Fahrzeuganzeigesystem bzw. Projektionsdisplay für ein Kraftfahrzeug und

Verfahren zur Kalibrierung

Die Erfindung betrifft ein Fahrzeuganzeigesystem bzw. ein Projektionsdisplay für ein Kraftfahrzeug, welches als sogenanntes Head-up-Display ausgebildet ist. Seine Aufgabe ist die überlagernde Darstellung von Informationen in der durch die Frontscheibe wahrgenommenen Außen-Szenerie durch Einspiegeln in das Blickfeld des Fahrers mithilfe eines teildurchlässigen optischen Elementes. Dabei kann dieses Element separat ausgeführt sein oder seine Funktion wird in die Frontscheibe integriert. Neben der Ausnutzung der stets vorhandenen "natürlichen" Teilreflektion an einer Glasfläche kommt dafür etwa die partielle Ausrüstung der Scheibe mit einer, auf eine Polarisationsebene abgestimmten, reflektierenden Beschichtung in Frage.

Hierbei entsteht jedoch das Problem von durch fertigungs- oder montagebedingten Toleranzen hervorgerufenen Bildverzerrungen, welche im Gegensatz zur vorbestimmten Form (Krümmung) der Frontscheibe nicht bereits beim Entwurf des Displays berücksichtigt werden können. Mit steigendem Detailreichtum der Informationsdarstellung wächst also der Bedarf, diese störenden Bildverzerrungen zu beseitigen. Ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung zur verzerrungsfreien Darstellung von aus computergenerierten Bildpunkten zusammengesetzten und an einer nichtebenen Reflexionsfläche, insbesondere einer Windschutzscheibe eines Fahrzeugs, reflektierten Bildelementen ist bereits aus der Druckschrift DE 100 46 019 A1 bekannt. Nachteilig hieran ist, dass in ungünstiger Weise eine Kameraeinrichtung im Bereich des Betrachters bzw. Benutzers einer solchen Anzeigevorrichtung angeordnet sein muss.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt daher darin, ein verbessertes Fahrzeuganzeigesystem mit Kalibriermöglichkeit zu schaffen, wobei weitestgehend Einschränkungen bzw. Komfortbeeinträchtigungen im Bereich eines Benutzers bzw. Betrachters vermieden werden.

Die vorliegende Erfindung beschreibt ein Fahrzeuganzeigesystem bzw. eine Vorrichtung sowie ein Verfahren, mit dessen Hilfe die Verzerrungen selbstkalibrierend vermindert oder ganz beseitigt werden können und wobei

insbesondere eine Kameraeinrichtung an einer anderen Stelle als im Bereich eines Benutzers bzw. eines Betrachters angeordnet sein kann. Die Aufgabe wird insbesondere durch ein Fahrzeuganzeigesystem mit einer Anzeigeeinrichtung und mit einem optischen System zur Erzeugung eines für einen Benutzer virtuellen Bildes gelöst, wobei das Fahrzeuganzeigesystem ein Detektionsmittel zur Detektion einer Verzerrungscharakteristik des optischen Systems aufweist, wobei von dem Detektionsmittel aufgenommenes Kalibrierlicht gegenüber dem Ausbreitungsverlauf des von der Anzeigeeinrichtung in Richtung zum Benutzer hin sich ausbreitenden Lichts zumindest teilweise in entgegengesetzter Richtung verlaufend vorgesehen ist. Hierdurch wird in vorteilhafter weise gewährleistet, dass das Detektionsmittel nicht in unmittelbarer Nähe zum Betrachter des Anzeigesystems bzw. insbesondere in unmittelbarer Nähe zum Kopf des Betrachters angeordnet sein muss. Erfindungsgemäß werden Verzerrungen, die der Verzerrungscharakteristik des optischen Systems des Fahrzeuganzeigesystems entsprechen, durch die Detektionsmittel erfasst, so dass anschließend selbstkalibrierend eine Verminderung dieser Verzerrungen bzw. deren Beseitigung möglich ist. Zu diesem Zweck wird beispielsweise ein Testsignalmuster mit vorgegebener Sollgeometrie auf einer - insbesondere ausschließlich während des Kalibriervorgangs - in den zwischen Frontscheibe und Fahrer verlaufenden Strahlengang eingebrachten Zielfläche zur Darstellung gebracht. Das Detektionsmittel, insbesondere eine Kamera, nimmt diese Darstellung auf und leitet sie an eine Kontrolleinheit weiter, in der anhand der Abweichungen der aufgenommenen Istgeometrie von der Sollgeometrie des Testsignalmusters Korrekturparameter ermittelt werden, die auf das bilderzeugende Element oder auf andere optische Elemente des Projektionssystems bzw. des optischen Systems einwirken können.

