WO2022156924A1

WO2022156924A1 - Head-up-display mit einem spiegelkabinett zur bauraumreduktion

Info

Publication number: WO2022156924A1
Application number: PCT/EP2021/077917
Authority: WO
Inventors: Michael Arthur Janzer; Armin Wagner-Gentner
Original assignee: Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft
Priority date: 2021-01-22
Filing date: 2021-10-08
Publication date: 2022-07-28
Also published as: CN116635770A; DE102021101433A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Projektionseinheit für eine Blickfeldanzeigevorrichtung, insbesondere zum Einsatz in einem Fahrzeug, umfassend: eine bildgebende Einheit zur Erzeugung eines Lichtstrahlenbündels mit einem Anzeigeinhalt und ein Spiegelkabinett, das auf seinen gegenüberliegenden Seiten einen Wire-Grid-Polarisator und einen Reflektor aufweist und so ausgebildet ist, dass das von der bildgebenden Einheit erzeugte Lichtstrahlenbündel in das Spiegelkabinett durch den Wire-Grid- Polarisator eingekoppelt und nach einer vorbestimmten Anzahl von Reflexionen vom Reflektor zum Wire-Grid-Polarisator und umgekehrt aus dem Spiegelkabinett ausgekoppelt wird; wobei die Projektionseinheit zum Erzeugen eines virtuellen Anzeigebilds im Blickfeld eines Benutzers ausgebildet ist, indem sie das Lichtstrahlenbündel auf eine im Blickfeld des Benutzers angeordnete, zumindest teilweise transparente Reflexionsscheibe wirft, von der es zu den Augen des Benutzers reflektiert wird.

Description

Beschreibung

Head-Up-Display mit einem Spieqelkabinett zur Bauraumreduktion

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft eine Projektionseinheit für eine Blickfeldanzeigevorrichtung, die insbesondere in einem Kraftfahrzeug oder einem andersartigen Fahrzeug zum Einsatz kommen kann. Die Blickfeldanzeigevorrichtung ist zur Erzeugung eines ins Blickfeld eines Benutzers eingeblendeten virtuellen Anzeigebilds über Reflexion an einer zumindest teilweise transparenten Reflexionsscheibe, insbesondere einer Frontscheibe des Fahrzeugs, ausgebildet. Die Erfindung richtet sich auch auf ein Verfahren zum Betrieb der Projektionseinheit und eine entsprechende Blickfeldanzeigevorrichtung sowie auf ein damit ausgestattetes Fahrzeug.

Technischer Hintergrund

Blickfeldanzeigevorrichtungen sind insbesondere unter der Bezeichnung Head- Up-Display (HUD) bekannt. Beispielsweise in einem Kraftfahrzeug kann damit ein gewünschter Anzeigeinhalt, etwa eine Angabe über eine Geschwindigkeitsbegrenzung oder andere nützliche Navigations- und Fahrzeugbedienungshinweise oder Entertainment-Inhalte, in Form eines virtuellen Anzeigebilds dem vom Fahrer oder einem anderen Insassen beobachteten realen Umgebungsbild vor dem Fahrzeug überlagert werden. Hierzu umfasst eine Blickfeldanzeigevorrichtung in klassischer Bauweise eine unterhalb einer Oberseite der Instrumententafel untergebrachte Projektionseinheit. Diese enthält in aller Regel eine bildgebende Einheit, beispielsweise ein Display, zur Erzeugung eines Lichtstrahlenbündels mit gewünschtem Anzeigeinhalt sowie eine geeignete Abbildungs- und Projektionsoptik, um das Lichtstrahlenbündel so auf die Frontscheibe des Kraftfahrzeugs oder eine davor vorgesehene Combinerscheibe zu werfen, dass es von dieser zu den Augen des Benutzers reflektiert wird, um das virtuelle Anzeigebild in seinem Blickfeld entstehen zu lassen.

Bei der klassischen Bauweise der HUD-Projektionseinheit umfasst die Abbildungs- und Projektionsoptik im Strahlengang nach dem Display typischerweise einen Konkavspiegel, dessen Größe in der Regel linear mit dem HUD-Bild skaliert. Bauraum ist aber im Bereich der Instrumententafel eines Kraftfahrzeugs meist nur sehr begrenzt vorhanden. Dem steht gegenüber, dass Head-Up-Displays in Kraftfahrzeugen immer größere Bilder anzeigen und für immer weitere Anwendungen wie Augmented Reality (AR, erweiterte Realität) oder Entertainment geeignet sein sollen.

Da ein größeres virtuelles Anzeigebild bei einem klassischen HUD-Konzept auch immer eine größere Projektionseinheit benötigt, besteht hier also ein klassischer Zielkonflikt zwischen Integration und User-Experience. Ein klassisches HUD hat darüber hinaus meist nur eine statische Bildebene in einer definierten Entfernung, was seinen Anwendungsbereich wiederum stark einschränkt.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Projektionseinheit für eine Blickfeldanzeigevorrichtung anzugeben, mit der es möglich ist, den Bauraumbedarf zu reduzieren, ohne die Darstellungsmöglichkeiten für das virtuelle Anzeigebild zu beschneiden und/oder sogar mit erweiterten Darstellungsmöglichkeiten für das virtuelle Anzeigebild. Insbesondere soll dadurch die Eignung der Blickfeldanzeigevorrichtung für den Einsatz in einem Kraftfahrzeug oder einem anderen Land-, Luft- oder Wasserfahrzeug zu den oben genannten Zwecken verbessert werden. Offenbarung der Erfindung

Diese Aufgabe wird durch eine Projektionseinheit gemäß Anspruch 1 , ein zugehöriges Betriebsverfahren, eine entsprechende Blickfeldanzeigevorrichtung und ein damit ausgestattetes Fahrzeug gemäß den nebengeordneten Ansprüchen gelöst.

Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Alle in den Ansprüchen und der nachfolgen Beschreibung für die Projektionseinheit genannten weiterführenden Merkmale und Wirkungen gelten auch in Bezug auf deren Betriebsverfahren, die Blickfeldanzeigevorrichtung sowie auf das Fahrzeug, wie auch umgekehrt.

