DE102018204274A1

DE102018204274A1 - Projektionsanordnung zur Erzeugung einer schwebenden Projektionsanzeige im Inneren eines Kraftfahrzeugs

Info

Publication number: DE102018204274A1
Application number: DE102018204274.8A
Authority: DE
Inventors: Mark Riebe
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2018-03-20
Filing date: 2018-03-20
Publication date: 2019-09-26

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Projektionsanordnung zur Erzeugung einer schwebenden Projektionsanzeige, insbesondere im Inneren eines Kraftfahrzeugs, umfassend:
- zwei Konkavspiegel, deren Spiegelflächen einander zugewandt sind und deren optische Achsen relativ zueinander um einen vorbestimmten Kippwinkel verkippt sind, und
- ein Display, das außerhalb eines zwischen den Spiegelflächen liegenden Spiegelraumbereichs derart angeordnet ist, dass eine am Display erzeugte Displayanzeige durch aufeinanderfolgende Reflexion des von der Displayanzeige ausgehenden Projektionslichts an beiden Konkavspiegeln in eine außerhalb des Spiegelraumbereichs frei im Raum schwebende Projektionsanzeige abgebildet wird.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Projektionsanordnung zur Erzeugung einer schwebenden Projektionsanzeige, insbesondere im Inneren eines Kraftfahrzeugs. Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf ein Kraftfahrzeug, das eine derartige Projektionsanordnung aufweist.
Technischer Hintergrund
Derzeit werden Anzeigen im Fahrzeuginnenraum überwiegend durch Flat-Panel-Displays dargestellt. Andererseits sind auch Ansätze für vom Display losgelöste (auch „quasi-holografisch“ genannte) Anzeigen bekannt, bei denen eine Displayanzeige mittels geeigneter optischer Elemente in eine sekundäre, frei im Raum schwebende Projektionsanzeige abgebildet wird, die vom Beobachter betrachtet wird. Dadurch kann beispielsweise eine berührungsfreie Bedienfläche bereitgestellt oder eine erhöhte Auffälligkeit oder Sichtbarkeit der Anzeige erreicht werden.
Die meisten Ansätze für schwebende Projektionsanzeigen basieren auf mikrostrukturierten optischen Elementen wie Retroreflektoren oder flächigen Arrays aus einer Vielzahl paarweise zueinander geneigt oder senkrecht angeordneter Reflexionsflächen, wie beispielsweise in JP 2015-125393 A beschrieben. Diese Ansätze können jedoch mit Nachteilen verbunden sein, wie z. B. Sichtbarkeit der Struktur mikrostrukturierter optischer Elemente im Bild, während eine weitere Strukturverkleinerung wiederum zu bildverschlechternden Beugungseffekten führen würde, Auftreten weiterer Artefakte wie Geisterbilder, Regenbogen durch Beugung an Gitterstrukturen, deutlich wahrnehmbarem Auflösungsverlust im projizierten Bild durch Imperfektionen in den Strukturen sowie teilweise sehr hohen Fertigungskosten für die optischen Elemente.
Statt mikrooptischer Elemente kann eine schwebende Anzeige auch durch einen Konkavspiegel wie beispielsweise in WO 2005/062106 A1 oder durch zwei direkt einander gegenüberliegende Konkavspiegel mit einer Apertur im Zentralbereich einer der Spiegelflächen und einem Bilderzeuger in von den Spiegelflächen begrenztem Zwischenraum gemäß EP 3 101 334 A1 erzeugt werden.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine auf Konkavspiegeln basierende und insbesondere im Hinblick auf die Sichtbarkeit, Qualität und/oder Vielfalt darstellbarer Informationen verbesserte Projektionsanordnung zur Erzeugung einer insbesondere im Inneren eines Kraftfahrzeugs schwebenden Projektionsanzeige sowie ein entsprechendes Kraftfahrzeug anzugeben.
Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgabe wird durch eine Projektionsanordnung gemäß Anspruch 1 und ein entsprechendes Kraftfahrzeug gemäß dem nebengeordneten Anspruch gelöst.
Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Alle in den Ansprüchen und der Beschreibung für die Projektionsanordnung genannten weiterführenden Merkmale und Wirkungen gelten auch in Bezug auf das Fahrzeug, wie auch umgekehrt.
Gemäß einem ersten Aspekt ist eine Projektionsanordnung zur Erzeugung einer frei im Raum, insbesondere im Inneren eines Kraftfahrzeugs, schwebenden Projektionsanzeige vorgesehen. Die Projektionsanordnung umfasst dabei zwei Konkavspiegel, deren Spiegelflächen einander zugewandt sind und deren optische Achsen relativ zueinander um einen vorbestimmten Kippwinkel, insbesondere in einer vertikalen Ebene, verkippt sind. Ferner umfasst die Projektionsanordnung ein Display, das außerhalb eines Spiegelraumbereichs, der zwischen den Spiegelflächen der zwei Konkavspiegel liegt, derart angeordnet ist, dass eine am Display erzeugte Displayanzeige durch aufeinanderfolgende Reflexion des von der Displayanzeige ausgehenden Projektionslichts an jedem der zwei Konkavspiegel in eine reale, außerhalb des Spiegelraumbereichs frei im Raum schwebende Projektionsanzeige abgebildet wird. (Die hierin verwendeten Begriffe „horizontal“ und „vertikal“ können beispielsweise bei einer Projektionsanordnung in einem Kraftfahrzeug als diesbezügliche Raumrichtungen verstanden werden.)
Dabei kann das Display eine beliebige geeignete Vorrichtung zur Erzeugung eines primären Bilds (Displayanzeige) mit gewünschtem Inhalt sein, insbesondere ein herkömmliches Display zur Erzeugung einer 2D- oder 3D-Displayanzeige, z. B. ein Flat-Panel-Display, oder alternativ auch ein Projektor mit einem Bildschirm als Quelle der Displayanzeige. Die Projektionsanordnung ist dazu ausgebildet, dieses primäre Bild durch Reflexion an den Konkavspiegeln in ein sekundäres Bild (Projektionsanzeige) abzubilden, das von einem Benutzer der Projektionsanzeige als frei im Raum schwebend gesehen wird. Mit anderen Worten ist die Projektionsanzeige ein reales optisches Bild, das auch an einem Bildschirm an deren Position im Raum sichtbar gemacht werden könnte.
