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Die Erfindung betrifft eine Laser-Projektionsanordnung zur Erzeugung virtueller Bilder, umfassend eine Bilderzeugungseinheit, ein Optikmodul und eine Projektionsfläche, wobei die Bilderzeugungseinheit mindestens eine Laserquelle und ein Mittel zur Erzeugung eines darzustellenden Bildes aufweist.
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Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Erzeugung virtueller Bilder mit einer Laser-Projektionsanordnung, bei welchem mittels einer Bilderzeugungseinheit ein virtuelles Bild erzeugt und durch eine Projektion unter Verwendung einer Projektionsfläche für einen Fahrer dargestellt wird.
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Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, einem Benutzer, wie beispielsweise einem Autofahrer oder einem Piloten, mittels eines Head-up-Displays Informationen in sein Sichtfeld zu projizieren. Unter einem Head-up-Display, auch als HUD abgekürzt, ist ein Anzeigesystem zu verstehen, bei welchem der Benutzer zum Betrachten der angezeigten Informationen die Haltung des Kopfes beziehungsweise die Blickrichtung in der ursprünglichen Ausrichtung im Wesentlichen beibehalten kann. Derartige Head-up-Displays weisen im Allgemeinen eine eigene Bilderzeugungseinheit, welche die darzustellenden Informationen in Form eines Bilds bereitstellt, ein Optikmodul, welches den Strahlenverlauf innerhalb des Head-up-Displays bis zu einer Austrittsöffnung ermöglicht und auch als Spiegeloptik bezeichnet wird, sowie eine Projektionsfläche, zur Darstellung des zu erzeugenden Bildes, auf. Das Optikmodul leitet das Bild auf die Projektionsfläche, welche als eine spiegelnde, lichtdurchlässige Scheibe ausgebildet ist und auch als Combiner bezeichnet wird. In einem besonderen Fall wird als Projektionsfläche eine hierfür geeignete Windschutzscheibe eingesetzt. Der Fahrzeugführer sieht die gespiegelten Informationen der Bilderzeugungseinheit und gleichzeitig die wirkliche Umgebung hinter der Windschutzscheibe. Damit bleibt die Aufmerksamkeit eines Fahrzeugführers, beispielsweise beim Führen eines Kraftfahrzeuges, auf das Geschehen vor dem Fahrzeug gerichtet, während er die in das Sichtfeld projizierten Informationen erfassen kann.
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Zu den darstellbaren Informationen gehört die Anzeige von Betriebszuständen, wie Angaben zur Geschwindigkeit, Motordrehzahl, Zuladung, Ausstattung sowie zu Informationen eines Navigationssystems, Radarsystems oder Zielerfassungssystems. Darüber hinaus können, beispielsweise in Kraftfahrzeugen, auch Informationen zu aktuell geltenden Streckenbeschränkungen, wie Überholverbote und Tempolimits oder die aktuelle Einstellung der adaptiven Geschwindigkeitsregelung, englisch „adaptive cruise control“, kurz als ACC bezeichnet, und andere zur Anzeige gebracht werden.
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Bekannt ist es auch, eine sogenannte kontaktanaloge Darstellung in Fahrzeugen in einer 2D- oder 3D-Perspektive zu verwenden. Unter kontaktanalogen Informationen oder Anzeigeelementen werden solche Informationen oder Anzeigeelemente verstanden, welche positionsrichtig und lagerichtig derart in die aktuelle Sicht des Fahrzeugführers eingeblendet werden, dass beim Fahrzeugführer der Eindruck entsteht, diese Informationen oder Anzeigeelemente seien ein Bestandteil der Umgebung des Fahrzeugs. So entsteht beispielsweise der Eindruck, dass ein dargestellter Pfeil, welcher einen Fahrtrichtungswechsel oder einen Spurwechsel anzeigt, direkt auf der Fahrbahn angeordnet ist, da die bildhafte Darstellung des Pfeils der vom Fahrzeugführer wahrgenommenen Umwelt überlagert wurde. Diese ganz oder teilweise verdeckende oder überlagernde positionsrichtige und lagerichtige Einblendung derartiger Informationen führt somit zu einer Ergänzung des von einem Fahrzeugführer wahrgenommenen Umgebungsbildes.
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Außer einem direkt auf der Straße liegenden Navigationspfeil kann beispielsweise auch ein Abstandsbalken dargestellt werden, welcher einen einzuhaltenden Abstand zu einem vorausfahrenden Fahrzeug anzeigen soll. Möglich ist auch eine Darstellung von Wänden oder Barrieren, welche auf vorhandenen Fahrbahnmarkierungen platziert werden.
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Aus dem Stand der Technik sind sogenannte holografisch-optische Elemente oder Bauelemente bekannt, deren holografische Eigenschaften für die Optik von Geräten verwendet werden. Mit diesen, ein Hologramm aufweisenden Elementen, lassen sich herkömmliche Linsen, Spiegel und Prismen ersetzen.
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Das einfachste bekannte holografisch-optische Bauelement ist die sogenannte Fresnelsche Zonenplatte, welche wegen ihrer Eigenschaften auch Zonenlinse genannt wird. Eine Zonenlinse ist das Hologramm eines Punktes und wirkt daher als Transmissionshologramm gleichzeitig wie eine Sammellinse, wenn das reelle Bild betrachtet wird, und wie eine Streulinse, wenn man vom virtuellen Bild ausgeht. Derartige Elemente haben spezielle Eigenschaften, wie zum Beispiel die Selektivität der Farbe und des Einfallswinkels von Licht. Die Bauelemente können zum Beispiel für einen bestimmten Einfallswinkel das Licht brechen, für die anderen Einfallswinkel aber vollkommen transparent sein.
