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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anzeigevorrichtung zur Einblendung eines virtuellen Bildes in das Blickfeld eines Benutzers nach dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs 1.
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Das von der Firma Google entwickelte und unter dem Markennamen Google Glass vertriebene Gerät besteht im Wesentlichen aus einer herkömmlichen Brille, die auf einer Seite einen relativ breiten Bügel aufweist, in den ein Computer mit der Rechenleistung eines Mittelklasse-Smartphones integriert ist. Die Bildausgabe erfolgt durch einen kleinen Projektor, der ebenfalls in den Bügel integriert ist, und dessen Bild mittels eines Prismas in das rechte Auge des Benutzers eingespiegelt wird. Das Prisma ist vor dem rechten Glas der Brille angeordnet und deckt lediglich einen geringen Bereich des Blickfeldes ab. Das eingeblendete virtuelle Bild, das von dem Projektor erzeugt wird, kann daher nur in einem kleinen Bereich des Blickfeldes dargestellt werden. Zudem stört das relativ dicke Prisma vor dem rechten Glas der Brille die Ästhetik und kann zudem vom Benutzer als störend empfunden werden. Das Prisma lässt zwar das Licht der Umgebung durch, sodass der Benutzer das Bild der Realität auch im Bereich des Prismas weiterhin sehen kann. Durch das Prisma kommt es jedoch zu Abbildungsfehlern.
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Ferner sind aus dem Stand der Technik sogenannte Virtual-Reality-Brillen bekannt, die das Bild der Umgebung mit einer Kamera aufnehmen, mit einem virtuellen Bild kombinieren, und das kombinierte Bild mittels einer Projektionsvorrichtung für den Benutzer darstellen. Bei diesen Geräten handelt es sich jedoch nicht um Brillen im eigentlichen Sinn, da der Benutzer kein transparentes Glas vor Augen hat und das Bild der Umgebung somit nur bei eingeschalteter Projektionsvorrichtung sieht. Aufgrund eines möglichen Ausfalls der Projektionsvorrichtung, beispielsweise durch eine Stromunterbrechung, sind derartige Systeme daher nicht für Anwendungen geeignet, bei welchen der Benutzer aus sicherheitstechnischen Gründen seine Umgebung stets wahrnehmen können muss.
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Aus dem Stand der Technik sind ferner Anzeigevorrichtungen zur Einblendung eines virtuellen Bildes bekannt, die ohne eine Brille für den Benutzer auskommen. Derartige Anzeigevorrichtungen werden beispielsweise im Automobilbereich als sogenannte Head-up-Displays eingesetzt, um dem Fahrer zusätzliche Informationen, beispielsweise über die momentane Geschwindigkeit des Fahrzeugs, direkt in sein Blickfeld einzublenden, ohne dass der Fahrer hierfür den Blick von der Straße abwenden muss. Derartige Anzeigevorrichtungen sind beispielsweise in
DE 2304175 A ,
DE 4445555C2 ,
DE 102005012011 A1 ,
DE 102008024060 A1 und
DE 102011075205 A1 beschrieben. Die bekannten Head-up-Displays haben unter anderem den Nachteil, dass der Bereich, in dem das virtuelle Bild für den Benutzer dargestellt werden kann, lediglich einen geringen Teil des Blickfeldes einnimmt.
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Eine Anzeigevorrichtung nach dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs 1 ist beispielsweise aus
US 2012/0280956 A1 und aus
US 6,353,422 B1 bekannt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Anzeigevorrichtung der gattungsgemäßen Art vorteilhaft weiterzubilden.
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Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1.
