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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Head-Up-Display für ein Fahrzeug.
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Unter einem Head-Up-Display, auch als HUD bezeichnet, wird ein Anzeigesystem verstanden, bei dem der Betrachter seine Blickrichtung beibehalten kann, da die darzustellenden Inhalte in sein Sichtfeld eingeblendet werden. Während derartige Systeme aufgrund ihrer Komplexität und Kosten ursprünglich vorwiegend im Bereich der Luftfahrt Verwendung fanden, werden sie inzwischen auch im Automobilbereich in Großserie verbaut.
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Head-Up-Displays bestehen im Allgemeinen aus einem Bildgenerator, einer Optikeinheit und einer Spiegeleinheit. Der Bildgenerator erzeugt das Bild. Die Optikeinheit leitet das Bild auf die Spiegeleinheit. Der Bildgenerator wird oft auch als bildgebende Einheit oder PGU (Picture Generating Unit) bezeichnet. Die Spiegeleinheit ist eine teilweise spiegelnde, lichtdurchlässige Scheibe. Der Betrachter sieht also die vom Bildgenerator dargestellten Inhalte als virtuelles Bild und gleichzeitig die reale Welt hinter der Scheibe. Als Spiegeleinheit dient im Automobilbereich oftmals die Windschutzscheibe, deren gekrümmte Form bei der Darstellung berücksichtigt werden muß, wenn eine verzerrte Darstellung vermieden werden soll. Durch das Zusammenwirken von Optikeinheit und Spiegeleinheit ist das virtuelle Bild eine vergrößerte Darstellung des vom Bildgenerator erzeugten Bildes.
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Der Betrachter kann das virtuelle Bild nur aus der Position der sogenannten Eyebox betrachten. Als Eyebox wird ein Bereich bezeichnet, dessen Höhe und Breite einem theoretischen Sichtfenster entspricht. So lange sich ein Auge des Betrachters innerhalb der Eyebox befindet, sind alle Elemente des virtuellen Bildes für das Auge sichtbar. Befindet sich das Auge hingegen außerhalb der Eyebox, so ist das virtuelle Bild für den Betrachter nur noch teilweise oder gar nicht sichtbar. Je größer die Eyebox ist, desto weniger eingeschränkt ist der Betrachter somit bei der Wahl seiner Sitzposition.
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Die Größe des virtuellen Bildes herkömmlicher Head-Up-Displays wird durch die Größe der Optikeinheit begrenzt. Ein Ansatz zur Vergrößerung des virtuellen Bildes besteht darin, das von der bildgebenden Einheit kommende Licht in einen Lichtwellenleiter einzukoppeln. Das in den Lichtwellenleiter eingekoppelte Licht, das die Bildinformation trägt, wird an dessen Grenzflächen totalreflektiert und wird somit innerhalb des Lichtwellenleiters geleitet. Zusätzlich wird an einer Vielzahl von Positionen entlang der Ausbreitungsrichtung jeweils ein Teil des Lichts ausgekoppelt, so daß die Bildinformation über die Fläche des Lichtwellenleiters verteilt ausgegeben wird. Durch den Lichtwellenleiter erfolgt auf diese Weise eine Aufweitung der Austrittspupille. Die effektive Austrittspupille setzt sich hier aus Bildern der Apertur des Bilderzeugungssystems zusammen.
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Vor diesem Hintergrund beschreibt die
US 2016/0124223 A1 eine Anzeigevorrichtung für virtuelle Bilder. Die Anzeigevorrichtung umfaßt einen Lichtwellenleiter, der bewirkt, daß von einer bildgebenden Einheit kommendes Licht, das durch eine erste Lichteinfallsfläche einfällt, wiederholt einer internen Reflexion unterzogen wird, um sich in einer ersten Richtung von der ersten Lichteinfallsfläche weg zu bewegen. Der Lichtwellenleiter bewirkt zudem, daß ein Teil des im Lichtwellenleiter geführten Lichts durch Bereiche einer ersten Lichtaustrittsfläche, die sich in der ersten Richtung erstreckt, nach außen austritt. Die Anzeigevorrichtung umfaßt weiterhin ein erstes lichteinfallseitiges Beugungsgitter, das auftreffendes Licht beugt, um zu bewirken, daß das gebeugte Licht in den Lichtwellenleiter eintritt, und ein erstes lichtausfallendes Beugungsgitter, das vom Lichtwellenleiter einfallendes Licht beugt.
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Um das vom Head-Up-Display erzeugte virtuelle Bild aus verschiedenen Positionen sehen zu können, müssen diese innerhalb der Eyebox liegen, wozu eine große Eyebox zweckdienlich ist.
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Aus der
US 2014/232746 A1 ist ein Head-Up-Display bekannt, bei dem ein Augenpositionsdetektor vorhanden ist, dessen Ausgangssignal dazu genutzt wird, eine Optikeinheit derart anzusteuern, daß ein für ein linkes Auge generiertes Bild in das linke Auge gelangt, und ein für ein rechtes Auge generiertes Bild in das rechte Auge. Als nachteilig hieran ist anzusehen, daß zwei unterschiedliche Bilder, je eines für das rechte und eines für das linke Auge erforderlich ist, sowie eine Umschaltung zwischen diesen beiden. Ein Head-Up-Display mit demgegenüber verringertem Aufwand ist wünschenswert.
