WO2022233374A1 - Gerät zum generieren eines virtuellen bildes mit einstellbarem kontrast - Google Patents

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WO2022233374A1
WO2022233374A1 PCT/DE2022/200077 DE2022200077W WO2022233374A1 WO 2022233374 A1 WO2022233374 A1 WO 2022233374A1 DE 2022200077 W DE2022200077 W DE 2022200077W WO 2022233374 A1 WO2022233374 A1 WO 2022233374A1
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generating
virtual image
adjustable aperture
ambient light
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Wolff VON SPIEGEL
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Continental Automotive Technologies GmbH
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    • G02B2027/0118—Head-up displays characterised by optical features comprising devices for improving the contrast of the display / brillance control visibility

Definitions

  • the present invention relates to a device for generating a virtual image and a method, a computer program and a device for controlling such a device.
  • the invention also relates to a means of transportation that has such a device.
  • 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 optical unit and a mirror unit.
  • the imaging unit generates the image and uses at least one display element for this purpose.
  • 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.
  • Head-up displays must achieve high levels of brightness so that the information displayed can be distinguished from the background in bright surroundings. However, the image background must not appear too bright in the dark, otherwise it can become more or less visible as a rectangle. This effect is often referred to as the postcard effect. A large dynamic range must therefore be mastered.
  • very intensive lighting is combined with a high-contrast image modulator and the lighting is electronically controlled over a wide range depending on the ambient light. However, this is time-consuming and often requires a compromise between the brightness and contrast of the image. In addition, it is sometimes difficult to implement a sufficiently large control range.
  • DE 695 03 955 T2 describes a head-up display for a vehicle, with a housing having an opening, a projection device arranged in the housing for projecting a display, a reflection part arranged in the housing and the projection unit, for directing the display image through the opening toward a predetermined point outside the housing, and a combiner attached to the housing to receive the display image at the point for focusing the display image into a virtual image.
  • the head-up display also has automatic brightness control and manual brightness control.
  • Display devices are known from US Pat Intermediate image level of the display device are located. The field stop limits the image section without affecting the brightness of the image.
  • a head-up display is known from US 2009/0237803 A1, in which a screen is arranged in a focal plane of a display device.
  • a device for generating a virtual image has:
  • an imaging unit with a light source and an image modulator for generating an image
  • At least one adjustable aperture diaphragm for setting a contrast of the projected image.
  • An aperture stop is located at or near a principal plane of an optical imaging device and uniformly affects the brightness of the image without affecting the size of the field of view.
  • a method for controlling a device according to the invention for generating a virtual image comprises the steps:
  • a computer program comprises instructions which, when executed by a computer, cause the computer to carry out the following steps for controlling a device according to the invention for generating a virtual image:
  • the term computer is to be understood broadly. In particular, it also includes control units, embedded systems and other processor-based data processing devices.
  • the computer program can be provided for electronic retrieval, for example, or it can be stored on a computer-readable storage medium.
  • a device for controlling a device according to the invention for generating a virtual image has:
  • an evaluation unit for determining ambient light conditions; and a control unit for setting at least one adjustable aperture stop of the device depending on the determined ambient light conditions for setting a contrast of a projected image.
  • an adjustable aperture diaphragm of the device is therefore used in order to adjust the contrast of the projected image. This is preferably done depending on ambient light conditions. Due to the adjustable aperture diaphragm, the device can be operated with the properties that are optimal for the ambient light conditions, preferably controlled by a sensor that may already be present for brightness control. However, the ambient light conditions can also be recorded indirectly, for example by a user action or using the local time. A suitable user action is, for example, switching on the headlights. In bright ambient light conditions, high contrast is not required, ie not at the same time with a high luminous flux.
  • the adjustable aperture diaphragm also extends the dynamic range, which can also be used to simplify electronic control.
  • the electronic brightness control is preferably adapted in such a way that the influence of the respective aperture on the brightness is taken into account.
  • the brightness can be adjusted in particular via the current supply and/or the pulse width modulation of the light-emitting diodes used as the light source in order to be able to cover a particularly large dynamic range overall.
  • the brightness is adjusted as a function of the ambient light, with the result that maximum contrast is achieved in dark surroundings and maximum brightness in bright surroundings.
  • Maximum contrast is an essential requirement in dark environments.
  • Maximum brightness is an essential requirement in bright surroundings.
  • the at least one adjustable aperture diaphragm is arranged in an imaging path of the optics unit.
  • a further adjustable aperture diaphragm is arranged in an illumination path of the imaging unit.
  • a particularly good contrast adjustment is achieved if a pair of aperture diaphragms matched to one another is used, in which one aperture diaphragm is located in the imaging path of the imaging unit and another in the illumination path.
  • the at least one adjustable aperture stop is an interchangeable stop or an adjustable aperture stop.
  • alternating openings in an element are moved to the position of the aperture in the beam path.
  • a continuously variable diaphragm can also be used, for example an iris diaphragm or a two-part element whose elements are shifted symmetrically to one another.
  • the device is a flat-up display, a projector or a projection display.
  • An implementation of a solution according to the invention in a head-up display is particularly advantageous, since such a display is operated under the most varied of ambient light conditions and a large dynamic range therefore has to be managed.
  • the use of a solution according to the invention also makes sense in projectors and projection displays that are used under widely varying environmental conditions.
  • a head-up display according to the invention is preferably used in a means of transportation, e.g. in a motor vehicle. Means of transport are used at different times of the day, so that a wide range of ambient light conditions must be managed. This can be reliably achieved with a head-up display according to the invention.
