DE19540108A1 - Vorrichtung zur Darstellung eines ersten Bildes in einem durch eine durchsichtige Scheibe sichtbaren zweiten Bild - Google Patents
Vorrichtung zur Darstellung eines ersten Bildes in einem durch eine durchsichtige Scheibe sichtbaren zweiten BildInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Darstellung eines ersten Bildes in
einem zweiten Bild, das durch eine durchsichtige Scheibe sichtbar ist, an der vom ersten
Bild ausgehendes Licht reflektiert wird und die so angeordnet ist, daß das erste und das
zweite Bild von einem Betrachter unter gleichem Blickwinkel erfaßbar sind.
Derartige Vorrichtungen sind beispielsweise in Flugzeugen und Autos einsetzbar. Dabei
repräsentiert das zweite Bild die z. B. durch die Windschutzscheibe sichtbare Umgebung.
Als erstes Bild können, beispielsweise für den Flug betrieb, Marken in den Sichtbereich
des Fahrzeugführers über die Windschutzscheibe als virtuelle Bilder dargestellt werden,
mit denen Orientierungshilfsmittel zum Starten und Landen gegeben werden. Auch für
andere Fahrzeuge, wie Autos, ergeben sich bei Einsatz derartiger Vorrichtungen
wesentliche Vorteile. So kann man mit Hilfe des ersten Bildes z. B. eine Marke für den
Sicherheitsabstand sichtbar machen, mit welcher der Fahrzeugführer abschätzen kann,
ob er einem vor ihm fahrenden Fahrzeug zu nahe kommt. Dabei ist es möglich, die
scheinbare Entfernung dieser Marke mit der Geschwindigkeit zu koppeln, so daß der
Fahrzeugführer jeweils kontrollieren kann, ob er zum vorausfahrenden Fahrzeug einen
ausreichenden Sicherheitsabstand einhält.
Weiter kann man auch wesentliche Informationen der Anzeigeninstrumente in den
Sichtbereich des Fahrers einblenden, so daß er das Fahrzeug wesentlich besser unter
Kontrolle behält, als wenn er ständig den Blick zwischen Umgebung und Armaturenbrett
hin- und herwenden muß, wodurch die Betriebs- und Fahrsicherheit wesentlich gesteigert
wird.
Es gibt eine Vielzahl von Systemvorschlägen für derartige Vorrichtungen, die auch unter
dem Namen "Head-Up Displays" (HUD) bekannt sind. Bei diesen hat es sich als wichtig
herausgestellt, daß, um Ermüdungserscheinungen zu verringern, die Information des
ersten Bildes als virtuelles Bild akkomodationsfrei bei auf Fernsicht eingestelltem Auge
abgebildet wird. Zur Abbildung als virtuelles Bild in großer Entfernung wird das Objekt
welches das erste Bild darstellt und das beispielsweise ein Liquid Christal Display (LCD)
sein kann, zwischen den Brennpunkt und den ersten Linsenscheitel eines
Abbildungssystems gebracht.
In den vergangenen zwanzig Jahren wurden weltweit eine Vielzahl von Schutzrechten
auf HUDs für Kraftfahrzeuge getätigt. In Europa befinden sich diese Systeme allerdings
noch im Entwicklungs- bzw. Erprobungsstadium. Dabei sind im wesentlichen Systeme
mit holografischer Optik und solche ohne holografische Optik zu unterscheiden. Einen
Überblick über ersteren kann man z. B. in dem Artikel von Woodcock und Kirkham,
"Holographic Applications in Avionic HUDs", Military Technology Miltech (1985), S. 6,
finden.
In Systemen ohne holografischer Darstellung, wie sie beispielsweise aus der EP-A-0 202
460 oder der US 4 740 780 bekannt sind, wird entweder ganz auf eine Abbildungsoptik
verzichtet oder es wird mit konventioneller Glasoptik, beispielsweise gemäß der GB 2
203 855 A, und mit Hilfe eines Bildgenerators ein virtuelles Bild erzeugt. In den
einfachsten Systemen wird die Information, die als erstes Bild auf einem verdeckten LCD
dargestellt wird, lediglich auf die Windschutzscheibe eines Fahrzeugs projiziert. Bei
diesen HUDs ergibt sich zwar der Vorteil, daß der Fahrer seine Blickrichtung nicht
verändern muß, um die angezeigte Information zu erkennen, er muß jedoch zum Ablesen
seine Augen auf die kurze Distanz zur Windschutzscheibe einstellen. Die wechselnde
Akkomodation der Augen auf Fernsicht zum Erfassen des Umfeldes und auf die
Windschutzscheibe führt insbesondere bei älteren Fahrern zu Ermüdungserscheinungen
und damit zu Reaktionsverlusten.
Bei Systemen mit virtueller Bilddarstellung einige Meter vor der Windschutzscheibe kann
das entspannte Auge jederzeit die Information ablesen; unnötige
Ermüdungserscheinungen werden so vermieden. Jedoch treten durch die Reflexion des
Lichtes an der asphärisch gekrümmten Windschutzscheibe insbesondere bei virtueller
Bilddarstellung Abbildungsfehler auf, die durch speziell berechnete Optiken korrigiert
werden müssen. Wie aus der DE 26 33 067 C2 zu entnehmen ist, ist die Herstellung und
Berechnung dieser Kompensationsoptik sehr aufwendig und im Hinblick auf
Fertigungstoleranzen schwierig herzustellen. Wegen des großen Raumbedarfs von
konventionellen optischen Systemen treten zudem Integrationsprobleme auf.
Insbesondere sind für einen Einsatz von HUDs in Fahrzeugen die folgenden Fragen zu
klären:
- - Wie hoch ist der Raumbedarf für ein System bzw. ist dieses in ein Fahrzeug integrierbar?
- - Kann vom Fahrzeug genügend Leistung für Lichtquelle und Bildgenerator zur Verfügung gestellt werden?
- - Wie hoch sind die Herstellungskosten?
Diese Fragen müssen bereits bei der Konzeption berücksichtigt werden. Nachfolgend
werden zwei HUDs beschrieben, die von ihrer Konzeption her sehr unterschiedlich sind:
Im ersten System, das von der Holtronic GmbH Ottersberg in Zusammenarbeit mit BMW,
München, entwickelt wurde, wird auf einen sogenannten separaten Combiner in der
Windschutzscheibe zur Kombination des ersten und des zweiten Bildes verzichtet, um die
Freisicht zur Außenwelt nicht zu beeinträchtigen. Dieses System ist z. B. in der DE 37 12
663 A1 beschrieben. Danach kann das abbildende Element ein holografisch-optisches
Element (HOE) im Transmissionsbetrieb (Transmissions-HOE, T-HOE) sein, das in die
Armaturentafel des Kraftfahrzeugs integriert ist.
Die bei dieser Lösung wesentlichen Bauteile sind eine Lichtquelle, ein Bildgenerator und
das T-HOE, das mehrere Funktionen übernimmt. Es lenkt den Lichtstrahl in der
gewünschten Richtung auf die Windschutzscheibe, erzeugt ein vergrößertes virtuelles
Bild des Objektes in einigen Metern Entfernung vor der Windschutzscheibe und
kompensiert die Fehler, die durch die Reflexion des Lichts an der Windschutzscheibe
entstehen.