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Die Erfindung bietet unter anderem den Vorteil, dass die holographische Abbildungsoptik als solche vollkommen unauffällig ist und weder vom Benutzer selbst noch von dritten Personen als störend empfunden wird. Dabei kann das gesamte Glas der Brille mit der holographischen Abbildungsoptik beschichtet sein. Dadurch und aufgrund der Anordnung der holographischen Abbildungsoptik nahe vor dem Auge des Benutzers ergibt sich insbesondere in Bezug auf die Darstellung des virtuellen Bildes ein besonders großes Blickfeld des Benutzers. Im Gegensatz zu bestehenden Systemen, bei welchen die Umgebung mit einer Kamera aufgenommen und, kombiniert mit dem virtuellen Bild, für den Benutzer nur bei eingeschalteter Projektionsvorrichtung sichtbar ist, bleibt die Umgebung bei der erfindungsgemäßen Anzeigevorrichtung stets sichtbar. Die holographische Abbildungsoptik ist transparent und ermöglicht dem Benutzer eine ungehinderte und direkte Wahrnehmung seiner Umgebung. Bei Verwendung einer holographischen Mattscheibe wird das projizierte Licht nur in eine definierte Raumrichtung abgelenkt. Die holographische Abbildungsoptik ist derart konfiguriert, dass sie das virtuelle Bild für den Benutzer dann rekombiniert, wenn ein bestimmter Einfallswinkel bzw. ein bestimmter Einfallswinkelbereich eingehalten wird. Die holographische Abbildungsoptik übernimmt sowohl eine Lupen-Funktion als auch eine Umlenkfunktion. Die holographische Abbildungsoptik ist vorzugsweise ein dünnes flächiges Element, das weiter vorzugsweise lediglich einige Mikrometer dick und als Beschichtung bzw. Film auf das Glas der Brille aufgebracht ist. Die holographische Abbildungsoptik kann mehrere holographische Schichten umfassen. Ferner können die holographische Abbildungsoptik bzw. deren Schichten jeweils auf eine bestimmte Wellenlänge optimiert sein. Als Glas kommt grundsätzlich jeder geeignete transparente Träger für die holographische Abbildungsoptik in Betracht. Es wird insbesondere darauf hingewiesen, dass es sich bei dem Glas nicht unbedingt um ein mineralisches Glas sondern beispielsweise auch um ein Kunststoffglas handeln kann. Aus dem Bild der erfindungsgemäß vorgesehenen Stereo-Kamera kann ein stereoskopisches Bild aus dem Blickwinkel des Benutzers berechnet und dem realen Seheindruck passgenau überlagert werden. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn durch die Kamera Details der Realität aufgenommen werden, die für den Benutzer nicht direkt wahrnehmbar sind, da sie zum Beispiel von anderen Objekten verdeckt sind. Bei der erfindungsgemäßen Anzeigevorrichtung ist es beispielsweise möglich, den Bereich der Umgebung, der sich aus Sicht des Fahrers eines Personenkraftwagens hinter der A-Säule befindet, durch die Kamera zu erfassen und das Bild der Kamera so umzurechnen und dem Fahrer als virtuelles Bild in das Blickfeld einzublenden, dass der Fahrer quasi durch die A-Säule hindurchsehen kann. Gleiches gilt beispielsweise auch für die Motorhaube oder die B-Säule bzw. C-Säule. Vorzugsweise werden die Bereiche, die der Benutzer direkt sieht, aus dem virtuellen Bild herausgerechnet, so dass in diesen Bereichen keine störende Überlagerung des direkten Seheindrucks mit dem virtuellen Bild stattfindet. Besonders bevorzugt ist die Anzeigevorrichtung für den Fahrer eines Kraftfahrzeugs ausgelegt.
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Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Brille ein rechtes Glas und ein linkes Glas auf, wobei pro Glas jeweils eine holographische Abbildungsoptik vorgesehen ist, die auf das jeweilige Glas der Brille aufgebracht ist. Bei den beiden holographischen Abbildungsoptiken handelt es sich dabei vorzugsweise um unterschiedliche holographische Abbildungsoptiken. Bei dieser Ausführungsform ergibt sich für den Benutzer hinsichtlich des virtuellen Bildes ein großes stereoskopisches Blickfeld.
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Weiter bevorzugt ist für jedes der beiden Gläser eine separate Projektionsvorrichtung vorgesehen. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Projektionsvorrichtung bzw. sind die Projektionsvorrichtungen Teil der Brille. Bei dieser Ausführungsform können ein exakt gleichbleibender Abstand der Projektionsvorrichtung zu der holographischen Abbildungsoptik sowie eine ebenfalls exakt gleichbleibende Ausrichtung der Projektionsvorrichtung in Bezug auf die holographische Abbildungsoptik eingehalten werden. Dadurch wird eine hervorragende Abbildungsqualität des virtuellen Bildes erreicht. Ferner erleichtert sich dadurch die Abstimmung zwischen Projektionsvorrichtung und holographischer Abbildungsoptik.