  • the resulting reduction in the postcard effect in augmented reality head-up displays is particularly advantageous. With these, the viewing area covers significant parts of the viewing area and brightening this area, i.e. the postcard effect, could result in poorly lit pedestrians not being seen in time. This could lead to relevant hazards. These are avoided by the solution according to the invention.
  • Fig. 1 shows schematically a device for generating a virtual image according to the prior art
  • FIG. 2 schematically shows a device according to the invention for generating a virtual image.
  • Fig. 3 shows an example of part of an optical imaging path
  • Fig. 4 shows schematically apertures that can be used in a device according to the invention for generating a virtual image
  • Fig. 5 shows schematically a method for controlling a device for generating a virtual image according to the invention
  • Fig. 6 shows schematically a first embodiment of a device for
  • Fig. 7 shows diagrammatically a second embodiment of an apparatus for controlling a virtual image generation apparatus according to the invention.
  • FIG. 8 schematically shows a means of locomotion in which a solution according to the invention is implemented.
  • the device is a flat-screen display for a motor vehicle.
  • the flat-up display has a display device 1 with an imaging unit 10 and an optical unit 12 .
  • a bundle of rays SB1 emanates from a display element 11 and is imaged in an intermediate image plane 14 by means of an objective system 114 . From there, the intermediate image is projected onto a mirror unit 2 by a folding mirror 21 and a curved mirror 22 .
  • the display element 11 comprises a light source 110 and an image modulator 111.
  • the mirror unit 2 is shown here as a windshield 20 of the motor vehicle. From there, the bundle of rays SB2 arrives in the direction of an eye of an observer 3.
  • the viewer 3 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 due to the interaction of the optics unit 12 and the mirror unit 2 .
  • a speed limit, the current vehicle speed and navigation instructions are shown here symbolically.
  • the eye of the viewer 3 is within an eye box 4 indicated by a rectangle, all elements of the virtual image VB are visible to the viewer 3 . If the eye of the viewer 3 is outside of the eyebox 4, then the virtual image VB is only partially visible to the viewer 3 or not at all. The larger the Eyebox 4 is, the less restricted the viewer is when choosing his seating position.
  • the curvature of the curved mirror 22 matches the curvature of the windshield 20 and ensures that the image distortion is stable across the entire eyebox 4.
  • the curved mirror 22 is rotatably supported by a bearing 23 .
  • the rotation of the curved mirror 22 made possible by this enables the eyebox 4 to be moved and thus the position of the eyebox 4 to be adjusted to the position of the viewer 3.
  • 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 12 is still compact.
  • the imaging unit 10 and the optics unit 12 are separated from the surroundings by a housing 13 with a transparent cover plate 24 .
  • the optical elements of the optical unit 12 are thus protected, for example, against dust located in the interior of the vehicle.
  • An optical film or a polarizer 25 can also be located on the cover plate 24 .
  • the display element 11 is typically polarized and the mirror unit 2 acts as an analyzer.
  • the purpose of the polarizer 25 is therefore to influence the polarization in order to achieve uniform visibility of the useful light.
  • a covering arrangement 26 arranged on the covering pane 24 serves to reliably absorb the light reflected via the boundary surface of the covering pane 24, so that the viewer is not dazzled.
  • the light from another interfering light source 5 can also reach the display element 11 .
  • the polarizer 25 can also be used to reduce incident sunlight SL.
  • FIG. 2 schematically shows a device according to the invention for generating a virtual image VB, here again using the example of a head-up display for a motor vehicle.
  • the head-up display is largely identical to the head-up display from FIG. 1 .
  • an adjustable aperture diaphragm 120 is arranged in an imaging path of the optics unit 12, by means of which a contrast of the projected image can be adjusted.
  • a further adjustable aperture diaphragm (not shown) can be arranged in an illumination path of the imaging unit 10 .
  • the adjustable aperture diaphragm 120 is controlled by a device 30, 40 designed for this purpose depending on the ambient light conditions. In particular, in the dark In ambient light conditions, the adjustable aperture stop can be further closed, while in bright ambient light conditions, the adjustable aperture stop can be opened more.
  • the device 30, 40 can access information from a brightness sensor 52, for example.
  • FIG. 3 shows, by way of example, part of an optical imaging path of a device according to the invention for generating a virtual image.
  • the light beams 112 emanating from the image modulator 111 are collected by a field lens 113 and impinge on an objective system 114.
  • the field lens is arranged off-axis.
  • the lens system 114 projects the image displayed by the image modulator 111 onto the mirror unit (not shown in FIG. 3).
  • An adjustable aperture stop 120 is located in front of the objective system 114 as an aperture stop, by means of which the contrast of the image can be adjusted.
  • FIG. 4 shows schematically aperture stop 120 which can be used in an apparatus according to the invention for generating a virtual image.
  • changing diaphragm openings 121 in an element are moved to the position of the aperture in the beam path.
  • Such an aperture stop 120 is shown in FIG. 4a).
  • a continuously variable aperture diaphragm 120 can also be used instead of an element with fixed diaphragm openings 121.
  • a first example of such a variable aperture diaphragm 120 is an iris diaphragm as shown in FIG. 4b).
  • FIG. 4c shows schematically aperture stop 120 which can be used in an apparatus according to the invention for generating a virtual image.
  • FIG. 5 shows schematically a method for controlling a device according to the invention for generating a virtual image.
  • ambient light conditions are determined S1.
  • Information from a brightness sensor can be used for this purpose, for example.
  • the adjustable aperture stop can be closed further in dark ambient light conditions, while the adjustable aperture stop can be opened further in bright ambient light conditions.
  • the current supply and/or the pulse width modulation of the light-emitting diodes used as the light source is preferably set in order to be able to cover a particularly large overall dynamic range in relation to the brightness.
