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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Darstellung
von Informationen auf einer Projektionsfläche, insbesondere auf der Windschutzscheibe
eines Kraftfahrzeugs, mit einem optischen System, über das
ein von einer Bildquelle erzeugbares Bild an veränderbaren Positionen auf die
Anzeigefläche
projizierbar ist, wobei zur blickrichtungsabhängigen Positionierung des Bildes
eine Einrichtung zur Blickrichtungserkennung eines Benutzers vorgesehen
ist, die einen Bildsensor und ein optisches System zum Abbilden
der Pupille eines Benutzers auf den Bildsensor umfasst.
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Derartige
Vorrichtungen zur Projektion von Informationen sind insbesondere
bei Luftfahrzeugen und bei Kraftfahrzeugen als sogenannte Head-up-Displays
allgemein bekannt. Obwohl sie darüber hinaus bei beliebigen Anwendungsgebieten, beispielsweise
bei Wasserfahrzeugen oder bei verschiedenen Steuerständen zum
Einsatz kommen kann, wird die vorliegende Erfindung sowie die ihr
zugrundeliegende Problematik im Folgenden am Beispiel eines Head-up-Displays
für Kraftfahrzuge
beschrieben.
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Bei
einem Head-up-Display für
Kraftfahrzeuge werden beliebige von einer Bildquelle erzeugte Informationen,
beispielsweise die Anzeige einer gefahrenen Geschwindigkeit oder
Fahrtrichtungshinweise eines Navigationssystems auf die vor dem
Fahrer liegende und als Projektionsfläche dienende Windschutzscheibe
projiziert. Hierdurch wird der außerhalb des Kraftfahrzeugs
vor der Windschutzscheibe befindlichen Landschaft ein virtuelles
Bild der Bildquelle visuell überlagert.
Die Head-up-Display-Vorrichtung umfasst einen Projektor, der das
von der Bildquelle ausgehende Licht unmittelbar oder üblicherweise über ein
optisches System gegen die Windschutzscheibe lenkt. Im allgemeinen
werden als Bildquellen TFT-Displays verwendet. Die Windschutzscheibe
dient dabei als Kombinator, der das projizierte Licht reflektiert
und damit ein für
den Fahrer sichtbares virtuelles Bild vor der Windschutzscheibe
bereitstellt.
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Diese
eingespiegelten Informationen können an
unterschiedlichen Positionen dargestellt werden. So ist beispielsweise
aus der
DE 198 13
300 A1 eine Anzeigevorrichtung bekannt, bei der eine dynamische
Veränderung
und Anpassung der Position des virtuellen Bildes einer Head-up-Display-Darstellung erfolgt.
Dabei können
die virtuellen Bilder in Abhängigkeit
von Fahrzustandsparametern wie Fahrgeschwindigkeit oder Lenkwinkel
an verschiedenen für einen
Fahrer zweckmäßigen Stellen
der Windschutzscheibe positioniert werden.
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Während die
Einblendung hierbei an Positionen erfolgt, die allein vom Fahrzustand
des Fahrzeugs und nicht vom Fahrer abhängen, sind auch Vorrichtungen
der eingangs genannten Art bekannt, bei denen die Position des virtuellen
Bildes in Abhängigkeit
von der Blickrichtung des Fahrers bzw. von der Position seiner Pupille,
und somit in Abhängigkeit vom
Fahrer variierbar ist (Eye-Tacking). Die
DE 199 51 001 A1 offenbart
hierzu beispielsweise eine Head-up-Display-Vorrichtung, bei der
Mittel zur Blickrichtungserkennung des Fahrers vorgesehen sind, um
die Informationszuführung
auf die Fahrertätigkeit abzustimmen
zu können.
Dabei bestimmt die Blickrichtung des Fahrers, wo die anzuzeigenden
Informationen dargestellt werden. Der Fahrer muss daher zur Aufnahme
der Informationen seinen Blick nicht mehr auf speziell angeordnete
Anzeigemittel richten, sondern die Informationen können dort
eingeblendet werden, wo der Fahrer momentan hinblickt, wodurch die
Sicherheit des Fahrers und anderer Verkehrsteilnehmer wesentlich
erhöht
wird.