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Dies wird durch ein Head-Up-Display mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Verfahrensanspruch, und einen Datensatz mit den Merkmalen des Anspruchs 7 erreicht. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung für ein Head-Up-Display für ein Fahrzeug schlägt folgendes vor: Das Head-Up-Display weist einen Augenpositionsdetektor auf, der die Position eines Auges eines Betrachters in Echtzeit detektiert. Es weist auch eine bildgebende Einheit zum Erzeugen eines Bildes auf. Es weist auch eine Optikeinheit auf, und ein mit dieser zusammenwirkendes optisches Element, welches dazu eingerichtet ist, die Richtung des von der bildgebenden Einheit generierten Lichtes zu beeinflussen. Das Head-Up-Display weist weiterhin auf eine Steuereinheit, die dazu eingerichtet ist, das optische Element in Abhängigkeit von einer vom Augenpositionsdetektor detektierten Augenposition anzusteuern, wobei die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, das von der bildgebenden Einheit generierte Licht ausschließlich auf die detektierte Position eines der Augen des Betrachters zu richten und für das andere Auge zu unterdrücken.
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Dies hat den Vorteil, dass ein kleinerer abzudeckender Winkelbereich ausreichend ist, die Eyebox also auf ein Auge beschränkt ist. Das von der Steuereinheit angesteuerte und mit der Optikeinheit zusammenwirkende optische Element kann somit kompakter ausgelegt werden. Die erforderliche Lichtleistung der bildgebenden Einheit kann reduziert werden, ohne den Helligkeitseindruck beim Betrachter zu reduzieren, da im Idealfall die gesamte Lichtleistung auf ein Auge gerichtet wird, anstatt auf zwei. Auf jeden Fall wird eine kleinere Eyebox ausgeleuchtet, was weniger Lichtleistung erfordert. Ein menschlicher Beobachter nimmt einen Gegenstand vor einem Hintergrund, der von beiden Augen gesehen wird, gleich hell oder nahezu gleich hell wahr, unabhängig davon, ob der Gegenstand nur von einem der beiden Augen oder von beiden Augen gesehen wird. Erfindungsgemäß wird von dieser Erkenntnis Gebrauch gemacht, um Lichtleistung zu sparen, ohne einen entsprechend verminderten Eindruck bei einem menschlichen Beobachter hervorzurufen. Es treten auch keine Irritationen durch unpassende Tiefeninformationen auf, welche auftreten können, wenn beide Augen innerhalb der Eyebox liegen, und das Gehirn aus den von beiden Augen an dieses weitergeleiteten Bildinformationen des virtuellen Bildes eine Tiefeninformation generiert, die unter Umständen nicht mit Tiefeninformationen übereinstimmt, die das Gehirn beispielsweise aus der gesehenen Umgebung gewinnt, der das virtuelle Bild überlagert ist.
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Vorzugsweise weist die Optikeinheit eine Windschutzscheibe, oder eine Linse oder einen Lichtwellenleiter oder einen Ausgangspupillenvergrößerer auf. Dabei ist die Windschutzscheibe vorzugsweise mit selektiv schaltbarer Reflektivität versehen beziehungsweise die Linse, der Lichtwellenleiter und der Ausgangspupillenvergrößerer mit selektiv schaltbaren anpaßbaren Eigenschaften. Somit läßt sich die Ausrichtung des Lichts auf genau ein Auge des Betrachters mittels einer Ansteuerung eines dieser Bauteile erzielen.
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Vorteilhaft ist der Lichtwellenleiter ein zweidimensional vervielfachender Lichtwellenleiter zum Aufweiten einer Austrittspupille mit einem Einkoppelhologramm, einem Falthologramm und einem Auskoppelhologramm, wobei zumindest eines dieser Hologramme in unabhängig voneinander schaltbare Bereiche aufgeteilt ist. Obwohl die Koppelstrukturen hier als Hologramme benannt sind, können auch andersartige Koppelstrukturen Verwendung finden, beispielsweise geeignet ausgebildete optische Gitter.
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Die Verringerung der erforderlichen Lichtleistung wird erfindungsgemäß dadurch erzielt, dass die zuvor komplett aktive Eyebox in einen ersten aktiven Teil und einen zweiten passiven Teil aufgeteilt wird, wodurch entsprechende passive Teile des Lichtwellenleiters kein Licht auskoppeln und somit die ausgekoppelte Lichtleistung verringert werden kann. Um dennoch den notwendigen Bereich für alle Größen an Fahrern und in allen wichtigen Fahrsituationen abzudecken, ist die Position dieses reduzierten aktiven Teils der Eyebox durch geeignete Mittel anpaßbar. Im allgemeinen gibt es zwar nicht in jedem Fall eine Eins-Zu-Eins-Zuordnung zwischen den Positionen auf einem Lichtwellenleiter und in der Eyebox. Aber es gibt immer Positionen auf dem Lichtwellenleiter, die nur für bestimmte Eyeboxpositionen benötigt werden und dann als inaktiver Teil der Eyebox abgeschaltet werden. Um keine funktionalen Nachteile gegenüber einer großen, komplett aktiven Eyebox zu haben, erfolgt eine automatische Anpassung oder Nachführung des aktiven Teils der Eyebox entsprechend der aktuellen Kopfposition des Betrachters. Mit dem Augenpositionsdetektor wird die Position eines Auges des Betrachters bestimmt. Eine Auswerteelektronik prüft, ob sich das Auge noch innerhalb des aktiven Teils der Eyebox befindet, oder ob einer Korrektur vorzunehmen ist. Ist eine Korrektur vorzunehmen, so steuert die Steuereinheit die unabhängig voneinander schaltbaren Bereiche des Hologramms bzw. der Hologramme zum Anpassen der Position des aktiven Teils der Eyebox an, damit diese die Position des aktiven Teils der Eyebox solange nachführen, bis der aktive Teil der Eyebox wieder gut bezüglich des einen Auges positioniert ist.
