WO2018095935A1 - Head-up-display - Google Patents

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WO2018095935A1
WO2018095935A1 PCT/EP2017/079984 EP2017079984W WO2018095935A1 WO 2018095935 A1 WO2018095935 A1 WO 2018095935A1 EP 2017079984 W EP2017079984 W EP 2017079984W WO 2018095935 A1 WO2018095935 A1 WO 2018095935A1
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head
deflection
display unit
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PCT/EP2017/079984
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Wolff VON SPIEGEL
Rudolf Mitsch
Daniel Krueger
Ulf Stabenow
Dirk BRÖMME-JÁRTIMOVÁ
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Continental Automotive Gmbh
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    • G02B2027/0187—Display position adjusting means not related to the information to be displayed slaved to motion of at least a part of the body of the user, e.g. head, eye

Definitions

  • the present invention relates to a head-up display for a vehicle.
  • information for the driver or another observer is projected on the windshield mirrored in the eye.
  • a head-up display is known with a display unit for generating different images for different viewing angles, with a deflection ⁇ unit for deflecting the emanating from the different images of the display unit light beams in different viewing angles, and with a Mirror unit for superimposing the light beams emanating from the display with other light beams.
  • the known head-up display has a grid of lens elements, a so-called microlens array, which is arranged between the display unit and a mirror unit designed as a windshield. This
  • Head-Up Display works according to the so-called "Integral Imaging Principle".
  • a disadvantage of the known solution is to be considered that on the grid of lens elements in sunlight reflections occur that can not be so far suppressed by conventional antireflection measures that they do not visibly affect the virtual image.
  • the "Integral Imaging Principle” requires a very high number of pixels and pixel density of the electro-optical imager, the display unit, for the desired performance of a head-up display.
  • a lighting unit with a time-varying beam angle instead of a grid of lens elements, a lighting unit with a time-varying beam angle is provided.
  • the display unit is adapted to generate the un ⁇ ter Kunststofflichen images successively in time, and the deflector is adapted to deflect the light beams sequentially in time at different viewing angles.
  • This has the advantage that no microlens array is obtained. is necessary, which could cause disturbing reflections of the ambient light. Particularly disturbing are the reflections caused by the uneven surface of the microlenses.
  • a further advantage is that a lower number sufficient pixels on the display unit, whereby a cost-Ad can find ⁇ geech use. Nevertheless, a high spatial resolution is achieved, four times the resolution is achieved by time division multiplexing, for example, at four different union under ⁇ viewing angles.
  • each pixel is then used for each viewing angle.
  • the fourfold resolution is achieved.
  • one quarter of the pixels are sufficient if the resolution remains the same.
  • 1/9 or 1/16 of the number of pixels is sufficient.
  • a fourfold resolution so be 9.4 ⁇ relationship as 4/16 the number of pixels are needed.
  • a smaller number of pixels is sufficient, namely 4/9 or 1/4 of the number of pixels required when using microlenses.
  • the required higher exchange rate of the images is rich on the display unit and the exchange rate of the deflector in ⁇ play, 100 Hz or 400 Hz instead of 25 Hz can, with today available to such technology without much effort ER.
  • the display unit is preferably a self-luminous display ⁇ , one by radiant display or generally a display with a matrix structure for representing consisting of many pixels images.
  • the deflection unit is for example a so-called “digital micromirror device”, also called DMD, which is arranged in the beam path after the self-luminous display, with translucent display after the light source and before or after the translucent display.
  • the deflection unit can also function as so-called "Spatial Light modu lator ⁇ ", also referred to as SLM, may be formed, for example as liquid crystal element, the individual cells form a switchable to different degrees and inclined differently oriented prism structure.
  • the deflection unit can also be used as be formed holographic element.
  • the mirror unit is the windshield of the vehicle or a so-called combiner, a transparent pane arranged in front of the windshield, which reflects the light beams coming from the display unit in the direction of the driver - or in general towards the viewer.
  • the display unit is irradiated by a light source, and the deflection unit is arranged between the light source and the display unit.
  • the light source and deflection unit are formed as one unit.
  • both the deflection unit and the light source alone, or both, may be designed in combination so that the desired emission beam angles are achieved.
  • a light source which is designed to generate light which is emitted in temporal succession at different emission angles is also within the scope of the invention.
  • the lighting elements are advantageously juxtaposed LED elements. These are tested and available at low cost. But other light sources arranged in matrix form can also be usefully used here. Depending on which luminous element of the matrix structure is switched on, the light generated thereby leaves the deflection unit with a different emission angle.
  • the deflection ⁇ unit is in the simplest case, a fixed lens covering the entire matrix of lighting elements.
  • the deflection unit is a microlens matrix.
  • the microlens element one lens covers more than one Luminous elements of the matrix structure, depending on the desired beam angle, that light element of the field is switched on ⁇ , which corresponds to the corresponding beam angle.
  • ⁇ a plurality of uniformly distributed over the matrix structure light elements are each turned on simultaneously. This has the advantage that the waste heat arising during operation of the luminous elements is distributed uniformly over the light source. This advantageously contributes to stable operation and long life.
  • the microlens array has nested prism elements. This has the advantage that with each prism element a larger area with a constant deflection angle is present than with pure lens elements. As a result, the lighting elements can also be larger in area without causing excessive deflection of the deflection angle. It comes with a smaller number of lighting elements, the display ⁇ geelement is cheaper and less Ansteu- lines for the lighting elements needed, the structure of the circuit is easier.
  • light elements light sources with sufficiently directed Ab ⁇ beam characteristic are preferably used here. For example, laser diodes have such directional characteristics.
  • prism elements which have a simple construction, it is also possible to use other optical elements, such as lenses, which are disassembled into elements and which are arranged alternately with elements of adjacent optical elements.
  • a head-up display has a position sensor which detects the head or eye position of the vehicle driver or another observer.
