Beschreibung
Vorrichtung zur Darstellung von optischen Informationen mittels eines virtuellen Bildes, insbesondere in einem Kraft- fahrzeug
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Darstellung von optischen Informationen mittels eines virtuellen Bildes, insbesondere in einem Kraftfahrzeug. Aus dem Stand der Technik sind derartige Vorrichtungen bekannt, wobei die optischen Informationen in Form von Lichtstrahlen von einer Bilderzeugungseinrichtung über mindestens eine Spiegelfläche als virtuelles Bild vor, hinter oder in einer Windschutzscheibe wahrnehmbar sind, wobei die Lichtstrahlen einen Strahlengang ergeben. Die Bilderzeugungseinrichtung kann beispielsweise aus einer Elektronenrohre, einem Flussigkristalldisplay (LCD) mit einer dazugehörigen Lichtquelle oder aus organischen Leuchtdioden (OLED) bestehen. Um sowohl die Bildgeometrie als auch die für das Auge richtigen Parameter, wie Astigmathis- mus, Di sparity und Coma kompensieren zu können, wird im Stand der Technik ein optisches System mit mehreren, räumlich angeordneten Spiegeln mit Freiformoberflachen verwendet. Der oder die Spiegel müssen den Einfluss der Scheibenkrummung von der Windschutzscheibe auf das Bild so korrigieren, dass der Fah- rer ein unverzerrtes Bild wahrnehmen kann. Weiterhin vergrößern der oder die Spiegel das Bild der Bilderzeugungseinrichtung. Da die Windschutzscheibenkonturen üblicherweise komplexe, nicht symmetrische Oberflächen mit variablen Krümmungen aufweisen, und deswegen auch als Freiformflachen bezeichnet werden, müssen auch die Oberflächen des oder der Spiegel als Freiformflachen ausgeführt sein. Nachteilig bei den derzeit bekannten Vorrichtungen ist es, dass sie einen großen Bauraum benotigen, der bei Verwendung der Vorrichtung als Head-up-
Display in einem Kraftfahrzeug nur bedingt zur Verf gung steht, da die Vorrichtung vorzugsweise im Cockpit angeordnet wird und das Cockpit sehr viele Funktionselemente des Kraftfahrzeuges, wie herkömmliche Instrumentierungen, Bauraum f r die Bordelektronik und Raum für Beluftungskanale, zur Verf gung stellen muss.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zur Darstellung von optischen Informationen mittels eines virtuellen Bildes, insbesondere vor, hinter oder auf einer Flache, insbesondere der Windschutzscheibe eines Kraftfahrzeuges anzugeben, die gegenüber den bekannten Head-up-Displays mit Spiegeloptik einen geringeren Volumenbedarf aufweist. Dies wird dadurch erreicht, dass im Strahlengang nach der Bilder- zeugungseinrichtung und vor der Spiegelflache ein refraktives Element angeordnet ist, und die Lichtstrahlen der Bilderzeugungseinrichtung von dem refraktiven Element zur Spiegelflache gelangen, und von der Spiegelfl che in das refraktive E- lement zurückgespiegelt werden und von dort direkt oder über weitere optische Elemente auf die Flache, insbesondere die Windschutzscheibe, gelangen. Das refraktive optische Element kann aus einem Glas oder einem Licht leitenden Kunststoff hergestellt sein. Das refraktive Element erzeugt auf Grund seines Brechungsindexes und der zusatzlichen aktiven Glas- bzw. Kunststoffflache zusatzliche Freiheitsgrade bei der Optikoptimierung und eine Reduzierung der wirksamen optischen Weglange. Dadurch lasst sich der benotigte Bauraum bei gleicher optischer Leistung deutlich minimieren.
Der Bauraum lasst sich weiter reduzieren, wenn die Spiegelflache auf dem refraktiven Element angeordnet ist. Sofern das refraktive Element auf mindestens einer Seite von der Spiegelflache begrenzt wird, ist der Aufbau noch kompakter und
die Lage zwischen dem refraktiven Element und der Spiegelfläche eindeutig festgelegt. Eine weitere Reduzierung der optisch wirksamen Weglänge kann dadurch erreicht werden, dass im Strahlengang vor und/oder hinter dem refraktiven Element ein oder mehrere lichtleitende Bauteile angeordnet sind, die jeweils ein optisch dichteres Medium als Luft besitzen. Sofern im Strahlengang eine weitere Spiegelflache vorhanden ist und ein oder mehrere lichtleitende Bauteile mit einem oder mehreren optisch dichteren Medien als Luft zwischen den Spie- gelflächen angeordnet sind, kann die optisch wirksame Weglänge des Strahlenganges weiter verkürzt werden.
