Head-up Display
Die Erfindung betrifft ein Head-up Display nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Mittels der klassischen Head-up Displays werden, für den Fahrer eines Fahrzeuges generierte Informationen, mit der Szene vor dem Fahrzeug kombiniert. Um die Sicht des Fahrers dabei möglichst wenig zu behindern, wird das eingeblendete Signal als virtuelles Bild vor der Windschutzscheibe dargestellt, so dass der Fah- rer möglichst gleichzeitig die Umgebung und die eingeblendeten Daten beobachten kann, ohne das Auge unterschiedlich akkommodieren zu müssen.
Derartige Head-up Displays sind seit längerem in verschiedenen Ausführungsformen bekannt, so dass die Anforderungen an die Bildqualität und die Größe der Eyebox und des Bildfelds, die zu großen und damit technisch problematischen Bildwinkeln führt, ständig steigen. Darüber hinaus wird mittlerweile erwartet, dass Head-up Displays mehrfarbig sind. Insbesondere gilt für Head-up Displays im Bereich der Wasser- und Landfahrzeuge auch, anders als im Flugzeugbereich, dass diese möglichst kostengünstig produzierbar sein müssen.
All diese Funktionalitäten sollen ohne Qualitätseinbußen für Fahrer unterschiedlicher Größe, mit damit unterschiedlichem Blickwinkel auf die Anzeige, gewährleistet sein. Bereits aus der DE 37 12 663 A1 ist bekannt, ein Head-up Display höhenverstellbar zu realisieren. Um das Head-up Display an die Größe des Fahrers anzupassen wird vorgeschlagen, die Bestandteile der Abbildungsoptik zu versetzen.
Damit wandert jedoch das imaginäre Bild in seiner Höhe an der Windschutzscheibe und kann damit bei sehr großen Fahrern sehr weit in das Blickfeld hineinrei- chen und damit die Außensicht stark behindern. Darüber hinaus ist es ohnehin
schwierig die Optik so zu optimieren und zu justieren, dass sie die extrem hohen Qualitätsanforderungen bei kostengünstiger platzsparender Bauweise erfüllt, bei einer Versetzung des gesamten Strahlengangs ist es nahezu unmöglich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein optisch hochwertiges Head-up Display höhenverstellbar zu realisieren.
Gelöst wird die Aufgabe gemäß der Erfindung durch ein Head-up Display mit den Merkmalen von Anspruch 1.
Erfindungsgemäß wird bei einem höhenverstellbaren Head-up Display, bei dem der Strahlengang versetzbar ist, nicht die Windschutzscheibe zum Betrachten des virtuellen Bildes benutzt sondern mit einem separaten Combiner gearbeitet, welcher beweglich gelagert ist. Die Anzeige des Bildes an einem separaten, beweg- lieh gelagerten Combiner eröffnet die Möglichkeit, über eine Schwenkbewegung des Combiners, den Höhenversatz eines Bestandteiles der Projektionseinheit in einen Höhenversatz des Strahles am Ort des Betrachters (also einen Höhenversatz der Eyebox) ohne Höhenversatz des virtuellen Bildes am Ort der Windschutzscheibe zu erreichen. Darüber hinaus bietet ein separater Combiner die Möglichkeit der Realisierung einer großen Eyebox bei einem ebenfalls großen Blickwinkel unter Beibehaltung einer guten Bildqualität, insbesondere auch eines mehrfarbeigen Bildes, indem der Combiner mit einer im Vergleich zu einer Windschutzscheibe stärkeren Krümmung bzw. Brechkraft versehen ist und bezüglich der Bildqualität optimal gestaltet werden kann. Dadurch ist es möglich, auch bei einer Schwenkbewegung des Strahlenganges die Bildqualität zu erhalten.
Erst dadurch wird es möglich einen großen Bildfeldwinkel mit kleinen Optikelementen zu realisieren. Durch die größere Brechkraft des Combiners können auch gleichzeitig Probleme mit dem Sonnenfokus gemindert werden, welche bei Ver- wendung der Windschutzscheibe als Combiner aufgrund der großen Eintrittsöff-
nung zutage treten würden. Insbesondere ist es bei einem separaten Combiner aber auch möglich und vorteilhaft, spezielle Beschichtungen aufzutragen, welche Doppelbilder unterdrücken und die Teilreflektivität bewirken.