  • FIG. 6 shows a simplified schematic illustration of a first embodiment of a device 30 for controlling a device according to the invention for generating a virtual image.
  • the device 30 has an input 31 via which information from a brightness sensor 52 can be received.
  • An evaluation unit 32 is set up to determine ambient light conditions U from the information received.
  • a control unit 33 is set up to set at least one adjustable aperture stop 120 of the device as a function of the determined ambient light conditions U in order to set a contrast of a projected image.
  • the control unit 33 can close the adjustable aperture diaphragm 120 further in dark ambient light conditions U and open it further in bright ambient light conditions.
  • corresponding control signals S can be output to the device or the at least one adjustable aperture stop 120 via an output 36 of the device 30 .
  • the control unit 33 is preferably set up to also set the current supply and/or the pulse width modulation of the light-emitting diodes used as the light source in order to be able to cover a particularly large overall dynamic range with regard to the brightness.
  • the evaluation unit 32 and the control unit 33 can be controlled by a control unit 34 . If necessary, settings of the evaluation unit 32, the control unit 33 or the control unit 34 can be changed via a user interface 37. If required, the data occurring in the device 30 can be stored in a memory 35 of the device 30, for example for later evaluation or for use by the components of the Device 30.
  • the evaluation unit 32, the control unit 33 and the control unit 34 can be implemented as dedicated hardware, for example as integrated circuits. Of course, they can also be partially or fully combined or implemented as software running on a suitable processor, such as a GPU or a CPU.
  • the input 31 and the output 36 can be implemented as separate interfaces or as a combined interface.
  • FIG. 7 shows a simplified schematic illustration of a second embodiment of a device 40 for controlling a device according to the invention for generating a virtual image.
  • the device 40 has a processor 42 and a memory 41 .
  • the device 40 is a control device. Instructions are stored in the memory 41 which, when executed by the processor 42, cause the device 40 to carry out the steps according to the method described.
  • the instructions stored in the memory 41 thus embody a program which can be executed by the processor 42 and implements the method according to the invention.
  • the device 40 has an input 43 for receiving information. Data generated by the processor 42 is provided via an output 44 . In addition, they can be stored in memory 41.
  • the input 43 and the output 44 can be combined to form a bidirectional interface.
  • Processor 42 may include one or more processing units, such as microprocessors, digital signal processors, or combinations thereof.
  • the memories 35, 41 of the devices described can have both volatile and non-volatile memory areas and can include a wide variety of memory devices and storage media, for example hard disks, optical storage media or semiconductor memories.
  • the means of transportation 50 is a motor vehicle.
  • the motor vehicle shows a Head-up display 51, in which an inventive solution is implemented.
  • the head-up display 51 is controlled by means of a device 30 , 40 .
  • the device 30, 40 can use signals from a brightness sensor 52 for this purpose.
  • the device 30 , 40 is integrated into the head-up display 51 .
  • the motor vehicle has at least one assistance system 53 and a navigation system 54, which support an operator of the motor vehicle in ferry operation. Information provided by the assistance system 53 or the navigation system 54 can be conveyed to the operator by means of the head-up display 51 .
  • a connection to a backend can be established by means of a data transmission unit 55, for example in order to obtain updated software for the components of the motor vehicle.
  • a memory 56 is provided for storing data. The exchange of data between the various components of the motor vehicle takes place via a network 57.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gerät zum Generieren eines virtuellen Bildes sowie ein Verfahren, ein Computerprogramm und eine Vorrichtung zum Steuern eines solchen Geräts. Die Erfindung betrifft zudem ein Fortbewegungsmittel, das ein solches Gerät aufweist. Das Gerät hat eine bildgebende Einheit (10) mit einer Lichtquelle (110) und einem Bildmodulator (111) zum Erzeugen eines Bildes, eine Optikeinheit (12) zum Projizieren des Bildes auf eine Projektionsfläche (2, 20) und zumindest eine einstellbare Blende (120) zur Einstellung eines Kontrasts des projizierten Bildes.

Description

Beschreibung
Gerät zum Generieren eines virtuellen Bildes mit einstellbarem Kontrast
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gerät zum Generieren eines virtuellen Bildes sowie ein Verfahren, ein Computerprogramm und eine Vorrichtung zum Steuern eines solchen Geräts. Die Erfindung betrifft zudem ein Fortbewegungsmittel, das ein solches Gerät 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 bzw. PGU (Picture Generating Unit), einer Optikeinheit und einer Spiegeleinheit. Die bildgebende Einheit erzeugt das Bild und nutzt dazu zumindest ein Anzeigeelement. 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.
Head-Up-Displays müssen hohe Helligkeiten erreichen, damit sich die angezeigte Information bei heller Umgebung vom Hintergrund absetzen kann. Allerdings darf der Bildhintergrund bei Dunkelheit nicht zu hell erscheinen, da dieser sonst mehr oder weniger als Rechteck sichtbar werden kann. Dieser Effekt wird oftmals als Postkarteneffekt bezeichnet. Es muss somit ein großer Dynamikumfang bewältigt werden. Bei gängigen Head-Up-Displays mit Projektionseinheit wird eine sehr intensive Beleuchtung mit einem kontrastreichen Bildmodulator kombiniert und die Beleuchtung über einen weiten Bereich abhängig vom Umgebungslicht elektronisch geregelt. Das ist allerdings aufwändig und erfordert oft einen Kompromiss zwischen Helligkeit und Kontrast des Bildes. Zudem ist es teils schwierig, einen ausreichend großen Regelbereich zu realisieren.
