DE19540108C2 - 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 Flugbetrieb, 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.
HUD-Systeme mit einem Laser, einem Laser-Array oder Dioden-Array als Lichtquelle sowie
Deflektoren zur Strahlablenkung, einer Streuscheibe und einer Reflexionsschicht sind
beispielsweise aus der US 5,162,928, EP 0 210 088 B1 sowie der DE 690 09 158 T2
bekannt. Die dort beschriebenen HUDs waren aber nicht praxisgerecht, weil es ihnen vor
allem an zu geringer Lichtintensität des beobachtbaren Bildes mangelt.
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 darzustellenden 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 Dk < 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 im Kopfbereich des Betrachters als
Lichtbündel größer als der Kopfbereich und kleiner als 50 cm 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 ist eine Bildfläche des ersten Bildes in
Segmente unterteilt, die zur Emission des Lichtbündels geringer Aufweitung oder zur
Reflexion oder Transmission des Lichts von der mindestens einen Lichtquelle vorgesehen
sind und die zur Formierung des ersten Bildes bezüglich Emission, Transmission oder
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
x und z bezeichnet.
Die um die Winkel x und z 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 im Kopfbereich
des Betrachters als Lichtbündel mit geringer Aufweitung größer als die Kopfbreite und kleiner
als 50 cm erzeugbar ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Bildfläche des
ersten Bildes in Segmente unterteilt ist, die 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 und die zur Formierung des ersten Bildes (6;
15; 18; 20) bezüglich Emission, Transmission oder 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 21, 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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Date | Code | Title | Description |
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OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
D2 | Grant after examination | ||
8364 | No opposition during term of opposition | ||
8327 | Change in the person/name/address of the patent owner |
Owner name: SCHNEIDER LASER TECHNOLOGIES AKTIENGESELLSCHAFT, 0 |
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Owner name: JENOPTIK LDT GMBH, 07548 GERA, DE |
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R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |
Effective date: 20110502 |