  • the corresponding position signal is sent to a control unit which calculates the for the corresponding position he ⁇ ford variable viewing angle. For this Be ⁇ trachtungswinkel images are generated and forwarded to the display unit. Also, the deflection directs only in this
  • the position sensor is an eye position detector. Since the position of the eyes is detected, the deflection angles to be set and the images to be generated can be determined more accurately than at
  • Head position detection The probability of irritation in the viewer is thereby further reduced. If the position of each eye is determined, then the viewing angles are optimally adjusted even to different eye distances.
  • an adjustment element for manually adjusting the viewing angle is provided by the viewer.
  • This is a cost effective solution if no position detector is present or for some reason can not be used. The latter is the case, for example, if the position detector is misted due to high humidity, or if from another Reasons a reliable position detection can not communicatege ⁇ provides.
  • the adjusting means can also be used advantageously for presetting, for example, different eye distances for different viewers.
  • the position detection can provide in this case with viewer-specific information adapted to the respective viewer eye positions.
  • An inventive method is that provided for un ⁇ ter Kunststofferie viewing angle images are calculated, the display unit with the calculated images are sequentially driven and the deflection unit is driven with the associated angle information matched thereto.
  • This has the advantages stated for the device claims.
  • the control for a sequence takes place little different viewing angles.
  • This has the advantage that, in particular in the case of a deflection unit with moving parts, only slight change in position must take place from one position to the next, so that the system can be operated without great mechanical jumps.
  • the sequence is, for example, a line by line through a
  • n x n matrix or spiraling through a corresponding matrix from outside to inside, with only one jump occurring at the end from inside to outside, or the like.
  • the control takes place with a sequence of viewing angles which differ greatly from one another.
  • This has the advantage that closely adjacent viewing angles are generated more staggered in time. A viewer who changes between adjacent viewing angle so that gets displayed no time to closely spaced angularly displaced images, there is only a small risk Ir ⁇ authoritative tion.
  • a corresponding sequence can be effected for example by the so-called Rösselsprungmaschine or another method in which at least one column or row is skipped from one to the next point in the sequence. For a n ⁇ n matrix with large n, it is provided that the sum of the values of a line and column skipped to the next point in the sequence is greater than n / 2.
  • the information is determined, for example, by means of a head position detector, an eye position detector or an adjusting element.
  • FIG. 1 Head-up display according to a first embodiment
  • FIG. 2 Head-up display according to a second embodiment
  • FIG. 3 Detail of a deflection unit with microlenses
  • FIG. 7 Control sequence
  • FIG. 1 shows a head-up display according to the invention which has a display unit 1, a deflection unit 2, a mirror unit 3 and a control unit 4.
  • a light source 5 generates light, which is directed into a two-dimensional illumination matrix 21 of the deflection unit 2.
  • a deflecting element 22 designed as a two-dimensional matrix. It consists of microprisms 23.
  • a converging lens 24 guides the deflecting element generated by the illumination matrix 21 and by the deflecting element 22 in a certain angular direction deflected light on the display unit 1.
  • the display unit 1 generates a saudi ⁇ mensional array of pixels that together form an image. It is illuminated by the light coming from the deflection unit 2.
  • the light which has passed through the display unit 1 is reflected by the mirror unit 3, which here is a windshield 31 of a motor vehicle.
  • the control unit 4 generates for each Be trachtungswinkel ⁇ ⁇ (, ⁇ ) is an ambient light to be superimposed image ⁇ (, ⁇ ).
  • the corresponding information is sent to the display unit at ⁇ . 1
  • the corresponding angle ⁇ (, ⁇ ) is passed to the deflection unit 2. This then adjusts the deflection angle ⁇ (, ⁇ ) which matches the image ⁇ (, ⁇ ).
  • the image ⁇ ( ⁇ ) has vehicle state information F, environmental information U and navigation information N.
  • the vehicle state information F comes, for example, from a tachometer 41 indicated here.
  • the environmental information U comes from a camera 42 indicated here, the navigation information N from FIG a here indicated navigation device 43. These are supplied to the control unit 4 and processed by this.
  • a position sensor 64 detects the position of the eyes 61 of the observer, which may be both the vehicle operator and another observer.
  • the detected position signal PS is forwarded to the control unit.
  • An adjustment element 65 allows a manual adjustment of the viewing angle, either instead of or in addition to the use of a position sensor 64, for example, to consider a different for each viewer eye distance.
  • the adjustment element 64 may be both a physical adjustment element such as a knob or slider, as well as, for example, a displayable and operable on a touch screen element.
  • the detected adjustment signal JS is also directed to the STEU ⁇ ertechnik fourth
  • the light guides 51 are preferably switchable so that different elements of the illumination matrix 21 can be switched on and off in a controlled manner.
  • an illumination matrix 21 consisting of LED elements can also be provided.
  • the LEDs are then driven via control lines, which are provided instead of the optical fibers 51, so that also different elements of the illumination matrix 21 can be controlled switched on and off.
  • FIG. 2 shows an inventive head-up display similar to FIG. The same parts are provided with the same reference numerals and not explained here.
  • the light source 5 illuminates a movable along two axes 53,54 lens 52.
  • the mobility is indicated by arrows on the axes 53,54.
  • the lens 52 By the movement of the lens 52 different Be ⁇ illumination angle can be adjusted.
  • the deflection angle ⁇ is predetermined by the control unit 4.
  • the lens 52 is fixed and the light source 5 is moved parallel to the axes 53, 54. This is indicated by dashed arrows. According to a further variant, both the lens 52 and the light source 5 are moved in opposite directions. This has the advantage that the erfor ⁇ sary deflections are lower than for moving only one of these components.
  • a two-dimensional illumination matrix 21, similar to that shown in FIG. 1, is provided instead of the light source 5, and the lens 52 is fixedly arranged.
  • the lens 52 is fixedly arranged.
  • 3 shows a detail of a deflection unit 2 with microlenses 25.
  • the light source 5 is formed here by grid-like LEDs 55,551,552,553. It can be seen that the light emitted by a first LED 551 after passing through the microlenses 25 has a different emission angle than that of a second LED 552 and a third LED 553.