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Von
Nachteil ist hierbei jedoch, dass das Eye-Tracking zur Nachführung des
virtuellen Bildes mit einem erheblichen konstruktiven und steuerungstechnischem
Aufwand verbunden ist. So erfordert die Erfassung der Pupillenposition
des Benutzers neben einem Bildsensor zusätzliche optische Systeme, über die
die jeweiligen Positionen der Pupille auf den Bildsensor bzw. auf
eine Kamera abgebildet werden. Hiermit ist zugleich auch zusätzlicher
Raumbedarf sowie zusätzliches
Gewicht verbunden, was gerade im Kraftfahrzeugbereich ein entscheidender
Nachteil ist. Die Auswertung der zur Pupillenposition erfassten
Signale bedingt außerdem
eine aufwendige Steuerung, was ebenso wie die zuvor genannten zusätzlich erforderlichen
Komponenten in nachteiliger Weise zu sehr hohen Kosten führt.
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Vorteile der
Erfindung
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
gemäß Anspruch
1 weist gegenüber
den bekannten Ausführungsformen
den Vorteil auf, dass nicht mehr zwei von einander verschiedene
optische Systeme benötigt
werden, um die Projektion des darzustellenden Bildes und die Abbildung
der Pupille für
die Blickrichtungserkennung zu bewerkstelligen. Hierdurch fallen die
Kosten bei der Herstellung und der Montage der erfindungsgemäßen Vorrichtung
erheblich geringer aus. Von Vorteil ist es weiterhin, dass durch
die Einsparung eines optischen Systems Bauraumbedarf und Gewicht
deutlich reduziert werden.
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Die
der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Idee besteht darin,
dass ein gemeinsames optisches System vorgesehen ist, welches zugleich
für die
Projektion des virtuellen Bildes sowie für die Abbildung der Pupille
des Benutzers zur Ermittlung seiner Blickrichtung eingesetzt wird.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen und Verbesserungen der erfindungsgemäßen Anzeigevorrichtung ergeben
sich aus den abhängigen
Ansprüchen.
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So
ist es besonders vorteilhaft, wenn das gemeinsame optische System
Mittel zur vergrößernden Abbildung
des von der Bildquelle erzeugten Bildes umfasst. Hierdurch wird
der Einsatz relativ kleinbauender Bildquellen möglich, was eine erhebliche
Kosteneinsparung bedeutet. Die Mittel zur Vergrößerung können dabei in an sich bekannter
Weise insbesondere durch Hohlspiegel und/oder durch Linsen gebildet
sein. Bei Einsatz geeigneter Optiken kann ein Mikrodisplay mit sehr
geringen Abmessungen als hochauflösende Bildquelle dienen, deren
Bild nach dem Lupenprinzip entsprechend stark vergrößert dargestellt
wird.
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Durch
die Anpassung der Position des virtuellen Bildes an die Blickrichtung
bzw. an die Position der Pupille des Benutzers über das gemeinsame optische
Systems kann außerdem
das bei der Betrachtung von Mikrodisplays über Lupenoptiken generell bestehende
Problem, dass mit wachsender Vergrößerung der mögliche Bewegungsbe reich
der Augen zunehmend eingeschränkt
wird, gelöst
werden. Die Reduzierung der Einschränkung des möglichen Bewegungsbereichs der
Augen (Augenellipse) stellt einen weiteren wesentlichen Vorteil
der vorliegenden Erfindung dar.
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Gemäß einer
besonders bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist ferner vorgesehen, dass die Bildquelle einen Silizium-Bildgeber
umfasst. Ein Silizium-Bildgeber kann als lichtemittierendes Bauelement
mit einer geringen zusätzlichen
Beleuchtung oder sogar ohne separate Zusatzlichtquelle zum Einsatz
kommen. Dabei lässt
sich mit einem Bildgeber auf Silizium-Halbleiter-Basis das gesamte Lichtspektrum
von Ultraviolett bis Infrarot erzeugen. Durch den Einsatz eines
Silizium-Chips können
so besonders kostengünstige
und sehr kleinbauende Bildquellen realisiert werden.