Sofern der Strahlengang zwischen zwei Spiegelflächen voll- standig mit optisch dichteren Medien als Luft ausgestaltet ist, wird zusatzlich die Lage dieser Spiegelflachen zueinander eindeutig festgelegt.
Dadurch, dass im Strahlengang ein Diffractive Optical Element oder Holographie Optical Element angeordnet ist, können auf vergleichsweise einfache Weise chromatische Fehler der refraktiven Elemente korrigiert werden. Diese Diffractive Op- ticla Elements (DOE) oder Holographie Optical Elements (HOE) weisen ein geringes Bauvolumen auf und können in Form ebener Scheiben oder auch auf gekrümmten Flächen angeordnet werden. Besonders vorteilhaft wird das Diffractive Optical Element oder das Holographie Optical Element im Strahlengang direkt vor dem refraktiven Element angeordnet, idealer Weise direkt auf dem refraktiven Element. Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren naher beschrieben. Es zeigen:
Figur 1 ein aus dem Stand der Technik bekanntes Head-up- Display;
Figur 2 ein erfindungsgemaßes Head-up-Display in einer ersten Ausführungsform;
Figur 3 den Ausschnitt A aus Figur 2;
Figur 4 ein erfindungsgemaßes Head-up-Display in einer zweiten Ausfuhrungsform;
Figur 5 ein erfindungsgemaßes Head-up-Display in einer dritten Ausfuhrungsform.
In Figur 1 erkennt man eine Bilderzeugungseinrichtung 1 bestehend aus einer Lichtquelle 2, und einem LCD 3, das von der Lichtquelle 2 durchstrahlt wird. Lichtstrahlen LS gelangen von dem LCD 3 auf einen Spiegel 4, werden von dem Spiegel 4 zu einem Spiegel 5 reflektiert, der die Lichtstrahlen zu einem Spiegel 6 reflektiert und dieser wiederum die Lichtstrahlen LS gegen eine Windschutzscheibe WS strahlt. Ein Autofahrer, dessen Auge mit E bezeichnet ist, kann ein virtuelles Bild P hinter der Windschutzscheibe WS wahrnehmen. Die vorbeschriebenen Bauteile 1 bis 6 sind in einem Cockpit C montiert, welches eine Lichtaustrittsoffnung 0 aufweist.
Die er indungsgemaße Vorrichtung in der beispielhaften Aus- fuhrungsform eines Head-up-Displays weist in Figur 2 die Bilderzeugungseinrichtung 1 aus Figur 1, bestehend aus der Lichtquelle 2 und der LCD 3, auf. Ein refraktives optisches Element 7 ist auf einer Seite mit einer Spiegelflache 8 versehen. Auf der der Spiegelflache 8 gegenüberliegenden Seite ist ein Diffractive Optical Element 9 angeordnet. Weiterhin weist das Head-up-Display den Spiegel 6 mit Spiegelflache 6a auf. Die in der Bilderzeugungseinrichtung 1 erzeugten Lichtstrahlen LS durchdringen das Diffractive Optical Element 9,
das refraktive optische Element 7 und werden von der Spiegelfläche 8a in das refraktive optische Element 7 zurückgespiegelt und verlassen das refraktive optische Element 7 durch das Diffractive Optical Element 9 in Richtung des Spiegels 6 mit Spiegelfläche 6a, von der sie dann auf die Windschutzscheibe WS reflektiert werden, so dass ein Autofahrer mit seinem Auge E ein virtuelles Bild P außerhalb der Windschutzscheibe WS wahrnehmen kann.
