23789226 A EP23789226 A EP 23789226A EP 4594789 A1 EP4594789 A1 EP 4594789A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
lens
display device
diffuser
microlenses
light
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
EP23789226.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Christian Junge
Andreas Kolloch
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.)
Aumovio Germany GmbH
Original Assignee
Continental Automotive Technologies GmbH
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 Continental Automotive Technologies GmbH filed Critical Continental Automotive Technologies GmbH
Publication of EP4594789A1 publication Critical patent/EP4594789A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • 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
    • G02B3/00—Simple or compound lenses
    • G02B3/0006—Arrays
    • G02B3/0037—Arrays characterized by the distribution or form of lenses
    • G02B3/0043—Inhomogeneous or irregular arrays, e.g. varying shape, size, height
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B3/00—Simple or compound lenses
    • G02B3/0006—Arrays
    • G02B3/0037—Arrays characterized by the distribution or form of lenses
    • G02B3/0056—Arrays characterized by the distribution or form of lenses arranged along two different directions in a plane, e.g. honeycomb arrangement of lenses
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/02—Diffusing elements; Afocal elements
    • G02B5/0205—Diffusing elements; Afocal elements characterised by the diffusing properties
    • G02B5/021—Diffusing elements; Afocal elements characterised by the diffusing properties the diffusion taking place at the element's surface, e.g. by means of surface roughening or microprismatic structures
    • G02B5/0221—Diffusing elements; Afocal elements characterised by the diffusing properties the diffusion taking place at the element's surface, e.g. by means of surface roughening or microprismatic structures the surface having an irregular structure
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B3/00—Simple or compound lenses
    • G02B2003/0093—Simple or compound lenses characterised by the shape
    • 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

Definitions

  • the present invention relates to a display device with a lighting unit, a diffuser and a display panel.
  • Microlens arrays are used as optical elements in a variety of applications.
  • the microlenses are usually arranged in a regular grid and follow the same lens geometry at every position of the grid. If an ordered light bundle passes through such a microlens array, the geometry of the microlens surface can be used to create a tailored light distribution that is similar to that of a diffuser film.
  • DE 196 30 736 B4 describes a projection screen for a rear projection television set, comprising a Fresnel lens with circular divisions for focusing incident image light into the center of the optical axis of the projection screen, and an optical diffuser part with a lenticular section for diffusing the image light received by the Fresnel lens.
  • US 2018/0 149 860 A1 describes an optical scanning control device.
  • the optical scanning control device includes a scanning unit configured to scan light emitted from a laser, and a screen on which the light scanned by the scanning unit forms an image.
  • a plurality of microlenses are arranged in an array on a surface of at least one light entry side and one light exit side of the screen.
  • the microlenses are arranged in such a way that the center distances are random in at least one of a first direction and a second direction orthogonal to the first direction.
  • a global lens function is often required. This is usually achieved via a lens on an additional surface.
  • the lens can be designed as a thick lens or as a Fresnel lens.
  • the challenge with this approach is that not every system has a corresponding amount of space available and additional components then have to be introduced with corresponding additional costs and losses in efficiency.
  • Another approach is to combine a microlens array with a thick lens by arranging the structure of the microlens array on a thick lens and following the surface curvature of the lens.
  • a thick lens is complex to produce, which results in increased costs.
  • US 2012 / 0 262 646 A1 describes a film that has diffusion properties in addition to polarization selectivity.
  • the film can comprise a plurality of microlenses.
  • the film can be used in a display device.
  • WO 2019/238 842 A1 describes a device for generating a virtual image using scanning image generation.
  • the device has at least one light source for generating a light beam, an imaging unit for generating an image and an optical waveguide for expanding an exit pupil.
  • An optical component for realizing a field-point-dependent aperture is arranged in front of a coupling region of the optical waveguide.
  • the optical component can have a locally resolved diffuser and lens function.
  • JP 2021-135 472 A describes a display device with a light source, a scanner that deflects the light emitted by the light source, and an optical element with a plurality of micro-optical elements arranged in an array.
  • the optical element scatters the incident light using the micro-optical elements.
  • the direction of propagation of the scattered Light varies according to the angle of incidence of the light striking the optical element from the scanner.
  • a display device has a lighting unit, a diffuser and a display panel.
  • the diffuser has a microlens array with a large number of microlenses.
  • the microlenses are sections of a lens and the geometry of the microlenses varies over the surface of the microlens array in such a way that the microlens array has a diffuser function and a higher-level lens function in that the respective position of the section in relation to a center of the lens varies over the surface of the microlens array .
  • the solution according to the invention uses a diffuser which combines a diffuser function and a global lens function in a preferably flat surface.
  • the basis of this diffuser is a microlens array with a large number of microlenses.
  • the global lens function is achieved by the geometry of the microlenses varying locally, that is, depending on the position of the respective microlens in the microlens array. Since two functions are combined in one component, the display device is optimized in terms of complexity and costs. By appropriately selecting the geometry of the individual microlenses, almost any global lens can be created.
  • the microlenses are sections of a lens and the global lens function is achieved by varying the respective position of the section in relation to a center of the lens over the surface of the microlens array.
  • the lens can have the shape of a spherical lens.
  • the microlenses can form sections of a lens.
  • the respective position of the cutout varies in relation to a center of the lens over the surface of the microlens array.
  • the cutout can lie symmetrically around the center of the lens, e.g. the vertex, while at the edge of the microlens array, the respective cutout in the microlenses is shifted relative to the center of the lens.