Gemäß einem ersten Aspekt ist eine Projektionseinheit für eine Blickfeldanzeigevorrichtung vorgesehen, die insbesondere zum Einsatz in einem Kraftfahrzeug oder einem beliebigen anderen Land-, Luft- oder Wasserfahrzeug ausgebildet sein kann. Es kann sich bei der Blickfeldanzeigevorrichtung insbesondere um ein Head-Up-Display (HUD) handeln.

Die Projektionseinheit weist eine bildgebende Einheit (auch PGU, Picture Generating Unit, genannt) auf, die dazu ausgebildet ist, ein Lichtstrahlenbündel mit einem gewünschten Anzeigeinhalt zu erzeugen. Es kann sich hierbei um jede geeignete bildgebende Vorrichtung handeln, beispielsweise um einen LCD (Liquid Crystal Display), DMD (Digital Micromirror Device), LCOS (Liquid Crystal on Silicon) oder ein selbstleuchtendes Display auf pLED- oder OLED- Basis etc.

Des Weiteren umfasst die Projektionseinheit ein Spiegelkabinett, dessen gegenüberliegende Seiten durch einen Wire-Grid-Polarisator und einen Reflektor zur optischen Faltung des von der bildgebenden Einheit erzeugten Lichtstrahlenbündels gebildet sind. Der Wire-Grid-Polarisator (auch als Drahtgitterpolarisator bekannt) hat dabei die Eigenschaft, Licht mit linearer Polarisation in dessen Durchlassrichtung, die senkrecht zu der Drahtausrichtung ist, durchzulassen und Licht, das in hierzu senkrechter Richtung (d. h. parallel zu den Drähten) polarisiert ist, zu reflektieren. Der gegenüber dem Wire-Grid-Polarisator angeordnete Reflektor kann je nach Anforderungen der Anwendung, insbesondere je nach der gewünschten Anzahl der Rückreflexionen des Lichtstrahlenbündels im Spiegelkabinett, mit unterschiedlichen Reflexionseigenschaften ausgestattet sein. Er kann beispielsweise als ein konventioneller Planspiegel oder aber zu einer bestimmten polarisationsabhängigen Reflexion ausgebildet sein.

Das Spiegelkabinett ist dabei so relativ zur bildgebenden Einheit angeordnet und ausgelegt, dass das von der bildgebenden Einheit erzeugte Lichtstrahlenbündel in das Spiegelkabinett durch den Wire-Grid-Polarisator eingekoppelt wird, innerhalb des Spiegelkabinetts eine vorbestimmte Anzahl von Rückreflexionen an dem Reflektor und an dem Wire-Grid-Polarisator erfährt und anschließend aus dem Spiegelkabinett ausgekoppelt wird.

Der Wire-Grid-Polarisator und der Reflektor können dabei insbesondere in etwa parallel zueinander in einem Abstand von beispielsweise etwa 5 mm bis etwa 100 mm angeordnet sein, was wiederum je nach räumlichen und optischen Anforderungen einer konkreten Anwendung unterschiedlich gewählt sein kann. Dieser Abstand wird hierin auch als Dicke des Spiegelkabinetts bezeichnet. Er kann beispielsweise innenseitig an den gegenüberliegenden Seitenflächen des Spiegelkabinetts gemessen werden. Die Dicke des Spiegelkabinetts kann bei der Projektionseinheit der hierin dargelegten Art feststehend (statische Variante des Spiegelkabinetts) oder aber verstellbar (dynamische Variante des Spiegelkabinetts) sein, um die optische Weglänge des Lichtstrahlenbündels im Spiegelkabinett variieren zu können.

Im Strahlengang des aus dem Spiegelkabinett ausgekoppelten Lichtstrahlenbündels kann die Projektionseinheit insbesondere ferner eine geeignete Abbildungs- und/oder Projektionsoptik, beispielsweise einen Konkavspiegel und/oder einen weiteren Faltspiegel, aufweisen.

Die Blickfeldanzeigevorrichtung umfasst ferner eine außerhalb der Projektionseinheit angeordnete, zumindest teilweise transparente Reflexionsscheibe, die beispielsweise durch eine Frontscheibe des Fahrzeugs gebildet sein kann oder eine extra vorgesehene Combinerscheibe im Blickfeld eines Benutzers sein kann. Die Projektionseinheit ist dabei dazu ausgebildet, ein Lichtstrahlenbündel mit Anzeigeinhalt auszugeben, das von der im Blickfeld des Benutzers angeordneten Reflexionsscheibe zu seinen Augen reflektiert werden kann, so dass im Blickfeld des Benutzers vor oder hinter der Reflexionsscheibe ein virtuelles Anzeigebild entsteht.

Eine Idee der hierin vorgestellten Projektionseinheit besteht darin, deren Bauraumbedarf durch eine Art Spiegelkabinett zu reduzieren. Dabei benutzt das Licht mehrmals den gleichen Bauraum, so dass das System insgesamt erheblich kleiner gemacht werden kann. Nachfolgend werden einige verschiedene Ausgestaltungsmöglichkeiten einer solchen Vorrichtung beschrieben.

Durch das hierin vorgestellte Spiegelkabinett kann daher insbesondere der eingangs genannte Zielkonflikt zwischen Integration und User-Experience bei einer Blickfeldanzeigevorrichtung deutlich gemildert werden. Das Spiegelkabinett kann zudem optional eine Möglichkeit bereitstellen, durch eine bewegbare Ausgestaltung seiner Seiten das virtuelle Anzeigebild entweder in einer entsprechend variablen oder bewegbaren Bildebene, oder auch in mehreren verschiedenen Bildebenen simultan darzustellen. Auch hierfür werden weiter unten einige beispielhafte Ausführungsmöglichkeiten angegeben.

