WO2006042814A1 - Vorrichtung zur darstellung von optischen informationen mittels eines virtuellen bildes, insbesondere in einem kraftfahrzeug - Google Patents

Vorrichtung zur darstellung von optischen informationen mittels eines virtuellen bildes, insbesondere in einem kraftfahrzeug Download PDF

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Definitions

  • the equalization can be realized particularly simply by arranging a second, defractive optical element in the beam path after a first diffractive optical element. Even if this second defractive optical element is changeable in its position, the degree of influenceability is even greater.
  • a simple structure is given in a device in which the two defractive optical elements are angeord ⁇ net in planes, which are parallel to each other. If the two optically displaceable elements are displaceable in different directions, the possible adaptation to occurring tolerances is further simplified.
  • FIG. 1 shows the section through a first embodiment of a device according to the invention
  • the exemplary embodiment of a diffractive optical element in FIG. 6 has in plan view grid lines which separate individual segments of the diffractive optical element 4a from one another. It will further be appreciated that the diffractive optical element 4a is not purely constructed rectangular but ent ⁇ speaking the curvature of a windshield, for which the diffractive optical Element4 to be used, is adjusted.

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Abstract

Bei einer Vorrichtung zur Darstellung von optischen Informationen mittels eines virtuellen Bildes (P), insbesondere in einem Kraftfahrzeug, wobei die optische Information in Form von Lichtstrahlen von einer Bilderzeugungseinrichtung (1) über mindestens ein optisches Element auf eine Fläche gelangen und das virtuelle Bild vor, hinter oder in der Fläche wahrnehmbar ist, wobei die Lichtstrahlen einen Strahlengang ergeben, ist vorgesehen, dass im Strahlengang zwischen der Bilderzeugungseinrichtung (1, 2, 3) und der Fläche (WS) ein Strahlen beeinflussendes optisches Element (4) angeordnet ist, und dass das Strahlen beeinflussende optische Element (4) in seiner Lage mittels einer Verstelleinrichtung (5) veränderbar angeordnet ist.