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Ausgestaltungen der holografisch-optischen Elemente mit unterschiedlicher Beugung des Lichtes, in Abhängigkeit von seiner Wellenlänge, ermöglichen eine Aufspaltung in Spektralfarben, ähnlich wie bei einem Prisma.
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Bekannt sind Lösungen, bei denen mit Hilfe von Reflexionshologrammen planare Spiegel, Hohlspiegel oder Wölbspiegel konstruiert werden, welche Licht so reflektieren können, dass der Einfallswinkel sich vom Ausfallswinkel unterscheidet. Derartige Elemente werden beispielsweise dazu genutzt, um Tageslicht auf eine Photovoltaikanlage oder in das Innere eines Raumes zu lenken.
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Aus der
DE 102014000487 A1 sind eine Anzeigevorrichtung, ein Fahrzeug mit einer Anzeigevorrichtung und ein Computerprogrammprodukt für eine Anzeigevorrichtung bekannt. Diese Anzeigevorrichtung umfasst zumindest einen ersten Hohlspiegel und einen zweiten Hohlspiegel, wobei der zweite Hohlspiegel zumindest eine Öffnung aufweist, einen durch die beiden Hohlspiegel aufgespannten konvexen Hohlraum, ein in dem Hohlraum angeordnetes diffraktives optisches Element mit einer Anzahl von optischen Phasenmodulationszellen, wobei das diffraktive optische Element ein Hologramm bereitstellt. Außerdem zumindest eine Lichtquelle zur Beleuchtung der Phasenmodulationszellen des diffraktiven optischen Elements und ein transparentes Touchpad, das die zumindest eine Öffnung abdeckt und eine Eingabe von Daten vorsieht, wobei das diffraktive optische Element derart in dem Hohlraum angeordnet ist, dass von der zumindest einen Lichtquelle ausgehende Strahlung durch die Phasenmodulationszellen moduliert wird, durch das transparente Touchpad auf der Öffnung hindurch tritt und oberhalb des transparenten Touchpads innerhalb eines definierten Sichtbereichs ein holografisches Bild wiedergibt.
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Aus der
DE 19730563 A1 ist ein holografischer Bildschirm bekannt, welcher bei Umgebungslicht schwarz, grau oder farbig erscheint und vorrangig Verwendung in einem Kraftfahrzeug findet. Offenbart ist, dass der Bildschirm auf einer leicht angewinkelten Fläche des Dachhimmels im mittleren bis vorderen Bereich des Fahrzeuges angeordnet ist. Nach dem Einschalten zumindest eines Projektionssystems wird der Bildschirm entweder scannend über Laser oder flächig über eine geeignete Lichtquelle, wie beispielsweise eine Halogenlampe, angestrahlt. Dabei wird der Laser entsprechend der gewünschten oder erforderlichen Bildinformation moduliert oder der flächigen Projektion über Lichtventile wie beispielsweise Dias oder einen transparenten, kleinen LCD-Schirm der Bildinhalt überlagert. Für eine vollfarbige Darstellung können drei Farben (RGB) verwendet werden (rot, grün und blau).
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Trifft der modulierte Projektionsstrahl auf den Bildschirm als schwarze Projektionsfläche, entsteht aus dem Blickwinkel des Betrachters ein helles, kontrastreiches Bild in einem Betrachtungsabstand, der mit der Ebene der Projektionsfläche nicht identisch sein muss. Dieser Betrachtungsabstand kann also auch in größerer Entfernung vom Auge dargestellt sein, wodurch die Akkommodation des Auges erleichtert wird. Außerdem ist es möglich, eine dreidimensionale Darstellung zu realisieren.
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Durch bekannte Head-up-Display (HUD) kann ein virtuelles Bild in einer Ebene mit einem bestimmten Abstand zum Betrachter erzeugt werden. Bei der Notwendigkeit einer Darstellung von zwei oder mehr virtuellen Bildern, welche in verschiedenen Entfernungen oder Ebenen dargestellt werden sollen, müssen entsprechend zwei oder mehr Bilderzeugungseinheiten eingesetzt werden. Problematisch hieran ist es, dass sich sowohl der im Fahrzeug im Bereich des Armaturenbretts benötigte Bauraum vergrößert, als auch die Kosten durch zwei separate Bilderzeugungseinheiten stark ansteigen.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Laser-Projektionsanordnung als Bilderzeugungseinheit und ein Verfahren zur Erzeugung virtueller Bilder anzugeben, womit eine Darstellung mehrerer virtueller Bilder in verschiedenen Entfernungen oder Ebenen und verschiedenen Blickwinkeln ermöglicht wird und welche preiswert herzustellen ist.
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Die Aufgabe wird durch einen Gegenstand mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 der selbstständigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen 2 bis 8 angegeben.
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Vorgesehen ist es, die Bilderzeugungseinheit der Laser-Projektionsanordnung derart zu gestalten, dass die Möglichkeit der Erzeugung mindestens zweier virtueller Bilder geschaffen wird, wobei sich die erzeugten virtuellen Bilder durch die Wellenlänge λ des zur Erzeugung der virtuellen Bilder genutzten Laserlichts, bereitgestellt mittels einer entsprechenden Laserquelle, unterscheiden.
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Alternativ ist es vorgesehen, dass die Erzeugung der mindestens zwei virtuellen Bilder derart erfolgt, dass sich die virtuellen Bilder durch die Phasenlage φ des zur Erzeugung genutzten Laserlichts unterscheiden. Hierfür wird für jede Laserquelle der Bilderzeugungseinheit ein Polarisationsmittel angeordnet, welches durch ein entsprechendes Steuersignal in mehreren Polarisationseinstellungen betrieben werden kann und derart Licht mit unterschiedlicher Polarisation erzeugt.