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Dabei ist es von besonderem Vorteil, wenn die Projektionsvorrichtung derart angeordnet ist, dass die durch sie erzeugten Lichtstrahlen auf die einem Auge des Benutzers zugewandte Rückseite des Glases treffen, wobei die holographische Abbildungsoptik reflektierend ausgeführt ist. Die Projektionsvorrichtung kann in diesem Fall relativ unauffällig seitlich hinter dem jeweiligen Glas angeordnet werden. Besonders bevorzugt ist die Projektionsvorrichtung seitlich im Bereich eines Bügels der Brille angeordnet oder in den Bügel integriert.
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In einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Projektionsvorrichtung derart angeordnet sein, dass die durch sie erzeugten Lichtstrahlen auf die einem Auge des Benutzers abgewandte Vorderseite des Glases treffen, wobei die holographische Abbildungsoptik transmittierend ausgeführt ist. Auch bei dieser Ausführungsform ist es grundsätzlich denkbar, die Projektionsvorrichtung als Teil der Brille auszuführen und fest mit dem Brillengestell zu verbinden. Wenn die Projektionsvorrichtung jedoch separat und getrennt von der Brille im Raum angeordnet wird, ergibt sich der Vorteil, dass die Brille als solche sehr leicht und unauffällig ausgeführt werden kann und im Endeffekt nicht von einer herkömmlichen Brille zu unterscheiden ist.
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In einer besonders bevorzugten Weiterbildung dieser Ausführungsform weist die Anzeigevorrichtung mehrere Projektionsvorrichtungen oder Paare von Projektionsvorrichtungen auf, wobei diese nicht Teil der Brille sondern beabstandet von der Brille angeordnet und in Abhängigkeit von Position und Ausrichtung der Brille aktivierbar sind. Dadurch kann sich der Benutzer in einem bestimmten Aktionsradius frei im Raum bewegen, wobei das virtuelle Bild für den Benutzer trotz unterschiedlicher Position und Ausrichtung der Brille stets bestehen bleibt. Hierzu kommt jeweils diejenige der Projektionsvorrichtungen zum Einsatz, deren Position und Ausrichtung im jeweiligen Moment die optimale Darstellung des virtuellen Bildes ermöglicht. Falls eine stereoskopische Darstellung gewünscht ist, kommt vorzugsweise jeweils ein Paar von Projektionsvorrichtungen zum Einsatz.
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Ein besonders unauffälliger Wechsel zwischen den Projektionsvorrichtungen ergibt sich für den Benutzer in diesem Fall dann, wenn die Projektionsvorrichtungen oder Paare von Projektionsvorrichtungen über einen Winkelbereich von zumindest 60°, vorzugsweise zumindest 90°, weiter bevorzugt zumindest 180°, bezogen auf die ungefähre Hochachse des Kopfes des Benutzers verteilt sind, wobei jeweils zwischen zwei Projektionsvorrichtungen oder Paaren von Projektionsvorrichtungen vorzugsweise ein einheitlicher Winkel α besteht, und wobei dieser einheitliche Winkel α weiter vorzugsweise weniger als 20°, bevorzugt weniger als 15°, und besonders bevorzugt weniger als 10° beträgt.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Anzeigevorrichtung einen Tracker zur Erfassung von Position und Ausrichtung der Brille auf. Dadurch ist es nicht nur möglich, die jeweils optimale Projektionsvorrichtung anzusprechen, falls die Projektionsvorrichtung nicht Teil der Brille ist sondern mehrere Projektionsvorrichtungen im Raum angeordnet sind. Diese Ausführungsform erlaubt es vielmehr auch, virtuelle Objekte insbesondere dreidimensionaler Art für den Benutzer stets am selben Ort der realen Umgebung zu verankern und durch entsprechende Berechnung der Darstellung dieser Objekte aus dem Blickwinkel des Benutzers korrekt darzustellen.
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In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann es sich bei der Kamera um eine Infrarotkamera handeln. Bei dieser Ausführungsform kann die Sichtweite bei Nacht erheblich erweitert werden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Anzeigevorrichtung ein Photometer zur Messung der Umgebungshelligkeit auf. Dadurch kann die Helligkeit des virtuellen Bildes an die Umgebungshelligkeit angepasst werden.
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Die holographische Abbildungsvorrichtung weist vorzugsweise ein Lupen-Hologramm auf. Weiter vorzugsweise weist die holographische Abbildungsoptik ein Volumentransmissions-Hologramm auf. Bei dieser Ausführungsform können echtfarbige virtuelle Bilder erzeugt werden.
