WO2022089697A1 - Head-up-display bilderzeugungseinheit mit faltspiegel - Google Patents

Head-up-display bilderzeugungseinheit mit faltspiegel Download PDF

Info

Publication number
WO2022089697A1
WO2022089697A1 PCT/DE2021/200165 DE2021200165W WO2022089697A1 WO 2022089697 A1 WO2022089697 A1 WO 2022089697A1 DE 2021200165 W DE2021200165 W DE 2021200165W WO 2022089697 A1 WO2022089697 A1 WO 2022089697A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
head
angle
mirror
display
folding mirror
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.)
Ceased
Application number
PCT/DE2021/200165
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Wolff VON SPIEGEL
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
Priority to US18/034,185 priority Critical patent/US20230393389A1/en
Priority to CN202180069098.4A priority patent/CN116324568A/zh
Publication of WO2022089697A1 publication Critical patent/WO2022089697A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/0101—Head-up displays characterised by optical features
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B19/00—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics
    • G02B19/0004—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics characterised by the optical means employed
    • G02B19/0019—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics characterised by the optical means employed having reflective surfaces only (e.g. louvre systems, systems with multiple planar reflectors)
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B19/00—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics
    • G02B19/0004—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics characterised by the optical means employed
    • G02B19/0028—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics characterised by the optical means employed refractive and reflective surfaces, e.g. non-imaging catadioptric systems
    • 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
    • G02B2027/0118—Head-up displays characterised by optical features comprising devices for improving the contrast of the display / brillance control visibility
    • 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
    • G02B2027/0123—Head-up displays characterised by optical features comprising devices increasing the field of view
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B3/00—Simple or compound lenses
    • G02B3/02—Simple or compound lenses with non-spherical faces
    • G02B3/08—Simple or compound lenses with non-spherical faces with discontinuous faces, e.g. Fresnel lens