Dabei gibt es unterschiedliche Möglichkeiten, um die Information optisch anzubieten. Bei
der virtuellen Darstellung von Instrumenten oder Symbolen, die zum Beispiel einen Defekt
in der Elektronik anzeigen sollen, ist eine ortsfeste Abbildungsebene ausreichend. Bei
anderen Informationsdarstellungen, beispielsweise die Darstellung eines ortsabhängigen
Objektes, wie die Anzeige des oben genannten Sicherheitsabstands, ist eine variable
Entfernungsdarstellung sinnvoll. Sie kann auf verschiedene Arten realisiert werden.
Auf holografischem Wege lassen sich feste Symbole durch ein sogenanntes
Multihologramm in unterschiedlicher Entfernung als dreidimensionales Bild darstellen. Ein
solches Hologramm besteht aus einer Vielzahl von einzelnen Hologrammen, die dasselbe
Objekt in unterschiedlicher Entfernung rekonstruieren. Zur gezielten Beleuchtung jedes
einzelnen Hologramms ist jedoch eine Verstelleinrichtung erforderlich. Eleganter ist
dagegen die Abbildung mit einem stereoskopischen Strahlengang, da hierbei die
Bildgenerierung beliebiger geändert werden kann. Diese Methode ist bei dem oben
genannten HUD realisiert worden.
Der räumliche Bildeindruck entsteht bei dem stereoskopischen Verfahren durch die
binokulare Parallaxe, wenn dem linken und dem rechten Auge der jeweils zugehörige,
leicht unterschiedliche Aspekt eines Objekts angeboten wird. Die Verschiebung im Raum
wird durch die Generierung zweier Bilder des darzustellen den Gegenstands aus dem
entsprechenden Sehwinkel der Augen unter Berücksichtigung der Konvergenz bzw. der
Objektgröße erreicht. Die Abbildungsebene (Bildebene) bleibt dabei ortsfest. Das HUD
besteht also aus zwei optischen Kanälen mit jeweils einem Bildgenerator. Die Information
jedes einzelnen Bildes gelangt in je ein Auge. Das Gehirn läßt dann beide Teilbilder zu
einem Gesamtbild zusammenschmelzen.
Prinzipiell sind wegen der Möglichkeit, Informationen variabel darzustellen, Displays
erwünscht, mit denen sich die im ersten Bild dargestellten Symbole elektronisch
erzeugen lassen. Hierfür eignen sich Bildröhren und LCDs. Bildröhren sind jedoch wegen
des hohen Preises und der Spannungsversorgungseinheit zur Erzeugung von
Hochspannung für den Kraftfahrzeugbereich nicht praktikabel. LCDs hingegen besitzen
eine kompakte Bauweise, sind relativ problemlos anzusteuern und ihre
Spannungsversorgung ist ebenfalls unproblematisch. Nachteilig wirken sich die nicht
ausreichende Leuchtdichte, der geringe Kontrast, der von der Wellenlänge und von der
Polarisation des eingestreuten Lichts abhängig ist, die Temperaturempfindlichkeit und das
geringe Auflösungsvermögen aus.
Letzteres stelle ein Hauptproblem für den Einsatz in einem Kraftfahrzeug dar.
Gegenwärtig besitzen geeignete LCDs eine Pixelgröße von mehr als 0,3 mm. Bei einem
Vergrößerungsfaktor von 50 sieht der Fahrer die Pixel mit einer Größe von 15 mm. Der
Abstand der Pixel ist rund 10% größer als die Pixel selbst. Das unerwünschte Bild der
Pixelmatrix ist daher aus einer Entfernung von 10 bis 15 m noch gut sichtbar. Mit dieser
Pixelgröße lassen sich nur relativ große Entfernungssprünge exakt darstellen, da zwar die
Größe der Symbole richtig generiert werden kann, die Abstandssprünge der zu
generierenden Symbole (Querdisparation) wegen der Pixelgröße insbesondere bei großen
Entfernungen sehr groß ist. Man muß den Kompromiß eingehen, daß das Bild bei jeder
scheinbaren Bildentfernung zwar die richtige Größe besitzt, die Querdisparation wegen
der geringen Auflösung aber nur für bestimmte Entfernungen richtig eingestellt werden
kann. Bezüglich des Einsatzes von LCDs für dieses System im Kraftfahrzeugbereich läßt
sich zusammenfassend sagen, daß sowohl das Auflösungsvermögen als auch der
Kontrast sowie die Temperaturstabilität verbessert werden müßten.
Die eingangs genannten T-HOEs haben die Eigenschaft, weißes Licht in seine
Spektralanteile zu zerlegen. Die Abbildung über ein T-HOE bei Einstrahlung mit weißem
Licht würde zu einer Verschmierung des Bildes aufgrund derartiger chromatischen Fehler
führen. Diese chromatischen Fehler lassen sich zwar in einem Wellenlängenbereich von
rund 100 nm durch eine Kombination mehrerer HOEs kompensieren, setzt man jedoch
nur ein HOE ein, so ergibt sich die Forderung nach einer schmalbandigen Lichtquelle mit
einer unrealistischen Forderung von Δλ < 10 nm. Darüber hinaus müßte die Lichtquelle
eine möglichst hohe Leuchtdichte besitzen, so daß der Beobachter bei hellem realen
Hintergrund noch das Display erkennen kann; die erforderliche Leuchtdichte der
Lichtquelle läßt sich aus der Leuchtdichte am Ort des Beobachters und dem
Wirkungsgrad des optischen Systems bestimmen.
Ein weiterer Faktor für die Eignung einer Lichtquelle ist ihre Größe und
Aufnahmeleistung. Lichtquellen, die 100 W und mehr verbrauchen, sind nicht nur wegen
der hohen Leistung, sondern auch wegen der hohen Wärmeerzeugung unpraktikabel. Des
weiteren darf eine Lichtquelle keine große Verzögerungszeit (t < 10 s) zwischen
Ansteuerphase und Betriebsphase aufweisen, damit Warnsymbole möglichst direkt
angezeigt werden können.
In dem Artikel von W. Windeln und M.A. Beeck "Windschutzscheibe mit holografischem
Spiegel für Head-Up Displays", Automobiltechnische Zeitschrift 91 (1989), S. 538-342,
ist ein anderes System angegeben, das von der Volkswagen AG, Wolfsburg, in
Zusammenarbeit mit der Vereinigten Glaswerke GmbH, Aachen, entwickelt wurde. In
diesem System wird ein in die Windschutzscheibe integrierter holografischer Combiner
eingesetzt. Auf einem LCD wird die gewünschte Information erzeugt die mit Hilfe einer
Abbildungslinse bei fester Darstellungsebene erscheint. Durch den Einsatz des Combiners
wird ein hoher Wirkungsgrad des Gesamtsystems erreicht. Wie anfangs beschrieben,
lassen sich die Anforderungen an einen Combiner (hohe Transmission, hoher Wirkungs-
und Reflexionsgrad, geringe spektrale Bandbreite und gute Abbildungsqualität) nur durch
einen holografischen Combiner erfüllen. Als holografisches Speichermedium eignen sich
derzeit nur die Dichromat-Gelatine (DCG) Schichten, die auch in Flugzeugen langjährig
Verwendung finden. Ein anderes Material, das für diesen Zweck ebenfalls interessant
sein dürfte, sind die Photopolymere. Hier sind besonders die von Polaroid, Offenbach,
(mit Naßentwicklung) und die von Du Pont Wilmington, USA, erwähnenswert. Letztere
benötigen keinen aufwendigen Naßentwicklungsprozeß mit giftigen Chemikalien. Durch
eine einfache diffuse Nachbelichtung und anschließende Wärmebehandlung ist das
Hologramm fertig entwickelt und fixiert. Die Photopolymere sind allerdings noch in der
Entwicklungsphase, das heißt, noch nicht im Handel erhältlich.