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Außerdem ist ein holografisch-optisches Element (HOE) vorgesehen, welches auf eine Oberfläche der Projektionsfläche aufgebracht oder in die Projektionsfläche integriert wird. In einer besonderen Ausgestaltung ist das holografisch-optische Element in die Windschutzscheibe eines Fahrzeuges einlaminiert.
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Dieses holografisch-optische Element weist beispielsweise für festgelegte, unterschiedliche Frequenzbänder unterschiedliche optische Eigenschaften auf. Dies wird dadurch erreicht, dass das Element als ein Volumen-Hologramm bereitgestellt wird, in welches einmalig seine optischen Eigenschaften, welche einem Spiegel oder einer Linse ähneln können, als Hologramm fest eingeschrieben werden.
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Trifft ein mit einer ersten Wellenlänge λ1 der Laserquelle erzeugtes erstes virtuelles Bild auf das holografisch-optische Element, welches für verschiedene Wellenlängen verschiedene optische Eigenschaften aufweist, wird das erste virtuelle Bild in einer ersten Entfernung und in einem ersten Betrachtungswinkel, vom Fahrer aus betrachtet, dargestellt. Ein derartiger Betrachtungswinkel umfasst sowohl einen horizontalen wie auch einen vertikalen Anteil.
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Trifft ein mit einer zweiten Wellenlänge λ2 einer zweiten Laserquelle erzeugtes zweites virtuelles Bild auf das holografisch-optische Element, wird das zweite virtuelle Bild in einer zweiten Entfernung und in einem zweiten Betrachtungswinkel vom Fahrer aus gesehen dargestellt. Hierbei ist die erste Entfernung verschieden von der zweiten Entfernung. So kann beispielsweise das erste virtuelle Bild in einer Entfernung von 2 Metern zum Fahrer, über der Motorhaube schwebend, und das zweite virtuelle Bild in einer Entfernung von 30 Metern zum Fahrer, scheinbar auf der Straßenoberfläche liegend, dargestellt werden.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass zwei virtuelle Bilder mit zwei unterschiedlichen Phasenlage φ1 und φ2 von der Bilderzeugungseinheit bereitgestellt werden. In diesem Fall wird das holografisch-optische Element derart bereitgestellt, dass es für diese unterschiedlichen Phasenlagen φ1 und φ2 unterschiedliche optische Eigenschaften aufweist. Somit wird das erste virtuelle Bild mit seiner ersten Phasenlage φ1 in einer anderen Entfernung und in einem anderen Blickwinkel projiziert als das zweite virtuelle Bild mit seiner zweiten Phasenlage φ2.
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Da das holografisch-optische Element nur in den ausgewählten schmalbandigen Wellenlängenbereichen spezielle optische Eigenschaften aufweist, erscheint es ansonsten als durchsichtige Schicht. Somit kann es beispielsweise auf eine Windschutzscheibe eines Fahrzeuges aufgebracht werden ohne die Sicht des Fahrers auf die Fahrbahn und die Umgebung zu beeinträchtigen.
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Vorgesehen ist es, dass das holografische optische Element mit der Windschutzscheibe die für eine Laser-Projektionsanordnung benötigte Projektionsfläche ausbildet.
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Das holografisch-optische Element wird beispielsweise auf eine Oberfläche der Windschutzscheibe aufgeklebt oder optisch gebondet. Alternativ kann das Element in die Windschutzscheibe einlaminiert werden. Hierfür können aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren genutzt werden.
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Als Material für das holografisch-optische Element ist ein Photopolymer vorgesehen.
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Die in das holografisch-optische Element eingebrachte holografische Struktur wird beispielsweise mittels eines Lasers eingebracht.
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Je nach Anzahl der unterschiedlich darzustellenden virtuellen Bilder sind dieser Anzahl entsprechend Laserquellen mit verschiedenen Wellenlängen λ oder Polarisationsmittel in der Bilderzeugungseinheit anzuordnen. Für drei virtuelle Bilder werden somit drei Laserquellen mit den unterschiedlichen Wellenlängen λ1, λ2 und λ3 oder Polarisationsmittel, welche drei Polarisationseinstellungen aufweisen, benötigt.
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Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 9 der selbstständigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen 10 bis 12 angegeben.
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In der Bilderzeugungseinheit werden mindestens zwei virtuelle Bilder mit unterschiedlicher Wellenlänge und/oder unterschiedlicher Polarisation erzeugt. Außerdem wird ein holografisch-optisches Element bereitgestellt, welches für unterschiedliche Wellenlängen λ und/oder unterschiedliche Polarisationen unterschiedliche optische Eigenschaften aufweist. Werden die mit unterschiedlichen Wellenlängen λ oder unterschiedlichen Polarisationen erzeugten virtuellen Bilder auf die Projektionsfläche mit dem holografisch-optischen Element projiziert, werden die virtuellen Bilder, bedingt durch die unterschiedlichen optischen Eigenschaften des holografisch-optischen Elements, in unterschiedlichen Entfernungen vom Fahrer und/oder in unterschiedlichen Blickwinkeln vom Fahrer dargestellt.
