DE102005017207A1

DE102005017207A1 - Projektionseinheit für ein Head-Up-Display

Info

Publication number: DE102005017207A1
Application number: DE102005017207A
Authority: DE
Inventors: Hans-Jürgen DOBSCHAL; Arne Dr. Tröllsch; Dirk Jahn
Original assignee: VEB Carl Zeiss Jena GmbH; Carl Zeiss Jena GmbH
Current assignee: Jenoptik AG; Carl Zeiss Jena GmbH
Priority date: 2005-04-14
Filing date: 2005-04-14
Publication date: 2006-10-19
Also published as: US20060232853A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Projektionseinheit für ein Head-Up-Display, bestehend aus einem Bildgeber sowie einem ersten Spiegel und einem zweiten Spiegel zur optischen Abbildung, die nacheinander in Lichtausbreitungsrichtung in einem Gehäuse so angeordnet sind, daß eine zweimalige Faltung des Strahlenganges erfolgt. DOLLAR A Sie ist dadurch gekennzeichnet, daß einer der Spiegel (1 oder 2) eine lichtstreuende Oberflächenform hat, der andere Spiegel (2 oder 1) eine lichtsammelnde Oberflächenform hat und die beiden Spiegel (1, 2) in ihrer Kombination einen gemeinsamen Brennpunkt (F') auf dem Bildgeber (3) haben.

Description

Die Erfindung betrifft eine linsenlose Projektionseinheit für ein Head-Up-Display, bestehend aus einem Bildgeber sowie einem ersten Spiegel und einem zweiten Spiegel zur optischen Abbildung, die nacheinander in Lichtausbreitungsrichtung so in einem Gehäuse angeordnet sind, daß eine zweimalige Faltung des Strahlenganges erfolgt.

In der EP 0 450 553 B1 wird eine Anzeigeeinrichtung beschrieben, die in ein Kraftfahrzeug eingebaut ist. Eine solche Einrichtung ist auch unter der Bezeichnung Head-Up-Display bekannt. Die Einrichtung verwendet einen Bildgeber, zwei Reflektionsteile und die Windschutzscheibe als Reflektor. Die Reflektionsteile wirken beide vergrößernd, sind also konkav geformt. Ihre Brennweiten sind so gewählt, daß der Bildgeber innerhalb der zusammengefaßten Brennpunkte liegt.

Die Anordnung benötigt einen relativ großen Bauraum, der insbesondere bei Anwendungen im PKW oder Flugzeug nicht zur Verfügung steht.

In DE 69120575T2 , EP 0486165A1 und EP 1291701A1 sind weitere ein Head-Up-Displays beschrieben, welche mit zwei oder mehr Spiegeln realisierbar sind. In der Praxis zeigt sich dabei, daß die Verwendung von konkaven und oder planen Spiegeln einen erheblichen Bauraum erfordert, so daß die Anforderungen insbesondere für Anwendungen im PKW nur mit großen Schwierigkeiten erfüllt werden können.

Um unter den Gegebenheiten überhaupt ein Head-Up-Display realisieren zu können, müssen das Abbildungsverhältnis bzw. die Größe des Bildgebers oder die Bildgröße angepaßt werden. Weiterhin bereitet die Verwendung von konkaven bzw. planen Spiegeln zur Abbildung über eine gewölbte Windschutzscheibe Probleme, da daraus ein stark verzeichnetes Bild resultiert.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine optische Anordnung für ein Head-Up-Display zu schaffen, bei welcher der Bauraum optimiert wird. Eine Optimierung kann sowohl darin bestehen, daß die optische Übertragungslänge und somit der Bauraum minimiert wird, als auch darin bestehen, daß die Übertragungslänge verlängert wird. Das ist zum Beispiel dann vorteilhaft, wenn zusätzliche Elemente (z.B. Schutter) eingebaut werden sollen. Dabei sollen die Freiheitsgrade zur Dimensionierung des Head-Up-Displays möglichst wenig eingeschränkt werden. Die Bildqualität soll dabei optimiert werden, indem die Bildverzeichnung gering gehalten werden soll.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß einer der Spiegel eine lichtstreuende Oberflächenform hat, der andere Spiegel eine lichtsammelnde Oberflächenform hat und die beiden Spiegel in ihrer Kombination einen gemeinsamen Brennpunkt F' auf dem Bildgeber haben.