  • the light source 5 consists of grid-like arranged light elements 56,561,562,563, which are laser diodes here. Other light sources with sufficiently directed Abstrahlcha ⁇ characteristic are advantageously used here.
  • the light of the first light-emitting elements 561 points after passing through the first
  • Micro prisms 231 have a different output angle than the light generated by the second light elements 562 after passing through the second microprisms 232. In this way, the desired deflection angle is set.
  • FIG. 5 shows a detail of a deflection unit 2 with a grid of optical elements 26.
  • the optical elements 261, 262, 263, 264 are arranged so that they deflect light incident thereon from below in the drawing plane, while the optical elements 265, 266 emit light incident thereon from below distract the drawing plane up or down.
  • a light source not shown, directs light from below onto the deflection unit 2.
  • the optical elements 261-266 are distributed almost randomly over the surface of the grid in order to achieve a two-dimensional deflection.
  • 6 shows a flow chart of a method for operating a head-up display according to the invention.
  • step S1 an angle corresponding to the angular deflection in the X direction and an angle ⁇ corresponding to the angular deflection in the Y direction are determined.
  • a predetermined sequence here represented by the patterns Ml, M2. Shown here by way of example is a pattern M1 in which first the angle in the first row, in the X direction, is varied while the angle ⁇ remains fixed, after passing through the first row, the angle ⁇ is changed, the second row with modification of the angle go through with constant ß from right to left.
  • the successive viewing angles differ only slightly from each other.
  • the angles and ⁇ are not changed in small steps, but abruptly. This is indicated by arrows.
  • the engineereinan ⁇ of the following viewing angle thus differ greatly from one another here.
  • step S2 an image ⁇ (, ⁇ ) provided for the angles, ⁇ as the viewing angle is calculated.
  • step S3 the deflection angle ⁇ (, ⁇ ) is calculated.
  • step S4 the on ⁇ display unit 1 are mixed with the image ⁇ and the deflection unit 2 (, ⁇ ) with the angle ⁇ (, ⁇ ) driven simultaneously. Subsequently, the system returns to step S1 and determines the image and angle for a next pair, ⁇ . This is done until the image to be displayed has been generated and displayed for all angle deflections. Then it proceeds accordingly with the temporally next image to be displayed.
  • step SO information about the position PS of the eyes of the observer is obtained.
  • Fig. 7 shows an example of a driving sequence in which successive viewing angles ⁇ deviate greatly from each other.
  • a 4 ⁇ 4 matrix is assumed here, which is traversed from top left to bottom right in the so-called ram jumping method.
  • the individual continuous fields are numbered from 1-15. After reaching the field 15 is jumped to the field 16 and from this to the field 1. In this example, at least one row or column is skipped in each step, the deflection angle thus differ greatly from each other.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Head-Up-Display für ein Fahrzeug. Es weist auf eine Anzeigeeinheit (1) zum Erzeugen unterschiedlicher Bilder (Β(α,β)) für unterschiedliche Betrachtungswinkel (φ(α,β)), eine Ablenkeinheit (2) zum Ablenken der von unterschiedlichen Bildern (Β(α,β)) der Anzeigeeinheit (1) ausgehenden Lichtstrahlen in unterschiedliche Betrachtungswinkel (φ(α,β)), eine Spiegeleinheit (3, 31) zum Überlagern der von der Anzeigeeinheit (1) ausgehenden Lichtstrahlen mit anderen Lichtstrahlen. Die Anzeigeeinheit (1) ist dazu ausgebildet, die unterschiedlichen Bilder (Β(α,β)) zeitlich nacheinander zu erzeugen und die Ablenkeinheit (2) ist dazu ausgebildet, die Lichtstrahlen zeitlich nacheinander in unterschiedliche Betrachtungswinkel (φ(α,β)) abzulenken.

Description

Beschreibung Head-Up-Display Die vorliegende Erfindung betrifft ein Head-Up-Display für ein Fahrzeug. Dabei werden Informationen für den Fahrzeugführer oder einen anderen Betrachter über die Windschutzscheibe gespiegelt in dessen Auge projiziert. Aus der DE 10 2009 054 232 AI ist ein Head-Up-Display bekannt mit einer Anzeigeeinheit zum Erzeugen unterschiedlicher Bilder für unterschiedliche Betrachtungswinkel, mit einer Ablenk¬ einheit zum Ablenken der von den unterschiedlichen Bildern der Anzeigeeinheit ausgehenden Lichtstrahlen in unterschiedliche Betrachtungswinkel, und mit einer Spiegeleinheit zum Überlagern der von der Anzeige ausgehenden Lichtstrahlen mit anderen Lichtstrahlen. Das bekannte Head-Up-Display weist ein Raster aus Linsenelementen, ein sogenanntes Mikrolinsenarray, auf, welches zwischen Anzeigeeinheit und einer als Windschutzscheibe aus- gebildeten Spiegeleinheit angeordnet ist. Dieses
Head-Up-Display arbeitet nach dem sogenannten "Integral Imaging Prinzip". Als nachteilig an der bekannten Lösung ist anzusehen, dass an dem Raster aus Linsenelementen bei Sonneneinstrahlung Rückreflexe auftreten, die auch durch herkömmliche Antire- flexmaßnahmen nicht so weit unterdrückt werden können dass sie das virtuelle Bild nicht sichtbar beeinträchtigen. Das "Integral Imaging Prinzip" erfordert für die gewünschte Performance eines Head-Up-Displays eine sehr hohe Pixelanzahl und Pixeldichte des elektrooptischen Bildgebers, der Anzeigeeinheit.