Ein Großteil der Entwicklungsanstrengungen konzentrierte sich auf die industrielle
Herstellung des Combiners und dessen Integration in die Windschutzscheibe.
Das Verzerren des virtuellen Lichtbilds läßt sich prinzipiell ebenfalls durch den Combiner
korrigieren. Als Lichtquelle für das Display dient ein schmalbandiger grüner Phosphor,
durch den in Verbindung mit dem Combiner die chromatischen Abbildungsfehler
unterdrückt werden.
Den vorstehend aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen haftet folgender
grundlegender Mangel an: Durch LCD-Anzeigen bzw. hinterleuchtete Anzeigendisplays
oder auch Kathodenstrahlröhren wird die erforderliche Leuchtdichte im Gesichtsfeld des
Fahrzeugführers nicht erreicht, weil die Vorrichtung auch gegen grelles Sonnenlicht
betreibbar sein muß. Insbesondere die zur Spiegelung des Anzeigeelements eingesetzten
Hologramme besitzen weiter die sehr unangenehme Eigenschaft, daß sie bei Beleuchtung
mit breitbandigem Licht im sichtbaren Bereich und in den Regenbogenfarben erscheinen.
Zur Erhöhung der Lichtintensität wird in der DE 38 22 222 A1 vorgeschlagen,
Polarisationsfilter an der Innenseite der Windschutzscheibe anzubringen und das erste
Bild direkt über eine Optik als virtuelles Bild an der Windschutzscheibe zu reflektieren.
Damit kann zum Beispiel grelles Sonnenlicht gedämpft werden, so daß das erste Bild
besser sichtbar ist. Weiter haben diese Polarisationsfilter den Vorteil, daß Doppelbilder
und störende Reflexion auf der Windschutzscheibe vermieden oder zumindest vermindert
werden. Die Praxis hat jedoch gezeigt, daß auch diese Lösung keine genügend hohe
Lichtintensität für das erste Bild bei gleichzeitiger Sichtbarkeit des taghellen zweiten
Bildes zur Verfügung stellt.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine gattungsgemäße Vorrichtung zu schaffen, bei
der das erste Bild gegenüber dem zweiten Bild genügend Leuchtkraft besitzt. Dabei soll
insbesondere auch noch ein einfacher und kostengünstiger Aufbau möglich sein.
Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Vorrichtung der eingangs genannten Art
dadurch gelöst, daß mindestens eine Lichtquelle für im wesentlichen paralleles Licht
vorgesehen ist, mit der das vom ersten Bild ausgehende Licht mit geringer Aufweitung
erzeugbar ist.
Bei der Erfindung wird auf einen holografischen Combiner verzichtet, der die störenden
Regenbogenfarben und die verschlechterte Auflösung verursacht. Das erste und das
zweite Bild werden einfach auf einer Scheibe, die zum Beispiel die Windschutzscheibe
sein kann, kombiniert. Dies ist wenig aufwendig und gestattet auch eine klare
Darstellung des ersten Bildes.
Damit ergibt sich eine ähnliche Anordnung, wie sie aus der DE 38 22 222 A1 bekannt
ist. Sie unterscheidet sich aber von dieser im wesentlichen durch die Lichtquelle mit im
wesentlichen parallelen Licht, die garantiert, daß die gesamte erzeugte Lichtleistung über
die Scheibe zum Fahrer reflektiert werden kann. Eine Polarisationseinrichtung ist dabei
nicht mehr unbedingt erforderlich.
Aufgrund der erfindungsgemäß geringen Aufweitung des vom ersten Bild ausgehenden
Lichts ist das Lichtbündel auch nur vom Fahrer innerhalb eines Bereiches, in dem er
seinen Kopf bewegen kann, erfaßbar; störende Lichtreflexe und Lichterscheinungen für
andere Verkehrsteilnehmer oder Beifahrer entfallen damit.
Aus dieser Betrachtung wird deutlich, daß die Aufweitung des Lichtbündels, eventuell
nach Transmission einer oder mehrerer optischer Systeme im Bereich des Fahrers,
maximal im Bereich von 30 bis 50 cm liegen sollte, damit einmal das erste Bild
unabhängig von der Position des Kopfes des Fahrers gut erkennbar ist und andererseits
die Aufweitung des Lichtbündels gering genug ist, damit es den Fahrer mit optimaler
Lichtintensität erreicht. Mit einer Strahlaufweitung von kleiner als ± 7° wurden in der
Praxis gute Ergebnisse erzielt.
Bei einer vorzugsweisen Weiterbildung der Erfindung sind Segmente zur Emission des
Lichtbündels geringer Aufweitung oder zur Reflexion oder Transmission des Lichts von
der mindestens einen Lichtquelle vorgesehen, die zur Formierung des ersten Bildes
bezüglich Emission, Transmission bzw. Reflexion ansteuerbar sind.
Mit Hilfe solcher Segmente wird die Information zur Erzeugung des ersten Bildes auf das
oder die Lichtbündel geringer Aufweitung aufgeprägt. Hierfür sind mehrere Möglichkeiten
beschreitbar: zunächst sei die vorteilhafte Möglichkeit genannt, daß die Segmente selbst
das Lichtbündel emittieren. Dazu kann man vorzugsweise die Segmente als Laserdioden
ausbilden. Diese erzeugen das erfindungsgemäß im wesentlichen parallele Lichtbündel
mit einer entsprechend großen Intensität, damit sich das projizierte erste Bild genügend
gut von dem zweiten Bild abhebt. Eine andere ebenfalls bevorzugte Möglichkeit, zur
Formung dem parallelen Licht der Lichtquelle mittels Reflexion oder Transmission die
Information des ersten Bildes aufzuprägen, gestattet in ähnlicher Weise eine große
Intensität des ersten Bildes im Vergleich zum zweiten Bild, wobei durch die
Ansteuerbarkeit der Segmente auch noch verschiedene Bildinhalte darstellbar sind.
Die Segmente könnte man beispielsweise für die Darstellung numerischer Information als
Siebensegmentanzeigen ausbilden. Besonders vorteilhaft ist es jedoch gemäß einer
bevorzugten Weiterbildung der Erfindung, wenn die Segmente in Form einer Matrix
angeordnet sind. Dadurch lassen sich wesentlich größere Informationsdichten ausnutzen,
die beispielsweise dazu verwendet werden können, im ersten Bild auch Grafiken
darzustellen.
Besonders gut läßt sich die Transmission bei einer bevorzugten Weiterbildung der
Erfindung dann ausnutzen, wenn die Matrix eine LCD-Matrix ist.