Gemäß einer Ausführungsform ist im Spiegelkabinett ferner ein vor dem Reflektor angeordnetes Polarisationselement vorgesehen, das dazu ausgebildet ist, die lineare Polarisation des eingekoppelten Lichtstrahlenbündels (d. h. eine lineare Polarisation in Durchlassrichtung des Wire-Grid-Polarisators) in eine zirkulare Polarisation umzuwandeln. Mit anderen Worten ist das Polarisationselement ein optisches Bauelement, beispielsweise ein X/4-Plättchen, das Licht einer Polarisationsrichtung um eine Viertel- Wellenlänge gegenüber der hierzu senkrechten Polarisationsrichtung verzögert. Das Polarisationselement kann insbesondere so angeordnet sein, dass es vom Lichtstrahlenbündel vor jedem Auftreffen auf dem Reflektor und nach jeder Reflexion daran passiert wird; dies ist jedoch nicht zwingend.

Bei einer Weiterbildung dieser Ausführungsform ist der Reflektor des Spiegelkabinetts zur Reflexion nur derjenigen Drehrichtung des zirkular polarisierten Lichts, die das Lichtstrahlenbündel nach dem ersten Durchgang des Polarisationselements besitzt, ausgebildet. Dies kann beispielsweise durch eine entsprechend ausgelegte CLC-Beschichtung (Cholesteric Liquid Crystal, d. h. eine cholesterische Flüssigkristallanordnung) realisiert sein.

Bei dieser Weiterbildungsvariante wird das Lichtstrahlenbündel genau einmal vom Reflektor zum Wire-Grid-Polarisator zurückreflektiert. Es durchläuft dabei erneut das Polarisationselement und hat daher beim Auftreffen auf dem Wire- Grid-Polarisator wieder eine lineare Polarisation, diesmal jedoch senkrecht zu dessen Durchlassrichtung. Daher wird das Lichtstrahlenbündel auch vom Wire- Grid-Polarisator einmal zurückreflektiert und erfährt dabei einen Phasensprung von Pi (180°). Danach durchläuft es noch einmal das Polarisationselement und hat beim erneuten Auftreffen auf dem Reflektor eine zirkulare Polarisation mit einer entgegengesetzten Drehrichtung als zuvor. Daher wird das Lichtstrahlenbündel diesmal vom Reflektor durchgelassen, d. h. aus dem Spiegelkabinett nach insgesamt zwei Rückreflexionen wieder ausgekoppelt (vgl. Fig. 1a und 2a).

Bei einer hierzu alternativen Weiterbildung der obigen Ausführungsform ist der Reflektor des Spiegelkabinetts als ein Spiegel ausgebildet, der das Lichtstrahlenbündel jedes Mal zum Wire-Grid-Polarisator zurückreflektiert. Beim ersten Mal erhält das Lichtstrahlenbündel durch das wiederholte Passieren des Polarisationselements eine zur Durchlassrichtung des Wire-Grid-Polarisators senkrechte lineare Polarisation. Es wird daher auch am Wire-Grid-Polarisator zurückreflektiert und erfährt dabei einen Phasensprung von Pi (180°). Nach der erneuten Rückreflexion am Reflektor ist das Licht durch das erneute wiederholte Passieren des Polarisationselements wieder in Durchlassrichtung des Wire-Grid-Polarisators linear polarisiert und wird daher von diesem durchgelassen, d. h. aus dem Spiegelkabinett nach insgesamt drei Rückreflexionen wieder ausgekoppelt (vgl. Fig. 1 b und 2b).

Um das Lichtstrahlenbündel möglichst verlustfrei in das Spiegelkabinett einzukoppeln, kann die bildgebende Einheit beispielsweise zur Erzeugung des Lichtstrahlenbündels mit einer linearen Polarisation in Durchlassrichtung des Wire-Grid-Polarisators ausgebildet sein.

Gemäß einer Ausführungsform ist eine Dicke des Spiegelkabinetts, die einem Abstand zwischen dem Wire-Grid-Polarisators und dem Reflektor entspricht, durch einen bewegbar ausgebildeten Wire-Grid-Polarisator und/oder einen bewegbar ausgebildeten Reflektor verstellbar. Dadurch kann beispielsweise das virtuelle Anzeigebild in unterschiedlichen Anzeigebildentfernungen von dem Benutzer erzeugt werden. Wie weiter oben bereits erwähnt, können sich der Wire-Grid-Polarisator und der Reflektor dabei insbesondere im Wesentlichen parallel zueinander erstrecken.

Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Verfahren zum Betreiben der Projektionseinheit gemäß dieser Ausführungsform vorgesehen, bei dem die Dicke des Spiegelkabinetts durch eine Bewegung des Wire-Grid-Polarisators oder des Reflektors dynamisch verstellt wird.

Dabei kann die Änderung der Dicke des Spiegelkabinetts beispielsweise über einen Zeitabschnitt durchgeführt werden, der länger als eine zeitliche Auflösungsgrenze der Augen des Benutzers ist. Auf diese Weise kann die Anzeigebildentfernung des virtuellen Anzeigebilds merkbar für den Benutzer verändert werden. Eine in diesem Sinne langsame Änderung der Dicke kann beim Benutzer beispielsweise den Eindruck einer Bildebene erzeugen, die sich von ihm weg oder auf ihn zu bewegt. Der Benutzer sieht bei dieser Verfahrensvariante jedoch immer nur eine Bildebene.

Alternativ oder zusätzlich dazu kann eine Einstellung von zwei oder mehr unterschiedlichen Dicken des Spiegelkabinetts schneller durchgeführt werden als es die Augen des Benutzers aufzulösen vermögen. Dadurch kann beim Benutzer der Eindruck von mehreren unterschiedlich weit entfernten Bildebenen zur gleichen Zeit erzeugt werden. Wird dabei die bildgebende Einheit angesteuert, synchron mit der Einstellung der jeweiligen Dicke nur einen zugehörigen Teil des virtuellen Anzeigebilds zu erzeugen, so erscheinen diese unterschiedlichen Teile des virtuellen Anzeigebilds dem Benutzer scheinbar gleichzeitig in voneinander verschiedenen Anzeigebildentfernungen. Diese Verfahrensvariante kann beispielsweise für AR-Anwendungen zur Darstellung an der realen Umgebung orientierter virtueller Bildobjekte in jeweils unterschiedlichen Entfernungen und/oder zur Erzeugung eines dreidimensionalen Effekts im virtuellen Anzeigebild genutzt werden.

Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Blickfeldanzeigevorrichtung vorgesehen, die insbesondere zum Einsatz in einem Kraftfahrzeug oder einem beliebigen anderen Land-, Luft- oder Wasserfahrzeug ausgebildet sein kann. Es kann sich beispielsweise um ein Head-Up-Display (HUD) handeln.

Wie weiter oben bereits erwähnt, umfasst diese Blickfeldanzeigevorrichtung eine Projektionseinheit der hierin dargelegten Art sowie eine im Blickfeld eines Benutzers angeordnete, zumindest teilweise transparente Reflexionsscheibe, die zum Reflektieren des von der Projektionseinheit ausgegebenen Lichtstrahlenbündels zu einem für die Augen des Benutzers vorgesehenen Raumbereich (Eyebox) ausgebildet ist. Dabei sind die Ausgestaltung und die gegenseitige Anordnung der Projektionseinheit und der Reflexionsscheibe so ausgelegt, dass dem Benutzer beim Blick durch die Reflexionsscheibe ein virtuelles Anzeigebild vor oder hinter der Reflexionsscheibe dargestellt wird. Insbesondere kann die Blickfeldanzeigevorrichtung ferner eine Steuerungseinheit zum Betreiben der Projektionseinheit umfassen, die zum automatisierten Ausführen eines weiter oben oder unten beschriebenen

Verfahrens der hierin dargelegten Art ausgebildet und eingerichtet ist.

Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Fahrzeug, insbesondere ein Kraftfahrzeug oder ein beliebiges anderes Land-, Luft- oder Wasserfahrzeug, vorgesehen. Das Fahrzeug umfasst eine Frontscheibe und eine darunter angeordnete Instrumententafel. Ferner umfasst das Fahrzeug eine Blickfeldanzeigevorrichtung der hierin dargelegten Art, deren Reflexionsscheibe durch die Frontscheibe oder eine fahrzeuginnenseitig davor angeordnete Combinerscheibe gebildet ist und deren Projektionseinheit in der Instrumententafel angeordnet ist.

Kurz zusammengefasst: Bereits durch eine statische Ausführung des hierin vorgestellten Spiegelkabinetts, und auch unabhängig von der Wahl seiner spezifischen Konfiguration, kann eine signifikante Reduktion des benötigten HUD-Bauraums durch die mehrfache optische Faltung des optischen Strahlengangs erzielt werden. Dies allein kann schon zu einem enormen Vorteil gegenüber dem Stand der Technik genutzt werden. Hinzu kommt aber noch die Möglichkeit, durch eine Änderung der Dicke des Spiegelkabinetts den Bildabstand zum Benutzer dynamisch zu variieren und/oder mehrere Bildebenen scheinbar gleichzeitig anzuzeigen. Diese dynamische Ausführung des Spiegelkabinetts bietet wiederum einen deutlichen Mehrwert gegenüber einer herkömmlichen klassischen HUD-Bauweise, die nur eine einzige statische Bildebene hat.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Die obigen Aspekte der Erfindung und deren Ausführungsformen und spezifische Ausgestaltungen werden nachfolgend anhand der in den beigefügten Zeichnungen dargestellten Beispiele näher erläutert. Die Zeichnungen sind aus Gründen anschaulicher Darstellung rein schematisch gehalten: Sie sind daher nicht als maßstabsgetreu zu verstehen. Es zeigen: Figur 1a eine seitliche Querschnittsansicht einer ersten Variante der Blickfeldanzeigevorrichtung der hierin dargelegten Art für ein Fahrzeug, in deren Projektionseinheit Ein- und Auskopplung des Lichtstrahlenbündels auf unterschiedlichen Seiten des Spiegelkabinetts ist;

Figur 1 b eine seitliche Querschnittsansicht einer anderen Variante der Blickfeldanzeigevorrichtung der hierin dargelegten Art für ein Fahrzeug, in deren Projektionseinheit Ein- und Auskopplung des Lichtstrahlenbündels auf der gleichen Seite des Spiegelkabinetts ist;

Figur 2a eine vergrößerte seitliche Querschnittsansicht eines Ausschnitts der Projektionseinheit der Blickfeldanzeigevorrichtung der Fig. 1a zur Erläuterung der optischen Komponenten und des Strahlengangs des Lichtstrahlenbündels im Spiegelkabinett;

Figur 2b eine vergrößerte seitliche Querschnittsansicht eines Ausschnitts der Projektionseinheit der Blickfeldanzeigevorrichtung der Fig. 1 b zur Erläuterung der optischen Komponenten und des Strahlengangs des Lichtstrahlenbündels im Spiegelkabinett;

Figur 3 eine seitliche Querschnittsansicht des Spiegelkabinetts gemäß Fig. 2a mit einer dynamisch verstellbaren Dicke zur Änderung der optischen Weglänge;

Figur 4a eine seitliche Querschnittsansicht des Spiegelkabinetts gemäß Fig. 2b mit einer über den bewegbaren Wire-Grid-Polarisator dynamisch verstellbaren Dicke zur Änderung der optischen Weglänge; und Figur 4b eine seitliche Querschnittsansicht des Spiegelkabinetts gemäß Fig. 2b mit einer über den bewegbaren Reflektor dynamisch verstellbaren Dicke zur Änderung der optischen Weglänge.

Beschreibung von Ausführungsformen

Alle weiter oben in der Beschreibung und in den nachfolgenden Ansprüchen erwähnten verschiedenen Ausführungsformen, Varianten und spezifischen Ausgestaltungsmerkmale der Projektionseinheit, der

Blickfeldanzeigevorrichtung, des Verfahrens und des Fahrzeugs gemäß den obigen Aspekten der Erfindung können bei den in den Figuren 1 a bis 4b gezeigten Beispielen implementiert sein. Sie werden daher nachfolgend nicht alle nochmals wiederholt. Das Gleiche gilt entsprechend für die weiter oben bereits angegebenen Begriffsdefinitionen und Wirkungen in Bezug auf einzelne Merkmale, die in den Fig. 1 a-4b gezeigt sind.