Definitions

  • the present invention relates to a head-up display which has an image generation unit with a folding mirror.
  • a head-up display also referred to as a HUD, is understood to mean a display system in which the viewer can maintain his line of sight, since the content to be displayed is displayed in his field of vision. While such systems were originally used mainly in the aviation sector due to their complexity and costs, they are now also being installed in large series in the automotive sector.
  • Head-up displays generally consist of an imaging unit or PGU (Picture Generating Unit), an optics unit and a mirror unit.
  • the imaging unit generates the image and uses at least one display element for this purpose.
  • Most of today's head-up displays use LCD-based displays (LCD: Liquid Crystal Display;
  • the optics unit directs the image to the mirror unit.
  • the mirror unit is a partially reflective, translucent disc. The viewer thus sees the content displayed by the imaging unit as a virtual image and at the same time the real world behind the pane. In the automotive sector, the windshield is often used as a mirror unit, and its curved shape must be taken into account in the display. Due to the interaction of the optics unit and the mirror unit, the virtual image is an enlarged representation of the image generated by the imaging unit.
  • DE 41 02 678 A1 discloses a head-up display for a means of transport, with an imaging unit for generating an image, an optics unit for projecting the image through a mirror unit onto a virtual image plane, and a folding mirror, its angle of incidence and angle of reflection are unequal. This property is achieved, for example, using holographic components, using diffraction gratings, or using Fresnel mirrors.
  • US Pat. No. 5,313,326 A, WO 2014/041689 A, US 2015/0362221 A1 and US 2018/252917 A1 also show head-up displays in which a folding mirror is used whose angle of incidence and angle of reflection are unequal.
  • the folding mirror whose angle of incidence and angle of reflection are unequal, is arranged in the imaging path.
  • the folding mirror exhibiting this property can have an unfavorable influence on the image quality and/or the sensitivity to stray light.
  • a head-up display that is improved over the known heads-up displays is desired.
  • the folding mirror whose angle of incidence and angle of reflection are unequal, is arranged between a light source and a display element illuminated by it, ie in the illumination path.
  • This has the advantage that an unfavorable influence of the folding mirror on the image quality and/or the sensitivity to stray light is avoided.
  • the arrangement of the folding mirror in the illumination path also has the advantage of permitting spreading of the illumination beam and polarization recycling.
  • Another advantage relates to the installation space. This space advantage is based on the freer positioning of the light source while at the same time maintaining the desired angle in the area of the display.
  • the smaller light source also saves space in the form of implementation, for example as light-emitting diodes with collimators.
  • the difference between the angle of incidence and the angle of reflection of the folding mirror is advantageously position-dependent. Parallel incident rays impinging at different points of the fold angle are thus reflected with different angles of emergence. This is particularly easy to achieve using Fresnel structures and has the advantage that the incident light beam can be widened and the intensity of the reflected light beam can be distributed as a function of location. Strictly speaking, an optical element with the properties mentioned is no longer a folding mirror. However, this designation is still used here to designate the optical element that is arranged according to the invention instead of a conventional folding mirror.
  • the folding mirror has many microstructures on its reflecting surface, each of which satisfies the known rule that the angle of incidence is equal to the angle of reflection. In this way, the folding mirror is particularly easy to produce.
  • the microstructures themselves have a curvature. This advantageously makes it possible to integrate one or more additional functions into the folding mirror.
  • the microstructures have slight pitch deviations from their ideal pitch. Slight gradient deviations are advantageously introduced into the microstructures. This makes it possible, for example in the case of a Fresnel structure, to blur any stripes that may occur in the light distribution. An integration of a scattering function in the folding mirror is thus made possible.
  • the gaps are utilized for polarization recycling.
  • the cross-sectional area of the light beam is spread in one direction (from h' to h) by segments is reflected.
  • each segment also contains a return page, which is required but does not participate in the primary redirection function.
  • This can be used for polarization recycling: After the folding mirror, an optical function is introduced that reflects the undesired polarization component back to the folding mirror, preferably on the return sides of the segments. These should be provided with a function that changes the light polarization, ideally rotates it by 90 degrees and throws it back to the polarization-reflecting component. At least part of the originally incorrectly polarized light can then pass here and be used in the desired direction of polarization.
  • a penta-mirror approach is provided.
  • the penta mirror approach makes the deflection angle insensitive to deviations in the macroscopic mirror angle.
  • the microstructure is designed in such a way that the light passes through an even number of reflections in order to be deflected. With simple reflection, the angular error of the output light is approximately twice the angular error of the mirror. If you have two mirrors in a common mechanical arrangement that causes the overall reflection, the angular error of the first and second mirrors largely cancel each other out. This means that the orientation of this component is significantly less critical for the direction of the exit light. The system becomes more tolerant of assembly tolerances.
  • a cascaded design with two folding mirrors and spreading in two directions is also advantageous.
  • 1 schematically shows a head-up display according to the prior art for a motor vehicle; 2 schematically shows the imaging unit of a head-up display;
  • FIG. 3 schematically shows the imaging unit of a head-up display according to the invention
  • FIG. 4 schematically shows a folding mirror of a head-up display according to the invention
  • the head-up display has an imaging unit 1 , an optics unit 2 and a mirror unit 3 .
  • a beam of rays SB1 emanates from a display element 11 and is reflected by a folding mirror 21 onto a curved mirror 22 which reflects it in the direction of the mirror unit 3 .
  • the mirror unit 3 is shown here as a windshield 31 of a motor vehicle. From there, the bundle of rays SB2 arrives in the direction of an eye 61 of an observer.
  • the viewer sees a virtual image VB, which is located outside the motor vehicle above the hood or even in front of the motor vehicle.
  • the virtual image VB is an enlarged representation of the image displayed by the display element 11 .
  • a speed limit, the current vehicle speed and navigation instructions are shown here symbolically.
  • the eye 61 is within the eye box 62 indicated by a rectangle, all elements of the virtual image are visible to the eye 61 . If the eye 61 is located outside the eye box 62, then the virtual image VB is only partially or not at all visible to the viewer. The larger the eyebox 62 is, the less restricted the viewer is in choosing his seating position.
  • the curvature of the curved mirror 22 matches the curvature of the windshield 31 and ensures that the image distortion across the eyebox 62 is stable.
  • the curved mirror 22 is rotatably supported by a bearing 221 .
  • the rotation of the curved mirror 22 made possible by this enables the eyebox 62 to be moved and thus the position of the eyebox 62 to be adjusted to the position of the eye 61.
  • the folding mirror 21 serves to ensure that the path covered by the beam of rays SB1 between the display element 11 and the curved mirror 22 is long, and at the same time the optics unit 2 is still compact.
  • the optics unit 2 is delimited from the environment by a transparent cover 23 .
  • the optical elements of the optical unit 2 are thus protected, for example, against dust located in the interior of the vehicle.
  • a glare shield 24 serves to surely absorb the light reflected through the interface of the cover 23 so as not to cause glare to the viewer.
  • the light from another interfering light source 64 can also reach the display element 11
  • FIG. 2 schematically shows the imaging unit 1 of a head-up display.
  • 3 schematically shows the imaging unit of a head-up display according to the invention.
  • FIG. 4 schematically shows a folding mirror 15 of a head-up display according to the invention.
  • the folding mirror 15 has many microstructures 16 on its reflecting surface, each of which satisfies the known rule that the angle of incidence is equal to the angle of reflection.
  • the microstructures 16 have an inherent curvature which leads to an expansion of the reflected beam of rays.
  • the angle of incidence 91 of the folding mirror 15 is greater than its angle of emergence 92.
  • the microstructured surfaces are not curved.
  • this additional function means that it can no longer be described as a folding mirror.
  • folding mirrors One can bend the mirror function to shape the light beam. In this case, it is not a flat mirror that is “Fresnelled/segmented”, but a curved mirror. Or one can manipulate the areas of the segments, which generally goes in the direction of a scattering function, in order to homogenize the light distribution. Both are possible and potentially beneficial.
  • Light-emitting diodes LEDs, Light Emitting Diodes
  • the polarization direction of the LED light that does not match the display polarizer is blocked by the display and is lost. Tilting the folding mirror by an angle changes the angle of the illuminating light by twice the angle.
  • the properties and freedom gained in this way open up a whole bouquet of design options with advantages that go beyond the space savings.
  • the Light distribution is spread by being divided into strips that are pulled apart. This allows the original lighting unit to be downsized. This helps to avoid array boundaries in the image area and to improve homogeneity. Execution variants allow tolerance-insensitive designs and an increase in efficiency through polarization recycling.
  • the folding mirror according to the invention is preferably implemented using hologram technology. When implemented using a hologram, the hologram structure can be designed in such a way that no splitting into stripes can be detected, at least by the human user.
  • Transmissive design possibly using total reflection.
  • Design based on the penta mirror approach Cascaded execution. Back reflection in the gaps for polarization recycling. Curved version.
  • the folding mirror whose angle of incidence and angle of reflection are different, is arranged in the illumination path.
  • no laser is used as the light source. This makes it possible to tailor the scattering angle of the light source to better fill in the dark gaps.
  • TIR and Penta variants are made possible with the advantages "no coating required" and "insensitive to tolerances”.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Instrument Panels (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Head-Up-Display für ein Fortbewegungsmittel, mit einer bildgebenden Einheit (1) zum Erzeugen eines Bildes, einer Optikeinheit (2) zum Projizieren des Bildes durch eine Spiegeleinheit (3), und einem Faltspiegel (15), dessen Einfallswinkel (θ1) und Ausfallswinkel (θ2) ungleich sind. Erfindungsgemäß ist der Faltspiegel (15) zwischen einer Lichtquelle (12) und einem von dieser durchleuchteten Anzeigeelement (11) angeordnet.