Description

Beschreibung
Beschreibung
Vorrichtung zur Darstellung von optischen Informationen mit¬ tels eines virtuellen Bildes, insbesondere in einem Kraft¬ fahrzeug
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Darstellung von optischen Informationen mittels eines virtuellen Bildes, ins¬ besondere in einem Kraftfahrzeug. Aus dem Stand der Technik sind derartige Vorrichtungen bekannt, wobei die optischen In¬ formationen in Form von Lichtstrahlen von einer Bilderzeu¬ gungseinrichtung über mindestens eine Spiegelfläche als vir- tuelles Bild vor, hinter oder in einer Windschutzscheibe wahrnehmbar sind, wobei die Lichtstrahlen einen Strahlengang ergeben. Die Bilderzeugungseinrichtung kann beispielsweise aus einer Elektronenröhre, einem Flüssigkristalldisplay (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, Disparity und Coma kompensieren zu können, wird im Stand der Technik ein optisches System mit mehreren, räumlich ange¬ ordneten Spiegeln mit Freiformoberflächen verwendet. Der oder die Spiegel müssen den Einfluss der Scheibenkrümmung von der Windschutzscheibe auf das Bild so korrigieren, dass der Fah¬ rer ein unverzerrtes Bild wahrnehmen kann. Weiterhin vergrö¬ ßern der oder die Spiegel das Bild der Bilderzeugungseinrich¬ tung. Da die Windschutzscheibenkonturen üblicherweise komple- xe, nicht symmetrische Oberflächen mit variablen Krümmungen aufweisen, und deswegen auch als Freiformflächen bezeichnet werden, müssen auch die Oberflächen des oder der Spiegel als Freiformflächen ausgeführt sein. Nachteilig bei den derzeit bekannten Vorrichtungen ist es, dass sie einen großen Bauraum benötigen, der bei Verwendung der Vorrichtung als Head-up- Display in einem Kraftfahrzeug nur bedingt zur Verfügung steht, da die Vorrichtung vorzugsweise im Cockpit angeordnet wird und das Cockpit sehr viele Funktionselemente des Kraft¬ fahrzeuges, wie herkömmliche Instrumentierungen, Bauraum für die Bordelektronik und Raum für Belüftungskanäle, zur Verfü¬ gung stellen muss.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zur Dar¬ stellung von optischen Informationen mittels eines virtuellen Bildes, insbesondere vor, hinter oder auf einer Fläche, ins¬ besondere der Windschutzscheibe eines Kraftfahrzeuges an¬ zugeben, 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 Fläche ein den Strahlengang beeinflussendes optisches Element (SOE) angeordnet ist, und dass das den Strahlengang beeinflussende optische Element in seiner Lage veränderbar angeordnet ist. Hierdurch wird ein besonders kompakter Aufbau des Head-up-Displays erreicht. Vorteilhaft ist hierbei weiterhin, dass Toleranzen, Toleran¬ zen der Windschutzscheibe und Toleranzen des Verbaus der Windschutzscheibe im Fahrzeug ausgeglichen werden können und so mit einfachen Mitteln ein unverzerrtes Bild wahrnehmbar ist. Besonders einfach gestaltet sich die Lageveränderbarkeit des Strahlengang beeinflussenden optischen Elementes, wenn das in seiner Lage verschiebbar angeordnet ist.
Durch eine Verdrehbarkeit des denStrahlengang beeinflussenden optischen Elementes sind zusätzliche Freiheitsgrade reali¬ sierbar. Beim Einsatz eines defraktiven optischen Elementes als den Strahlengang beeinflussendes optisches Element können Verzerrungen besonders gut beseitigt werden, und die Reali¬ sierung der Lageveränderbarkeit ist durch das geringe Gewicht des defraktiven optischen Elementes besonders leicht reali¬ sierbar.
Die Entzerrung ist besonders einfach dadurch realisierbar, dass im Strahlengang nach einem ersten defraktiven optischen Element ein zweites defraktives optisches Element angeordnet ist. Wenn auch dieses zweite defraktive optische Element in seiner Lage veränderbar ist, ist der Grad der Beeinflussbar- keit noch größer. Insbesondere bei einer Vorrichtung, bei der die beiden defraktiven optischen Elemente in Ebenen angeord¬ net sind, die parallel zueinander verschoben sind, ist ein einfacher Aufbau gegeben. Wenn die beiden defraktiven opti- sehen Element in verschiedene Richtungen verschiebbar sind, wird die mögliche Anpassung an auftretende Toleranzen weiter vereinfacht.
Es ist auch möglich, anstelle des defraktiven optischen EIe- mentes oder zusätzlich zu dem defraktiven optischen Element als Strahlengang beeinflussendes optisches Element ein karda- dioptrisches Element vorzusehen.
