DE102009002189A1

DE102009002189A1 - Head-up display for displaying information to driver of vehicle e.g. car, has reflecting surface formed between reflection polarization foil and light source, and reflecting light reflected from polarization foil to light valve

Info

Publication number: DE102009002189A1
Application number: DE200910002189
Authority: DE
Inventors: Hans-Georg Heckmann
Original assignee: LINOS Photonics GmbH and Co KG
Current assignee: Qioptiq Photonics GmbH and Co KG
Priority date: 2009-04-03
Filing date: 2009-04-03
Publication date: 2010-10-14

Abstract

The display has a projection unit (1), and a light valve (8) e.g. LCD, for producing a virtual image. The light valve is illuminated by an illumination unit (13) that comprises a light source e.g. LED array. A combiner (2) is arranged for viewing the image. The illumination unit comprises a reflection polarization foil, which is arranged between the light source and the light valve so that the polarization foil reflects light emitted from the light source. A reflecting surface is formed between the foil and the light source, and reflects light reflected from the foil to the light valve.

Description

Die Erfindung betrifft ein Head-up Display nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 und eine Beleuchtungseinheit für ein Head-up Display nach dem Oberbegriff von Anspruch 9.The The invention relates to a head-up display according to the preamble of Claim 1 and a lighting unit for a head-up Display according to the preamble of claim 9.

Mittels Head-up Displays werden dem Fahrer eines Fahrzeuges relevante Informationen während der Fahrt angezeigt. Diese werden im Bereich der Windschutzscheibe in das Sichtfeld des Fahrers eingeblendet. Um die Sicht des Fahrers dabei möglichst wenig zu behindern, wird das eingeblendete Bild als virtuelles Bild vor der Windschutzscheibe dargestellt, so dass der Fahrer möglichst gleichzeitig die Umgebung und die eingeblendeten Daten beobachten kann, ohne das Auge unterschiedlich akkommodieren zu müssen.through Head-up displays are the driver of a vehicle relevant information displayed while driving. These are in the field of Windshield in the field of view of the driver appears. Around to obstruct the driver's view as little as possible the image appears as a virtual image in front of the windshield presented so that the driver as possible simultaneously can observe the environment and the displayed data, without to have to accommodate the eye differently.

Die Anforderungen, ein solches Head-up Display in einem Fahrzeug, wie z. B. einem Auto, einem Schiff oder einem LKW verwenden zu können, stellen für die Entwicklung eine große Herausforderung dar. Verglichen mit aeronautischen HUD's müssen aus preislichen Gründen Zugeständnisse gemacht werden. Dennoch besteht der Wunsch eine möglichst große Etendue (Bildfeld, Eyebox) mit preisgünstigen und serientauglichen Mitteln platzsparend und unter engen geometrischen Randbedingungen zu realisieren.The Requirements, such a head-up display in a vehicle, such as z. B. to use a car, a ship or a truck can provide a big challenge for development Compared with aeronautical HUD's must be priced Reasons concessions are made. Yet the desire exists for the largest possible etendue (Image field, Eyebox) with low-priced and production-ready Space-saving and under tight geometric boundary conditions realize.

Ein Head-up Display, das diese Anforderungen im Wesentlichen erfüllt, ist aus der DE 10 2007 047 232 bekannt. Hier wird das Bild, das auf einem Display angezeigt wird, über einen zweistufigen optischen Aufbau, also über eine Zwischenabbildung und einen separaten Combiner projiziert, welcher sich im Sichtfeld des Betrachters vor der Windschutzscheibe befindet. Der Abbildungsstrahlengang wird durch optische Elemente gefaltet, um eine kompakte Ausgestaltung des Head-up Displays zu ermöglichen. Problematisch bei diesem Head-up Display ist lediglich die Realisierung der Beleuchtungseinheit. Ein Head-up Display mit großer Etendue verlangt eine recht große Lichtmenge. Das von der Lichtquelle ausgesandte Licht wird jedoch nur zu einem geringen Teil vom LCD, welches für die Bilderzeugung verwendet wird, transmittiert.A head-up display that essentially meets these requirements is out of the box DE 10 2007 047 232 known. Here, the image displayed on a display is projected over a two-stage optical structure, that is via an intermediate image and a separate combiner, which is in front of the windshield in the field of view of the viewer. The imaging beam path is folded by optical elements to allow a compact design of the head-up display. The problem with this head-up display is only the realization of the lighting unit. A head-up display with a large etendue requires a fairly large amount of light. However, the light emitted from the light source is transmitted only to a small extent by the LCD used for image formation.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Head-up Display mit großem Gesichtsfeld und starker Vergrößerung mit einer lichtstarken Beleuchtungseinheit auszustatten.Of the Invention is based on the object, a head-up display with large Field of view and high magnification with one equip bright lighting unit.