Description

Beschreibung
Head-Up-Display Bilderzeugungseinheit mit Faltspiegel
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Head-Up-Display, welches eine Bilderzeugungseinheit mit Faltspiegel aufweist.
Unter einem Head-Up-Display, auch als HUD bezeichnet, wird ein Anzeigesystem verstanden, bei dem der Betrachter seine Blickrichtung beibehalten kann, da die darzustellenden Inhalte in sein Sichtfeld eingeblendet werden. Während derartige Systeme aufgrund ihrer Komplexität und Kosten ursprünglich vorwiegend im Bereich der Luftfahrt Verwendung fanden, werden sie inzwischen auch im Automobilbereich in Großserie verbaut.
Head-Up-Displays bestehen im Allgemeinen aus einer bildgebenden Einheit oder PGU (Picture Generating Unit), einer Optikeinheit und einer Spiegeleinheit. Die bildgebende Einheit erzeugt das Bild und nutzt dazu zumindest ein Anzeigeelement. Die meisten heutigen Head-Up-Displays verwenden zur Bildgenerierung LCD-basierte Displays (LCD: Liquid Crystal Display;
Flüssigkristallanzeige). Die Optikeinheit leitet das Bild auf die Spiegeleinheit. Die Spiegeleinheit ist eine teilweise spiegelnde, lichtdurchlässige Scheibe. Der Betrachter sieht also die von der bildgebenden Einheit dargestellten Inhalte als virtuelles Bild und gleichzeitig die reale Welt hinter der Scheibe. Als Spiegeleinheit dient im Automobilbereich oftmals die Windschutzscheibe, deren gekrümmte Form bei der Darstellung berücksichtigt werden muss. Durch das Zusammenwirken von Optikeinheit und Spiegeleinheit ist das virtuelle Bild eine vergrößerte Darstellung des von der bildgebenden Einheit erzeugten Bildes.
Aus der DE 41 02 678 A1 ist ein Head-Up-Display für ein Fortbewegungsmittel bekannt, mit einer bildgebenden Einheit zum Erzeugen eines Bildes, einer Optikeinheit zum Projizieren des Bildes durch eine Spiegeleinheit auf eine virtuelle Bildebene, und einem Faltspiegel, dessen Einfallswinkel und Ausfallswinkel ungleich sind. Diese Eigenschaft wird beispielsweise mittels holographischer Bauteile erzielt, mittels Beugungsgitter, oder mittels Fresnel-Spiegel.
Auch die US 5,313,326 A, die WO 2014/041689 A, die US 2015/0362221 A1 und die US 2018/252917 A1 zeigen Head-Up-Displays bei denen ein Faltspiegel zum Einsatz kommt, dessen Einfallswinkel und Ausfallswinkel ungleich sind.
Bei diesen bekannten Head-Up-Displays ist der Faltspiegel, dessen Einfallswinkel und Ausfallswinkel ungleich sind, im Abbildungspfad angeordnet. Dort kann der diese Eigenschaft aufweisende Faltspiegel einen ungünstigen Einfluß auf die Bildqualität und/ oder die Störlichtempfindlichkeit haben.
Aus der US 2010/0195022 A1 ist eine Hintergrundbeleuchtung für eine Flüssigkristallanzeige bekannt, bei dem eine Kante eines Lichtleiters mit einer Vielzahl von reflektierenden Flächen versehen ist, die einen eng gebündelten Laserstrahl in ein breites Lichtbündel aufweiten. Die Verwendung einer Laserlichtquelle ist bei Head-Up-Displays allerdings hauptsächlich bei Anwendung von Mikro-Spiegel-Einheiten (sog. DMD, englisch: Digital Micro Mirror Device) bekannt, die einen Lichtstrahl sehr geringen Querschnitts mit geringem Öffnungswinkel erfordern.
Ein gegenüber den bekannten Head-Up-Displays verbessertes Head-Up-Display ist erwünscht.
Erfindungsgemäß ist der Faltspiegel, dessen Einfallswinkel und Ausfallswinkel ungleich sind, zwischen einer Lichtquelle und einem von dieser durchleuchteten Anzeigeelement, also im Beleuchtungspfad, angeordnet. Dies hat den Vorteil, daß ein ungünstiger Einfluß des Faltspiegels auf die Bildqualität und/ oder die Störlichtempfindlichkeit vermieden wird. Die Anordnung des Faltspiegels im Beleuchtungspfad hat weiterhin den Vorteil, eine Spreizung des Beleuchtungsbündels und ein Polarisationsrecycling zu ermöglichen. Ein weiterer Vorteil bezieht sich auf den Bauraum. Dieser Bauraumvorteil basiert auf der freieren Positionierbarkeit der Lichtquelle bei gleichzeitiger Einhaltung des Wunschwinkels im Bereich des Displays. Die kleinere Lichtquelle spart zusätzlich Platz in der Realisierungsform, beispielsweise als Leuchtdioden mit Kollimatoren.