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Besonders
vorteilhaft ist es dabei, wenn der Silizium-Bildgeber als lichtemittierende
Bildmatrix mit mehreren gruppenweise oder einzeln ansteuerbaren Silizium-Licht-Emittern ausgeführt ist.
In der einfachsten Anordnung kann die Bildmatrix auch nur eindimensional
als Zeile ausgeführt
sein. Dabei sind sowohl monochrome als auch mehrfarbige Anordnungen
eines hochauflösenden
Mikrodisplays möglich.
Vorzugsweise wird für
eine mehrfarbige Matrix die Kombination von Emittern der drei Grundfarben rot,
grün und
blau auf einem Silizium-Chip vorgeschlagen. Die Erzeugung verschiedener
Farben der einzelnen Licht-Emitter (Dots) kann dabei entweder durch
eine entsprechende Dotierung der Einzelelemente erfolgen, so dass
der Silizium-Chip unmittelbar Licht der gewünschten Wellenlänge emittiert, oder
durch eine Strahlungsemission in einer anderen Wellenlänge, beispielsweise
ultraviolett, und anschließende
Umwandlung in sichtbares Licht der für den jeweiligen Dot gewünschten
Wellenlänge
durch einen geeigneten Konverter, beispielsweise in analoger Weise
zu Lampenphosphor bei einer Leuchtstofflampe. Ein Silizium-Chip
mit einer derartigen Matrix stellt somit ein Mikrodisplay dar, das
für virtuelle
bzw. für
Projektions-Displays gerade in Kraftfahrzeugen besonders geeignet
ist. Vorzugsweise kann die Ansteuerschaltung der einzelnen Silizium-Dots
dabei in dem selben Silizium-Chip integriert sein, analog zu Displays
auf Basis organischer Leuchtdioden (Aktiv-Matrix-OLED-Display),
jedoch mit dem Unterschied, dass die Lichterzeugung bei der erfindungsgemäßen Ausführungsform
direkt im dotierten Silizium-Halbleiter erfolgt.
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Gemäß einer
weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist
vorgesehen, dass der Bildsensor mehrere Silizium-Licht-Detektoren
umfasst, die als Sensormatrix in die Bildmatrix integriert sind.
Das Einfügen
von lichtdetektierenden Siliziumelementen zwischen den lichtemittierenden Siliziumelementen
liefert so einen kombinierten Display-Sensor-Chip, der die Display-Funktionalität und die
Kamera-Funktionalität für das Eye-Tracking
in ein und demselben Halbleiter vereint. Hierdurch kann in vorteilhafter
Weise eine besonders kleinbauende und mit wenigen Bestandteilen
leicht zu montierende Vorrichtung erreicht werden. Vorzugsweise
kann dabei auch die Schaltung zur Auswertung der detektierten Signale
in den kombinierten Silizium-Chip integriert werden. Die Auswertung
kann bei einem derartigen Display-Sensor-Chip besonders einfach
und somit kostengünstig
realisiert werden, da bei einer mechanischen Verstellung des kombinierten
Chips zur Anpassung an die jeweilige Blickrichtung des Benutzers die
Abbildung der Augenpupille stets nur in der selben zentralen Position
des kombinierten Chips gehalten zu werden braucht.
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Gemäß einer
alternativen Ausführungsform der
Erfindung kann die Bildquelle ein TFT-Display oder ein hinterleuchtetes transmissives
Display, insbesondere eine Flüssigkristallanzeige
(LC-Display) umfassen, wobei das gemeinsame optische System einen
Strahlenteiler, vorzugsweise einen Polarisationsstrahlenteiler aufweist,
durch den die von der Bildquelle ausgehenden Strahlen zur Anzeigefläche und
die die Pupille des Benutzers abbildenden Strahlen auf den Bildsensor
lenkbar sind. Der Bildsensor kann dabei beispielsweise durch einen CMOS-Bildsensor
oder durch einen CCD-Bildsensor bzw. ein Fotodiodenarray gebildet
sein. Er wird so in der Abbildungsebene der Vergrößerungsoptik
platziert, dass das Bild der Augenpartie des Benutzers auf dem Bildsensor
erscheint. Als Strahlenteiler, der vorzugsweise zwischen der Vergrößerungsoptik
und der Bildquelle angeordnet ist, kann insbesondere ein sogenannter „Polarizing
Beam Splitter" eingesetzt werden,
der das vom Display abgestrahlte Licht fast vollständig passieren
lässt und
dennoch das von außen
einfallende Licht zu ca. 50% seitlich wegreflektiert.