Erfindungsgemäß ist statt einem Raster aus Linsenelementen eine Beleuchtungseinheit mit zeitlich variierendem Abstrahlwinkel vorgesehen. Die Anzeigeeinheit ist dazu ausgebildet, die un¬ terschiedlichen Bilder zeitlich nacheinander zu erzeugen und die Ablenkeinheit ist dazu ausgebildet, die Lichtstrahlen zeitlich nacheinander in unterschiedlichen Betrachtungswinkel abzulenken. Dies hat den Vorteil, dass kein Mikrolinsenarray er- forderlich ist, welches störende Reflexionen des Umgebungslichts hervorrufen könnte. Besonders störend sind die durch die unebene Oberfläche der Mikrolinsen hervorgerufenen Reflexionen. Ein weiterer Vorteil ist, dass eine niedrigere Anzahl Pixel auf der Anzeigeeinheit ausreicht, wodurch eine kostengünstige Anzei¬ geeinheit Verwendung finden kann. Dennoch wird eine hohe räumliche Auflösung erzielt, beispielsweise bei vier unter¬ schiedlichen Betrachtungswinkeln wird die vierfache Auflösung durch zeitliches Multiplexen erreicht. Statt jedem vierten Pixel für einen Betrachtungswinkel wird dann jedes Pixel für jeden Betrachtungswinkel genutzt. Somit wird die vierfache Auflösung erzielt. Alternativ reicht bei gleichbleibender Auflösung ein Viertel der Pixel aus. Bei 9 oder 16 unterschiedlichen Betrachtungswinkeln reicht 1/9 beziehungsweise 1/16 der Pixelanzahl aus. Soll hier zum Beispiel eine vierfache Auflösung erzielt werden, so werden 4/9 be¬ ziehungsweise 4/16 der Pixelanzahl benötigt. Es reicht also eine kleinere Anzahl Pixel aus, nämlich 4/9 bzw. 1/4 der bei der Verwendung von Mikrolinsen erforderlichen Anzahl Pixel. Die erforderliche höhere Wechselfrequenz der Bilder auf der Anzeigeeinheit und der Wechselfrequenz der Ablenkeinheit, bei¬ spielsweise 100 Hz oder 400 Hz statt 25 Hz, lässt sich mit heute zur Verfügung stehender Technologie ohne großen Aufwand er- reichen. Die Anzeigeeinheit ist vorzugsweise ein selbst¬ leuchtendes Display, ein durchstrahlendes Display oder allgemein ein Display mit einer Matrixstruktur zum Darstellen von aus vielen Pixeln bestehenden Bilder. Die Ablenkeinheit ist beispielsweise ein sogenanntes "Digital Mikromirror Device", auch DMD genannt, welches im Strahlengang nach dem selbstleuchtenden Display angeordnet ist, bei durchscheinendem Display nach der Lichtquelle und vor oder nach dem durchscheinenden Display. Die Ablenkeinheit kann auch als sogenannter "Spatial Light Modu¬ lator", auch SLM genannt, ausgebildet sein, beispielsweise als Flüssigkristallelement, dessen einzelne Zellen eine schaltbar unterschiedlich stark geneigte und unterschiedlich ausgerichtete Prismenstruktur bilden. Die Ablenkeinheit kann auch als holographisches Element ausgebildet sein. Die Spiegeleinheit ist im einfachsten Fall die Windschutzscheibe des Fahrzeugs oder ein sogenannter Combiner, eine vor der Windschutzscheibe angeordnete transparente Scheibe, die die von der Anzeigeeinheit kommenden Lichtstrahlen Richtung Fahrzeugführer - oder allgemein Richtung Betrachter - reflektiert.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Anzeigeeinheit von einer Lichtquelle durchstrahlt wird, und die Ablenkeinheit zwischen Lichtquelle und Anzeigeeinheit angeordnet ist. Dies hat den Vorteil, dass Reflexionen des Umgebungslichts an der Ab¬ lenkeinheit stark reduziert sind, da das Umgebungslicht die Anzeigeeinheit zweimal passieren muss, und dabei stark abge¬ schwächt wird.
Vorteilhafterweise sind Lichtquelle und Ablenkeinheit als eine Einheit ausgebildet. Dabei können sowohl die Ablenkeinheit als auch die Lichtquelle für sich alleine, oder auch beide in Kombination so ausgebildet sein, dass die gewünschten Ab- Strahlwinkel erzielt werden. Auch eine Lichtquelle, die dazu ausgebildet ist, Licht zu erzeugen, das in zeitlicher Abfolge in unterschiedlichen Abstrahlwinkeln abgegeben wird, liegt im Rahmen der Erfindung. Vorteilhafterweise weist die Lichtquelle eine aus Leuchtele¬ menten bestehende Matrixstruktur auf. Die Leuchtelemente sind vorteilhaft nebeneinander angeordnete LED Elemente. Diese sind erprobt und kostengünstig erhältlich. Aber auch andere in Matrixform angeordnete Lichtquellen sind hier sinnvoll ver- wendbar. Je nachdem, welches Leuchtelement der Matrixstruktur angeschaltet ist, verlässt das von diesem erzeugte Licht die Ablenkeinheit mit einem anderen Abstrahlwinkel. Die Ablenk¬ einheit ist im einfachsten Fall eine feststehende Linse, die die gesamte Matrix aus Leuchtelementen abdeckt.
Gemäß einer Variante ist die Ablenkeinheit eine Mikrolinsen- matrix. Bei dem Mikrolinsenelement deckt eine Linse mehrere Leuchtelemente der Matrixstruktur ab, je nach gewünschtem Abstrahlwinkel wird dasjenige Leuchtelement des Feldes ange¬ schaltet, das dem entsprechenden Abstrahlwinkel entspricht . Hier werden mehrere gleichmäßig über die Matrixstruktur verteilte Leuchtelemente jeweils gleichzeitig angeschaltet. Dies hat den Vorteil, dass sich die beim Betrieb der Leuchtelemente anfallende Abwärme gleichmäßig über die Lichtquelle verteilt. Dies trägt vorteilhaft zu einem stabilen Betrieb und langer Lebensdauer bei.