Bevorzugt ist es erfindungsgemäß insbesondere, wenn das Detektionsmittel im Bereich der Anzeigeeinrichtung angeordnet vorgesehen ist bzw. wenn das Kalibrierlicht im wesentlichen entgegengesetzt des gesamten Ausbreitungsverlaufs des von der Anzeigeeinrichtung in Richtung zum Benutzer hin sich ausbreitenden Lichts verlaufend vorgesehen ist. Hierdurch nimmt das Detektionsmittel bzw. die Kamera in vorteilhafter Weise das Abbild des Testsignalmusters nahe am bilderzeugenden Element, d.h. an der Anzeigeeinrichtung auf, damit dieses Testsignalmuster vor der Aufnahme möglichst viele, idealerweise alle, optischen

Elemente des Projektionssystems passiert hat und somit sämtliche möglichen Bildverzerrungsursachen mit einbezogen sind. In anderen Worten geht es darum, sämtliche Einflussorte längs des optischen Weges zwischen bilderzeugendem Element und Fahrerwahrnehmung (vom Kalibierlicht) zu durchlaufen, was erfindungsgemäß entgegen der im regulären Projektionsbetrieb vorhandenen Durchlaufrichtung erfolgt, d.h. der Ausbreitungsrichtung des von der Anzeigeeinrichtung zum Betrachter hin sich ausbreitenden Lichts entgegengesetzt ist.

Erfindungsgemäß ist ferner bevorzugt, dass eine Umlenkeinrichtung und/oder eine Strahlteilungseinrichtung zur Umlenkung bzw. zur Strahlteilung des Kalibrierlichts vorgesehen ist, wobei die Umlenkeinrichtung bzw. die Strahlteilungsvorrichtung insbesondere als beweglicher Spiegel/Klappspiegel und/oder als dichroitischer Strahlteiler vorgesehen ist. Hierdurch kann in besonders einfacher und platzsparender Weise eine kompakte Anordnung und eine besonders gut Kalibrierung durch ein in besonderer räumlicher Nähe zur Anzeigeeinrichtung befindliches Detektionsmittel erzielt werden. Die Umlenkung bzw. Strahlteilung des Kalibrierlichts kann erfindungsgemäß derart vorgesehen sein, dass ein Strahlteiler, insbesondere ein dichroitischer Strahlteiler, vorgesehen ist und das Kalibrierlicht in einem vom sichtbaren Spektralbereich verschiedenen Spektralbereich aufweist. Die Spektralzuordnung des Testsignalmusters, d.h. des Kalibrierlichts, erfolgt dann zu einem Bereich schwerpunktmäßig außerhalb des sichtbaren Lichtes. Dies ermöglichst es, eine für den Messvorgang notwendige Einkopplung der Kamera in den Strahlengang bzw. Auskopplung des Kalibrierlichts aus dem Strahlengang des Projektionssystems vorzunehmen, die nur für genau diesen Spektralbereich wirksam wird. Auf diese Weise kann zum Einkoppeln vorteilhaft ein nicht-mechanisches Element Verwendung finden, zum Beispiel ein dichroitischer Strahlteiler. Dieser stellt für den regulären Betrieb des Projektionssystems im Bereich des sichtbaren Lichtes keine leistungsmindernde Beeinträchtigung dar und vermeidet mögliche Nachteile eines fehlerträchtigen, mechanisch arbeitenden Elementes, wie etwa ein Klappspiegel. Ferner kann auch ein herkömmlicher Strahlteiler Verwendung finden. Weiterhin kann auch ein Klappspiegel für den Fall Verwendung finden, dass lediglich der Strahlengang des Fahrzeuganzeigesystems im Sinne des Kalibrierlichts ausgetestet wird, d.h. entgegengesetzt zum normalen Betrieb; hierzu ist eine Lichtquelle, beispielsweise aus der Blickrichtung eines Betrachters, notwendig.