Gelöst wird die Aufgabe gemäß der Erfindung durch ein Head-up Display mit den Merkmalen von Anspruch 1 und eine Beleuchtungseinheit für ein Head-up Display mit den Merkmalen von Anspruch 9.Solved the object is achieved according to the invention by a Head-up display with the features of claim 1 and a lighting unit for a head-up display with the features of claim 9th

Erfindungsgemäß ist in einem Head-up Display für ein Fahrzeug, mit einer Projektionseinheit zum Projizieren eines virtuellen Bildes, welches mittels eines, von einer, eine Lichtquelle umfassenden, Beleuchtungseinheit beleuchteten, einen Polarisator umfassenden Lichtventils erzeugt wird auf einen Combiner zum Betrachten des virtuellen Bildes, in der Beleuchtungseinheit eine Reflexionspolarisations-Folie zwischen Lichtquelle und Lichtventil angeordnet, so dass sie von der Lichtquelle emittiertes Licht, welches vom Polarisator des Lichtventils nicht transmittiert würde, reflektiert und zwischen der Reflexionspolarisations-Folie und der Lichtquelle ist eine reflektierende Fläche angeordnet, welche von der Reflexionspolarisations-Folie reflektiertes Licht zum Lichtventil zurückreflektiert. Eine Lichtquelle eines Heda-up Display wie bspw. ein LED-Array, ein HID (High Intensity Discharge) oder eine thermische Lichtquelle, sendet unpolarisiertes Licht aus. Ein Lichtventil, wie ein Flüssigkristalldisplay wie z. B. ein LCD oder TFT, lässt nur Licht einer Polarisationsrichtung durchtreten. Das Licht der anderen Polarisationsrichtung wird gestreut und geht verloren bzw. erwärmt sogar das Lichtventil. Damit ist die Effizienz einer Beleuchtungseinheit mit einen Lichtventil hinsichtlich der emittierten Licht menge nicht sonderlich groß. Um die Effizienz zu erhöhen wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, eine Reflexionspolarisations-Folie in Strahlrichtung vor dem Lichtventil anzuordnen, so dass der Lichtanteil, der Polarisationsrichtung, welche das Lichtventil nicht passieren kann, an der Reflexionspolarisations-Folie reflektiert wird. Zwischen der Lichtquelle und der Reflexionspolarisations-Folie befindet sich eine zumindest bereichsweise reflektierende Fläche, an welcher dieser reflektierte Lichtanteil zurück zum Lichtventil reflektiert wird. Bei der mehrfachen Rückreflexion des, vorab für das Lichtventil nicht nutzbaren, Lichtanteils zum Lichtventil kann sich die Polarisationsrichtung des Lichts ändern, so dass dieses Licht geänderter Polarisationsrichtung nunmehr durch die Reflexionspolarisations-Folie durchtreten und vom Lichtventil genutzt werden kann. Damit wird ein Teil des vorab für das Lichtventil nicht nutzbaren Lichts nunmehr nutzbar. Die Effizienz der Beleuchtungseinheit erhöht sich deutlich durch die Verwendung einer Reflexionspolarisations-Folie, welche als Standardelement z. B. unter der Bezeichnung „Vikuiti Brightness Enhancement Film (BEF)” oder „Vikuiti Reflektive Polarizer Film (RPF)” vergleichsweise kostengünstig in verschiedenen Ausführungen erhältlich sind. Damit kann mit einfachen Mitteln die Effizienz der Beleuchtungseinheit und damit die Helligkeit des angezeigten Information am Head-up Display stark erhöht werden.According to the invention in a head-up display for a vehicle, with a projection unit for Projecting a virtual image using a, from a lighting unit comprising a light source, a polarizer comprising light valve is generated on a combiner for viewing the virtual image, in the lighting unit a reflective polarizing film between the light source and the light valve arranged so that they light emitted from the light source, which would not be transmitted by the polarizer of the light valve, reflected and between the reflective polarizing film and the Light source is arranged a reflective surface which reflected light from the reflection polarizing film to the Light valve reflected back. A light source of a Heda-up Display such as an LED array, a HID (High Intensity Discharge) or a thermal light source emits unpolarized light. A light valve, such as a liquid crystal display such. As an LCD or TFT leaves only light a polarization direction pass. The light of the other polarization direction is scattered and gets lost or even heats the light valve. In order to is the efficiency of a lighting unit with a light valve in terms of emitted light amount not particularly large. In order to increase the efficiency is proposed according to the invention, a reflective polarizing film in the beam direction in front of the light valve to arrange so that the light component, the polarization direction, which the light valve can not pass, on the reflective polarizing film is reflected. Between the light source and the reflective polarizing film there is an at least partially reflective surface, at which this reflected light component back to the light valve is reflected. In the multiple return reflection of, previously not usable for the light valve, light component to the light valve, the polarization direction of the light can change, so that this light changed polarization direction now through the reflective polarizing film and from the light valve can be used. This will be part of the advance for the light valve of unusable light can now be used. The efficiency the lighting unit increases significantly through the Using a reflective polarizing film, which as a standard element z. B. under the name "Vikuiti Brightness Enhancement Film (BEF) "or" Vikuiti Reflective Polarizer Film (RPF) "comparatively inexpensive in different Versions are available. This can be done with simple Means the efficiency of the lighting unit and thus the brightness of the information displayed on the head-up display greatly increased become.