Es ist vorgesehen, dass die Mikrolinsenmatrix ineinandergeschachtelte Prismenelemente aufweist. Dies hat den Vorteil, dass mit jedem Prismenelement eine größere Fläche mit konstantem Ablenkwinkel vorhanden ist als mit reinen Linsenelementen. Dadurch können auch die Leuchtelemente großflächiger sein, ohne eine zu große Streuung des Ablenkwinkels hervorzurufen. Man kommt mit einer geringeren Anzahl Leuchtelemente aus, das Anzei¬ geelement wird kostengünstiger und es werden weniger Ansteu- erungsleitungen für die Leuchtelemente benötigt, der Aufbau der Schaltung wird einfacher. Als Leuchtelemente werden hier vorzugsweise Lichtquellen mit hinreichend gerichteter Ab¬ strahlcharakteristik verwendet. Zum Beispiel haben Laserdioden eine solche gerichtete Charakteristik. Statt Prismenelementen, die einen einfachen Aufbau haben, können auch in Elemente zerlegte andere optische Elemente wie Linsen, verwendet werden, die abwechselnd mit Elementen benachbarter optische Elemente angeordnet sind.
Vorteilhafterweise weist ein erfindungsgemäßes Head-Up-Display einen Positionssensor auf, der die Kopf- oder die Augenposition des Fahrzeugführers oder eines anderen Betrachters detektiert. Das entsprechende Positionssignal wird an eine Steuereinheit geleitet, die daraus die für die entsprechende Position er¬ forderlichen Betrachtungswinkel berechnet. Nur für diese Be¬ trachtungswinkel werden Bilder erzeugt und an die Anzeigeeinheit weitergeleitet. Auch die Ablenkeinheit lenkt nur in diese
Betrachtungswinkel ab. Statt aller im Gerät vorgesehenen Ab¬ lenkwinkel werden also nur diejenigen - im Optimalfall nur zwei - Ablenkwinkel und zugehörigen Bilder erzeugt, die der aktuellen Position der Augen bzw. des Kopfes des Betrachters entsprechen. Dies hat den Vorteil, dass eine starke Reduzierung der Anzahl der pro Zeiteinheit darzustellenden Bilder und der zu erzeugenden Ablenkwinkel erzielt wird. Anstatt beispielsweise Bilder für dreißig unterschiedliche Betrachtungswinkel zu erzeugen und darzustellen werden zwei Bilder für die der detektierten Augenposition entsprechenden zwei Betrachtungswinkel erzeugt. Soll eine gewisse Abweichung der Augenpositionen kompensiert werden, ist es vorgesehen, vier oder sechs oder eine andere geringe Anzahl der beispielsweise dreißig möglichen Ablenkwinkel entsprechend der aktuell detektierten Augenposition zu verwenden. Damit reicht eine geringere Wiederholfrequenz der Anzeigeeinheit aus, eine kostengünstigere Anzeigeeinheit kann Verwendung finden. Für die geringere Anzahl Bilder fällt entsprechend ein geringerer Berechnungsaufwand an. Kopfposi¬ tionsdetektoren sind in vielen Fahrzeugen bereits aus anderen Gründen vorhanden. Diese können mitgenutzt werden, wodurch zur Umsetzung kein oder nur ein geringer zusätzlicher Aufwand erforderlich ist.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist der Positionssensor ein Augenpositionsdetektor. Da die Position der Augen detektiert wird, können die einzustellenden Ablenkwinkel und die zu ge- nerierenden Bilder noch genauer bestimmt werden als bei
Kopfpositionsdetektion . Die Wahrscheinlichkeit einer Irritation beim Betrachter wird dadurch weiter reduziert. Wird die Position jedes einzelnen Auges bestimmt, dann sind die Betrachtungswinkel sogar auf unterschiedliche Augenabstände optimal einstellbar.
Alternativ oder zusätzlich zum Positionsdetektor ist ein Justierelement zum manuellen Justieren des Betrachtungswinkels durch den Betrachter vorgesehen. Dies ist eine kostengünstige Lösung falls kein Positionsdetektor vorhanden ist oder aus bestimmten Gründen nicht eingesetzt werden kann. Letzteres ist beispielsweise der Fall, wenn der Positionsdetektor aufgrund hoher Luftfeuchtigkeit beschlagen ist, oder wenn aus anderen Gründen eine zuverlässige Positionsdetektion nicht sicherge¬ stellt werden kann. Das Justiermittel kann auch vorteilhaft zur Voreinstellung beispielsweise unterschiedlicher Augenabstände für unterschiedliche Betrachter dienen. Die Positionsdetektion kann in diesem Fall mit betrachterspezifischer Information auf den jeweiligen Betrachter angepasste Augenpositionen liefern.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren besteht darin, dass für un¬ terschiedliche Betrachtungswinkel vorgesehenen Bilder berechnet werden, die Anzeigeeinheit mit den berechneten Bildern sequentiell angesteuert wird und die Ablenkeinheit dazu abgestimmt mit den zugehörigen Winkelinformationen angesteuert wird. Dies weist die zu den Geräteansprüchen angegebenen Vorteile auf. Vorteilhafterweise erfolgt die Ansteuerung für eine Abfolge sich wenig voneinander unterscheidende Betrachtungswinkel. Dies hat den Vorteil dass insbesondere bei einer Ablenkeinheit mit beweglichen Teilen nur geringe Positionsänderung von einer zur nächsten Position der Abfolge zu erfolgen haben, das System also ohne große mechanische Sprünge betrieben werden kann. Die Abfolge ist beispielsweise ein zeilenweises Durchlaufen einer
n x n-Matrix, oder ein spiralförmiges Durchlaufen einer entsprechenden Matrix von außen nach innen, wobei nur ein Sprung am Ende von innen nach außen auftritt, oder ähnliches.