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Als
weitere Alternative kann die Bildquelle auch ein Laser-Scanner-Display
mit einer reflektierenden oder transmissiven Streufläche umfassen, wobei
das gemeinsame optische System auch in diesem Fall einen Strahlenteiler,
vorzugsweise einen Polarisationsstrahlenteiler aufweist, durch den
die von der Bildquelle ausgehenden Strahlen zur Projektionsfläche und
die die Pupille des Benutzers abbildenden Strahlen auf den Bildsensor
lenkbar sind. Bei dieser Ausführungsart
wird auf der reflektierenden oder transmissiven Streufläche des
Displays das zu projizierende Bild von einem bewegten Laserstrahl erzeugt.
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Vorteilhafterweise
wird die Augenpartie des Benutzers mit Infrarotlicht beleuchtet,
so dass insbesondere auch bei Nacht ein ausreichendes Bildsignal auf
dem Bildsensor zu erhalten. Besonders vorteilhaft ist es dabei,
wenn eine gepulste Infrarot-Lichtquelle zur Beleuchtung eines Auges
des Benutzers vorgesehen ist, wobei die Infrarot-Lichtquelle mit
der halben Abtastfrequenz des Bildsensors gepulst ist. Auf diese
Weise kann die Bildschärfe
für das Eye-Tracking
deutlich verbessert werden, da die Auswertung der Bilddaten jeweils
für die
Differenz der empfangenen Bilder mit bzw. ohne Infrarotbeleuchtung
erfolgt, wodurch der Fremdlichtanteil und somit auch das vom sichtbaren
Licht erzeugte unscharfe Bild des Auges des Benutzers unterdrückt wird.
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Alternativ
oder zusätzlich
zu einer derartig gepulsten bzw. getakteten Infrarot-Lichtquelle kann zur
Erhöhung
der Bildschärfe
auch eine Infrarotbeleuchtung der Augen des Benutzers und eine Maskierung
der Silizium-Licht-Detektoren mit einem nur für Infrarot-Licht durchlässigen Filter
(VIS-Sperrfilter) vorgesehen werden. Dabei ist der VIS-Sperrfilter
nur auf den Sensor-Dots und nicht auf den lichtemittierenden Dots
anzuordnen.
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Besonders
vorteilhaft ist es ferner, wenn das gemeinsame optische System einen
gekrümmten Spiegel
mit einer dichroitisch verspiegelten Vorderfläche umfasst, der für Infrarotlicht
eine andere Brennweite hat als für
Licht mit einer Wellenlänge
im sichtbaren Bereich. Hierdurch kann erreicht werden, dass das
gemeinsame optische System die Augen des Benutzers auf den kombinierten
Sensor-Display-Chip abbildet, d.h. dass der Chip auf der Brennweite
des Spiegels für
Infrarotlicht liegt, während
gleichzeitig derselbe Chip noch innerhalb der Brennweite für das sichtbare
Licht liegt und somit nach dem Prinzip der Lupe vergrößert dargestellt
bzw. sichtbar wird. Auf diese Weise arbeitet die erfindungsgemäße Vorrichtung
besonders zuverlässig.