In einer vorteilhaften Ausführungsform ist in der Beleuchtungseinheit, zwischen der Lichtquelle und der Reflexionspolarisations-Folie ein Mikrolinsenarray mit Positivlinsen angeordnet. Dieses dient zum einen der Homogenisierung des Beleuchtungslichts, zum anderen schafft die Fokussierung durch die Positivlinsen Bereiche, die nicht von dem, von der Lichtquelle emittierten, Licht durchdrungen sind. In diese Bereiche können für die Rückreflexion zum Lichtventil genutzt werden. Hier kann z. B. eine Folie angeordnet werden, welche in diesen Bereichen reflektierend ist, in anderen Gebieten das, durch den Bereichen, auf die das Licht vom Mikrolinsenarray hin abgebildet wird, dagegen Licht durchlässig. Dadurch ergibt sich eine einfache Möglichkeit, Reflektoren für die Rückreflexion des Lichts zum Lichtventil vorzusehen, ohne dabei den Strahlengang des, von der Lichtquelle direkt emittier ten Lichts zu beeinträchtigen. Vorzugsweise sind Bereiche an der, der Reflexionspolarisations-Folie zugewandten, Seite des Mikrolinsenarrays als Reflektoren ausgebildet. Vorteilhaft ist es, das Mikrolinsenarray hierzu bereichsweise mit einer Reflex-Beschichtung zu versehen. Derartige Mikrolinsenarrays tragen also ohnehin zur besseren Qualität der Beleuchtungseinheit bei und können nebenbei auch ausgezeichnet als Reflektoren genutzt werden, die dafür Gewähr tragen, dass der Strahlengang der ursprünglich von der Lichtquelle ausgesandten Strahlung nicht durch die Reflektoren beeinträchtigt wird. Die Mikrolinsenarrays können aus Mikrolinsen oder Mikroprismen oder auch aus Zylinderlinsen aufgebaut sein. Insbesondere Zylinderlinsenarrays sind kostengünstige Elemente und deshalb besonders vorteilhaft. So ist das Mikrolinsenarray als Zylinderlinsenarray, bevorzugt als Array gekreuzter Zylinderlinsen ausgebildet. Die reflektierenden Flächen befinden sich bei diesen Mikrolinsenarrays vorzugsweise auf der zur Abbildung des Lichts ungenutzten Oberfläche, welche diese Mikrolinsenarrays herstellungsbedingt üblicherweise aufweisen.In an advantageous embodiment, a microlens array with positive lenses is arranged in the illumination unit, between the light source and the reflective polarization film. This serves for a homogenization of the illumination On the other hand, the focusing by the positive lenses creates areas that are not penetrated by the light emitted by the light source. These areas can be used for the return reflection to the light valve. Here can z. B. a film are arranged, which is reflective in these areas, in other areas that, through the areas to which the light from the microlens array is shown, on the other hand, light transmissive. This results in a simple way to provide reflectors for the return reflection of the light to the light valve, without affecting the beam path of the, directly from the light source th light emitted. Preferably, regions on the side of the microlens array facing the reflection-polarization film are designed as reflectors. It is advantageous to provide the microlens array to this area partially with a reflective coating. Such microlens arrays thus contribute in any case to the better quality of the lighting unit and can incidentally also be used excellently as reflectors which ensure that the beam path of the radiation originally emitted by the light source is not impaired by the reflectors. The microlens arrays can be constructed from microlenses or microprisms or also from cylindrical lenses. In particular cylindrical lens arrays are inexpensive elements and therefore particularly advantageous. Thus, the microlens array is designed as a cylindrical lens array, preferably as an array of crossed cylindrical lenses. In the case of these microlens arrays, the reflective surfaces are preferably located on the surface which is unused for imaging the light and which these microlens arrays usually have as a result of production.

