DE102009011908B4

DE102009011908B4 - Head-up-Display und Fahrzeug

Info

Publication number: DE102009011908B4
Application number: DE102009011908.6A
Authority: DE
Inventors: Walter METHE; Dr. Linke Felix; Dr. Pogany Peter
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2009-03-05
Filing date: 2009-03-05
Publication date: 2021-12-09
Anticipated expiration: 2029-03-06
Also published as: US20100225833A1; US9400386B2; DE102009011908A1

Abstract

Head-up-Display (HUD)- mit einer Bilderzeugungseinrichtung (LCD) zur Erzeugung eines Bildes und mit einem optischen System (AE) zur Projektion des Bildes in eine Windschutzscheibe (WS) eines Fahrzeuges und- mit einem Lichtsystem zum Beleuchten der Bilderzeugungseinrichtung (LCD),- wobei das Lichtsystem eine Vielzahl von Lichtquellen (D) umfasst, denen eine Lichtmischgeometrie (LM) nachgeschaltet ist, und- wobei die Lichtmischgeometrie (LM) jeweils an der Innenseite reflektierende Begrenzungsflächen umfasst, um das Licht der Lichtquellen (D) zu mischen und zu homogenisieren,- wobei die Länge der Lichtmischgeometrie von der Lichteintrittsseite bis zur Lichtaustrittsseite mindestens so groß ist wie der Abstand der Lichtquellen aus der Vielzahl von Lichtquellen, welche den größten Abstand zueinander aufweisen,-wobei das Lichtsystem einen Diffusor (S) umfasst, welcher der Lichtmischgeometrie (LM) derart nachgeschaltet ist, dass das aus der Lichtmischgeometrie (LM) austretende Licht durch den Diffusor (S) gestreut wird, und wobei das Lichtsystem eine Kondensoroptik (K) umfasst, welche der Lichtmischgeometrie (LM) und dem Diffusor (S) derart nachgeschaltet ist, dass das gemischte, homogenisierte und gestreute Licht auf die Bilderzeugungseinrichtung (LCD) gelenkt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Head-up-Display für Fahrzeuge und ein Fahrzeug mit einem entsprechenden Head-up-Display.
Es ist insbesondere im Fahrzeugbereich eine Vielzahl verschiedener Typen von Anzeigeeinrichtungen bekannt. Im Vordergrund der Entwicklungsbemühungen stehen derzeit so genannte Head-up-Displays (HUD).
Solche Head-up-Displays sind beispielsweise aus der DE 10344686 A1 und der EP 1143288 A1 bekannt. Es wird dabei Licht einer Hinterleuchtungseinheit auf eine Bilderzeugungseinrichtung, wie beispielsweise ein Flüssigkristall-Display, gelenkt, und das dadurch erzeugte Bild mittels einer Abbildungseinrichtung in die Windschutzscheibe eines Fahrzeuges projiziert.
Die Head-Up-Display Optik soll dabei so ausgelegt sein, dass große und kleine Fahrer das Bild vollständig und mit homogener Helligkeit sehen können. Der Bereich, aus dem das HUD-Bild vollständig gesehen werden kann, wird Eyebox genannt. Die Größe der Eyebox wird durch die Aperturen der Abbildungsoptiken und Blenden zwischen Display und Scheibe bestimmt. Der Homogenitätseindruck (Farbe und Helligkeit) innerhalb dieser Eyebox wird durch die Hinterleuchtungseinheit bestimmt.
Damit das HUD-Bild über alle Umweltbedingungen mit ausreichender Helligkeit abgelesen werden kann, soll eine möglichst hohe Lichtausbeute erzielt werden. Head-Up-Displays nach dem Stand der Technik wandeln ca. 0,005 % der eingesetzten elektrischen Energie in für den Fahrer sichtbares Licht um. Mit dem heutigen Stand der Technik kann nicht für alle Straßensituation eine ausreichende Bildhelligkeit erreicht werden. Die Schwankungen aktueller Systeme hinsichtlich der Lichtausbeute erfordern zudem einen Sicherheitsaufschlag bei der Lichtleistung von 20 %.
Es ergeben sich folgende Anforderungen an eine Hintergrundbeleuchtungseinheit eines Head-Up-Displays ab:

◯ Homogener Bildeindruck (Farbe und Helligkeit);
◯ Hohe Lichteffizienz;
◯ Geringe Empfindlichkeit hinsichtlich Positionierschwankungen der Lichtquellen, insbesondere LEDs, relativ zu optischen Einheiten.