Ähnliche Vorteile wie bei der Transmission lassen sich auch dann erreichen, wenn ein
oder mehrere Spiegel vorgesehen sind, die das von der mindestens einen Lichtquelle
erzeugte Lichtbündel zur Formung des Bildes reflektieren. Insbesondere ist es dabei
vorteilhaft, wenn mit Hilfe der Reflexion das von der mindestens einen Lichtquelle
erzeugte Lichtbündel vollständig auf die Scheibe gerichtet werden kann, wobei
Lichtverluste, z. B. aufgrund einer Polarisation in der LCD-Matrix, vermieden werden. Die
Lichtintensität ist somit ebenfalls auf einfache Weise erhöht.
Der Aufwand an Spiegeln läßt sich gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung
besonders gering halten, wenn zwei Spiegel vorgesehen sind, mit denen das Lichtbündel
in zwei Richtungen ablenkbar ist.
Der Aufwand für die Bilderzeugung ist dabei, etwa gegenüber einer Pixelmatrix aus
Spiegeln, stark verringert. Weiter steht die Lichtintensität des gesamten Lichtbündels,
weil das erste Bild mittels einer Ablenkung von diesem erzeugt wird, mit voller Intensität
zur Verfügung.
Dieser Vorteil macht sich insbesondere dann bemerkbar, wenn die Spiegel gemäß einer
bevorzugten Weiterbildung der Erfindung durch eine Ablenkeinrichtung, mit der das erste
Bild als Vektorgrafik darstellbar ist, unabhängig voneinander winkelveränderbar sind. Bei
einer Vektorgrafik werden nur die Punkte abgetastet, die als beleuchtete Punkte erfaßbar
sein sollen. Dunkeltastzeiten sind auf ein Minimum reduziert, so daß praktisch die volle
Lichtintensität der primären Lichtquelle zur Darstellung des ersten Bildes ausgenutzt wird.
Gemäß einer anderen bevorzugten Weiterbildung der Erfindung werden eine
Ablenkeinrichtung, mit der das von der mindestens einen Lichtquelle ausgehende
Lichtbündel in zwei Richtungen rasterbar ist, und eine Steuerung vorgesehen, mit der die
Intensität des Lichtbündels steuerbar ist.
Dabei macht man sich die Abbildung über ein gleichmäßiges Raster zunutze, wie sie
beispielsweise aus der Darstellung von Fernsehbildern bekannt ist. Damit lassen sich
besonders schöne Bilder darstellen, was den Fahrkomfort erhöht und ebenfalls zu einer
höheren Fahrsicherheit führt.
Die Ablenkung kann beispielsweise mit Hilfe akustooptischer Modulatoren durchgeführt
werden. Man kann sich aber die Vorteile der obigen Weiterbildung der Erfindung mittels
Ablenkung des Lichtbündels über zwei Spiegel zunutze machen. Insbesondere ist deshalb
bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, daß einer der Spiegel ein
mit gleichmäßiger Umlaufgeschwindigkeit rotierender Polygonspiegel ist, wodurch sich
sehr schnelle Ablenkungen verwirklichen lassen und ein Flimmern des Bildes vermieden
wird. Weiter ergeben sich aufgrund der Trägheit des rotierenden Spiegels auch nur
geringe Gleichlaufungenauigkeiten, was vor allem beim Betrieb im Kraftfahrzeug, bei dem
die Vorrichtung auch Stößen und Schwingungen ausgesetzt ist, wesentliche Vorteile mit
sich bringt.
Die vorgenannten Vorteile der Erfindung und deren Weiterbildungen sind insbesondere
dann mit wenig Aufwand erreichbar, wenn gemäß einer weiteren vorzugsweisen
Ausgestaltung der Erfindung die mindestens eine Lichtquelle ein LED mit
parallelisierender und kolliminierender Optik ist. Gegenüber den übrigen Dimensionen im
Kraftfahrzeug kann ein LED als im wesentlichen punktförmig betrachtet werden, so daß
mit Hilfe einer solchen Optik die Aufweitungserfordernisse in einfacher Weise erfüllt
werden können, ohne daß ein Lichtverlust durch das Kollimieren die Intensität wesentlich
verringert.
Mögliche Verluste durch das Kollimieren können sogar vollständig vermieden werden,
wenn mindestens eine der Lichtquellen ein Laser ist. Ein Laser erzeugt schon von
vornherein einen hochparallelen Strahl, der den Anforderungen bezüglich der Aufweitung
vollständig genügt.
In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist der Laser eine Laserdiode oder
enthält diese als Pumpquelle. Laserdioden erzeugen schon eine hohe Lichtleistung bei
Spannungen, die wesentlich geringer als die Spannung einer Autobatterie ist. Man
benötigt dann also keine aufwendige Elektronik, wie beispielsweise eine
Hochspannungsversorgung bei Verwendung eines Gaslasers.
Insbesondere lassen sich gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung hohe Intensitäten
erreichen, wenn der Laser ein diodengepumpter Festkörperlaser ist. Gemäß einer
weitergehenden bevorzugten Weiterbildung der Erfindung sind für den diodengepumpten
Festkörperlaser auch Einrichtungen zur Frequenzkonversion vorgesehen. Mit den
Einrichtungen zur Frequenzkonversion läßt sich immer eine Wellenlänge so auswählen,
beispielsweise im Grünbereich, wo die Augenempfindlichkeit sehr hoch ist oder im
Rotbereich, der vom Menschen immer als Warnung aufgefaßt wird, ohne daß man auf
die Auswahl diodengepumpter Festkörperlaser bezüglich hoher Intensität wesentlich
eingeschränkt ist. Aufgrund dieser Merkmale lassen sich also besonders hohe
Lichtintensitäten mit wenig Aufwand für die primäre Lichtquelle erzielen.
Gemäß einer anderen vorzugsweisen Weiterbildung der Erfindung ist das vom ersten Bild
ausgehende Licht polarisiert. Dazu kann man gemäß einer weiterführenden Weiterbildung
der Erfindung mindestens ein Polarisationsfilter vorsehen oder einen ein polarisierendes
Licht aussendenden Laser verwenden. Die Vorteile der Verwendung polarisierten Lichtes
werden vor allem auch aus der DE 38 22 222 A1 deutlich, die vorstehend schon
beschrieben wurde. Im Unterschied zu der dort dargestellten Erfindung ist hier aber die
Lichtquelle selbst polarisiert, so daß aufgrund einer zusätzlichen Polarisation, zur
Verminderung von Reflexen oder zur Dämpfung des Lichts des zweiten Bildes für das
erste Bild bei entsprechender Einstellung der Polarisationsrichtung keine Lichtverluste
auftreten.
Der Vorteil der Verwendung polarisierten Lichtes macht sich insbesondere bei einer
Weiterbildung der Erfindung bemerkbar, bei der die Lichtquelle so angeordnet ist, daß
das vom ersten Bild ausgesandte Licht an der Scheibe etwa unter dem Brewsterwinkel
einfällt. Beim Brewsterwinkel wird das polarisierte Licht vollständig reflektiert, so daß die
volle Intensität des im wesentlichen parallelen Lichtbündels beim Fahrzeugführer zur
Beobachtung des ersten Bildes zur Verfügung steht. Die Lichtintensität ist damit optimal,
ohne daß zusätzliche Polarisatoren, beispielsweise an der reflektierenden Scheibe,
vorgesehen werden müssen.