Bei Beleuchtungseinheiten, bei denen auf ein weiteres Mikrolinsenarray in der Sekundäroptik der Beleuchtungseinheit verzichtet wird, werden vorzugsweise die ungenutzten Flächen eines, üblicherweise im Zusammenhang mit der Lichtquelle, vorzugsweise einem LED-Array genutzten, Kollimatorlinsenarrays in der Primäroptik der Beleuchtungseinheit als reflektierende Flächen genutzt. Derartige Kollimatorlinsenarrays werden in einem solchen Ausführungsbeispiel bevorzugt als Kollimatoren genutzt, da sie nicht nur als Kollimatoren dienen sondern gleichzeitig ein Mikrolinsenarray mit reflektierenden Bereichen bereitstellen.at Lighting units in which to another microlens array omitted in the secondary optics of the lighting unit are preferably the unused areas of, usually in connection with the light source, preferably an LED array used, Kollimatorlinsenarrays in the primary optics of Lighting unit used as reflective surfaces. Such collimator lens arrays are used in such an embodiment preferably used as collimators, as they are not only called collimators but at the same time a microlens array with reflective Provide areas.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist zwischen der Reflexionspolarisations-Folie und der reflektierenden Fläche ein Polarisationswandler angeordnet. Dieser ist bevorzugt als Verzögerungsfolie und damit kostengünstig ausgebildet. Der Polarisationswandler ist bevorzugt als λ/4-Platte realisiert. Der Polarisationswandler ist so angeordnet, dass das, an der Reflexionspolarisations-Folie reflek tierte, für das Lichtventil verlorene, Licht sie nach der Reflexion an der Reflexionspolarisations-Folie einmal und nach der Rückreflexion an der reflektierenden Fläche, vorzugsweise des Mikrolinsenarrays ein zweites Mal durchtritt. Bei zwei maligen Durchtreten des Polarisationswandlers wird die Polarisationsrichtung des, von dem Lichtventil nicht nutzbaren, linear polarisierten Lichts um 90° gedreht. Damit hat es bei erneutem Auftreffen auf die Reflexionspolarisations-Folie die Polarisationsrichtung, welche der des Lichtventils entspricht und kann ungehindert durch die Reflexionspolarisations-Folie treten und wird vom Lichtventil transmittiert. Der vorab vom Lichtventil nicht nutzbare Lichtanteil ist nun verwertbar. Der Polarisationswandler ändert gezielt die Polarisationsrichtung so, dass vorab nicht nutzbare Lichtanteil bei seinen erneuten Weg zum Lichtventil die, dem Polarisator des Lichtventils entsprechende Polarisation aufweist. Damit kann das Lichtventil das von der Beleuchtungseinheit erzeugte Licht zu einem sehr hohen Anteil nutzen.In a further advantageous embodiment is between the reflective polarizing film and the reflective surface arranged a polarization converter. This is preferred as a retardation film and thus formed inexpensively. The polarization converter is preferably realized as a λ / 4 plate. The polarization converter is arranged so that the reflected on the reflective polarizing film, for the light valve lost, light it after the reflection on the reflective polarizer film once and after the back reflection on the reflective surface, preferably of the microlens array passes through a second time. With two passes through the polarization converter the direction of polarization of the, not usable by the light valve, linearly polarized light rotated by 90 °. It has it when hitting the reflective polarizing film again Polarization direction, which corresponds to that of the light valve and can pass unhindered through the reflective polarizing film and is transmitted by the light valve. The advance from the light valve unusable proportion of light is now usable. The polarization converter changes specifically the polarization direction so that not previously usable Light on his return to the light valve, the polarizer of the light valve has corresponding polarization. So that can the light valve to the light generated by the lighting unit use a very high proportion.

In einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel handelt es sich bei der Reflexionspolarisations-Folie um eine, welche den, vom Lichtventil nicht nutzbaren, Lichtanteil im Wesentlichen gerichtet reflektiert. Die Reflexionspolarisations-Folie hat hierzu vorteilhafter Wiese eine im Wesentlichen glatte Oberfläche. Dadurch wird dieser, vom Lichtventil nicht nutzbare, Lichtanteil kontrolliert zu einer weiteren reflektierenden Fläche geleitet, von der aus er erneut zurückreflektiert werden kann. Vorteilhaft ist hierbei, dass Verluste des Lichts, wie sie bspw. bei einer diffusen Reflexion entstehen können, weitgehen vermieden werden. Nachteilig ist, dass sich bei der gerichteten Reflexion, an bevorzugt parallel zueinander angeordneten Flächen, keine Änderung der Polarisationsrichtung ergibt. Dies wird erfindungsgemäß durch das Anordnen des Polarisationswandlers, zwischen diesen reflektierenden Flächen bewirkt.In a further advantageous embodiment the reflective polarizing film is one which from the light valve not usable, light component substantially directed reflected. The reflective polarizing film has this more advantageous Meadow has a substantially smooth surface. This will this, of the light valve not usable, light component controlled directed to another reflective surface, from which can be reflected back out of it again. Advantageous Here is that loss of light, such as in a diffuse Reflection can arise, be far avoided. The disadvantage is that in the directional reflection, preferably parallel surfaces, no change the polarization direction results. This is inventively arranging the polarization converter, between these reflective Areas causes.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen im Zusammenhang mit der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels, das anhand der Zeichnungen eingehend erläutert wird.Further Details and advantages of the invention will become apparent from the dependent claims in connection with the description of an embodiment, which will be explained in detail with reference to the drawings.

Es zeigen:It demonstrate:

1 Schematisch ein erfindungsgemäßes Head-up Display, 1 Schematically an inventive head-up display,

2 schematisch eine Beleuchtungseinheit eines Head-up Displays, 2 schematically a lighting unit of a head-up display,

3 Komponenten der Beleuchtungseinheit der 2 in einer räumlichen Darstellung und 3 Components of the lighting unit of the 2 in a spatial representation and

4 eine Komponente aus der Beleuchtungseinheit der 2 in vergrößerter Darstellung. 4 a component of the lighting unit of 2 in an enlarged view.