Alternativ dazu erfolgt die Ansteuerung mit einer Abfolge sich stark voneinander unterscheidender Betrachtungswinkel. Dies hat den Vorteil, dass eng benachbarte Betrachtungswinkeln zeitlich stärker versetzt voneinander generiert werden. Ein Betrachter, der zwischen benachbarten Betrachtungswinkel wechselt, bekommt damit keine zeitlich zu nahe beieinanderliegenden winkelversetzten Bilder dargestellt, es besteht nur ein geringes Ir¬ ritationsrisiko. Eine entsprechende Abfolge kann beispielsweise durch das sogenannte Rösselsprungverfahren erfolgen oder ein anderes Verfahren, bei dem mindestens eine Spalte oder Zeile von einem zum nächsten Punkt der Abfolge übersprungen wird. Bei einer n x n-Matrix mit großem n ist vorgesehen, dass die Summe der von einem zum nächsten Punkt der Abfolge übersprungenen Zeilen und Spalten größer als n/2 ist.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, eine Information über die Position der Augen des Betrachters zu ermitteln, und die Be¬ rechnung der Bilder und die Ansteuerung der Anzeigeeinheit und der Ablenkeinheit nur für die aus dem ermittelten Positionssignal berechneten Ablenkwinkel durchzuführen. Dies hat den Vorteil, dass im günstigsten Fall nur zwei Betrachtungswinkel und die dazugehörigen Bilder berechnet und angezeigt werden brauchen. Dies vereinfacht das Verfahren erheblich. Weitere Vorteile entsprechen denjenigen, die bereits zu den Geräteansprüchen beschrieben sind. Das Ermitteln der Informationen erfolgt dabei beispielsweise mittels eines Kopfpositionsdetektors , eines Augenpositionsdetektors oder eines Justierelements.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung sind auch in der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen angegeben. Dabei zeigen:
Fig.1 Head-Up-Display gemäß einer ersten Ausführungsform Fig.2 Head-Up-Display gemäß einer zweiten Ausführungsform Fig.3 Detail einer Ablenkeinheit mit Mikrolinsen
Fig.4 Detail einer Ablenkeinheit mit Mikroprismen
Fig.5 Detail einer Ablenkeinheit mit einem Raster optischer
Bauelemente
Fig.6 Flussdiagramm
Fig.7 Ansteuerungsabfolge Fig.l zeigt ein erfindungsgemäßes Head-Up-Display, welches eine Anzeigeeinheit 1, eine Ablenkeinheit 2, eine Spiegeleinheit 3 und eine Steuereinheit 4 aufweist. Eine Lichtquelle 5 erzeugt Licht, welches in eine zweidimensionale Beleuchtungsmatrix 21 der Ablenkeinheit 2 geleitet wird. Darüber befindet sich ein als zweidimensionale Matrix ausgebildetes Ablenkelement 22. Es besteht hier aus Mikroprismen 23. Eine Sammellinse 24 leitet das von der Beleuchtungsmatrix 21 erzeugte und von dem Ablenkelement 22 in eine bestimmt Winkelrichtung abgelenkte Licht auf die Anzeigeeinheit 1. Die Anzeigeeinheit 1 erzeugt eine zweidi¬ mensionale Anordnung aus Bildpunkten, die zusammengesetzt ein Bild ergeben. Sie wird von dem Licht, das von der Ablenkeinheit 2 kommt, durchleuchtet. Das Licht, das die Anzeigeeinheit 1 passiert hat, wird von der Spiegeleinheit 3, die hier eine Windschutzscheibe 31 eines Kraftfahrzeugs ist, reflektiert. Das reflektierte Licht sowie Umgebungslicht, welches durch die Windschutzscheibe 31 fällt, gelangen in das Auge 61 des
Fahrzeugführers. Die Steuereinheit 4 erzeugt für jeden Be¬ trachtungswinkel φ( ,β) ein dem Umgebungslicht zu überlagerndes Bild Β( ,β) . Die entsprechende Information wird an die An¬ zeigeeinheit 1 geleitet. Der entsprechende Winkel φ( ,β) wird an die Ablenkeinheit 2 geleitet. Diese stellt dann den zum Bild Β( ,β) passenden Ablenkwinkel φ( ,β) ein.
Das Bild Β( ,β) weist im dargestellten Beispiel Fahrzeugzu- standsinformationen F auf, Umgebungsinformationen U und Navigationsinformationen N. Die Fahrzeugzustandsinformationen F kommen beispielsweise von einem hier angedeuteten Tacho 41. Die Umgebungsinformationen U kommen von einer hier angedeuteten Kamera 42, die Navigationsinformationen N von einem hier angedeuteten Navigationsgerät 43. Diese werden der Steuereinheit 4 zugeführt und von dieser verarbeitet.
Ein Positionssensor 64 detektiert die Position der Augen 61 des Betrachters, der sowohl der Fahrzeugführer als auch ein anderer Betrachter sein kann. Das detektierte Positionssignal PS wird an die Steuereinheit weitergeleitet. Ein Justierelement 65 er- möglicht ein manuelles Justieren der Betrachtungswinkel, entweder anstatt der Nutzung eines Positionssensors 64 oder als Ergänzung zu diesem, beispielsweise zum Berücksichtigen eines für jeden Betrachter unterschiedlichen Augenabstandes. Das Justierelement 64 kann sowohl ein körperliches Einstellelement wie Drehknopf oder Schieberegler sein, als auch beispielsweise ein auf einem Touchscreen anzeigbares und betätigbares Element. Das detektierte Justiersignal JS wird ebenfalls an die Steu¬ ereinheit 4 geleitet.
Von der Lichtquelle 5 gehen beispielsweise Lichtleiter 51 aus, die in der zweidimensionalen Beleuchtungsmatrix 21 enden. Die Lichtleiter 51 sind vorzugsweise schaltbar, so das unterschiedliche Elemente der Beleuchtungsmatrix 21 gesteuert an- und abschaltbar sind. Statt der dargestellten Lichtquelle 5 kann auch eine aus LED-Elementen bestehende Beleuchtungsmatrix 21 vor- gesehen sein. Die LEDs werden dann über Ansteuerungsleitungen angesteuert, die statt der Lichtleiter 51 vorgesehen sind, sodass ebenfalls unterschiedliche Elemente der Beleuchtungsmatrix 21 gesteuert an- und abschaltbar sind. Fig.2 zeigt ein erfindungsgemäßes Head-Up-Display ähnlich zu Fig.1. Gleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen und hier nicht näher erläutert. Die Lichtquelle 5 beleuchtet eine entlang zweier Achsen 53,54 bewegliche Linse 52. Die Beweglichkeit ist mittels Pfeilen an den Achsen 53,54 angedeutet. Durch die Bewegung der Linse 52 können unterschiedliche Be¬ leuchtungswinkel eingestellt werden. Wie zu Fig.l beschriebenen wird der Ablenkwinkel φ von der Steuereinheit 4 vorgegeben.