In diesem Zusammenhang beschreibt DE 695 03 955 T2 ein Head-Up-Display für ein Fahrzeug, mit einem Gehäuse, das eine Öffnung besitzt, einer in dem Gehäuse angeordneten Projektionseinrichtung zum Projizieren einer Anzeige, einem Reflexionsteil, das in dem Gehäuse angeordnet ist und der Projektionseinheit zugewandt ist, zum Lenken des Anzeigebildes durch die Öffnung hindurch in Richtung eines vorbestimmten Punktes außerhalb des Gehäuses, und einem Kombinierer, der an dem Gehäuse befestigt ist, um das Anzeigebild bei dem Punkt zu empfangen zur Fokussierung des Anzeigebildes in ein virtuelles Bild. Das Head-Up-Display weist zudem eine automatische Helligkeitsregelung und eine manuelle Helligkeitsregelung auf.
Aus US 10,564,415 B2, aus DE 103 53 156 A1 , aus DE 10 2013 200 199 A1 und aus US 2014/0293435 A1 sind Anzeigeeinrichtungen bekannt, bei denen eine Feldblende vorgesehen ist, also eine Blende, die sich in oder nahe der Bildebene oder einer Zwischenbildebene der Anzeigeeinrichtung befinden. Die Feldblende begrenzt den Bildausschnitt, ohne sich auf die Helligkeit des Bildes auszuwirken. Aus US 2009/0237803 A1 ist ein Head-Up-Display bekannt, bei dem eine Blende in einer Brennebene einer Anzeigeeinrichtung angeordnet ist.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Gerät zum Generieren eines virtuellen Bildes sowie Lösungen zum Steuern eines solchen Geräts bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch ein Gerät zum Generieren eines virtuellen Bildes mit den Merkmalen des Anspruchs 1 , durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 8, durch ein Computerprogramm mit Instruktionen mit den Merkmalen des Anspruchs 9 und durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung weist ein Gerät zum Generieren eines virtuellen Bildes auf:
- eine bildgebende Einheit mit einer Lichtquelle und einem Bildmodulator zum Erzeugen eines Bildes;
- eine Optikeinheit zum Projizieren des Bildes auf eine Projektionsfläche; und
- zumindest eine einstellbare Aperturblende zur Einstellung eines Kontraste des projizierten Bildes. Eine Aperturblende befindet sich an oder nahe einer Hauptebene einer optischen Abbildungseinrichtung und beeinflußt die Helligkeit des Bildes gleichmäßig, ohne sich auf die Größe des Bildausschnitts auszuwirken.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst ein Verfahren zum Steuern eines erfindungsgemäßen Geräts zum Generieren eines virtuellen Bildes die Schritte:
- Ermitteln von Umgebungslichtbedingungen; und
- Einstellen zumindest einer einstellbaren Aperturblende des Geräts in Abhängigkeit von den ermittelten Umgebungslichtbedingungen zur Einstellung eines Kontraste eines projizierten Bildes.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst ein Computerprogramm Instruktionen, die bei Ausführung durch einen Computer den Computer zur Ausführung der folgenden Schritte zum Steuern eines erfindungsgemäßen Geräts zum Generieren eines virtuellen Bildes veranlassen:
- Ermitteln von Umgebungslichtbedingungen; und
- Einstellen zumindest einer einstellbaren Aperturblende des Geräts in Abhängigkeit von den ermittelten Umgebungslichtbedingungen zur Einstellung eines Kontraste eines projizierten Bildes.
Der Begriff Computer ist dabei breit zu verstehen. Insbesondere umfasst er auch Steuergeräte, eingebettete Systeme und andere prozessorbasierte Datenverarbeitungsvorrichtungen. Das Computerprogramm kann beispielsweise für einen elektronischen Abruf bereitgestellt werden oder auf einem computerlesbaren Speichermedium gespeichert sein.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist eine Vorrichtung zum Steuern eines erfindungsgemäßen Geräts zum Generieren eines virtuellen Bildes auf:
- eine Auswerteeinheit zum Ermitteln von Umgebungslichtbedingungen; und - eine Steuereinheit zum Einstellen zumindest einer einstellbaren Aperturblende des Geräts in Abhängigkeit von den ermittelten Umgebungslichtbedingungen zur Einstellung eines Kontraste eines projizierten Bildes.
Bei bisherigen Geräten wird eine feste, relativ kleine Aperturblende verwendet, um einen hohen Kontrast zu erreichen. Eine solche kleine Blende lässt allerdings wenig Licht durch. Um die gewünschten Helligkeiten zu erreichen, wird eine stärkere Lichtquelle verwendet, die eine entsprechend hohe Leistungsaufnahme hat. In der Regel ist daher ein Kompromiss zwischen Helligkeit und Kontrast des Bildes erforderlich. Durch den begrenzten Kontrast kommt es zum oben beschriebenen Postkarteneffekt, der den an sich schwarzen Bildhintergrund nicht komplett dunkel erscheinen lässt, sondern mehr oder weniger grau. Dies ist tagsüber kein Problem, da die Umgebung im Hintergrund ohnehin hell ist und den grauen Bildhintergrund überdeckt. Nachts wird der Postkarteneffekt hingegen deutlich sichtbar, weil die Umgebung verhältnismäßig dunkel ist.