Die 1 zeigt in einer schematischen Darstellung den Aufbau eines erfindungsgemäßen Head-up Displays, welches in ein Kraftfahrzeug eingebaut ist. Das Head-up Display weist eine Projektionseinheit 1 und eine Combinereinheit 2 auf. Im Strahlengang zwischen diesen beiden Komponenten befindet sich ein Planspiegel 3, welcher über ein Koppelgetriebe 4 und eine Verlängerung 5 mit dem Combiner 2 in Verbindung steht und eine Abdeckung 6, die die optische Einheit des Head-up Displays im Cockpit des Kraftfahrzeuges einschließt. Projektionseinheit 1, Planspiegel 3 und Koppelgetriebe 4 befinden sich unterhalb der Abdeckung 6, die Combinereinheit 2 befindet sich oberhalb der Abdeckung vor der Windschutzscheibe 7.The 1 shows a schematic representation of the structure of a head-up display according to the invention, which is installed in a motor vehicle. The head-up display has a projection unit 1 and a combiner unit 2 on. In the beam path between these two components is a plane mirror 3 , which via a coupling gear 4 and an extension 5 with the combiner 2 communicates and a cover 6 which includes the optical unit of the head-up display in the cockpit of the motor vehicle. projection unit 1 , Plane mirror 3 and coupling gear 4 are located below the cover 6 , the combinatorial unit 2 is located above the cover in front of the windshield 7 ,

In Strahlrichtung vor der Projektionseinheit 1 des erfindungsgemäßen Head-up Displays ist ein Lichtventil 8 angeordnet, welches als Flüssigkristallanzeige z. B. LCD, TFT oder STN ausgebildet ist.In the beam direction in front of the projection unit 1 the head-up display according to the invention is a light valve 8th arranged, which as a liquid crystal display z. B. LCD, TFT or STN is formed.

Die Projektionseinheit 1 weist eine Kombination aus einer ersten Linse 9, einer zweiten Linse 10 und einem zwischen diesen beiden Linsen 9, 10 angeordneten Manginspiegel 11 auf.The projection unit 1 has a combination of a first lens 9 , a second lens 10 and one between these two lenses 9 . 10 arranged mangin mirror 11 on.

Das vom Head-up Display anzuzeigende Bild wird mittels des Lichtventils 8 erzeugt. Dieses anzuzeigende Bild wird über die optischen Elemente 9, 10 und 11 der Projektionseinheit 1 in ein Zwischenbild 12 abgebildet. Zur Beleuchtung des Lichtventils 8 ist in Strahlrichtung vor diesem eine Beleuchtungseinheit 13 angeordnet. Diese wird in den folgenden Figuren detailliert beschrieben.The image to be displayed by the head-up display is controlled by the light valve 8th generated. This image to be displayed is about the optical elements 9 . 10 and 11 the projection unit 1 in an intermediate picture 12 displayed. For lighting the light valve 8th is in front of this a lighting unit in the beam direction 13 arranged. This will be described in detail in the following figures.

Beim Durchlaufen der Kunststofflinsen 9 und 10 wird das Bild stark vergrößert, so dass ein großer Einblickbereich und ein großes Gesichtsfeld realisiert werden kann, gleichzeitig wird über diese Linsen 9 und 10 eine Abbildung in ein Zwischenbild 12 vorgenommen. Die bei der Abbildung in ein Zwischenbild 12 hervorgerufene Bildfeldwölbung (durch Combiner 2 und Manginspiegel 11) kann dabei direkt durch die Linsen 9 und 10 wieder kompensiert werden, da diese als Positivlinsen ausgebildet sind. Bei dieser Abbildung kommt es jedoch insbesondere bei der Verwendung von Kunststofflinsen und der Abbildung mit großem Gesichtsfeld zu starken Farbfehlern. Deshalb wird zwischen den Positivlinsen 9 und 10 ein Manginspiegel 11 angeordnet, über den sowohl eine Faltung des Strahlenganges als auch eine Korrektur der durch die Linsen 9 und 10 hervorgerufenen Farbfehler vorgenommen wird. Um eine optimale Farbfehlerkorrektur gewährleisten zu können sind die Linsen 9 und 10 und die als Bestandteil des Manginspiegels 11 vorgesehene Negativlinse aus sehr ähnlichem, vorzugsweise demselben Material gefertigt. Um die Korrektur der Farblängs- und Farbquerfehler zu gewährleisten, wurde der Manginspiegel 11 so positioniert, dass er in der Aperturblende liegt. Hierdurch können weitere Elemente, z. B. mit anderen Dispersionen oder diffraktive optische Elemente zur Farbkorrektur vermieden werden. Die Farbkorrektur wird durch die Kombination von Positivlinse 9 für die telezentrische Abbildung des auf dem Display 8 erzeugten Bildes, dem Manginspiegel 11 mit seiner Negativlinse und einer weiteren im Strahlengang nach dem Manginspiegel angeordneten Positivlinse 10 allein gewährleistet. Dies geschieht im Wesentlichen durch die Auswahl ähnlicher bzw. identischer Materialien für die Linsen und die gewählte Position des Manginspiegels 11. Erst hierdurch wird es möglich, ein mehrfarbiges System mit einem großen Gesichtsfeld und einer so großen Eye-Box zu erzeugen.When passing through the plastic lenses 9 and 10 the image is greatly enlarged, so that a large viewing area and a large field of view can be realized, at the same time is about these lenses 9 and 10 an illustration in an intermediate image 12 performed. The in the picture in an intermediate picture 12 caused field curvature (by combiner 2 and manganese levels 11 ) can be directly through the lenses 9 and 10 be compensated again, since they are designed as positive lenses. However, this illustration is subject to severe color aberrations, particularly when using plastic lenses and large field of view imaging. That's why between the positive lenses 9 and 10 a mango mirror 11 arranged over the both a folding of the beam path as well as a correction by the lenses 9 and 10 caused color error is made. In order to ensure optimal color aberration, the lenses are 9 and 10 and as part of the mangin level 11 provided negative lens made of very similar, preferably made of the same material. To ensure the correction of color longitudinal and lateral chromatic aberration, the manganese level was 11 positioned so that it lies in the aperture stop. As a result, further elements, for. B. be avoided with other dispersions or diffractive optical elements for color correction. The color correction is achieved by the combination of positive lens 9 for the telecentric picture of the on display 8th generated image, the manganese mirror 11 with its negative lens and another in the beam path to the Manginspiegel arranged positive lens 10 only guaranteed. This is done essentially by selecting similar or identical materials for the lenses and the selected position of the manganese mirror 11 , Only then will it be possible to create a multi-color system with a large field of view and such a large eye-box.