  • the microlenses are arranged in a regular grid.
  • the arrangement of the microlenses in a regular grid has the advantage that the resulting light distribution can be controlled very precisely.
  • the microlenses have a rectangular aperture.
  • the microlenses each have a rectangular base when viewed from above. This results in the distribution of the output light beams having an approximately rectangular cross section. Such a cross section is often desirable, for example for lighting the eyebox in a head-up display.
  • the base surfaces of the microlenses can also have other shapes, for example round, hexagonal, etc.
  • the microlens array has the function of a cylindrical lens.
  • a cylindrical lens can be used, for example, to correct aberrations or to adapt the light provided by the lighting unit to the display panel.
  • other global lens functions can also be implemented, e.g. spherical or aspherical converging lenses or diverging lenses.
  • the display device is part of a head-up display.
  • a display device according to the invention for head-up displays is particularly advantageous since, in addition to the diffuser property, a global lens function is often required in these displays.
  • the lighting unit provides collimated light.
  • the solution according to the invention is particularly suitable for collimated light, since in this case there is a very precisely defined angular distribution of the input light. This means that the angular distribution of the output light is also determined very precisely.
  • the lighting unit has a light source array and a collimator array.
  • the light source array is formed by an arrangement of a plurality of light sources, the light of which is collimated by a plurality of collimators which form the collimator array.
  • a display device according to the invention is preferably used in a means of transport.
  • the means of transport can be, for example, a motor vehicle, but alternatively also an aircraft, a rail vehicle or a watercraft.
  • FIG. 1 shows schematically a head-up display according to the prior art for a motor vehicle
  • Fig. 2 shows schematically a display device of a head-up display
  • Fig. 3 shows schematically a display device according to the invention
  • Fig. 4 illustrates the operating principle of a diffuser with a rough surface
  • Fig. 5 illustrates the functional principle of a microlens array as a diffuser
  • FIG. 6 shows schematically a first region of a diffuser of a display device according to the invention
  • FIG. 7 shows schematically a second region of a diffuser of a display device according to the invention
  • 8 illustrates the implementation of microlenses of a microlens array as sections of a lens
  • Fig. 9 shows schematically a means of transport that uses a display device according to the invention.
  • Fig. 1 shows a schematic sketch of a head-up display for a motor vehicle according to the prior art.
  • the head-up display has a display device 1, an optical unit 6 and a mirror unit 7.
  • a beam of rays SB1 emanates from a display panel 4 of the display device 1 and is reflected by a first mirror 60 onto a curved mirror 61, which reflects it towards the mirror unit 7.
  • the mirror unit 7 is shown here as a windshield 70 of a motor vehicle. From there, the beam of rays SB2 reaches the eye 8 of an observer.
  • the viewer sees a virtual image VB, which is located outside the motor vehicle above the bonnet or even in front of the motor vehicle. Due to the interaction of the optical unit 6 and the mirror unit 7, the virtual image VB is an enlarged representation of the image displayed by the display panel 4. displayed image. A speed limit, the current vehicle speed and navigation instructions are symbolically shown here. As long as the eye 8 is within the eyebox 9 indicated by a rectangle, all elements of the virtual image VB are visible to the eye 8. If the eye 8 is outside the eyebox 9, the virtual image VB is only partially visible to the viewer or not visible at all. The larger the eyebox 9 is, the less restricted the viewer is in choosing his or her seating position.
  • the curvature of the curved mirror 61 is adapted to the curvature of the windshield 70 and ensures that the image distortion is stable over the entire eyebox 9.
  • the curved mirror 61 is rotatably mounted by means of a bearing 610. The rotation of the curved mirror 61 made possible thereby enables the eyebox 9 to be moved and thus the position of the eyebox 9 to be adapted to the position of the eye 8.
  • the first mirror 60 serves to ensure that the path traveled by the beam of rays SB1 between the display panel 4 and the curved mirror 60 is long and at the same time the optical unit 6 is still compact.
  • the optical unit 6 is separated from the surroundings by a transparent cover 10.
  • the optical elements of the optical unit 6 are thus protected, for example, against dust located in the interior of the vehicle.
  • a glare protection 11 serves to safely absorb the light reflected across the interface of the cover 10 so that the viewer is not blinded.
  • the light from another stray light source 12 can also reach the display panel 4.
  • Fig. 2 shows schematically a display device 1 of a head-up display.
  • the display device 1 includes a lighting unit 2 with a light source array 20, ie an arrangement of a plurality of light sources 21, the light of which is collimated by a plurality of collimators 22, which form a collimator array 23.
  • the vom passes through Collimator array 23 outgoing collimated light beams KLB a lens 13 and a diffuser 3.
  • the lens can be, for example, a cylindrical Fresnel lens.
  • the diffuser 3 can be designed, for example, as a diffuser film.
  • the light beam enters the optical unit, not shown in FIG. 2, as a beam of rays SB1.
  • Fig. 3 shows schematically an example of a display device 1 according to the invention of a head-up display.
  • the display device 1 includes a lighting unit 2 with a light source array 20 and a collimator array 23.
  • a light source array 20 can also be used instead of a light source array 20.
  • the resulting collimated light beam KLB is only approximately collimated.
  • the collimated light bundle KLB passes through a diffuser 3.
  • the diffuser 3 is formed by a microlens array 30 with a large number of microlenses 31.
  • the geometry of the microlenses 31 varies over the surface of the microlens array 30 in such a way that the microlens array 30 also has a higher-level lens function in addition to the diffuser function.