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So kann die aktuelle Geschwindigkeit über der Motorhaube schwebend und ein Navigationshinweis kontaktanalog auf der Fahrbahn aufliegend für den Fahrer projiziert werden. Somit beträgt die Entfernung für das erste virtuelle Bild etwa 2 Meter und für das zweite virtuelle Bild etwa 20 Meter. Während das erste virtuelle Bild nahezu geradeaus mit einem kleinen Winkel nach unten vor dem Fahrer projiziert wird, erscheint das zweite virtuelle Bild, welches einen Hinweis zum Rechtsabbiegen in der rechten Spur darstellen soll, mit einem größeren Winkel nach unten und nach rechts versetzt, also mit einem vom ersten Blickwinkel verschiedenen Blickwinkeln.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile von Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:
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1: eine Prinzipdarstellung der Bereitstellung von Informationen für einen Kraftfahrer mittels einer Laser-Projektionsanordnung nach dem Stand der Technik,
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2: eine beispielhafte Darstellung der mittels einer Laser-Projektionsanordnung bereitgestellten Informationen nach dem Stand der Technik,
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3: eine schematische Darstellung einer Laser-Projektionsanordnung nach dem Stand der Technik,
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4: eine Darstellung des holografisch-optischen Elements mit seinen Eigenschaften und seinem Einbauort,
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5: eine erste Realisierung der erfindungsgemäßen Laser-Projektionsanordnung mittels mehrerer Laser, welche unterschiedliche Wellenlängen aufweisen,
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6: eine beispielhafte Darstellung von virtuellen Bildern unter Verwendung der Laser-Projektionsanordnung aus 5,
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7: eine zweite Realisierung der erfindungsgemäßen Laser-Projektionsanordnung mittels mehrerer Laser unter Nutzung einer Polarisation,
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8: eine weitere beispielhafte Darstellung von virtuellen Bildern unter Verwendung der Laser-Projektionsanordnung aus 7,
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9: eine Abbildung mit projizierten virtuellen Bildern, welche von einem Betrachter aus verschiedenen Positionen wahrgenommen werden in einer Variante mit beabstandeten virtuellen Bildern und
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10: eine zweite Abbildung mit projizierten virtuellen Bildern, welche von einem Betrachter aus verschiedenen Positionen wahrgenommen werden in einer Variante mit virtuellen Bildern ohne eine Beabstandung.
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In der 1 ist eine Möglichkeit der Bereitstellung von Informationen für einen Kraftfahrer 14 mittels einer Laser-Projektionsanordnung 7 nach dem Stand der Technik gezeigt. Dargestellt ist ein erstes Fahrzeug 1 sowie ein dem ersten Fahrzeug 1 vorausfahrendes zweites Fahrzeug 2. Das erste Fahrzeug 1 ist mit einer Laser-Projektionsanordnung 7 (HUD) ausgestattet, mittels welcher dem Fahrer 14 des ersten Fahrzeuges 1 Informationen, in der Form eines virtuellen Bildes 3, in seinen Sichtbereich projiziert werden können. Hierbei kann das virtuelle Bild 3 aus Zeichen, wie beispielsweise Schriftzeichen und Zahlen, oder Symbolen, wie beispielsweise Verkehrszeichen, Linien oder Pfeilen, bestehen. Die Laser-Projektionsanordnung 7 ist in der 1 nicht dargestellt.
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Die 1 zeigt in der oberen Teildarstellung eine Projektion eines ersten virtuellen Bildes 3a in einer ersten Ebene, welche auch als Projektionsebene bezeichnet wird, in einem Abstand von etwa 2 Metern vor dem Fahrer 14, welcher dieses erste virtuelle Bild 3a über oder kurz vor der Motorhaube schwebend wahrnimmt. Als Beispiel für dieses erste virtuelle Bild 3a kann die aktuelle Fahrzeuggeschwindigkeit angezeigt werden.
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Alternativ kann ein zweites virtuelles Bild 3b in einer zweiten Ebene, welche in der oberen Teildarstellung etwa in der Mitte zwischen beiden Fahrzeugen 1 und 2 senkrecht dargestellt ist, in einem Bereich beispielsweise 10, 15 oder 20 Meter vor dem Fahrer 14 durch die Laser-Projektionsanordnung 7 erzeugt werden. Dieses zweite virtuelle Bild 3b kann beispielsweise Navigationsinformationen für den Fahrer 14 bereitstellen.
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In der unteren Teildarstellung der 1 ist die bereits oben beschriebene Szene dargestellt, wobei in diesem Fall das zweite virtuelle Bild 3b in einer Projektionsebene mit einem schrägen Winkel zur Straßenoberfläche projiziert wird. In diesem Fall erscheint das zweite virtuelle Bild 3b dem Fahrer 14 nahezu auf der Straße liegend. Diese Anpassung kann zu einer angenehmeren Wahrnehmung der Überlagerung von Umgebungsinformationen der vor dem Fahrzeug liegenden Straße und den eingeblendeten virtuellen Darstellungen führen.
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In einer Projektionsebene mit einem derartigen oder einem flacheren Winkel kann auch eine kontaktanaloge Darstellung von virtuellen Bildern realisiert werden.
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In der 2 ist ein Ausschnitt der Windschutzscheibe 13 eines Fahrzeuges 1 aus der Sicht eines Fahrers 14 mit drei verschiedenen Darstellungsbereichen 4, 5 und 6 gezeigt.
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In einem ersten Darstellungsbereich 4 werden beispielsweise Informationen über eine aktuelle und/oder maximal zulässige Geschwindigkeit und/oder Navigationsinformationen dargestellt. Dieser erste Darstellungsbereich 4 entspricht klassischen Laser-Projektionsanordnungen (HUD), welche über dem Armaturenbrett beispielsweise eine zum HUD zugehörige Projektionsfläche (Combiner) zur Darstellung eines virtuellen Bildes aufweisen. Alternativ kann diese Projektionsfläche auch durch einen Teil der Windschutzscheibe 13 gebildet werden. Dieser erste Darstellungsbereich 4 ist meist durch die Größe der Projektionsfläche limitiert.