Darüber hinaus ist es bei Verwendung eines Combiners zur Betrachtung des virtuellen Bildes auch nicht notwendig, dass sich der Combiner des Head-up Displays auf Höhe der Windschutzscheibe befindet. Es wäre auch möglich, einen Combiner vorteilhafter Weise vollverspiegelt in Höhe des Armaturenbrettes vorzusehen. Dies hat den Vorteil, dass die gesamte Windschutzscheibe für die Sicht nach Außen zur Verfügung steht.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Bewegung von der zur Strahlversetzung beweglichen Komponente der Projektionseinheit und dem Combiner gekoppelt. Die Kopplung kann elektronisch vorzugsweise über zwei aufeinander abge- stimmte Antriebseinheiten erfolgen. Einfacher ist es mechanisch zu koppeln, über eine Antriebseinheit, welche mit der beweglichen Komponente, dem Combiner oder der Kopplung in Verbindung steht und diese antreibt und eine mechanische Kopplungseinheit der beiden Komponenten. Bei letzterem ist ein Antrieb ausreichend und damit kostengünstiger, die Kopplung erfolgt direkt. Trotz der Verset- zung des Strahlengangs des virtuellen Bildes müssen die Verhältnisse von Ein- und Ausfallswinkeln von Combiner und Projektionseinheit erhalten bleiben, damit es zu keinen optischen Fehlern, Verzerrungen oder Verzeichnungen kommt. Insbesondere darf sich der Combiner nicht aus dem Strahlengang heraus bewegen. Deshalb wird bevorzugt die Bewegung des Combiners auf die Bewegung der opti- sehen Komponente abgestimmt.
Vorzugsweise drehen bzw. schwenken der Combiner und die Strahl versetzende optische Komponente in der Projektionseinheit um dieselbe Achse. Dadurch erfolgt die Strahlversetzung über eine einfache, kontrollierte, gekoppelte Bewegung der Komponente der Projektionseinheit und des Combiners. Die gemeinsame
Achse liegt vorteilhafter Weise auf der Oberfläche der Komponente der Projektionseinheit. Vorzugsweise führt die optische Komponente der Projektionseinheit ein Drehbewegung aus, der Combiner eine Schwenkbewegung.
In einer bevorzugten Ausführungsform beinhaltet die Kopplung zwischen Combi- ner und beweglich angeordneter Komponente der Projektionseinheit eine Übersetzung. Diese ermöglicht die Bewegung der Komponenten mit unterschiedlicher Winkelgeschwindigkeit. Dadurch können die mechanischen Bedingungen trotz direkter Kopplung optimal an den Strahlengang angepasst werden.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Kopplung zwischen Combiner und der beweglich angeordneten optischen Komponente über ein Kopplungsgetriebe realisiert. Dieses bietet eine besonders einfache, kostengünstige und zuverlässige Möglichkeit, die für die Höhenverstellung der Eye-Box notwendige kleine Bewe- gung an der beweglichen optischen Komponente in den entsprechenden Weg umzusetzen, um den der Combiner bewegt werden muss, so dass beide mittels eines elektrischen oder manuellen Antriebs gleichzeitig positioniert werden können.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform erfolgt die mechanische Kopplung mit Übersetzung mittels eines Zahnradgetriebes. Dabei kann die erforderliche Übersetzung über eine entsprechend gewählte Anzahl von Zähnen einfach realisiert werden.
Vorteilhafterweise erfolgt die Bewegung der Komponenten mittels eines Antriebes, der direkt oder indirekt mit einer der gekoppelten Komponenten und/oder der Kopplung verbunden ist. Dadurch kann eine elektronische Höhenverstellung des Head-up Displays erfolgen. Dies hat insbesondere den Vorteil, dass die Höhenverstellung automatisch im Rahmen eines sogenannten Eye-Trackings, also einer automatischen Nachführung anhand der Bewegungen der Augen erfolgen kann.