Ähnliche Vorteile wie bei den Polarisatoren ergeben sich dann, wenn die Scheibe gemäß
einer vorzugsweisen Weiterbildung der Erfindung mit einer Schicht versehen ist, an der
das erste Bild vollständig reflektierbar ist, da auch dann die gesamte Intensität, die vom
ersten Bild ausgesandt wird, am Ort des Fahrzeugführers zur Erfassung des ersten Bildes
zur Verfügung steht.
Besonders einfach läßt sich dies verwirklichen, wenn gemäß einer bevorzugten
Weiterbildung der Erfindung die Schicht eine dielektrische Schicht ist oder diese enthält
und die das erste Bild vollständig reflektiert. Dielektrische Schichten zur vollen Reflexion
sind aus dem Stand der Technik beispielsweise zur Vergütung von Linsen bekannt.
Während aber bei der Vergütung von Linsen eine hohe Transmission erreicht werden soll,
ist hier zu beachten, daß die Schichtdicken aufgrund der optischen Parameter des
Schichtmaterials so dimensioniert werden, daß maximale Reflexion auftritt. Insbesondere
ist in diesem Zusammenhang interessant, daß man bei einer einzigen Wellenlänge des
ersten Lichtes, wie es zum Beispiel bei dem Einsatz eines Lasers gegeben ist, nur eine
einzige dielektrische Schicht vorsehen muß, deren Schichtdicke auf den Winkel zum
einfallenden Licht so ausgelegt ist, daß transmittierte Strahlen sich durch Interferenz
auslöschen.
Der Vorteil von reflektierenden Schichten ist auch dann besonders einfach zu
verwirklichen, wenn das vom ersten Bild ausgehende Licht polarisiert ist und gemäß
einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung die Schicht auf der Scheibe eine
polarisierende Schicht ist oder eine polarisierende Teilschicht enthält.
Bei einer anderen bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist die Schicht auf der dem
zweiten Bild abgewandten Seite der Scheibe aufgebracht. Dadurch werden
vorteilhafterweise Doppelbilder aufgrund unterschiedlicher Reflexion an der Vorder- und
Rückseite der Scheibe, wie sie auftreten würden, wenn die Schicht auf der dem ersten
Bild abgewandten Seite angebracht wäre, vermieden. Dadurch ergibt sich eine besonders
klare Bilddarstellung, so daß auch aufgrund dieser Weiterbildung die Lichtintensität des
ersten Bildes für den Betrachter optimiert wird. Die klarere Bilddarstellung verringert auch
die Belastung des Fahrers, so daß die Verkehrssicherheit aufgrund geringerer Ermüdung
erhöht ist.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist die Schicht ein Verbund aus
mehreren Einzelschichten. Bei Vorsehen mehrerer Einzelschichten läßt sich das
Reflexionsverhalten auf ein breites Wellenlängenspektrum der Lichtquelle auslegen. Beim
Verbund, beispielsweise im Verbundglas einer Windschutzscheibe, ergibt sich
fertigungstechnisch ein besonders geringer Aufwand.
Bei einer anderen bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist die Schicht so ausgelegt
daß sie Licht des zweiten Bildes ungehindert durchläßt. Damit wird die Sichtbarkeit der
Umgebung für den Fahrer nicht beeinträchtigt. Dies ist insbesondere für Nachtfahrten
vorteilhaft, bei denen die Sicherheit aufgrund schlechter Lichtverhältnisse sowieso
beeinträchtigt ist. Deshalb sollte gerade für diesen Zweck durch die zusätzliche Schicht
keinerlei Dämpfung des aus der Umgebung einfallenden Lichts stattfinden.
Die vorangehend mehrfach erwähnte Scheibe kann beispielsweise die Windschutzscheibe
selbst sein. Deren Biegung ist aber im allgemeinen aufgrund von Designentscheidungen
und möglichst geringer Lufttreibungsverluste bei der Fahrt gekrümmt, so daß das erste
Bild im allgemeinen bezüglich der durch diese Krümmung entstehenden Verzerrungen
korrigiert werden muß. Diesen Verzerrungen kann man beispielsweise durch geeignete
Darstellung des ersten Bildes entgegenwirken.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist jedoch eine besondere Scheibe
vorgesehen, die in einem Fahrzeug zwischen einer Windschutzscheibe und dem Platz
eines Fahrzeugführers angeordnet ist. Damit kann man die Form der Scheibe zur
Abbildung des ersten Bildes geeignet dimensionieren. Insbesondere ist eine plane
Scheibe bezüglich des Aufwandes vorteilhaft, da für diese keine Sonderanfertigung
benötigt wird.
Die Anordnung zwischen Windschutzscheibe und dem Platz des Fahrzeugführers ist
insbesondere deswegen vorteilhaft, da eventuelle unerwünschte Reflexionen oder
Lichtverluste an der Windschutzscheibe vermieden werden. Außerdem befindet sich die
Scheibe auch im Innenraum des Fahrzeugs. Dies hat den weiteren Vorteil, daß
Wetterbedingungen keinen Einfluß auf die Sicht haben. Eine Kondensation von Nebel
oder anhaftende Tropfen bei Regen könnte dagegen die Sichtbarkeit des ersten Bildes bei
einer Anordnung der Scheibe außerhalb des Fahrzeugs stark beeinträchtigen.
Bei einer anderen bevorzugten Weiterbildung der Erfindung emittiert die Lichtquelle
Lichtbündel dreier verschiedener Wellenlängen. Damit lassen sich auch farbige Bilder im
ersten Bild darstellen, wodurch der Informationsgehalt erhöht werden kann, was es aber
auch gestattet, die im ersten Bild dargestellte Information ästhetisch besonders
angenehm zu gestalten. Dies erhöht den Fahrkomfort und trägt aufgrund der geringeren
nervlichen Belastung durch die Zusatzinformation zur Sicherheit beim Fahren bei. Weiter
ermöglicht die farbige Darstellung, beispielsweise die Anzeige von Warnsignalen in Rot
und statische Information beispielsweise in dem Fahrer angenehmen Grün zu zeigen.
Auch die Anzeige von eingeschaltetem Fernlicht, für die in Deutschland ein blaues Licht
vorgeschrieben ist, ist gemäß dieser Weiterbildung ohne Probleme innerhalb des ersten
Bildes möglich.
Bei einer anderen bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist zwischen der Scheibe und
dem ersten Bild ein abbildendes optisches System vorgesehen. Mit Hilfe eines derartigen
optischen Systems lassen sich virtuelle Bilder in großer Entfernung darstellen, was vor
allen Dingen für die Adaptionsfähigkeit des Auges des Fahrers besonders vorteilhaft ist.
Insbesondere läßt sich ein virtuelles Bild in großer Entfernung dann besonders vorteilhaft
erzielen, wenn das erste Bild innerhalb der objektseitigen Brennweite des optischen
Systems abgebildet wird.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung beispielshalber noch näher
erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel zur Erläuterung wesentlicher
Züge der Erfindung;
Fig. 2 eine schematische Darstellung für ein Ausführungsbeispiel, in der das erste
Bild durch eine Matrix auf einer Streuscheibe dargestellt wird;
Fig. 3 eine schematische Darstellung für ein farbiges erstes Bild;
Fig. 4 eine Ausführungsform mit einer Matrix aus Laserdioden;
Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel mit einem LED-Array und einem Polarisationsfilter;
Fig. 6 eine prinzipielle Anordnung für eine Matrix zur Darstellung eines farbigen
ersten Bildes;
Fig. 7 eine schematische Darstellung zur Bilderzeugung mit zwei nacheinander
angeordneten beweglichen Spiegeln für ein weiteres Ausführungsbeispiel der
Erfindung;
Fig. 8 eine Windschutzscheibe mit innenliegenden Reflexionsschichten.