Sofern im Strahlengang zwischen der Bilderzeugungseinrichtung und der Fläche ein oder mehrere zusätzliche Spiegel angeord¬ net sind, kann der Strahlengang zu einem gefaltet und somit eine kompakte Vorrichtung erreicht werden und zum zweiten bei einer asphärischen Ausgestaltung eines oder mehrerer der Spiegel die Anpassung an die Windschutzscheibe weiterhin ver- bessert werden.
Durch zusätzliche defraktive optische Elemente kann der Strahlengang weiter verkürzt werden und ein noch kompakterer Aufbau realisiert werden. In bestimmten Ausführungsfällen kann es ausreichend sein, zwischen der Bilderzeugungseinrich¬ tung und der Fläche als wirksames optisches Mittel nur ein defraktives optisches Element anzuordnen. So kann eine sehr einfach und kompakt aufgebaute erfindungsgemäße Vorrichtung realisiert werden. Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren näher beschrieben. Es zeigen:
Figur 1 den Schnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
Figur 2 den Schnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
Figur 3 ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsge¬ mäßen Vorrichtung,
Figur 4 ein viertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsge¬ mäßen Vorrichtung,
Figur 5 ein fünftes Ausführungsbeispiel einer erfindungsge¬ mäßen Vorrichtung
Figur 6 die Aufsicht auf ein defraktives optisches Element,
Figur 7 einen Teilschnitt A aus Figur 5,
Figur 8 die Aufsicht auf ein zweites defraktives optisches Element.
In Figur 1 erkennt man eine Bilderzeugungseinrichtung 1 be¬ stehend aus einem Flüssigkristalldisplay 2 und einer Licht¬ quelle 3, ein defraktives optisches Element 4, eine Wind¬ schutzscheibe WS, ein imaginäres Bild P und ein Auge E eines Beobachters. Das LCD 2 wird von Lichtstrahlen der Lichtquelle 3 durchstrahlt. Diese Strahlen S durchdringen das defraktive optische Element 4 und werden von der Windschutzscheibe WS zu dem Auge E eines Beobachters reflektiert, so dass dieser das virtuelle Bild P außerhalb der Windschutzscheibe wahrnehmen kann. Das defraktive optische Element 4 ist in seiner Höhe und Breitenausdehnung verstellbar angeordnet, wie durch Pfei¬ le A angedeutet. Durch diese Verstellbarkeit des defraktiven optischen Elementes kann eine unverzerrte Darstellung des virtuellen Bildes P erreicht werden.
In Figur 2 ist zusätzlich der den aus Figur 1 bekannten Ele¬ mente eine Verstelleinrichtung 5 und ein zweites defraktives optisches Element 4 angeordnet. Das defraktive optische EIe- ment 4 ist durch die Verstelleinrichtung 5 verstellbar ange¬ ordnet. Das zweite defraktive optische Element 4 weitet die Strahlen S noch weiter aus, so dass das virtuelle Bild P dem Beobachter mit dem Auge E noch größer erscheint.
In Figur 3 erkennt man neben einer Bilderzeugungseinrichtung 1 und einem defraktiven optischen Element 4 einen Spiegel 7 und einen asphärischen Spiegel 8. Die in der Bilderzeugungs¬ einrichtung 1 erzeugten Lichtstrahlen gelangen durch das defraktive optische Element 4 und den Spiegel 7 und den asphärischen Spiegel 8 auf die Windschutzscheibe. Durch die
Verstellbarkeit des defraktiven optischen Elementes 4 ist ein Ausgleich der Toleranzen der Windschutzscheibe WS möglich.
In Figur 4 erkennt man neben der Lichtquelle 1 zwei überein- ander angeordnete defraktive optische Elemente 4a, 4b, einen Spiegel 7, einen asphärischen Spiegel 8 und die Windschutz¬ scheibe WS. Die beiden defraktiven optischen Elemente 4a, 4b sind übereinander angeordnet, wobei die Ebenen in ihrer La- gerung parallel verschoben sind. Die beiden defraktiven opti¬ schen Elemente 4a, 4b sind in verschiedene Richtungen ver¬ stellbar, wie durch die Pfeile A dargestellt wird. Durch eine Verschiebbarkeit in verschiedene Richtungen wird eine beson- ders optimale Anpassung an die Windschutzscheibe WS erreicht.
In Figur 5 ist neben den in Figur 4 bekannten Elementen eine Linse 9 angeordnet, die im Strahlengang zwischen dem defrak¬ tiven optischen Element 4 und dem Spiegel 7 angeordnet ist. Durch die Linse 9 sind eine Verkürzung und eine zusätzliche optische Anpassung an die Geometrie der Windschutzscheibe möglich.
Das Ausführungsbeispiel eines defraktiven optischen Elementes in Figur 6 weist in Aufsicht Gitterlinien auf, die einzelne Segmente des defraktiven optischen Elementes 4a voneinander trennen. Man erkennt weiterhin, dass das defraktive optische Element 4a nicht rein rechteckig aufgebaut ist, sondern ent¬ sprechend der Wölbung einer Windschutzscheibe, für die das defraktive optische Element4 verwendet werden soll, angepasst ist.