Lichtstreuende Oberflächenform bedeutet, daß die Oberfläche im wesentlichen konvex ist. Das heißt, daß sich eine torisch konvexe Fläche anfiten läßt. Lichtsammelnde Oberflächenform bedeutet, daß die Oberfläche im wesentlichen konkav ist. Das heißt, daß sich eine torisch konkave Fläche anfiten läßt.

Die Unteransprüche 2 bis 8 sind vorteilhafte Ausgestaltungen des Hauptanspruches 1.

Das Spiegelsystem teilt die abbildende Wirkung auf zwei unterschiedliche Flächenformen auf. In vorteilhalfter Weise werden dabei konvexe und konkave Spiegelgrundformen kombiniert. Durch den Einsatz solcher Elemente wird eine Hauptebenenverlagerung realisiert, welche eine Änderung der Übertragungslänge bei vorgegebener Brennweite ermöglicht. So ist es möglich ein vorteilhaftes Abbildungsverhältnis trotz begrenztem Bauraum zu realisieren. Da bei einen Head-Up-Display durch die Verwendung der Windschutzscheibe als ablenkendes Element eine nicht rotationssymmetrische Verzeichnung vorherrscht, ist es sinnvoll die Elemente des Spiegelsystems in sagitaler und meridionaler Achse unterschiedlich zu krümmen. Je nach Krümmung der Windschutzscheibe sind torische, asphärische oder gar freigeformte Spiegelelemente zur Korrektur der Verzeichnung notwendig. Dabei bilden die verwendeten Spiegelelemente in ihrer Kombination einen gemeinsamen Brennpunkt auf dem Bildgeber.

In der Praxis zeigen Systeme, die aus zwei Freiformspiegeln aufgebaut sind, eine gute Verzeichnungskorrektur mit einer hervorragender Bauraumausnutzung bei handelsüblichen Abmessungen des Bildgebers und einem festgelegten Abbildungsverhältnis.