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Der zweite Darstellungsbereich 5, welcher größer als der erste Darstellungsbereich 4 ist, wird meist für kontaktanaloge Darstellungen genutzt, bei welchen Informationen positionsrichtig und lagerichtig in die aktuelle Sicht des Fahrzeugführers 14 eingeblendet werden und dem Fahrzeugführer 14 als ein Bestandteil der Umgebung des Fahrzeugs 1 erscheinen. Diese Überlagerung der Umgebung mit virtuellen Informationen kann beispielsweise Navigationsinformationen beinhalten oder einen einzuhaltenden Abstand zum vorausfahrenden Fahrzeug 2 anzeigen. Zusätzlich sind natürlich auch Information zur Geschwindigkeit, Warnmeldungen und andere darstellbar.
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Der dritte Darstellungsbereich 6 umfasst einen noch größeren Bereich als der zweite Darstellungsbereich 5 und kann in einer speziellen Ausgestaltung auch die gesamte Windschutzscheibe 13 umfassen. In diesem Bereich können Navigationsinformationen oder beliebige andere Information dargestellt werden. Diese könnten beispielsweise auch Informationen zu einem Fahrzeugsystem oder auf die Umgebung bezogene Informationen wie Angaben zum nächsten Ausflugsziel oder einer Parkmöglichkeit sein.
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Während der erste oder der zweite Darstellungsbereich 4 und 5 zur Darstellung von Informationen mit einer aus dem Stand der Technik bekannten Laser-Projektionsanordnung 7 genutzt werden, ist mit derartigen Geräten eine Nutzung des dritten Darstellungsbereiches 6 nicht oder nur eingeschränkt möglich. Außerdem wird durch bekannte Laser-Projektionsanordnungen 7 alternativ entweder der erste oder der zweite Darstellungsbereich 4 oder 5 angesprochen. Eine Nutzung beider Darstellungsbereiche 4 und 5 mittels einer bekannten Laser-Projektionsanordnung 7 ist nicht möglich. Da für jeden Darstellungsbereich eine separate Laser-Projektionsanordnung 7 notwendig ist, sind der Platzbedarf sowie die Kosten für eine derartige Lösung sehr hoch.
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In der 3 ist eine schematische Darstellung einer Laser-Projektionsanordnung 7 aus dem Stand der Technik gezeigt. Die Laser-Projektionsanordnung 7 umfasst eine Lichtquelle 8, welche in einer speziellen Ausführung einer Laser-Projektionsanordnung 7 eine Laserquelle 17 sein kann, sowie ein Mittel 9 zur Erzeugung eines darzustellenden Bildes.
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Dieses Mittel 9 zur Erzeugung des darzustellenden Bildes kann in Form eines Displays ausgeführt sein, auf welchem das darzustellende Bild erzeugt wird. Dieses Display kann mittels eines von der Lichtquelle 8 erzeugten Lichtstrahls angestrahlt oder durchleuchtet werden. Alternativ kann das darzustellende Bild im Mittel 9 in digitaler Form vorliegen und durch ein Aufprägen der Bildinformationen auf den von der Lichtquelle 8 erzeugten Lichtstrahl sowie eine entsprechende Ablenkung des Strahls in einer X-Richtung und einer Y-Richtung, beispielsweise mittels eines geeigneten Drehspiegels, erzeugt werden. Hierbei erfolgt die Darstellung des zu erzeugenden Bildes ähnlich dem Prinzip der Kathodenstrahlröhre, bei welchem der Strahl das Bild zeilenweise auf eine Projektionsfläche schreibt. Die Art und Weise der Erzeugung des darzustellenden Bildes mit dem Mittel 9 ist hier nur beispielhaft ausgeführt, da dies auf die vorliegende Erfindung keinen wesentlichen Einfluss hat.
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Die Lichtquelle 8 und das Mittel 9 zur Erzeugung des darzustellenden Bildes werden üblicherweise als Bilderzeugungseinheit 10 oder PGU (englisch picture generating unit) bezeichnet.
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Das von der Bilderzeugungseinheit 10 erzeugte Bild wird in der Laser-Projektionsanordnung 7 beispielsweise über ein Optikmodul 11, welches auch als sogenanntes Spiegelsystem bezeichnet wird und beispielhaft einen ersten und einem zweiten Spiegel 12 umfasst, derart abgelenkt, dass die abgelenkten Lichtstrahlen in einem festgelegten Bereich einer Projektionsfläche wie beispielsweise einer Windschutzscheibe 13 auftreffen. Dieser festgelegte Bereich ist vorzugsweise so gewählt, dass er im Sichtfeld eines Betrachters oder Fahrers 14 eines Kraftfahrzeuges 1 liegt.
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Derart in das Sichtfeld projiziert, nimmt der Fahrer 14 das virtuelle Bild 3 neben dem aktuellen Verkehrsgeschehen wahr. Da das virtuelle Bild 3, wie in der 3 gezeigt, in einem Abstand vor der Windschutzscheibe 13 abgebildet wird, erscheint es dem Fahrer 14 wie in das aktuelle Verkehrsgeschehen eingeblendet.
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Im Beispiel der 3 ist der Spiegel 12 in einer konkaven Form ausgeführt. Durch diese konkave Ausführung sowie eventuell auch im Strahlengang angeordneter Linsen, welche nicht dargestellt sind, ist es möglich eine Anpassung des zu erzeugenden virtuellen Bilds bezüglich seiner Größe, Form und der Position des Erscheinens vorzunehmen.