Erfindungsgemäß ist es ferner bevorzugt, dass das Fahrzeuganzeigesystem ein Kalibrierobjekt aufweist, wobei das Kalibrierobjekt bevorzugt bewegbar in einen Bereich zwischen der Windschutzscheibe des Kraftfahrzeugs und den Benutzer vorgesehen ist, insbesondere klappbar vorgesehen ist, und wobei insbesondere eine Zielfläche des Kalibrierobjekts permanent sichtbar ist oder aber reflektierend ausgebildet ist. Das Kalibrierobjekt wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch als Zielfläche bezeichnet. Dabei kann die Zielfläche als bedarfsweise heranzuziehendes externes Messmittel vorgesehen sein, die beispielsweise bei einem Werkstattaufenthalt in das Fahrzeug eingebracht wird. Ebenso kann die Zielfläche im Kraftfahrzeug und dort bevorzugt im Armaturenbrett baulich integriert sein, um dann in translatorischer oder rotatorischer Bewegung reversibel aus der Nichtgebrauchsposition in die Messposition gebracht zu werden, wodurch eine vollautomatische Kalibrierung unabhängig von äußeren Gegebenheiten, wie Werkstattaufenthalt, ermöglicht wird. In einer weiterhin bevorzugten Ausführungsform ist das auf der Zielfläche zur Darstellung gebrachte Testsignalmuster ein unveränderlicher Bestandteil der Zielfläche, welches permanent sichtbar sein kann (Bedruckung, Gravur) oder in einem speziellen Spektralbereich (IR, UV), ggf. bei gesonderter Beleuchtung, sichtbar wird. Dabei kann das die Beleuchtung bedingende Licht längs des Projektionssystems geführt und die Lichtquelle nahe der Kamera angeordnet sein. Für diesen Fall ist die Zielfläche bevorzugt als Retro- reflektor ausgebildet. In einer weiterhin bevorzugten alternativen Ausführungsform der Erfindung ist die Zielfläche als Spiegelfläche ausgebildet, die das für diesen Fall von dem bilderzeugenden Element erzeugte Testsignalmuster reflektiert. Es ergibt sich eine erhöhte Genauigkeit für den Kalibrierungsvorgang, da in dieser Ausführungsform ein zweifacher Durchlauf des Testsignalmusters durch das Projektionssystem stattfindet, wodurch die Fehler stärker hervortreten. Für den Fall einer vollautomatischen Kalibrierung kann die Antriebseinheit der Aufstellmechanik der bevorzugt durch Rotationsbewegung aufstellbaren Zielfläche regelbar gehalten sein, um die Spiegelfläche in eine für die angestrebte Reflektion optimale Lage zu justieren.

Erfindungsgemäß ist weiterhin bevorzugt, dass das Fahrzeuganzeigesystem insgesamt oder wenigstens ein Teil des Fahrzeuganzeigesystems an unterschiedliche Betrachtungspositionen eines Benutzers anpassbar vorgesehen ist.

Hierdurch ist es möglich, dass die Funktion des Fahrzeuganzeigesystems optimal auf die unterschiedlichen Bedürfnisse unterschiedlicher Benutzter angepasst werden kann. Insbesondere ist die Sichtbarkeit der auf dem Fahrzeuganzeigesystem dargestellten Informationen für unterschiedlich große Benutzer des Systems gleich gut.

Erfindungsgemäß ist weiterhin bevorzugt, dass das Detektionsmittel zur Erkennung der Betrachtungsposition des Benutzers vorgesehen ist. Hierdurch ist es erfindungsgemäß vorteilhaft möglich, diese Betrachtungsposition zu ermitteln und eine Anpassung bzw. Einstellung des Fahrzeuganzeigesystems an unterschiedliche Positionen, etwa eines Kopfes eine Benutzers, vorzunehmen. Ferner ist es hierdurch möglich, dass eine adaptive, dynamische Kalibierung bzw. adaptive, dynamische Kompensation der Verzerrungscharakteristik des optischen Systems in Abhängigkeit der detektierten Position der Augen des Benutzers bzw. in Abhängigkeit der Kopfstellung des Benutzers. Auf diese Weise können aufgrund der Verzerrungscharakteristik des optischen Systems auftretende Darstellungsfehler, die von der Kopfposition abhängen, d.h. die insbesondere von dem Betrachtungswinkel abhängen, besonders effektiv kompensiert werden. Die Bestimmung der Kopfposition oder Augenposition des Benutzers kann erfindungsgemäß entweder passiv erfolgen oder auch aktiv erfolgen. Eine passive Bestimmung der Kopfposition ist beispielsweise möglich, indem das von der Detektionseinrichtung bzw. der Kamera gelieferte Bild auf die relative Position bzw. Lage eines Musters hin durchsucht wird, das nach Geometrie und Kontrast als ein Teil des Gesichts des Benutzers, insbesondere als ein Auge, identifiziert wird. Alternativ oder kumulativ zu einer solchen passiven Bestimmung der Kopfposition ist es erfindungsgemäß auch möglich, dass die Bestimmung der Kopfposition aktiv erfolgt, beispielsweise indem der Betrachter bzw. der Fahrer durch eine IR-Lichtquelle angestrahlt wird, was auf dem von der Kamera aufgenommenen Bild leicht detektierbare, vom Auge verursachte Lichtreflexe bewirkt. Als zusätzlicher Vorteil eines erfindungsgemäß mit Mitteln zur Selbstkalibrierung ausgerüsteten Projektionssystems bzw. eines Fahrzeuganzeigesystems kann weiterhin eine alternative Verwendung der Kamera als Mittel der Beobachtung des Fahrers vorgesehen sein. Insbesondere bei auf infrarotes Licht abgestimmter Messtechnik ist bei nicht in den Strahlengang eingefügter Zielfläche das Auftreten von Ermüdungsanzeichen, beispielsweise