Erfindungsgemäß wird deshalb eine einstellbare Aperturblende des Geräts genutzt, um den Kontrast des projizierten Bildes einzustellen. Dies geschieht vorzugsweise in Abhängigkeit von Umgebungslichtbedingungen. Das Gerät kann durch die einstellbare Aperturblende jeweils mit den für die Umgebungslichtbedingungen optimalen Eigenschaften betrieben werden, vorzugsweise gesteuert durch einen Sensor, der gegebenenfalls ohnehin schon für eine Helligkeitssteuerung vorhanden ist. Die Erfassung der Umgebungslichtbedingungen kann aber auch indirekt erfolgen, z.B. durch eine Nutzerhandlung oder anhand der lokalen Uhrzeit. Eine geeignete Nutzerhandlung stellt z.B. das Einschalten der Scheinwerfer dar. Bei hellen Umgebungslichtbedingungen wird kein hoher Kontrast benötigt, d.h. nicht gleichzeitig mit einem hohen Lichtstrom. Verwendet man bei hellen Umgebungslichtbedingungen eine weiter geöffnete Aperturblende, kann man ohne merkliche Einschränkung der Bildqualität Lichtquellenleistung und damit Energie, Kosten und Kühlkapazitäten sparen, gegebenenfalls auch Bauraum. Bei dunklen Umgebungslichtbedingungen wird die Aperturblende hingegen weiter geschlossen. Dadurch verbessert sich der Kontrast des Projektors und der Postkarteneffekt wird deutlich verringert. Zwar reduziert sich durch das Schließen der Aperturblende auch die Bildhelligkeit, diese wird bei dunklen Umgebungslichtbedingungen aber ohnehin wesentlich reduziert. Durch die einstellbare Aperturblende wird somit auch der Dynamikbereich erweitert, was auch genutzt werden kann, um die elektronische Regelung zu vereinfachen. Die elektronische Helligkeitsregelung wird vorzugsweise dahingehend angepasst, dass der Einfluss der jeweiligen Blendenöffnung auf die Helligkeit berücksichtigt wird. Die Helligkeit kann insbesondere über die Bestromung und/oder die Pulsweitenmodulation der als Lichtquelle verwendeten Leuchtdioden eingestellt werden, um insgesamt einen besonders großen Dynamikbereich abdecken zu können. Erfindungsgemäß wird eine Helligkeitsanpassung abhängig vom Umgebungslicht vorgenommen womit maximaler Kontrast bei dunkler Umgebung und maximale Helligkeit bei heller Umgebung erreicht wird. Maximaler Kontrast ist eine wesentliche Anforderung bei dunkler Umgebung. Maximale Helligkeit ist eine wesentliche Anforderung bei heller Umgebung.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist die zumindest eine einstellbare Aperturblende in einem Abbildungspfad der Optikeinheit angeordnet. Durch eine Positionierung einer einzelnen einstellbaren Aperturblende im Abbildungspfad kann bei lediglich geringen Kosten bereits eine sehr gute Kontrastanpassung erzielt werden.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist eine weitere einstellbare Aperturblende in einem Beleuchtungspfad der bildgebenden Einheit angeordnet. Eine besonders gute Kontrastanpassung wird erreicht, wenn ein aufeinander abgestimmtes Aperturblendenpaar verwendet wird, bei dem eine Aperturblende im Abbildungspfad der bildgebenden Einheit sitzt und eine weitere im Beleuchtungspfad. Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist die zumindest eine einstellbare Aperturblende eine Wechselblende oder eine Blende mit einstellbarer Öffnung. In einer besonders einfachen Form werden wechselnde Öffnungen in einem Element zur Position der Apertur im Strahlengang bewegt. Anstelle eines Elements mit festen Blendenöffnungen kann aber auch eine kontinuierlich veränderliche Blende genutzt werden, beispielsweise eine Irisblende oder ein zweiteiliges Element, dessen Elemente symmetrisch zueinander verschoben werden.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist das Gerät ein Flead-Up-Display, ein Projektor oder ein Projektionsdisplay. Besonders vorteilhaft ist eine Umsetzung einer erfindungsgemäßen Lösung in einem Head-Up-Display, da ein solches bei unterschiedlichsten Umgebungslichtbedingungen betrieben wird und somit ein großer Dynamikumfang bewältigt werden muss. Darüber hinaus ist die Verwendung einer erfindungsgemäßen Lösung auch in Projektoren und Projektionsdisplays sinnvoll, die unter stark variierenden Umgebungsbedingungen eingesetzt werden.
Vorzugsweise wird ein erfindungsgemäßes Head-Up-Display in einem Fortbewegungsmittel eingesetzt, z.B. in einem Kraftfahrzeug. Fortbewegungsmittel werden zu unterschiedlichsten Tageszeiten genutzt, sodass eine große Bandbreite von Umgebungslichtbedingungen bewältigt werden muss. Dies kann mit einem erfindungsgemäßen Head-Up-Display zuverlässig erreicht werden. Besonders vorteilhaft ist die resultierende Reduzierung des Postkarteneffekts bei Augmented-Reality-Head-Up-Displays. Bei diesen deckt der Anzeigebereich wesentliche Teile des Sichtbereichs ab und eine Aufhellung dieses Bereichs, d.h. der Postkarteneffekt, könnte dazu führen, dass schlecht beleuchtete Fußgänger nicht rechtzeitig gesehen werden. Dies könnte zu relevanten Gefährdungen führen. Diese werden durch die erfindungsgemäße Lösung vermieden.
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 Gerät zum Generieren eines virtuellen Bildes gemäß dem Stand der Technik;
Fig. 2 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Gerät zum Generieren eines virtuellen Bildes.