Die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung weist eine Steuereinrichtung 1 auf, welche die zur
Symboldarstellung erforderlichen Daten erzeugt. Ein Ausgang der Steuereinrichtung 1 ist
mit dem Eingang einer Steuerelektronik 2 verbunden, mit der eine Lichtquelle 3 zur
Erzeugung eines im wesentlichen parallelen Lichtbündels 4 angesteuert wird. Die
Lichtquelle war im Anwendungsbeispiel ein diodengepumpter Festkörperlaser mit
Frequenzkonversion, um Licht mit einer Wellenlänge im Maximum der
Augenempfindlichkeit zu erzeugen.
Das im wesentlichen parallele Lichtbündel 4 fällt auf einen Spiegel 5 auf, von dem aus
es in Richtung einer Streuscheibe 6 reflektiert wird. Der Spiegel 5 ist zur Auslenkung des
Lichtbündels um zwei Achsen schwenkbar. Die entsprechenden Drehwinkel sind in Fig. 1
mit ω und ϕ bezeichnet.
Die um die Winkel ω und ϕ erfolgenden Schwenkbewegungen werden ebenfalls von der
Steuereinrichtung 1 angesteuert. Je nach Ausführungsart der Steuereinrichtung 1 lassen
sich mit einer derartigen Anordnung Bilder auf der Streuscheibe 6 in unterschiedlicher
Weise erzeugen. Wenn die Steuereinrichtung 1 so ausgebildet ist, daß der Spiegel 5 den
Lichtstrahl gleichmäßig über die Streuscheibe 6 rastert und über die Steuerelektronik 2
die Intensität des Lichtstrahls 4 gesteuert wird, lassen sich Bilder rasternd darstellen, wie
es beispielsweise aus der Fernsehtechnik mit Elektronenstrahlen auf dem Bildschirm einer
Fernsehröhre bekannt ist.
Im Ausführungsbeispiel von Fig. 1 wurde jedoch die Intensität des Lichtbündels 4
konstant gehalten, während eine Struktur mit Hilfe von Bewegungen des Spiegels 5 auf
die Streuscheibe 6 projiziert wurde. Die Intensität des Lichtbündels wird dabei nur beim
Übergang von einer zu einer anderen Struktur dunkelgetastet. Die Strukturen werden so
in Form einer Vektorgrafik auf der Streuscheibe 6 abgebildet.
Zur Abbildung des auf der Streuscheibe 6 dargestellten Bildes als virtuelles Bild im
Sichtbereich des Fahrers eines Fahrzeugs ist ein optisches System 8 mit einem
objektseitigen Brennpunkt 7 vorgesehen, innerhalb dessen Brennweite die Streuscheibe 6
liegt. Das aus dem optischen System 8 austretende Licht fällt anschließend auf eine
Reflexionsschicht 9, so daß das erzeugte Bild virtuell bei einer Position 10 sichtbar ist.
Die Reflexionsschicht 9 ist auf der Innenseite der Windschutzscheibe 11 eines
Kraftfahrzeugs angeordnet. Ein Beobachter, dessen Auge 12 schematisch eingezeichnet
ist, sieht dann zusätzlich zu der im Sichtbereich liegenden Gegend ein virtuelles Bild 10
hinter der Windschutzscheibe. Da die Reflexionsschicht 9 so ausgebildet ist, daß sie im
wesentlichen nur bei Wellenlängen der Lichtquelle 3 reflektiert, kann der Beobachter an
der Position 12 auch die Umgegend ungehindert sehen und das virtuelle Bild an Position
10 wird in diese Ansicht eingefügt.
Aufgrund des im wesentlichen parallelen Strahls der Lichtquelle 3 ist der Bereich, in der
das virtuelle Bild an der Position 10 deutlich sichtbar ist, im wesentlichen durch die
Streueigenschaften der Streuscheibe 6 gegeben. Diese ist bezüglich der Streuung des
primären Lichtbündels 4 so ausgelegt, daß das Bild an der Position 10 nur im Bereich,
der innerhalb typischer Kopfbewegungen des Fahrers liegt, optisch gut erfaßbar ist. Als
empfehlenswert hat sich herausgestellt, daß die Aufweitung des im wesentlichen
parallelen Lichtbündels aufgrund der Streuscheibe 6 und der nachfolgenden Optik 8
maximal in einem Bereich von 30 bis 50 cm liegen sollte. Damit wird praktisch das ganze
Lichtbündel 4 mit voller Intensität auf den Fahrer gerichtet. Lichtverluste aufgrund eines
zu großen Winkelbereiches sind auf ein Mindestmaß reduziert. Mit einer Aufweitung des
Lichtbündels kleiner gleich ± 7° wurden in der Praxis gute Ergebnisse erzielt.
Wenn noch höhere Lichtintensitäten in der Nähe des Auges 12 des Fahrers benötigt
werden, kann die Streuscheibe 6 auch für noch kleinere Winkeldivergenzen im
Lichtbündel ausgelegt sein, jedoch empfiehlt es sich dann, die Vorrichtung
positionsmäßig verstellbar auszugestalten oder die Kipprichtung des Spiegels 5 über die
Steuereinrichtung 1 mit einer einstellbaren Gleichspannung zu beaufschlagen, so daß der
Fahrer an der Position 12 das virtuelle Bild 10 in den optimalen Kopfbereich bringen
kann, damit bei unterschiedlichen Fahrergrößen und Sitzpositionen das virtuelle Bild
immer mit optimaler Intensität sichtbar ist.
Aus den angegebenen Größen für die Aufweitung kann man auch direkt entnehmen, daß
die Parallelität des Lichtbündels 4 nicht sehr kritisch ist. Deswegen kann man als
Lichtquelle 3 statt eines Lasers auch eine Leuchtdiode hoher Intensität einsetzen. Da das
Licht bei derartigen Bauelementen im wesentlichen an der Sperrschicht entsteht, kann
man diese im wesentlichen als punktförmige Lichtquelle betrachten, deren
Ausgangslichtbündel mit Hilfe einer Linse, einem Hohlspiegel und/oder Kollimatoren in
geeigneter Weise parallelisiert werden kann.
Die Auswahl eines Lasers für die Lichtquelle 3 hat aber auch noch Vorteile bezüglich der
Reflexion an der Windschutzscheibe 11. Mit dem genannten Laser wurde im
Ausführungsbeispiel ein linear polarisiertes Lichtbündel 4 erzeugt. Die reflektierende
Schicht 9 wurde dabei als Polarisator ausgebildet, dessen lineare Polarisationsrichtung so
gewählt wurde, daß das gesamte von der Streuscheibe 6 erzeugte Licht in den Bereich
des Kopfes des Fahrers reflektiert wurde. Die Polarisationseigenschaften der
reflektierenden Schicht 9 haben zusätzlich zum Erzielen optimaler Lichtintensität den
Vorteil, daß Reflexe auf der Windschutzscheibe ausgeschaltet werden, das virtuelle Bild
also deutlicher sichtbar ist.