Figuren 1a und 1 b zeigen jeweils in einer stark vereinfachten schematischen seitlichen Querschnittsansicht ein Beispiel einer Blickfeldanzeigevorrichtung 1 der hierin dargelegten Art für ein Fahrzeug 2, das in diesem Beispiel ein Kraftfahrzeug ist. Die jeweilige Blickfeldanzeigevorrichtung 1 ist in diesem Beispiel als ein Head-up-Display (HUD) ausgebildet.

Die Blickfeldanzeigevorrichtungen 1 der Fig. 1a und Fig. 1 b unterscheiden sich dadurch, dass sie zwei im optischen Aufbau und Strahlengang verschiedene Varianten der Projektionseinheit 3 der hierin dargelegten Art umfassen. Diese Unterschiede werden weiter unten mit Bezug auf Figuren 2a und 2b im Detail erläutert.

Das Fahrzeug 2 ist in Fig. 1a und 1 b durch seine Frontscheibe 4 und eine darunter angeordnete Instrumententafel 5 mit der darin untergebrachten Projektionseinheit 3 angedeutet. Die Projektionseinheit 3 umfasst eine bildgebende Einheit 6 (auch PGU, Picture Generating Unit, genannt), die in diesem Fall rein beispielhaft als ein Display ausgeführt ist. Die bildgebende Einheit 6 ist dazu ausgebildet, ein Lichtstrahlenbündel L mit einem gewünschten Anzeigeinhalt zu erzeugen.

Das Lichtstrahlenbündel L ist in den Figuren 1a-4b zur Erläuterung seines Strahlengangs nur durch seinen Mittenstrahl dargestellt, der beispielsweise aus einer Displaymitte in eine Mitte einer Eyebox 7 führt. Als Eyebox 7 wird dabei ein zweidimensionaler Raumbereich quer zur Strahlausbreitungsrichtung verstanden, der für die Augen eines Benutzers der Blickfeldanzeigevorrichtung 1 (hier eines Fahrers des Kraftfahrzeugs, der nicht gezeigt ist) bestimmt ist.

Ferner umfasst die jeweilige Projektionseinheit 3 zur optischen Faltung des von der bildgebenden Einheit 6 erzeugten Lichtstrahlenbündels L ein Spiegelkabinett 8, dessen gegenüberliegende Seiten 8a und 8b durch einen Wire-Grid-Polarisator 9 und einen Reflektor 10 gebildet sind. Das Spiegelkabinett 8 ist jeweils so ausgebildet, dass das von der bildgebenden Einheit 6 erzeugte Lichtstrahlenbündel L in das Spiegelkabinett 8 durch den Wire-Grid-Polarisator 9 eintritt und nach einer vorbestimmten Anzahl von Reflexionen vom Reflektor 10 zum Wire-Grid-Polarisator 9 und zurück das Spiegelkabinett 8 wieder verlässt.

Hierbei wird das Lichtstrahlenbündel L in Fig. 1a auf gegenüberliegenden Seiten 8a und 8b des Spiegelkabinetts 8 ein- und ausgekoppelt. Der physikalische Wirkmechanismus wird mit Bezug auf Fig. 2a weiter unten erläutert. Bei diesem Aufbau ergibt sich für den optischen Pfad des Lichtstrahlenbündels L im Spiegelkabinett 8 eine Länge, die eine tatsächliche Dicke d des Spiegelkabinetts 8 verdreifacht. Die daraus resultierende Bauraumreduktion im Vergleich zu einer klassischen HUD-Variante ohne derartige optische Faltung ist klar ersichtlich. Die Dicke des Spiegelkabinetts d, die einem Abstand des Reflektors 10 zum parallel dazu angeordneten Wire- Grid-Polarisator 9 entspricht, kann sich dabei beispielsweise im Bereich 5mm bis 100mm bewegen. Der in Fig. 1b dargestellte Aufbau unterscheidet sich von Fig. 1a dadurch, dass das Lichtstrahlenbündel L auf der gleichen Seite 8a des Spiegelkabinetts 8 ein- und auch ausgekoppelt wird. Die Einzelkomponenten und Wirkmechanismus unterscheiden sich teilweise stark von der Variante der Fig. 1a/2a, wie weiter unter mit Bezug auf Fig. 2b näher dargelegt wird. Bei dieser Variante der Projektionseinheit 3 ergibt sich für den optischen Pfad des Lichtstrahlenbündels L im Spiegelkabinett 8 eine Länge, die eine tatsächliche Dicke d des Spiegelkabinetts 8 vervierfacht. Auch hieraus ist die Bauraumreduktion im Vergleich zu einer klassischen HUD-Variante ohne derartige optische Faltung klar ersichtlich.

Im Strahlengang des aus dem Spiegelkabinett 8 ausgekoppelten Lichtstrahlenbündels L ist in der Projektionseinheit 3 in diesem Beispiel sowohl in Fig. 1a als auch in Fig. 1 b ein Konkavspiegel 11 angeordnet, der das Lichtstrahlenbündel L zusätzlich in geeigneter Weise formt und in Richtung der Frontscheibe 4 des Fahrzeugs 2 lenkt. Die Frontscheibe 4 dient bei der Blickfeldanzeigevorrichtung 1 als eine Reflexionsscheibe, die das von der Projektionseinheit 3 ausgegebene Lichtstrahlenbündel L zu der für die Augen des Benutzers (hier des Fahrers) vorbestimmten Eyebox 7 reflektiert, sodass in dessen Blickfeld hinter der Frontscheibe 4 ein virtuelles Anzeigebild V (nicht näher dargestellt) entsteht.