Eine Idee der Projektionsanordnung der hierin dargelegten Art besteht darin, durch zwei relativ zueinander um einen vorbestimmten Kippwinkel verkippte Konkavspiegel eine am Display außerhalb des Spiegelraumbereichs erzeugte Displayanzeige in eine schwebende Projektionsanzeige in einem vorbestimmten anderen Raumbereich außerhalb des Spiegelraumbereichs abzubilden. In dieser Projektionsanordnung sind die zwei Konkavspiegel und das Display derart relativ zueinander angeordnet, beabstandet und verkippt, dass das von der Displayanzeige ausgehende Projektionslicht zunächst auf einen der zwei Konkavspiegel fällt und von diesem zu dem anderen Konkavspiegel reflektiert wird, von dem es ein zweites Mal reflektiert wird, wodurch die Projektionsanzeige an einer vorbestimmten Position außerhalb des Spiegelraumbereichs entsteht.
Dabei ist die Projektionsanordnung durch eine geeignete Wahl des vorbestimmten Kippwinkels und weiterer geometrischer Parameter der Projektionsanordnung, wie z. B. der jeweiligen Größe, Spiegelflächenkrümmung, Spiegelflächenform der Konkavspiegel und deren Abstands voneinander und vom Display grundsätzlich an eine beliebige spezifische Anforderung im Hinblick auf die Größe und optische Qualität der schwebenden Projektionsanzeige, deren räumliche Position relativ zu den Konkavspiegeln, deren Vergrößerung gegenüber der Displayanzeige etc. anpassbar. Zudem ist mit dieser Projektionsanordnung durch eine geeignete Wahl dieser und weiter unten genannter weiterer geometrischer Parameter eine flexible oder optimale Anpassung an spezifische Bauraum-Gegebenheiten möglich.
Im Gegensatz zum eingangs erwähnten Stand der Technik sind dabei keine Öffnungen/Löcher in für die Abbildungsqualität besonders wichtigen Zentralbereichen der Konkavspiegel erforderlich, und der Strahlengang des Projektionslichts zwischen den zwei Konkavspiegeln wird auch von keinen weiteren Hindernissen gestört, da das Display außerhalb des Spiegelraumbereichs angeordnet ist und die Konkavspiegel um einen zur Ausbildung der schwebenden Projektionsanzeige geeigneten vorbestimmten Kippwinkel relativ zueinander verkippt sind. Im Vergleich zum Einsatz eines einzigen Konkavspiegels sind mit den zwei Konkavspiegeln der hierin dargelegten Projektionsanordnung und deren geeignetem vorbestimmtem Kippwinkel zueinander eine deutlich bessere Abbildungsqualität, insbesondere im Hinblick auf die Bildschärfe und Vermeidung von Verzerrungen an den Bildrändern und bei Betrachtung von Eyeboxrändern (Eyebox: Augenbereich des Benutzers) aus, für die schwebende Projektionsanzeige erzielbar.
Bei der hierin dargelegten Projektionsanordnung sind auch keine mikrooptischen Elemente der eingangs erwähnten Art mit damit verbundenen Artefakten erforderlich. Vielmehr können die Konkavspiegel mit beherrschten Technologien, wie z. B. Spritzgussverfahren, problemlos in hoher Qualität, erforderlicher Größe und hoher Stückzahl zu vergleichsweise niedrigen Kosten gefertigt werden. Ein Konkavspiegelsystem ist auch gegenüber einem Linsen-Abbildungssystem von Vorteil, da sich Konkavspiegel wiederum durch Spritzgussverfahren in benötigter Größe in hoher Qualität problemlos herstellen lassen und Spiegel im Gegensatz zu Linsen keine chromatischen Aberrationen aufweisen.
Je nach spezifischen Anforderungen eines Anwendungsfalls können die zwei Konkavspiegel gleich oder unterschiedlich ausgebildet sein; die jeweilige optische Achse kann z. B. einer Flächennormalen in einem Zentralbereich der jeweiligen Spiegelfläche entsprechen, auf der auch ein Brennpunkt des Konkavspiegels liegt.
Insbesondere kann der vorbestimmte Kippwinkel als die Summe jeweiliger Einfallswinkel eines vom Display ausgehenden Mittenstrahls des Projektionslichts an den zwei Konkavspiegeln (vgl. z. B. 1) definiert sein. Der Mittenstrahl kann insbesondere als ein Projektionslichtstrahl definiert sein, der von einer Mitte des Displays ausgeht und in eine Mitte einer Eyebox trifft. Als Eyebox wird ein Raumbereich, insbesondere im Inneren eines Kraftfahrzeugs, verstanden, in welchem (bzw. von dem aus) die schwebende Projektionsanzeige vom Benutzer der Projektionsanordnung, insbesondere einem Fahrzeuginsassen oder dem Fahrer, gesehen werden kann.
Dabei können beide genannten Einfallswinkel insbesondere gleich oder im Wesentlichen gleich sein (vgl. z. B. 2), wodurch eine besonders hohe Abbildungsqualität erreichbar ist. (Hierin bedeutet „im Wesentlichen“ insbesondere eine herstellungs- oder konstruktionsbedingte mögliche Abweichung von bis zu etwa 10% von betreffenden Abmessungen oder Raumrichtungen.)
Insbesondere kann der vorbestimmte Kippwinkel verstellbar sein, wodurch die Projektionsanordnung oder die schwebende Projektionsanzeige beispielsweise an spezifische räumliche Gegebenheiten und/oder Abbildungsqualitätsanforderungen anpassbar ist.
Bei einer spezifischen Ausgestaltung der Projektionsanordnung ist mindestens einer der Konkavspiegel, vorzugsweise beide Konkavspiegel unabhängig voneinander und/oder zusammen, und/oder das Display um mindestens eine Verkippungsachse, d. h. in mindestens einer Richtung, verkippbar. Dadurch kann insbesondere die oben erwähnte Verstellung des vorbestimmten Kippwinkels und/oder eine Justierung zur Erhöhung der Abbildungsqualität und/oder eine Eyeboxverstellung zur Anpassung an eine aktuelle Benutzerposition möglich sein. Hierzu kann in der Projektionsanordnung jeweils eine geeignete mechanische oder elektro-mechanische Verstelleinrichtung vorgesehen sein, die beispielsweise von außerhalb der Projektionsanordnung manuell oder zumindest teilweise automatisiert betätigbar ist. Beispielsweise kann durch das situationsabhängige Verkippen beider Konkavspiegel in vertikaler Richtung eine vertikale Position der Eyebox an unterschiedliche vertikale Sitzpositionen oder Augenpositionen eines Benutzers angepasst werden, wobei der vorbestimmte Kippwinkel insbesondere auch unverändert bleiben kann.