Gemäß einer Variante ist die Linse 52 feststehend angeordnet und die Lichtquelle 5 wird parallel zu den Achsen 53,54 bewegt. Dies ist mittels gestrichelter Pfeile angedeutet. Gemäß einer weiteren Variante werden sowohl Linse 52 als auch die Lichtquelle 5 gegensinnig bewegt. Dies hat den Vorteil, dass die erfor¬ derlichen Auslenkungen geringer sind als bei Bewegung nur eines dieser Bauteile.
Gemäß einer weiteren Variante ist statt der Lichtquelle 5 eine zweidimensionale Beleuchtungsmatrix 21, ähnlich zu der in Fig.l gezeigten, vorgesehen, und die Linse 52 ist feststehend an- geordnet. Durch Anschalten nur jeweils eines der Beleuchtungselemente 211-219 der Beleuchtungsmatrix 21 werden so neun unterschiedliche Abstrahlwinkel erzielt. Fig.3 zeigt ein Detail einer Ablenkeinheit 2 mit Mikrolinsen 25. Die Lichtquelle 5 wird hier durch rasterartig angeordnete LEDs 55,551,552,553 gebildet. Man erkennt, dass das von einer ersten LED 551 abgegebene Licht nach Durchlaufen der Mikrolinsen 25 einen anderen Abstrahlwinkel aufweist als dasjenige einer zweiten LED 552 und einer dritten LED 553. Werden nun nur die der Position der ersten LED 551 entsprechenden LEDs der Lichtquelle 5 angeschaltet, so wird Licht entsprechend einem ersten Winkel abgestrahlt. Ein anderer Abstrahlwinkel wird erzielt, wenn nur die der Position der zweiten LED 552 entsprechenden LEDs angeschaltet werden. Auf diese Weise wird der gewünschte Ab¬ lenkwinkel eingestellt. Fig.4 zeigt ein Detail einer Ablenkeinheit 2 mit Mikroprismen 23. Auch hier besteht die Lichtquelle 5 aus rasterartig angeordneten Leuchtelementen 56,561,562,563, die hier Laserdioden sind. Auch andere Lichtquellen mit hinreichend gerichteter Abstrahlcha¬ rakteristik sind hier vorteilhaft einsetzbar. Das Licht der ersten Leuchtelemente 561 weist nach Durchlaufen der ersten
Mikroprismen 231 einen anderen Ausgangswinkel auf als das von den zweiten Leuchtelementen 562 erzeugte Licht nach Durchlaufen der zweiten Mikroprismen 232. Auf diese Weise wird der gewünschte Ablenkwinkel eingestellt.
Fig.5 zeigt ein Detail einer Ablenkeinheit 2 mit einem Raster optischer Elemente 26. Dabei sind die optischen Elemente 261,262,263,264 so angeordnet, dass sie von unten auf sie einfallendes Licht in der Zeichenebene ablenken, während die optischen Elemente 265,266 von unten auf sie einfallendes Licht aus der Zeichenebene hinaus nach oben bzw. unten ablenken. Auch hier ist wieder vorgesehen, dass eine nicht dargestellte Lichtquelle Licht von unten auf die Ablenkeinheit 2 leitet. Die optischen Elemente 261-266 sind dabei quasi zufällig über die Fläche des Rasters verteilt, um eine zweidimensionale Ablenkung zu erreichen. Fig.6 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Head-Up-Displays . Im Schritt Sl wird ein Winkel entsprechend der Winkelablenkung in X-Richtung und ein Winkel ß entsprechend der Winkelablenkung in Y-Richtung be- stimmt. Dies erfolgt nach einer vorgegebenen Abfolge, hier repräsentiert durch die Muster Ml, M2. Hier beispielhaft dargestellt ist ein Muster Ml bei dem zunächst der Winkel in der ersten Zeile, in X-Richtung, variiert wird, während der Winkel ß fest bleibt, nach Durchlaufen der ersten Zeile wird der Winkel ß geändert, die zweite Zeile mit Abänderung des Winkels bei konstantem ß von rechts nach links durchlaufen. Die aufeinanderfolgenden Betrachtungswinkel unterscheiden sich hier also nur wenig voneinander. Bei einem anderen Muster M2 werden die Winkel und ß nicht in kleinen Schritten, sondern sprunghaft verändert. Dies ist durch Pfeile angedeutet. Die aufeinan¬ derfolgenden Betrachtungswinkel unterscheiden sich hier also stark voneinander.
Im Schritt S2 wird ein für die Winkel , ß als Betrachtungswinkel vorgesehenes Bild Β( ,β) berechnet. Im Schritt S3 wird der Ablenkwinkel φ( ,β) berechnet. Im Schritt S4 werden die An¬ zeigeeinheit 1 mit dem Bild Β( ,β) und die Ablenkeinheit 2 mit dem Winkel φ( ,β) gleichzeitig angesteuert. Anschließend wird zum Schritt Sl zurückgekehrt und Bild und Winkel für ein nächstes Paar , ß bestimmt. Dies erfolgt so oft, bis das dazustellende Bild für alle Winkelablenkungen erzeugt und dargestellt wurde. Dann geht es entsprechend mit dem zeitlich nächsten darzustellenden Bild weiter. Im Schritt SO wird eine Information über die Position PS der Augen des Betrachters gewonnen. Dazu dienen wahlweise oder in Kom¬ bination der Positionssensor 64 und das Justierelement 65. Die Berechnung und Ansteuerung erfolgt anhand der ermittelten Position PS. Eine entsprechende geringere Anzahl Bilder B und Betrachtungswinkel φ sind pro Zeiteinheit darzustellen be¬ ziehungsweise einzustellen. Die Abfolge wird entsprechend stark gekürzt . Fig.7 zeigt ein Beispiel einer Ansteuerungsabfolge bei der aufeinander abfolgende Betrachtungswinkel φ stark voneinander abweichen. Es ist hier beispielhaft eine 4 x 4 Matrix angenommen, die von links oben nach rechts unten im sogenannten Rösselsprungverfahren durchlaufen wird. Die einzelnen durchlaufenden Felder sind dabei von 1-15 nummeriert. Nach Erreichen des Feldes 15 wird zum Feld 16 gesprungen und von diesem zum Feld 1. In diesem Beispiel wird zumindest eine Zeile oder Spalte in jedem Schritt übersprungen, die Ablenkwinkel unterscheiden sich somit stark voneinander .
