Head-up Display insbesondere für Kraftfahrzeug

Die Erfindung betrifft ein Head-up Display insbesondere für ein Kraftfahrzeug nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Mittels Head-up Displays werden dem Fahrer eines Kraftfahrzeuges relevante Informationen während der Fahrt angezeigt. Diese werden im Bereich der Windschutzscheibe in das Sichtfeld des Fahrers eingeblendet. Um die Sicht des Fah- rers dabei möglichst wenig zu behindern, wird das eingeblendete Bild als virtuelles Bild vor der Windschutzscheibe dargestellt, so dass der Fahrer möglichst gleichzeitig die Umgebung und die eingeblendeten Daten beobachten kann, ohne das Auge unterschiedlich akkommodieren zu müssen.

Die Anforderungen, ein solches Head-up Display im Bereich von Land- und Wasserfahrzeugen, insbesondere für Kraftfahrzeuge, verwenden zu können, stellen für die Entwicklung eine große Herausforderung dar. Verglichen mit aeronautischen HUD's können aus preislichen Gründen z.B. keine großen Glaslinsen verwendet werden. Weiterhin ist auch sicherheitstechnischen Gründen eine große Distanz zwischen Fahrer und Combiner erforderlich. Bei gegebener Eyebox- und Bildfeldgröße ist damit automatisch eine bestimmte Combinergröße erforderlich. Dient die Windschutzscheibe als Combiner, so kollidieren die Wunschvorstellungen sehr schnell mit den räumlichen Gegebenheiten. Unterschiedliche Fahrergrößen bzw. Sitzeinstellungen sind über die Eyeboxgröße abzudecken. Letztlich ist also eine große Etendue (Bildfeld, Eyebox) mit preisgünstigen und serientauglichen Mitteln platzsparend und unter engen geometrischen Randbedingungen zu realisieren. Des Weiteren soll die Bildinformation mehrfarbig angezeigt werden können. Das System muß also über den gesamten sichtbaren Spektral bereich chromatisch korrigiert sein.

Ein Head-up Display, das diese Anforderungen im Wesentlichen erfüllt, ist aus der DE 101 57 605 C1 bekannt. Hier wird das Bild, das auf einem Display angezeigt wird, über einen zweistufigen optischen Aufbau, also über eine Zwischenabbildung und einen separaten Combiner projiziert, welcher sich im Sichtfeld des Betrachters vor der Windschutzscheibe befindet. Der Abbildungsstrahlengang wird durch Mehrfachreflexionen an diversen Spiegeln gefaltet, um eine kompakte Ausgestaltung des Head-up Displays zu ermöglichen. Weiter gesteigerte Anforderungen bezüglich des Gesichtsfeldes und spezifische Bauraumbedingungen machen aber auch alternative Lösungsansätze erforderlich, wie sie im Folgenden beschrieben werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein voll farbtaugliches Head-up Display mit großem Gesichtsfeld und starker Vergrößerung bei gleichzeitig geringem Platzbedarf bereit zu stellen.

Gelöst wird die Aufgabe gemäß der Erfindung durch ein Head-up Display mit den Merkmalen von Anspruch 1.

Erfindungsgemäß wird die Faltung des Strahlengangs mittels eines Manginspie- gels und im Strahlengang vor und nach dem Manginspiegel angeordneten Linsen vorgenommen. Die Linsen sind jeweils als nächstes Element im Strahlengang, vom Manginspiegel aus gesehen, angeordnet. Der Manginspiegel befindet sich vorzugsweise in der Aperturblende. Durch die Anordnung von optischen Elementen mit jeweils zwei brechenden Flächen und einem reflektiven Element dazwi- sehen lässt sich ein kompakter Aufbau der Projektionseinheit des Head-up Displays erreichen, welcher außerdem viele Möglichkeiten bietet, Farbfehler, Verzerrungen und Verzeichnungen bei der Projektion zu vermeiden bzw. zu korrigieren, insbesondere, wenn das reflektive Element, wie hier der Manginspiegel mit einem weiteren refraktiven Element versehen ist. Hierdurch kann ein voll farbtaugliches, katadioptrisches System mit reellem Zwischenbild realisiert werden, mit dem den