Ein vorgeschlagenes und in 3 gezeigtes Head-up-Display HUD umfasst eine Vielzahl von Leuchtdioden Dr, Dg, von denen ein Teil grünes Licht und der andere Teil rotes Licht abstrahlt. Die LED-Strahlung wird durch Linsen- und/oder Reflektorarrays L kollimiert. Die grünen und die roten Strahlen werden durch einen dichroitischen Spiegel DS zusammengeführt und durch einen Diffusor S homogen gestreut.
Der homogene Streuwinkelbereich des Diffusors S ist so gewählt, dass vom obersten Bildpunkt des nachgeschalteten Displays LCD Licht in den untersten Punkt der Eyebox EB gestreut wird. Dabei werden aber vom obersten Bildpunkt des Displays LCD nach oben in den Bereich a gestreuten Lichtstrahlen nicht in die Eyebox EB gelenkt. Diese Strahlen treffen auf undurchsichtige HUD-Bauelemente (Gehäuse, Blenden...), werden absorbiert oder verursachen für den Fahrer störende Lichtreflexe. Von den Lichtquellen jeweils seitlich, beispielsweise in den Bereich b abgestrahltes Licht geht auf ähnliche Weise ebenfalls verloren.
Zudem sind in 3 Lichtbündel c,d dargestellt, die aus einer ungenau positionierten LED resultiert. Die Lichtstrahlen im Bereich c treffen nicht auf das LCD und sind so zur Darstellung nicht nutzbar. In den bereich d fallen weniger Lichtstrahlen, so dass es Ausleuchtungsinhomogenitäten entstehen.
Keine Hinterleuchtungseinheit nach Stand der Technik löst diese Probleme. In bisher vorgestellten Head-Up-Displays wird jeweils nur ein Teilbereich der LCD-Fläche und/oder ein Teilbereich der Eyebox durch eine LED hiterleuchtet. Die Lichtquellentoleranzen der einzelnen Lichtquellen müssen bezüglich Helligkeit und Strahlungsrichtung zueinander ausgeglichen werden. Kollimierungsoptiken wie Linsen- und/oder Reflektorarrays erfordern besonders im Grenzbereich zwischen den Lichtquellen hohe Fertigungs- und Positionierungsgenauigkeiten. Dies ist am Beispiel von Linseninhomogenitäten anhand der 4 und 5 verdeutlicht. Es sind jeweils Dioden D, Kollimierungsoptiken L und ein Diffusor S dargestellt. Schon geringe, vom theoretischen Wert abweichende Linseninhomogenitäten führen zu einer inhomogenen Lichtintensitätsverteilung der Hinterleuchtung. Schon geringe Toleranzen/Abweichungen verursachen für den Fahrer störende Ausleuchtungsinhomogenitäten, wie sichtbare Wabenstrukturen. Homogenitätsverbesserungen können nur durch stärkere Diffusoren, die Licht in einen größeren Raumwinkelbereich streuen, auf Kosten der Lichteffizienz erreicht werden.
Aus der DE 100 16 817 A1 und der DE 10 2004 013 680 A1 sind weitere Head Up Displays bekannt.
Der Erfindung liegt insbesondere die Aufgabe zu Grunde, im Rahmen eines Head-Up-Displays eine hinsichtlich Helligkeit und/oder Farbe homogene und effiziente Hinterleuchtung der Bilderzeugungseinrichtung zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.
Ein erfindungsgemäßes Head-up-Display umfasst eine Bilderzeugungseinrichtung zur Erzeugung eines Bildes und ein optisches System zur Projektion des Bildes in eine Windschutzscheibe eines Fahrzeuges. Zum Beleuchten der Bilderzeugungseinrichtung ist ein Lichtsystem vorgesehen. Das Lichtsystem umfasst zumindest mindestens eine Lichtquelle oder mindestens ein Vielzahl von Lichtquellen, denen jeweils eine Lichtmischgeometrie, insbesondere in optischer Richtung (beispielsweise in Lichtausbreitungsrichtung oder Hauptausbreitungsrichtung des Lichtes) nachgeschaltet ist. Die Lichtmischgeometrie umfasst jeweils an der Innenseite reflektierende Begrenzungsflächen, um das Licht der entsprechenden Lichtquelle oder der entsprechenden Vielzahl von Lichtquellen zu mischen und zu homogenisieren. Die Flächennormale der Begrenzungsflächen ist vorzugsweise im Wesentlichen orthogonal zur Hauptabstrahlungsrichtung der Vielzahl von Lichtquellen ausgerichtet.
Durch die Verwendung der Lichtmischgeometrie wird erreicht, dass das auf - der Lichtmischgeometrie - nachgeschaltete Komponenten, wie beispielsweise einen Diffusor, fallende Licht über die Fläche dieser Komponente eine im Wesentlichen homogene Helligkeit und/oder Farbigkeit aufweist.
Die Herstellung des Head-Up-Displays wird vereinfacht, da die Positionierungstoleranzen der Lichtmischgeometrie gegenüber den Lichtquellen groß sein dürfen. Auch die Fertigungstoleranzen der Lichtmischgeometrie an sich dürfen groß sein.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt in der effizienten Nutzung der durch die Lichtquellen bereitgestellten Lichtleistung. Denn durch die nachgeschaltete Lichtmischgeometrie können auch die von den Lichtquellen jeweils eher seitlich abgestrahlten Lichtbündel mittelbar oder unmittelbar auf die Bilderzeugungseinrichtung gelenkt werden.
Vorzugsweise umfasst die Vielzahl von Lichtquellen insbesondere LEDs, die Licht verschiedener Farben, beispielsweise rot und grün, abstrahlen. In diesem Fall wird durch die Lichtmischgeometrie eine Bilderzeugung mit brillanten und/oder gesättigten Farben ermöglicht. Die LEDs verschiedener Farben können gleichzeitig oder abwechselnd aktiviert werden.