  • An additional lens as required in the display device 1 shown in FIG. 2, can therefore be omitted.
  • the light beam After passing through the display panel 4, the light beam enters the optical unit, not shown here, as a beam SB1.
  • Fig. 4 illustrates the functional principle of a diffuser 3 with a rough surface 32.
  • Fig. 4a) shows the basic course of the light rays
  • Fig. 4b the angular distribution of the light rays before scattering
  • Fig. 4c the angular distribution of the light rays after scattering .
  • the incident light PL is approximately parallel. Its angular distribution is therefore very narrow. Due to the refraction of the light rays on the rough surface 32 at the transition from the diffuser 3 with the refractive index nn to the surrounding medium, typically air, with a refractive index n 2 , with n 2 ⁇ n 1 , the angular distribution is significantly broadened. Due to the irregular geometry of the rough surface 32 and Due to the associated random scattering, the angular distribution of the scattered light GL can, for example, have the shape of a Gaussian curve.
  • Fig. 5 illustrates the functional principle of a microlens array 30 as a diffuser 3.
  • Fig. 5a shows the basic course of the light rays
  • Fig. 5b the angular distribution of the light rays before scattering
  • Fig. 5c the angular distribution of the light rays after scattering.
  • the incident light PL is again approximately parallel. Its angular distribution is therefore very narrow.
  • the angular distribution is also significantly broadened in this case. Due to the regular geometry of the microlenses 31, the scattering does not occur randomly, so that the angular distribution of the scattered light GL can, for example, have a flat-top profile.
  • Fig. 6 shows schematically a first area of a diffuser 3 of a display device according to the invention.
  • the microlenses 31 of the microlens array 30 can be seen in the center of the diffuser 3 on, ie the microlenses 31 each have the shape of a rectangle in plan view.
  • the global lens function is achieved by varying the geometry of the microlenses 31 over the area of the microlens array 30.
  • the microlenses 31 form sections of a lens. The respective position of the cutout in relation to a center of the lens varies over the surface of the microlens array 30.
  • the cutout can lie symmetrically around the center of the lens, for example the vertex, while at the edge of the Microlens arrays 30, the respective section of the microlenses 31 is shifted relative to the center of the lens. This causes light to pass through this Microlenses 31 fall, in addition to the expansion corresponding to the diffuser function, they also experience a deflection that corresponds to a global lens. By appropriately adjusting the displacement of the sections of the individual microlenses, almost any global lens can be created.
  • the lens 5 is a spherical lens.
  • the lens 5 has a center 51, for example the apex of the lens 5.
  • the section 50 of the lens 5, which forms the microlens 31, is determined by an aperture cuboid 52, which reflects the aperture of the microlens 31.
  • the geometry of the microlens 31 is determined by the overlap between the lens 5 and the aperture cuboid 52.
  • the position of the aperture cuboid 52 relative to the center 51 of the lens 5 depends on the position of the respective microlens 31 in the microlens array.
  • the means of transport 100 is a motor vehicle.
  • the motor vehicle has a display device 1 according to the invention, which in this example is part of a head-up display.
  • a sensor system 101 can be used to record data about the vehicle's surroundings.
  • the sensor system 101 can in particular include sensors for environmental detection, for example ultrasonic sensors, laser scanners, radar sensors, lidar sensors or cameras.
  • the information recorded by the sensor system 101 can be used to generate content to be displayed for the display device 1.
  • Further components of the motor vehicle in this example are a navigation system 102, through which position information can be provided, and a data transmission unit 103.
  • a connection to a backend can be established, for example to obtain updated software for components of the motor vehicle.
  • a memory 104 is available for storing data. The data exchange between the various components of the motor vehicle takes place via a network 105.

Landscapes

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anzeigeeinrichtung (1) mit einer Beleuchtungseinheit (2), einem Diffusor (3) und einem Anzeigepaneel (4). Der Diffusor (3) weist ein Mikrolinsenarray (30) mit einer Vielzahl von Mikrolinsen (31) auf. Die Geometrie der Mikrolinsen (31) variiert dabei über die Fläche des Mikrolinsenarrays (30) derart, dass das Mikrolinsenarray (30) eine Diffusorfunktion und eine übergeordnete Linsenfunktion aufweist.

Description

Beschreibung
Anzeigeeinrichtung mit Diffusor
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anzeigeeinrichtung mit einer Beleuchtungseinheit, einem Diffusor und einem Anzeigepaneel.
Mikrolinsenarrays kommen in vielfältigen Anwendungsfällen als optische Elemente zum Einsatz. Die Mikrolinsen sind hierbei meistens in einem regelmäßigen Raster angeordnet und folgen an jeder Position des Rasters der gleichen Linsengeometrie. Passiert ein geordnetes Lichtbündel ein solches Mikrolinsenarray, lässt sich über die Geometrie der Mikrolinsenoberfläche eine maßgeschneiderte Lichtverteilung erzeugen, die der eines Diffusorfilms ähnelt.
Beispielsweise beschreibt DE 196 30 736 B4 einen Projektionsschirm für ein Rückwärtsprojektions-Fernsehgerät, umfassend eine Fresnel-Linse mit kreisförmigen Unterteilungen zum Fokussieren einfallenden Bildlichts in das Zentrum der optischen Achse des Projektionsschirms, und ein optisches Diffusorteil mit einem Linsenrasterabschnitt, um das von der Fresnel-Linse empfangene Bildlicht diffus zu machen.