Anhand der Fig. 2a, die eine vergrößerte seitliche Querschnittsansicht eines Ausschnitts der Projektionseinheit 3 der Blickfeldanzeigevorrichtung 1 der Fig. 1a zeigt, werden nachfolgend die Einzelelemente und der Wirkmechanismus des Spiegelkabinetts 8 in dieser Variante der Projektionseinheit 3 erläutert. Die Einzelkomponenten des Spiegelkabinetts 8 sind in diesem Beispiel wie folgt ausgebildet:

Ein metallischer Wire-Grid-Polarisator 9 auf der displayseitigen (d. h. der bildgebenden Einheit 6 zugewandten) Seite 8a des Spiegelkabinetts 8. Dieser kann zur Vermeidung von Doppelbildern mit einer Antireflexbeschichtung, einseitig oder auch beidseitig, ausgeführt sein. Ein Polarisationselement in Form eines X/4-Plättchens 12 zur Phasenverzögerung auf der gegenüberliegenden Seite 8b des Spiegelkabinetts 8.

Ein spezifischer Reflektor 10, welcher nur zirkular polarisiertes Licht einer Drehrichtung (rechtshändig oder linkshändig) reflektiert, die andere Drehrichtung aber transmittiert. Dieser Reflektor 10 ist jenseits der X/4-Platte angeordnet und beispielsweise durch eine CLC- Beschichtung dargestellt (CLC=Cholesteric Liquid Crystal).

Der Wirkmechanismus des Spiegelkabinetts 8 der Fig. 1a/2a ist ebenfalls in Fig. 2a dargestellt. Er besteht aus folgenden Schritten:

Schritt S1. Linear polarisiertes Licht (in Form eines Lichtstrahlenbündels L mit Anzeigeinhalt) trifft vom Display (d. h. von der bildgebenden Einheit 6) auf den Wire-Grid-Polarisator 9. Das vom Display ausgehende Licht ist dabei in diesem Beispiel bereits so polarisiert, dass es zum Wire-Grid-Polarisator 9 in Durchlassrichtung schwingt.

Schritt S2. Das Licht befindet sich nun im Spiegelkabinett 8 und trifft auf das X/4-Plättchen. Dieses ändert die Polarisationsart des einfallenden Lichts von linear zu zirkular polarisiert. Das X/4-Plättchen ist dabei so ausgeführt, dass die zirkulare Polarisationsart (rechtsöder linksdrehend) genau derjenigen entspricht, die vom CLC- Reflektor 10 reflektiert wird. Das nun zirkular polarisierte Licht trifft auf den CLC-Reflektor 10 und wird dort reflektiert.

Schritt S3. Das Licht durchläuft das X/4-Plättchen erneut und wird dadurch wieder von zirkular zu linear polarisiertem Licht umgewandelt. Dabei ist die neue Schwingungsrichtung um 90° zur ursprünglichen linearen Polarisationsrichtung gedreht und der Wire-Grid-Polarisator 9 wirkt nun wie ein Spiegel.

Schritt S4. Bei der Reflexion an dem Wire-Grid-Polarisator 9 erfährt das Licht noch einen Phasensprung von Pi (180°).

Schritt S5. Beim Durchlaufen des X/4-Plättchens wird das Licht wieder zirkular polarisiert, diesmal aber mit einer Drehrichtung, die der CLC- Reflektor 10 nicht reflektiert (vgl. Phasensprung am Wire-Grid- Polarisator 9 in Schritt 4), d. h. das Licht verlässt nun das Spiegelkabinett 8.

Anhand der Fig. 2b, die eine vergrößerte seitliche Querschnittsansicht eines Ausschnitts der Projektionseinheit 3 der Blickfeldanzeigevorrichtung 1 gemäß der Fig. 1 b zeigt, werden nachfolgend die Einzelelemente und der Wirkmechanismus des Spiegelkabinetts 8 in einer Variante der Projektionseinheit 3 erläutert, die einen alternativen Aufbau zu Fig. 1 a/2a hat. Die Einzelkomponenten des Spiegelkabinetts 8 sind in diesem Beispiel wie folgt ausgebildet:

Ein metallischer Wire-Grid-Polarisator 9 auf der displayseitigen (d. h. der bildgebenden Einheit 6 zugewandten) Seite 8a des Spiegelkabinetts 8. Dieser kann zur Vermeidung von Doppelbildern mit einer Antireflexbeschichtung, einseitig oder auch beidseitig, ausgeführt sein.

Ein Polarisationselement in Form eines X/4-Plättchens 12 zur Phasenverzögerung auf der gegenüberliegenden Seite 8b des Spiegelkabinetts 8.

Ein Reflektor 10 in Form eines Spiegels, der jenseits des A/4- Plättchens 12 angeordnet ist.

Der Wirkmechanismus des Spiegelkabinetts 8 der Fig. 1 b/2b ist ebenfalls in Fig. 2b dargestellt. Er besteht aus folgenden Schritten:

2. Das Licht trifft auf das X/4-Plättchen 12, danach auf den Spiegel (Reflektor 10) und durchläuft wieder das X/4-Plättchen 12. Das Licht sammelt so einen Phasenversatz von 90° auf und ist nun zum in Schritt S1 eingekoppelten Licht gekreuzt linear polarisiert.

3. Das Licht trifft auf den Wire-Grid-Polarisator 9 und wird mit dieser Polarisation an dem Wire-Grid-Polarisator 9 reflektiert.

4. Das Licht trifft dann erneut auf das X/4-Plättchen 12, danach auf den Spiegel (d. h. Reflektor 10) und durchläuft wieder das X/4- Plättchen 12. Das Licht sammelt so einen Phasenversatz von weiteren 90° (insgesamt also 90+90°=180°) auf und ist zum ursprünglich eingekoppelten Licht parallel linear polarisiert.

5. Das Licht trifft mit dieser Polarisation erneut auf den Wire-Grid- Polarisator 9, kann diesen diesmal passieren und damit das Spiegelkabinett 8 verlassen.