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Eine
insbesondere bei einfarbigen Bildquellen anwendbare, besonders einfache
Möglichkeit
zur Erzeugung unterschiedlicher Brennweiten besteht in der Verwendung
einer Linse aus transparentem Material, beispielsweise aus PMMA
oder aus Glas, das eine sehr hohe Dispersion aufweist. Um jedoch
auch im sichtbaren Bereich für
unterschiedliche abzubildende Farben eine einheitliche wirksame
Brennweite zu erzielen, wird vorzugsweise vorgeschlagen, einen gekrümmten Spiegel
zu verwenden, der aus transparentem Material besteht und dessen
Rückseite
in herkömmlicher
Weise mit einer metallischen Reflexionsschicht versehen ist. Die
Vorderseite des Spiegels wird mit einer dichroitischen Beschichtung
versehen, die vorzugsweise noch von einer transparenten Beschichtung
mechanisch geschützt
ist. Dabei weist die vorderseitige dichroitische Spiegelfläche eine
von der Krümmung
der Rückseite
abweichende Krümmung
und somit eine von der Brennweite der rückseitigen Reflexionsschicht
abweichende Brennweite auf. Je nach Ausführung der dichroitischen Spiegelfläche wird
dabei entweder das Infrarotlicht an der Vorderfläche und das sichtbare Licht
an der Rückfläche oder
entsprechend umgekehrt das sichtbare Licht an der Vorderfläche und
das Infrarotlicht an der Rückfläche reflektiert.
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Aufgrund
der eingeschränkten
Augenellipse bei großer
Vergrößerung der
Lupenoptik kann bei stärkeren
Augen- oder Kopfbewegungen des Benutzers eine Anpassung der Position
der Projektionsfläche
erforderlich werden (Eye-Tracking). Hierzu können gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung mechanische Stellmittel zum translatorischen und/oder
rotatorischen Verstellen der Position von Elementen des gemeinsamen
optischen Systems und/oder zum Verstellen der Position der Bildquelle,
insbesondere in Verbindung mit einer Verstellung der Position des
Bildsensors, vorgesehen sein. Beispielsweise kann das Display zusammen
mit dem Bildsensor als die verstellbaren Elemente vermittels entsprechender
Aktoren so verschoben werden, dass der Benutzer auch bei einer Kopfbewegung noch
dieselbe Bildinformation sieht. Diese Verstellmöglichkeiten ermöglichen
die Verwendung von kleinbauenden Mikrodisplays.
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Alternativ
oder zusätzlich
zu einer derartigen mechanischen Verstellung kann auch vorgesehen sein,
dass vermittels der Steuerung der Bildquelle die Bildinformationen
auf der Bildquelle elektronisch verschoben werden. Dabei kann auf
mechanische Verstellmittel verzichtet werden, jedoch ist ein Display
erforderlich, dessen Format größer ist,
als es das anzuzeigende Bild erfordert.
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Ein
besonders vorteilhaftes und einfach durchzuführendes Verfahren zur Steuerung
der Positionierung der Darstellung von Informationen mit einer Vorrichtung
der vorangehend beschriebenen Art sieht vor, dass die kombinierte
Bild-Sensor-Matrix zunächst
so positioniert wird, dass die Pupille des Benutzers bei zentrierter
Blickrichtung innerhalb der kombinierten Bild-Sensor-Matrix, vorzugsweise
in einem zentralen Bereich der kombinierten Bild-Sensor-Matrix,
abgebildet wird. Bei einer anschließenden Veränderung der Blickrichtung des
Benutzers und einer damit verbundenen Verschiebung der Position der
abgebildeten Pupille auf der kombinierten Bild-Sensor-Matrix wird
mindestens ein Element des gemeinsamen optischen Systems und/oder
die kombinierte Bild-Sensor-Matrix derart verstellt, dass die Position
der abgebildeten Pupille sich zumindest annähernd wieder in dem ursprünglichen
Bereich der kombinierten Bild-Sensor-Matrix
befindet. Auf diese Weise kann der steuerungstechnische Aufwand
gegenüber
den bisher bekannten Steuerungsverfahren beim Eye-Tracking deutlich
reduziert werden.
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Zeichnungen
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In
den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele
der Erfindung dargestellt, die in der nachfolgenden Beschreibung
näher erläutert werden.