Ein Teilschnitt A aus Figur 6 zeigt Figur 7. Das defraktive optische Element 4a ist in Art einer Fresnel-Linse aufgebaut, wobei der asymmetrische Aufbau die asphärische Gestalt der Windschutzscheibe WS zumindest teilweise kompensiert.
Figur 8 zeigt die Aufsicht auf das zweite defraktive optische Element 4b. Man erkennt auch hier, dass das defraktive opti- sehe Element 4b nicht rein rechteckig aufgebaut ist, um die Wölbung der Windschutzscheibe optimal ausgleichen zu können. Eine Ausführung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit zwei gegeneinander verschiebbar angeordneten defraktiven optischen Elementen ist auch bei Vorrichtungen ohne asphärische Spie¬ gelelemente von Vorteil. So kann beispielsweise auch das defraktive optische Element 6 in Figur 2 verstellbar ausges¬ taltet sein.
Anstelle eines LCDs kann für die Bilderzeugungseinrichtung 1 auch beispielsweise eine Elektronenstrahlröhre oder eine An- Ordnung von organischen Leuchtdioden oder sonstigen Leuchtdi¬ oden verwendet werden. Weiterhin kann anstelle der Spiegel 7 und 8 der Ausführungsbeispiele in Figur 3 und 4 ein kardadi- optrischer Spiegel verwendet werden, bei dem im Strahlengang vor der Spiegelfläche ein anderes optisches Medium als Luft, beispielsweise Glas oder ein lichtleitender Grundstoff, ange¬ ordnet ist. Schließlich kann anstelle des defraktiven opti¬ schen Elementes 4 ein kardadioptrischer Spiegel im Strahlen¬ gang verstellbar angeordnet sein.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Darstellung von optischen Informationen mittels eines virtuellen Bildes, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, wobei die optische Information in Form von Lichtstrahlen von einer Bilderzeugungseinrichtung über mindestens ein optisches Element auf eine Fläche gelangen und das virtuelle Bild vor, hinter oder in der Fläche wahrnehmbar ist, wobei die Lichtstrahlen einen Strahlengang ergeben, d a d u r c h g e k e n n ¬ z e i c h n e t , dass im Strahlengang zwischen der Bil¬ derzeugungseinrichtung (1, 2, 3) und der Fläche (WS) ein Strahlen beeinflussendes optisches Element (4) angeord¬ net ist, und dass das Strahlen beeinflussende optische Element (4) in seiner Lage mittels einer Verstellein¬ richtung (5) veränderbar angeordnet ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e ¬ k e n n z e i c h n e t , dass das Strahlengang beein- flussende optische Element in seiner Lage verschiebbar angeordnet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Strahlengang beein- flussende optische Element in seiner Lage verdrehbar ist.
4. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Strahlengang beeinflussende Element als defraktives op¬ tisches Element (4, 4a, 4b) ausgestaltet ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, d a d u r c h g e ¬ k e n n z e i c h n e t , dass ein zweites defraktives optisches Element (4b) über dem defraktiven Element (4a) angeordnet ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, d a d u r c h g e ¬ k e n n z e i c h n e t , dass die Ebenen, in denen die defraktiven optischen Elemente (4a, 4b) angeordnet sind, parallel zueinander verschoben sind.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die defraktiven opti¬ schen Elemente (4a, 4b) in verschiedene Richtungen ver¬ schiebbar sind.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a ¬ d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Strah¬ lengang beeinflussende optische Element als kardadi- optrisches Element ausgestaltet ist.
9. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass im Strahlengang zwischen der Bilderzeugungseinrichtung (1, 2, 3) und der Fläche (WS) ein Spiegel (7, 8) angeordnet ist.
10. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass zwischen der Bilderzeugungseinrichtung (1, 2, 3) und der Fläche (WS) ein kardadioptrisches Element angeordnet ist.
11. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass im Strahlengang zwischen der Bilderzeugungseinrichtung (1, 2, 3) und der Fläche (WS) ein weiteres defraktives opti¬ sches Element angeordnet ist.
12. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass im Strahlengang zwischen der Bilderzeugungseinrichtung (1, 2, 3) und der Fläche (WS) eine Linse oder ein Linsenseg¬ ment angeordnet ist.
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