US 2018 / 0 149 860 A1 beschreibt eine optische Abtastkontrollvorrichtung. Die optische Abtastkontrollvorrichtung umfasst eine Abtasteinheit, die so konfiguriert ist, dass sie von einem Laser emittiertes Licht abtastet, und einen Bildschirm, auf dem das von der Abtasteinheit abgetastete Licht ein Bild bildet. Eine Vielzahl von Mikrolinsen ist in einem Array auf einer Oberfläche von mindestens einer Lichteintrittsseite und einer Lichtaustrittsseite des Bildschirms angeordnet. Die Mikrolinsen sind dabei so angeordnet, dass die Mittenabstände in mindestens einer von einer ersten Richtung und einer zweiten Richtung orthogonal zur ersten Richtung zufällig sind. In Head-up-Displays wird neben der Diffusoreigenschaft oft auch eine globale Linsenfunktion benötigt. Diese wird üblicherweise über eine Linse auf einer zusätzlichen Fläche realisiert. Die Linse kann dabei als dicke Linse oder auch als Fresnellinse ausgeführt sein. Bei diesem Ansatz besteht allerdings eine Herausforderung darin, dass nicht in jedem System entsprechend viele Flächen zur Verfügung stehen und dann zusätzliche Bauteile mit entsprechenden Mehrkosten und Effizienzverlusten eingeführt werden müssen.
Ein weiterer Ansatz besteht darin, ein Mikrolinsenarray mit einer dicken Linse zu kombinieren, indem die Struktur des Mikrolinsenarrays auf einer dicken Linse angeordnet ist und der Oberflächenkrümmung der Linse folgt. Allerdings ist eine dicke Linse komplex in der Herstellung, was mit erhöhten Kosten einhergeht.
US 2012 / 0 262 646 A1 beschreibt einen Film, der neben einer Polarisationsselektivität auch Diffusionseigenschaften aufweist. Der Film kann eine Vielzahl von Mikrolinsen umfassen. Der Film kann in einer Anzeigevorrichtung Verwendung finden.
WO 2019 / 238 842 A1 beschreibt ein Gerät zum Generieren eines virtuellen Bildes mit scannender Bilderzeugung. Das Gerät weist zumindest eine Lichtquelle zum Erzeugen eines Lichtstrahls, eine bildgebende Einheit zum Erzeugen eines Bildes und einen Lichtwellenleiter zum Aufweiten einer Austrittspupille auf. Vor einem Einkoppelbereich des Lichtwellenleiters ist eine optische Komponente zum Realisieren einer feldpunktabhängigen Apertur angeordnet. Die optische Komponente kann eine lokal aufgelöste Diffusor- und Linsenfunktion aufweisen.
JP 2021-135 472 A beschreibt eine Anzeigevorrichtung mit einer Lichtquelle, einem Scanner, der das von der Lichtquelle emittierte Licht ablenkt, und einem optischen Element mit einer Vielzahl von in einem Array angeordneten mikrooptischen Elementen. Das optische Element streut das auftreffende Licht mittels der mikrooptischen Elemente. Die Ausbreitungsrichtung des gestreuten Lichts variiert entsprechend dem Einfallswinkel des vom Scanner auf das optische Element auftreffenden Lichts.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine alternative Lösung für eine Anzeigeeinrichtung mit einem Diffusor bereitzustellen, bei der der Diffusor neben der Diffusoreigenschaft auch eine Linsenfunktion aufweist.
Diese Aufgabe wird durch eine Anzeigeeinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung weist eine Anzeigeeinrichtung eine Beleuchtungseinheit, einen Diffusor und ein Anzeigepaneel auf. Der Diffusor weist ein Mikrolinsenarray mit einer Vielzahl von Mikrolinsen auf. Dabei sind die Mikrolinsen Ausschnitte einer Linse und die Geometrie der Mikrolinsen variiert über die Fläche des Mikrolinsenarrays derart, dass das Mikrolinsenarray eine Diffusorfunktion und eine übergeordnete Linsenfunktion aufweist, indem die jeweilige Lage des Ausschnitts in Bezug auf ein Zentrum der Linse über die Fläche des Mikrolinsenarrays variiert.
Bei der erfindungsgemäßen Lösung wird ein Diffusor verwendet, der eine Diffusorfunktion und eine globale Linsenfunktion in einer vorzugsweise planen Oberfläche vereint. Basis dieses Diffusors ist ein Mikrolinsenarray mit einer Vielzahl von Mikrolinsen. Durch die Auswahl der Geometrie der Mikrolinsen wird für einfallendes Licht die gewünschte Aufweitung der Lichtverteilung erzeugt. Die globale Linsenfunktion wird dadurch erreicht, dass die Geometrie der Mikrolinsen lokal variiert, d.h. von der Lage der jeweiligen Mikrolinse im Mikrolinsenarray abhängig ist. Da zwei Funktionen in einer Komponente vereinigt sind, wird eine Optimierung der Anzeigeeinrichtung hinsichtlich Komplexität und Kosten erreicht. Durch eine geeignete Auswahl der Geometrie der einzelnen Mikrolinsen lässt sich eine fast beliebige globale Linse erzeugen. Der Gedanke dabei ist, dass man für eine beliebige Geometrie der Oberfläche der globalen Linsen jeweils die lokale, zweidimensionale Steigung im Mittelpunkt der Apertur ermittelt, die durch die zugehörige Mikrolinse definiert ist, und die Geometrie der jeweiligen Mikrolinse entsprechend der ermittelten Steigung wählt. Auf diese Weise wird die globale Linse der Lichtverteilung des Mikrolinsenarray sozusagen aufgeprägt.