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Spiegelfläche mindestens eines der Konkavspiegel eine Freiformfläche mit einer derartigen Krümmung, insbesondere mit zumindest stellenweise unterschiedlichen Krümmungsradien in verschiedenen Richtungen entlang der Spiegelfläche, dass die schwebende Projektionsanzeige in einem vorbestimmten Raumbereich außerhalb des Spiegelraumbereichs und/oder mit einer vorbestimmten Abbildungsqualität erzeugt wird. Dadurch kann insbesondere ein schräger Einfallswinkel des oben genannten Mittenstrahls des Projektionslichts am jeweiligen Konkavspiegel berücksichtigt werden, der für die hierin dargelegte Projektionsanordnung wegen der jeweiligen gegenseitigen Verkippung des Displays und beider Konkavspiegel charakteristisch ist, wie z. B. rein beispielhaft in 1 und 3 schematisch veranschaulicht. Insbesondere können sich dabei für die Krümmung in der Zeichnungsebene, die z. B. einer vertikalen Ebene entspricht, und senkrecht dazu unterschiedliche Radien ergeben, sodass der jeweilige Konkavspiegel beispielsweise ein toroidaler Spiegel sein kann. Alternativ oder zusätzlich dazu können bei dieser Ausführungsform die horizontalen und vertikalen Krümmungsradien über die jeweilige Spiegelfläche derart optimiert sein, dass sich geringstmögliche Verzerrungen bei der schwebenden Projektionsanzeige ergeben.
Der vorbestimmte Raumbereich, in dem die schwebende Projektionsanzeige erzeugt wird, kann beispielsweise einer Richtungsänderung des Mittenstrahls auf seinem Weg vom Display zu der Eyebox um 20° bis 160°, 40° bis 140°, 60° bis 120° oder 80° bis 100°, und insbesondere etwa 90°, entsprechen.
Bei einer spezifischen Ausgestaltung weist die Projektionsanordnung ferner einen im Strahlengang des Projektionslichts nach dem Display und vor den Konkavspiegeln angeordneten Umlenkspiegel auf. Dadurch kann der Strahlengang des Projektionslichts an Anforderungen einer spezifischen Anwendung angepasst sein, indem er beispielsweise in einem vorgegebenen Bauraumvolumen in geeigneter Weise geführt oder gefaltet wird. Der Umlenkspiegel kann dabei insbesondere ebenfalls außerhalb des Spiegelraumbereichs angeordnet sein, um den Strahlengang des Projektionslichts zwischen den Konkavspiegeln nicht zu kreuzen.
Zur Verringerung von Einblickwinkeln auf das Display kann die Projektionsanordnung insbesondere eine Feldlinse oder Sammellinse im Strahlengang des Projektionslichts beispielsweise möglichst nah am Display aufweisen. Dadurch kann die schwebende Projektionsanzeige insbesondere im Hinblick auf deren erreichbare Helligkeit und/oder Kontrast verbessert sein. Insbesondere kann die Feldlinse oder Sammellinse dabei im Wesentlichen direkt am Display angeordnet sein, d. h. in einem technisch realisierbaren Mindestabstand zum Display und ohne weitere (optische) Elemente dazwischen.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Projektionsanordnung zu deren Außenschutz ferner eine für das Projektionslicht zumindest teilweise transparente Deckscheibe im Strahlengang des Projektionslichts nach den Konkavspiegeln und vor der Position der schwebenden Projektionsanzeige auf. Dabei ist gemäß einer möglichen Variante das Projektionslicht polarisiert und die Deckscheibe als Polarisator dazu ausgebildet, es im Wesentlichen verlustfrei durchzulassen und das Umgebungslicht zu mindestens 40%, vorzugsweise zu mindestens 50%, besonders bevorzugt zu mindestens 60% zu absorbieren. Alternativ oder zusätzlich zu dieser Variante kann die Projektionsanordnung ferner ein Lichtabsorptionselement (eine sogenannte Spiegelbank) aufweisen und die Deckscheibe dazu ausgebildet sein (eine sogenannte geometrische Entspiegelung oder Glaretrap), das von außen auf die Projektionsanordnung einfallende Umgebungslicht zu dessen im Wesentlichen vollständigen Absorption auf das Lichtabsorptionselement zu lenken oder zu reflektieren. Letzteres kann beispielsweise durch eine geeignete Krümmung der Deckscheibe realisiert sein.
Eine derartige Deckscheibe kann insbesondere dazu dienen, die Projektionsanordnung, die z. B. in einem Gehäuse oder einer Instrumententafel angeordnet sein kann, nach außen abzuschließen und damit vor Staub und anderen äußeren Einwirkungen wie Feuchtigkeit etc. zu schützen, wobei das Austreten des von der Projektionsanordnung erzeugten Projektionslichts durch die Deckscheibe ermöglicht wird. Die Deckscheibe kann aus jedem in dieser Hinsicht geeigneten Werkstoff gefertigt sein, beispielsweise aus Glas oder Kunststoff.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Kraftfahrzeug vorgesehen, das eine Projektionsanordnung der hierin dargelegten Art zur Erzeugung einer frei im Raum schwebenden Projektionsanzeige im Inneren des Kraftfahrzeugs umfasst.
Insbesondere kann das Kraftfahrzeug dabei eine Instrumententafel umfassen, in der die Projektionsanordnung angeordnet ist, wobei die Projektionsanordnung gemäß der obigen Ausführungsform eine Deckscheibe aufweisen kann, die im Wesentlichen bündig zu einer Oberfläche der Instrumententafel angeordnet ist, und wobei die Projektionsanordnung beispielsweise dazu ausgebildet ist, die schwebende Projektionsanzeige im Blickfeld eines Fahrzeuginsassen vor und/oder über der Oberfläche der Instrumententafel zu erzeugen. Insbesondere kann die Deckscheibe dabei in einer Oberseite der Instrumententafel im Bereich über der Lenksäule oder seitlich davon angeordnet sein.
Figurenliste
Die obigen Aspekte der Erfindung und deren oben und in den Ansprüchen genannte Ausführungsformen und spezifische Ausgestaltungen werden nachfolgend anhand der in den beigefügten Zeichnungen dargestellten Beispiele näher erläutert. Es zeigen:

1 eine seitliche Querschnittsansicht einer Projektionsanordnung der hierin dargelegten Art;
2 eine Detaildarstellung aus der 1, bei der nur ein Mittenstrahl des Projektionslichts eingezeichnet ist;
3 eine seitliche Querschnittsansicht einer weiteren Projektionsanordnung der hierin dargelegten Art mit einem Umlenkspiegel im Strahlengang des Projektionslichts nach dem Display und vor den Konkavspiegeln und einer Deckscheibe im Strahlengang des Projektionslichts nach den Konkavspiegeln und vor der Position der schwebenden Projektionsanzeige;
4a eine perspektivische Seitenansicht eines Strahlengangs von Displayrandpunkten ausgehender Projektionslichtstrahlen in einer Projektionsanordnung der hierin dargelegten Art; und
4b eine perspektivische Teilansicht eines Strahlengangs von Displayrandpunkten ausgehender Projektionslichtstrahlen in einer gegenüber der 4a modifizierten Projektionsanordnung mit einer direkt vor dem Display angeordneten Feld- oder Sammellinse.

Beschreibung von Ausführungsformen
Alle weiter oben in der Beschreibung und in den nachfolgenden Ansprüchen erwähnten verschiedenen Ausführungsformen, Varianten und spezifischen Ausgestaltungsmerkmale der Projektionsanordnung gemäß dem obigen ersten Aspekt und des Kraftfahrzeugs gemäß dem obigen weiteren Aspekt können bei den in den 1 bis 4b gezeigten Beispielen implementiert sein. Sie werden daher nachfolgend nicht alle nochmals wiederholt. Das Gleiche gilt entsprechend für die weiter oben bereits angegebenen Begriffsdefinitionen und Wirkungen in Bezug auf einzelne Merkmale, die in den 1 bis 4b gezeigt sind.
Bei den in den Figuren gezeigten Beispielen ist die Projektionsanordnung insbesondere zum Anordnen in einem Kraftfahrzeug ausgebildet, wobei stets auch eine entsprechende Anwendung z. B. in Gebäuden, Flugzeugen, Bahnen, Schiffen oder an im Freien stehenden Gebilden und anderen geeigneten Orten möglich ist, um eine schwebende Projektionsanzeige an einer vorbestimmten Position im Raum zu einem ähnlichen Zweck, wie z. B. zu einer höheren Zugänglichkeit oder Auffälligkeit der Anzeige oder als eine berührungsfreie Bedienfläche, zu erzeugen.
1 zeigt in einer stark vereinfachten schematischen vertikalen Querschnittsansicht ein Beispiel einer Projektionsanordnung 1 gemäß dem obigen ersten Aspekt zur Erzeugung einer schwebenden Projektionsanzeige 2 im Inneren eines Kraftfahrzeugs (nicht gezeigt). Die Projektionsanordnung 1 ist dazu ausgebildet, eine von einem Display 3 erzeugte Displayanzeige 4 in eine frei im Raum schwebende Projektionsanzeige 2, beispielsweise in einem durch Pfeile angedeuteten vorbestimmten Raumbereich 5, optisch abzubilden.
Diese optische Abbildung wird durch zwei Konkavspiegel 6 und 7 erzeugt, deren Spiegelflächen 6a und 7a einander zugewandt und deren optische Achsen 6b und 7b relativ zueinander um einen vorbestimmten Kippwinkel (φ + ψ) in einer der Zeichnungsebene der 1 entsprechenden vertikalen Ebene verkippt sind. In 1 ist der vorbestimmte Kippwinkel (φ + ψ) gleich der Summe jeweiliger Einfallswinkel φ und ψ eines vom Display 3 ausgehenden Mittenstrahls 8 bei dessen aufeinanderfolgender Reflexion an den Konkavspiegeln 6 und 7. Beide Einfallswinkel φ und ψ müssen nicht zwingend gleich sein. Allerdings können gleiche oder zumindest ähnliche Einfallswinkel φ und ψ eine im Hinblick auf die Abbildungsqualität und/oder die gegenseitige räumliche Anordnung der Konkavspiegel 6 und 7, des Displays 3 und des vorbestimmten Raumbereichs 5 der schwebenden Projektionsanzeige 2 besonders günstige und/oder kompakte Projektionsanordnung 1 ergeben.
Der Mittenstrahl 8 des von der Displayanzeige 4 ausgehenden Projektionslichts 9 kann, wie weiter oben erwähnt, beispielsweise als derjenige Projektionslichtstrahl definiert sein, der von einer Mitte des Displays 3 ausgeht und in eine Mitte einer Eyebox 10 trifft. Dabei ist die Eyebox 10 ein Raumbereich im Inneren des Kraftfahrzeugs, in welchem (bzw. von dem aus) die schwebende Projektionsanzeige 2 für einen Benutzer der Projektionsanordnung 1, insbesondere einen Fahrzeuginsassen oder Fahrer, sichtbar ist (in 1 symbolisch durch dessen Auge 11 angedeutet).