Vorteilhafterweise ist die Differenz zwischen Einfallswinkel und Ausfallswinkel des Faltspiegels positionsabhängig. An unterschiedlichen Stellen des Faltwinkels auftreffende parallele Einfallsstrahlen werden somit mit unterschiedlichen Ausfallswinkeln reflektiert. Die ist besonders einfach über Fresnelstrukturen erreichbar, und hat den Vorteil, daß eine Aufweitung des einfallenden Lichtbündels und eine ortsabhängige Verteilung der Intensität des reflektierten Lichtbündels erzielbar ist. Strenggenommen ist ein optisches Element mit den genannten Eigenschaften kein Faltspiegel mehr. Diese Bezeichnung wird aber hierin weiterhin verwendet, um das optische Element zu benennen, das erfindungsgemäß anstelle eines herkömmlichen Faltspiegels angeordnet ist.
Vorteilhaft weist der Faltspiegel an seiner reflektierenden Oberfläche viele Mikrostrukturen auf, die jede für sich die bekannte Regel, daß Einfallswinkel gleich Ausfallswinkel ist, erfüllt. Auf diese Weise ist der Faltspiegel besonders einfach herstellbar.
Gemäß einer Variante der Erfindung weisen die Mikrostrukturen in sich eine Krümmung auf. Dies ermöglicht es vorteilhafterweise, eine oder mehrere weitere Funktionen in den Faltspiegel zu integrieren.
Gemäß einer Variante der Erfindung weisen die Mikrostrukturen leichte Steigungsabweichungen von ihrer idealen Steigung auf. Vorteilhafterweise sind leichte Steigungsabweichungen in die Mikrostrukturen eingebracht. Dies ermöglicht es, beispielsweise im Falle einer Fresnelstruktur möglicherweise auftretende Streifen in der Lichtverteilung zu verwischen. Eine Integration einer Streufunktion in den Faltspiegel ist somit ermöglicht.
Gemäß einer Variante der Erfindung erfolgt eine Ausnutzung der Lücken zum Polarisationsrecyling. Im Falle eine Fresnelstruktur wird die Querschnittsfläche des Lichtbündels in einer Richtung (von h‘ auf h) gespreizt, indem an einzelnen Segmenten reflektiert wird. Jedes Segment enthält aber auch eine Rücksprungseite, die erforderlich ist, aber nicht an der primären Umlenkfunktion beteiligt ist. Diese kann man für Polarisationsrecycling nutzen: Nach dem Faltspiegel bringt man eine optische Funktion ein, die die unerwünschte Polarisationskomponente zu dem Faltspiegel zurückreflektiert, vorzugweise auf die Rücksprungseiten der Segmente konzentriert. Diese sind mit einer Funktion zu versehen, die die Lichtpolarisation verändert, im Idealfall um 90 Grad dreht und wieder zurück zu dem Polarisationsreflektierenden Komponente wirft. Hier kann dann wenigstens ein Teil des ursprünglich falsch polarisierten Lichtes passieren und in der gewünschten Polarisationsrichtung genutzt werden.
Gemäß einer Variante der Erfindung ist ein Pentaspiegelansatz vorgesehen. Dies hat den Vorteil, daß der Pentaspiegelansatz den Ablenkwinkel unempfindlich gegen Abweichungen des makroskopischen Spiegelwinkels macht. Die Mikrostruktur wird wie bei einem Pentaspiegel so angelegt, dass das Licht eine gerade Anzahl von Reflexionen durchläuft, um umgelenkt zu werden. Bei einfacher Reflektion beträgt der Winkelfehler des Ausgangslichts etwa dem Doppelten Betrag des Winkelfehlers des Spiegels. Hat man zwei Spiegel in einer gemeinsamen mechanischen Anordnung, die die Gesamtreflektion bewirkt, heben sich der Winkelfehler des ersten und des zweiten Spiegels weitgehend auf. Damit ist die Orientierung dieser Komponente deutlich weniger kritisch für die Ausgangslichtrichtung. Das System wird toleranter gegenüber Montagetoleranzen.
Vorteilhaft ist ebenfalls eine kaskadierte Ausführung mit zwei Faltspiegeln und Aufspreizung in zwei Richtungen.
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 die bildgebende Einheit eines Head-Up-Displays;
Fig. 3 zeigt schematisch die bildgebende Einheit eines erfindungsgemäßen Head-Up-Displays;
Fig. 4 zeigt schematisch einen Faltspiegel eines erfindungsgemäßen Head-Up-Displays;