gestiegenen Qualitätsanforderungen, insbesondere der Automobilindustrie, Rechnung getragen werden kann. Die erreichte starke Vergrößerung bei gleichzeitiger Telezentrie kommt vielen Bildgebern bezüglich Kompaktheit, Homogenität und Effizienz entgegen.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung werden die Linsen vor und nach dem Manginspiegel sowie das refraktive Element des Manginspiegels selbst aus Kunststoff gefertigt. Damit lässt sich ein preisgünstiger Aufbau realisieren. Allerdings sind Kunststoffe bezüglich ihrer optischen Materialeigenschaften bei weitem nicht so präzise wie Glas. Hier kommt jedoch das Potential des erfindungsgemäßen Aufbaus vollständig zur Geltung. Dadurch, dass vorzugsweise Materialien für diese Linsen und das refraktive Element des Manginspiegels verwendet werden, welche ähnliche bzw. gleiche thermooptische Eigenschaften (Brechzahl sowie deren Abhängigkeit von der Temperatur) aufweisen, können die Linsen im Zusammenspiel mit dem Manginspiegel Farbfehler und Temperaturgang zum Teil gegenseitig kompensieren. So wird beispielsweise der Farbquer- fehler durch die Anordnung der Linsen beidseitig des Manginspiegels korrigiert. Die Korrektur des Farblängsfehlers wird im Wesentlichen durch die Kombination des Manginrückflächenspiegels mit Linsen positiver Brechkraft erreicht. Die Kom- bination von ähnlichen Linsenmaterialien, der Anordnung einer Linse vor und nach dem Manginspiegel mit jeweils positiver Brechkraft bietet somit den Effekt einer intrinsischen Korrektur des Systems. Sogar sekundäre Spektren (Farbfehler) werden durch dieses Konstruktionsprinzip mit einfachsten Mitteln reduziert.

Bevorzugt ist der Manginspiegel zur Korrektur des Farblängsfehlers der weiteren Linsenelemente in einer Pupillenposition angeordnet.

Des Weiteren wird die Korrektur dadurch begünstigt, dass in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform die Dispersionen der Linsen vor und nach dem Mangins- piegel und des refraktiven Elements des Manginspiegels selbst um weniger als

20 % voneinander abweichen. Normalerweise ist es üblich, Farbfehlerkorrekturen unter Zuhilfenahme von Materialien stark unterschiedlicher Dispersion zu erreichen. Dies wäre für Kunststoffe jedoch problematisch, da optisch hochwertige Materialien mit hoher Dispersion kaum zur Verfügung stehen. Aus diesem Grund ist es besonders vorteilhaft, Materialien ähnlicher Dispersion zu verwenden und die Farbfehlerkorrektur durch den Aufbau selbst zu realisieren. Ferner werden bei diesem Konstruktionsprinzip negative Einflüsse durch Temperatur oder herstellungsspezifische Toleranzen bzw. Veränderungen der optischen Materialeigenschaften (Brechzahl, Dispersion) teilweise kompensiert.

Vorteilhafterweise werden die Linsen in Strahlrichtung vor und nach dem Man- ginspiegel und das refraktive Element des Manginspiegels aus demselben bzw. ähnlichem Material gefertigt. Hierdurch lässt sich auf einfachste Art und Weise eine gute Farbfehler-Korrektur und Unempfindlichkeit gegenüber optischen Mate- hal-Toleranzen erreichen.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der Manginspiegel selbst als Negativlinse mit einer verspiegelten Konvexseite ausgeführt. Hat die Linse vor dem Manginspiegel und die Linse nach dem Manginspiegel positive Brechkraft, so kann dieses System in der Abstimmung aufeinander Farbfehler besonders vorteilhaft vermeiden, indem Farbfehler, die durch eine Komponente erzeugt werden, sofort durch die andere wieder gegenläufig kompensiert werden.

In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausführungsform ist der Strahlengang in der Projektionseinheit so aufgebaut, dass die Strahlen, welche zum Manginspiegel hinführen, und die, welche vom Manginspiegel wegführen so nahe beieinander liegen, dass eine einzige Linse als Linse vor und nach dem Manginspiegel genutzt werden kann. Hierdurch lässt sich zum einen eine deutliche Einsparung erzielen, zum anderen kann der Aufbau der Projektionseinheit dadurch besonders kompakt gestaltet werden. Alternativ können zusammen mit den einfach durchstrahlten Lin-

sen Vergrößerung und Apertur nochmals gesteigert werden (Bauraum, Bildgeber).

Obwohl es beliebt ist, die Windschutzscheibe als Combiner zu benutzen um nicht eine weitere optische Fläche im Gesichtsfeld des Fahrers zu haben, wird hier in einer besonders vorteilhaften Ausführungsform mit einem separaten Combiner gearbeitet, welcher eine teilreflektierende Konkavseite aufweist mit deren Hilfe das Bild mit dem Hintergrund überlagert wird. Ein separater Combiner bietet die Möglichkeit, mit einer im Vergleich zu einer Windschutzscheibe stärkeren Krümmung bzw. Brechkraft versehen und bezüglich der Bildqualität optimal gestaltet werden zu können. Erst dadurch wird es möglich einen großen Bildfeldwinkel mit kleinen Optikelementen zu realisieren. Durch die größere Brechkraft des Combiner können auch gleichzeitig Probleme mit dem Sonnenfokus gemindert werden, welche bei Verwendung der Windschutzscheibe als Combiner aufgrund der großen Ein- trittsöffnung 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.