Insbesondere kann eine Krümmung des ersteren Konkavspiegels 6 dabei so gewählt sein, dass ein vom Mittenstrahl 8 bis zu seiner Spiegelfläche 6a zurückgelegter Abstand 12 kleiner oder etwa gleich einer Brennweite des Konkavspiegels 6 ist. Bei dieser Ausgestaltung kollimiert der Konkavspiegel 6 das von der Displayanzeige 4 ausgehende Projektionslicht 9, mit anderen Worten wird dadurch deren (unendlich) weit entferntes virtuelles Zwischenbild hinter dem Konkavspiegel 6 erzeugt. Dieses virtuelle Zwischenbild wird durch den zweiten Konkavspiegel 7 in die schwebende Projektionsanzeige 2 in dem gewünschten vorbestimmten Raumbereich 5 abgebildet, z. B. indem eine Brennweite des Konkavspiegels 7 gleich einem vom Mittenstrahl 8 von seiner Spiegelfläche 7a bis zum vorbestimmten Raumbereich 5 zurückgelegten Abstand 13 ist.
Dabei ist das Display 3 außerhalb eines zwischen den Spiegelflächen 6a und 7a liegenden Spiegelraumbereichs 14 angeordnet. Insgesamt veranschaulicht 1 eine für eine Projektionsanordnung der hierin dargelegten Art besonders geeignete geometrische Ausgestaltung und gegenseitige Anordnung und Verkippung des Displays 3 und der Konkavspiegel 6 und 7, bei der der Mittenstrahl 8 jeweils in einem der jeweiligen optischen Achse 6b, 7b entsprechenden Zentralbereich des Konkavspiegels 6 bzw. 7 auftrifft und der Display 3 und die Konkavspiegel 6 und 7 den Strahlengang des Projektionslichts 9 vom Display 3 bis zur schwebenden Projektionsanzeige 2 nicht kreuzen/abschatten.
Für eine gute Wahrnehmung der schwebenden Projektionsanzeige 2 kann sie bei der Projektionsanordnung 1 insbesondere mit beiden Augen 11 des Benutzers gleichzeitig wahrnehmbar sein. Ferner kann sie auch ergonomischen Anforderungen an eine Mindest-Eyeboxgröße (Eyebox: Bereich, in dem sich die Augen des Benutzers auch bei üblichen Bewegungen des Kopfes in der Regel befinden) genügen, bei der die schwebenden Projektionsanzeige 2 komfortabel auch bei leichter Bewegung des Benutzers gut sichtbar ist. Diese beiden Anforderungen entsprechen einer mit der Projektionsanordnung 1 realisierbaren Mindestgröße der Eyebox 10 (Augenbereich), die durch eine geeignete Wahl der optischen Parameter und der gegenseitigen Anordnung und Verkippung der Konkavspiegel 6, 7 und des Displays 3 für nahezu jede Anwendung zufriedenstellend gewährleistet werden kann.
2 zeigt eine Detaildarstellung der Projektionsanordnung 1 der 1, bei der insbesondere nur der Mittenstrahl 8 des Projektionslichts 9 der 1 eingezeichnet ist. Anhand der 2 wird nun die Verkippung beider Konkavspiegel 6 und 7 relativ zueinander veranschaulicht.
Wie in der 2 zu sehen ist, ist der vorbestimmte Kippwinkel (φ + ψ) dadurch erhalten, dass die Konkavspiegel 6 und 7 relativ zu einem zwischen ihnen verlaufenden Mittenstrahlabschnitt 8' in entgegengesetzte Richtungen, d. h. auseinander, gekippt sind. Bezüglich der Richtung des jeweiligen einfallenden Mittenstrahls 8, 8' sind beide Konkavspiegel 6 und 7 bzw. deren optische Achsen 6b und 7b jeweils in dieselbe Richtung um den Betrag des Einfallswinkels φ bzw. ψ gekippt, wie in der 2 durch Rundpfeile angedeutet. Mit anderen Worten ist dabei der Konkavspiegel 6 um eine senkrecht zur Zeichnungsebene stehende Verkippungsachse 6c um den Einfallswinkel φ gegen den Uhrzeigersinn verkippt, und der Konkavspiegel 7 ist um eine senkrecht zur Zeichnungsebene stehende Verkippungsachse 7c um den Einfallswinkel ψ gegen den Uhrzeigersinn verkippt.
Bei der weiter oben erwähnten spezifischen Ausgestaltung der Projektionsanordnung 1 mit voneinander unabhängig oder gemeinsam verkippbaren Konkavspiegeln 6 und 7 können der vorbestimmte Kippwinkel (φ + ψ) und/oder die räumliche Ausrichtung der Eyebox 10 durch das Verkippen der Konkavspiegel 6, 7 auf eine der 2 ähnliche Weise variiert werden.
3 zeigt in einer schematischen vertikalen Querschnittsansicht ein weiteres Beispiel einer Projektionsanordnung 1 gemäß dem obigen ersten Aspekt zur Erzeugung einer schwebenden Projektionsanzeige 2 im Inneren eines Kraftfahrzeugs (nicht gezeigt). Die Projektionsanordnung 1 der 3 unterscheidet sich von derjenigen der 1 vor allem dadurch, dass sie zusätzlich einen Umlenkspiegel 15 im Strahlengang des Projektionslichts 9 nach dem Display 3 und vor den Konkavspiegeln 6, 7 sowie eine für das Projektionslicht 9 zumindest teilweise transparente Deckscheibe 16 im Strahlengang des Projektionslichts nach den Konkavspiegeln 6, 7 und vor der Position der schwebenden Projektionsanzeige 2 zum Außenschutz der Projektionsanordnung 1 aufweist.
Die Projektionsanordnung 1 der 3 ist an eine übliche Kraftfahrzeuggeometrie angepasst und für eine bestmögliche Abbildungsperformance optimiert. Sie kann zum Anordnen in einer Instrumententafel des Kraftfahrzeugs mit im Wesentlichen bündig zu deren Oberfläche angeordneter Deckscheibe 16 ausgebildet sein und unter anderem folgende Elemente umfassen:

- Display 3, das ein normales Flat-Panel-Display oder alternativ ein Projektionssystem mit einem Bildschirm als Bildquelle für die Displayanzeige 4 darstellt. Abhängig von der gewählten Geometrie der Projektionsanordnung 1 und den Brennweiten von deren zwei Konkavspiegeln 6 und 7 kann das eingesetzte Display 3 größer (Verkleinerungsoptik) oder kleiner (Vergrößerungsoptik) als eine Größe der schwebenden Projektionsanzeige 2 sein. 3 zeigt rein beispielhaft eine mögliche Verkleinerungsoptik. Ähnlich wie bei einem Head-Up-Display (HUD) können die Inhalte auf dem Display 3, d. h. die Displayanzeige 4, bereits elektronisch vorverzerrt dargestellt sein, um etwaige Bildverzerrungen beim Passieren des Projektionslichtstrahlenbündels durch die Projektionsanordnung 1 zu kompensieren.
- Freiform-Konkavspiegel 6 und 7: Die optische Abbildung wird im Beispiel der 3 durch zwei Konkavspiegel 6, 7 realisiert. Um eine möglichst hohe Bildschärfe und möglichst geringe Verzerrungen zu erreichen, sind die Konkavspiegel 6 und 7 in der gezeigten Art um einen vorbestimmten Kippwinkel (vgl. die Erläuterung zu 1 und 2) relativ zueinander verkippt.
- Umlenkspiegel 15: Über diesen und mögliche weitere plane Spiegel (in 3 nicht gezeigt) kann der Strahlengang des von der Displayanzeige 4 ausgehenden Projektionslichts 9 innerhalb eines in der Instrumententafel vorhandenen Bauraums 17 geeignet geführt bzw. gefaltet werden.
- Deckscheibe 16: In 3 ist die Projektionsanordnung 1 mit der Deckscheibe 16, beispielsweise einem Deckglas, zum Fahrer hin abgeschlossen, um die Projektionsanordnung 1 und die darin enthaltene Optik vor äußeren Einflüssen zu schützen. Insbesondere kann die Deckscheibe 16 aus einem getönten Material bestehen, um den Einblick in das Optiksystem der Projektionsanordnung 1 von außen zu verhindern. Um Lichtverluste zu minimieren, kann die Deckscheibe 16 beispielsweise als Polarisator ausgebildet sein, insbesondere derart dass das Umgebungslicht zu mindestens 50% absorbiert wird, bei geeigneter an das Display 3 angepasster Orientierung des Polarisators die Lichtverluste für das durch die Deckscheibe 16 hindurchtretende Projektionslicht 9 aber minimiert sind. Alternativ oder zusätzlich kann die Deckscheibe 16 so geformt sein, dass im Zusammenspiel mit einem in 3 nicht dargestellten Lichtabsorptionselement nach dem Wirkungsprinzip einer sogenannten Glaretrap keine störenden Umgebungslichtreflexe in das Eyeboxvolumen gelangen.
- Schwebende Projektionsanzeige 2 (Englisch: floating image): Durch die obige Optik wird ein projiziertes „reales“ Bild in einem durch die Geometrie des Display-Konkavspiegelsystems vorgegebenen Abstand d1 erzeugt, an in 3 angedeuteten Fokuspunkten innerhalb eines ebenen vorbestimmten Raumbereichs 5.
- Eyebox 10: Der Strahlengang des von der Displayanzeige 4 ausgehenden Projektionslichts 9 ist durch die Abmessungen bzw. Aperturen der in der Projektionsanordnung 1 verwendeten optischen Elemente begrenzt. Daraus ergibt sich, dass die schwebende Projektionsanzeige 2 innerhalb eines begrenzten Raum- und Richtungsbereichs (Eyebox 10) für die Augen 11 des Benutzers sichtbar ist.