Das Zwischenbild 12 wird über einen Planspiegel 3 und einem Combiner 2 in ein virtuelles Bild projiziert, an dem es vom Fahrer des Kraftfahrzeuges betrachtet werden kann. Der Combiner 2 ist relativ stark gekrümmt, er hat eine hohe Brechkraft. Hierdurch ist es möglich auch die vom Rand der Eye-Box zum Rand des virtuellen Bildes verlaufenden Strahlen zu erfassen ohne dafür extrem große Optikelemente in der Projektionseinheit 1 verwenden zu müssen. Der Combiner 2 ist als Freiformfläche ausgebildet und mehrfach beschichtet. Doppelbild-Unterdrückung, Reflektivität und Transmission werden durch diese Beschichtung gewährleistet. Insbesondere ist hier das so genannte Tripple-Notch-Coating zu erwähnen, eine Beschichtung, welche für drei bestimmte Wellenlängenbereiche eine erhöhte Reflektivität bei konstanter mittlerer Transmission erlaubt. Diese speziell an die Farbspektren angepasste Beschichtung ist auf der reflektiven Konkavseite des Combiners 2 angebracht.The intermediate picture 12 is over a plane mirror 3 and a combiner 2 projected into a virtual image, where it can be viewed by the driver of the motor vehicle. The combiner 2 is relatively strongly curved, he has a high refractive power. This makes it possible to also detect the rays running from the edge of the eye box to the edge of the virtual image without extremely large optical elements in the projection unit 1 to use. The combiner 2 is designed as a freeform surface and coated several times. Double-image suppression, reflectivity and transmission are ensured by this coating. In particular, mention should be made here of the so-called triple-notch coating, a coating which permits increased reflectivity with constant mean transmission for three specific wavelength ranges. This specially adapted to the color spectra coating is on the reflective concave side of the combiner 2 appropriate.

Sowohl Planspiegel 3 als auch Combiner 2 sind beweglich gelagert und über ein Koppelgetriebe 4 und eine Verlängerung 5 dessen miteinander verbunden. Über eine Bewegung des Koppelgetriebes 4 mittels einer nicht dargestellten Antriebseinheit wird das Bild bzw. die Eye-Box des Betrachters höhenverstellt und kann somit auf die Sitzeinstellung oder die Größe des Betrachters angepasst werden. Damit der Combiner 2 bei der Bewegung um den kleinen Winkelbereich nicht aus dem Strahlengang herausschwenkt, muss der Planspiegel 3 mit halber Winkelgeschwindigkeit nachgedreht werden. Dabei sollen sich der Combiner 2 und der Planspiegel 3 um die selbe Achse drehen, die vorzugsweise auf der Oberfläche des Planspiegels 3 liegen soll.Both plane mirror 3 as well as combiner 2 are movably mounted and via a coupling gear 4 and an extension 5 its interconnected. About a movement of the linkage 4 By means of a drive unit, not shown, the image or the eye box of the observer is adjusted in height and can thus be adapted to the seat adjustment or the size of the viewer. So that the combiner 2 when moving around the small angle range does not swing out of the beam path, the plane mirror must 3 be turned at half the angular speed. This should be the combiner 2 and the plane mirror 3 turn around the same axis, preferably on the surface of the plane mirror 3 should lie.