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Vorteilhaft ist das Auskoppelhologramm in unabhängig voneinander schaltbare Bereiche segmentiert. Dabei kann die Segmentierung in quadratische Segmente erfolgen, in rechteckige Segmente oder in Segmente anderer, geeigneter Form. Die Segmentierung des Auskoppelhologramms hat zum einen den Vorteil, daß dieses die größte Fläche der drei Hologramme aufweist. Selbst mit relativ großen Segmenten läßt sich eine vergleichsweise feine Rasterung des ausgeleuchteten Teils der Eyebox erzielen. Für das Auskoppelhologramm sind vorteilhafterweise vertikale Streifen als Segmentierung vorgesehen. Eine dazu senkrechte Segmentierung ist vorteilhaft für das Falthologramm vorgesehen. Diese Aufteilung der Segmentierung vermeidet es, das Licht am oberen oder unteren Rand am Auskoppelhologramm nicht zu nutzen, weil es dort nicht ausgekoppelt wird, es dann aber auch nicht mehr an anderer Stelle genutzt werden kann und damit verloren ist.
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Ein großer Vorteil einer vertikalen Segmentierung des Auskoppelhologramms liegt darin, daß das Auskoppelhologramm und damit der Lichtwellenleiter um ungefähr einen Augenabstand schmaler ausfallen kann. Dies reduziert sowohl den zum Einbau des Head-Up-Displays in ein Fahrzeug erforderlichen Bauraum als auch Material und Gewicht des Head-Up-Displays.
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Vorteilhaft ist das Falthologramm in unabhängig voneinander schaltbare Bereiche segmentiert. Da das Falthologramm üblicherweise nicht im direkt von außen einsehbaren Bereich des Lichtwellenleiters liegt, kann die Ansteuermimik für die Schaltarbeit der Bereiche weder von einem Nutzer direkt gesehen werden, was Irritationen vermeidet, noch kann sie direkt von außen einfallendes Licht beeinflussen, was ebenso Irritationen vermeidet, beispielsweise durch Spiegelungen hervorgerufene Irritationen.
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Vorteilhaft ist die Segmentierung von Auskoppelhologramm und Falthologramm in unabhängig voneinander schaltbare Bereiche streifenförmig ausgelegt, und die Bereiche des Auskoppelhologramms kreuzen die Bereiche des Falthologramms. Dies hat den Vorteil, daß nur eine geringe Anzahl Ansteuerelektroden pro Hologramm erforderlich ist. Die zweidimensionale Rasterung erfolgt über sich kreuzende Segmentstreifen. Vorzugsweise sind die Segmentstreifen des Auskoppelhologramms rechtwinklig zu demjenigen des Falthologramms angeordnet. Auch andere nichtparallele Anordnungen sind hier vorteilhaft anwendbar.
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Vorteilhaft sind die unabhängig voneinander schaltbaren Bereiche abgestuft zwischen ihrem aktiven Zustand und ihrem passiven Zustand schaltbar. Dabei kann die Abstufung sowohl in einigen wenigen großen Stufen erfolgen als auch in vielen kleinen Stufen, quasi kontinuierlich. Diese Abstufung ermöglicht es, die Beugungseffizienz der aktiven Bereiche so einzustellen, daß sich die vorhandene Lichtmenge auf alle aktiven Bereiche möglichst gleichmäßig verteilt, auch wenn die Anzahl der jeweils aktiven Bereiche variiert. Dies ermöglicht es, die eingekoppelte Lichtleistung möglichst optimal auszukoppeln und damit die erforderliche vom Bildgenerator zu erzeugende Lichtleistung möglichst niedrig zu halten. Weiterhin wird ein gleichmäßiger Helligkeitseindruck erzielt, also die Homogenität verbessert.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Ansteuern unabhängig voneinander schaltbarer Bereiche eines Head-Up-Displays gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche weist auf: Generieren eines darzustellenden Bildes. Erzeugen eines in einem Raumwinkelbereich sichtbaren virtuellen Bildes aus dem generierten Bild. Detektieren der Position eines Auges eines Betrachters. Anpassen des Raumwinkelbereichs, in den das bildformende Licht abgestrahlt wird, an die detektierte Position wobei die Anpassung derart erfolgt, daß der Raumwinkelbereich die Position genau eines der Augen des Betrachters enthält. Dieses Verfahren weist bereits weiter oben genannte Vorteile auf. Es tritt keine Irritation des Betrachters durch unbeabsichtigt nicht zueinander passende Bildinformationen für linkes und rechtes Auge auf, welche zu einem falschen räumlichen Eindruck führen können.