Die in 3 gezeigte Geometrie der Projektionsanordnung 1 kann im Rahmen der hierin beschriebenen Funktionalität flexibel variiert und damit optimal an einen vorgegebenen Bauraum 17 und mögliche Benutzerpositionen angepasst werden. Weiterhin kann die in 3 dargestellte Projektionsanordnung 1 rein beispielhaft folgende optionale Eigenschaften haben:

- Eyeboxverstellung: Beispielsweise durch eine in der Projektionsanordnung 1 implementierte einstellbare Verkippung des Konkavspiegels 7 (vgl. auch 2), die z. B. auch mit einer entsprechenden geeigneten Verkippung des Konkavspiegels 6 verbunden sein kann, kann der in 3 dargestellte Strahlengang des Projektionslichts 9 in der Projektionsanordnung 1 nach oben oder unten verkippt werden, wodurch die vertikale Lage der Eyebox 10 beispielsweise an unterschiedliche vertikale Sitzpositionen des Benutzers angepasst werden kann.
- Feldlinse 18, deren Funktionsweise nachfolgend anhand der 4a und 4b erläutert wird:

4a zeigt in einer perspektivischen Ansicht den Strahlengang eines von Randpunkten eines Display 3 einer Projektionsanordnung 1 gemäß dem obigen ersten Aspekt ausgehenden Projektionslichts 9. Rein beispielhaft befindet sich dabei, wie in 3, ein Umlenkspiegel 15 gegenüber dem Display 3, er ist jedoch für die anhand der 4a und 4b dargestellte Funktionalität einer Feld- oder Sammellinse 18 selbstverständlich nicht erforderlich.
Aufgrund des Aufbaus einer gesamten Spiegeloptik der Projektionsanordnung 1, wie beispielsweise in 3 gezeigt, können sich für in 4a schematisch angedeutete Bildpunkte am Rande des Displays 3 erhebliche Einblickwinkel auf das Display 3 von beispielsweise bis zu 35° oder sogar 40° ergeben.
4b zeigt daher in einer perspektivischen Teilansicht eines Strahlengangs von Displayrandpunkten ausgehender Projektionslichtstrahlen eine gegenüber der 4a modifizierte Projektionsanordnung 1 mit einer direkt vor dem Display 3 angeordneten Feld- oder Sammellinse 18. Dadurch kann eine deutliche Verringerung der Einblickwinkel auf das Display 3 im Vergleich zu 4a erzielt werden, was insbesondere eine deutliche Verbesserung im Hinblick auf die erreichbare Helligkeit und Kontrast der schwebenden Projektionsanzeige 2 ergeben kann. Die Wirkungsweise der Feld- oder Sammellinse 18 ist schematisch in 4b dargestellt. Es ist erkennbar, dass das von der Displayanzeige 4 ausgehende Strahlenbündel des Projektionslichts 9 durch die Feld- oder Sammellinse 18 in Richtung zum Mittenstrahl 8 des Projektionslichts 9 hin gebündelt wird.
Rein beispielhaft sind mit der in 3 bis 4b schematisch dargestellten Projektionsanordnung 1 insbesondere folgende an eine typische Kraftfahrzeuggeometrie optimierte geometrische Abmessungen möglich:

Mit einem Display 3 einer Displaygröße zwischen 100mm × 50mm und 400mm × 200mm, insbesondere etwa 200mm × 100mm (beispielsweise 8.2" Diagonale), kann eine schwebende Projektionsanzeige 2 einer Bildgröße zwischen 80mm × 25mm und 300mm × 100mm, insbesondere etwa 160mm × 50mm erzielt werden. Dabei kann ein vom Mittenstrahl 8 zurückgelegter Abstand d1 zwischen dem Konkavspiegel 7 und dem Ort der schwebenden Projektionsanzeige 2 zwischen 80mm und 320mm, insbesondere etwa 160mm, betragen, und ein vom Mittenstrahl 8 zurückgelegter Abstand d2 vom Ort der schwebenden Projektionsanzeige 2 zu den Augen 11 des Benutzers kann zwischen 300mm und 1200mm, insbesondere etwa 600mm betragen. Insbesondere sind dabei für die Eyebox 10 Größen eines Eyeboxfensters zwischen 25mm × 70mm und 100mm × 280mm, insbesondere etwa 50mm × 130mm möglich. Mit einer oben erwähnten vertikalen Eyeboxverstellung sind dann für die Eyebox 10 beispielsweise Gesamtgrößen von zwischen 60mm × 70mm und 240mm × 280mm, insbesondere etwa 120mm × 130mm möglich.