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In der 4 ist eine erfindungsgemäße Laser-Projektionsanordnung 7 in einer Prinzipdarstellung gezeigt. Zur Erzeugung eines virtuellen Bildes 3 ist eine Bilderzeugungseinheit 10 mit einem Optikmodul 11 und einer Projektionsfläche, welche durch die Windschutzscheibe 13 gebildet wird, angeordnet. Um mittels einer geeigneten Modifikation der Laser-Projektionsanordnung 7 virtuelle Bilder 3 in verschiedenen Positionen und Entfernungen in allen drei Darstellungsbereichen 4, 5 und 6 erzeugen zu können, ist weiterhin ein holografisch-optisches Element 15 (HOE) vorgesehen. Dieses holografisch-optische Element 15 ist zumindest auf einem Teil der Oberfläche der Windschutzscheibe 13 aufgebracht. In einer alternativen Ausführung ist es vorgesehen, dass das holografisch-optische Element 15 in Form einer Ebene oder Lage in die Windschutzscheibe 13 eingebracht bzw. einlaminiert ist.
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Dieses holografisch-optische Element 15 wird beispielsweise derart bereitgestellt, dass es einem Volumen-Hologramm entspricht, welches beispielsweise in ein Photopolymermaterial optisch eingeschrieben wird. Das holografisch-optische Element 15 ist derart ausgeführt, dass es zwei oder mehr unterschiedliche optische Linsen- oder Spiegelfunktionalitäten für zwei oder mehr jeweils ausgewählte Frequenzbänder mit einer bestimmten Bandbreite zur Verfügung stellt. Alternativ können zwei oder mehr unterschiedliche Polarisationen für vordefinierte Frequenzbreiten des Laserlichts oder der Laserlichtquelle durch das holografisch-optische Element 15 bereitgestellt werden.
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Da das holografisch-optische Element 15 für Lichtfrequenzen außerhalb der ausgewählten Frequenzbänder eine hohe Transparenz aufweist, kann es im Sichtfeld des Fahrers 14 auf oder in der Windschutzscheibe 13 in einem großen oder im gesamten Bereich der Windschutzscheibe 13 aufgebracht oder integriert werden, ohne die Sicht des Fahrers 14 qualitativ zu beschränken oder zu stören. Die Windschutzscheibe 13 mit dem holografisch-optischen Element 15 stellt die Projektionsfläche für die erfindungsgemäße Laser-Projektionsanordnung 7 dar.
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Eine Darstellung einer prinzipiellen Struktur des holografisch-optischen Elements 15 ist in der Mitte der 4 im unteren Teil auszugsweise dargestellt. Die gezeigte beispielhafte Struktur, welche mittels eines Lasers in das Material (Photopolymermaterial) eingebracht werden kann, stellt eine Funktion einer Linse oder eines Spiegels bereit, wobei diese Funktion abhängig von der Frequenz und/oder der Polarisation des auftreffenden Lichts, insbesondere des auftreffenden Laserlichts ist.
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Im rechten Teil der 4 ist eine grafische Darstellung der Abhängigkeit einer Intensität von einer Frequenz oder Wellenlänge sowie eine Abhängigkeit einer Transmission, also einer Durchlässigkeit eines Mediums für Wellen, wie zum Beispiel elektromagnetische Wellen, dargestellt. Im Beispiel sind die elektromagnetischen Wellen im Bereich des sichtbaren Lichtes mit den Farben Rot, Grün und Blau gezeigt. Das untere Diagramm zeigt, das in den Bereichen der Farben Rot, Grün und Blau die Durchlässigkeit des holografisch-optischen Elements 15 schmalbandig herabgesetzt ist, was eine Darstellung eines virtuellen Bildes 3 für den Fahrer 14 ermöglicht. In den anderen Frequenzbereichen wird die Transmission nicht beeinflusst, wodurch die Wahrnehmung der vor dem Fahrzeug 1 liegenden Umwelt durch den Fahrer 14 nicht beeinträchtigt wird.
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In der 5 ist eine erste Realisierung der erfindungsgemäßen Laser-Projektionsanordnung 7 mittels mehrerer Laser, welche unterschiedliche Wellenlängen λ1, λ2 ... λn aufweisen dargestellt. Die Laser-Projektionsanordnung 7, insbesondere deren Bilderzeugungseinheit 10, kann mehrere Treiber 16 zum Ansteuern mehrerer Laserquellen 17 aufweisen. Vorgesehen ist es, dass ein erster Treiber 16a eine erste Laserquelle 17a, zur Erzeugung eines ersten Laserstrahls 18a mit einer ersten Wellenlänge λ1, ansteuert. Weiterhin vorgesehen ist, dass ein zweiter Treiber 16b eine zweite Laserquelle 17b, zur Erzeugung eines zweiten Laserstrahls 18b mit einer zweiten Wellenlänge λ2, ansteuert usw.
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Jeder dieser erzeugten Laserstrahlen 18a, 18b bis 18n kann durch eine entsprechende Ansteuerung des zugehörigen Treibers 16a, 16b bis 16n einen eigenen aufmodulierten Bildinhalt bereitstellen.
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Die derart erzeugten Laserstrahlen 18a, 18b bis 18n werden in einer nachgeschalteten Kombinationsoptik 19 zusammengeführt oder überlagert. Dieses Gemisch der zusammengeführten Laserstrahlen 18a, 18b bis 18n wird über einen Drehspiegel 20, welcher eine Strahlablenkung in einer X-Richtung und in einer Y-Richtung ermöglicht, auf eine Projektionsfläche wie eine Windschutzscheibe 13 projiziert. Ein derartiger Drehspiegel 20 kann beispielsweise mittels eines mikro-elektro-mechanischen Systems (MEMS englisch micro-electro-mechanical systems) realisiert werden.