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt ein Verzerren des generierten Bildes in Abhängigkeit vom angepaßten Raumwinkelbereich. Dies hat den Vorteil, daß mittels der Verzerrung eine Kompensation von Abbildungsfehlern der verwendeten optischen Komponenten erfolgt. Diese Abbildungsfehler sind abhängig von der Position des Raumwinkelbereichs, und werden daher in Abhängigkeit vom aktuell auszuleuchtenden Raumwinkelbereich kompensiert. Dies ermöglicht es, die Anforderungen an Fehlerfreiheit der optischen Komponenten zu reduzieren, da durch diese hervorgerufenen Abbildungsfehler durch die entsprechend angepaßte Verzerrung des generierten Bildes kompensiert wird. Je kleiner der Raumwinkelbereich ist, desto weniger Aufwand ist beim Verzerren erforderlich. Die Ausrichtung auf genau eines der beiden Augen des Betrachters kommt dem vorteilhaft entgegen. Für ein Auge lässt sich die Entzerrung sehr weitreichend über die Bilddarstellung, also beispielsweise mittels geeigneter Software realisieren. Bei zwei Augen sind aber unterschiedliche Entzerrungen notwendig. Sind diese Entzerrungen nicht vollkommen korrekt wird die Diskrepanz zwischen diesen als Tiefenänderung wahrgenommen. Die Entzerrung wesentlich über die Software zu realisieren ist erfindungsgemäß ermöglicht, indem das Bild nur einem Auge zugänglich gemacht wird. Damit wird eine mögliche Diskrepanz von vorneherein vermieden. Die optische Komponente ist dabei beispielhaft die Windschutzscheibe, eine Linse, ein Lichtwellenleiter oder ein Ausgangspupillenvergrößerer.
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Erfindungsgemäß ist weiterhin vorgesehen, daß das Verzerren gemäß eines Datensatzes erfolgt, der für eine spezifische optische Komponente erzeugt ist. Die optische Komponente ist dabei beispielhaft die Windschutzscheibe, eine Linse, ein Lichtwellenleiter oder ein Ausgangspupillenvergrößerer. Dabei wird vorteilhaft für eine Komponente, bei der die Vermeidung von Abbildungsfehlern besonders aufwendig ist, vermessen und ein Datensatz erstellt, mittels dessen eine Vorverzerrung des generierten Bildes erfolgt, die die durch die Komponente hervorgerufenen Abbildungsfehler kompensiert. Der Datensatz weist dabei auf den jeweiligen Raumwinkel bezogene Kompensationsdaten auf. Ein solcher Datensatz wird vorzugsweise auf Systemebene ermittelt. Beispielsweise wird ein Gitterraster als virtuelles Bild dargestellt, es wird mit einer Kamera durch die Eyebox gefahren, und aus der von der Kamera wahrgenommenen Verzerrung des Gitterrasters wird die benötigte Vorverzerrung berechnet. Je kleiner der Raumwinkel ist, desto weniger Daten reichen für eine wirkungsvolle Kompensation aus. Der Datensatz enthält für jeden Raumwinkel, für den das Head-Up-Display Licht erzeugt, entsprechende Kompensationsdaten auf. Produktionsbedingte Toleranzen werden vorteilhaft auf jedes einzelne Head-Up-Display angepaßt ausgeglichen. Eine größere Produktionstoleranz kann somit zugelassen werden, ohne daß der Bildeindruck des Betrachters negativ beeinträchtigt wird. Dies ermöglicht eine Kostensenkung für das fertige Produkt. So ist beispielsweise vorgesehen, jede einzelne Windschutzscheibe auszumessen, und einen einzelstückspezifischen Datensatz zu ermitteln, und diesen beim Ansteuern des Head-Up-Displays zu verwenden. Ebenso sind Linsenfehler, produktionsbedingte Fehler beziehungsweise Toleranzen eines Lichtwellenleiters oder eines Ausgangspupillenvergrößerers kompensierbar. Im optimalen Fall wird ein System für verschiedene Derivate verwendet. Ein einheitlicher Lichtwellenleiter, der mittels derivatspezifischer Verzerrung bei der Generierung des Bildes für unterschiedliche Derivate verwendbar ist, birgt ein großes Einsparpotential.
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Ein erfindungsgemäß anwendbarer Datensatz ist für eine spezifische optische Komponente erzeugt und veranlaßt eine Steuereinheit eines erfindungsgemäßen Head-Up-Displays dazu, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen.
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Vorzugsweise wird ein erfindungsgemäßes Head-Up-Display in einem Fortbewegungsmittel eingesetzt, um ein virtuelles Bild für einen Bediener des Fortbewegungsmittels zu erzeugen. Bei dem Fortbewegungsmittel kann es sich beispielsweise um ein Kraftfahrzeug oder ein Luftfahrzeug handeln. Selbstverständlich kann die erfindungsgemäße Lösung auch in anderen Umgebungen oder für andere Anwendungen genutzt werden, z.B. in Lastkraftwagen, in der Bahntechnik und im ÖPNV.
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Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung und den angehängten Ansprüchen in Verbindung mit den Figuren ersichtlich.