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Um Akkomodationsschwierigkeiten des Auges zu reduzieren, ist die Anzeigevorrichtung vorzugsweise so eingerichtet, dass das virtuelle Bild in etwa 4 m Abstand vor dem Auge erzeugt wird. Der Abstand ist vorzugsweise durch die Projektionsvorrichtung einstellbar.
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Durch Anpassen der Aufnahme-Wellenlänge an das Spektrum des Projektors können Dispersionseffekte vermieden werden, so dass RGB-Bilder verwendet werden können.
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Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand von Zeichnungen erläutert.
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Es zeigen:
- 1: die Brille einer erfindungsgemäßen Anzeigevorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, bei dem die Projektionsvorrichtung in die Brille des Benutzers integriert ist, in einer perspektivischen Ansicht,
- 2: die Brille aus 1 in einer Draufsicht,
- 3: einen Schnitt durch die Brille aus den 1 und 2 entlang der in 2 dargestellten Schnittlinie III,
- 4: die Brille einer erfindungsgemäßen Anzeigevorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, bei dem die Projektionsvorrichtung nicht in die Brille integriert sondern im Innenraum eines Kraftfahrzeugs montiert ist,
- 5: eine Darstellung des vorderen Bereichs des Innenraums des in 4 gezeigten Kraftfahrzeugs aus dem Blickwinkel des Fahrzeuglenkers mit mehreren am Dachhimmel montierten Projektionsvorrichtungen, und
- 6: den Innenraum des Kraftfahrzeugs in einer virtuellen Draufsicht.
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Für die folgenden Ausführungen gilt, dass gleiche Teile durch gleiche Bezugszeichen bezeichnet sind. Sofern in einer Figur Bezugszeichen enthalten sind, auf die in der zugehörigen Figurenbeschreibung nicht näher eingegangen wird, so wird auf vorangehende oder nachfolgende Figurenbeschreibungen Bezug genommen. Ferner wird darauf hingewiesen, dass die Figuren schematischer Natur sind und lediglich zur Erläuterung der Erfindung dienen.
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In den 1 bis 3 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer Brille 2 einer erfindungsgemäßen Anzeigevorrichtung gezeigt, die erfindungsgemäß für den Fahrzeuglenker eines Kraftfahrzeugs ausgelegt ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind zumindest die wichtigsten Teile der erfindungsgemäßen Anzeigevorrichtung in die Brille 2 des Benutzers integriert. Wie man in 1 erkennen kann, weist die Brille 2 ein Gestell auf, das dem einer herkömmlichen Brille ähnlich ist. Das Gestell besteht aus dem Rahmen 15 und den beiden seitlichen Bügeln 7. Der Rahmen 15 nimmt das rechte Glas 6.1 und das linke Glas 6.2 auf. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel weisen die beiden Gläser aus Gründen einer vereinfachten Darstellung keine Krümmung auf. Eine Krümmung der Gläser ist jedoch grundsätzlich möglich. Zur Erzeugung des virtuellen Bildes ist pro Auge bzw. Glas jeweils ein Projektor 3 vorgesehen. Die beiden Projektoren sind in geringem Abstand zu dem jeweiligen Glas in die beiden Bügel 7 der Brille 2 integriert.
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Wie in der Draufsicht aus 2 zu erkennen ist, können die beiden Projektoren 3 einen Strahlengang 4 erzeugen, der seitlich von hinten auf die Rückseite des jeweiligen Glases trifft. 3 zeigt, dass die Rückseite des Glases 6 mit einer dünnen holographischen Abbildungsoptik 5 beschichtet ist. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die holographische Abbildungsoptik reflektierend abgeführt. Sie ist jedoch transparent und lässt das von außen kommende Licht ungehindert durch, sodass der Benutzer der Brille seine Umgebung ungehindert und direkt wahrnehmen kann. Das von dem Projektor 3 ausgesendete Licht wird durch die holographische Abbildungsoptik jedoch reflektiert und für den Benutzer zu dem darzustellenden virtuellen Bild rekombiniert. Um die ungefähren Größenverhältnisse und Abstände zu illustrieren, ist in 3 das Auge 16 des Benutzers dargestellt.