Hierzu wird die Bewegung des Auges erfasst, elektronisch umgesetzt und über den Antrieb in eine Nachführbewegung der optischen Komponenten des Combi- ners und der beweglich angeordneten optischen Einheit der Projektionseinheit umgesetzt. Dies ist vor allem deshalb durch die Erfindung vorteilhaft realisierbar, weil hier erfindungsgemäß nur wenige, leichte optische Komponenten um kleine Wege bewegt werden müssen um eine Höhenverstellung des Head-up Displays zu bewirken, nicht aber das gesamte Head-up Display samt Elektronik. Diese Realisierung einer dynamischen Nachführung eröffnet die Möglichkeit, die Eyebox kleiner zu gestalten und ermöglicht damit die Optik Komponenten kleiner und da- mit leichter und preiswerter zu dimensionieren.
Alternativ kann für eine kostengünstigere Version eines Head-up Displays auch eine manuelle Verstellung realisiert werden, welche z.B. mittels eines Einstellhebels ohne Antriebseinheit arbeitet.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist zwischen der Projektionseinheit und dem Combiner als beweglich angeordnete Komponente ein Planspiegel angeordnet, der das projizierte Bild auf den Combiner wirft. Sowohl Planspiegel als auch Combiner sind beweglich und vorzugsweise gekoppelt gelagert, so dass über eine gekoppelte Bewegung nur dieser beiden Komponenten eine Höhenanpassung der Eye-Box an den Fahrer bzw. die Sitzeinstellung ermöglicht wird, ohne die Qualität des Bildes zu beeinträchtigen. Die Komponenten der Projektionseinheit, welche aufwändiger zu justieren und Fehler anfälliger sind, bleiben bei diesem vorteilhaften Aufbau unbeweglich angeordnet. Die Abdeckung des Head-up Displays kann dabei in ihrer globalen Position verbleiben. Deren Durchstrahlung mit verändertem Einfallswinkel bei der Bewegung von Combiner und Planspiegel ergibt abhängig von deren Dicke nur eine sehr geringfügige Qualitätseinbuße. Beim Einbau in unterschiedlichen Fahrzeugen, kann diese aber entsprechend dem nominellen Einfallswinkel verbaut werden, so dass keinerlei Verluste hinge-
nommen werden müssen. Somit kann eine besonders große Flexibilität bezüglich des Einbaus in unterschiedlichen Fahrzeugen erreicht werden.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist eine speziell auf die Farb- Spektren angepasste sogenannte Tripple-Notch-Beschichtung, also eine Be- schichtung, die das auf den Combiner projizierte Licht der Projektionseinheit nur in drei schmalen Wellenlängenbereichen reflektiert, auf der reflektiven Konkavseite des Combiners aufgebracht. Hierdurch lässt sich ein mehrfarbiges Head-up Display realisieren, welches maximal viel Licht der Umgebung durch den Combiner hindurch treten lässt und dennoch ein farbiges Anzeigebild bietet.
Der Combiner ist vorzugsweise als Freiformfläche konzipiert. Auch dies unterstützt den kompakten Aufbau der optischen Projektionseinheit bei großer Eye-Box.
Ferner ist anzumerken, dass das Prinzip der Höhenverstellung über eine gekoppelte Bewegung von beweglich gelagertem Planspiegel und Combiner auch bei anderen Ausführungsformen eines Head-up Displays wirkungsvoll einsetzbar sind. Anstelle des Planspiegels wäre es grundsätzlich auch denkbar ein anderes optisches Element wie bspw. eine weitere Linse oder einen Manginspiegel zur Hö- henverstellung der Eye-Box einzusetzen.
Generell ist anzumerken, dass diese Form der Höhenverstellung bei allen Fahrzeugen, Wasserfahrzeugen und auch Flugzeugen besonders vorteilhaft einsetzbar ist.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen im Zusammenhang mit der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels, das anhand der Zeichnungen eingehend erläutert wird. Sich entsprechende Bauteile in den Figuren sind mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.
Es zeigen:
Fig. 1 Schematisch ein erfindungsgemäßes Head-up Display in einer ersten Ausführungsform, Fig. 2 die Kopplung von Planspiegel und Combiner mittels Koppelgetriebe und
Fig. 3a, b die Kopplung von Planspiegel und Combiner mittels Zahnradgetriebe.