Bezugszeichenliste

1: Projektionsanordnung
2: schwebende Projektionsanzeige
3: Display
4: Displayanzeige
5: vorbestimmter Raumbereich
6: erster Konkavspiegel
7: zweiter Konkavspiegel
6a, 7a: Spiegelflächen der Konkavspiegel
6b, 7b: optische Achsen der Konkavspiegel
6c, 7c: Verkippungsachsen zum Verkippen der Konkavspiegel relativ zueinander
8: Mittenstrahl des Projektionslichts
9: Projektionslicht
10: Eyebox
11: Auge(n) des Benutzers
12: Abstand vom Display zum ersten Konkavspiegel
13: Abstand vom zweiten Konkavspiegel zur schwebenden Projektionsanzeige
14: Spiegelraumbereich
15: Umlenkspiegel
16: Deckscheibe
17: Bauraum
18: Feld- oder Sammellinse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 2015125393 A [0003]
WO 2005/062106 A1 [0004]
EP 3101334 A1 [0004]

Claims

Projektionsanordnung (1) zur Erzeugung einer schwebenden Projektionsanzeige (2), insbesondere im Inneren eines Kraftfahrzeugs, umfassend: - zwei Konkavspiegel (6, 7), deren Spiegelflächen (6a, 7a) einander zugewandt sind und deren optische Achsen (6b, 7b) relativ zueinander um einen vorbestimmten Kippwinkel (φ + ψ) verkippt sind, und - ein Display (3), das außerhalb eines zwischen den Spiegelflächen (6a, 7a) liegenden Spiegelraumbereichs (14) derart angeordnet ist, dass eine am Display (3) erzeugte Displayanzeige (4) durch aufeinanderfolgende Reflexion des von der Displayanzeige (4) ausgehenden Projektionslichts (9) an beiden Konkavspiegeln (6, 7) in eine außerhalb des Spiegelraumbereichs (14) frei im Raum schwebende Projektionsanzeige (2) abgebildet wird.
Projektionsanordnung (1) nach Anspruch 1, bei der die Summe jeweiliger Einfallswinkel (φ, ψ) eines vom Display (3) ausgehenden Mittenstrahls (8) an den zwei Konkavspiegeln (6, 7) den vorbestimmten Kippwinkel (φ + ψ) ergibt, wobei die beiden Einfallswinkel (φ, ψ) vorzugweise im Wesentlichen gleich sind.
Projektionsanordnung (1) nach Anspruch 1 oder 2, bei der der vorbestimmte Kippwinkel (φ + ψ) verstellbar ist.
Projektionsanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der mindestens einer der Konkavspiegel (6, 7), vorzugsweise beide Konkavspiegel (6, 7), und/oder das Display (3) um mindestens eine Verkippungsachse (6c, 7c) verkippbar ist/sind.
Projektionsanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Spiegelfläche (6a, 7a) mindestens eines der Konkavspiegel (6, 7) eine Freiformfläche mit einer derartigen Krümmung ist, insbesondere mit zumindest stellenweise unterschiedlichen Krümmungsradien in verschiedenen Richtungen entlang der Spiegelfläche (6a, 7a), dass die schwebende Projektionsanzeige (2) in einem vorbestimmten Raumbereich (5) außerhalb des Spiegelraumbereichs (14) und/oder mit einer vorbestimmten Abbildungsqualität erzeugt wird, wobei der mindestens eine Konkavspiegel (6, 7) vorzugsweise ein toroidaler Spiegel ist.
Projektionsanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die ferner einen im Strahlengang des Projektionslichts (9) nach dem Display (3) und vor den Konkavspiegeln (6, 7) angeordneten Umlenkspiegel (15) aufweist.
Projektionsanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die ferner eine Feld- oder Sammellinse (18) im Strahlengang des Projektionslichts (9) nah, vorzugsweise im Wesentlichen direkt, am Display (3) aufweist.
Projektionsanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die zu deren Außenschutz ferner eine für das Projektionslicht (9) zumindest teilweise transparente Deckscheibe (16) im Strahlengang des Projektionslichts (9) nach den Konkavspiegeln (6, 7) und vor der Position der schwebenden Projektionsanzeige (2) aufweist, wobei - das Projektionslicht (9) polarisiert ist und die Deckscheibe (16) als Polarisator dazu ausgebildet ist, es im Wesentlichen verlustfrei durchzulassen und das Umgebungslicht zu mindestens 40%, vorzugsweise zu mindestens 50 %, besonders bevorzugt zu mindestens 60 % zu absorbieren, und/oder - die Projektionsanordnung (1) ferner ein Lichtabsorptionselement aufweist und die Deckscheibe (16) dazu ausgebildet ist, das von au-ßen auf die Projektionsanordnung (1) einfallende Umgebungslicht zu dessen im Wesentlichen vollständigen Absorption auf das Lichtabsorptionselement zu lenken oder zu reflektieren.
Kraftfahrzeug, umfassend eine Projektionsanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Erzeugung einer frei im Raum schwebenden Projektionsanzeige (2) im Inneren des Kraftfahrzeugs.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 9, wobei - das Kraftfahrzeug eine Instrumententafel umfasst, in der die Projektionsanordnung (1) angeordnet ist, und - die Projektionsanordnung (1) gemäß Anspruch 8 ausgebildet ist und deren Deckscheibe (16) im Wesentlichen bündig zu einer Oberfläche der Instrumententafel angeordnet ist, wobei die Projektionsanordnung (1) vorzugsweise dazu ausgebildet ist, die schwebende Projektionsanzeige (2) im Blickfeld eines Fahrzeuginsassen vor und/oder über der Oberfläche der Instrumententafel zu erzeugen.