Wenn man allerdings zum Erzielen hoher Intensität zur Verringerung des Aufwandes auf
die reflektierende Schicht 9 verzichten will, kann man auch die Vorrichtung so anordnen,
daß die von dem optischen System ausgehenden Lichtbündel etwa im Brewsterwinkel
auf die Windschutzscheibe 11 auftreffen. Bekanntlich ist dann die Reflexion eines
polarisierten Lichtstrahls bei geeigneter Polarisationsrichtung maximal. Es wird dadurch
keine Beschichtung der Windschutzscheibe benötigt.
In Fig. 1 ist die Windschutzscheibe 11 als plane Fläche gezeichnet. Dadurch wird das
Bild 6 unverzerrt an der Position 10 abgebildet. Im allgemeinen sind Windschutzscheiben
jedoch gebogen. Die daraus resultierende Verzerrung kann man durch die
Steuereinrichtung 1 ausgleichen, indem das Bild auf der Streuscheibe 6 so verzerrt
dargestellt wird, daß die Verzerrungen durch die Spiegelung in der Windschutzscheibe 11
aufgehoben werden. Dadurch kann allerdings die Auflösung in unterschiedlichen
Bildbereichen des virtuellen Bildes an der Position 10 verschieden sein.
Statt dessen kann man aber auch eine flache Scheibe zwischen Windschutzscheibe 11
und Fahrer anordnen, mit der sich dieselben vorteilhaften Abbildungseigenschaften wie
bei der schematisch gezeigten flachen Windschutzscheibe 11 ergeben.
Die reflektierende Schicht 9 sollte jedoch unabhängig davon, ob sie auf der
Windschutzscheibe 11 oder auf einer separaten Scheibe aufgebracht ist, fahrerseitig
angeordnet sein, damit Mehrfachreflexionen in der Scheibe selbst keine weiteren
virtuellen Bilder erzeugen, die als äußerst störend empfunden werden könnten.
Reflektierende Schichten lassen sich als dünne Schichten, sogenannte dielektrische
Spiegel, ausbilden, wie sie auch aus anderen Anwendungen der Optik bekannt sind. Bei
einer Vielzahl von Wellenlängen, die durch die Schichten reflektiert werden sollen, ist es
günstig, einen Verbund aus mehreren Einzelschichten aufzubringen, die auf die
Wellenlänge bzw. Wellenlängen der Lichtquelle 3 abgestimmt sind.
In Fig. 2 ist ein ähnliches Ausführungsbeispiel wie in Fig. 1 gezeigt. Jedoch ist die
Bilddarstellung auf der Streuscheibe 6 verschieden von diesem. Hier wird das Bild als
gerasterte Matrix erzeugt, wie es vorstehend schon beschrieben wurde.
Anhand von Fig. 2 kann jedoch noch ein weiteres Ausführungsbeispiel erläutert werden.
Wenn das Lichtbündel 4 entsprechend aufgeweitet ist, beispielsweise wenn die
Lichtquelle 3 ein LED mit parallelisierender Optik ist, kann man anstelle der Streuscheibe
6 auch eine LCD-Matrix vorsehen. Insbesondere wenn das Lichtbündel 4 schon
polarisiert ist, kann mit der LCD-Matrix, deren Bilddarstellung bekanntermaßen auf
unterschiedlichen Polarisationsrichtungen bei Anlegen einer Spannung an verschiedenen
Segmenten in der Matrix beruht, an Punkten mit der gleichen Polarisation wie die des
Lichtbündels 4 praktisch das ganze Licht durchgelassen werden.
In Fig. 3 ist ein ähnliches Beispiel wie in Fig. 1 gezeigt. Jedoch ist hier die Lichtquelle 3
durch eine Lichtquelle 13 ersetzt. Innerhalb der Lichtquelle 13 befinden sich drei Laser
mit den Farben Rot, Grün und Blau. Die von den Lasern ausgehenden Lichtbündel
werden durch eine Strahlkombiniereinrichtung 14 in einen einzigen parallelen Strahl 15
zusammengeführt. Die Bilderzeugung erfolgt in gleicher Weise, wie es schon bei den
Ausführungsbeispielen von Fig. 1 und Fig. 2 beschrieben wurde. In der
Strahlkombiniereinrichtung 14 können beispielsweise dichroitische Spiegel zur
Kombination der verschiedenfarbigen Lichtbündel angeordnet sein, wie es aus der
Laserfernsehtechnik bekannt ist.
Im Ausführungsbeispiel von Fig. 4 wird auf ein einziges Lichtbündel 4 bzw. 14 und den
ablenkenden Spiegel 5 verzichtet. Anstelle der Streuscheibe 6 wird gemäß Fig. 4 eine
Laserdiodenmatrix 18 zwischen das optische System 8 und dem dazugehörigen
Brennpunkt 7 angeordnet. Die Bilderzeugung erfolgt dabei durch elektrische Aktivierung
der einzelnen Laserdioden an entsprechenden Bildpunkten der Matrix.
Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 ist zusammen mit der integrierten Matrixanordnung
im selben Bauelement eine Ansteuerelektronik 17 integriert, mit der die einzelnen
Laserdioden in der Matrix bezüglich Lichtintensität angesteuert werden können.
Ein ähnliches Ausführungsbeispiel ist auch in Fig. 5 gezeigt. Statt der Laserdiodenmatrix
18 ist hier eine LED-Matrix 15 mit einer integrierten Ansteuerelektronik 16 vorgesehen.
Im Ausführungsbeispiel war die LED-Matrix so ausgesucht, daß die erfindungsgemäß
erforderliche Aufweitung für maximale Lichtintensität von den einzelnen LEDs der Matrix
aufgrund des Aufbaus gegeben war. Prinzipiell lassen sich jedoch auch LEDs einsetzen,
wenn über eine derartige LED-Matrix 15 eine Folie gelegt wird, auf der kleine, auf die
LEDs passende Erhebungen als Linsen ausgebildet sind, die so dimensioniert sind, daß
die Aufweitung der ausgehenden Lichtbündel zusammen mit einer Strahlprofiländerung
aufgrund der Optik 8 gering genug ist, damit der wesentliche Anteil des Lichtes innerhalb
des Bereichs, der durch Kopfbewegungen des Fahrers zugänglich ist, liegt.
Bei einer LED-Matrix 15 muß man auch nicht auf die Vorteile verzichten, die aufgrund
von polarisiertem Licht gegeben sind, wenn man, wie in Fig. 5 gezeigt, ein
Polarisationsfilter 19 im Lichtweg der von den LEDs ausgehenden Lichtbündel anordnet.
Im Ausführungsbeispiel von Fig. 5 ist dieses Polarisationsfilter 19 zwischen dem
optischen System 8 und der LED-Matrix 15 eingefügt.
Die LED-Matrix 15 und die Laserdiodenmatrix 18 kann man prinzipiell als
Lichtquellenmatrix bezeichnen. Wie eine derartige Lichtquellenmatrix ausgestaltet sein
muß, damit auch farbige Bilder möglich sind, ist in dem Ausführungsbeispiel von Fig. 6
gezeigt. Die Lichtquellenmatrix 20, die zusammen mit einer Ansteuerungselektronik 21
integriert ist, besteht dort aus verschiedenen Laserdioden oder LEDs mit
unterschiedlicher Wellenlängen, die mit R, G, B, entsprechend den Bezeichnungen R, G,
B für rote, grüne und blaue Bildpunkte beim Farbfernsehen bezeichnet sind. Die LEDs
sind in Fig. 6 entsprechend ihrer Wellenlängen mit unterschiedlicher Schattierung
dargestellt. Aus Fig. 6 ist direkt eine mögliche Anordnung der verschiedenen Laserdioden
oder LEDs erkennbar, mit der farbige Bilder dargestellt werden kann.