Die Figur 1 zeigt in einer schematischen Darstellung den Aufbau eines erfindungsgemäßen Head-up Displays, welches in ein Kraftfahrzeug eingebaut ist. Das Head-up Display weist eine Projektionseinheit 1 und eine Combinereinheit 2 auf. Im Strahlengang zwischen diesen beiden Komponenten befindet sich ein Planspiegel 3, welcher über ein Koppelgetriebe 4 und eine Verlängerung 5 mit dem Combiner 2 in Verbindung steht und eine Abdeckung 6, die die optische Einheit des Head-up Displays im Cockpit des Kraftfahrzeuges einschließt. Projektionseinheit 1 , Planspiegel 3 und Koppelgetriebe 4 befinden sich unterhalb der Abdeckung 6, die Combinereinheit 2 befindet sich oberhalb der Abdeckung vor der Windschutzscheibe 7.
Die Projektionseinheit 1 des erfindungsgemäßen Head-up Displays weist eine Bilderzeugungseinrichtung 8 auf, welche als mittels Leuchtdioden oder anderen Lichtquellen beleuchteter Lichtmodulator wie bspw. LCD oder DMD oder auch als selbst leuchtendes Display ausgebildet ist. Ferner weist die Projektionseinheit 1 eine Kombination aus einer ersten Linse 9, einer zweiten Linse 10 und einem zwischen diesen beiden Linsen 9, 10 angeordneten Manginspiegel 11 auf.
Das vom Head-up Display anzuzeigende Bild wird mittels eines durch dreifarbige LED's beleuchtete LCD 8 erzeugt. Dieses anzuzeigende Bild wird über die opti-
sehen Elemente 9, 10 und 11 der Projektionseinheit 1 in ein Zwischenbild 12 abgebildet.
Beim Durchlaufen der Kunststofflinsen 9 und 10 wird das Bild stark vergrößert, so dass ein großer Einblickbereich und ein großes Gesichtsfeld realisiert werden kann, gleichzeitig wird über diese Linsen 9 und 10 eine Abbildung in ein Zwischenbild 12 vorgenommen. Die bei der Abbildung in ein Zwischenbild 12 hervorgerufene Bildfeldwölbung kann dabei direkt durch die Linsen 9 und 10 wieder kompensiert werden, da diese als Positivlinsen ausgebildet sind. Bei dieser Abbil- düng kommt es jedoch insbesondere bei der Verwendung von Kunststofflinsen und der Abbildung mit großem Gesichtsfeld zu starken Farbfehlern. Deshalb wird erfindungsgemäß zwischen den Positivlinsen 9 und 10 ein Manginspiegel 11 angeordnet, über den sowohl eine Faltung des Strahlenganges als auch eine Korrektur der durch die Linsen 9 und 10 hervorgerufenen Farbfehler vorgenommen wird. Um eine optimale Farbfehlerkorrektur gewährleisten zu können sind die Linsen 9 und 10 und die als Bestandteil des Manginspiegels 11 vorgesehene Negativlinse aus sehr ähnlichem, vorzugsweise demselben Material gefertigt. Um die Korrektur der Farblängs- und Farbquerfehler zu gewährleisten, wurde der Manginspiegel 11 so positioniert, dass er in der Aperturblende liegt. Hierdurch können weitere EIe- mente, z. B. mit anderen Dispersionen oder diffraktive optische Elemente zur Farbkorrektur vermieden werden. Die Farbkorrektur wird durch die Kombination von Positivlinse 9 für die telezenthsche Abbildung des auf dem Display 8 erzeugten Bildes, dem Manginspiegel 11 mit seiner Negativlinse und einer weiteren im Strahlengang nach dem Manginspiegel angeordneten Positivlinse 10 allein ge- währleistet. Dies geschieht im Wesentlichen durch die Auswahl ähnlicher bzw. identischer Materialien für die Linsen und die gewählte Position des Manginspiegels 11. Erst hierdurch wird es möglich, ein mehrfarbiges System mit einem großen Gesichtsfeld und einer so großen Eye-Box zu erzeugen.
Das Zwischenbild 12 wird über einen Planspiegel 3 und einem Combiner 2 in ein virtuelles Bild projiziert, an dem es vom Fahrer des Kraftfahrzeuges betrachtet werden kann. Der Combiner 2 ist relativ stark gekrümmt, er hat eine hohe Brechkraft. Hierdurch ist es möglich auch die vom Rand der Eye-Box zum Rand des virtuellen Bildes verlaufenden Strahlen zu erfassen ohne dafür extrem große Optikelemente in der Projektionseinheit 1 verwenden zu müssen. Der Combiner 2 ist als Freiformfläche ausgebildet und mehrfach beschichtet. Doppelbild- Unterdrückung, Reflektivität und Transmission werden durch diese Beschichtung gewährleistet. Insbesondere ist hier das so genannte Tripple-Notch-Coating zu erwähnen, eine Beschichtung, welche für drei bestimmte Wellenlängenbereiche eine erhöhte Reflektivität bei konstanter mittlerer Transmission erlaubt. Diese speziell an die Farbspektren angepasste Beschichtung ist auf der reflektiven Konkavseite des Combiners 2 angebracht.