Fig. 3 zeigt beispielhaft einen Teil eines optischen Abbildungspfads der
Optikeinheit eines erfindungsgemäßen Geräts zum Generieren eines virtuellen Bildes;
Fig. 4 zeigt schematisch Blenden, die in einem erfindungsgemäßen Gerät zum Generieren eines virtuellen Bildes verwendet werden können;
Fig. 5 zeigt schematisch ein Verfahren zum Steuern eines erfindungsgemäßen Geräts zum Generieren eines virtuellen Bildes;
Fig. 6 zeigt schematisch eine erste Ausführungsform einer Vorrichtung zum
Steuern eines erfindungsgemäßen Geräts zum Generieren eines virtuellen Bildes;
Fig. 7 zeigt schematisch eine zweite Ausführungsform einer Vorrichtung zum Steuern eines erfindungsgemäßen Geräts zum Generieren eines virtuellen Bildes; und
Fig. 8 zeigt schematisch ein Fortbewegungsmittel, in dem eine erfindungsgemäße Lösung realisiert ist.
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 Geräts zum Generieren eines virtuellen Bildes VB gemäß dem Stand der Technik. In diesem Beispiel handelt es sich bei dem Gerät um ein Flead-Up-Display für ein Kraftfahrzeug. Das Flead-Up-Display weist eine Anzeigevorrichtung 1 mit einer bildgebenden Einheit 10 und einer Optikeinheit 12 auf. Von einem Anzeigeelement 11 geht ein Strahlenbündel SB1 aus, welches mittels eines Objektivsystems 114 in eine Zwischenbildebene 14 abgebildet wird. Von dort wird das Zwischenbild von einem Faltspiegel 21 und einem gekrümmten Spiegel 22 auf eine Spiegeleinheit 2 projiziert. Das Anzeigeelement 11 umfasst in diesem Beispiel eine Lichtquelle 110 und einen Bildmodulator 111. Die Spiegeleinheit 2 ist hier als Windschutzscheibe 20 des Kraftfahrzeugs dargestellt. Von dort gelangt das Strahlenbündel SB2 in Richtung eines Auges eines Betrachters 3.
Der Betrachter 3 sieht ein virtuelles Bild VB, welches sich außerhalb des Kraftfahrzeugs oberhalb der Motorhaube oder sogar vor dem Kraftfahrzeug befindet. Durch das Zusammenwirken von Optikeinheit 12 und Spiegeleinheit 2 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 des Betrachters 3 innerhalb einer durch ein Rechteck angedeuteten Eyebox 4 befindet, sind alle Elemente des virtuellen Bildes VB für den Betrachter 3 sichtbar. Befindet sich das Auge des Betrachters 3 außerhalb der Eyebox 4, so ist das virtuelle Bild VB für den Betrachter 3 nur noch teilweise oder gar nicht sichtbar. Je größer die Eyebox 4 ist, desto weniger eingeschränkt ist der Betrachter bei der Wahl seiner Sitzposition. Die Krümmung des gekrümmten Spiegels 22 ist an die Krümmung der Windschutzscheibe 20 angepasst und sorgt dafür, dass die Bildverzeichnung über die gesamte Eyebox 4 stabil ist. Der gekrümmte Spiegel 22 ist mittels einer Lagerung 23 drehbar gelagert. Die dadurch ermöglichte Drehung des gekrümmten Spiegels 22 ermöglicht ein Verschieben der Eyebox 4 und somit eine Anpassung der Position der Eyebox 4 an die Position des Betrachters 3. 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 12 dennoch kompakt ausfällt. Die bildgebende Einheit 10 und die Optikeinheit 12 werden durch ein Gehäuse 13 mit einer transparenten Abdeckscheibe 24 gegen die Umgebung abgegrenzt. Die optischen Elemente der Optikeinheit 12 sind somit beispielsweise gegen im Innenraum des Fahrzeugs befindlichen Staub geschützt. Auf der Abdeckscheibe 24 kann sich weiterhin eine optische Folie bzw. ein Polarisator 25 befinden. Das Anzeigeelement 11 ist typischerweise polarisiert und die Spiegeleinheit 2 wirkt wie ein Analysator. Zweck des Polarisators 25 ist es daher, die Polarisation zu beeinflussen, um eine gleichmäßige Sichtbarkeit des Nutzlichts zu erzielen. Eine auf der Abdeckscheibe 24 angeordnete Abdeckanordnung 26 dient dazu, das über die Grenzfläche der Abdeckscheibe 24 reflektierte Licht sicher zu absorbieren, sodass keine Blendung des Betrachters hervorgerufen wird. Außer dem Sonnenlicht SL kann auch das Licht einer anderen Störlichtquelle 5 auf das Anzeigeelement 11 gelangen. In Kombination mit einem Polarisationsfilter kann der Polarisator 25 zusätzlich auch genutzt werden, um einfallendes Sonnenlicht SL zu reduzieren.
Fig. 2 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Gerät zum Generieren eines virtuellen Bildes VB, hier wiederum am Beispiel eines ein Head-Up-Displays für ein Kraftfahrzeug. Das Head-Up-Display ist weitgehend identisch mit dem Head-Up-Display aus Fig. 1 . Allerdings ist in einem Abbildungspfad der Optikeinheit 12 eine einstellbare Aperturblende 120 angeordnet, mittels derer ein Kontrast des projizierten Bildes eingestellt werden kann. Eine weitere einstellbare Aperturblende (nicht dargestellt) kann in einem Beleuchtungspfad der bildgebenden Einheit 10 angeordnet sein. Die einstellbare Aperturblende 120 wird von einer dazu ausgelegten Vorrichtung 30, 40 in Abhängigkeit von den Umgebungslichtbedingungen gesteuert. Insbesondere kann bei dunklen Umgebungslichtbedingungen die einstellbare Aperturblende weiter geschlossen werden, während bei hellen Umgebungslichtbedingungen die einstellbare Aperturblende weiter geöffnet werden kann. Zum Bestimmen der Umgebungslichtbedingungen kann die Vorrichtung 30, 40 beispielsweise auf Informationen eines Helligkeitssensors 52 zurückgreifen.