Mit der Erfindung gelingt es, bei einem Head-Up-Display mit frei geformten Spiegeln bei einer vorgegebenen bauraumspezifischen Übertragungslänge die Brennweite in einem zweckmäßigen Bereich auszuwählen.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von Figuren beschrieben. Es zeigen:
1: Optisches System für ein Head-Up-Display mit zwei Spiegeln mit negativer Hauptebenenverlagerung
2: Strahlengang im optischen System nach 1
3: Head-Up-Display welches zwei Spiegel verwendet
4: Aufgefaltetes optisches System nach 1
5: Optisches System für ein Head-Up-Display mit zwei Spiegeln mit positiver Hauptebenenverlagerung
Die 1 zeigt den Aufbau eines optischen Systems für ein Head-Up-Display schematisch. Ein Bildgeber 3 ist in einem Abstand a vor einem ersten Spiegel 1 angeordnet, welcher eine konvexe Krümmung mit einem Radius R1 hat. Dieser erste Spiegel faltet den Strahlengang in einem Winkel α1. In einem Abstand b vom ersten Spiegel 1 ist ein zweiter Spiegel 2 angeordnet, welcher eine konkave Krümmung mit einem Radius R2 hat. Der zweite Spiegel faltet den Strahlengang in einen Winkel α2. Der Bildgeber kann beispielsweise eine Lampe, einen Laser oder LED als Lichtquelle enthalten und beispielsweise vom DLP, LCOS oder LCD-Typ sein. Der Bildgeber kann aber auch selbst Licht erzeugen und beispielsweise ein Plasma-Panel sein.
2 stellt den Strahlenverlauf der Anordnung gemäß 1 graphisch dar.
3 zeigt den prinzipiellen Aufbau des Head-Up-Displays in einem Fahrzeug. Der Bildgeber 1 ist mit der zugehörigen Abbildungsoptik innerhalb einer Hutze 8 angeordnet. In der Hutze 8 ist eine Öffnung, aus der die Projektionsstrahlen 9 austreten und von einer Windschutzscheibe 5 so reflektiert werden, daß ein Fahrer 5 ein virtuelles Bild 7 innerhalb eines Sichtbereiches 6 wahrnehmen kann. Beim Design des optischen Systems werden durch den möglichen vorhandene Bauraum innerhalb der Hutze 8 sehr enge und strenge Vorgaben gemacht.
Die Ausführung des erfindungsgemäßen optischen Systems ist jedoch nicht darauf beschränkt, daß es innerhalb der Hutze 8 des Fahrzeuges untergebracht wird. Vielmehr ist ein kleiner Bauraum auch bei einer andersartigen Verwendung des optischen Systems von Vorteil. Beispielsweise wenn die Projektion eines virtuellen Bildes über die Rückscheibe erfolgen soll oder wenn der Projektor im Bereich des Rückspiegels angebracht wird.
Ein erstes Ausführungsbeispiel zeigt das optische System gemäß 1 mit einer einfachen negativen Hauptebenen Verlagerung:
Es handelt sich um ein System mit einer Verkippung beider Spiegel α₁ und α₂ von jeweils 25° und folgenden Parametern:
Bei diesem Beispiel ist die Übertragungslänge 33 mm kürzer als die geforderte Brennweite. Auf diese Art und Weise kann der Bildgeber 3 näher an dem optisch abbildenden System herangeführt werden und der Bauraum verringert sich trotz konstanter Brennweite.
Durch die Verwendung sphärischer Spiegel kommt es zum Öffnungsfehler, welchem durch eine Parabolisierung der Spiegel begegnet werden kann. Die Verkippung der Spiegel ruft Koma und Astigmatismus hervor welche durch unterschiedliche Radien im meridionalen und sagitalen Schnitt ausgeglichen werden kann.
Dieses Beispiel zeigt weiterhin zusätzliche, durch die Form einer realen Windschutzscheibe eines PKW hervorgerufene, erheblichen Bildfehler. Fehler der optischen Abbildung werden in einem zweiten Ausführungsbeispiel gemäß 1 durch Verwendung von bikonischen Spiegeln 1 und 2 weitgehend behoben.
Die Parameter sind:
R_1X = Radius 1. Spiegel X-Achse
R_1Y = Radius 1. Spiegel Y-Achse
k_1X = Konizitätskonstante 1.Spiegel X-Achse
k_1Y = Konizitätskonstante 1.Spiegel Y-Achse
R_2X = Radius 2. Spiegel X-Achse
R_2Y = Radius 2. Spiegel Y-Achse
k_2X = Konizitätskonstante 2.Spiegel X-Achse
k_2Y = Konizitätskonstante 2.Spiegel Y-Achse
So zeigt dieses zweifach bikonisches System bei einer Verkippung beider Spiegel α₁ und α₂ von jeweils 25° schon deutlich bessere Ergebnisse trotz der gleichen Forderungen wie im ersten Ausführungsbeispiel.
Da oftmals auch diese Bildqualität als nicht ausreichend angesehen wird, ist der Einsatz von Freiformflächen vorgesehen, welche beispielsweise durch XY-Polynome beschrieben werden. In einem dritten Ausführungsbeispiel werden XY-Polynomen bis zur 3. Potenz zur Beschreibung der optisch wirksamen Spiegelflächen verwendet. Diese werden hier durch eine Summe von XY-Potenzen beschrieben:

Z: = Pfeilhöhe
c: = 1/R
r: = Normradius
A_i: = Polynomkoeffizienten
E_i: = Polynomterme

Mit einer solchen Lösung wird eine Bildgüteoptimierung erzielt. Die hohe Variabilität bei der Dimensionierung der optischen Anordnung ermöglicht, daß diese an den vorhandenen Bauraum angepaßt werden kann.
Die Anwendung von Freiformflächen ermöglicht es, daß nahezu beliebige Formen der Windschutzscheibe mit in die Berechnung des optischen Systems mit einbezogen werden können.
4 zeigt das aufgefaltete System nach 1. Ohne Hauptebenenverlagerung ist die Baulänge (oder Übertragungslänge) gleich der Brennweite des Spiegelsystems c + b = f.
Mit Hauptebenenverlagerung wird bei einer vergleichsweise kleinen Baulänge eine deutlich größere Brennweite f' realisiert werden a + b << f'.
Dabei legt die Gesamtbrennweite f' den Blickwinkel und somit die scheinbare Größe des betrachteten Bildfeldes fest.