Erfindungsgemäß sind die Mikrolinsen Ausschnitte einer Linse und die globale Linsenfunktion wird erzielt, indem die jeweilige Lage des Ausschnitts in Bezug auf ein Zentrum der Linse über die Fläche des Mikrolinsenarrays variiert.
Beispielsweise kann die Linse die Form einer Kugellinse aufweisen. Die Mikrolinsen können Ausschnitte einer Linse bilden. Dabei variiert die jeweilige Lage des Ausschnitts in Bezug auf ein Zentrum der Linse über die Fläche des Mikrolinsenarrays. Im Zentrum des Mikrolinsenarrays kann z.B. bei einer Mikrolinse der Ausschnitt symmetrisch um das Zentrum der Linse liegen, z.B. den Scheitelpunkt, während am Rand des Mikrolinsenarrays der jeweilige Ausschnitt bei den Mikrolinsen relativ zum Zentrum der Linse verschoben ist. Dadurch wird Licht, das durch diese Mikrolinsen fällt, neben der Aufweitung entsprechend der Diffusorfunktion auch eine Ablenkung erfahren, die einer globalen Linse entspricht. Durch eine entsprechende Anpassung der Verschiebung der Ausschnitte der einzelnen Mikrolinsen lässt sich eine fast beliebige globale Linse erzeugen.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung sind die Mikrolinsen in einem regelmäßigen Raster angeordnet. Die Anordnung der Mikrolinsen in einem regelmäßigen Raster hat den Vorteil, dass sich die resultierende Lichtverteilung sehr präzise kontrollieren lässt.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung weisen die Mikrolinsen eine rechteckige Apertur auf. Dies ist so zu verstehen, dass die Mikrolinsen in Draufsicht jeweils eine rechteckige Grundfläche haben. Dies führt dazu, dass die Verteilung der Ausgangslichtstrahlen einen näherungsweise rechteckigen Querschnitt aufweist. Ein solcher Querschnitt ist oftmals erwünscht, beispielsweise für die Ausleuchtung der Eyebox in einem Head-up-Display. Grundsätzlich können die Grundflächen der Mikrolinsen aber auch andere Formen aufweisen, beispielsweise rund, sechseckig etc.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung hat das Mikrolinsenarray die Funktion einer Zylinderlinse. Eine solche Zylinderlinse kann beispielsweise zur Korrektur von Aberrationen oder zur Anpassung des von der Beleuchtungseinheit bereitgestellten Lichts an das Anzeigepaneel genutzt werden. Grundsätzlich können aber auch andere globale Linsenfunktionen realisiert werden, z.B. sphärische oder asphärische Sammellinsen oder Streulinsen.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist die Anzeigeeinrichtung Bestandteil eines Head-up-Displays. Die Verwendung einer erfindungsgemäßen Anzeigeeinrichtung für Head-up Displays ist besonders vorteilhaft, da in diesen neben der Diffusoreigenschaft oft auch eine globale Linsenfunktion benötigt wird.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung stellt die Beleuchtungseinheit kollimiertes Licht bereit. Die erfindungsgemäße Lösung ist besonders für kollimiertes Licht geeignet, da in diesem Fall eine sehr exakt definierte Winkelverteilung des Eingangslichts vorliegt. Somit ist auch die Winkelverteilung des Ausgangslichts sehr genau bestimmt.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung weist die Beleuchtungseinheit ein Lichtquellenarray und ein Kollimatorarray auf. Das Lichtquellenarray wird durch eine Anordnung einer Vielzahl von Lichtquellen gebildet, deren Licht von einer Vielzahl von Kollimatoren kollim iert wird, die das Kollimatorarray bilden. Auf diese Weise kann eine großflächige Beleuchtungseinheit realisiert werden, die eine homogene Ausleuchtung des Anzeigepaneels gewährleistet. Grundsätzlich kann die beschriebene Lösung aber in Anzeigeeinrichtungen mit Beleuchtungsoptiken aller Art implementiert werden. Vorzugsweise wird eine erfindungsgemäße Anzeigeeinrichtung in einem Fortbewegungsmittel eingesetzt. Bei dem Fortbewegungsmittel kann es sich beispielsweise um ein Kraftfahrzeug handeln, alternativ aber auch um ein Luftfahrzeug, ein Schienenfahrzeug oder ein Wasserfahrzeug.
Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung und den angehängten Ansprüchen in Verbindung mit den Figuren ersichtlich.
Figurenübersicht
Fig. 1 zeigt schematisch ein Head-up-Display gemäß dem Stand der Technik für ein Kraftfahrzeug;
Fig. 2 zeigt schematisch eine Anzeigeeinrichtung eines Head-up-Displays;
Fig. 3 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Anzeigeeinrichtung eines
Head-up-Displays;
Fig. 4 veranschaulicht das Funktionsprinzip eines Diffusors mit einer rauen Oberfläche;
Fig. 5 veranschaulicht das Funktionsprinzip eines Mikrolinsenarrays als Diffusor;
Fig. 6 zeigt schematisch einen ersten Bereich eines Diffusors einer erfindungsgemäßen Anzeigeeinrichtung;
Fig. 7 zeigt schematisch einen zweiten Bereich eines Diffusors einer erfindungsgemäßen Anzeigeeinrichtung; Fig. 8 veranschaulicht die Umsetzung von Mikrolinsen eines Mikrolinsenarrays als Ausschnitte einer Linse; und
Fig. 9 zeigt schematisch ein Fortbewegungsmittel, das eine erfindungsgemäße Anzeigeeinrichtung nutzt.