Fig. 3 zeigt beispielhaft einen Teil eines optischen Abbildungspfads eines erfindungsgemäßen Geräts zum Generieren eines virtuellen Bildes. Die vom Bildmodulator 111 ausgehenden Lichtstrahlen 112 werden von einer Feldlinse 113 gesammelt und treffen auf ein Objektivsystem 114. Die Feldlinse ist in diesem Ausführungsbeispiel außeraxial angeordnet. Das Objektivsystem 114 projiziert das vom Bildmodulator 111 angezeigte Bild auf die in Fig. 3 nicht dargestellte Spiegeleinheit. Vor dem Objektivsystem 114 befindet sich als Aperturblende eine einstellbare Aperturblende 120, mittels derer der Kontrast des Bildes eingestellt werden kann.
Fig. 4 zeigt schematisch Aperturblende 120, die in einem erfindungsgemäßen Gerät zum Generieren eines virtuellen Bildes verwendet werden können. In einer besonders einfachen Form werden wechselnde Blendenöffnungen 121 in einem Element zur Position der Apertur im Strahlengang bewegt. Eine solche Aperturblende 120 ist in Fig. 4a) dargestellt. Anstelle eines Elements mit festen Blendenöffnungen 121 kann aber auch eine kontinuierlich veränderliche Aperturblende 120 genutzt werden. Ein erstes Beispiel einer solchen veränderlichen Aperturblende 120 ist eine Irisblende, wie sie in Fig. 4b) gezeigt ist. Eine weitere Möglichkeit zeigt Fig. 4c). Bei dieser Ausführungsform besteht die Aperturblende 120 aus zwei verschiebbaren Elementen 122, die symmetrisch zueinander verschiebbar sind. Durch die verschiebbaren Elemente 122 wird eine variable Blendenöffnung 123 gebildet.
Fig. 5 zeigt schematisch ein Verfahren zum Steuern eines erfindungsgemäßen Geräts zum Generieren eines virtuellen Bildes. In einem ersten Schritt werden Umgebungslichtbedingungen ermittelt S1. Dazu kann beispielsweise auf Informationen eines Helligkeitssensors zurückgegriffen werden. Anschließend wird zumindest eine einstellbare Aperturblende des Geräts in Abhängigkeit von den ermittelten Umgebungslichtbedingungen eingestellt S2, um einen Kontrast eines projizierten Bildes einzustellen. Insbesondere kann bei dunklen Umgebungslichtbedingungen die einstellbare Aperturblende weiter geschlossen werden, während bei hellen Umgebungslichtbedingungen die einstellbare Aperturblende weiter geöffnet werden kann. Vorzugsweise wird zusätzlich auch die Bestromung und/oder die Pulsweitenmodulation der als Lichtquelle verwendeten Leuchtdioden eingestellt, um insgesamt einen besonders großen Dynamikbereich in Bezug auf die Helligkeit abdecken zu können.
Fig. 6 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer Vorrichtung 30 zum Steuern eines erfindungsgemäßen Geräts zum Generieren eines virtuellen Bildes. Die Vorrichtung 30 hat einen Eingang 31 , über den Informationen eines Helligkeitssensors 52 empfangen werden können. Eine Auswerteeinheit 32 ist dazu eingerichtet, aus den empfangenen Informationen Umgebungslichtbedingungen U zu ermitteln. Eine Steuereinheit 33 ist dazu eingerichtet, in Abhängigkeit von den ermittelten Umgebungslichtbedingungen U zumindest eine einstellbare Aperturblende 120 des Geräts einzustellen, um einen Kontrast eines projizierten Bildes einzustellen. Insbesondere kann die Steuereinheit 33 die einstellbare Aperturblende 120 bei dunklen Umgebungslichtbedingungen U weiter schließen und bei hellen Umgebungslichtbedingungen weiter öffnen. Dazu können entsprechende Steuersignale S über einen Ausgang 36 der Vorrichtung 30 an das Gerät bzw. die zumindest eine einstellbare Aperturblende 120 ausgegeben werden. Vorzugsweise ist die Steuereinheit 33 eingerichtet, zusätzlich auch die Bestromung und/oder die Pulsweitenmodulation der als Lichtquelle verwendeten Leuchtdioden einzustellen, um insgesamt einen besonders großen Dynamikbereich in Bezug auf die Helligkeit abdecken zu können.
Die Auswerteeinheit 32 und die Steuereinheit 33 können von einer Kontrolleinheit 34 gesteuert werden. Über eine Benutzerschnittstelle 37 können gegebenenfalls Einstellungen der Auswerteeinheit 32, der Steuereinheit 33 oder der Kontrolleinheit 34 geändert werden. Die in der Vorrichtung 30 anfallenden Daten können bei Bedarf in einem Speicher 35 der Vorrichtung 30 abgelegt werden, beispielsweise für eine spätere Auswertung oder für eine Nutzung durch die Komponenten der Vorrichtung 30. Die Auswerteeinheit 32, die Steuereinheit 33 sowie die Kontrolleinheit 34 können als dedizierte Hardware realisiert sein, beispielsweise als integrierte Schaltungen. Natürlich können sie aber auch teilweise oder vollständig kombiniert oder als Software implementiert werden, die auf einem geeigneten Prozessor läuft, beispielsweise auf einer GPU oder einer CPU. Der Eingang 31 und der Ausgang 36 können als getrennte Schnittstellen oder als eine kombinierte Schnittstelle implementiert sein.