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Es
zeigen:
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1:
eine schematische Darstellung einer in einem Kraftfahrzeug angeordneten
erfindungsgemäßen Darstellungsvorrichtung;
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2:
eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Darstellungsvorrichtung;
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3:
eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Darstellungsvorrichtung;
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4:
eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Silizium-Bildquelle;
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5:
eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäß kombinierten
Silizium-Sensor-Bildquelle
der Vorrichtung aus 3.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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Die
in 1 gezeigte Vorrichtung 1 zur Darstellung
von Informationen ist als Headup-Display in ein Kraftfahrzeug 2 eingebaut.
Ein Display 3 dient als Bildquelle der darzustellenden
Informationen, beispielsweise zu momentanen Fahrzuständen oder möglicher
Warnhinweise, die über
ein optisches System 4 auf die Windschutzscheibe 5 des
Fahrzeugs 2 projiziert werden. Die hier als Keilscheibe
ausgebildete Windschutzscheibe 5 dient dabei als Projektionsfläche der
Vorrichtung 1. Das Display 3 und das optische
System 4 sind hier in einer Projektions-Box 6 angeordnet.
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Der
Fahrer 7 nimmt als Benutzers der Vorrichtung 1 das
projizierte Bild der vom Display 3 erzeugten graphischen
Informationen nicht auf der Glasoberfläche der Windschutzscheibe 5,
sondern als außen
vor der Windschutzscheibe 5 schwebendes virtuelles Bild 8 wahr,
das der davor befindlichen Landschaft überlagert ist. Gegenüber herkömmlichen
Anzeigevorrichtungen im Cockpit des Fahrzeugs 2 verringert
sich dadurch die Differenz der Entfernung der dargestellten Information
zur Landschaft und damit auch die Zeit, die das menschliche Auge benötigt, um
nach einem Wechsel des betrachteten Objektes die jeweiligen Gegenstände in unterschiedlicher
Entfernung wieder scharf zu sehen.
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Die
so projizierten Informationen können
vermittels nicht näher
dargestellter Verstellmittel an unterschiedlichen Positionen dargestellt
werden. In Abhängigkeit
von der Blickrichtung des Fahrers 7 erfolgt innerhalb bestimmter
Grenzen nach dem Prinzip des Eye-Trackings eine dynamische Anpassung
der Position des virtuellen Bildes 8, das an eine der ermittelten
Blickrichtung des Fahrers 7 entsprechenden Stelle projiziert
wird.
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Bei
der in 2 dargestellten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 wird
das transmissive LC-Display 3 von einer zusätzlichen Lichtquelle 9 mit
einem zugehörigen
Reflektor 10 hinterleuchtet. Die von dem Display 3 ausgehenden Lichtstrahlen 11a, 11b, 11c werden
von einem sogenannten Polarizing Beam Splitter 12 reflektiert
und auf einen optischen Hohlspiegel 13 umgelenkt. Zur Ausführung einer
Lupenfunktion ist der Hohlspiegel 13 entsprechend einer
Ellipsoid-Fläche
gekrümmt und
bewirkt so eine stark vergrößerte Projektion
des vom Display 3 erzeugten Bildes auf die Windschutzscheibe 5,
die vom Auge 14 des Fahrers 7 als virtuelles Bild
erkannt wird.
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Gleichzeitig
wird zur Ausführung
der Eye-Tracking-Funktion ein Bild des Auges 14 bzw. der
Pupille 15 über
die Windschutzscheibe 5 und den Hohlspiegel 13 sowie
geradlinig durch den Polarizing Beam Splitter 12 hindurch
auf einen dahinter angeordneten und durch eine CCD-Matrix gebildeten Bildsensor 16 abgebildet.
Der Spiegel 13 ist somit ein wesentlicher Bestandteil des
erfindungsgemäßen gemeinsamen
optischen Systems 4, über
das sowohl das Bild des Displays 3 auf die Windschutzscheibe 5 projiziert
als auch die Pupille 15 des Fahrers 7 auf den
Bildsensor 16 abgebildet wird. Der Hohlspiegel 13 übt somit
zugleich eine Lupenfunktion sowie eine Abbildungsfunktion aus.
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Bei
der in 3 dargestellten Ausführungsvariante der Vorrichtung 1 wird
ein lichtemissives Silizium-Display 17 als Bildquelle eingesetzt.