Im Rahmen der Erfindung liegt es auch, dass mehreren, insbesondere nebeneinander angeordneten, Lichtquellen jeweils eine Lichtmischgeometrie nachgeschaltet ist. Ebenso liegt es im Rahmen der Erfindung, dass mehreren, insbesondere nebeneinander angeordneten, Gruppen (Vielzahlen) von Lichtquellen jeweils eine Lichtmischgeometrie nachgeschaltet ist.
Vorzugsweise umfasst die Bilderzeugungseinrichtung ein Display, beispielsweise ein LCD oder ein DMD (Digital Mirror Display). Die Bilderzeugungseinrichtung wird zur Erzeugung eines Bildes durch das Lichtsystem vorzugsweise transmittierend beleuchtet, insbesondere hinterleuchtet, oder reflektierend beleuchtet.
Es ist eine Weiterbildung der Erfindung, dass an der Rückseite der Lichtmischgeometrie durch die Vielzahl von Lichtquellen Licht in die Lichtmischgeometrie abgestrahlt wird, dass das Licht durch, insbesondere mehrfache, Reflexionen an den reflektierenden Begrenzungsflächen homogenisiert und gemischt wird, und dass das homogenisierte und gemischte Licht an der Vorderseite der Lichtmischgeometrie aus der Lichtmischgeometrie austritt.
Das Lichtsystem umfasst einen Diffusor, insbesondere eine Streuscheibe, welcher der Lichtmischgeometrie, insbesondere in optischer Richtung, derart nachgeschaltet ist, dass das aus der Lichtmischgeometrie austretende Licht durch den Diffusor gestreut wird.
Durch den Diffusor wird die Winkelverteilung der aus der Lichtmischgeometrie austretenden - und wie bereits erwähnt eine im Wesentlichen homogene Helligkeit und Farbigkeit aufweisenden - Lichtstrahlen homogenisiert.
Dadurch wird verhindert, dass die Lichtquellenstrukturen aus der Eyebox heraus sichtbar werden.
Weiterhin umfasst das Lichtsystem eine Kondensoroptik, insbesondere eine Kondensorlinse oder einen Kondensorspiegel, welche der Lichtmischgeometrie und/oder dem Diffusor, insbesondere in optischer Richtung, derart nachgeschaltet ist, dass das gemischte und homogensierte und gestreute Licht auf die Bilderzeugungseinrichtung gelenkt wird, und beispielsweise auf die Windschutzscheibe projiziert und schließlich in die Eyebox abgebildet wird. Die Kondensoroptik ist dabei vorzugsweise derart ausgeführt, dass die Diffusorebene in die Eyebox abgebildet wird. Dadurch wird eine hohe Lichtausbeute erzielt und das von der oder den Lichtquellen stammende Licht effizient zur Bilderzeugung genützt. Die Brennweite der Kondensoroptik liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 20mm bis 200mm.
Vorzugsweise ist die Kombination aus Lichtquelle(n), Lichtmischgeometrie, Diffusor und Kondensoroptik derart ausgeführt, dass durch die Strahlen jeder einzelnen Lichtquelle oder Lichtquellengruppe die gesamte Fläche der Bilderzeugungseinrichtung homogen beleuchtet wird. Dadurch können die oben genannten Toleranzprobleme vermieden oder reduziert werden. Es entsteht aus jeder Position innerhalb der Eyebox ein homogener Bildeindruck.
Der Bilderzeugungsrichtung ist, insbesondere in optischer Richtung, das optische System zum Abbilden des Bildes auf eine Windschutzscheibe eines Fahrzeuges, nachgeschaltet.
Die Lichtmischgeometrie weist vorzugsweise einen vieleckigen, insbesondere rechteckigen, Querschnitt auf. Umfangreiche Untersuchungen haben ergeben, dass dadurch eine besonders wirksame Lichthomogenisierung oder Lichtmischung erreicht werden kann. Als besonders wirksam hinsichtlich der Mischung des Lichtes verschiedener Lichtquellen erwies es sich dabei, die Länge L der Lichtmischgeometrie von Rückseite bzw. Lichteintrittsseite bis zur Vorderseite bzw. Lichtaustrittsseite mindestens so groß auszuführen wie den Abstand A der Lichtquellen aus der Vielzahl von Lichtquellen, welche den größten Abstand zueinander aufweisen (L>A). Andererseits ist es insbesondere in Kraftfahrzeugen wichtig, den HUD-Bauraum klein zu halten. Umfangreiche Untersuchungen ergaben, dass ein erfindungsgemäßes HUD dann besonders einfach in ein Fahrzeug integriert werden kann, wenn gilt: L < 3A. Daher ist es eine Weiterbildung der Erfindung, dass gilt: A<L<3A.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst die Lichtmischgeometrie einen Lichtleiter, in den das Licht der Lichtquelle(n) an der Rückseite des Lichtleiters eingekoppelt wird. Die insbesondere seitlichen Grenzflächen des Lichtleiters wirken dann für das in dem Lichtleiter geführte Licht als (total-)reflektierende Innenseiten.
Alternativ oder ergänzend dazu umfasst die Lichtmischgeometrie vorzugsweise einen hohlen Kanal (oder ein hohles Rohr), wobei die den Kanal begrenzenden Flächen an der Innenseite lichtreflektierend, insbesondere spiegelnd, ausgeführt sind.
Im Rahmen der Erfindung liegt auch ein Fahrzeug mit einem der genannten Head-up-Displays, bei dem das durch das Head-up-Display erzeugte Bild in eine Windschutzscheibe oder in eine zusätzlich eingebrachte, meist transparent ausgeführte Projektionsscheibe des Fahrzeuges projiziert wird.
Im Folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die folgende Figur anhand von Beispielen näher erläutert:

1 zeigt eine prinzipielle Schnittdarstellung eines Head-up-Displays mit Kondensorlinse;
2 zeigt eine prinzipielle Schnittdarstellung eines Head-up-Displays mit Kondensorspiegel;
3 zeigt eine prinzipielle Schnittdarstellung eines Head-up-Displays gemäß Stand der Technik;
4,5 zeigen Lichtintensitätsverteilungen gemäß Stand der Technik.

Das in 1 gezeigte Head-up-Display HUD umfasst eine oder eine Vielzahl von Leuchtdioden D, von denen ein Teil grünes Licht abstrahlt und der andere Teil rotes Licht abstrahlt.
Das von den Leuchtdioden D abgestrahlte Licht tritt an der Rückseite einer Lichtmischgeometrie LM, die hier als Lichtkanal oder Lichtkasten ausgeführt ist, in die Lichtmischgeometrie LM ein. Dazu deckt eine die Leuchtdioden D tragende Platine die Rückseite, insbesondere die rückseitige Öffnung, der Lichtmischgeometrie LM im Wesentlichen ab.
Insbesondere die seitlichen Innenflächen des Lichtkanals sind lichtreflektierend, insbesondere spiegelnd ausgeführt, so dass das an der Rückseite in den Lichtkanal eingespeiste Licht der Leuchtdioden nahezu verlustfrei innerhalb des Lichtkanals von der Rückseite zur Vorderseite, insbesondere der vorderseitigen Lichtaustrittsseite, des Lichtkanals geführt wird. Durch die dabei auftretenden Mehrfachreflexionen der Lichtbündel an den Innenseiten des Lichtkanals kommt es zu einer nahezu kompletten Mischung des grünen und roten Lichts der grünen und roten Leuchtdioden D zu gelbem Licht.
Das orange Licht tritt an der Vorderseite der Lichtmischgeometrie LM aus und fällt auf eine unmittelbar an die Lichtmischgeometrie angrenzende Streuscheibe S, durch welche das Licht gestreut wird.
Das durch die Lichtmischgeometrie LM gemischte und durch die Streuscheibe S gestreute Licht fällt auf eine entsprechend positionierte Kondensorlinse K, durch welche das Licht auf die Bilderzeugungseinrichtung LCD gelenkt wird.
Das durch die Bilderzeugungseinrichtung LCD basierend auf dem - auf die Bilderzeugungseinrichtung LCD gelenkten - Licht erzeugte Bild wird über eine an sich bekannte Abbildungseinrichtung AE, beispielsweise ein optisches System umfassend Spiegel und/oder Linsen, in an sich bekannter Weise auf die Windschutzscheibe WS eines Fahrzeuges projiziert.
Dieses Bild ist beispielsweise für einen Fahrer des Fahrzeuges dann aus einer so genannten Eyebox EB heraus scharf sichtbar.
Das dargestellte Head-up-Display kann neben den erläuterten Komponenten weitere für ein Head-up-Display typische Komponenten, wie verschiedene Filter, Abbildungsoptiken, ein Gehäuse, Steuereinrichtungen, etc., aufweisen, auf welche lediglich der Einfachheit halber nicht näher eingegangen wurde.
2 zeigt ein zu dem anhand von 1 erläuterten Head-up-Display analoges Head-up-Display HUD, bei dem die Kondensorlinse durch einen Kondensorspiegel K ersetzt ist.