Anhand der Figuren 3, 4a und 4b werden nachfolgend die Möglichkeiten zur Variation des Bildebenenabstands (oder der Anzeigebildentfernung, in der dem Benutzer das virtuelle Anzeigebild V dargestellt wird) mit dem Aufbau der Projektionseinheit 3 gemäß den Figuren 1a/2a und 1b/2b aufgezeigt. Alle nachfolgenden Ausführungsvarianten basieren darauf, die Dicke d des Spiegelkabinetts 8 (s. Fig. 2a und Fig. 2b) zu variieren, indem eine seiner Seiten 8a oder 8b bezüglich der anderen wie in Fig. 3, 4a und 4b gezeigt verschoben wird. Diese Art der Änderung der Anzeigebildentfernung kann beispielsweise folgende Vorteile haben:

Das Display (bzw. allgemeiner: die bildgebende Einheit 6) muss nicht bewegt werden, sondern kann innerhalb der Projektionseinheit 3 mechanisch fixiert bleiben;

Bereits kleine Änderungen Ad der Dicke d des Spiegelkabinetts 8 haben (abhängig von der spezifischen Konfiguration, wie beispielsweise in Fig. 2a/3 oder in Fig. 2b/4a/4b) den doppelten oder sogar vierfachen Verlängerungseffekt 2*Ad bzw. 4*Ad im optischen Pfad des Lichtstrahlenbündels L haben. Man muss also deutlich kürzere Wegstrecken mit der Kinematik des Spiegelkabinetts 8 realisieren, um eine signifikante Änderung des Bildebenenabstands zu erreichen. So zeigt Fig. 3 eine seitliche Querschnittsansicht des Spiegelkabinetts 8 gemäß Fig. 2a mit einer dynamisch verstellbaren Dicke d zur Änderung der optischen Weglänge des Lichtstrahlenbündels L durch Verschiebung des Wire-Grid- Polarisators 9. In dieser Konfiguration des Spiegelkabinetts 8 macht es keinen Unterschied, ob der Wire-Grid-Polarisator 9 oder der CLC-Reflektor 10 verschoben wird. In jedem Fall ergibt sich aus der Dickenänderung Ad für den optischen Pfad eine etwa doppelte Verlängerung 2*Ad, weil das Licht im Spiegelkabinett 8 der Fig. 1a/2a/3 jeweils nur einmal am Wire-Grid-Polarisator 9 und am CLC-Reflektor 10 zurückreflektiert wird.

Andererseits zeigen Fig. 4a und Fig. 4b, jeweils in einer seitlichen Querschnittsansicht des Spiegelkabinetts 8 gemäß Fig. 2b, dass es in dieser Spiegelkabinett-Konfiguration einen Unterschied macht, ob der Wire-Grid- Polarisator 9 oder der Spiegel (Reflektor 10) bewegt wird. Der optische Pfad wird im Fall der Fig. 4a durch eine Verschiebung Ad des Wire-Grid-Polarisators 9 um Faktor 2 länger: Adopt = 2Ad. Im Fall der Fig. 4b wird der optische Pfad durch eine Verschiebung Ad des als Planspiegel ausgebildeten Reflektors 10 um den Faktor 4 länger: Adopt = 4Ad.

Unabhängig von der spezifischen Ausgestaltung des Spiegelkabinetts 8 der hierin dargelegten Art, kann beispielsweise eine langsame Änderung seiner Dicke d beim Benutzer den Eindruck einer Bildebene erzeugen, die sich langsam von ihm weg oder auf ihn zu bewegt. Der Benutzer würde bei dieser Verfahrensvariante jedoch immer nur eine Bildebene sehen.

Eine weitere Ausführungsform sieht eine rasche Änderung der Dicke d des Spiegelkabinetts 8 vor. Dabei bedeutet rasch, dass die Bewegung in einer Zeitspanne vollzogen wird, die unterhalb der zeitlichen Auflösungsgrenze des Auges liegt. Stimmt man das Timing der Lichtemission des Displays (d. h. Bilderzeugung bestimmter Anzeigeinhalte) mit bestimmten Dicken d des Spiegelkabinetts 8 ab (z. B. maximale und minimale Dicken dmin und dmax), so kann man für die Wahrnehmung des Benutzers scheinbar gleichzeitig zwei Bildebenen in unterschiedlichen Abständen zum Benutzer erzeugen, die beispielsweise für unterschiedliche Bildinhalte nutzbar sind. Wenn man bei diesem Ansatz mehr als zwei Bildebenen (z. B. n Bildebenen, mit n>2) darstellt, erhöht sich entsprechend auch die Bildwiederholfrequenz um Faktor n. In einer extremen Ausführungsform dieser Variante ist es sogar möglich, einen als echt dreidimensional wahrgenommenen Darstellungseffekt für den Benutzer zu erzeugen, indem bei einer entsprechend schnellen Bildwiederholrate eine Vielzahl einzelner Bildebenen für das Auge des Benutzers zu einem scheinbar kontinuierlichen Bildvolumen verschmelzen, in dem dreidimensionale Inhalte dargestellt werden können.