Eine zusätzliche
Lichtquelle zur Beleuchtung der Bildquelle 17 ist dabei
nicht erforderlich. Das Silizium-Display 17 ist hier als
kombinierter Display-Sensor-Chip ausgeführt. So wird von einem einzigen
Chip 17 auf Silizium-Halbleiter-Basis sowohl die Display-Funktionalität als auch
die für
das Eye-Tracking benötigte
Kamera-Funktionalität
wahrgenommen. Ein Strahlteiler bzw. Polarizing Beam Splitter ist
hierbei ebenfalls nicht erforderlich.
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Die
von dem Silizium-Display 17 ausgehenden Lichtstrahlen 11a, 11b, 11c werden
hier von der Vorderfläche
eines optischen Hohlspiegels 18 umgelenkt und als stark
vergrößertes Bild
auf die Windschutzscheibe 5 projiziert, wo sie wiederum
vom Auge 14 des Fahrers 7 als virtuelles Bild
wahrgenommen werden. Gleichzeitig wird über die Windschutzscheibe 5 und
die Rückfläche des
optischen Hohlspiegels 18 zur Ausführung der Eye-Tracking-Funktion
ein Bild 19 des Auges 14 bzw. der Pupille 15 auf den
kombinierten Silizium-Chip 17 abgebildet. Der Spiegel 18 ist
dabei auch hier ein wesentlicher Bestandteil des gemeinsamen optischen
Systems 4 zur Projektion des Bildes des Displays 17 auf
die Windschutzscheibe 5 und zur Abbildung der Pupille 15 des Auges 14 auf
den Silizium-Chip 17.
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Zur
Verbesserung der Abbildungsgenauigkeit des Auges 14 auf
den kombinierten Silizium-Chip 17 wird die Augenpartie
des Fahrers 7 hier mit Infrarotlicht beleuchtet. Durch
die Ausbildung des Spiegels 18 als dichroitischer Hohlspiegel
werden dabei unterschiedliche Brennweiten für das Infrarotlicht zur Abbildung
des Auges 14 und für
das sichtbare Licht zur Projektion der darzustellenden Informationen
erzielt. Dadurch wird erreicht, dass der kombinierte Silizium-Chip 17 bezüglich seiner
Sensor-Funktionalität für das Eye-Tracking
genau in der Brennweite des Spiegels 18 für das Infrarotlicht
liegt, während
derselbe Silizium-Chip 17 bezüglich seiner Display-Funktionalität innerhalb
der Brennweite des Spiegels 18 für das sichtbare Licht liegt
und daher nach dem Lupenprinzip vergrößert sichtbar ist.
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Der
Hohlspiegel 18 hat einen aus PMMA bestehenden gekrümmten Körper, dessen
Rückseite mit
einer metallischen Reflexionsschicht 20 und dessen Vorderseite
mit einer dichroitischen Spiegelbeschichtung 21 versehen
ist. Da die Rückseite
eine von der Vorderseite abweichende Krümmung hat, weisen auch die
beiden spiegelnden Beschichtungen 20 und 21 unterschiedliche
Brennweiten auf. Hier ist die dichroitische Spiegelbeschichtung 21 der
Vorderseite des Spiegels 18 so ausgeführt, dass sie die sichtbaren
Lichtstrahlen 11a, 11b, 11c mit einer
Wellenlänge
von bis zu 650 nm reflektiert, wohingegen die Infrarotstrahlen 22a, 22b, 22c mit
einer oberhalb von 650 nm liegenden Wellenlänge durch die dichroitische
Spiegelbeschichtung 21 hindurchgehen. Sie werden erst von
der metallischen Reflexionsschicht 20 der Rückseite
des Spiegels 18 reflektiert, um anschließend nochmals
durch die dichroitische Spiegelbeschichtung 21 hindurch
aus dem Spiegel 18 auszutreten und in der Infrarot-Brennweite
des Spiegels 18 ein Abbild 19 der Pupille 15 auf
dem Silizium-Chip 17 zu erzeugen.