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 gemäß dem Stand der Technik für ein Kraftfahrzeug. Das Head-Up-Display weist eine bildgebende Einheit 1 , eine Optikeinheit 2 und eine Spiegeleinheit 3 auf. Von einem Anzeigeelement 11 geht ein Strahlenbündel SB1 aus, welches von einem Faltspiegel 21 auf einen gekrümmten Spiegel 22 reflektiert wird, der es Richtung Spiegeleinheit 3 reflektiert. Die Spiegeleinheit 3 ist hier als Windschutzscheibe 31 eines Kraftfahrzeugs dargestellt. Von dort gelangt das Strahlenbündel SB2 in Richtung eines Auges 61 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 2 und Spiegeleinheit 3 ist das virtuelle Bild VB eine vergrößerte Darstellung des vom Anzeigeelement 11 angezeigten Bildes. Hier sind symbolisch eine Geschwindigkeitsbegrenzung, die aktuelle Fahrzeuggeschwindigkeit sowie Navigationsanweisungen dargestellt. So lange sich das Auge 61 innerhalb der durch ein Rechteck angedeuteten Eyebox 62 befindet, sind alle Elemente des virtuellen Bildes für das Auge 61 sichtbar. Befindet sich das Auge 61 außerhalb der Eyebox 62, so ist das virtuelle Bild VB für den Betrachter nur noch teilweise oder gar nicht sichtbar. Je größer die Eyebox 62 ist, desto weniger eingeschränkt ist der Betrachter bei der Wahl seiner Sitzposition.
Die Krümmung des gekrümmten Spiegels 22 ist an die Krümmung der Windschutzscheibe 31 angepasst und sorgt dafür, dass die Bildverzeichnung über die gesamte Eyebox 62 stabil ist. Der gekrümmte Spiegel 22 ist mittels einer Lagerung 221 drehbar gelagert. Die dadurch ermöglichte Drehung des gekrümmten Spiegels 22 ermöglicht ein Verschieben der Eyebox 62 und somit eine Anpassung der Position der Eyebox 62 an die Position des Auges 61. Der Faltspiegel 21 dient dazu, dass der vom Strahlenbündel SB1 zurückgelegte Weg zwischen Anzeigeelement 11 und gekrümmtem Spiegel 22 lang ist, und gleichzeitig die Optikeinheit 2 dennoch kompakt ausfällt. Die Optikeinheit 2 wird durch eine transparente Abdeckung 23 gegen die Umgebung abgegrenzt. Die optischen Elemente der Optikeinheit 2 sind somit beispielsweise gegen im Innenraum des Fahrzeugs befindlichen Staub geschützt. Ein Blendschutz 24 dient dazu, das über die Grenzfläche der Abdeckung 23 reflektierte Licht sicher zu absorbieren, sodass keine Blendung des Betrachters hervorgerufen wird. Außer dem Sonnenlicht SL kann auch das Licht einer anderen Störlichtquelle 64 auf das Anzeigeelement 11 gelangen.
Fig. 2 zeigt schematisch die bildgebende Einheit 1 eines Head-Up-Displays. Man erkennt die Lichtquelle 12, deren Licht von einem Kollimator 13 kollimiert wird. Das kollimierte Lichtbündel weist in der Bildebene eine Höhe h auf. Es wird von einem im Winkel von a=45° angeordneten Spiegel 14 reflektiert und durchleuchtet das Anzeigeelement 11 , von wo aus es als Strahlenbündel SB1 in die hier nicht dargestellte Optikeinheit 2 eintritt. Fig. 3 zeigt schematisch die bildgebende Einheit eines erfindungsgemäßen Head-Up-Displays. Man erkennt den erfindungsgemäßen Faltspiegel 15, der in einem Winkel von ß<45° angeordnet ist. Aufgrund seiner Eigenschaft, daß Einfallswinkel und Ausfallswinkel ungleich sind, ändert sich an der prinzipiellen Richtung des auf ihn von der Lichtquelle 12 her kommenden Lichts und des von ihm Richtung Anzeigeelement 11 reflektierten Lichts im Vergleich zur vorhergehenden Abbildung nichts. Allerdings fallen die Ausdehnung der Lichtquelle 12 und des Kollimators 13, sowie die Höhe h' des kollimierten Lichtbündels kleiner aus als zur vorhergehenden Abbildung. Eine Bauraumeinsparung ist somit realisiert. Die Höhe h' in dieser Abbildung ist kleiner als die Höhe h in der vorhergehenden Abbildung. Dies bedeutet nicht nur, daß der Raumbedarf der Anordnung kleiner ist, sondern auch, daß die Beleuchtungseinheit, hier die Lichtquelle 12, nur ein flacheres Lichtbündel zu erzeugen hat, womit auch die Lichtquelle 12 kompakter ausfällt. Ein ebenfalls wichtiger Bauraumvorteil basiert auf der freieren Positionierbarkeit der Lichtquelle bei gleichzeitiger Einhaltung des Wunschwinkels im Bereich des Displays. Die kleinere Lichtquelle spart zusätzlich Platz in der Realisierungsform, beispielsweise als Leuchtdioden.