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Figurenliste
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- 1 zeigt schematisch ein Head-Up-Display gemäß dem Stand der Technik für ein Kraftfahrzeug;
- 2 zeigt einen Lichtwellenleiter mit zweidimensionaler Vergrößerung;
- 3 zeigt schematisch ein Head-Up-Display mit Lichtwellenleiter;
- 4 zeigt schematisch ein Head-Up-Display mit Lichtwellenleiter in einem Kraftfahrzeug;
- 5 zeigt schematisch eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Head-Up-Displays;
- 6 zeigt schematisch einen Lichtwellenleiter einer zweite Ausführungsform;
- 7 zeigt schematisch einen weiteren Lichtwellenleiter; und
- 8 zeigt ein Flußdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Figurenbeschreibung
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Zum besseren Verständnis der Prinzipien der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Ausführungsformen der Erfindung anhand der Figuren detaillierter erläutert. Gleiche Bezugszeichen werden in den Figuren für gleiche oder gleichwirkende Elemente verwendet und nicht notwendigerweise zu jeder Figur erneut beschrieben. Es versteht sich, daß sich die Erfindung nicht auf die dargestellten Ausführungsformen beschränkt und daß die beschriebenen Merkmale auch kombiniert oder modifiziert werden können, ohne den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen, wie er in den angehängten Ansprüchen definiert ist.
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Zunächst soll anhand der 1 bis 4 der Grundgedanke eines Head-Up-Displays mit Lichtwellenleiter dargelegt werden.
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1 zeigt eine Prinzipskizze eines Head-Up-Displays gemäß dem Stand der Technik für ein Kraftfahrzeug. Das Head-Up-Display weist einen Bildgenerator 1, eine Optikeinheit 2 und eine Spiegeleinheit 3 auf. Von einem Anzeigeelement 11 geht ein Strahlenbündel SB1 aus, welches von einem Faltspiegel 21 auf einen gekrümmten Spiegel 22 reflektiert wird, der es Richtung Spiegeleinheit 3 reflektiert. Die Spiegeleinheit 3 ist hier als Windschutzscheibe 31 eines Kraftfahrzeugs dargestellt. Von dort gelangt das Strahlenbündel SB2 in Richtung eines Auges 61 eines Betrachters.
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Der Betrachter sieht ein virtuelles Bild VB, welches sich außerhalb des Kraftfahrzeugs oberhalb der Motorhaube oder sogar vor dem Kraftfahrzeug befindet. Durch das Zusammenwirken von Optikeinheit 2 und Spiegeleinheit 3 ist das virtuelle Bild VB eine vergrößerte Darstellung des vom Anzeigeelement 11 angezeigten Bildes. Hier sind symbolisch eine Geschwindigkeitsbegrenzung, die aktuelle Fahrzeuggeschwindigkeit sowie Navigationsanweisungen dargestellt. Solange sich das Auge 61 innerhalb der durch ein Rechteck angedeuteten Eyebox 62 befindet, sind alle Elemente des virtuellen Bildes für das Auge 61 sichtbar. Befindet sich das Auge 61 außerhalb der Eyebox 62, so ist das virtuelle Bild VB für den Betrachter nur noch teilweise oder gar nicht sichtbar. Je größer die Eyebox 62 ist, desto weniger eingeschränkt ist der Betrachter bei der Wahl seiner Sitzposition.
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Die Krümmung des gekrümmten Spiegels 22 ist an die Krümmung der Windschutzscheibe 31 angepaßt und sorgt dafür, daß die Bildverzeichnung über die gesamte Eyebox 62 stabil ist. Der gekrümmte Spiegel 22 ist mittels einer Lagerung 221 drehbar gelagert. Die dadurch ermöglichte Drehung des gekrümmten Spiegels 22 ermöglicht ein Verschieben der Eyebox 62 und somit eine Anpassung der Position der Eyebox 62 an die Position des Auges 61. Der Faltspiegel 21 dient dazu, daß der vom Strahlenbündel SB1 zurückgelegte Weg zwischen Anzeigeelement 11 und gekrümmtem Spiegel 22 lang ist, und gleichzeitig die Optikeinheit 2 dennoch kompakt ausfällt. Die Optikeinheit 2 wird durch eine transparente Abdeckung 23 gegen die Umgebung abgegrenzt. Die optischen Elemente der Optikeinheit 2 sind somit beispielsweise gegen im Innenraum des Fahrzeugs befindlichen Staub geschützt. Auf der Abdeckung 23 befindet sich weiterhin eine optische Folie bzw. ein Polarisator 24. Das vom Anzeigeelement 11 abgegebene Licht ist typischerweise polarisiert und die Spiegeleinheit 3 wirkt wie ein Analysator. Zweck des Polarisators 24 ist es daher, die Polarisation zu beeinflussen, um eine gleichmäßige Sichtbarkeit des Nutzlichts zu erzielen. Ein Blendschutz 25 dient dazu, das über die Grenzfläche der Abdeckung 23 reflektierte Licht sicher zu absorbieren, so dass keine Blendung des Betrachters hervorgerufen wird. Außer dem Sonnenlicht SL kann auch das Licht einer anderen Störlichtquelle 64 auf das Anzeigeelement 11 gelangen. In Kombination mit einem Polarisationsfilter kann der Polarisator 24 zusätzlich auch genutzt werden, um einfallendes Sonnenlicht SL auszublenden.