Diese Realisierung insbesondere eines mehrfarbigen Systems mit einem großen Gesichtsfeld und einer so großen Eye-Box verlangt eine große Lichtmenge. Da das Lichtventil 8, gerade wenn es wie hier mit Polarisatoren arbeitet, einen großen Anteil des, von der Beleuchtungseinheit 13 emittierten Lichts nicht transmittiert, ist demzufolge eine sehr effiziente Beleuchtungseinheit 13 notwendig. Eine derartige, speziell für diesen Aufbau optimierte ist in der 2 schematisch dargestellt. Sie umfasst eine Lichtquelle 20, in durch die Pfeile angedeuteter Strahlrichtung hinter der ein Kollimator 21 angeordnet ist, gefolgt von einem Mikrolinsenarray 22, einer Verzögerungsfolie 23, welche auch λ/4-Platte genannt wird und einer Reflexionspolarisations-Folie 24. Die Komponenten Kollimator 21, Mikrolinsenarray 22, Verzögerungsfolie 23 und Reflexionspolarisations-Folie 24 sind nacheinander, jeweils parallel zueinander zwischen der Lichtquelle 20 und dem Polarisator 25 des Lichtventils 8 angeordnet. Die 3 zeigt die Komponenten Mikrolinsenarray 22, Verzögerungsfolie 23, Reflexionspolarisations-Folie 24 und Polarisator 25 zur Veranschaulichung noch einmal schematisch in einer räumlichen Darstellung.This realization in particular of a multicolor system with a large field of view and such a large eye-box requires a large amount of light. Because the light valve 8th Just when it works with polarizers like here, a large proportion of the, from the lighting unit 13 emitted light is not transmitted, is therefore a very efficient lighting unit 13 necessary. One of the like, specially optimized for this structure is in the 2 shown schematically. It includes a light source 20 in the beam direction indicated by the arrows behind a collimator 21 is arranged, followed by a microlens array 22 , a delay film 23 , which is also called λ / 4 plate and a reflective polarizing film 24 , The components collimator 21 , Microlens array 22 , Retardation film 23 and reflective polarizing film 24 are successively, each parallel to each other between the light source 20 and the polarizer 25 of the light valve 8th arranged. The 3 shows the components microlens array 22 , Retardation film 23 Reflection Polarizing Film 24 and polarizer 25 to illustrate again schematically in a spatial representation.

Als Lichtquelle 20 wird in diesem Ausführungsbeispiel ein LED-Array verwendet, bei dem die LED vorzugsweise hexagonal angeordnet sind, so dass sich eine möglichst große Leuchtdichte ergibt. Anstelle der LED können auch andere Lichtquellen wie HID (High Intensity Discharge) oder thermische Quellen verwendet werden. Vorzugsweise handelt es sich um eine kostengünstige, lichtintensive Lichtquelle 20. Das von dieser Lichtquelle 20 emittierte, unpolarisiertes Licht ist jedoch beim Durchtritt durch einen Polarisator 25 eines Lichtventils 8, wie es in einem Head-Up Display verwendet wird, starken Verlusten unterworfen. Das Licht, welches nicht der Polarisationsrichtung des Polarisators 25 entspricht geht verloren, d. h. es wird von ihm gestreut. Um dieses verlorene Licht zurückzugewinnen, und damit die Effizienz des Systems aus Beleuchtungseinheit 13 und Lichtventil 8 maßgeblich zu steigern, sind die erfindungsgemäßen Komponenten in der Beleuchtungseinheit 13 vorgesehen. Die Reflexionspolarisations-Folie 24 in Strahlrichtung vor dem Polarisator 25 hat eine Polarisationsrichtung senkrecht zu dem Polarisator 25, d. h. sie ist so ausgerichtet, dass sie den Anteil des von der Lichtquelle 20 emittierten Lichts, welcher nicht durch den Polarisator 25 durchtreten kann, reflektiert. Dieser, in herkömmlichen Beleuchtungseinheiten verlorene Lichtanteil, tritt durch die Verzögerungsfolie 23 und wird dort zirkular polarisiert. Dieses zirkular polarisierte Licht kommt zurück zum Mikrolinsenarray 22 auf deren, der Reflexionspolarisations-Folie 24 zugewandten, Oberfläche 26 sich reflektierende Bereiche 27 befinden, welche anhand des, in der 4 in vergrößerter Schnittansicht gezeigten Mikrolinsenarray 22 noch einmal detaillierter dargestellt sind. An diesen reflektierenden Bereichen wird der verlorene Lichtanteil erneut in Richtung des Polarisators 25 reflektiert. Er durchläuft nach der Reflexion an dem Mikrolinsenarray 22 erneut die Verzögerungsfolie 23, an der die Polarisation des verlorenen Lichts erneut geändert wird. Aus dem zirkular polarisierten Licht wird wieder linear polarisiertes Licht, wobei jedoch die Polarisationsrichtung nach dem zweiten Durchlaufen der Verzögerungsfolie 23 senkrecht zu der ursprünglichen, also derjenigen des von der Reflexionspolarisations-Folie 24 reflektierten Lichts ist. Damit entspricht die Polarisationsrichtung nunmehr der, welche der Polarisator 25 des Lichtventils 8 durchlässt, das Licht kann nunmehr für die Projektion des Head-up Displays genutzt werden. Die reflektierenden Bereiche 27 befinden sich auf der Oberfläche 26 des Mikrolinsenarrays 22, an den Einschnürstellen, also vom Licht ungenutzten Fläche an den Linsenarrays, welche sich insbesondere dann ergeben, wenn die Mikrolinsenarrays Positivlinsen 28, 29 aufweisen.As a light source 20 In this exemplary embodiment, an LED array is used in which the LEDs are preferably arranged hexagonally, so that the greatest possible luminance is obtained. Instead of the LED, other light sources such as HID (High Intensity Discharge) or thermal sources can also be used. It is preferably a low-cost, light-intensive light source 20 , That from this light source 20 However, emitted, unpolarized light is passing through a polarizer 25 a light valve 8th as used in a head-up display, subject to heavy losses. The light, which is not the polarization direction of the polarizer 25 equals lost, ie it is scattered by him. To regain this lost light, and thus the efficiency of the system of lighting unit 13 and light valve 8th To increase significantly, are the components of the invention in the lighting unit 13 intended. The reflection polarizing film 24 in the beam direction in front of the polarizer 25 has a polarization direction perpendicular to the polarizer 25 ie, it is oriented to reflect the proportion of the light source 20 emitted light, which is not through the polarizer 25 can pass through, reflected. This, lost in conventional lighting units light component, passes through the retardation film 23 and becomes circularly polarized there. This circularly polarized light comes back to the microlens array 22 on their, the reflection polarizing film 24 facing, surface 26 reflective areas 27 which are based on the, in the 4 in an enlarged sectional view shown microlens array 22 again shown in more detail. At these reflective areas, the lost portion of light is redone in the direction of the polarizer 25 reflected. It goes through the reflection on the microlens array 22 again the delay foil 23 at which the polarization of the lost light is changed again. From the circularly polarized light is again linearly polarized light, but the polarization direction after the second passage through the retardation film 23 perpendicular to the original, that is, that of the reflection polarizing film 24 reflected light is. Thus, the direction of polarization now corresponds to that of the polarizer 25 of the light valve 8th let through, the light can now be used for the projection of the head-up display. The reflective areas 27 are on the surface 26 of the microlens array 22 , At the constriction, so unused by the light surface on the lens arrays, which arise in particular when the microlens arrays positive lenses 28 . 29 exhibit.