verlangsamtem Lidschlag oder charakteristische Augenbewegungen, durch die Kamera detektierbar. Es können dann ggf. optische Warnhinweise durch das bildgebende Element erzeugt und somit dem Fahrer zur Kenntnis gegeben werden. Dadurch ist es durch die Bestimmung der Kopfposition oder Augenposition des Benutzers erfindungsgemäß vorteilhaft möglich, etwa eine Gefährdung des Benutzers durch Einschlafen während eines übermüdungszustandes zu verringern, weil aufgrund einer detektierten spezifischen Positionsänderung des Kopfes des Benutzers der Schluss gezogen wird, dass dieser einschläft bzw. eingeschlafen ist. Erfindungsgemäß ist es dadurch auch möglich, dass mittels einer Detektion der Augenbewegung, der Augenposition und/oder einer Detektion des Lidschlags die Gefährdung des Benutzers durch Einschlafen reduzierbar ist, etwa dadurch dass eine vorhandene Kopfstütze optimal eingestellt wird.

Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Kalibrierung eines erfindungsgemäßen Fahrzeuganzeigesystems, wobei wenigstens zeitweise das Kalibrierobjekt in einen Bereich zwischen der Windschutzscheibe des Kraftfahrzeugs und den Benutzer gebracht wird. Hierdurch ist eine besonders einfache, genaue und für einen Benutzer des Fahrzeuganzeigesystems wenig einschränkende Kalibrierung des optischen Systems möglich.

Ferner ist ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines erfindungsgemäßen Fahrzeuganzeigesystems, wobei mittels des Detektionsmittels die Augenposition des Benutzers detektiert wird. Hierdurch kann in vorteilhafter Weise ein erhöhter Komfort des Benutzers durch eine bessere Kalibrierung, insbesondere durch eine ständig durchgeführte oder in regelmäßigen Abständen wiederholte Kalibrierung, und ein erhöhtes Sicherheitsniveau des Benutzers durch Zusatzfunktionalitäten wie Schlafzustandserkennung erzielt werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Figur 1 zeigt schematisch eine Darstellung eines erfindungsgemäßen Fahrzeuganzeigesystems.

In Figur 1 ist schematisch eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Projektionssystems 10 bzw- eines Fahrzeuganzeigesystem 10 in Form einer Schnittdarstellung während der für die Kalibrierung erforderlichen Messphase dargestellt. Das Fahrzeuganzeigesystem 10 umfasst eine Anzeigeeinrichtung 30, ein optisches System 40, eine Kontrolleinheit 52 und eine Detektionseinrichtung 50, wobei die Detektionseinrichtung 50 die insbesondere als eine Kamera ausgebildet ist. Erfindungsgemäß ist insbesondere eine Lichtquelle (nicht dargestellt) zur Beleuchtung der Anzeigeeinrichtung 30 vorgesehen. Hierbei kann als Lichtquelle eine Leuchtdiode (Hochleistungsleuchtdiode) oder mehrere Leuchtdioden (Diodenarray bzw. Diodenfeld) vorgesehen sein. Die Lichtquelle 20 kann entweder ein Teil des Fahrzeuganzeigesystems 10 sein oder auch getrennt von diesem vorgesehen sein. Zunächst wird Informationen der Anzeigeeinrichtung 30 tragendes bzw. enthaltendes Licht gemäß einer ersten Richtung 41 abgestrahlt. Das gemäß der ersten Richtung 41 abgestrahlte bzw. sich in der ersten Richtung 41 ausbreitende Licht wird durch das optische System 40 erfindungsgemäß insbesondere mehrfach umgelenkt. Hierbei ist im in der Figur 1 dargestellten Beispiel ein erster Umlenkspiegel 45 vorgesehen, welcher das in der ersten Richtung 41 eintreffende Licht in eine zweite Richtung 42 umlenkt. Das in die zweite Richtung 42 sich ausbreitende Licht wird von einem zweiten Umlenkspiegel 47 wiederum reflektiert und in eine dritte Richtung 43 umgelenkt. Das in die dritte Richtung 43 sich ausbreitende Licht wird von einer Windschutzscheibe 48 wiederum reflektiert und in eine vierte Richtung 44 umgelenkt. Hierbei ist die vierte Richtung 44 auf das Auge des Betrachters 60 hin gerichtet.

Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung werden die Begriffe Detektionseinrichtung 50 und Kamera im wesentlichen synonym verwendet. Hierbei ragt eine Zielfläche 61 bzw. ein Kalibrierobjekt 61 in aufrechter Position in den Strahlengang hinein, damit ein Testsignalmuster - das sich entweder auf dem Kalibrierobjekt 61 (beispielsweise fest aufgedruckt bzw. geprägt) befindet oder aber auf das Kalibrierobjekt 61 projiziert wird - nach Weiterleitung (entgegen jeweils den Ausbreitungsrichtungen 41 , 42, 43, 44 des für einen Benutzer des Fahrzeuganzeigesystems bestimmten Lichts der Anzeigeeinrichtung 30) über mehrere Spiegelflächen bzw. Spiegel von der Kamera 50 als Kalibrierlicht

aufgenommen werden kann. Das Kalibrierobjekt 61 ist erfindungsgemäß insbesondere gemäß des Pfeils 65 umklappbar bzw. anderweitig aus dem Strahlengang entfernbar. Hierzu ist insbesondere eine Umlenkeinrichtung 51 bzw. eine Strahlteilungseinrichtung 51 vorgesehen, die eine Umlenkung bzw. Strahlteilung vornimmt. Besonders bevorzugt ist es erfindungsgemäß, wenn als Umlenkeinrichtung 51 bzw. als Strahlteilungseinrichtung 51 ein dichroitischer Strahlteiler bzw. dichroitischer Spiegel vorgesehen ist. Hierdurch ist es nämlich möglich, dass für das Kalibrierlicht eine vom sichtbaren Licht unterschiedliche Wellenlänge verwendet wird, so dass einerseits die Möglichkeit besteht, während des normalen Anzeigebetriebs zu kalibrieren, und andererseits ein geringere Verluste an der Umlenkeinrichtung 51 entstehen.

Eine Kontrolleinheit 52 nimmt in dem in dieser Figur dargestellten Ausführungsbeispiel ausschließlich Einfluss auf das bilderzeugende Element 30. Alternativ zu einer von der Kontrolleinheit 52 gesteuerten Vorverzerrung der der Anzeigeeinrichtung 30 zur Anzeige übermittelten Bildinformationen bzw. eines solchen Signals kann es erfindungsgemäß auch vorgesehen sein (nicht dargestellt), dass die Kontrolleinheit 52 die Fehlerkorrektur bzw. die Kalibrierung durch eine Beeinflussung einer steuerbar veränderlichen Charakteristik eines Elementes des optischen Systems 40 durchführt. Dies kann beispielsweise durch eine steuerbar veränderliche Beeinflussung der Oberflächenkontur eines solchen Elementes des optischen Systems 40 erfolgen, beispielsweise einer Spiegeloberfläche und/oder einer Linsenoberfläche, wie dies prinzipiell aus der Teleskopherstellung in der Astronomie bekannt ist; diese Alternative muss sich jedoch nicht ausschließlich auf eine Oberflächenbeeinflussung des Elementes im optischen System beziehen, sondern kann auch beispielsweise dessen Transmissionscharakteristik betreffen. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Einflussnahme der Kontrolleinheit 52 auch sowohl auf das bilderzeugende Element 30 bzw. die Anzeigeeinrichtung 30 als auch auf eine steuerbar veränderliche Charakteristik eines Elementes des optischen Systems 40 vorgesehen sein.

Q

Bezugszeichenliste:

10 Fahrzeuganzeigesystem / Projektionsystem

30 Bilderzeugendes Element / Anzeigeeinrichtung

40 optisches System

41 , 42, 43,44 Ausbreitungsrichtungen des Lichts

45 erster Spiegel 7 zweiter Spiegel

50 Detektionseinrichtung / Kamera

51 Umlenkeinrichtung / Strahlteilungseinrichtung 2 Kontrolleinheit 0 Benutzer / Auge des Benutzers 1 Zielfläche / Kalibrierobjekt