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2 zeigt in schematischer räumlicher Darstellung einen Lichtwellenleiter 5 mit zweidimensionaler Vergrößerung. Im unteren linken Bereich erkennt man ein Einkoppelhologramm 53, mittels dessen von einer nicht dargestellten bildgebenden Einheit kommendes Licht L1 in den Lichtwellenleiter 5 eingekoppelt wird. In diesem breitet es sich in der Zeichnung nach rechts oben aus, entsprechend dem Pfeil L2. In diesem Bereich des Lichtwellenleiters 5 befindet sich ein Falthologramm 51, das ähnlich wie viele hintereinander angeordnete teildurchlässige Spiegel wirkt, und ein in Y-Richtung verbreitertes, sich in X-Richtung ausbreitendes Lichtbündel erzeugt. Dies ist durch drei Pfeile L3 angedeutet. In dem sich in der Abbildung nach rechts erstreckenden Teil des Lichtwellenleiters 5 befindet sich ein Auskoppelhologramm 52, welches ebenfalls ähnlich wie viele hintereinander angeordnete teildurchlässige Spiegel wirkt, und durch Pfeile L4 angedeutet Licht in Z-Richtung nach oben aus dem Lichtwellenleiter 5 auskoppelt. Hierbei erfolgt eine Verbreiterung in X-Richtung, sodaß das ursprüngliche einfallende Lichtbündel L1 als in zwei Dimensionen vergrößertes Lichtbündel L4 den Lichtwellenleiter 5 verläßt.
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3 zeigt in räumlicher Darstellung ein Head-Up-Display mit drei Lichtwellenleitern 5R, 5G, 5B, die übereinanderliegend angeordnet sind und für je eine Elementarfarbe Rot, Grün und Blau stehen. Sie bilden gemeinsam den Lichtwellenleiter 5. Die in dem Lichtwellenleiter 5 vorhandenen Hologramme 51, 52, 53 sind wellenlängenabhängig, sodaß jeweils ein Lichtwellenleiter 5R, 5G, 5B für eine der Elementarfarben verwendet wird. Oberhalb des Lichtwellenleiters 5 sind ein Bildgenerator 1 und eine Optikeinheit 2 dargestellt. Die Optikeinheit 2 weist einen Spiegel 20 auf, mittels dessen das vom Bildgenerator 1 erzeugte und von der Optikeinheit 2 geformte Licht in Richtung des jeweiligen Einkoppelhologramms 53 umgelenkt wird. Der Bildgenerator 1 weist drei Lichtquellen 14R, 14G, 14B für die drei Elementarfarben auf. Man erkennt, daß die gesamte dargestellte Einheit eine im Vergleich zu ihrer lichtabstrahlenden Fläche geringe Gesamtbauhöhe aufweist.
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4 zeigt ein Head-Up-Display in einem Kraftfahrzeug ähnlich zu 1, hier allerdings in räumlicher Darstellung und mit einem Lichtwellenleiter 5. Man erkennt den schematisch angedeuteten Bildgenerator 1, der ein paralleles Strahlenbündel SB1 erzeugt, welches mittels der Spiegelebene 523 in den Lichtwellenleiter 5 eingekoppelt wird. Die Optikeinheit ist der Einfachheit halber nicht dargestellt. Mehrere Spiegelebenen 522 reflektieren jeweils einen Teil des auf sie auftreffenden Lichts Richtung Windschutzscheibe 31, der Spiegeleinheit 3. Von dieser wird das Licht Richtung Auge 61 reflektiert. Der Betrachter sieht ein virtuelles Bild VB über der Motorhaube bzw. in noch weiterer Entfernung vor dem Kraftfahrzeug. Auch bei dieser Technologie ist die gesamte Optik in einem Gehäuse verbaut, welches von einer transparenten Abdeckung gegen die Umgebung abgegrenzt ist.
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5 zeigt schematisch eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Head-Up-Displays für ein Fahrzeug 70. Zu sehen ist die Windschutzscheibe 31 des Fahrzeugs 70. An deren oberen Ende ist eine Kamera 711 mit einer zugehörigen Auswertelektronik 712 angeordnet. Beide Komponenten zusammen bilden den Augenpositionsdetektor 71. Zu sehen ist weiterhin der Betrachter 60, dessen Kopfposition in der Höhe variabel ist, insbesondere in Abhängigkeit von der Größe des Betrachters 60 und von Bewegungen des Betrachters 60. Je nachdem, wie sich der Betrachter 60 bewegt, ist die Kopfposition auch seitlich variabel. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, den aktiven Teil der Eyebox 62 auf eines der beiden Augen des Betrachters 60 auszurichten, und das andere Auge außerhalb des aktiven Bereichs der Eyebox zu halten. Dazu wird der aktive Teil der Eyebox 62 der Position des Betrachters 60 nachgeführt, damit das eine Auge 61 des Betrachters 60 die vom Head-Up-Display angezeigten Informationen immer optimal sieht. Dazu detektiert der Augenpositionsdetektor 71 die Position PA des Auges 61 des Betrachters 60 und übermittelt diese Information mittels einer ersten Datenleitung 720 an eine Steuereinheit 72. Vorzugsweise wird auch die Position des anderen Auges detektiert, welches sich nicht in dem aktiven Teil der Eyebox 62 befinden soll, und auch diese Information wird an die Steuereinheit 72 übermittelt. Die Steuereinheit 72 ermittelt geeignete Ansteuersignale, die sie mittels einer weiteren Datenleitung 721 an unabhängig voneinander schaltbare Bereiche Nx (mit N=A,B,C,D und x=1,2,3) des Auskoppelhologramms 52 des Lichtwellenleiters 5 weitergibt. Bei der in 5 dargestellten Ausführungsform sind die bildgebende Einheit 1 und der Lichtwellenleiter 5 mechanisch unverrückbar miteinander zu einer Einheit gekoppelt und in einem Gehäuse 73 angeordnet. Das Auskoppelhologramm ist in die schaltbaren Bereiche Nx aufgeteilt, die mittels einer hier durch Pfeile schematisch dargestellten Ansteuermimik 74 durch über die weitere Datenleitung 721 empfangene Ansteuersignale angesteuert wird.