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Zur
Anpassung der Position der Projektion auf die Windschutzscheibe 5 an
nickende Kopfbewegungen des Fahrers 7 kann der kombinierte
Silizium-Display-Sensor-Chip 17 durch einen nicht näher dargestellten
Aktor in einer vertikalen Verstellrichtung 23 auf und ab
verschoben werden. In entsprechender Weise ist der Silizium Chip 17 zum
Ausgleich seitlicher Schwenkbewegungen des Kopfes des Fahrers 7 über einen
ebenfalls nicht dargestellten Aktor in einer senkrecht zur Zeichnungsebene
verlaufenden horizontalen Verstellrichtung verschiebbar.
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In 4 ist
ein Teilbereich eines erfindungsgemäßen Silizium-Bildgebers 24 gezeigt.
Der hier dargestellte Ausschnitt umfasst eine 12×4-Matrix. Mit einzeln ansteuerbaren,
lichtemittierenden roten Dots R, grünen Dots G und blauen Dots
B ermöglicht
der Silizium-Bildgeber 24 eine variable Bilderzeugung in beliebigen
Farben. Trotz einer hohen Auflösung
ist der Silizium-Bildgeber 24 dabei eine besonders kleinbauende
Bildquelle.
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Bei
der in 5 dargestellten vorteilhaften Weiterbildung sind
zusätzlich
Siliziumbasierte Sensor-Dots S in die Matrix integriert. Auf diese
Weise entsteht der in 3 verwendete kombinierte Silizium-Chip 17,
der die Display-Funktionalität
und die Kamera-Funktionalität
für das
Eye-Tracking in ein und demselben Silizium-Halbleiter vereint. Gerade
in Kombination mit dem erfindungsgemäßen gemeinsamen optischen System
können
hiermit die Vorteile einer kompakten Ausführung der Vorrichtung mit weniger
einzelnen Bestandteilen, einer einfacheren Montage und somit geringeren
Kosten besonders gut zur Wirkung kommen.
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Obwohl
die vorliegende Erfindung hier lediglich anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele
beschrieben wurde, ist sie nicht darauf beschränkt, sondern in vielfältiger Weise
modifizierbar. Insbesondere sind die Form und die Aufteilung der
Matrix nicht auf die gezeigten Beispiele beschränkt, sondern sie können beliebig
gestaltet werden.
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Auch
wenn in den dargestellten Ausführungsbeispielen
das gemeinsame optische System nur einen Hohlspiegel bzw. einen
Hohlspiegel und einen Strahlteiler umfasst, so können je nach Anwendungsfall
auch andere oder zusätzliche
optische Elemente wie beispielsweise Spiegel, Linsen oder Prismen
zum Einsatz kommen. Ferner können
zusätzlich zu
dem gemeinsamen optischen System auch optische Elemente angeordnet
werden, die nur für
die Display-Funktionalität
oder nur für
die Eye-Tracking-Funktionalität benötigt werden.
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Schließlich ist
die Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
nicht unbedingt an ein Kraftfahrzeug gebunden, obwohl es sich dabei
um einen bevorzugten Anwendung handelt.
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- 1
- Vorrichtung
- 2
- Kraftfahrzeug
- 3
- Display
- 4
- gemeinsames
optisches System
- 5
- Windschutzscheibe
- 6
- Projektions-Box
- 7
- Fahrer
- 8
- virtuelles
Bild
- 9
- zusätzliche
Lichtquelle
- 10
- Reflektor
- 11a,
11b, 11c
- Lichtstrahlen
- 12
- Polarizing
Beam Splitter
- 13
- optischer
Hohlspiegel
- 14
- Auge
- 15
- Pupille
- 16
- Bildsensor
- 17
- kombinierter
Silizium-Display-Sensor-Chip
- 18
- optischer
Hohlspiegel
- 19
- Bild
der Pupille
- 20
- metallische
Reflexionsschicht
- 21
- dichroitische
Spiegelbeschichtung
- 22a,
22b, 22c
- Infrarotstrahlen
- 23
- vertikale
Verstellrichtung
- 24
- Silizium-Bildgeber
- R
- roter
Dot
- G
- grüner Dot
- B
- blauern
Dot
- S
- Sensor-Dot