Figurenbeschreibung
Zum besseren Verständnis der Prinzipien der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Ausführungsformen der Erfindung anhand der Figuren detaillierter erläutert. Gleiche Bezugszeichen werden in den Figuren für gleiche oder gleichwirkende Elemente verwendet und nicht notwendigerweise zu jeder Figur erneut beschrieben. Es versteht sich, dass sich die Erfindung nicht auf die dargestellten Ausführungsformen beschränkt und dass die beschriebenen Merkmale auch kombiniert oder modifiziert werden können, ohne den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen, wie er in den angehängten Ansprüchen definiert ist.
Fig. 1 zeigt eine Prinzipskizze eines Head-up-Displays für ein Kraftfahrzeug gemäß dem Stand der Technik. Das Head-up-Display weist eine Anzeigeeinrichtung 1 , eine Optikeinheit 6 und eine Spiegeleinheit 7 auf. Von einem Anzeigepanel 4 der Anzeigeeinrichtung 1 geht ein Strahlenbündel SB1 aus, welches von einem ersten Spiegel 60 auf einen gekrümmten Spiegel 61 reflektiert wird, der es Richtung Spiegeleinheit 7 reflektiert. Die Spiegeleinheit 7 ist hier als Windschutzscheibe 70 eines Kraftfahrzeugs dargestellt. Von dort gelangt das Strahlenbündel SB2 in Richtung eines Auges 8 eines Betrachters.
Der Betrachter sieht ein virtuelles Bild VB, welches sich außerhalb des Kraftfahrzeugs oberhalb der Motorhaube oder sogar vor dem Kraftfahrzeug befindet. Durch das Zusammenwirken von Optikeinheit 6 und Spiegeleinheit 7 ist das virtuelle Bild VB eine vergrößerte Darstellung des vom Anzeigepanel 4 angezeigten Bildes. Hier sind symbolisch eine Geschwindigkeitsbegrenzung, die aktuelle Fahrzeuggeschwindigkeit sowie Navigationsanweisungen dargestellt. So lange sich das Auge 8 innerhalb der durch ein Rechteck angedeuteten Eyebox 9 befindet, sind alle Elemente des virtuellen Bildes VB für das Auge 8 sichtbar. Befindet sich das Auge 8 außerhalb der Eyebox 9, so ist das virtuelle Bild VB für den Betrachter nur noch teilweise oder gar nicht sichtbar. Je größer die Eyebox 9 ist, desto weniger eingeschränkt ist der Betrachter bei der Wahl seiner Sitzposition.
Die Krümmung des gekrümmten Spiegels 61 ist an die Krümmung der Windschutzscheibe 70 angepasst und sorgt dafür, dass die Bildverzeichnung über die gesamte Eyebox 9 stabil ist. Der gekrümmte Spiegel 61 ist mittels einer Lagerung 610 drehbar gelagert. Die dadurch ermöglichte Drehung des gekrümmten Spiegels 61 ermöglicht ein Verschieben der Eyebox 9 und somit eine Anpassung der Position der Eyebox 9 an die Position des Auges 8. Der erste Spiegel 60 dient dazu, dass der vom Strahlenbündel SB1 zurückgelegte Weg zwischen Anzeigepanel 4 und gekrümmtem Spiegel 60 lang ist und gleichzeitig die Optikeinheit 6 dennoch kompakt ausfällt. Die Optikeinheit 6 wird durch eine transparente Abdeckung 10 gegen die Umgebung abgegrenzt. Die optischen Elemente der Optikeinheit 6 sind somit beispielsweise gegen im Innenraum des Fahrzeugs befindlichen Staub geschützt. Ein Blendschutz 11 dient dazu, das über die Grenzfläche der Abdeckung 10 reflektierte Licht sicher zu absorbieren, sodass keine Blendung des Betrachters hervorgerufen wird. Außer dem Sonnenlicht SL kann auch das Licht einer anderen Störlichtquelle 12 auf das Anzeigepanel 4 gelangen.
Fig. 2 zeigt schematisch eine Anzeigeeinrichtung 1 eines Head-up-Displays. Die Anzeigeeinrichtung 1 umfasst eine Beleuchtungseinheit 2 mit einem Lichtquellenarray 20, d.h. einer Anordnung einer Vielzahl von Lichtquellen 21 , deren Licht von einer Vielzahl von Kollimatoren 22 kollimiert wird, die ein Kollimatorarray 23 bilden. Auf dem Weg zum Anzeigepaneel 4 durchläuft das vom Kollimatorarray 23 ausgehende kollimierte Lichtbündel KLB eine Linse 13 sowie einen Diffusor 3. Bei der Linse kann es sich beispielsweise um eine zylindrische Fresnellinse handeln. Der Diffusor 3 kann z.B. als Diffusorfolie ausgestaltet sein. Nach dem Durchlaufen des Anzeigepaneels 4 tritt das Lichtbündel als Strahlenbündel SB1 in die in Fig. 2 nicht dargestellte Optikeinheit ein.