Fig. 4 zeigt schematisch einen Faltspiegel 15 eines erfindungsgemäßen Head-Up-Displays. Man erkennt, daß der Faltspiegel 15 an seiner reflektierenden Oberfläche viele Mikrostrukturen 16 aufweist, die jede für sich die bekannte Regel, daß Einfallswinkel gleich Ausfallswinkel ist, erfüllt. Die Mikrostrukturen 16 weisen in einer vorteilhaften Weiterbildung, in der Abbildung nicht gezeigt, in sich eine Krümmung auf, die zu einer Aufweitung des reflektierten Strahlenbündels führt. Makroskopisch betrachtet ist aber der Einfallswinkel 91 des Faltspiegels 15 größer als dessen Ausfallswinkel 92. Man erkennt ein sich kaum aufweitendes Einfallstrahlenbündel ESB, welches nach Reflexion am Faltspiegel 15 als Ausfallstrahlenbündel ASB eine stärkere Aufweitung aufweist. In der reinen Form sind die mikrostrukturierten Flächen nicht gekrümmt. Das wird erst in der genannten Weiterbildung relevant, bei der die Streifenbildung reduzieren ist. Gemäß einer Weiterbildung ermöglichen es gekrümmte mikrostrukturierte Flächen, dem Faltspiegel eine zusätzliche Funktion zu geben. Durch diese zusätzliche Funktion ist er dann strenggenommen nicht mehr als Faltspiegel zu bezeichnen. Beim Faltspiegel sind verschiedene Varianten zu unterscheiden. Man kann die Spiegelfunktion krümmen, um das Lichtbündel zu formen. In diesem Fall wird also kein flacher Spiegel „fresnelliert/segmentiert“, sondern ein gekrümmter Spiegel. Oder man kann die Flächen der Segmente manipulieren, was im Allgemeinen in Richtung einer Streufunktion geht, um die Lichtverteilung zu homogenisieren. Beides ist möglich und potentiell von Vorteil.
Vorkollimierte Lichtquellen, die gegebenenfalls aus mehreren nebeneinander angeordneten Einzellichtquellen, sogenannten Arrays bestehen, strahlen entweder direkt auf Diffusoren hinter dem Anzeigeelement, im folgenden auch als Display bezeichnet, oder werden vorher durch möglicherweise gekrümmte Faltspiegel umgelenkt. Bei diesen gilt makroskopisch Einfallswinkel=Ausfallswinkel. Das führt zu Bauraumkonflikten. In den Ecken/Kanten zwischen Arrayzellen können besonders starke Färb- und Helligkeitsabweichungen auftreten. Oftmals werden als Lichtquellen Leuchtdioden (englisch: LED, Light Emitting Diode) verwendet. Die nicht zum Display-Polarisator passende Polarisationsrichtung des LED-Lichts wird vom Display abgehalten und geht verloren. Eine Verkippung des Faltspiegels um einen Winkel ändert den Winkel des beleuchtenden Lichts um den doppelten Winkel.
Solche Lösungen haben den Nachteil eines erhöhten Bauraumbedarfs, der die Bildgröße einschränkt, der Erfordernis von Arrays mit relativ hohen Zeilenzahlen, Färb- und Helligkeitsinhomogenitäten, sowie Effizienzeinbußen durch Verlust einer Polarisationskomponente. Verbesserte Konzepte für Bilderzeugungseinheiten, die mit gegeben Bauraumanforderungen in Einklang zu bringen sind, sind erwünscht.
Kernidee der Erfindung ist ein fein gestufter Faltspiegel 15, der makroskopisch von Einfallswinkel=Ausfallswinkel eines herkömmlichen Spiegels 14 abweicht, siehe Fig.4. Die so gewonnenen Eigenschaften und Freiheiten eröffnen einen ganzen Strauß von Designmöglichkeiten mit Vorteilen über die Bauraumersparnis hinaus.
Damit gibt es erfindungsgemäß einerseits besonders platzsparende Möglichkeiten, den Strahlengang der Bilderzeugungseinheit 1 in den Bauraum zu falten. Die Lichtverteilung wird aufgespreizt, indem sie in Streifen geteilt wird, die auseinandergezogen werden. Dadurch kann die ursprüngliche Beleuchtungseinheit verkleinert werden. Das hilft, Arraygrenzen im Bildbereich zu vermeiden und die Homogenität zu verbessern. Ausführungsvananten erlauben toleranzunempfindliche Designs und Effizienzsteigerung durch Polarisationsrecycling. Vorzugsweise wird der erfindungsgemäße Faltspiegel mittels Hologrammtechnologie ausgeführt. Bei Ausführung mittels Hologramm kann die Hologrammstruktur so ausgelegt werden, daß zumindest vom menschlichen Benutzer keine Aufspaltung in Streifen feststellbar ist.
Weitere, hier nicht dargestellte Ausführungsvananten sind: Transmissive Ausführung, ggf. unter Nutzung von Totalreflexion. Ausführung nach dem Pentaspiegelansatz. Kaskadierte Ausführung. Rückreflektion in den Lücken zum Polarisationsrecycling. Gekrümmte Ausführung.
Erfindungsgemäß wird der Faltspiegel, dessen Einfallswinkel und Ausfallswinkel unterschiedlich sind, im Beleuchtungspfad angeordnet. Dies bringt diverse zusätzliche Vorteile, wie die Spreizung des Beleuchtungsbündels und die Möglichkeit zum Polarisationsrecycling. Gemäß einer bevorzugten Variante wird als Lichtquelle kein Laser verwendet. Dies ermöglicht es, den Streuwinkel der Lichtquelle passend auslegen, um die dunklen Lücken besser auszufüllen. Erfindungsgemäß werden TIR- und Penta-Varianten ermöglicht mit den Vorzügen "keine Beschichtung erforderlich" und "toleranzunempfindlich".