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.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind zusätzlich zum Combiner, welcher vorzugsweise als Freiformfläche realisiert ist, unter den optischen Einheiten der Projektionseinheit weitere Freiformflächen vorgesehen. Hierdurch lässt sich eine weitere Platzersparnis in der Projektionseinheit und damit ein weiterer kompakterer Aufbau erreichen.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist zwischen der Projektionseinheit und dem Combiner noch ein Planspiegel angeordnet, der das projizierte Bild auf den Combiner wirft. Hierdurch eröffnet sich die Möglichkeit, das projizierte Bild zu bewegen. Zu diesem Zweck sind sowohl Planspiegel als auch Combiner beweglich gelagert, so dass über eine gekoppelte Bewegung nur dieser Komponenten eine Höhenanpassung der Eye-Box an den Fahrer bzw. die Sitzeinstellung ermöglicht wird, ohne die Qualität des Bildes zu beeinträchtigen. Die Bewegung wird bevorzugt mittels eines Koppelgetriebes vorgenommen. Dieses bietet eine besonders einfache, kostengünstige und zuverlässige Möglichkeit, die für die Höhenverstellung der Eye-Box notwenige kleine Bewegung am Planspiegel in den entsprechende Weg umzusetzen, um den der Combiner bewegt werden muss, so dass beide mittels eines elektrischen oder manuellen Antriebs gleichzeitig positioniert werden können. 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 hingenommen werden müssen. Somit kann eine besonders große Flexibilität bezüglich des Einbaus in unterschiedlichen Fahrzeugen erreicht werden.

Obwohl in der Beschreibung immer von einem Manginspiegel gesprochen wird, ist die Erfindung nicht darauf beschränkt. Die Erfindung kann ebenso gut realisiert

werden, wenn der Manginspiegel durch eine Kombination aus einem Konkavspiegel mit einer davor angeordneten Negativlinse ersetzt wird.

Ferner ist anzumerken, dass das Prinzip der Höhenverstellung über eine gekop- pelte 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 Höhenverstellung der Eye-Box einzusetzen. Sehr umständlich und aufwändig, aber grundsätzlich möglich wäre auch, die gesamte Einheit aus Projektionsoptik, Planspiegel und Combiner zu bewegen.

Insbesondere ist es für die Erfindung nicht ausschlaggebend, dass der Combiner des Head-up Displays sich 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.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unterans- prüchen im Zusammenhang mit der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels, das anhand der Zeichnungen eingehend erläutert wird.

Es zeigen:

Fig. 1 Schematisch ein erfindungsgemäßes Head-up Display in einer ersten

Ausführungsform,

Fig. 2 einen Ausschnitt aus der Figur 1 und Fig. 3 schematisch ein erfindungsgemäßes Head-up Display in einer zweiten

Ausführungsform.

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 Plan- spiegel 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 optischen 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 telezentrische 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 Opti- kelemente 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 spe-

ziell 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 herausschwenkt, 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 Koppelgetriebe 4 ermöglicht. Ein mehrgliedriges Koppelgetriebe 4 ist mit dem Planspie- gel 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 mitbe- wegt. Sie kann an ihrer Position bleiben.

Die Figur 3 zeigt eine Variante des erfindungsgemäßen Head-up-Displays, welche eine weitere Optimierung hinsichtlich der möglichst kleinen Realisierung der Projektionseinheit 1 bei gleichzeitig großem Gesichtsfeld darstellt. Zusätzlich zu den oder anstelle der Positivlinsen 9 und 10 ist in diesem Ausführungsbeispiel eine

Positivlinse 13 so im Strahlengang zwischen Display 8, Manginspiegel 11 und der Position des Zwischenbildes 12 bzw. dem Planspiegel 3 angeordnet, dass sowohl der Strahlengang vom Display 8 zum Manginspiegel 11 als auch der vom Manginspiegel 11 zum Zwischenbild 12 bzw. Planspiegel 4 die Positivlinse 13 durch- läuft. Die Linse 13 wird also vom Projektions-Strahlengang zweimal durchlaufen, wobei die Strahlen zwischen den Durchtritten durch die Linse 13 am Manginspiegel 11 reflektiert werden. Dabei übernimmt nur eine einzige Positivlinse 13 die Funktionalität der beiden Linsen 9 und 10, das heißt das auf dem Display 8 erzeugte Bild wird durch sie in ein Zwischenbild 12 abgebildet und dabei vergrößert. Im Zusammenspiel von Linse 13 und Manginspiegel 11 , dessen Negativlinse vorzugsweise aus demselben Material besteht wie die Linse 13, werden Farbfehler und sonstige Abbildungsfehler korrigiert. Zusätzlich zu dieser Linse 13 können jedoch auch weitere Linsen 9 und 10 vorgesehen sein, welche weitere Freiheitsgrade bieten, wodurch eine Vergrößerung des Gesichtsfeldes vereinfacht wird. Eine dieser Linsen 9 und 10 kann auch als Freiformfläche ausgestaltet sein, was erneut eine Optimierung der Kompaktheit des Aufbaus der Projektionseinheit 1 ermöglicht.

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 Linse

41 Gelenkglied

42 Gelenkglied

43 Fixpunkt

44 Fixpunkt

45 Kurzes Gelenkglied

46 Langes Gelenkglied