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6 zeigt schematisch einen Lichtwellenleiter 5 einer zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Head-Up-Displays. Hier sind schaltbare Bereiche Nx (mit N=A,B,C,D,E und x=1,2,3,4) des Auskoppelhologramms 52 sowie deren Ansteuermimik 74 schematisch gezeigt. Die Segmentierung des Auskoppelhologramms 52 ist hier in Form von rechteckigen Bereichen Nx erfolgt. In der Abbildung sind die schaltbaren Bereiche C3,C4,D3,D4 in einen aktiven Zustand geschaltet, während die anderen schaltbaren Bereiche A1-A4, B1-B4, C1-C2, D1-D2, E1-E4 in einen passiven Zustand geschaltet sind. Der aktive Zustand ist schraffiert angedeutet. Somit wird nur in den im aktiven Zustand befindlichen Bereichen C3,C4,D3,D4 Licht L4 ausgekoppelt, was durch weiße Pfeile angedeutet ist, während bei den anderen Bereichen kein Licht ausgekoppelt wird, und daher keine Pfeile gezeigt sind.
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Es ist vorgesehen, daß die Auskoppeleffektivität der schaltbaren Bereiche Nx gestuft zwischen einem passiven Zustand mit 0% Auskoppeleffektivität und einem komplett aktiven Zustand mit 100% Auskoppeleffektivität schaltbar sind. Um beispielsweise bei fünf hintereinandergeschalteten Bereichen A1-E1 jeweils 20% des gesamten beim Bereich A1 ankommenden Lichts auszukoppeln wird der Bereich A1 auf eine Auskoppeleffektivität von 20% geschaltet, der Bereich B1 auf eine Auskoppeleffektivität von 25%, der Bereich C1 auf eine Auskoppeleffektivität von 33%, der Bereich D1 auf eine Auskoppeleffektivität von 50% und der Bereich E1 auf eine Auskoppeleffektivität von 100%. Sind, wie im gezeigten Beispiel, drei der fünf hintereinandergeschalteten Bereiche passiv geschaltet, so sind die aktiven Bereiche, hier die Bereiche C3,D3 bzw. C4,D4, auf ein Auskoppeleffektivität von 50% für die Bereiche C3,C4, und auf ein Auskoppeleffektivität von 100% für die Bereiche D3,D4 geschaltet. Die genaue Abstimmung der Koppeleffektivitäten ist in den meisten Anwendungsfällen komplexer, als hier darstellt. Mit entsprechenden Algorithmen kann man sie für jede Eyeboxposition optimal anpassen, so dass optimale Bildhomogenität erreicht wird. Licht, das nicht aus dem Lichtwellenleiter 5 ausgekoppelt wird, bleibt im Lichtwellenleiter 5 gefangen und läuft weiter. Es unterliegt nur Streu- und Absorptionsverlusten. Wenn es bis an die Ränder des Lichtwellenleiters 5 läuft, wird es dort von einer Schwärzung möglichst vollständig absorbiert.
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7 zeigt schematisch eine weitere Ausführungsform. Hier sind der Einfachheit halber nur das Einkoppelhologramm 53, das Auskoppelhologramm 52 und das Falthologramm 51 gezeigt. Die Segmentierung von Auskoppelhologramm 52 und Falthologramm 51 in unabhängig voneinander schaltbare Bereiche Nx ist hier streifenförmig ausgeführt. Die Bereiche A0-G0 des Auskoppelhologramms 52 und die Bereiche N1-N5 des Falthologramms 51 kreuzen sich hier im rechten Winkel. Im skizzierten Fall werden die Bereiche N2-N4 des Falthologramms 51 und die Bereiche C0-F0 des Auskoppelhologramms 52 aktiviert, um die Segmente C2-F4, den aktivierten Bereich 75, auszuwählen. Für die Lichteffizienz ist diese Ausführungsform der Erfindung besser als die zu 5 beschriebene, da die vertikale Steuerung über das Falthologramm 51 erfolgt. Somit wird Licht, welches in einer bestimmten vertikalen Position nicht benötigt wird, weil sich das Auge dort nicht befindet, in dieser Position garnicht in das Auskoppelhologramm 52 eingekoppelt, und kann von diesem somit auch nicht an einer Position ausgekoppelt werden, an der es das Auge nicht erreichen kann.