Claims

Patentansprüche
1. Head-Up-Display für ein Fortbewegungsmittel, mit:
- einer bildgebenden Einheit (1 ) zum Erzeugen eines Bildes;
- einer Optikeinheit (2) zum Projizieren des Bildes durch eine Spiegeleinheit (3); und
- einem Faltspiegel (15), dessen Einfallswinkel (91 ) und Ausfallswinkel (92) ungleich sind, wobei der Faltspiegel (15) zwischen einer Lichtquelle (12) und einem von dieser durchleuchteten Anzeigeelement (11 ) angeordnet ist.
2. Head-Up-Display gemäß Anspruch 1 , wobei die Differenz (91- 92) zwischen Einfallswinkel (91 ) und Ausfallswinkel (92) über die Fläche des Faltspiegels (15) positionsabhängig ist.
3. Head-Up-Display gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Faltspiegel (15) an seiner reflektierenden Oberfläche viele Mikrostrukturen (16) aufweist, die jede für sich die bekannte Regel, daß Einfallswinkel gleich Ausfallswinkel ist, erfüllt.
4. Head-Up-Display gemäß Anspruch 3, wobei die Mikrostrukturen (16) in sich eine Krümmung aufweisen.
5. Head-Up-Display gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 3-4, wobei die Mikrostrukturen (16) leichte Steigungsabweichungen von ihrer idealen Steigung aufweisen.
6. Head-Up-Display gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Ausnutzung der Lücken zum Polarisationsrecyling erfolgt.
7. Head-Up-Display gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Pentaspiegelansatz vorgesehen ist.
8. Head-Up-Display gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwei Faltspiegel kaskadiert angeordnet sind und eine Aufspreizung in zwei Richtungen erfolgt.
PCT/DE2021/200165 2020-10-29 2021-10-26 Head-up-display bilderzeugungseinheit mit faltspiegel Ceased WO2022089697A1 (de)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US18/034,185 US20230393389A1 (en) 2020-10-29 2021-10-26 Head-up display image generating unit with cascaded mirror
CN202180069098.4A CN116324568A (zh) 2020-10-29 2021-10-26 具有折叠式反射镜的平视显示器图像生成单元

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102020213659 2020-10-29
DE102020213659.9 2020-10-29
DE102020215887.8 2020-12-15
DE102020215887.8A DE102020215887B4 (de) 2020-10-29 2020-12-15 Head-Up-Display Bilderzeugungseinheit mit Faltspiegel

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2022089697A1 true WO2022089697A1 (de) 2022-05-05

Family

ID=81184327

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/DE2021/200165 Ceased WO2022089697A1 (de) 2020-10-29 2021-10-26 Head-up-display bilderzeugungseinheit mit faltspiegel

Country Status (4)

Country Link
US (1) US20230393389A1 (de)
CN (1) CN116324568A (de)
DE (1) DE102020215887B4 (de)
WO (1) WO2022089697A1 (de)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP7409953B2 (ja) * 2020-04-27 2024-01-09 マクセル株式会社 光源装置およびヘッドアップディスプレイ装置
CN119472072B (zh) * 2025-01-16 2025-03-14 成都工业学院 一种基于视区叠加的增强立体显示装置

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4102678A1 (de) 1990-02-08 1991-08-14 Smiths Industries Plc Headup-anzeigevorrichtung
US5313326A (en) 1991-10-04 1994-05-17 Pilkington Plc Car head-up display including a Fresnel mirror and a curved mirror
US20100195022A1 (en) 2007-07-17 2010-08-05 Shinichi Shikii Liquid crystal display backlight device and liquid crystal display
WO2014041689A1 (ja) 2012-09-14 2014-03-20 パイオニア株式会社 ヘッドアップディスプレイ
US20150362221A1 (en) 2014-06-12 2015-12-17 Raytheon Company Frequency-matched cryocooler scaling for low-cost, minimal disturbance space cooling
US20160209649A1 (en) * 2013-08-28 2016-07-21 Nippon Seiki Co., Ltd. Backlight unit and display device
US20180217488A1 (en) * 2015-07-27 2018-08-02 Valeo Comfort And Driving Assistance Compact head-up display
US20180252917A1 (en) 2017-03-06 2018-09-06 Yazaki Corporation Display Image Projection Apparatus and Display Image Projection System
WO2018208618A1 (en) * 2017-05-08 2018-11-15 Reald Spark, Llc Optical stack for imaging directional backlights
US20190212560A1 (en) * 2016-08-08 2019-07-11 Maxell, Ltd. Head-up display apparatus and image display apparatus thereof