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Das holografisch-optische Element 15 auf oder in der Windschutzscheibe 13 angeordnet, weist für verschiedene Wellenlängen λ1, λ2 ... λn unterschiedliche optische Eigenschaften auf. Dadurch ist es möglich, die Bildinhalte der zu unterschiedlichen Wellenlängen λ1, λ2 ... λn zugehörigen Teilbilder beim Auftreffen auf das holografisch-optische Element 15 zu trennen und in verschiedenen Bildebenen darzustellen. Somit können dem Fahrer 14 virtuelle Bilder 3a, 3b bis 3n an verschiedenen Positionen und/oder in verschiedenen Entfernungen innerhalb seines Sichtbereichs dargestellt werden. Die verschiedenen virtuellen Bilder 3a, 3b bis 3n sind in der 5 nicht dargestellt.
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So kann beispielsweise im ersten Darstellungsbereich 4 die aktuelle Geschwindigkeit in einem Abstand von etwa 2 Metern zum Fahrer 14, im zweiten Darstellungsbereich 5 eine Navigationsinformation für einen Spurwechsel zum bevorstehenden Abbiegen in Form einer kontaktanalogen Darstellung in einem Abstand von etwa 20 Metern und im dritten Darstellungsbereich 6 ein Hinweis auf eine in der Fahrtrichtung liegende Gefahrenstelle, an welcher sich ein Unfall ereignet hat, in einem Abstand von etwa 50 Metern angezeigt werde.
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In der 6 ist die Erzeugung mehrerer virtueller Bilder 3 unter Verwendung der Laser-Projektionsanordnung 7 aus der 5 gezeigt. Die Laser-Projektionsanordnung 7 erzeugt, wie oben beschrieben, mehrere Teilbilder unter Verwendung von Laserquellen mit unterschiedlichen Wellenlängen λ1, λ2 ... λn in der Bilderzeugungseinheit 10. Nach der Projektion des Gemischs der zusammengeführten Laserstrahlen 18a, 18b bis 18n über das Optikmodul 11 und unter Nutzung eines Drehspiegels 20 auf das holografisch-optische Element 15, welches in der 6 in der Windschutzscheibe 13 integriert dargestellt ist, werden die virtuellen Bilder 3a, 3b und 3n wie beispielhaft in der 6 gezeigt ist, in verschiedenen Entfernungen zum Fahrer 14 und eventuell in verschiedenen Blickwinkeln des Fahrers 14 innerhalb seines Sichtbereichs projiziert.
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Im Beispiel wird das zweite virtuelle Bild 3b, welches unter Nutzung der Laserquelle 17b mit der zugehörigen Wellenlänge λ2 erzeugt wurde und als ein Stern dargestellt wurde, dem Fahrer 14 am nächsten projiziert. Danach folgt entfernungsmäßig das erste virtuelle Bild 3a, erzeugt durch die Laserquelle 17a mit der Wellenlänge λ1, welches in einer Herzform erscheint. Am weitesten vom Fahrer 14 entfernt dargestellt wird das n-te virtuelle Bild 3n, welches mittels der Laserquelle 17n mit der Wellenlänge λn erzeugt worden ist und einen Ring zeigt. Die dargestellten virtuellen Bilder 3 dienen nur der Erläuterung der Erfindung und beschränken die Erfindung nicht auf die beispielhaft gewählten Formen.
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In der 7 ist eine zweite beispielhafte Realisierung der erfindungsgemäßen Laser-Projektionsanordnung 7 mittels mehrerer Laserquellen 17 unter Nutzung einer Polarisation gezeigt. Eine Bilderzeugungssteuerung 21 stellt die zu erzeugenden virtuellen Bilder 3 in der Bilderzeugungseinheit 10 der erfindungsgemäßen Laser-Projektionsanordnung 7 bereit und ist mit einer Kontrolleinheit 22 verbunden.
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Die Kontrolleinheit 22 steuert mindestens die Treiber 16a, 16b und 16n, welche ausgangsseitig mit je einer Laserquelle 17a, 17b und 17n verbunden sind. Die Kontrolleinheit 22 ist weiterhin mit einer Drehspiegelsteuerung 25 verbunden, welche die zur entsprechenden Auslenkung des Gesamt-Laserstrahls mittels des Drehspiegels 20 benötigten elektrischen Steuersignale erzeugt.
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Die Laserquellen 17 der Bilderzeugungseinheit 10 können derart aufgeteilt sein, dass die erste Laserquelle 17a Laserlicht im grünen Wellenlängenbereich, die zweite Laserquelle 17b Laserlicht im blauen Wellenlängenbereich und die dritte Laserquelle 17n Licht im roten Wellenlängenbereich des sichtbaren Lichtes erzeugen. Zur Erzeugung eines parallelen Strahlenverlaufs des durch die jeweilige Laserquelle 17a, 17b und 17n erzeugten Lichts, wird nach jeder Laserquelle 17 ein Kollimator 23a, 23b und 23n angeordnet. Als Laserquellen 17a, 17b und 17n können beispielsweise Laserdioden mit einer entsprechenden Wellenlänge des erzeugten Lichtes eingesetzt werden.