Anstelle des Spiegels 5 gemäß dem Ausführungsbeispiel in Fig. 1 für die gemeinsame
Verkippung um zwei Achsen können auch zwei unabhängige Spiegel 23 und 22
vorgesehen werden. Ein derartiges Ausführungsbeispiel ist in Fig. 7 gezeigt. Für einen
gleichmäßiges Rastern läßt sich anstelle eines der Spiegel 22 oder 23 auch ein
Polygonspiegel zur Zeilenrasterung einsetzen. Polygonspiegel garantieren im allgemeinen
aufgrund ihrer Trägheit ein sehr gleichmäßiges Rastern.
In Fig. 8 ist ein weiteres Beispiel dargestellt, bei dem die reflektierende Schicht 9 nicht
auf der Windschutzscheibe 11 selbst aufgebracht, sondern in diese integriert ist. Da es
sich bei den genannten reflektierenden Schichten vor allem um sehr dünne Schichten
handelt, gewährt ein derartiger Einbau in einem als Windschutzscheibe ausgeführten
Verbundglas 11 Schutz für die in Fig. 8 dargestellte dünne Schicht 24. Auch hier kann
die Schicht 24 als dünne Schicht zur totalen Reflexion des Lichtbündels 3 ausgeführt
sein. Ferner sind auch polarisationsabhängig reflektierende Schichten einsetzbar.
Die vorstehenden Beispiele zeigen deutlich auf, in welch vielfältiger Weise die Erfindung
verwirklicht werden kann. Wesentliches Element ist dabei, daß mit Hilfe eines im
wesentlichen parallelen Lichtbündels im Sichtbereich des Fahrers maximale
Lichtintensität aufgrund der geringen Aufweitung des Lichtbündels erzeugt wird.
Claims (28)
1. Vorrichtung zur Darstellung eines ersten Bildes (6; 15; 18; 20) in einem zweiten
Bild, das durch eine durchsichtige Scheibe (11) sichtbar ist, an der vom ersten Bild (6;
15; 18; 20) ausgehendes Licht (4, 15) reflektiert wird und die so angeordnet ist, daß
das erste und das zweite Bild von einem Betrachter unter gleichem Blickwinkel erfaßbar
sind, dadurch gekennzeichnet,
daß mindestens eine Lichtquelle (3; 13; 15; 18; 20) für im wesentlichen paralleles Licht
vorgesehen ist, mit der das vom ersten Bild (6; 15; 18; 20) ausgehende Licht als
Lichtbündel mit geringer Aufweitung erzeugbar ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß Segmente zur Emission von dem Lichtbündel geringer Aufweitung oder zur Reflexion
oder Transmission des Licht von der mindestens einen Lichtquelle (3; 13; 15; 18; 20)
vorgesehen sind, die zur Formierung des ersten Bildes (6; 15; 18; 20) bezüglich
Emission, Transmission bzw. Reflexion ansteuerbar sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Segmente in
Form einer Matrix (15; 18; 20) angeordnet sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die Segmente für Transmission ausgelegt sind und die Matrix eine LCD-Matrix ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß
ein oder mehrere Spiegel (5; 22, 23) vorgesehen sind, die das von der mindestens einen
Lichtquelle (3, 13) erzeugte Lichtbündel geringer Aufweitung zur Formung des Bildes
reflektieren.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß
zwei Spiegel (22, 23) vorgesehen sind, mit denen das Lichtbündel in zwei Richtungen
ablenkbar ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens
ein Spiegel (5; 22, 23) durch eine Ablenkeinrichtung in zwei Kipprichtungen unabhängig
voneinander winkelveränderbar ist, wodurch das erste Bild (6; 15; 18; 20) als
Vektorgraphik darstellbar ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine
Ablenkeinrichtung, mit der das von der mindestens einen Lichtquelle ausgehende
Lichtbündel in zwei Richtungen rasterbar ist, und eine Steuereinrichtung (1) vorgesehen
sind, mit der die Intensität des Lichtbündels steuerbar ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8 in Kombination mit Anspruch 6, dadurch
gekennzeichnet, daß einer der Spiegel (22, 23) ein mit gleichmäßiger
Umlaufgeschwindigkeit rotierender Polygonspiegel ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die
mindestens eine Lichtquelle (3; 15) ein LED mit parallelisierender und/oder kollimierender
Optik ist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß
mindestens eine der Lichtquellen (3; 13) ein Laser ist oder diesen enthält.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser (3) eine
Laserdiode ist oder als Pumpquelle enthält.
13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser
(3) ein diodengepumpter Festkörperlaser ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß für den
diodengepumpten Festkörperlaser Einrichtungen zur Frequenzkonversion vorgesehen
sind.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß
das vom ersten Bild (6; 15; 18; 20) ausgehende Licht polarisiert ist.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß zur Polarisation ein
Polarisationsfilter (19) vorgesehen ist.
17. Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß die
mindestens eine Lichtquelle (3; 13) ein polarisierendes Licht aussendender Laser ist oder
diesen enthält.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß
die Lichtquelle (3, 13) so angeordnet ist, daß das vom ersten Bild ausgesandte Licht an
der Scheibe (11) unter dem Brewsterwinkel einfällt.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet,
daß die Scheibe (11) mit einer Schicht (9; 24) versehen ist, an der das erste Bild (6; 15;
18; 20) vollständig reflektierbar ist.
20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet,
daß die Schicht (9; 24) eine dielektrische Schicht ist oder enthält, die das erste Bild (6;
15; 18; 20) vollständig reflektiert.
21. Vorrichtung nach Anspruch 20 in Kombination mit Anspruch 15, dadurch
gekennzeichnet,
daß die Schicht (9; 24) eine polarisierende Schicht ist oder eine polarisierende Teilschicht
enthält.
22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 22, dadurch gekennzeichnet,
daß die Schicht (9; 24) auf der dem zweiten Bild abgewandten Seite der Scheibe (11)
aufgebracht ist.
23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß
die Schicht (9; 24) ein Verbund aus mehreren Einzelschichten ist.
24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß
die Schicht (9; 24) so ausgelegt ist, daß sie Licht des zweiten Bildes ungehindert
durchläßt.
25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß
die Scheibe (11) in einem Fahrzeug zwischen einer Windschutzscheibe und dem Platz
eines Fahrzeugführers angeordnet ist.
26. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß
die Lichtquelle (13; 20) Lichtbündel dreier verschiedener Wellenlängen emittiert.
27. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß
zwischen der Scheibe (11) und dem ersten Bild ein abbildendes optisches System (8)
vorgesehen ist.
28. Vorrichtung nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß
ein reelles Bild innerhalb der objektseitigen Brennweite des optischen Systems (8)
erzeugbar ist, welches als erstes Bild (6; 15; 18; 20) an der Scheibe (11) reflektierbar
ist.
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