Fig. 3 zeigt schematisch ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Anzeigeeinrichtung 1 eines Head-up-Displays. Die Anzeigeeinrichtung 1 umfasst auch in diesem Fall eine Beleuchtungseinheit 2 mit einem Lichtquellenarray 20 und einem Kollimatorarray 23. Selbstverständlich können anstelle eines Lichtquellenarrays 20 auch andere Arten von Lichtquellen genutzt werden. Auch ist es ausreichend, wenn das resultierende kollimierte Lichtbündel KLB nur näherungsweise kollim iert ist. Auf dem Weg zum Anzeigepaneel 4 durchläuft das kollimierte Lichtbündel KLB wiederum einen Diffusor 3. Der Diffusor 3 wird durch ein Mikrolinsenarray 30 mit einer Vielzahl von Mikrolinsen 31 gebildet. Die Geometrie der Mikrolinsen 31 variiert dabei über die Fläche des Mikrolinsenarrays 30 derart, dass das Mikrolinsenarray 30 zusätzlich zur Diffusorfunktion auch eine übergeordnete Linsenfunktion aufweist. Eine zusätzliche Linse, wie sie in der in Fig. 2 gezeigten Anzeigeeinrichtung 1 benötigt wird, kann daher entfallen. Nach dem Durchlaufen des Anzeigepaneels 4 tritt das Lichtbündel als Strahlenbündel SB1 wie gehabt in die hier nicht dargestellte Optikeinheit ein.
Fig. 4 veranschaulicht das Funktionsprinzip eines Diffusors 3 mit einer rauen Oberfläche 32. Dabei zeigt Fig. 4a) den prinzipiellen Verlauf der Lichtstrahlen, Fig. 4b) die Winkelverteilung der Lichtstrahlen vor der Streuung und Fig. 4c) die Winkelverteilung der Lichtstrahlen nach der Streuung. Das einfallende Licht PL ist näherungsweise parallel. Seine Winkelverteilung ist daher sehr eng. Durch die Brechung der Lichtstrahlen an der rauen Oberfläche 32 beim Übergang vom Diffusor 3 mit dem Brechungsindex n n das umgebende Medium, typischerweise Luft, mit einem Brechungsindex n2, mit n2 < n1, wird die Winkelverteilung deutlich verbreitert. Aufgrund der unregelmäßigen Geometrie der rauen Oberfläche 32 und der damit verbundenen zufälligen Streuung kann die Winkelverteilung des gestreuten Lichts GL beispielsweise die Form einer Gaußkurve aufweisen.
Fig. 5 veranschaulicht das Funktionsprinzip eines Mikrolinsenarrays 30 als Diffusor 3. Dabei zeigt Fig. 5a) den prinzipiellen Verlauf der Lichtstrahlen, Fig. 5b) die Winkelverteilung der Lichtstrahlen vor der Streuung und Fig. 5c) die Winkelverteilung der Lichtstrahlen nach der Streuung. Das einfallende Licht PL ist wiederum näherungsweise parallel. Seine Winkelverteilung ist daher sehr eng. Durch die Brechung der Lichtstrahlen durch die Mikrolinsen 31 des Mikrolinsenarrays 30 beim Übergang vom Diffusor 3 mit dem Brechungsindex n n das umgebende Medium, typischerweise Luft, mit einem Brechungsindex n2, mit n2 < n1, wird die Winkelverteilung auch in diesem Fall deutlich verbreitert. Aufgrund der regelmäßigen Geometrie der Mikrolinsen 31 erfolgt die Streuung aber nicht zufällig, so dass die Winkelverteilung des gestreuten Lichts GL beispielsweise ein Flat-Top Profil aufweisen kann.
Fig. 6 zeigt schematisch einen ersten Bereich eines Diffusors 3 einer erfindungsgemäßen Anzeigeeinrichtung. Zu sehen sind die Mikrolinsen 31 des Mikrolinsenarrays 30 im Zentrum des Diffusors 3. Fig. 7 zeigt schematisch einen zweiten, in Randnähe liegenden Bereich des Diffusors 3. Die Mikrolinsen 31 sind in diesem Beispiel in einem regelmäßigen Raster angeordnet und weisen jeweils eine rechteckige Apertur 33 auf, d.h. die Mikrolinsen 31 haben in Draufsicht jeweils die Form eines Rechtecks. Die globale Linsenfunktion wird dadurch erreicht, dass die Geometrie der Mikrolinsen 31 über die Fläche des Mikrolinsenarrays 30 variiert. Die Mikrolinsen 31 bilden Ausschnitte einer Linse. Dabei variiert die jeweilige Lage des Ausschnitts in Bezug auf ein Zentrum der Linse über die Fläche des Mikrolinsenarrays 30. Im Zentrum des Mikrolinsenarrays 30 kann z.B. bei einer Mikrolinse 31 der Ausschnitt symmetrisch um das Zentrum der Linse liegen, z.B. den Scheitelpunkt, während am Rand des Mikrolinsenarrays 30 der jeweilige Ausschnitt bei den Mikrolinsen 31 relativ zum Zentrum der Linse verschoben ist. Dadurch wird Licht, das durch diese Mikrolinsen 31 fällt, neben der Aufweitung entsprechend der Diffusorfunktion auch eine Ablenkung erfahren, die einer globalen Linse entspricht. Durch eine entsprechende Anpassung der Verschiebung der Ausschnitte der einzelnen Mikrolinsen lässt sich eine fast beliebige globale Linse erzeugen.