Claims

Head-up-Display (HUD) - mit einer Bilderzeugungseinrichtung (LCD) zur Erzeugung eines Bildes und mit einem optischen System (AE) zur Projektion des Bildes in eine Windschutzscheibe (WS) eines Fahrzeuges und - mit einem Lichtsystem zum Beleuchten der Bilderzeugungseinrichtung (LCD), - wobei das Lichtsystem eine Vielzahl von Lichtquellen (D) umfasst, denen eine Lichtmischgeometrie (LM) nachgeschaltet ist, und - wobei die Lichtmischgeometrie (LM) jeweils an der Innenseite reflektierende Begrenzungsflächen umfasst, um das Licht der Lichtquellen (D) zu mischen und zu homogenisieren, - wobei die Länge der Lichtmischgeometrie von der Lichteintrittsseite bis zur Lichtaustrittsseite mindestens so groß ist wie der Abstand der Lichtquellen aus der Vielzahl von Lichtquellen, welche den größten Abstand zueinander aufweisen, -wobei das Lichtsystem einen Diffusor (S) umfasst, welcher der Lichtmischgeometrie (LM) derart nachgeschaltet ist, dass das aus der Lichtmischgeometrie (LM) austretende Licht durch den Diffusor (S) gestreut wird, und wobei das Lichtsystem eine Kondensoroptik (K) umfasst, welche der Lichtmischgeometrie (LM) und dem Diffusor (S) derart nachgeschaltet ist, dass das gemischte, homogenisierte und gestreute Licht auf die Bilderzeugungseinrichtung (LCD) gelenkt wird.
Head-up-Display (HUD) nach Anspruch 1, bei dem die Bilderzeugungseinrichtung (LCD) ein Display, insbesondere ein LCD, umfasst.
Head-up-Display (HUD) nach einem der vorhergehenden Ansprüche bei dem die Bilderzeugungseinrichtung (LCD) zur Erzeugung eines Bildes durch das Lichtsystem transmittierend oder reflektierend beleuchtet wird.
Head-up-Display (HUD) nach einem der vorhergehenden Ansprüche bei dem an der Rückseite der Lichtmischgeometrie (LM) durch die Vielzahl von Lichtquellen (D) Licht in die Lichtmischgeometrie (LM) abgestrahlt wird, bei dem das Licht durch Reflexionen an den reflektierenden Begrenzungsflächen homogenisiert wird, und bei dem das homogenisierte Licht an der Vorderseite der Lichtmischgeometrie (LM) aus der Lichtmischgeometrie (LM) austritt.
Head-up-Display (HUD) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Bilderzeugungsrichtung (LCD) das optische System (AE) zum Abbilden des Bildes auf die Windschutzscheibe des Fahrzeuges nachgeschaltet ist.
Head-up-Display (HUD) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Lichtmischgeometrie (LM) einen vieleckigen, insbesondere rechteckigen, Querschnitt aufweist.
Head-up-Display (HUD) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Lichtmischgeometrie (LM) einen Lichtleiter umfasst, in den das Licht der Lichtquellen an der Rückseite des Lichtleiters eingekoppelt wird.
Head-up-Display (HUD) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Lichtmischgeometrie (LM) einen hohlen Kanal umfasst, wobei die den Kanal begrenzenden Flächen an der Innenseite lichtreflektierend, insbesondere spiegelnd, ausgeführt sind.
Fahrzeug mit einem Head-up-Display (HUD) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das durch das Head-up-Display (HUD) erzeugte Bild auf eine Windschutzscheibe des Fahrzeuges abgebildet wird.