11: Projektionseinheitprojection unit
22: CombinereinheitCombinereinheit
33: Planspiegelplane mirror
44: Koppelgetriebecoupling gear
55: Verlängerungrenewal
66: Abdeckungcover
77: WindschutzscheibeWindshield
88th: Lichtventillight valve
99: erste Linsefirst lens
1010: zweite Linsesecond lens
1111: ManginspiegelMangin mirror
1212: Zwischenbildintermediate image
1313: Beleuchtungeinheitlighting unit
2020: Lichtquellelight source
2121: Kollimatorcollimator
2222: MikrolinsenarrayMicrolens array
2323: Verzögerungsfolieretardation film
2424: Reflexionspolarisations-FolieReflection polarization film
2525: Polarisatorpolarizer
2626: Oberflächesurface
2727: Reflektierender Bereichreflective Area

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

- DE 102007047232 [0004]

Claims

Head-up display for a vehicle with a projection unit ( 1 ), one, one, one light source ( 20 ) comprehensive lighting unit ( 13 ), a polarizer ( 25 ) comprehensive light valve ( 8th ) for generating a virtual image and a combiner ( 2 ) for viewing the virtual image, characterized in that the illumination unit ( 13 ) a reflective polarizing film ( 24 ), which between light source ( 20 ) and light valve ( 8th ) is arranged so that they from the light source ( 20 ) emitted by the polarizer ( 25 ) of the light valve ( 8th ) would not be transmitted, reflected and a reflective surface ( 27 ) between the reflective polarizing film ( 24 ) and the light source ( 20 ) derived from the reflective polarizing film ( 24 ) reflected light to the light valve ( 8th ) reflected.

Head-up display according to claim 1, characterized in that the lighting unit ( 13 ), positive lenses ( 28 . 29 ) having microlens array ( 22 ), which between light source ( 20 ) and reflection polarizing film ( 24 ) is arranged.

Head-up display according to claim 2, characterized in that the microlens array ( 22 ) double sided lenses ( 28 . 29 ) having.

Head-up display according to claim 2 or 3, characterized in that the, the reflection polarizing film ( 24 ) facing surface ( 26 ) of the microlens array ( 22 ) reflective areas ( 27 ) having.

Head-up display according to claim 1 to 4, characterized in that between the reflection polarizing film ( 24 ) and the reflective surface ( 27 ) a polarization converter ( 23 ) is arranged.

Head-up display according to claim 5, characterized in that the polarization converter ( 23 ) is formed as a λ / 4 plate.

Head-up display according to claim 5, characterized in that the reflection polarizing film ( 24 ) is designed so that it reflects primarily directed.

Head-up display according to claim 7, characterized in that reflective polarizing film ( 24 ) and reflective surface ( 27 ) are arranged in mutually parallel planes.

Lighting unit ( 13 ) for a head-up display for a vehicle according to one of claims 1 to 8.