Fig. 7 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer Vorrichtung 40 zum Steuern eines erfindungsgemäßen Geräts zum Generieren eines virtuellen Bildes. Die Vorrichtung 40 weist einen Prozessor 42 und einen Speicher 41 auf. Beispielsweise handelt es sich bei der Vorrichtung 40 um ein Steuergerät. Im Speicher 41 sind Instruktionen abgelegt, die die Vorrichtung 40 bei Ausführung durch den Prozessor 42 veranlassen, die Schritte gemäß dem beschriebenen Verfahren auszuführen. Die im Speicher 41 abgelegten Instruktionen verkörpern somit ein durch den Prozessor 42 ausführbares Programm, welches das erfindungsgemäße Verfahren realisiert. Die Vorrichtung 40 hat einen Eingang 43 zum Empfangen von Informationen. Vom Prozessor 42 generierte Daten werden über einen Ausgang 44 bereitgestellt. Darüber hinaus können sie im Speicher 41 abgelegt werden. Der Eingang 43 und der Ausgang 44 können zu einer bidirektionalen Schnittstelle zusammengefasst sein.
Der Prozessor 42 kann eine oder mehrere Prozessoreinheiten umfassen, beispielsweise Mikroprozessoren, digitale Signalprozessoren oder Kombinationen daraus.
Die Speicher 35, 41 der beschriebenen Vorrichtungen können sowohl volatile als auch nichtvolatile Speicherbereiche aufweisen und unterschiedlichste Speichergeräte und Speichermedien umfassen, beispielsweise Festplatten, optische Speichermedien oder Halbleiterspeicher.
Fig. 8 zeigt schematisch ein Fortbewegungsmittel 50, in dem eine erfindungsgemäße Lösung realisiert ist. Bei dem Fortbewegungsmittel 50 handelt es sich in diesem Beispiel um ein Kraftfahrzeug. Das Kraftfahrzeug weist ein Head-Up-Display 51 auf, in dem eine erfindungsgemäße Lösung implementiert ist. Mittels einer Vorrichtung 30, 40 wird das Head-Up-Display 51 gesteuert. Die Vorrichtung 30, 40 kann dazu auf Signale eines Helligkeitssensors 52 zurückgreifen. In Fig. 8 ist die Vorrichtung 30, 40 in das Head-Up-Display 51 integriert. Sie kann aber auch als eigenständige Komponente ausgestaltet sein. Zudem weist das Kraftfahrzeug zumindest ein Assistenzsystem 53 sowie ein Navigationssystem 54 auf, die einen Bediener des Kraftfahrzeugs im Fährbetrieb unterstützen. Vom Assistenzsystem 53 oder dem Navigationssystem 54 bereitgestellte Informationen können dem Bediener dabei mittels des Head-Up-Displays 51 vermittelt werden. Mittels einer Datenübertragungseinheit 55 kann eine Verbindung zu einem Backend aufgebaut werden, z.B. um aktualisierte Software für die Komponenten des Kraftfahrzeugs zu beziehen. Zur Speicherung von Daten ist ein Speicher 56 vorhanden. Der Datenaustausch zwischen den verschiedenen Komponenten des Kraftfahrzeugs erfolgt über ein Netzwerk 57.

Claims

Patentansprüche
1. Gerät zum Generieren eines virtuellen Bildes (VB), mit:
- einer bildgebenden Einheit (10) mit einer Lichtquelle (110) und einem Bildmodulator (111 ) zum Erzeugen eines Bildes;
- einer Optikeinheit (12) zum Projizieren des Bildes auf eine Projektionsfläche (2, 20); und
- zumindest einer einstellbaren Aperturblende (120) zur Einstellung eines Kontraste des projizierten Bildes.
2. Gerät gemäß Anspruch 1 , wobei die zumindest eine einstellbare Aperturblende (120) in Abhängigkeit von Umgebungslichtbedingungen (U) eingestellt wird (S2).
3. Gerät gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die zumindest eine einstellbare Aperturblende (120) in einem Abbildungspfad der Optikeinheit (12) angeordnet ist.
4. Gerät gemäß Anspruch 3, wobei eine weitere einstellbare Aperturblende in einem Beleuchtungspfad der bildgebenden Einheit (10) angeordnet ist.
5. Gerät gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die zumindest eine einstellbare Aperturblende (120) eine Wechselblende oder eine Blende mit einstellbarer Öffnung ist.
6. Gerät gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Gerät ein Head-Up-Display (51 ), ein Projektor oder ein Projektionsdisplay ist.
7. Fortbewegungsmittel mit einem Gerät gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 zum Generieren eines virtuellen Bildes (VB) für einen Bediener des Fortbewegungsmittels.
8. Verfahren zum Steuern eines Geräts zum Generieren eines virtuellen Bildes (VB) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, mit den Schritten:
- Ermitteln (S1 ) von Umgebungslichtbedingungen (U); und - Einstellen (S2) zumindest einer einstellbaren Aperturblende (120) des Geräts in Abhängigkeit von den ermittelten Umgebungslichtbedingungen (U) zur Einstellung eines Kontraste eines projizierten Bildes.
9. Computerprogramm mit Instruktionen, die bei Ausführung durch einen
Computer den Computer zur Ausführung der Schritte des Verfahrens gemäß Anspruch 8 zum Steuern eines Geräts zum Generieren eines virtuellen Bildes (VB) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 veranlassen.
10. Vorrichtung (30) zum Steuern eines Geräts zum Generieren eines virtuellen
Bildes (VB) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, mit:
- einer Auswerteeinheit (32) zum Ermitteln (S1) von Umgebungslichtbedingungen (U); und
- einer Steuereinheit (33) zum Einstellen (S2) zumindest einer einstellbaren Aperturblende (120) des Geräts in Abhängigkeit von den ermittelten
Umgebungslichtbedingungen (U) zur Einstellung eines Kontraste eines projizierten Bildes.
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