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100705737B1 (ko) 2005-04-08 2007-04-09 강봉섭 다중 반사면의 반사판을 구비한 백라이트 유닛
JP5904627B2 (ja) * 2010-03-18 2016-04-13 矢崎総業株式会社 ヘッドアップディスプレイ装置の製造方法

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4102678A1 (de) 1990-02-08 1991-08-14 Smiths Industries Plc Headup-anzeigevorrichtung
US5313326A (en) 1991-10-04 1994-05-17 Pilkington Plc Car head-up display including a Fresnel mirror and a curved mirror
US20100195022A1 (en) 2007-07-17 2010-08-05 Shinichi Shikii Liquid crystal display backlight device and liquid crystal display
WO2014041689A1 (ja) 2012-09-14 2014-03-20 パイオニア株式会社 ヘッドアップディスプレイ
US20160209649A1 (en) * 2013-08-28 2016-07-21 Nippon Seiki Co., Ltd. Backlight unit and display device
US20150362221A1 (en) 2014-06-12 2015-12-17 Raytheon Company Frequency-matched cryocooler scaling for low-cost, minimal disturbance space cooling
US20180217488A1 (en) * 2015-07-27 2018-08-02 Valeo Comfort And Driving Assistance Compact head-up display
US20190212560A1 (en) * 2016-08-08 2019-07-11 Maxell, Ltd. Head-up display apparatus and image display apparatus thereof
US20180252917A1 (en) 2017-03-06 2018-09-06 Yazaki Corporation Display Image Projection Apparatus and Display Image Projection System
WO2018208618A1 (en) * 2017-05-08 2018-11-15 Reald Spark, Llc Optical stack for imaging directional backlights

Also Published As

Publication number Publication date
CN116324568A (zh) 2023-06-23
DE102020215887B4 (de) 2022-12-08
US20230393389A1 (en) 2023-12-07
DE102020215887A1 (de) 2022-05-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE69009569T2 (de) Blickrichtungsanzeige für Kraftfahrzeuge.
EP3729170B1 (de) Optisches system zum übertragen eines quellbildes
DE102011075884A1 (de) HUD mit holographischen optischen Elementen
EP3807702B1 (de) Gerät zum generieren eines virtuellen bildes mit störlichtunterdrückung
EP3807695B1 (de) Lichtwellenleiter für ein anzeigegerät
DE102012219723A1 (de) Blickfeldanzeigegerät und Verfahren zum Projizieren einer Information für einen Fahrer eines Fahrzeugs
DE102011075205A1 (de) Anzeigevorrichtung für ein Fahrzeug, Fahrzeug mit einer Anzeigevorrichtung sowie Verfahren zum Anzeigen einer Bildinformation
DE102020215887B4 (de) Head-Up-Display Bilderzeugungseinheit mit Faltspiegel
DE102017130376A1 (de) Anzeigevorrichtung als Head-up Display mit einfacher Eyebox-Verschiebung
DE10157605C1 (de) Projektionsvorrichtung zur Erzeugung eines Bildes
DE102016225994A1 (de) Projektionsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug und Verfahren zur Anzeige eines virtuellen Bildes für einen Fahrer eines Kraftfahrzeugs
DE102020205437B3 (de) Head-Up-Display mit Lamellenelement sowie Verfahren zur Herstellung eines entsprechenden Lamellenelements
DE4102678A1 (de) Headup-anzeigevorrichtung
EP4487165A1 (de) Wellenfrontmanipulator mit totalreflexion und reflexionshologramm
DE102022205445A1 (de) Bildgebende Einheit für ein Head-Up-Display
EP4198610B1 (de) Head-up-display bilderzeugungseinheit mit faltspiegel
DE102021214549B3 (de) Head-Up-Display Bilderzeugungseinheit mit Faltspiegel
EP3807706A1 (de) Gerät zum erzeugen eines virtuellen bildes mit feldpunktabhängiger apertur
WO2019238856A1 (de) Gerät zum generieren eines virtuellen bildes mit mikrolichtquellen
DE102009032141A1 (de) Projektionseinheit für ein Head-Up-Display und Head-Up-Display
DE102022210445A1 (de) Anzeigeeinrichtung mit Diffusor
DE102022211404B3 (de) Anzeigevorrichtung mit Lichtwellenleiter
DE102024118519B3 (de) Head-up-Display mit einem dispersionsfreien strukturierten Deckglas mit elastischen refraktiven Arraystrukturen
DE102019131730A1 (de) Blickfeldanzeigevorrichtung für ein Fahrzeug
DE102021207976B3 (de) Abdeckanordnung und Head-Up-Display für ein Fortbewegungsmittel mit einer solchen Abdeckanordnung

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 21805370

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 18034185

Country of ref document: US

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 21805370

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1