Mit anderen Worten betrifft die vorliegende Erfindung folgendes: Beim sogenannten "Integral Imaging" wird der Winkel des
Lichtfeldes durch den Ort eines Bildpunktes unter der jeweiligen Mikrolinse bestimmt. Dazu benötigt man unter jeder Linse eine Vielzahl von Displaypixeln, was insgesamt zu hohen Anforderungen an den Bildgeber führt. Dabei ist die erforderliche große Anzahl an Pixeln eine mit derzeitigen Lösungen ökonomisch kaum zu erfüllende Anforderung. Bei der erfindungsgemäßen Winkelsteuerung über die Beleuchtung entfällt die Mikrolinse. Jeder Bildpunkt des Displays wird in seinem Abstrahlwinkel steuerbar, indem der Winkel der Beleuchtung global zeitlich variiert wird und synchron dazu der passende Displayinhalt dargestellt wird. Die Anforderungen an das räumliche Auflösungsvermögen des
Bildgebers sinken, gleichzeitig erfordert das zeitliche Mul- tiplexing höhere Bildraten. Da sich auf der sonnenzugewandten Seite keine Mikrolinsen befinden treten an diesen auch keine direkten Reflexe auf. Mögliche Reflexe an Elementen auf der anderen Seite des Displays werden deutlich gedämpft, da das zugehörige Licht das Display, die Anzeigeeinheit 1, zweimalig passiert und dieses typischerweise eine geringe Transmission hat . Es versteht sich, dass die in den einzelnen Ausführungsbeispielen und in der Beschreibungseinleitung genannten Maßnahmen auch in anderen als den dargestellten Kombinationen sinnvoll verwendbar sind, und Weiterbildungen im Ermessen des Fachmanns stehen.

Claims

Patentansprüche / Patent Claims
1. Head-Up-Display für ein Fahrzeug, aufweisend
- eine Anzeigeeinheit (1) zum Erzeugen unterschiedlicher Bilder (Β( ,β)) für unterschiedliche Betrachtungswinkel (φ (oi, ß) ) ,
- eine Ablenkeinheit (2) zum Ablenken der von unterschiedlichen Bildern (Β( ,β)) der Anzeigeeinheit (1) ausgehenden Lichtstrahlen in unterschiedliche Betrachtungswinkel (φ( ,β)),
- eine Spiegeleinheit (3,31) zum Überlagern der von der Anzeigeeinheit (1) ausgehenden Lichtstrahlen mit anderen Lichtstrahlen,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die An¬ zeigeeinheit (1) dazu ausgebildet ist, die unterschiedlichen Bilder (Β( ,β)) zeitlich nacheinander zu erzeugen und die Ablenkeinheit (2) dazu ausgebildet ist, die Lichtstrahlen zeitlich nacheinander in unterschiedliche Betrachtungs¬ winkel (φ( ,β)) abzulenken.
2. Head-Up-Display 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 die Anzeigeeinheit (1) von einer Lichtquelle (5) durchstrahlt wird, und die Ablenk¬ einheit (2) zwischen Lichtquelle (5) und Anzeigeeinheit (1) angeordnet ist.
3. Head-Up-Display nach Anspruch 2 d a d u r c h g e ¬ k e n n z e i c h n e t , dass Ablenkeinheit (2) und
Lichtquelle (5) eine Einheit bilden.
Head-Up-Display nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die
Lichtquelle (5) eine aus Leuchtelementen (55,551,552,553, 56,561,562,563) bestehende Matrixstruktur aufweist.
5. Head-Up-Display 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 die Ablenkeinheit (2) eine Matrix aus Mikrolinsen (25) ist. 6. Head-Up-Display 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 Matrix anstatt aus Mik¬ rolinsen (25) aus Mikroprismen (23) oder anderen optischen Mikroelementen (26) gebildet ist. 7. Head-Up-Display nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass es einen Positionssensor (64) und eine Steuereinheit (4) aufweist.
8. Head-Up-Display nach Anspruch 7, d a d u r c h g e - k e n n z e i c h n e t , dass der Positionssensor (64) ein
Augenpositionsdetektor ist.
9. Head-Up-Display nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass es ein Justierelement (65) aufweist.
10. Verfahren zum Ansteuern eines Head-Up-Displays mit den Schritten
-Berechnen (S2) von für unterschiedliche Betrachtungswinkel (φ( ,β)) vorgesehenen Bildern (Β( ,β)),
- sequentielles Ansteuern (S4) einer Anzeigeeinheit (1) mit den berechneten Bildern (Β( ,β)), und
- abgestimmtes sequentielles Ansteuern (S4) einer Ablen¬ keinheit (2) mit den zugehörigen Winkelinformationen (φ(α,β)).
11. Verfahren nach Anspruch 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Ansteuerung für eine Abfolge (Ml) sich wenig voneinander unterscheidender Betrachtungswinkel (φ( ,β)) erfolgt.
12. Verfahren nach Anspruch 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Ansteuerung für eine Abfolge (M2) sich stark voneinander unterscheidender Betrachtungswinkel (φ ( , ß ) ) erfolgt .
13. Verfahren nach Anspruch 10 mit den weiteren Schritten
- Ermitteln (SO) einer Information über die Position (PS) der Augen des Betrachters, und
- Berechnen und Ansteuern gemäß der ermittelten Position (PS) .
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