In Figur 3 erkennt man das refraktive optische Element 7, auf dessen einen Seite die Spiegelfläche 8 angebracht ist. Auf der der Spiegelfläche 8 gegenüberliegenden Seite des refraktiven optischen Elementes 7 ist das Diffractive Optical Element 9 oder ein Holographie Optical Element (HOE) angeordnet. Das refraktive optische Element 7 bildet mit der Spiegelfläche 8 einen sogenannten catadioptrischen Spiegel, im vorliegenden Ausführungsbeispiel in der Art eines Mangin Reflektors. Das Diffractive Optical Element 9 korrigiert chromatische Fehler des refraktiven optischen Elementes 7. Ein Licht- strahl LS wird bei Eintritt in das refraktive optische Element 7 erstmals gebrochen, dann an der Spiegelfläche 8 reflektiert und beim Austritt nochmals gebrochen.
Figur 4 unterscheidet sich von Figur 2 darin, dass ein refraktives optisches Element 7a zwischen Spiegelflächen 8a und 8b angeordnet ist und zusätzlich im Strahlengang, der durch die Lichtstrahlen LS gebildet wird, in Richtung der Bilderzeugungseinrichtung 1 weitergeführt ist und dort mit einer aktiven Glasfläche 7c in Richtung der Bilderzeugungs- einrichtung 1 abgeschlossen ist. Das Material des refraktiven optischen Elementes 7a kann aus einem Glas- oder einem Licht leitendem Kunststoff bestehen. Durch Verwendung des optisch dichteren Mediums als Luft des refraktiven optischen Elemen-
tes 7a zwischen den Spiegelflächen 8a und 8b und in dem Strahlengang zwischen der Spiegelfläche 8a der Bilderzeugungseinrichtung 1 wird die optisch wirksame Weglänge vergrößert, so dass insgesamt das Bauvolumen des Head-up-Displays weiter verringert werden kann.
Das dritte Ausführungsbeispiel in Figur 5 ist teilweise eine Kombination der Ausführungsbeispiele aus Figur 2 und 4. Das refraktive optische Element 7 weist eine Spiegelfläche 8 und ein Diffractive Optical Element 9 auf. Vor dem Diffractive Optical Element 9 ist ein refraktives optisches Element 7b angeordnet, das in etwa die Abmessungen des refraktiven optischen Elementes 7a aufweist. Im Gegensatz zum refraktiven optischen Element 7a sind direkt an dem refraktiven optischen Element 7b keine Spiegelflächen angebracht. Die Lichtstrahlen LS, die von der Bilderzeugungseinrichtung 1 ausgesandt werden, durchdringen zunächst das refraktive optische Element 7b, das Diffractive Optical Element 9, das refraktive optische Element 7 und werden von der Spiegelfläche 8 durch das refraktive optische Element 7, das Diffractive Optical Element 9 durch das refraktive optische Element 7b in Richtung des Spiegels 6 reflektiert. Zwischen dem Ende des refraktiven optischen Elementes 7b in Form einer optisch aktiven Glasfläche 7d und dem Spiegel 6 befindet sich Luft. So kann durch die unterschiedlichen Gestaltungen der aktiven Glasfläche 7d und dem Spiegel 6 eine zusätzlich gewünschte oder erforderliche Anpassung des Strahlenganges erfolgen. Es ist beispielsweise auch möglich, anstelle der Spiegelfläche 8 einen im Abstand zum refraktiven optischen Element 7 angeordneten Spie- gel vorzusehen. Es ist auch möglich, das refraktive optische Element 7b aus mehreren Einzelteilen mit verschiedenen optischen Brechungsindices zusammenzusetzen, um so den Strahlengang entsprechend anzupassen.
Die Erfindung ist nicht nur bei den vorbeschriebenen Head-up- Displays anwendbar. Es ist beispielsweise auch möglich, mittels der erfindungsgemäßen Lehre auch sonstige Projektionsgeräte kompakt zu realisieren. Als Material für die refraktiven optischen Elemente 7, 7a, 7b können Glassorten oder Kunststoff mit guten Licht leitenden Eigenschaften verwendet werden. Anstelle der Spiegelflächen 8, 8a, 8b können auch diskret aufgebaute Spiegel mit entsprechenden Spiegelflächen verwendet werden. Dies bedingt jedoch im Allgemeinen einen etwas erhöhten Bauraumbedarf und erfordert zusätzliche Montagetätigkeiten .