Sowohl Planspiegel 3 als auch Combiner 2 sind beweglich gelagert und über ein Koppelgetriebe 4 und eine Verlängerung 5 dessen miteinander verbunden. Über eine Bewegung des Koppelgetriebes 4 mittels einer nicht dargestellten Antriebseinheit wird das Bild bzw. die Eye-Box des Betrachters höhenverstellt und kann somit auf die Sitzeinstellung oder die Größe des Betrachters angepasst werden. Damit der Combiner 2 bei der Bewegung um den kleinen Winkelbereich nicht aus dem Strahlengang heraus schwenkt, muss der Planspiegel 3 mit halber Winkelgeschwindigkeit nachgedreht werden. Dabei sollen sich der Combiner 2 und der Planspiegel 3 um die selbe Achse drehen, die vorzugsweise auf der Oberfläche des Planspiegels 3 liegen soll. Dies wird durch das in Figur 2 dargestellte Koppel- getriebe 4 ermöglicht. Ein mehrgliedriges Koppelgetriebe 4 ist mit dem Planspiegel 3 verbunden und bewegt über eine Verlängerung 5 auch den in dieser Abbildung nicht mehr zu sehenden Combiner 2. Hierzu ist ein Getriebeglied 41 fest mit dem Planspiegel 3 verbunden, ein weiteres Getriebeglied 42 mit der Verlängerung 5. Der Gelenkpunkt 42 ist ebenso fix wie der Gelenkpunkt 44. Alle anderen Gelenkpunkte sind beweglich und können ihre Position verändern. Das Gelenk-
glied 45, welches die Bewegung des Planspiegels 3 motiviert ist nur halb so lang wie das Gelenkglied 46, welches die Bewegung des Combiners 2 veranlasst. Hierdurch wird gewährleistet, dass der Combiner 2 immer um den doppelten Winkelbereich des Planspiegels 3 gedreht wird, so dass sich die Strahleinfallswinkel nicht ändern. Die Glasabdeckung 6 wird bei der Höhenverstellung nicht mit bewegt. Sie kann an ihrer Position bleiben.
Eine weitere Ausführungsform für die Übersetzung der Bewegung bei der Kopplung von Combiner 2 und Planspiegel 3 ist in den Fig. 3a und in einer leicht ver- größerten Darstellung in 3b dargestellt. Die Drehbewegung des Planspiegels 3, wird über ein Planspiegelzahnrad 131 bewirkt, welches mit dem Planspiegel 3 verbunden ist. Dieses Planspiegelzahnrad 131 ist starr mit einem Combinerzahn- rad 132 verbunden, welches die Verlängerung 5 zur Kopplung des Combiners 2 an den Planspiegel 3 mit bewegt. Dadurch erfährt der beweglich angeordnete Combiner 2 eine Schwenkbewegung. Die Zahnräder 131 und 132 werden von Antriebszahnrädern 133 und 134 angetrieben, die in die entsprechenden Zähne eingreifen und welche selbst von einem nicht dargestellten axial angreifenden Antrieb gedreht werden. Die Anzahl der Zähne der Zahnränder 131 und 132 bestimmt das Übersetzungsverhältnis.
Bezugszeichenliste:
1 Projektionseinheit
2 Combinereinheit
3 Planspiegel
4 Koppelgetriebe
5 Verlängerung
6 Abdeckung
7 Windschutzscheibe
8 Bilderzeugungseinrichtung
9 erste Linse
10 zweite Linse
11 Manginspiegel
12 Zwischenbild
13 Zahnradgetriebe
41 Gelenkglied
42 Gelenkglied
43 Fixpunkt
44 Fixpunkt
45 Kurzes Gelenkglied
46 Langes Gelenkglied
131 Planspiegelzahnrad
132 Combinerzahnrad
133 Antriebszahnrad
134 Antriebszahnrad