R₁: = Radius Spiegel 1
R₂: = Radius Spiegel 2
b: = Abstand zwischen Spiegel 1 und Spiegel 2
a: = Abstand zwischen Spiegel 1 und Imager
f': = Brennweite (Angaben in mm)

Es gilt: f' = R1·R2/(2·(R1 + R2 – 2b)) und a = R1·(R2 – 2b)/(2·(R1 + R2 – 2b)).
Aus der Gleichung ist ersichtlich, daß der zur Verfügung stehende Bauraum, der im wesentlichen dem Abstand der beiden Spiegel b entspricht, bei einem festgelegtem Bildfeld über die Radien R₁ und R₂ der Spiegel beeinflußt werden kann. Eine Hauptebenenverlagerung in dem System liegt dann vor, wenn die Übertragungslänge eines Systems ungleich der Brennweite ist, d.h. a + b ≠ f') Ein Beispiel ohne Hauptebenen Verlagerung liefert folgende Ergebnisse:
Das bedeutet, das die Übertragungslänge immer gleich der Brennweite sein muß. Es gelten die Abbildungsgesetze des sphärischen Spiegels mit f' = R/2. Im Vergleich zu den vorangestellten Ausführungsbeispielen zeigt sich, daß mit der erfindungsgemäßen Lösung gemäß 1 die Übertragungslänge um 33 mm verkürzt wird. Im Beispiel der 5 wird die Übertragungslänge um 200 mm verlängert.
5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel mit einer positiven Hauptebenenverlagerung:
Bei diesem Beispiel ist die Übertragungslänge 200 mm länger als die geforderte Brennweite. Bei gleichem Blickwinkel und gleicher Größe des Bildgebers kann so das System durch größere Radien entspannt werden und der Bildgeber entsprechend des Bauraumes platziert werden.

1: erster Spiegel
2: zweiter Spiegel
3: Bildgeber
4: Windschutzscheibe
5: Fahrer
6: Eyebox
7: virtuelles Bild
8: Hutze
9: Projektionsstrahlen
S₁: Scheitelpunkt des ersten Spiegels
R₁: Radius des ersten Spiegels
f: Brennweite des ersten Spiegels
F: Brennpunkt des ersten Spiegels
H: Hauptebene des ersten Spiegels
S₂: Scheitelpunkt des zweiten Spiegels
R₂: Radius des zweiten Spiegels
f: Brennweite Gesamtsystem
F': Brennpunkt Gesamtsystem
H': Hauptebene Gesamtsystem
V: Hauptebenenverlagerung
a: Abstand F' – S2
b: Abstand S2 – S1
c: Abstand F – S2
α₁: Faltungswinkel am ersten Spiegel
α₂: Faltungswinkel am zweiten Spiegel

Claims

Projektionseinheit für ein Head-Up-Display, bestehend aus einem Bildgeber (3) sowie einem ersten Spiegel (1) und einem zweiten Spiegel (2) zur optischen Abbildung, die nacheinander in Lichtausbreitungsrichtung in einem Gehäuse so angeordnet sind, daß eine zweimalige Faltung des Strahlenganges erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß – einer der Spiegel (1 oder 2) eine lichtstreuende Oberflächenform hat, – der andere Spiegel (2 oder 1) eine lichtsammelnde Oberflächenform hat und – die beiden Spiegel (1, 2) in ihrer Kombination einen gemeinsamen Brennpunkt (F') auf dem Bildgeber (3) haben.
Projektionseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Spiegel (1) eine lichtstreuende Oberflächenform und der zweite Spiegel (2) eine lichtsammelnde Oberflächenform haben.
Projektionseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Spiegel (1) eine lichtsammelnde Oberflächenform und der zweite Spiegel (2) eine lichtstreuende Oberflächenform haben.
Projektionseinheit nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Spiegel (1) oder der zweite Spiegel (2) in seiner sagitalen Achse und in seiner meridionaler Achse unterschiedlich gekrümmt ist.
Projektionseinheit nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Spiegel (1) und der zweite Spiegel (2) in den sagitalen Achsen und in den meridionaler Achsen unterschiedlich gekrümmt sind.
Projektionseinheit nach Anspruch 4 oder Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Spiegel (1) und/oder der zweite Spiegel (2) in ihren sagitalen Achsen und/oder in ihren meridionaler Achsen torisch gekrümmt sind.
Projektionseinheit nach Anspruch 4 oder Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Spiegel (1) und/oder der zweite Spiegel (2) in seiner sagitalen Achse und/oder in seiner meridionaler Achse asphärisch gekrümmt ist.
Projektionseinheit nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Spiegel (1) und/oder der zweite Spiegel (2) freigeformte Oberflächen aufweisen.