Fig. 8 veranschaulicht die Umsetzung von Mikrolinsen 31 eines Mikrolinsenarrays als Ausschnitte 50 einer Linse 5. Bei der Linse 5 handelt es sich im gezeigten Beispiel um eine Kugellinse. Der Einfachheit halber ist lediglich eine zweidimensionale Betrachtung dargestellt. Die Linse 5 weist ein Zentrum 51 auf, z.B. den Scheitelpunkt der Linse 5. Der Ausschnitt 50 der Linse 5, der die Mikrolinse 31 bildet, wird durch einen Aperturquader 52 bestimmt, der die Apertur der Mikrolinse 31 widerspiegelt. Anders ausgedrückt, die Geometrie der Mikrolinse 31 ist bestimmt durch die Überschneidung zwischen der Linse 5 und dem Aperturquader 52. Die Lage des Aperturquaders 52 relativ zum Zentrum 51 der Linse 5 ist abhängig von der Lage der jeweiligen Mikrolinse 31 im Mikrolinsenarray.
Fig. 9 zeigt schematisch ein Fortbewegungsmittel 100, das eine erfindungsgemäße Anzeigeeinrichtung 1 nutzt. Bei dem Fortbewegungsmittel 100 handelt es sich in diesem Beispiel um ein Kraftfahrzeug. Das Kraftfahrzeug weist eine erfindungsgemäße Anzeigeeinrichtung 1 auf, die in diesem Beispiel Bestandteil eines Head-up-Displays ist. Mit einer Sensorik 101 können Daten zur Fahrzeugumgebung erfasst werden. Die Sensorik 101 kann insbesondere Sensoren zur Umfelderkennung umfassen, z.B. Ultraschallsensoren, Laserscanner, Radarsensoren, Lidarsensoren oder Kameras. Die von der Sensorik 101 erfassten Informationen können genutzt werden, um anzuzeigende Inhalte für die Anzeigeeinrichtung 1 zu generieren. Weitere Bestandteile des Kraftfahrzeugs sind in diesem Beispiel ein Navigationssystem 102, durch das Positionsinformationen bereitgestellt werden können, sowie eine Datenübertragungseinheit 103. Mittels der Datenübertragungseinheit 103 kann z.B. eine Verbindung zu einem Backend aufgebaut werden, beispielsweise um aktualisierte Software für Komponenten des Kraftfahrzeugs zu beziehen. Zur Speicherung von Daten ist ein Speicher 104 vorhanden. Der Datenaustausch zwischen den verschiedenen Komponenten des Kraftfahrzeugs erfolgt über ein Netzwerk 105.
Bezugszeichenliste
1 Anzeigeeinrichtung
2 Beleuchtungseinheit
20 Lichtquellenarray
21 Lichtquelle
22 Kollimator
23 Kollimatorarray
3 Diffusor
30 Mikrolinsenarray
31 Mikrolinse
32 Oberfläche
33 Apertur
4 Anzeigepaneel
5 Linse
50 Ausschnitt
51 Zentrum
52 Aperturquader
6 Optikeinheit
60 Erster Spiegel
61 Gekrümmter Spiegel
610 Lagerung
7 Spiegeleinheit
70 Windschutzscheibe
8 Auge
9 Eyebox
10 Abdeckung
11 Blendschutz
12 Störlichtquelle
13 Linse
100 Fortbewegungsmittel 101 Sensorik
102 Navigationssystem
103 Datenübertragungseinheit
104 Speicher 105 Netzwerk
GL Gestreutes Licht
KLB Kollimiertes Lichtbündel
PL Paralleles Licht
SB1 Strahlenbündel SB2 Strahlenbündel
SL Sonnenlicht
VB Virtuelles Bild

Claims

Patentansprüche
1. Anzeigeeinrichtung (1 ) mit einer Beleuchtungseinheit (2), einem Diffusor (3) und einem Anzeigepaneel (4), wobei der Diffusor (3) ein Mikrolinsenarray (30) mit einer Vielzahl von Mikrolinsen (31 ) aufweist, und wobei die Mikrolinsen (31 ) Ausschnitte (50) einer Linse (5) sind und die Geometrie der Mikrolinsen (31 ) über die Fläche des Mikrolinsenarrays (30) derart variiert, dass das Mikrolinsenarray
(30) eine Diffusorfunktion und eine übergeordnete Linsenfunktion aufweist, indem die jeweilige Lage des Ausschnitts (50) in Bezug auf ein Zentrum (51 ) der Linse (5) über die Fläche des Mikrolinsenarrays (30) variiert.
2. Anzeigeeinrichtung (1 ) gemäß Anspruch 1 , wobei die Linse (5) eine Kugellinse ist.
3. Anzeigeeinrichtung (1 ) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Mikrolinsen
(31 ) in einem regelmäßigen Raster angeordnet sind.
4. Anzeigeeinrichtung (1 ) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Mikrolinsen (31 ) eine rechteckige Apertur (33) aufweisen.
5. Anzeigeeinrichtung (1 ) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Mikrolinsenarray (30) die Funktion einer Zylinderlinse hat.
6. Anzeigeeinrichtung (1 ) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Anzeigeeinrichtung (1 ) Bestandteil eines Head-up-Displays ist.
7. Anzeigeeinrichtung (1 ) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Beleuchtungseinheit (2) kollimiertes Licht bereitstellt.
8. Anzeigeeinrichtung (1 ) gemäß Anspruch 7, wobei die Beleuchtungseinheit (2) ein Lichtquellenarray (20) und ein Kollimatorarray (23) aufweist.
9. Fortbewegungsmittel (100) mit einer Anzeigevorrichtung (1 ) gemäß einem der vorherigen Ansprüche.
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