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Den Kollimatoren 23a, 23b und 23n wird je ein steuerbares Polarisationsmittel 24a, 24b und 24n nachgeschaltet. Diese Polarisationsmittel 24a, 24b und 24n können durch eine nicht dargestellte Ansteuerung in mehreren Polarisationseinstellungen betrieben werden und erzeugen derart die polarisierten Laserstrahlen 18a, 18b und 18n welche über eine Kombinationsoptik 19a und 19b zu einem Gemisch der zusammengeführten, polarisierten Laserstrahlen 18a, 18b bis 18n vereint werden. Dieses Gemisch wird über einen durch die Drehspiegelsteuerung 25 angesteuerten Drehspiegel 20 in einer X-Richtung und einer Y-Richtung abgelenkt und trifft derart auf das holografische optische Element 15.
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In diesem Anwendungsfall ist das holografisch-optische Element 15 derart bereitgestellt worden, dass es für verschiedene Polarisationen des auftreffenden durch den Drehspiegel 20 ausgelenkten Laserlichts verschiedene optische Eigenschaften aufweist. Somit erscheint ein unter Nutzung einer ersten Polarisationseinstellung erzeugtes erstes virtuelles Bild 3a in einer anderen Entfernung und/oder in einem anderen Blickwinkel als ein unter Nutzung einer zweiten Polarisationseinstellung erzeugtes zweites virtuelles Bild 3b.
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In der 8 ist eine weitere beispielhafte Darstellung zur Erzeugung mehrerer virtueller Bilder 3 unter Verwendung der Laser-Projektionsanordnung 7 aus 7 dargestellt. Die Laser-Projektionsanordnung 7 erzeugt unter Zuhilfenahme des holografisch-optischen Elements 15, wie oben beschrieben, mehrere Teilbilder unter Verwendung von mehreren Laserquellen 17a, 17b und 17n unter Nutzung mehrerer Polarisationsmittel 24a, 24b und 24n, mittels der Bilderzeugungseinheit 10.
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Nach der Projektion des Gemischs der zusammengeführten Laserstrahlen 18a, 18b bis 18n unter Nutzung eines Drehspiegels 20 auf das holografisch-optische Element 15, welches in der 8 auf der dem Fahrer 14 zuwandten Oberfläche der Windschutzscheibe 13 aufgebracht dargestellt ist, werden die virtuellen Bilder 3a und 3b, wie beispielhaft in der 8 gezeigt ist, in verschiedenen Entfernungen zum Fahrer 14 und eventuell in verschiedenen Blickwinkeln des Fahrers 14 innerhalb seines Sichtbereichs projiziert.
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Im Beispiel wird das erste virtuelle Bild 3a, welches unter Nutzung einer ersten Polarisationseinstellung für die Polarisationsmittel 24a, 24b und 24n erzeugt wurde und als ein Herz dargestellt ist, in der größten Entfernung zum Fahrer 14 projiziert. Weniger entfernt vom Fahrer 14 erscheint das zweite virtuelle Bild 3b, erzeugt mittels einer zweiten Polarisationseinstellung für die Polarisationsmittel 24a, 24b und 24n der Anordnung nach 7, welches in einer Sternform erscheint.
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Da das holografisch-optische Element 15 auf der Windschutzscheibe 13 angeordnet, für verschiedene Polarisationen oder Polarisationseinstellungen unterschiedliche optische Eigenschaften aufweist, wird es möglich, die Bildinhalte, welche mit unterschiedlichen Polarisationseinstellungen für die Polarisationsmittel erzeugt wurden, in mehrere virtuelle Bilder 3a und 3b beim Auftreffen auf das holografisch-optische Element 15 zu zerlegen, welche in verschieden Bildebenen projiziert erscheinen.
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In den 9 und 10 zeigen jeweils zwei projizierte virtuelle Bilder 3a und 3b, welche von einem Betrachter oder Fahrer 14 aus einer ersten und einer zweiten Position aus betrachtet werden mit zugehörigen Hintergrundflächen. Die 9 und 10 zeigen außerdem jeweils im unteren Teil der Figur die vom Fahrer 14 in der ersten und in der zweiten Position zu erkennende Darstellung der zwei virtuellen Bilder 3a und 3b vor dem jeweiligen Hintergrund.
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Zu erkennen ist, dass bei einer Projektion der virtuellen Bilder 3a und 3b in unterschiedlichen Abständen oder in unterschiedlichen Bildebenen zum Fahrer 14 eine realitätsgetreue Darstellung ermöglicht wird, in welcher sich die zu erkennende Darstellung für den Fahrer 14 positionsabhängig ändert.
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In der Darstellung der 10, in welcher die virtuellen Bilder 3a und 3b nicht in unterschiedlichen Entfernungen oder Ebenen projiziert werden, kann vom Fahrer 14 in jeder Position nur die gleiche Darstellung wahrgenommen werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- erstes Fahrzeug
- 2
- zweites Fahrzeug
- 3
- virtuelles Bild
- 4
- erster Darstellungsbereich
- 5
- zweiter Darstellungsbereich
- 6
- dritter Darstellungsbereich
- 7
- Laser-Projektionsanordnung
- 8
- Lichtquelle
- 9
- Mittel zur Erzeugung des Bildes
- 10
- Bilderzeugungseinheit
- 11
- Optikmodul
- 12
- Spiegel
- 13
- Windschutzscheibe/Projektionsfläche
- 14
- Fahrer
- 15
- holografisches optisches Element (HOE)
- 16
- Treiber
- 17
- Laserquelle
- 18
- Laserstrahl
- 19
- Kombinationsoptik
- 20
- Drehspiegel (MEMS)
- 21
- Bilderzeugungssteuerung
- 22
- Kontrolleinheit
- 23
- Kollimator
- 24
- Polarisationsmittel
- 25
- Drehspiegelsteuerung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014000487 A1 [0011]
- DE 19730563 A1 [0012]