Bezugszeichenhste

1 Blickfeldanzeigevorrichtung

2 Fahrzeug

3 Projektionseinheit

4 Frontscheibe

5 Instrumententafel

6 bildgebende Einheit

7 Eyebox (zweidimensional)

8 Spiegelkabinett

8a, 8b gegenüberliegende Seiten des Spiegelkabinetts

9 Wire-Grid-Polarisator

10 Reflektor

11 Konkavspiegel

12 X/4-Plättchen (als Polarisationselement)

L Lichtstrahlenbündel

V virtuelles Anzeigebild d Dicke des Spiegelkabinetts

Claims

Ansprüche Projektionseinheit (3) für eine Blickfeldanzeigevorrichtung (1 ), insbesondere zum Einsatz in einem Fahrzeug (2), umfassend: eine bildgebende Einheit (6) zur Erzeugung eines Lichtstrahlenbündels (L) mit einem Anzeigeinhalt und ein Spiegelkabinett (8), das auf seinen gegenüberliegenden Seiten (8a, 8b) einen Wire-Grid-Polarisator (9) und einen Reflektor (10 ) aufweist und so ausgebildet ist, dass das von der bildgebenden Einheit (6) erzeugte Lichtstrahlenbündel (L) in das Spiegelkabinett (8) durch den Wire-Grid-Polarisator (9) eingekoppelt und nach einer vorbestimmten Anzahl von Reflexionen vom Reflektor (10) zum Wire-Grid-Polarisator (9) und umgekehrt aus dem Spiegelkabinett (8) ausgekoppelt wird; wobei die Projektionseinheit (3) zum Erzeugen eines virtuellen Anzeigebilds (V) im Blickfeld eines Benutzers ausgebildet ist, indem sie das Lichtstrahlenbündel (L) auf eine im Blickfeld des Benutzers angeordnete, zumindest teilweise transparente Reflexionsscheibe wirft, von der es zu den Augen des Benutzers reflektiert wird. Projektionseinheit (3) nach Anspruch 1 , bei der das Spiegelkabinett (8) ferner ein innenseitig im Strahlengang des Lichtstrahlenbündels (L) vor dem Auftreffen am Reflektor (10) und/oder nach der Reflexion daran angeordnetes Polarisationselement aufweist, das dazu ausgebildet ist, die lineare Polarisation des eingekoppelten Lichtstrahlenbündels (L) in Durchlassrichtung des Wire-Grid-Polarisators (9) in eine zirkulare Polarisation umzuwandeln. Projektionseinheit (3) nach Anspruch 2, bei der der Reflektor (10) des Spiegelkabinetts (8) zur Reflexion nur derjenigen Drehrichtung des zirkular polarisierten Lichts, die das Lichtstrahlenbündel (L) nach seinem ersten Passieren des Polarisationselements besitzt, ausgebildet ist, sodass das Lichtstrahlenbündel (L) genau einmal vom Reflektor (10) zum Wire-Grid-Polarisator (9) zurückreflektiert wird und beim erneuten Auftreffen auf dem Reflektor (10) eine entgegengesetzte Drehrichtung der Zirkularpolarisation aufweist und von diesem durchgelassen wird. Projektionseinheit (3) nach Anspruch 2, bei der der Reflektor (10) des Spiegelkabinetts (8) als ein Spiegel ausgebildet ist, der das Lichtstrahlenbündel (L) jedes Mal zum Wire-Grid-Polarisator (9) zurückreflektiert, wobei das Lichtstrahlenbündel (L) beim ersten Mal durch das wiederholte Passieren des Polarisationselements eine zur Durchlassrichtung des Wire-Grid-Polarisators (9) senkrechte lineare Polarisation erhält und daher am Wire-Grid-Polarisator (9) reflektiert wird, und beim zweiten Mal durch das wiederholte Passieren des Polarisationselements wieder in Durchlassrichtung des Wire- Grid-Polarisators (9) linear polarisiert ist und daher von diesem durchgelassen wird. Projektionseinheit (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die bildgebende Einheit (6) zur Erzeugung des Lichtstrahlenbündels (L) mit einer linearen Polarisation im Wesentlichen in Durchlassrichtung des Wire-Grid-Polarisators (9) des Spiegelkabinetts (8) ausgebildet ist. Projektionseinheit (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Wire-Grid-Polarisator (9) und der Reflektor (10) des Spiegelkabinetts (8) sich parallel zueinander in einem feststehenden oder aber verstellbaren Abstand erstrecken, der im Bereich zwischen etwa 5 mm und etwa 100 mm liegt. Projektionseinheit (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der eine Dicke (d) des Spiegelkabinetts (8), die durch einen Abstand zwischen dem Wire-Grid-Polarisator (9) und dem Reflektor (10) gegeben ist, durch einen bewegbar ausgebildeten Wire-Grid- Polarisator (9) und/oder Reflektor (10) verstellbar ist, um das virtuelle Anzeigebild (V) in unterschiedlichen Anzeigebildentfernungen von dem Benutzer zu erzeugen. Verfahren zum Betreiben der Projektionseinheit (3) nach Anspruch 7, bei dem die Dicke (d) des Spiegelkabinetts (8) durch eine Bewegung des Wire-Grid-Polarisators (9) oder des Reflektors (10) dynamisch verstellt wird, wobei eine Änderung der Dicke (d) des Spiegelkabinetts (8) langsamer als eine vorbestimmte zeitliche Auflösungsgrenze der Augen des Benutzers durchgeführt wird, sodass die Anzeigebildentfernung des virtuellen Anzeigebilds (V) merkbar für den Benutzer verändert wird, und/oder eine Einstellung von zwei oder mehr unterschiedlichen Dicken (d) des Spiegelkabinetts (8) schneller als eine vorbestimmte zeitliche Auflösungsgrenze der Augen des Benutzers durchgeführt wird und synchron hierzu ein jeweils unterschiedlicher Teil des virtuellen Anzeigebilds (V) erzeugt wird, um dem Benutzer die unterschiedlichen Teile des virtuellen Anzeigebilds (V) scheinbar zugleich in voneinander verschiedenen Anzeigebildentfernungen darzustellen. Blickfeldanzeigevorrichtung (1 ), insbesondere zum Einsatz in einem Fahrzeug (2), umfassend: eine Projektionseinheit (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 7; eine im Blickfeld des Benutzers angeordnete, zumindest teilweise transparente Reflexionsscheibe, die zum Reflektieren des von der Projektionseinheit (3) ausgegebenen Lichtstrahlenbündels (L) zu den Augen des Benutzers zum Erzeugen eines virtuellen Anzeigebilds (V) in seinem Blickfeld vor oder hinter der Reflexionsscheibe ausgebildet ist; und vorzugsweise ferner eine Steuerungseinheit, die zum Ausführen eines Verfahrens nach Anspruch 8 ausgebildet ist. Fahrzeug (2), insbesondere ein Kraftfahrzeug, umfassend: eine Frontscheibe (4) und eine darunter angeordnete Instrumententafel (5); und eine Blickfeldanzeigevorrichtung (1 ) nach Anspruch 9, deren Projektionseinheit (3) in der Instrumententafel (5) angeordnet ist und deren Reflexionsscheibe durch die Frontscheibe (4) oder eine fahrzeuginnenseitig davor angeordnete Combinerscheibe gebildet ist.