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Neben den gezeigten Elementen der Brille gemäß dem 1. Ausführungsbeispiel können weitere Teile der erfindungsgemäßen Anzeigevorrichtung in die Brille integriert sein. So kann beispielsweise eine Recheneinheit zur Berechnung der gewünschten Bildinformationen ebenso in einem Bügel der Brille untergebracht sein wie entsprechende Sensoren zur Erfassung der Positionen und Ausrichtung der Brille. Auch weitere Komponenten wie beispielsweise eine Kamera, insbesondere eine Infrarotkamera, können in die Brille integriert sein.
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Die 4 bis 6 zeigen ein zweites Ausführungsbeispiel einer Brille der vorliegenden Erfindung, bei dem die erfindungsgemäße Anzeigevorrichtung, genauso wie im Falle der Brille aus den 1 bis 3, für den Fahrzeuglenker eines Kraftfahrzeugs 9 ausgelegt ist. Die 4 bis 6 zeigen jedoch eine alternative Ausführungsform, bei welcher die Projektionsvorrichtung 3 nicht in die Brille integriert sondern im Innenraum des Kraftfahrzeugs montiert ist. Die Brille 2 wird dadurch leichter und für den Benutzer 1 angenehmer zu tragen. Im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel aus den 1 bis 3 muss die holographische Abbildungsoptik in diesem Fall transmittierend ausgeführt sein.
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In 4 richtet der Fahrer 1 seinen Blick durch die Windschutzscheibe 11 des Kraftfahrzeugs 9 hindurch geradeaus auf das Verkehrsgeschehen. Bei einer rein realen Wahrnehmung der Umgebung werden gewisse Bereiche des Verkehrsgeschehens dabei durch die A-Säule 10 des Kraftfahrzeugs 9 verdeckt. Um diese Bereiche für den Fahrer sichtbar zu machen, ist in der A-Säule 10 erfindungsgemäß eine Kamera 8 vorgesehen, deren Bild mittels einer entsprechenden Recheneinheit aus dem Blickwinkel des Fahrers 1 umgerechnet und dem Fahrer als virtuelles Bild in sein Blickfeld eingeblendet wird. An dieser Stelle wird nochmals darauf hingewiesen, dass die Darstellungen lediglich schematischer Natur sind. Die Kamera 8 muss selbstverständlich als Stereokamera ausgeführt sein, damit dem Fahrer eine entsprechende dreidimensionale Darstellung des Bereichs hinter der A-Säule eingeblendet werden kann. Ferner wird darauf hingewiesen, dass die Kamera 8 nicht zwingend in der A-Säule angeordnet werden muss.
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In 4 ist lediglich eine einzige Projektionsvorrichtung 3 gezeigt. Das virtuelle Bild wird in diesem Fall nur dann dargestellt wenn der Fahrzeuglenker 1 seinen Kopf 12 gerade hält und nicht nach links oder rechts dreht. Ursache hierfür ist, dass die holographische Abbildungsoptik der Brille das virtuelle Bild für den Benutzer nur dann rekombiniert, wenn zwischen Projektionsvorrichtung und holographischer Abbildungsoptik ein bestimmter Winkel bzw. ein bestimmter Winkelbereich eingehalten wird. Um diesem Problem zu begegnen, können mehrere Projektionsvorrichtungen oder Paare von Projektionsvorrichtungen vorgesehen sein, die in Abhängigkeit von Position und Ausrichtung der Brille aktivierbar sind. Eine entsprechende Ausführung ist in den 5 und 6 gezeigt. 5 zeigt den vorderen Bereich des Fahrzeuginnenraums aus Sicht des Fahrzeuglenkers. In den Dachhimmel 14 des Kraftfahrzeugs sind mehrere Projektionsvorrichtungen 3 eingelassen. Wie 6 zeigt, sind die Projektionsvorrichtungen 3 um die Hochachse 13 des Kopfes 12 des Fahrzeuglenkers 1 herum gleichmäßig verteilt angeordnet. Zwischen zwei benachbarten Projektionsvorrichtungen 3 besteht jeweils ein einheitlicher Winkel α von etwa 10°. Sobald der Fahrzeuglenker 1 seinen Kopf 12 aus der mittleren Stellung um mehr als 5° nach links oder rechts bewegt, wird die direkt vor ihm liegende Projektionsvorrichtung 3 deaktiviert und die jeweils benachbarte Projektionsvorrichtung aktiv geschaltet. Die Anzeigevorrichtung ist mit einem Tracker ausgerüstet, um Position und Ausrichtung der Brille erfassen zu können.