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8 zeigt ein Flußdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Ansteuern eines erfindungsgemäßen Head-Up-Displays. Zunächst erfolgt das Generieren S1 eines anzuzeigenden Bildes B. Dieses wird durch die bildgebende Einheit 1 angezeigt. Es folgt das Erzeugen S2 eines in einem Raumwinkelbereich Ω sichtbaren virtuellen Bildes VB aus dem generierten Bild. Das virtuelle Bild wird mittels der Optikeinheit 2 und der Spiegeleinheit 3 erzeugt. Parallel zu den vorgenannten Verfahrensschritten erfolgt ein Detektieren S3 der Position PA eines Auges 61 der beiden Augen eines Betrachters 60. Das Detektieren S3 erfolgt mittels des Augenpositionsdetektors 71. Mittels der Position PA erfolgt ein Bestimmen S4 des Raumwinkelbereichs ΩA, in dem sich das Auge 61 befindet. Es erfolgt eine Anpassung S5 des Raumwinkelbereichs Ω basierend auf der detektierten Position PA, wobei die Anpassung S5 derart erfolgt, daß der angepaßte Raumwinkelbereich ΩA die Position PA genau eines der Augen 61 des Betrachters 60 enthält, aber nicht diejenige des anderen Auges. Dazu werden Informationen der separat schaltbaren Bereiche Nx weitergegeben, die für den aktuell aktiven Teil der Eyebox 62 relevant sind. Diese werden beim Erzeugen S2 des virtuellen Bildes VB berücksichtigt.
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Optional erfolgt ein Verzerren S6 des generierten Bildes B in Abhängigkeit vom angepaßten Raumwinkelbereich ΩA. In diesem Fall wird statt des Wunschbildes, des Bildes B, das verzerrte Bild B' zum Erzeugen S2 des virtuellen Bildes VB verwendet. Im dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt das Verzerren S6 gemäß eines Datensatzes DV, der für eine spezifische optische Komponente bzw. ein spezifisches optisches System erzeugt wurde, und im Head-Up-Display an geeigneter Stelle für die Steuereinheit 72 zugreifbar gespeichert ist.
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Die Erfindung betrifft in anderen Worten ein Head-Up-Display für ein Fahrzeug, insbesondere ein AR-Waveguide-HUD mit einfacher Glasqualität und verringertem Bauraumbedarf. Dabei steht AR für Augmented Reality, also beispielsweise eine mit Zusatzinformationen überlagerte Darstellung der Umgebung. Waveguide-HUD steht für ein Head-Up-Display auf Basis von Lichtwellenleitertechnik. AR-Waveguide-HUDs haben sehr hohe Anforderungen an die benötigte Glasqualität für den Lichtwellenleiter und beanspruchen physikalisch bedingt große Aperturen für große Bildwinkel und Projektionsdistanzen. Für die benötigte Glasqualität für die Waveguides, die Lichtwellenleiter, ist mechanisches Polieren notwendig und sehr kostenaufwendig, und der Bauraumbedarf der Komponente ist in klarem Konflikt mit anderen Komponenten im Systemdesign. Gesucht ist eine Lösung zum Ermöglichen von AR-Funktionalitäten für HUDs in einem marktfähigen Bauraum- und Kostenrahmen. Erfindungsgemäß wird das HUD mit Head-/Eyetracking kombiniert und Verzeichnungen dabei dynamisch kompensiert. Das Bild wird dabei nur einem Auge zugeführt. Der Teil der Auskopplung, die für das andere Auge sichtbar wäre, wird unterdrückt. Diese Lösung hat unter anderem folgende Vorteile: Es wird nur eine geringere Glasqualität benötigt, da Verzeichnungen elektronisch kompensiert werden können. Die erreichbare Kompensationsqualität ist besser, als sie rein durch eine Modulation des Auskoppelgitters 52 erreicht werden könnte. Es ist erfindungsgemäß auch nicht erforderlich, das Auskoppelhologramm 52 genau auf jedes Fahrzeugderivat anzupassen, die Unterschiede sind über die elektronische Korrektur aufzufangen. Es besteht auch die Möglichkeit, die optische Verzeichnungskorrektur so gering zu halten, daß die Dispersionseffekte so gering sind, daß eine LED-Projektionseinheit verwendet werden kann. Dadurch, daß nur ein Auge mit einem Bild versorgt wird, ist die für die gleiche Bildgröße erforderliche Apertur etwa einen Augenabstand schmaler. Es entstehen keine stereoskopischen Tiefenreize, die einen Konflikt der stereoskopischen Distanz und der gewünschten scheinbaren Distanz der virtuellen Bilddarstellung hervorruft. Mit einem Kamerasystem wird die Augenposition des Fahrers bestimmt. Eine Steuereinheit 72 verzerrt die dargestellte Bildinformation so, daß das virtuelle Bild VB aus der Position des Betrachterauges unverzerrt erscheint. Gleichzeit wird das schaltbare Auskoppelgitter 52 so angesteuert, daß für die ermittelte Position des anderen Auges keine Bilddarstellung erfolgt. Die Darstellung erfolgt auf jeden Fall so, daß kein Überlapp der von beiden Augen wahrgenommenen virtuellen Bilder besteht. Es lassen sich auch vereinfachte Varianten realisieren mit mechanischen oder auf Flüssigkristall oder auf SmartGlass basierten Blenden zur Einschränkung der Darstellung für das andere Auge. Obwohl die beschriebenen Ausführungsbeispiele hauptsächlich auf Head-Up-Displays bezogen sind, die auf Lichtleitertechnologie beruhen, läßt sich die erfindungsgemäße Idee auch auf Head-Up-Displays adaptieren, die auf anderen Technologien beruhen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 20160124223 A1 [0006]
- US 2014232746 A1 [0008]
